Flood Simulation by using High Quality Geo-spatial Information

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고품질 지형공간정보를 이용한 홍수 시뮬레이션

Flood Simulation by using High Quality Geo-spatial Information

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이현직*ㆍ홍성환**

Lee, Hyun JikㆍHong, Sung Hwan

要旨

홍수 시뮬레이션에서 중요한 요소는 강우량, 강우강도 등의 수리․수문자료와 3차원 지형모델, 수리학적 홍수 계산 모형으로 이 중 어느 한 정보의 정확도 및 신뢰성이 낮게 되면 홍수범람 예측 정보의 정확도 및 신뢰성의 확보가 어렵게 된다. 이에 본 연구는 기존 수치지도 및 현황도로 제작한 지형모델과 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3차원 지형모델에 대하여 기존의 설계빈도별 홍수위에 따른 침수취약지역을 비교하여 3차원 지형모델의 정확도 차이로 인한 문제점을 분석하여 홍수 시뮬레이션에 대한 LiDAR데이터의 활용성을 제시하고자 하였다.

핵심용어 : 홍수 시뮬레이션, 항공 LiDAR 데이터, 3차원 지형모델, 고품질 지형공간정보

Abstract

The important factors in a flood simulation are hydrologic data (such as the rainfall and intensity), a three- dimensional terrain model, and the hydrologic inundation calculation matrix. Should any of these factors lack accuracy, flood prediction data becomes unreliable and imprecise. The three-dimensional terrain model is constructed based on existing digital maps, current map updates, and airborne LiDAR data. This research analyzes and offers ways to improve the model’s accuracy by comparing flood weakness areas selected according to the existing data on flood locations and design frequency.

Keywords : Flood simulation, Airborne LiDAR data, Three-dimensional terrain model, High Quality Geo-spatial information

1. 서 론

최근 우리나라는 여름철 북태평양 고기압의 영향(태 풍)과 엘리뇨 및 라니냐와 같은 이상기후 등으로 그 시기와 크기 등을 예측하기 힘든 게릴라성 집중호우가 발생하여 인명과 재산피해에 큰 영향을 주고 있다 (2007,강만수).

홍수로 인한 국가의 경제적 손실을 줄이고 국민생활 의 안정을 도모하기 위해서는 치수계획 수립 시에 홍 수위험지역에 대한 범람예측 정보가 필요하다(2008, 이근상).

홍수범람의 예측은 홍수범람 시뮬레이션을 통하여 홍수위, 침수 지역 및 면적, 침수심 등의 분석이 이루 어진다. 홍수범람 시뮬레이션에서 중요한 기초자료는 강우량, 강우강도 등의 수리․수문자료, 3차원 지형모델, 수리학적 홍수 계산모형으로, 이 중 어느 한 정보의 정

확도 및 신뢰성이 낮게 되면 홍수범람 예측 정보의 정 확도 및 신뢰성의 확보가 어렵게 된다.

현재까지 홍수범람 시뮬레이션에 이용된 3차원 지 형모델은 1:5,000 수치지도나 하천 및 지형측량을 통 해 제작된 하천 현황도를 이용하였다. 수치지도는 지 형을 등고선으로 표현하는데 등고선의 특성으로 인하 여 완경사지역이나 기복변위가 심한 곳에서는 표고오 차가 크게 나타나게 된다. 1:5,000 수치지도의 수직정 확도 허용오차 기준은 약 1.6m(ΔH/3, ΔH=등고간격) 로 높은 정확도의 취득이 어려우며, 또한 수치지도 제 작 방법의 한계로 인하여 하천 및 하도에 대한 정확한 표현이 어렵다.

하천 및 지형측량을 통해 제작된 하천 현황도는 하 천 및 하도에 대한 정확한 형상을 얻을 수 있으나, 측 량에 따른 시간, 비용 및 인력의 소비가 높아 중요 지 점에 대한 측량만을 수행하고 있어 대규모 홍수범람

2010년 8월 13일 접수, 2010년 9월 13일 채택

* 정회원ㆍ상지대학교 건설시스템공학과 교수([email protected])

** 상지대학교 건설시스템공학과 석사과정([email protected]) 연구논문

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그림 1. 연구 대상지역 - 원주천 시뮬레이션의 자료로는 다소 부적합하다.

