수질관리 지원을 위한 GIS기반의 한국형 Reach File 개발 연구

국문 초록 (Abstract)

최근 들어 지리정보 관련 기술의 발달로 인해 GIS를 활용한 수질관리프로그램 개발에 대한 노력이 활발히 이루어지고 있다. 또한, 효율적인 GIS(Geographical Information System) 자료구축을 위하여 개발방법론을 적용한 지리정보시스템 구축 방법에 대한 연구가 시도되고 있다. 그러나 아직까지 수질관리 지원을 위한 표준화된 지리정보시스템 개발방법론의 부재로 인해 구축된 공간자료에 대한 정확도 및 신뢰성에 문제가 제기되고 있는 실정이다. 수질관리를 위한 지리정보체계는 하천의 흐름 특성, 연결 관계, 위상 관계 등을 재현할 수 있어야 하고, 다각적인 분석을 위해 유역 내에서 생산되고 있는 물환경정보와 연계할 수 있는 자료구조를 가져야 한다.
따라서 본 연구에서는 하천의 흐름분석 및 공간분석 기능을 통해 수질관리를 지원할 수 있도록 표준화된 공간데이터 개발방법론을 정립하여 한강수계를 대상으로 하천의 수리학적 특성 및 연결 관계, 공간분석을 위한 속성정보를 포함하는 하천망 네트워크 기반의 한국형 Reach File을 개발하였다. 또한, Reach File과 물환경정보 연계를 위해 DEM을 이용한 유역분할 방안을 제시하였고, 수질모델링 연계 적용을 통해 수질관리에 있어 한국형 Reach File의 활용방안을 제시하였다. 본 연구는 한국형 Reach File 개발을 위해 최대내접원을 이용한 하천중심선 추출, 위상 정보 및 속성 정보의 구축, Reach File과 유역 환경정보 연계를 위한 집수구역 분할방안 검토, 수질모델링 연계를 통한 활용방안 제시의 순서로 진행되었다.
최대내접원을 이용하여 한강수계를 대상으로 하천중심선을 추출하고, 그 결과를 6개 하천을 대상으로 이등분선을 이용한 중심선 추출 결과와 비교하였다. 그 결과, 본 연구에서 제안한 알고리즘을 적용하여 추출한 중심선은 대상하천의 하천일람에 명시된 하천거리와 평균 0.83%의 상대오차를 보였으며, 이등분선 알고리즘을 적용하여 중심선을 추출한 결과는 평균 1.62%의 상대오차를 보였다.
또한, 한국형 Reach File의 위상속성 및 주제속성의 정확도를 검증하고 실제 수질관리 지원을 위한 활용방안을 제시하기 위해 경안천 유역을 대상으로 공간탐색(spatial navigation)과 공간추적(spatial tracing) 기법을 적용한 결과, Reach와 Node의 속성정보를 이용하면 하천의 길이, 분기 여부, 본류 방향, 시작 Reach 구분 등을 확인할 수 있고, 이를 통해 하천의 형상을 모식화하고 관심 지역의 영향권역을 산정할 수 있었다. 공간역추적 기법 적용에서는 한국형 Reach File의 속성정보 및 위상정보를 이용해 오염사고 발생 시 최초 발생지점에 대한 공간추적이 가능하다는 점을 확인하였다.
물환경정보와 연계할 한국형 Reach File 단위의 집수구역 분할을 위해 환경부 30m DEM(Digital Elevation Map)을 이용하여 WMS(Watershed Modeling System)와 AVSWAT(ArcView Soil and Water Assessment Tool)을 이용해 유역을 분할하고 결과를 비교하였다. 비교 결과, Agree burn DEM을 이용하여 AVSWAT에서 집수구역을 분할하는 방법이 기존의 표준유역 경계와 거의 일치하였으며, 분할된 유역의 면적은 측량 면적과 비교할 때 상대오차가 1.36%로 WMS를 이용한 방법보다 정확하게 나타났다.
끝으로 한국형 Reach File을 이용해 1차원 수질모델 수행을 위한 전처리를 자동화한 결과, 기존 수작업에 의한 모델링 과정에 소요되던 준비시간을 크게 단축시킬 수 있었다. 또한, 동일 하천구간에 대해 표준화된 공간자료인 한국형 Reach File을 이용하여 모델링을 수행함으로써 모델 수행을 위한 모식도 작성결과가 항상 같아 모델 결과의 신뢰도 및 정확도를 높일 수 있었다.
