2.1 SKKU 1m, SKKU 1s

Choi et al.(2002)은 한국 근해인 황해, 동중국해 및 동해 전역의 1분 수평격자 간격의 표고와 수심자료, 한반도 주변 해역인 동 · 서 · 남해안 해역의 1초 수평격자 간격의 표고와 수심자료를 결합하여 수심 데이터셋을 구축하였다. 수심구축에 사용한 국내 자료는 국토지리정보원의 연안해역기본도, 국립해양조사원의 디지털 연안선 자료와 해도(한국근해)를 사용하였고, 국외 자료는 일본 지도센터의 50 m, 250 m 표고자료, 일본 해양자료센터의 수치지도정보, 중국 국가해양국의 해도(중국근해), 미국의 GTOPO30(U.S. Geological Survey) 자료를 사용하였다. 육상표고와 해양수심자료의 기준면으로 인천평균해면(I.M.S.L.)을 기준으로 자료를 결합하였다. 편집된 1분 격자 수심은 심해인 동해와 대륙붕해인 황해 및 동중국해의 조석, 해일, 순환과정을 상세하게 해상하는 중규모적 해양과정과 연안범람 수치모델을 수행할 수 있는 기초자료로 구축되었다. 1초 간격 수심의 경우, 우리나라 경기만의 수로 중앙천퇴 연안해역의 복잡한 지형이 재현되어있지만, 범위가 타 수심들에 비해 한정이고, 제작년도가 현재보다 15년 이상 경과되어 최신의 해저지형 재현에 한계가 있다.

2.2 Korbathy 30s

Seo(2008)는 한국 주변해역(30°N~44°N, 117°E~143°E)에 대한 30초 간격의 수심 데이터셋을 구축하였다. 수심 데이터셋 구축을 위해 1분 격자 수심 최신자료와 2007년 간행된 국립해양조사원의 모든 수치해도의 측심과 등심선 자료를 추출하고 WGS84 좌표로 변환하는 프로그램을 개발하여 사용하였다. 대상해역에서 37만 5천개의 취득한 측심자료, 등수심선 자료, 격자 수심자료와 DTED(2004)의 육상표고자료를 내삽하여 격자 수심을 산출하고 이를 기존자료와 비교하여 수정하였다. 격자 수심의 기준면은 약최저저조면이고 육상표고는 평균해면을 적용하였다. 한반도 주변 해역의 수심은 기존 격자 수심이 나타내지 못한 상세한 지형을 제시하였으며, 국립해양조사원의 최신 자료를 사용하여 자료의 질을 높였다. 측심 자료가 충분한 해안은 3초 간격의 격자 수심을 산출하여 이를 바탕으로 30초 자료를 구축함으로써 신뢰도 높은 자료를 생산하였다. KorBathy 30s는 우리나라 연안 인근의 지형 중 대형 해저 수로 중앙천퇴 등이 표현되었고 황해 내측과 동해 등 외해쪽의 수심은 평탄화되어 지형변화가 매우 작게 나타난다. 하지만 수평방향으로 30초 간격의 격자수심은 연안역의 상세재현 수치모델 입력자료로 사용하기에는 지형재현율이 떨어지고, 제작년도가 10년 이상 경과되어서 최신의 해저지형 재현에 한계가 있고 최천소의 해도 수심기반으로 제작되어 지형재현에 왜곡이 발생할 수 있다.

