항공 LiDAR를 이용한 연구방법 및 활성단층 연구에서의 활용방안
김 현 태 HyunTae Kim 1)
*, 김 영 석 Young-Seog Kim 1) , Ramón Arrowsmith 2) , 위 광 재 Kwang-Jae We
3)1)
부경대학교 지구환경과학과, Dept. of Earth Environmental Sciences, Pukyong National University
2)
School of Earth and Space Exploration, Arizona State University
3)
한진 정보 통신, Hanjin information Systems & Telecommunication Co.
주요어: GIS, 항공 LiDAR, DEM, 수목제거, 활성단층, 지표변위
1. 서론
최근 전 세계적으로 지진과 관련된 많은 피해들이 보고되고 있다. 대부분의 지진피해는 지표 파열을 수반하는 규모 6이상의 상대적으로 큰 지진을 일으키는 단층운동과 연관되어 있다. 이 러한 큰 규모의 지진은 대부분 이전에 존재하던 활성단층이 재활성되어 발생하는 것으로 알려 져 있다. 따라서 지진재해를 예측하고 그 특성을 연구하기 위해서는 이러한 활성단층에 대한 연구가 필수적이라 할 수 있다. 이러한 활성단층에 대한 연구는 최근 매우 다양한 방법으로 진 행되고 있으며, 특히 단층의 활동시기, 재발주기, 변위, 지진의 규모 등을 알아내기 위한 연구가 매우 활발하게 진행되고 있다(e. g. Kim et al., 2011). 그러나 이러한 지진의 활동특성을 이해하 기 위해서는 이러한 활성단층의 존재를 밝히는 것이 우선되어야 하는데 기존에는 주로 항공사 진이나 위성사진 등을 이용하여 선구조를 분석하는 방법을 이용하여 이러한 연구를 수행하였다 (e. g. 경재복., 1997). 그러나 최근에는 새로운 원격탐사법인 LiDAR가 개발되어 이러한 활성단 층을 인지하는데 막대한 발전을 가져오고 있다. 기존의 방법과 이 방법의 가장 큰 차이는, LiDAR를 이용하면 지표에 존재하는 수목을 제거하여 지표의 지형을 더욱 뚜렷하게 관찰할 수 있다는 것이다. 따라서 최근에 활동을 한 이력이 있는 단층들은 다른 구조들에 비하여 더욱 뚜 렷한 선형구조를 보여주기 때문에 이러한 기법을 이용하면 더욱 용이하게 활성단층들을 인지할 수 있고 정밀조사를 위한 기초를 제공할 수 있는 장점이 있다(e. g. Arrowsmith et al., 2009).
따라서 이번 연구는 최근 국제적으로 많은 관심을 받고 있는 이러한 LiDAR 탐사기법에 대해 최근 선진국에서 사용하고 있는 자료처리기법을 소개하고 한국의 활성단층 연구에 이러한 방법 을 적용할 수 있는지를 검토하는데 그 목적이 있다. 이를 위하여 먼저 이러한 LiDAR의 자료수 집과정과 자료처리기법의 기본적인 원리를 설명하고 미국과 한국의 예를 통하여 이러한 방법의 유용성과 적용가능성을 검토해보고자 한다.
* 교신저자: [email protected]
2. 연구 내용 및 분석 방법
2.1 선행연구
기존의 우리나라 활성단층 연구에서는 활성단층의 인지를 위하여 일반적으로 위성사진과 항 공사진의 판독을 통한 활성단층인지를 수행하였다. 이러한 선행연구에서는 연구를 진행하기 위 해 필요한 선형구조 분석과 현장조사위치 선정 등의 유용한 정보들을 얻게 된다. 그러나 최근 에는 새로운 최첨단 탐사기법들의 정밀도와 활용성이 매우 높아져 원격탐사법들이 단순한 선행 연구의 차원을 넘어 매우 유용한 연구결과들을 생산하는 주 연구의 일부로 편성되고 있는 추세 이다. 기존에 사용하던 위성사진과 항공사진의 단점은 2차원적인 영상과 수목의 방해로 인해 지표에 대한 정밀한 정보를 얻기에 많은 한계가 있다는 것이다. 그러나 LiDAR기법은 기존의 이러한 단점을 보완하고 더욱 정밀한 영상이미지를 획득할 수 있기 때문에 최근 세계적으로 항 공 LiDAR기법을 통한 이미지 분석 방법이 위성사진 및 항공사진분석과 더불어 널리 사용되고 실제 연구에 많은 도움을 주고 있다(그림 1).