항공 LiDAR(Light Detection And Ranging) 데이터 는 정확한 3차원 지형을 획득할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 일부 하천(건천)의 하도에 대한 표현이 가능하다.

본 연구에서는 기존 수치지도 및 현황도와 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3차원 지형모델에 대해 기존 의 설계빈도별 홍수위에 따른 침수취약지역을 비교하 여 3차원 지형모델의 정확도 차이로 인한 문제점을 분 석하고 이에 대한 개선 방안을 제시함으로써 홍수범람 시뮬레이션에 적합한 3차원 지형모델 제작 방안을 도 출하고자 한다. 또한 재해 발생의 사전 예측과 유역취 수계획 및 복구 대책 수립 등 홍수 피해를 최소화하는 데 기여하고자 한다.

2. 대상지역 선정 및 자료 특성

2.1 대상지역 선정

연구 대상지역은 강원도 원주시에 위치한 원주천을 대상지역으로 선정하였다. 원주천은 섬강의 제 1지류로 원주시 중심을 가로지르고 있으며, 유역면적 152.92km, 유로연장 27.88km인 하천으로 동쪽으로는 흥양천, 화 천 등의 주된 지류가 유입되고 주변으로는 금대천, 신 촌천, 명륜천, 단계천 등이 있다.

2004년 섬강수계(전천, 원주천) 유역종합수계보고서 에서는 원주천을 총 13개 구역으로 분할하고 각 구역 별로 10개의 중요 지점이 선정되어 있다. 1번부터 5번

구역은 비도심지역이며, 6번부터 13번 구역은 도심지 역이다. 그림 1은 대상지역인 원주천을 나타낸 것이다.

2.2 자료 수집 및 특성 2.2.1 기존 현황도

2004년 섬강수계(전천, 원주천) 유역종합수계보고서 에 수록된 현황도는 총 13개 구역에 대하여 1:5,000 수치지도를 기본도로 각 구역의 중요지점에 대한 횡단 측량 성과가 기록되어 있다.

그러나 보고서 상에 수록된 원주천의 현황도에 대한 디지털 자료를 확보할 수 없어 대상지역인 원주천의 13개 구역에 해당되는 1:5,000 수치지도를 수집하였 으며, 각 중요지점의 횡단측량 측량성과를 이용하여 횡단선을 제작하였다.

그림 2. 원주천 현황도 - 1구역

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그림 3. 원주천 항공 LiDAR 데이터 - 1구역

그림 4. 원주천 항공 LiDAR 데이터 - 1구역

2.2.2 항공 LiDAR 데이터 및 정사영상

항공 LiDAR 데이터는 2006년 10월에 캐나다 Optech사의 ALTM 30/70으로 취득하였으며, 1㎡당 3~6점의 점밀도를 가지고 있다.

정사영상은 항공 LiDAR 데이터와 동시에 취득된 GSD(Ground Sample Distance) 0.25m급 디지털 항공 사진으로 제작하였다. 그림 3과 그림 4는 대상지역의 항공 LiDAR 데이터와 정사영상을 나타낸 것이다.

3. 3차원 지형모델 제작

3.1 수치지도를 이용한 3차원 지형모델 제작 3차원 지형모델은 1:5,000 수치지도에서 대상지역 의 등고선과 표고점을 추출하고 오류에 대한 편집을 수행하였다. 오류가 수정된 등고선과 표고점을 불규칙 삼각망(TIN : Triangulated Irregular Network)형태의 3차원 지형모델을 제작하였다. 그림 5는 1:5,000 수치 지도를 이용해 제작된 대상지역의 3차원 지형모델을 나타낸 것이다.