2.3 전자해도 수심

전자해도란 전자해도표시시스템(ECDIS)에서 사용하기 위해 종이 해도 상에 나타나는 해안선, 등심선, 수심, 항로표지(등대, 등부표), 위험물, 항로 등 선박의 항해와 관련된 모든 해도정보를 국제수로기구(IHO)의 표준규격(S-57)에 따라 제작된 디지털해도를 말한다. 20세기 후반 국제 물동량 증가와 항해기술의 발달로 선박은 대형화 · 고속화 되었으며, 이로 인한 대형 해난사고가 빈번하게 발생하게 됨에 따라 북부 유럽의 해운국가를 중심으로 1980년대 중반부터 항해 안전을 향상 시킬 수 있는 획기적 방법의 하나로 전자해도에 대한 연구를 시작하였다. 우리나라는 1995년 남해안 소리도 부근에서 발생한 유조선 씨-프린스 호의 해난사고를 계기로 새로운 항해 안전 시스템의 필요성이 대두되면서 본격적으로 전자해도 개발에 착수하게 되었다. 국립해양조사원은 1995년부터 1999년까지 우리나라 전 연안의 전자해도 개발을 완료하여 2000년 7월부터 공급하고 있으며 최신의 항해안전정보 유지를 위해 매년 신 · 개정판 전자해도를 제작하여 현재 272 cell을 유지 관리하고 있다. 이와 같이 해도는 기본적으로 항해 · 항만 안전 운행을 목적으로 제작되었기 때문에, 해도의 수심을 그대로 해양수치모델에 입력하는 것은 제약사항이 따른다. 항박도(6단계, 1:7,500 미만)와 항만도(5단계, 1:7,500~29,999)로 제작된 연안지역은 높은 해상도로 복잡한 지형변화가 잘 재현되었지만, 중국해와 동해지역은 수심이 상당히 평탄화 되어 지형 재현율이 떨어진다. 또한, 항해 목적의 최천소 자료는 지형재현에 왜곡이 발생할 수 있다.

2.4 GEBCO_2014

GEBCO(GEneral Bathymeric Cart of the Oceans)는 19세기 유럽의 해도제작을 시작으로 출발하였으며, 1982년 SCOR(Scientific Committee on Oceanic Research)에 의해 전지구 해도를 완성하였다. 아날로그 자료는 1994년 GDA(GEBCO Digital Atlas, 1994)를 통해 디지털 자료로 구축하였다. 이를 기반으로 1997년 디지털 자료 업데이트 등 지속적인 업데이트 환경이 가능한 자료로 구축되었다. 최신 버전인 GEBCO_2014(2015)는 30초, 1분 수평격자 간격의 수심데이터가 제공되며, IHO(International Hydrogaphic Organization)와 IOC(Intergovernmental Oceanographic Commission)에 의해 지정된 해저지명의 표준화 지침서를 함께 제공한다. 2008년 11월 배포된 1분 간격 버전 2.0에 한반도 주변 300 m 이내 수심자료는 국립해양조사원의 전자해도 96,061 지점의 수심이 반영되어 우리나라 연안역의 수로 등 복잡한 지형이 재현되었지만 수평방향으로 30초 간격의 격자수심은 연안역의 상세한 지형재현에 한계가 있다.

2.5 ETOPO1

2008년 8월 NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration) 산하 NGDC(National Geophysical Data Center)에서는 전지구 고도자료인 ETOPO1 1 Arc-Minute Global Relief Model(http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html)을 개발하였다. ETOPO1은 다양한 글로벌 및 여러 나라의 디지털 데이터셋을 사용하여 생성되었으며, Ice Surface, Bedrock의 2가지 버전으로 제공된다. 해안선, 수심, 지형 등의 자료는 미국 정부기관과 국제기관 및 학술기관으로부터 데이터를 입수하였다. FME(Feature Manipulation Engine) 툴(http://www.safe.com/)을 사용하여 수평 및 수직 기준점을 WGS84로 적용하고 이를 ESRI(http://www.esri.com/)로 변환하였다. 변환된 파일은 ArcGIS를 이용하여 데이터셋을 보정하고 검증하였다. 우리나라 인근 자료의 수심은 기본적으로 GEBCO의 1분 간격 초기자료를 사용하였기 때문에 GEBCO_2014와 비슷한 양상을 보이지만, 연안에서 지형재현이 매우 미흡하다.