그림 101. 미국 Oragon주의 위성영상 및 LiDAR영상 a. Oragon주의 위성사진(Google map) b. LiDAR자료를 이용한 Oragon주의 음영기복도(www.opentophography.org).
항공 LiDAR기법의 가장 큰 장점은 지표에 있는 식생을 제거하는데 있는데 지질학에서 이러
한 기법은 지형특성을 직접 관찰할 수 있어 매우 유용하게 활용될 수 있다. 기존의 위성사진과
항공사진은 식생이 많은 지역에서는 지표변형에 대한 자료를 쉽게 획득하지 못하는 단점이 있
었다. 하지만 항공 LiDAR기법은 식생을 제거한 3차원적인 지표 영상을 획득 할 수 있어 좀 더
확실한 지표변형과 이에 따른 지형 특징을 관찰할 수 있다. 식생을 제거하는 필터링 알고리즘
은 많은 연구자들을 통해 개발, 수정이 되어왔다(Kraus and Pfeifer, 1998; Haugerud and
Harding, 2001; Zhang et al., 2003). 이는 지표변형의 특성이 해석에 중요한 요소가 되는 활성
단층의 연구에 획기적인 발전을 가져오게 되었다.
2.2 연구방법
항공 LIDAR(Airborne Light Detection and Ranging)는 항공기에 레이저 스캐너를 장착하여 지표까지의 거리를 측정하고 GPS(Global Positioning System)와 INS(Inertial Navigation System)를 이용하여 정확한 위치를 측정하여 지표의 3차원 좌표를 생성하는 원격탐사법이다(이 임평, 2006). 이렇게 획득한 LiDAR의 원자료는 Binary자료를 First Return과 Last Return으로 구분하여 ASCII 자료로 변환하여 사용하게 된다(윤정숙 외, 2006).
이렇게 수집한 LiDAR 자료를 연구에 이용하기 위해서는 몇 가지 과정을 거쳐 실제 사용하는 이미지로 변환하는 작업을 실시해야 한다. 이 연구에서는 LasTools, ArcGIS 10, Global Mapper 12 이렇게 세 가지의 프로그램을 이용하였으며, LasTools, Global Mapper 12을 이용하여 Point Cloud를 분석 및 DEM 영상으로 변환하는 작업을 수행하고, ArcGIS 10과 Global Mapper 12를 이용하여 DEM 영상을 시각적인 이미지로 변환하여 연구에 사용하였다. 여기서 DEM이란 지상 에 일정간격의 격자를 설정하고, 설정된 각각의 격자점에서 측정된 높이를 행렬의 형태로 포함 한 영상이다(이임평, 2006). 일반적으로 인공위성을 이용하여 생성한 30m, 90m의 해상도를 가지 고 있는 DEM영상을 이용한다.
선진국에서는 최근 많은 지역에 대한 LiDAR자료가 모아지고 있으며, 이를 통해 다양한 연구 가 수행되고 있다. 그러나 우리나라는 최근에 일부지역에 대한 자료의 수집이 시작되었고 처리 기법이나 활용에서도 아직은 초보적인 단계에 머물러 있다. 그러나 이 방법은 응용가능성이 매 우 다양하여 최근 급격한 발전을 이루고 있으며, 국내에서는 일부 연구기관과 업체들이 이러한 자료를 보유하고 계속적으로 수집하고 있다. 이번 연구를 위한 국내자료는 한진정보통신에서 최근 수집한 자료를 주로 이용하였다. 이번 연구에서 시범적으로 사용하고 처리한 자료는 대전 보문산 일대와 강원도 삼척 지역으로 식생이 많이 분포하고 있는 지역으로 연구 방법을 습득하 기에는 좋은 자료였다. 이들 LiDAR자료는 Optech사의 ALTM 30/70을 이용하여 촬영되었으며, 촬영 고도는 약 1,200-1,400m이고 점밀도는 3.5point/m
2이다.