앞서 설명한 것처럼 한국형 Reach File은 하천의 표준 지리학적 데이터베이스로 Reach별 고유 식별코드와 공간분석에 필요한 속성정보 및 위상정보를 포함하고 있어, 향후 물환경정보와 연계하여 활용할 경우 시․공간 자료연계를 통한 수리학적 검색체계를 제공하고 하천 네트워크에 대한 공통된 공간정보를 제공함으로써 과학적 기반의 수질관리 체계를 마련하는데 기여하는 바가 클 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• <제목 차례>
• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 2
• 1.3 연구 추진절차 3
• 1.4 논문의 구성 4
• Ⅱ. 이론적 배경 6
• 2.1 데이터 모델 6
• 2.1.1 GIS 데이터 모델 7
• 2.1.2 네트워크 데이터 모델 9
• 2.2 Reach File 12
• 2.2.1 Reach File의 정의 12
• 2.2.2 Reach File의 구성 14
• 2.3 DEM을 이용한 유역분할 20
• 2.3.1 기존 유역분할 체계 20
• 2.3.2 DEM 전처리 23
• 2.3.3 유역분할을 위한 AVSWAT 및 WMS 모형 33
• 2.4 연구동향 36
• 2.4.1 국내 연구동향 36
• 2.4.2 국외 연구동향 39
• 2.4.3 국내외 관련연구의 시사점 45
• Ⅲ. 한국형 Reach File 개발 46
• 3.1 연구 범위 46
• 3.1.1 공간적 범위 46
• 3.1.2 내용적 범위 48
• 3.2 한국형 Reach File 구축 51
• 3.2.1 한국형 Reach File 설계 51
• 3.2.2 도형정보 구축 57
• 3.2.3 고유식별코드 개발 75
• 3.2.4 속성정보 구축 80
• 3.3 집수구역 설정 93
• 3.3.1 집수구역 설정의 필요성 93
• 3.3.2 DEM을 이용한 유역분할 95
• Ⅳ. 한국형 Reach File의 적용 및 고찰 103
• 4.1 하천중심선 비교 103
• 4.2 하천 네트워크 분석 108
• 4.2.1 공간 탐색 110
• 4.2.2 공간 추적 116
• 4.3 집수구역 분할 방법 비교 121
• 4.4 수질모델링 연계 적용 127
• Ⅴ. 결 론 138
• 참 고 문 헌 141
• 부 록 150
• <표 차례>
• <표 2-1> EPA Reach File의 버전별 특성 13
• <표 2-2> RF1의 Entity 구성 16
• <표 2-3> Reach File 하천 네트워크 정의 18
• <표 2-4> 물관리공통유역도 분할 현황 22
• <표 2-5> AVSWAT Component 34
• <표 3-1> 한강수계 주요하천 특성 47
• <표 3-2> 국내 표준 하천 코드 체계 78
• <표 3-3> KRF 속성정보 구분 82
• <표 3-4> KRF 위상 속성 82
• <표 3-5> KRF Node 속성 모델링 85
• <표 3-6> KRF Reach 속성 모델링 85
• <표 3-7> KRF Node 속성 명세서 88
• <표 3-8> KRF Reach 속성 명세서 89
• <표 4-1> 비교구간 유하거리 측정결과 106
• <표 4-2> 중심선 추출결과 비교 107
• <표 4-3> 경안천 유역의 Reach 속성 112
• <표 4-4> 경안천 유역의 Node 속성 113
• <표 4-5> Reach별 유속 및 하천연장 118
• <표 4-6> Reach별 유하시간 산정 119
• <표 4-7> 오염물질 도달시간 120
• <표 4-8> 대대천유역 집수구역 분할 결과 125
• <표 4-9> 공간자료 구축 내역 133
• <표 4-10> 속성자료 구축 내역 134
• <그림 차례>
• <그림 1-1> 연구 흐름도 4
• <그림 2-1> 벡터 데이터 모델의 구조 9
• <그림 2-2> 하천 네트워크 구성 개념도 11
• <그림 2-3> RF3의 구축과정 15
• <그림 2-4> 물관리공통유역 코드 체계 21
• <그림 2-5> 기존 유역 분할 현황 21
• <그림 2-6> Sink와 Peak 23
• <그림 2-7> Agree Burn DEM 생성과정 24
• <그림 2-8> Smooth drop or raise grid 26
• <그림 2-9> Vector distance grid 27
• <그림 2-10> Vector allocation grid 27
• <그림 2-11> Buffer grid 1 29
• <그림 2-12> Buffer grid 2 29
• <그림 2-13> Buffer distance grid 30