3.1 개요

해양수치모델링은 격자간의 이송과 확산을 계산하는 것이 주된 원리이므로, 정확한 수괴의 부피와 질량을 필요로 한다. 그러나 대부분의 해양수치모델링 연구에 사용되고 있는 해도 수심은 항해 안전을 위해 최천소 수심자료를 선택하였기 때문에 해저지형을 정확하게 반영하지 못하는 문제점이 있다. 해양수치모델 전용 수심 데이터(BADA Ver.1)는 기존의 해양수치모델에 사용된 수심 데이터의 한계를 극복하기 위해 원시수심측량자료로부터 대표수심 추출 시스템(Korea Hydrographic and Oceanographic Agency, 2012)을 사용하여 해양수치모델 목적의 수심 데이터를 제작한 것이다. 대표수심 추출 시스템은 대용량의 원시 수심측량자료를 TIN 모델 기반으로 제작하여, 해저지형은 최대한 재현하고, 저장공간은 최소화할 수 있도록 지형 굴곡이 많은 부분은 높은 밀도로, 굴곡이 없고 평탄한 지역은 낮은 밀도로 수심을 추출하여 경량화 하는 시스템이다. 본 연구에서는 우리나라 관할해역의 원시 수심측량자료를 대표수심 추출 프로그램을 사용하여 1차 경량화를 수행하고, 수평방향으로 150 m 간격의 해양수치모델 전용 수심 데이터로 2차 경량화하여 최소한의 저장공간을 사용하며 지형재현률을 극대화 하였다. 최종적으로 해양수치모델 전용 수심데이터를 NetCDF 형식으로 재차 경량화하여 자료 배포의 효율성과 연구자들이 쉽게 사용할 수 있는 범용성을 확보하였다.

본 장에서는 국내에서 수행된 정밀 원시 수심측량자료를 사용하여 해양수치모델 전용 수심 제작과정을 소개하고, 원시수심측량자료와의 지형 재현을 비교하였다. 또한, 우리나라 주요 연안해역에서 해양수치모델 전용 수심과 SKKU 1s, KorBathy 30s, 전자해도, GEBCO_2014, ETOPO1과 해저지형 재현을 비교 · 분석하였다.

3.2 수심측량자료

국립해양조사원에서는 우리나라 관할해역에 대한 기초자료 확보를 위해 1996년부터 2011년까지 1단계 국가해양기본조사를 수행하고, 2008년부터 2018년까지 2단계 정밀 해양수심측량을 수행하였다. 또한, 우리의 실생활과 밀접한 관계를 가지며 사회 · 경제적으로 직접적인 영향을 주는 연안과 항만해역에 대하여 연안해역정밀조사 및 항만해역정밀조사를 지속적으로 수행하고 있다(Fig. 4). 수로측량으로 수집된 수심자료 성과는 수로측량기술이 발전함에 따라 조사방법 및 조사장비가 지속적으로 발달하였고 그에 따른 다양한 성과 포맷과 용량 또한 기하급수적으로 증가하였다. 축척된 원시 수심측량자료의 통합적 · 연속적 해양 공간정보 확립을 위해 다목적 수심자료 관리체계(이하 다목적 DB)를 진행하였다. 다목적 DB는 다년간 구축된 데이터를 이용하여 항해안전을 위한 해도제작에 국한되어 제한적으로 사용되던 수심측량데이터를 새로운 패러다임에 따라 수심자료를 사용자 목적에 맞는 자료로 구축하였다.

Fig. 4.

Area of Bathymetric survey.

본 연구에서는 다목적 DB에 탑재된 자료를 기준으로 2015년까지 완료된 전체 273개 사업 중 DB 구축이 완료된 230건을 사용하였고, 미 구축 43건은 국립해양조사원의 종합해양정보시스템 공통베이스(1~3단계)자료를 사용하였다.