그림 102. 경북 경주시 월성의 한 지역을 대상으로 실시한
DEM 해상도별 이미지 선명도 비교. a. ASTER1 위성을 이용하여
얻은 30m DEM b. LiDAR를 이용하여 얻은 1m DEM.
최초의 취득자료는 식생이 존재하는 원자료로 Point Cloud라고 부른다. 이를 LasTools를 이 용하여 식생과 지표자료를 분리해내고, 지표자료만을 이용하여 DEM 영상를 만들어낸다. 이렇 게 생성된 DEM 영상을 ArcGIS 10을 이용하여 음영기복도를 만들어 분석하거나 그 이외에 여 러 가지 이미지들을 만들어 분석 하게 된다. LiDAR 자료를 이용해 만들어진 DEM 영상은 국 내에서 주로 사용하고 있는 30m DEM 영상보다 해상도가 높은 1m DEM이기 때문에(그림 2) 이를 통해 만들어진 이미지를 이용하면 위성사진과 항공사진에서 발견하지 못한 지형 변화와, 선형구조 분석에 훨씬 유용하게 활용할 수 있으며, 특히 활성단층 연구를 하는데 있어 더욱 개 선된 결과를 얻을 수 있을 것이다.
이를 검증하기 위하여 강원도 삼척지역의 한 자료를 대상으로 항공사진과 위성사진 그리고 LiDAR 영상이미지를 비교분석하였다(그림 3). 이 이미지들에서 보여주는 바와 같이 LiADR 이 미지는 해상도에서 월등하게 우수할 뿐만 아니라 수목을 제거할 수 있다는 장점 때문에 기존의 원격이미지들에서 확인하기 어려웠던 선형구조들을 더욱 뚜렷하게 인지할 수 있음을 보여준다.
특히 우리나라와 같이 수목이 조밀한 지역에서는 그 활용 가능성이 매우 높다고 할 수 있다.
그림 103. 강원도 삼척의 한 지역을 대상으로 실시한 항공사진, 위성사진, LiDAR영상 간 선명도 비교.
3. 연구 결과
최근에 도입된 LiDAR 기법은 기존의 항공 및 위성사진보다 더욱 높은 해상도를 제공할 뿐만
아니라 수목을 제거할 수 있다는 장점 때문에 우리나라와 같이 수목이 조밀한 지역에서 활용하기
에 매우 좋은 기법으로 판단된다. 따라서 미국에서의 연구결과 한국의 초기적인 자료처리결과를
예시하였으며 이는 LiDAR 기법의 차별성과 장점을 잘 보여주고 있다. 예로서 처리한 한국의 자료
들에서도 기존의 항공 및 위성사진에서는 관찰하기 어려웠던 지형적 특성과 선형구조들을 더욱
쉽게 인지할 수 있어서 앞으로 이러한 자료들이 더욱 많이 모아진다면 기존에 보고된 활성단층의
연장성 추적뿐만 아니라 새로운 활성단층의 인지에도 많은 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.
4. 결론
이번 연구에서는 기존에 사용되어오던 분석방법과 LiDAR를 이용한 자료 분석 방법의 장단점을 알아보기 위해 LiDAR 자료의 분석을 수행하였다. 이를 통해 LiDAR 기법의 우수성과 활용가능성 을 확인할 수 있었으며, 특히 향후 활성단층을 연구하는데 있어 LiDAR 자료를 통한 지형분석 및 선형구조 분석이 선행된다면 연구에 매우 용이할 것으로 판단된다. 하지만 아직까지 자료의 획득 방법이 복잡하고 비용이 비싸서 기존에 사용되어오던 위성사진, 항공사진과의 연계를 통한 연구 가 효과적일 것으로 판단되고 계속적인 자료의 추가가 이루어진다면 전국적인 활성단층도의 개선 에 막대한 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.
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