각 중요지점의 횡단측량 성과를 이용한 횡단선을 TIN으로 구성하여 하천 및 제방에 대한 3차원 지형모

그림 5. 수치지도를 이용한 3차원 지형모델

그림 6. 항공 LiDAR 데이터를 이용한 3차원 지형모델

델로 편집하려 하였으나 각 지점간의 거리가 멀어 생 성된 하천 및 제방의 형상이 고르지 못해 본 연구에서 는 각 지점별 횡단 분석에만 이용하였다.

3.2 항공 LiDAR 데이터를 이용한 3차원 지형모 델 제작

항공 LiDAR 데이터를 이용한 3차원 지형모델은 대 상지역의 항공 LiDAR 데이터로부터 불량점 및 교량 점을 제거하고, 지표면 점을 추출하였다. 추출된 지표 면 점을 이용하여 기존 수치지도를 이용한 3차원 지형 모델과 같은 TIN 형태의 3차원 지형모델을 제작하였 다. 그림 6은 LiDAR 데이터를 이용해 제작된 대상지 역의 3차원 지형모델을 나타낸 것이다.

4. 3차원 지형모델 비교

4.1 가시성 분석

그림 7과 그림 8은 비도심지역인 3번 구역과 도심지 역인 8번 구역에 대하여 수치지도와 항공 LiDAR 데 이터로 제작된 3차원 지형모델을 나타낸 것이다.

3번 구역은 비도심지역으로써 대부분 자연 지형으 로 수치지도와 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3차원 지형모델의 형상이 유사하다. 그러나 항공 LiDAR 데 이터로 제작된 3차원 지형모델은 지형의 표현이 정밀 하고 자연스러운 반면 수치지도로 제작된 3차원 지형

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(a) 수치지도를 이용한 3차원 지형모델

(b) 항공 LiDAR를 이용한 3차원 지형모델 그림 7. 3번 구역 3차원 지형모델 비교

(b) 항공 LiDAR를 이용한 3차원 지형모델 그림 8. 8번 구역 3차원 지형모델 비교

모델은 등고선으로 제작되어 지형 표현이 단층으로 표 현되어 있다.

8번 구역은 도심지역으로써 인공 지형(도로 및 시가 화 지역) 영역은 수치지도의 지형 표현 방법인 등고선 으로는 표현의 한계가 있다. 즉, 그림 8 (a)에서 보는 바와 같이 도로뿐 아니라 하천과 제방의 형상을 정확 하게 표현하지 못하는 반면 항공 LiDAR 데이터로 제 작된 3차원 지형모델은 하천과 제방의 형상이 비교적 정확하게 표현되어 있다.

4.2 횡단 분석

빈도별 홍수위는 3차원 지형모델의 하천, 제방 등의 높이값을 기준으로 홍수 수리 계산 모델을 이용하여 산정되므로 정확한 지형의 높이값이 필요 하게 된다.

앞서 3차원 지형모델의 가시성을 분석한 결과 수치 지도로 제작된 3차원 지형모델은 제방과 하천의 형상 을 제대로 표현하지 못하는 것으로 나타나 이에 대한 정량적 분석을 수행하고자 각 구역의 중요지점에서 수 치지도로 제작된 3차원 지형모델과 LiDAR 데이터로 부터 제작된 지형모델의 하천 횡단을 비교하여 하천과 제방의 높이차를 분석하였다. 또한 각 지점의 횡단 측 량성과와의 비교 분석을 수행하였다.

(a) 1번 지점 횡단

(b) 3번 지점 횡단 그림 9. 3번구역 횡단 비교

( 수치지도, 항공 LiDAR)

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그림 9는 비도심지역인 3번 구역의 중요지점에 대한 하천 횡단선을 비교한 것으로 점선으로 표현된 것이 수치지도로 제작된 3차원 지형모델의 횡단선이고, 실 선으로 표현된 것이 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3 차원 지형모델의 횡단선이다. 그림에서 보는 바와 같 이 3번 구역에서는 하천과 제방에 대한 높이차는 크게 발생하지 않는 것으로 나타났다.

