GIS를 사용하여 자동으로 Green Stormwater Infrastructure의 배수 영역을 그리는 방법

작성자: Humaira Jahangiri¹, Virginia Smith^1*, Jonathan Nyquist²

GSI(Green Stormwater Infrastructure)는 고도로 도시화된 커뮤니티를 위한 솔루션으로, 폭우 유량을 줄이고 오염 물질 문제를 완화할 수 있습니다. 기여 배수 영역을 정확하게 추정하는 것은 GSI가 제대로 작동하도록 설계하는 데 있어 핵심적인 역할을 합니다. 도시 경관에서의 GSI 기여 배수 영역 그리기를 지원하기 위해 특별한 워크플로가 개발되었습니다. 미개발 영역의 배수 영역 그리기와 달리 도시 영역의 경우 지표수의 흐름을 바꾸는 미세 지형(연석, 인도, 건물) 및 폭우 인프라(유입구, 배수로, GSI)의 영향을 받습니다. 도시 유역 그리기를 위한 이 포괄적인 워크플로는 수치 고도 모델(DEM)을 변경해 GSI, 건물, 유입구를 통합함으로써 이러한 피처가 수문 경관의 일부가 됩니다.

배수 영역은 단일 포인트까지 배수되는 영역을 정량화한 것입니다. 배수 그리기 및 GSI에 대한 수많은 작업이 진행되었지만, 도시 영역의 배수 영역을 그리는 최상의 방법에 대한 합의는 여전히 이루어지지 않았습니다. 현장에서는 배수 영역 추정에 적용된 방법 및 사용된 데이터의 해상도에 따라 서로 다른 배수 영역을 보고할 수 있습니다. 배수 영역은 AutoCAD 도면을 통해 또는 폭풍우 발생 시 수행된 물리적 현장조사를 통해 추정할 수 있습니다. 두 방법 모두 저마다의 문제가 있으며, 시간 및 정보 요구 사항 등으로 인한 오류가 발생할 수 있습니다.

이 그리기 워크플로는 배수 영역을 효율적이고 정확하게 찾기 위해 ArcGIS에서 생성한 자동화된 프로세스를 제공합니다. 이 분석에 사용된 래스터 데이터에는 다양한 축척의 지형 데이터, 건물 쉐이프파일, 유입구, GSI가 포함됩니다. 이 연구를 위한 입력 지형 데이터는 라이다에서 파생된 DEM, 공개적으로 사용 가능한 DEM, 등고선에서 파생된 DEM의 높은 축척(1피트 해상도)부터 낮은 축척(10피트 해상도)에 이르기까지 다양합니다. 이 워크플로에 대한 케이스 스터디는 펜실베이니아주 사우스 필라델피아에 잔디 습지로 연결된 두 개의 레인 가든이 있는 GSI 부지입니다. 이 부지는 PWD(Philadelphia Water Department)가 개발했으며 미국 환경보호국(EPA)의 STAR(Science to Achieve Results) 보조금 프로그램의 일환으로 Villanova University에서 계측 및 분석했습니다. 이 분석은 GSI를 대상으로 하는 규모가 훨씬 큰 조사의 일부입니다. 이 분석의 전체 절차는 DEM의 전처리, 흐름 분석, 유역 분석의 세 단계로 나눌 수 있습니다.

DEM은 채우기 도구를 사용하여 데이터의 싱크 및 피크를 제거하도록 처리되었습니다. 폭우 유입구와 GSI 피처는 폭우 피처의 크기에 맞게 완화했습니다. 그런 다음 유입구, GSI, 건물 인프라의 고도를 속성 테이블에 추가했습니다. 이후 피처를 래스터로 도구를 사용하여 인프라 쉐이프파일을 래스터로 변환했습니다.

