KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research (대한토목학회논문집)

Korean Society of Civil Engeneers (대한토목학회)
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Evaluation of DEM-based Channel Network Delineation Methods on Watershed Drainage System

DEM을 이용한 수로망 산정 기법에 따른 유역의 배수구조 평가

  • 이기하 (충남대학교 토목공학과 건설방재연구소) ;
  • 윤의혁 (충남대학교 토목공학과 수공 및 환경전공) ;
  • 김주철 (한국수자원공사 K-water연구원) ;
  • 정관수 (충남대학교 토목공학과)
  • Received : 2010.07.01
  • Accepted : 2010.12.04
  • Published : 2011.02.28
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Abstract

Channel network delineation from DEM (Digital Elevation Model) is a fundamental pre-process for hydrologic model application since it determines the drainage system in a watershed. This study aims to propose an effective and efficient channel network delineation process and assess the effects of DEM-based channel networks on the watershed drainage system. For these objectives, we applied two methods to generate the channel networks of the Jinan-cheon catchment with $18.28km^2$ from the 20 m resolution DEM: a widely-used area-threshold method and a slope-area threshold method based on the relationship between contributing areas and local slopes. The results showed that the area-threshold method led to unreliable drainage system, which did not satisfy geomorphological laws with respect to drainage density and source area representation whereas the slope-area threshold method provided acceptable results under the geomorphological laws. Our suggestions in this study can give valuable pre-processing information in DEM-based hydrologic modeling.

DEM을 이용한 수로망의 생성은 수문해석모형의 적용을 위한 전처리 과정으로써 실제 유역시스템의 배수구조를 결정하는 중요한 인자로 활용된다. 본 연구에서는 DEM으로부터 합리적인 수로망 추출과정 수립을 목적으로 보편적으로 사용되고 있는 면적한계기준과 국부경사와 기여면적사이의 특성에 근거한 경사-면적한계기준 기법을 이용하여 수로망을 생성하고 지형법칙에 의거하여 각 기법에 따른 소규모 유역(진안천 유역; $18.28km^2$) 배수구조의 신뢰성을 평가하였다. 그 결과, 면적한계 기준 기법은 수원유역의 크기의 인위적 결정에 의해 지형법칙을 만족시키지 못하고 유역전체의 배수구조를 왜곡되게 묘사한 반면, 경사-면적한계기준 기법의 경우 물리적인 지형법칙을 만족시키는 우수한 결과를 나타냈다. 따라서 경사-면적한계기준 기법은 DEM 기반의 수문모형을 적용 시 효율적이고 객관적인 수로망 생성을 위한 방법론으로서 활용이 가능하리라 판단된다.