그림 10은 도심지역인 8번 구역의 중요지점에 대한 하천 횡단선을 비교한 것으로 3번 구역과 달리 수치지 도로 제작된 3차원 지형모델의 횡단선은 하천과 제방을 표현하지 못하고 있으며, 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3차원 지형모델의 횡단선과 많은 차이를 나타내고 있다.

그림 11과 12는 비도심지역인 3번 구역과 도심지역 인 8번 구역의 중요지점에 대한 횡단측량 성과와 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3차원 지형모델의 하천 횡단 선을 비교한 것으로 실선으로 표현된 것은 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3차원 지형모델의 횡단선이 고, 점선으로 표현된 것은 횡단 측량 성과로 제작된 3 차원 지형모델의 횡단선을 나타낸 것이다.

항공 LiDAR 데이터와 횡단측량 성과는 전체적으로

(b) 68번 지점 횡단 그림 10. 8번 구역 횡단 비교

( 수치지도, 항공 LiDAR)

( 항공 LiDAR, 횡단측량)

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표 1. 수치지도와 항공 LiDAR 3차원 지형 모델의 높이차 (단위 : m) 지점

(No.)

항공 LiDAR - 수치지도

하도 제방(좌) 제방(우)

0 0.327 -0.633 0.112

1 7.295 6.432 4.578

2 5.297 5.194 5.559

3 -1.213 2.422 -1.383

… … … …

128 -3.276 1.781 2.904 129 -2.070 1.536 1.945 130 -5.623 -0.697 -0.401

최대 -10.566 12.527 -7.188

최소 -0.044 -0.633 0.112

표 2. 항공 LiDAR 지형 모델과 횡단 측량 성과 높이차 (단위 : m) 지점

(No.)

항공 LiDAR - 횡단 측량

하천 제방 제방

0 0.306 -0.299 -0.382

1 0.235 -0.172 1.002

2 0.560 -0.409 0.061

3 -1.878 0.974 -3.699

… … … …

128 -0.658 -1.267 -4.424 129 -0.620 0.082 -2.684 130 -1.667 -1.336 -0.786

최대 -3.023 -4.424 -3.299

최소 0.030 0.044 -0.031

거의 유사한 형상을 나타나고 있다. 그러나 횡단 측량 성과는 일정한 거리를 유지하여 측량을 수행함으로 정 밀한 표현이 다소 어려운 것으로 나타났다.

표 1과 표 2는 130개 중요 지점에 대하여 수치지도, 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3차원 지형모델, 횡단 측량 성과의 하도 및 제방의 높이차를 비교한 것이다.

수치지도와 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3차원 지 형모델의 높이차이는 전반적으로 수치지도로 제작된 3 차원 지형모델이 높게 나타났으며, 제방은 최대 12.527m, 최소 0.112m이며, 하도는 최대 －10.565m, 최소 －0.044m로 높이차가 크게 나타났다.

횡단 측량 성과와 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3 차원 지형모델의 높이차는 전반적으로 횡단 측량 성과 의 높이가 항공 LiDAR 데이터보다 높았으며, 제방은 최대 －4.424m, 최소 －0.031m이며, 하도는 최대 － 3.023m, 최소 0.030m로 수치지도와 항공 LiDAR 데 이터의 높이차 보다 적은 것으로 나타났다.

원주천 각 구역의 중요지점에 대하여 수치지도와 항

공 LiDAR 데이터로 제작된 3차원 지형모델과 횡단 측 량 성과를 비교한 결과 비도심지역에서는 수치지도, 항 공 LiDAR, 횡단 측량 성과 모두 유사하게 나타났다.

도심지역에서 수치지도로 제작된 3차원 지형모델은 하 도와 제방을 제대로 표현하지 못하였으며, 항공 LiDAR 와 횡단 측량 성과는 유사한 형태로 나타났다.

또한 하도 및 제방의 높이차를 분석한 결과 수치지 도와 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3차원 지형 모델 의 높이차가 크게 발생하였으며, 항공 LiDAR 데이터 로 제작된 3차원 지형 모델과 횡단 측량 성과의 높이 차는 작게 발생하였다.