3.3 대표수심 제작

일반적으로 해저지형데이터를 표현하는 방법은 DEM(Digital Elevation Model)이다. DEM은 그리드를 사용하여 지리적 사상(Geographic Feature)에 대한 위치와 높이 값의 속성 정보를 기록하고, 벡터 모델처럼 모든 객체를 점, 선, 면의 세가지 유형의 기하학적 공각 객체(Spatial Objects)로 단순화하여 표현한다. 이러한 레스터 자료는 구조가 간단하고 접근이 쉬워서 지형데이터 표현에 광범위하게 사용되고 있다. 하지만 레스터 모델의 단점은 수심 정보가 정규화된 그리드에 모두 입력되어 큰 저장 공간을 요구한다. 1차원적인 저장기법의 문제를 해결하기 위해서 TIN(Triangulated Irregular Network)이 개발되었다(Fowler and Little, 1979). TIN 모델은 해상도가 고정되어 있지 않고 주변 지형에 의해 높이 값을 유동적으로 채택할 수 있다. 또한 TIN 모델은 좀 더 높은 해상도로 지형을 표현하기 위한 적절한 지형정보를 저장할 수 있다. Fig. 5에 제시한 바와 같이 DEM으로 저장시 80개의 저장공간이 필요하지만 TIN으로 저장시에는 11개의 저장공간을 사용하여 대용량 데이터의 운용 효율을 높일 수 있다.

Fig. 5.

Conceptual diagram of DEM and TIN.

3.3.2 대표수심 추출 및 지형 재현 비교

본 연구에서는 대표수심 추출 알고리즘을 사용해 20 TB(Tera Byte)에 달하는 초대용량의 원시 수심측량자료를 18 GB(Giga Byte)로 경량화 하고, 해양 예보 및 해양 재난 안전사고 등의 대처에 널리 이용되는 해양수치모델링을 목적으로 하는 대표수심을 추출 하였다. 추출된 대표수심의 지형재현율을 검증하기 위해 전라남도 여수시에 위치한 연도항의 원시수심측량자료와 대표수심을 검증평가 하였다. 연도항의 원시수심측량자료는 13.5 GB(수심 포인트 수: 228,077,500개)로 구축되어 있으며, 대표수심으로 추출한 결과 원시 자료에서 1% 정도로 경량화 되어 14.8 MB(Mega Byte)(수심 포인트 수: 182,462개)로 구축하였다. 경량화된 대표수심의 지형재현율을 검증한 결과 국부적으로 지형차이가 발생하긴 하지만 매우 미미한 수준이며, 전반적으로 원시자료와 대표수심은 지형이 거의 유사하게 나타난다(Fig. 6).

Fig. 6.

Verification of major data in bathymetry.

3.4 수심기준면 및 해안선 설정

기본 수준면(D.L.)은 해도의 수심과 조석표 조고의 기준면이며 약최저저조위(Approx. L.L.W.)라고도 불리고, 항만시설의 계획, 설계 등 항만공사의 수심 기준이 되는 수준면으로 국제수로회의에서 “수심의 기준면은 조위가 그 이하로는 거의 떨어지지 않는 낮은 면이어야 한다”라고 규정하고 있다. 우리나라에서는 조위의 기준면으로 해당지역의 약최저저조위를 채택하고 있다. 본 연구에서 개발된 해양수치모델 전용 수심의 기준면도 약최저저조위를 채택하여 공용성을 높이고자 하였다.

우리나라 서해와 같이 조수간만의 차가 큰 지역은 대조차가 최대 9 m 이상 나타나고, 조간대가 크게 발달하여 서해 연안의 유동장에 큰 영향을 준다. 약최저저조위로 제작된 수심은 조간대 표현이 불가능하고, 해안선과 불연속이 발생하는 문제가 있다. 국립해양조사원의 종합해양정보시스템에서는 약 최고고조위 기준의 해안선 자료와 조간대의 수심자료를 제공하고 있다. 본 연구에서 제작된 해양수치모델 전용 수심은 수심측량 자료와 종합해양정보시스템의 해안선자료와 조간대 수심을 결합하여 이러한 제약사항을 극복하였다. 또한, 수치모델 연구진들의 다양한 요구사항을 대비하기 위해 국립해양조사원의 TideBed DB를 이용하여 평균해수면(M.S.L.) 기준의 수심자료도 제작중이다.

