수중음파탐지기와 공간보간기법을 활용한 수중과 지상의 연속수치표고모델 개발 = Development of a Seamless Digital Elevation Model of Land and Underwater Areas Using Scanning Sonar and Interpolation Methods

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The topography reflects the various ecosystem processes and its information is essential for sustainable use of the national territory and environmental ecological studies. Accordingly, much effort is being made to produce a seamless, high-resolution digital elevation model. However, the development of topographic information is mainly carried out for an above ground areas, and underwater topographic information is relatively insufficient. This study aimed to develop a seamless digital elevation model to link land and underwater areas in a wetland park. We obtained a total of 9,850 underwater depth points data using a scanning sonar method and merged it with altitude points data of land area originating from a 5m resolution digital elevation model. Four kriging (Empirical Bayesian Kriging, EBK; Simple Kriging, SK; Ordinary Kriging, OK; Universal Kriging, UK) and Inverse Distance Weight(IDW) models were applied to estimate the seamless digital elevation model of land and underwater areas. Each interpolation model was constructed using all land area elevation data and 70% of underwater depth points data. With the remaining 30% as test data, we evaluated interpolation models using linear regression and paired t-test. As a result of the study, the most suitable interpolation model with high accuracy was EBK (𝑅2=0.55), followed by OK (𝑅2=0.54), IDW (𝑅2=0.53), UK (𝑅2=0.41), and SK (𝑅2=0.37), which were all statistically significant at 0.05 level. The model that predicted the most similar estimates to the water depth measurements was EBK (paired t-test: 𝑃=0.85), followed by IDW (𝑃=0.18), OK (𝑃=0.10), UK (𝑃=0.06), and SK (𝑃<0.001). Overall, EBK was the best model for developing a seamless digital elevation model of land and underwater areas. These results can be used as fundamental data for the construction of high-resolution spatial information linking underwater and ground environments.

국문 초록 (Abstract)

생태계가 지닌 다양한 프로세스를 반영하는 지형에 대한 공간정보는 국토의 지속가능한 이용과 환경생태 연구에 있어매우 중요하다. 따라서 지형공간정보의 고도화를 위한 고해상도의 연속수치표고모델 제작을 위해 많은 노력이 기울여지고 있다. 그러나 지형공간정보 구축은 주로 육상생태계 지상부를 중심으로 수행되고 있으며, 수중 지형정보는 상대적으로 부족한 실정이다. 본 연구는 담수지역 생태계인 경기도 안산시 갈대습지공원을 대상으로 지상과 수중을 연계한 수치표고모델 구축을 목표로 하였다. 이를 위해 수심측정이 가능한 음파탐지기를 활용하여 9,850개의 수심 위치정보를 획득하였고, 기존의 5m DEM과 연계하여 지상과 수중의 연속적인 고도정보를 구축하였다. 수심 위치정보와지상 고도정보의 연계를 위해 역거리가중법(Inverse Distance Weighted, IDW)과 함께 4개의 크리깅 기반 공간보간법(Empirical Bayesian Kriging, EBK; Simple Kriging, SK; Ordinary Kriging, OK; Universal Kriging, UK)이 적용되었다. 연구대상지 내 지상 고도정보와 수심 위치 점자료 70%를 활용하여 각 보간 모델을 생성하였고, 나머지 30%를 활용하여 보간 모델들의 선형 적합성을 평가하였다. 또한, 대응비교 t-검정을 통해 수심 측정값과 공간보간 모델별 예측값 간 유의미한 차이가 있는지 확인하였다. 연구결과, 유의수준 0.05에서 통계적으로 유의하고 적합성이 가장 높은 보간 모델은 EBK (𝑅2=0.55)였으며, 다음으로 OK (𝑅2=0.54), IDW (𝑅2=0.53), UK (𝑅2=0.41), SK (𝑅2=0.37) 순이었다. 대응비교 t-검정 결과로 수심 측정값과 가장 유사하게 예측한 모델은 EBK (𝑃=0.85)였으며, 그 다음으로 IDW (𝑃=0.18), OK (𝑃=0.10), UK (𝑃=0.06), SK (𝑃<0.001) 순이었다. 종합하면, 수중과 지상의 연속수치표고모델 구축에 있어 EBK가 다른 보간 모델들에 비해 가장 우수한 모델이었다. 이러한결과들은 수중과 지상을 연계한 고해상도 공간정보 구축을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

참고문헌 (Reference)

1 김동문 ; 김응남, "해저지형 모델링 향상을 위한 MBES자료 후처리 기법 연구" 대한공간정보학회 19 (19): 19-28, 2011

2 이재원 ; 최혜원 ; 윤부열 ; 박치영, "항공 Lidar와 멀티빔 음향측심 자료를 이용한 해상과 육상의 통합 지형공간정보 구축" 한국지리정보학회 17 (17): 28-39, 2014

3 김수경 ; 박현숙 ; 박시룡, "충남 예산군 예당저수지 수변 농경지의 어류와 양서류 분포특성" 한국환경생태학회 30 (30): 48-57, 2016

4 송원경, "종분포모형을 이용한 수원청개구리의 번식기 서식지 분석" 한국환경복원기술학회 18 (18): 71-82, 2015

5 김동휘 ; 류동우 ; 최영민 ; 이우진, "인천 송도지역 지층분포 추정을 위한 크리깅과 역거리가중치법의 적용 한국지반공학회논문집 제26권 제1호인천 송도지역 지층분포 추정을 위한 크리깅과 역거리가중치법의 적용" 한국지반공학회 26 (26): 5-19, 2010