수치지도로 제작된 3차원 지형모델을 이용하여 홍 수 예측 정보를 분석할 경우 정확한 결과를 도출하기 어려울 것으로 판단되며, 수치지도와 횡단 측량 성과 를 병합하여 사용하더라도 현장 측량의 한계로 인하여 대규모 하천에 적용하기엔 다소 무리가 있을 것으로 판단되어 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3차원 지형모 델이 효율적이라 판단된다.

4.3 침수 지역 분석

침수 지역 분석은 기존의 설계빈도별 홍수위에 따라 수치지도와 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3차원 지형 모델의 침수 범위와 침수 면적을 정성적, 정량적으로

(b) 항공 LiDAR를 이용한 3차원 지형모델 그림 13. 3번 구역 침수 지역 분석

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그림 15. 설계빈도별 홍수위에 따른 침수 지역 면적 분석 (a) 수치지도를 이용한 3차원 지형모델

(b) 항공 LiDAR를 이용한 3차원 지형모델 그림 14. 8번 구역 침수 지역 분석

분석하였다. 침수 지역 분석을 위한 홍수위는 50년과 100년 빈도의 홍수위를 이용하였다. 침수 지역 분석은 가시성을 향상하기 위해서 정사영상과 3차원 지형모 델을 합성하여 분석을 수행하였다.

그림 13과 14는 비도심지역인 3번 구역과 도심지역인 8번 구역의 침수 지역을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 것으로 침수 지역을 침수 수위에 따라 분석한 것이다.

5. 결 론

수치지도와 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3차원 지 형모델에 대하여 가시성, 높이차, 침수 지역을 분석한 결과 비도심지역은 수치지도와 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3차원 지형모델의 차이가 많지 않은 것으로 분 석되었다. 그러나 도심지역의 수치지도로 제작된 3차 원 지형 모델은 홍수위 결정에 중요한 하천과 하천주 변지형을 정확하게 표현하지 못하며, 지형의 높이값이 정확도가 낮아 이를 이용한 홍수 시뮬레이션의 수행에 많은 문제가 발생할 것으로 예상된다.

수치지도로 제작된 3차원 지형 모델의 문제점을 보 완하기 위해 하천 측량 성과를 이용하여 보완하고 있 으나 대규모 하천에 대한 하천 측량을 수행하는 것은 현실적으로 어려운 요소가 많다. 따라서 항공 LiDAR 데이터를 이용한 3차원 지형 모델의 제작 방법이 타당

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할 것으로 판단되며, 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3 차원 지형 모델을 이용한 홍수 시뮬레이션 방법에 대 한 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 2010년 상지대학교 교내연구비를 지원받 아 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

참고문헌

1. 강수만, 박민지, 김상호, 김성준, 2007, “홍수범람해석 모형을 이용한 침수피해 저감방안 연구-진위천 하천구 간을 대상으로-”, 대한토목학회논문집, 제27권, 제6B 호, pp.583-590.

2. 이근상, 정일영, 2008, “홍수범람지역 가시화를 위한 3 차원 GIS 시스템 개발”, 대한토목학회논문집, 제28권, 제5D호 pp.749-757.

3. 이현직, 박은관, 구대성, 이규만, 김욱남, 2008, “항공레 이저 측량데이터를 이용한 침수모델링”, 한국지형공간 정보학회, 2008 공동 추계학술대회, pp.329∼330.

4. 이현직, 양승룡, 이규만, 2008, “항공레이저측량 데이터 를 이용한 노천광산 생태복원 모니터링”, 한국지형공간 정보학회지, 제16권, 제4호 pp.101-107.

5. 이현직, 양승룡, 2009, “지능형공간정보를 이용한 3차 원 경관 영향 분석”, 한국측량학회지, 제27권, 제4호, pp.295-503.

6. 원주지방국토관리청, 2004, “섬강수계(전천, 원주천) 유 역종합치수계획보고서”