3.5 해양수치모델 전용 수심 데이터(BADA Ver.1)구축

국가공간정보 기본법과 해양수산부 국가공간정보 보안관리규정에서 해양공간정보 중 공개될 경우 국가안보에 유해한 결과를 초래할 우려가 있는 해양공간정보는 비공개를 원칙으로하고 있으며, 좌표가 포함된 해상도 120 m보다 정밀한 수심자료는 공개제한으로 지정되어 있다. 본 연구에서는 모든 사용자를 대상으로 한 해양수치모델 전용 수심 제작을 목적으로 하였기 때문에 “3.3 대표수심 제작”에서 제작된 해양수치모델 목적의 대표수심을 이용하여 우리나라 관할해역을 대상으로 수평방향으로 150 m 간격의 해양수치모델 전용 수심 데이터(BADA Ver.1)를 구축하였다. 해양수치모델 전용 수심 데이터는 556 MB로 대표수심에서 재차 경량화 되었고, 사용자 배포를 위해 NetCDF 형식으로 변환하고 최종적으로 351 MB까지 경량화하여 웹 배포성과 수심의 활용의 범용성을 높였다(Table 1).

Table 1.

Lightweight data size

해양수치모델 전용 수심 데이터셋은 수평방향으로 150 m 간격으로 추출되었기 때문에, 30초 또는 1분 간격 등의 기존 수심자료(전자해도, SKKU 1s, KorBathy 30s, GEBCO_2014, ETOPO1)에 비해 경기만의 수로, 중앙천퇴, 장안천퇴 등 연안 해역의 복잡한 해저 지형이 상세히 재현되었고, 원시 수심측량자료에서 평균 수심을 사용하였기 때문에 해양수치모델의 기초자료로서 사용가치가 증대되었다.

3.6 우리나라 주요해역 수심 비교·분석

본 연구를 통해 구축된 해양수치모델 전용 수심 데이터셋을 인천, 군산, 목포, 광양, 부산, 제주도 인근 해역을 대상으로 기존 수심자료들과 비교·분석 하였다(Fig. 8~13). 해양수치모델 전용 수심은 인천해역의 염하수로 석모수로의 상세한 수심변화가 잘 재현되었다. 특히 강화도와 영종도 사이의 조간대에서 염하수로에서 경기만 서측으로 이어지는 수로가 상세히 재현되었다. 전자 해도는 대부분의 영역에서 −10~10 m 사이의 수심차이가 교호하게 나타났으며, 염하수로와 석문수로의 지형변화는 어느 정도 재현되었으나 강화도와 영종도 사이의 조간대에 발달한 수로재현은 미비하다. SKKU 1s는 전반적으로 수심이 얕게 재현되었으며, 염하수로부터 영종도 남쪽의 조간대와 인천항 항로의 수로부분의 지형이 잘 재현되지 못하였다. KorBathy 30s는 수심이 가장 얕게 재현되었으며, 수심 간격의 영향으로 염하수로와 석모수로와 같은 작은 지역의 수심은 잘 재현되지 못하였다. GEBCO_2014는 염하수로는 조간대 지형으로 재현되었고, 염하수로 남측의 넓은 조간대 지역은 재현되지 못하고 얕은 수심의 지형으로 재현되었다. ETOPO1도 GEBCO_2014와 유사한 경향을 보이며 석모수로의 재현율은 가장 안 좋았다. 인천 해역 수심 비교 지역 남서측은 모든 수심에서 블록형태의 수심차이가 나타났는데, 이는 원시 수심측량자료가 1990년대에 수행된 과거의 자료라서 발생된 오차로 판단된다. 해양수치모델 전용 수심 데이터의 이후 버전에서는 최신의 수심측량자료를 사용하여 과거 수심측량자료로부터 발생된 오차를 최소화할 예정이다.

Fig. 8.

Differences of bathymetic data on Incheon.

Fig. 9.

Differences of bathymetic data on Gunsan.

Fig. 10.

Differences of bathymetic data on Mokpo.

Fig. 11.

Differences of bathymetic data on Gwangyang.

Fig. 12.

Differences of bathymetic data on Busan.

Fig. 13.

Differences of bathymetic data on Jeju.