그런 다음 새로운 래스터 인프라 파일을 패인 부분이 없는 DEM과 통합했습니다. Plus 도구를 사용하여 건물 높이를 추가하고, Minus 도구를 사용하여 유입구를 DEM으로 낮추었습니다. 연석 잘라내기 및 GSI는 라이다에서 파생된 DEM으로 싱크했습니다. 그런 다음 이러한 도구를 통해 확보한 모든 결과를 모자이크 도구를 사용하여 단일 래스터로 병합했습니다.

모자이크 처리된 DEM을 사용하여 흐름 방향 도구로 각 셀의 흐름 방향을 분석한 다음, 흐름 누적 도구를 사용하여 흐름 방향을 기반으로 누적 값을 할당하도록 재처리했습니다. 고해상도 DEM에서 확보한 상세 흐름 라인은 그림 2에서 확인할 수 있듯 도시 경관의 미세 지형을 통합합니다. 이와 달리 저해상도 DEM 흐름 라인의 경우 가장 가까운 GSI 및 폭우 유입구로 흐르는 흐름 라인이 더 적게 표시됩니다. 따라서 흐름 라인은 DEM의 그리드 크기가 증가함에 따라 감소합니다.

Spatial Analyst 도구인 유역을 사용하여 GSI의 하위 유역 및 유입구가 생성되었습니다. 이러한 파일은 피처 폴리곤으로 변환되었습니다. Arc Hydro의 흐름 경로 추적 도구를 통해 업스트림 하위 유역과 폭우 유입구를 추적하고, 이를 통해 GSI로 배수되는 하위 유역을 식별할 수 있었습니다. 이러한 하위 유역 폴리곤을 내보냈으며 속성 테이블에서 총 배수 영역을 계산했습니다.

그림 3은 다양한 DEM 해상도에서 확보한 여러 배수 영역을 보여줍니다. 해상도가 낮은 배수 유역의 경우 크기가 더 크고 쉐이프도 단순합니다. GSI로 배수되는 영역의 계산이 달라지며, 이는 GSI 설계에 있어 중요한 측면입니다.

아래 테이블을 통해 다양한 DEM 해상도에서 확보한 이 부지의 여러 배수 영역을 확인할 수 있습니다. 영역 크기는 DEM 해상도가 감소함에 따라 증가합니다. 해상도가 낮은 DEM의 경우 연석, 인도, 도로 길마루와 같은 미세 지형이 매끄러워집니다. 현장조사를 기반으로 최고 해상도(1피트) DEM에서 확보한 배수 영역은 부지에서 수행한 지형 현장조사(PWD 추정치)를 통해 확보한 배수 영역과 유사하므로 허용가능성이 가장 높습니다. 다른 위치를 대상으로 수행한 동일한 분석에서도 이와 유사한 결과가 나타났습니다. 도시 경관에서 배수 영역을 그리는 데 최적의 효과를 발휘하는 DEM 해상도를 파악하기 위해 추가적인 조사가 수행되고 있습니다.

1: Villanova University, Department of Civil and Environmental Engineering, Tolentine Hall 143, 800 Lancaster Ave., Villanova, PA 19085

2: Temple University, Department of Earth and Environmental Science, Beury Hall, 1901 N. 13th St., Philadelphia, PA 19122-6081, USA

담당 작성자: Virginia Smith 

질문이 있는 경우 Virginia Smith(Virginia.Smith@Villanova.edu)에게 보내주십시오.

이 발간물은 미국 환경보호국(EPA)이 Villanova University 및 PWD(Philadelphia Water Department)와 체결한 지원 협정 83555601호에 따라 개발되었습니다. 이 문서는 EPA 또는 PWD에서 공식적으로 검토하지 않았습니다. 이 문서에 드러난 관점은 전적으로 Villanova University의 견해이며 해당 기관의 견해나 PWD의 견해를 반영하지 않을 수 있습니다. EPA 또는 PWD는 이 발간물에 언급된 제품 또는 상업 서비스를 보증하지 않습니다.