Keywords

References

  1. 김연준, 양인태(2002) DEM으로부터 하천망 추출을 위한 흐름누적 임계값의 분석. 한국측량학회지, 한국측량학회, 제20권 제3호, pp. 255-264.
  2. 안승섭, 이증석, 김종호, 임기석(2005) 하천생성 임계면적의 변화에 따른 유역의 지형관련 매개변수들의 특성분석. 한국지리정보학회지, 한국지리정보학회, 제8권, 제2호, pp. 10-20.
  3. 양인태, 김연준(1997) 수문해석을 위한 DEM에 의한 지형의 경사도분석에서 격자크기의 영향. 한국측지학회지, 한국측지학회, 제15권, 제2호, pp. 221-230.
  4. 양인태, 김연준, 유영걸(2002) DEM 격자크기에 따른 지형경사와 배수유역 면적의 분석. 한국측량학회지, 한국측량학회, 제20권, 제3호, pp. 303-311.
  5. 정인균, 김성준(2003) 효과적인 유역 및 하도망 추출을 위한 DEM전처리 방법의 비교. 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제23권, 제3D호, pp. 393-400.
  6. 조효섭, 정관수, 김재한(2003) GIUH적용을 위한 DEM 격자크기 및 Threshold Area의 민감도분석. 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제36권, 제5호, pp. 799-810.
  7. Band, L.E. (1986) Topographic partition of watershed with digital elevation models. Water Resources Research, Vol. 22, No. 1, pp. 15-24. https://doi.org/10.1029/WR022i001p00015
  8. Band, L.E. (1989) A terrain-based watershed information system. Hydrological Processes, Vol. 3, No. 2, pp. 151-162. https://doi.org/10.1002/hyp.3360030205
  9. Bras, R.L. (1990) Hydrology : An introduction to hydrologic science, Addison Wesley, New York, N.Y.
  10. Coffman, D.M., Keller, E.A., and Melhorn W.N. (1972) New topologic relationship as an indicator of drainage network evolution. Water Resources Research, No. 8, pp. 1497-1505.
  11. Dietrich, W.E., Wilson, C.J., Montgomery, D.R., McKean, J., and Bauer, R. (1992) Erosion thresholds and land surface morphology. Geology, Vol. 20, No. 8, pp. 675-679. https://doi.org/10.1130/0091-7613(1992)020<0675:ETALSM>2.3.CO;2
  12. Dietrich, W.E., Wilson, C.J., Montgomery, D.R., and McKean, J. (1993) Analysis of erosion thresholds, channel networks and landscape morphology using a digital terrain model. Geomorphology, Vol. 101, pp. 259-278.
  13. Gregory, K.J. and Walling, D.E. (1973) Drainage basin form and process; a geomorphological approach, Edward Arnold, London.
  14. Ijjasz-Vasquez, E.J. and Bras, R.L. (1995). Scaling regimes of local slope versus contributing area in digital elevation models. Geomorphology, Vol. 12, pp. 299-311. https://doi.org/10.1016/0169-555X(95)00012-T
  15. Jenson, S.K. and Domingue, J.O. (1988) Extracting topographic information system analysis. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, Vol. 54, No. 11, pp. 1593-1600.
  16. Montgomery, D.R. and Dietrich, W.E. (1988) Where do channels begin?. Nature, Vol. 336, pp. 232-234. https://doi.org/10.1038/336232a0
  17. Montgomery, D.R. and Dietrich, W.E. (1989) Source area, drainage density, and channel initiation. Water Resources Research, Vo. 25, No. 8, pp. 1907-1918. https://doi.org/10.1029/WR025i008p01907
  18. Montgomery, D.R. and Dietrich, W.E. (1992) Channel initiation and the problem of landscape scale. Science, Vol. 255, pp. 826-830. https://doi.org/10.1126/science.255.5046.826
  19. Montgomery, D.R. and Foufoula-Georgiou, E. (1993) Channel network source representation using digital elevation models. Water Resources Research, Vol. 29, No. 12, pp. 3925-3934. https://doi.org/10.1029/93WR02463
  20. Morisawa, M.E. (1957) Accuracy of determination of stream lengths from topographic maps. Transactions, AGU, Vol. 38, pp. 86-88. https://doi.org/10.1029/TR038i001p00086
  21. O'Callaghan, J.F. and Mark, D.M. (1984) The extraction of drainage networks from digital elevation data. Computer Vision, Graphics, and Image Processing, Vol. 28, pp. 324-344.
  22. Smith, T.R. and Bretherton, F.P. (1972) Stability and the conservation of mass drainage basin evolution. Water Resources Research, Vol. 8, pp. 1506-1529. https://doi.org/10.1029/WR008i006p01506
  23. Tarboton, D.G., Bras, R.L., and Rodriguez-Iturbe, I. (1989) Scaling and elevation in river networks. Water Resources Research, Vol. 25, No. 9, pp. 309-319.
  24. Tarboton, D.G., Bras, R.L., and Rodriguez-Iturbe, I. (1991) On the extraction of channel networks form digital elevation data. Hydrological Processes, Vol. 5, pp. 81-100. https://doi.org/10.1002/hyp.3360050107
  25. Tarboton, D.G., Bras, R.L., and Rodríguez-Iturbe, I. (1992) A physical basis for drainage density. Geomorphology, Vol. 5, pp. 59-76. https://doi.org/10.1016/0169-555X(92)90058-V
  26. Tarboton, D.G., Bras, R.L., and Rodriguez-Iturbe, I. (1994) The source hydrology of severe sustained drought in the southwestern United States. Journal of Hydrology, Vol. 161, pp. 31-69. https://doi.org/10.1016/0022-1694(94)90120-1
  27. Turker, G.E., Catani, F., Rinaldo, A., and Bras, R.L. (2001) Statistical analysis of drainage density from digital terrain data. Geomorphology, No. 36, pp. 187-202.
  28. Vieux, B.E. (2004) Distributed hydrological modeling using GIS. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht.
  29. Willgoose, G., Bras, R.L., and Rodriguez-Iturbe, I. (1989) A physically- based channel network and catchment evolution model. Report 322, Ralph M. Parsons Laboratory, Dept. of Civil Engineering, MIT, Massachusettes.
  30. Willgoose, G., Bras, R.L., and Rodriguez-Iturbe, I. (1994) Hydrogeomorphology modelling with a physically based river basin evolution model, Process Models and Theoretical Geomorphology, M.J. Kirkby eds., Wiley, New York, pp. 271-294.