6 박노욱 ; 장동호, "수치표고모델과 다변량 크리깅을 이용한 기온 및 강수 분포도 작성" 대한지리학회 43 (43): 1002-1015, 2008

7 한여희 ; 정영훈 ; 천의범 ; 김영찬 ; 박신형, "수치표고모델 정보를 활용한 도로 종단경사 산출 연구" 한국ITS학회 20 (20): 84-99, 2021

8 정순찬 ; 심규성 ; 이태근, "수치표고모델 기반 하천구역 지형분석 및 하천구역 결정 개선 연구" 한국산학기술학회 22 (22): 447-458, 2021

9 김형균 ; 이영숙, "수면호버링 드론을 이용한 흑산도 해저지형 탐사 기법 연구" 한국멀티미디어학회 23 (23): 102-110, 2020

10 김남일, "사이드스캔소나를 이용한 울진바다목장 해역의 해저지형조사" 527-530, 2010

11 오정식, "무인항공기를 활용한 고기복지형의 고해상도 수치표고모델 구축과 지형분석" 한국사진지리학회 29 (29): 115-127, 2019

12 정진우 ; 조광희 ; 홍승서, "다중빔 음향측심기의 내수면 적용성 평가" 한국측량학회 36 (36): 629-639, 2018

13 김아름 ; 김영채 ; 이도훈, "뉴트리아(Myocastor coypus) 분포밀도 및잠재적 서식가능지역 예측에 따른 관리방향" 한국환경영향평가학회 27 (27): 203-214, 2018

14 박준규 ; 정갑용, "노천광산 개발 및 안전관리를 위한 3차원 지형정보 구축 및 정확도 분석" 한국측량학회 38 (38): 43-48, 2020

15 정종철 ; 조홍래, "강우자료에 대한 공간보간 기법의 적용" 대한공간정보학회 14 (14): 29-41, 2006

16 김명배 ; 곽강율, "간섭계 방식을 이용한 수중지형탐사 방안 연구" 한국측량학회 29 (29): 275-281, 2011

17 ESRI ArcGIS Pro, "What is empirical Bayesian kriging?" ESRI ArcGIS Pro

18 Giambastiani, Y., "Volume estimation of lakes and reservoirs based on aquatic drone surveys: The case study of Tuscany, Italy" 46 : 84-96, 2020

19 ESRI ArcGIS Pro, "Understanding simple kriging?" ESRI ArcGIS Pro, U.S.A

20 노태호, "UAV와 Echo Sounder 취득 자료의 비교를 통한 저수지 하상의 공간 보간별 정확도 분석" 한국지리정보학회 23 (23): 85-99, 2020

21 Ratner, B., "The correlation coefficient : Its values range between+ 1/-1, or do they?" 17 (17): 139-142, 2009

22 Susanto, F., "Spatiotemporal interpolation for environmental modelling" 16 (16): 1245-, 2016

23 Burrough, P. A., "Principles of geographical information systems" Oxford university press 2015

24 김계현 ; 권오준, "NGIS 수치지형도를 이용한 효율적인 홍수범람모의용 지형자료 구축에 관한 연구" 대한공간정보학회 14 (14): 49-55, 2006

25 Buchanan, S., "Mapping water table depth using geophysical and environmental variables" 47 (47): 80-96, 2009

26 Weihe, G., "Mapping submerged aquatic vegetation with GIS in the Caloosahatchee Estuary : evaluation of different interpolation methods" 22 (22): 69-91, 1999

27 Yildirim, Y., "Mapping noise and characteristics of transit-oriented developments (TODs): A Sunbelt region case study" 179 (179): 2021

28 Ruda, A., "Interpolation techniques for predicting the movement of cyclists" 383-398, 2017

29 Naud, M. J., "Influences of underwater bottom topography and geomorphology on minke whale(Balaenoptera acutorostrata)distribution in the Mingan Islands(Canada)" 83 (83): 889-896, 2003

30 Goovaerts, P., "Geostatistics for Natural Resources Evaluation" Oxford University Press 1-483, 1997

31 Longley, P. A, "Geographic information systems and science" John Wiley & Sons 2005

32 김혜진 ; 성효현 ; 김지수 ; 안세진, "GIS를 활용한 지오파크 환경 민감성 평가 - 청송 세계지질공원의 사면재해 민감성을 중심으로 -" 한국지형학회 27 (27): 81-97, 2020

33 Duffy, G. A., "Explicitly integrating a third dimension in marine species distribution modelling" 564 : 1-8, 2017

34 Qiao, B., "Estimation of lake water storage and changes based on bathymetric data and altimetry data and the association with climate change in the central Tibetan Plateau" 578 : 124052-, 2019

35 Ruffell, A., "Dronar—Geoforensic Search Sonar from a Drone" 1 (1): 202-212, 2021

36 김태은 ; 서강현 ; 김동수 ; 김서준, "DEM 개선을 통한 중소하천 홍수범람지도 정확도 향상" 한국환경과학회 25 (25): 1165-1176, 2016

37 Bandini, F., "Bathymetry observations of inland water bodies using a tethered single-beam sonar controlled by an unmanned aerial vehicle" 22 (22): 4165-4181, 2018

38 Sheehan, K. R., "An interpolation method for stream habitat assessments" 29 (29): 1-9, 2009

39 Lu, G. Y., "An adaptive in verse-distance weighting spatial interpolation technique" 34 (34): 1044-1055, 2008

40 Hengl, T., "About regression-kriging : From equations to case studies" 33 (33): 1301-1315, 2007