• <그림 2-14> Smooth distance 계산 방법 31
• <그림 2-15> Smooth elevation 31
• <그림 2-16> Sharp drop grid 32
• <그림 2-17> Agree burn DEM 생성 결과 33
• <그림 2-18> AVSWAT의 Watershed Delineation 34
• <그림 2-19> WMS의 유역분할 35
• <그림 2-20> HyGIS Spatial Database 37
• <그림 2-21> RiverSpill을 이용한 공간추적 40
• <그림 2-22> 하천 네트워크 모델의 구성 요소 43
• <그림 2-23> Upstream Network Trace 결과 44
• <그림 3-1> 연구 대상지역 46
• <그림 3-2> 하천 네트워크 구성요소 51
• <그림 3-3> 하천 네트워크와 집수구역 연계 52
• <그림 3-4> 물환경정보 위상 정의 53
• <그림 3-5> 하천중심선 추출 방법 비교 55
• <그림 3-6> KRF 고유식별코드(UFID) 56
• <그림 3-7> 최대내접원을 이용한 중심선 추출 62
• <그림 3-8> 중심점 추출 알고리즘 순서도 63
• <그림 3-9> 최초원 정의 64
• <그림 3-10> MER을 이용한 분석대상 선정 65
• <그림 3-11> 중심점 추출 초기 수행 66
• <그림 3-12> 1차 조정 계산 66
• <그림 3-13> 중심점 추출 결과 67
• <그림 3-14> 중심선 추출 알고리즘 적용 결과 68
• <그림 3-15> 최대내접원 중심점 연결 69
• <그림 3-16> 하천중심선 후처리 70
• <그림 3-17> 한강수계 하천중심선 추출 결과 71
• <그림 3-18> 도형자료 구축 예시 74
• <그림 3-19> RF3의 고유식별자 개념도 75
• <그림 3-20> RF3의 고유식별자 구성 76
• <그림 3-21> KRF의 고유식별자 구성 79
• <그림 3-22> Stream Reach UFID 적용 결과 79
• <그림 3-23> 표준유역 분할 현황 93
• <그림 3-24> 집수구역 분할 예시 94
• <그림 3-25> 집수구역 분할 순서도 95
• <그림 3-26> 경안천 Fill Sinks 결과 96
• <그림 3-27> 경안천 Agree Burn DEM 결과 97
• <그림 3-28> Create Outlet Point 98
• <그림 3-29> WMS를 이용한 유역분할 결과 99
• <그림 3-30> Burn in option 100
• <그림 3-31> Stream Definition 과정 100
• <그림 3-32> AVSWAT을 이용한 유역 분할 결과 101
• <그림 3-33> 집수구역 유선화 과정 102
• <그림 4-1> 불규칙한 형상의 하천중심선 비교 105
• <그림 4-2> 곡선구간의 하천중심선 비교 106
• <그림 4-3> 한강수계 KRF 도형자료 구축 결과 109
• <그림 4-4> KRF 고유식별자 구성 110
• <그림 4-5> KRF를 이용한 하천구간 탐색 111
• <그림 4-6> 속성정보를 이용한 탐색구간 모식도 작성 114
• <그림 4-7> 탐색구간 오염원별 배출부하량 분포(kg/day) 115
• <그림 4-8> 위상정보를 이용한 수질오염사고 발생지점 역추적 117
• <그림 4-9> No burn DEM을 이용한 유역분할 결과 122
• <그림 4-10> Agree burn DEM을 이용한 유역분할 결과 123
• <그림 4-11> Agree burn DEM을 이용한 유역분할 상세 비교 124
• <그림 4-12> 적용방법에 따른 대대천 유역 분할결과 비교 126
• <그림 4-13> GIS기반 모식도 작성 과정 모델링 127
• <그림 4-14> 수질모델 적용 유역 선정 128
• <그림 4-15> 선정하천추출 결과 조회 129
• <그림 4-16> 수질모델 적용하천 모식도 작성 예시 130
• <그림 4-17> 최종모식도의 요소번호 자동 부여 131
• <그림 4-18> 모의 대상유역의 선정 135
• <그림 4-19> 모식도 요소유형 적용 결과 136
• <그림 4-20> 모식도 속성 조회 결과 137
• <부록 차례>
• <부록 1> RF1 Entity 및 Attribute 구성 151
• <부록 2> RF3 Entity 및 Attribute 구성 153
• <부록 3> RF1 속성정보 구성 내역 155
• <부록 4> RF3 위상정보 구성 내역 158
• <부록 5> RF3 속성정보 구성 내역 163
• <부록 6> 중심선 추출 알고리즘 167