군산 해역은 금강 하구둑부터 개야수로까지 이어는 수로와 조간대 지역의 지형변화가 잘 재현되었고, 고군산군도의 복잡한 지형과 새만금호 신시 배수갑문 전면의 깊은 수로와 4호 방조제 끝물막이 구간의 깊은 수심도 잘 재현되었다. 전자 해도에서도 개야수로 인근과 고군산군도 인근의 지형은 재현되었으나, 최천소 수심을 사용하였기 때문에 전반적으로 수심이 얕게 나타났다. 수심 간격이 큰 KorBathy 30s, GEBCO_2014, ETOPO1은 개야수로 인근과 고군산군도의 복잡한 지형의 재현율이 크게 떨어졌다. 군산 해역 수심 비교 지역 남측은 모든 수심에서 블록형태의 수심차이가 나타났는데, 이는 인천 해역에서 발생된 수심차이와 동일한 원인으로 판단된다.

다도해 지역인 목포 해역은 섬 사이의 수로와 영산강과 섬진강으로 이어지는 수로도 잘 재현되었다. 전자해도 수심은 영산강과 섬진강으로부터 나오는 수로의 수심이 잘 재현되지 않아 얼룩무늬 형태의 수심차이를 나타내고 있다. SKKU 1s도 수로의 복잡한 지형변화를 잘 반영하지 못하는 경향을 보이고 있다. 수평방향으로 30초 간격의 KorBathy 30s와 GEBCO_2014도 복잡한 수로지형의 재현율이 크게 떨어졌고, EOTOPO1은 수로 재현이 안되고 크게 평탄화 된 지형으로 나타났다.

광양 인근해역은 광양만으로 이어지는 해저 수로와 육지와 남해도 사이의 수로가 잘 재현되었다. 전자해도 수심은 전반적으로 얕게 평가 되었고, 노도 인근에서 수심이 20 m 정도 얕게 나타났다. SKKU 1s도 전반적으로 수심이 얕게 나타났으며, 남해도와 육지사이의 수로와 광양만 내측에서 재현율이 크게 떨어졌다. 사천대교 부근에서는 이상 수심데이터의 영향으로 수심차가 크게 나타났다. KorBathy 30s는 해안선 부근에서 수심차이가 크게 나타나고 이러한 영향으로 좁은 수로구역은 재현되지 못하였다. GEBCO_2014도 KorBathy 30s과 유사한 경향을 보이며, 사천대교, 중평항, 광양만 내측에서 튀는 수심의 영향으로 크게 깊은 골이 나타난다. ETOPO1은 해안선에서 외해쪽으로 약 1 km까지 재현율이 크게 떨어지고 다른 수심들에 비하여 크게 평탄화된 지형으로 나타났다.

부산 인근 해역은 진해만으로 이어지는 해저수로와 낙동강 하구에 위치한 사주지역도 재현되었으며, 대한해협으로 이어지는 대륙붕과 그 사이에 있는 섬 지역도 잘 재현된 것으로 나타났다. 전자 해도와 SKKU 1s도 해양수치모델 전용 수심과 유사한 경향을 보이지만, 전반적으로 수심이 얕게 나타났다. KorBathy 30s와 GEBCO_2014는 해안선 부근에서 수심 차이가 크게 나타났고, 외해측의 섬은 재현되었다. ETOPO1은 전반적으로 수심이 크게 평탄화 되어 낙동강 하구역의 사주는 재현되지 못해 수심이 깊게 나타났고, 대한해협으로 이어지는 대륙붕 지역은 20 m 이상 얕게 나타났다.

제주 인근 해역은 제주도 북측의 깊은 수로와 인근 섬 지역이 잘 재현되었다. 전자 해도와 SKKU 1s, KorBathy 30s, GEBCO_2014, ETOPO1도 해양수치모델 전용 수심과 유사한 형태로 재현되었으나, 공통적으로 해도 수심을 기반으로 제작되었기 때문에 지형이 왜곡 되었을 수 있고 자료가 오래되었거나 수심 간격이 커질수록 재현율이 크게 떨어지는 것으로 나타났다. 특히 ETOPO1은 다른 지역과 마찬가지로 크게 평탄화 되어 해안선 인근은 수심이 낮게 나타나고, 북측 수로에서는 수심이 깊게 나타났다.