Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 12 pp. 7357-7363, 2014 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2014.15.12.7357 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 김태훈 1* 1 한국건설기술연구원 ICT 융합연구실 A Study of the Development and Utilization Plan of Volcanic Disaster Response System based on Spatial Information Tae-Hoon Kim 1* 1 ICT Convergence and Integration Research Division, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology 요약우리나라는화산위험으로부터안전한지대로알려져있으나, 과거 1,000년전에백두산에서큰분화를한사례가있으며최근화산분화의전조현상들이자주보고되고있어, 이에대한경고를하는화산전문가들이늘어나고있는상황이다. 본논문은이러한화산재해발생시공간정보및과학모델링프로그램을기반으로신속하게대응할수있는화산재해대응시스템을개발하고활용방안을제시한다. 세부적으로언급하면첫번째로사용자업무및관련시스템을분석하여화산재해대응업무프로세스를도출하고, 두번째로이를기반으로화산재해대응시스템설계및개발을수행하며, 세번째로도출된시스템의효율성을극대화하기위한활용및발전방안을제시한다. 본연구를통해도출된화산재해대응시스템은우리나라를비롯하여동남아시아에지역에발생할화산재해피해를최소화할것으로기대된다. Abstract Korea had been known as safe region regarding volcanic disasters. On the other hand, Baekdu mountain experienced a large eruption one thousand years ago and the precursor phenomena for a volcanic eruption have been frequently reported these days. Therefore, a number of volcano experts, who warn of a volcanic eruption on the Korean peninsula, has increased. This paper describes the utilization plan and evolution of developing volcanic disaster response system based on spatial information and scientific modeling process for Baekdu mountain. First, the business processes for volcanic disaster response are derived based on an analysis of business system and related IT-based systems. Second, the design and development of a volcanic disaster response system are derived based on the business process. Third, a utilization plan is suggested to maximize the efficiency of the system. The application of the suggested volcanic disaster response system to NEMA, additional tests and system supplementation should be carried out. The complete volcanic disaster response system, which will be implemented based on this research, is expected to minimize the volcanic disaster damage in the area of Korea, China and Japan. Key Words : Volcanic Disaster, Response System, Business Process, Spatial-Information, Mountain Baekdu 1. 서론 1.1 개요우리나라는그동안화산재해와는무관한지역으로인 식되었으나, 백두산에서 1413년, 1597년 1668년, 1702년, 1712년, 1724년, 1898년, 1900년, 1903년 9차례활동을보인바있으며, 약 1,000년전에는 VEI(Volcanic Explosivity Index) 7수준의대폭발을일으켜한반도는 본연구는소방방재청의백두산화산대응기술개발사업인 ' 화산재해대응시스템개발 ' [NEMA-백두산-2012-3-2] 과제의지원으로이루어졌습니다. 이에감사드립니다. * Corresponding Author : Tae-Hoon Kim(KICT) Tel: +82-31-9100-618 email: kth@kict.re.kr Received October 21, 2014 Revised (1st November 6, 2014, 2nd November 18, 2014) Accepted December 11, 2014 7357
한국산학기술학회논문지제 15 권제 12 호, 2014 물론일본에까지지대한영향을끼친바있다 [1]. 하였다. [Fig. 1] Distribution of magma and earthquake history of Mt. Baekdu(Liu et all, 2011) 최근이러한백두산지역에서분화의사전징조인지진발생, 온천수온도상승등이발생하고있으며, 특히 2002년부터는다시활발한지각활동을개시하여 Fig. 1 과같이매달 10~15차례지진이발생되는것으로보고되고있다 [2]. 이에중국에서는천지화산관측소 (Tianchi Volcanic Observatory: TVO) 설치를시작으로 1999년천지화산관측소및장백산화산관측소 (Changbaishan Volcanic Obsevatory: CVO) 를완공하여지진계 (11관측점 ), GPS(16지점 ), 정밀수준계 (2측선 28지점 ), 경사계 (2 개소 ), 지구화확관측점 (1개소 5지점 ), 중력관측점 (1개소 ) 및인공위성자료를활용한모니터링등을실시하고있다 [3]. 그러나우리나라는백두산에지리적으로직접인접하지않아직접적인관측및모니터링에한계가있으며, 아직중국과의교류및연계도미흡하기때문에화산재해발생시신속하게대응하기어려운실정이다. 본연구에서는이러한한계를극복하고자다양한공간정보분석기법및과학적모델링프로그램을결합하여재해발생시의사결정을지원할수있는화산재해대응시스템개발및활용방안을제시하고자한다. 1.2 연구방법 연구방법은다음 Fig. 2와같다. 먼저, 화산재해대응시스템개발을위해기존선행연구사례및관련업무프로세스를조사 분석하였으며, 이를기반으로화산재해대응업무프로세스를정의하고시스템아키텍처를설계하였다. 설계서를기반으로필요한다양한 DB의구축및각기능별모듈을개발하여화산재해대응시스템을구축하였으며, 다양한테스트를통해완성도를증대시켰다. 또한개발된시스템의활용성향상및발전방안도제시 [Fig. 2] Flow chart of the study 1.3 기존연구동향 화산재해대응과관련된기존연구는국내보다는주로화산재해발생이빈번한국외특정국가를중심으로수행된사례가많으나, 백두산화산연구의경우그사례가많지않은실정이다. 국내의연구사례로는재난안전연구원을중심으로백두산화산폭발시뮬레이션연구 (VEI 6 규모 ) 를수행한바 Fig. 3과같이폭발 8시간후화산재가울릉도를덮었으며, 12시간뒤에는일본까지진입하여동북아지역의항공운항이마비되는것으로예상되는등심각한피해를입히는것으로발표되었다. [Fig. 3] Simulation of volcanic eruption in Mt. Baekdu (National Disaster Management Institute report, 2011) Kim and Park(2012) 은대형화산재해대응체계선진화방안연구를통해화산재해피해예측및저감기술을화산재해대응시스템에집약시키기는방안을제시한바있으며 [4], Kim and Youn.(2014) 는 Fig. 4와같이백두산화산재해에대응하기위한대응시스템구축방안및테스트파일럿시스템개발을연구한바있다 [5]. 7358
예측을통해신속 정확한재해상황예측등적극적대응업무를수행하며, 분화종료후복구기간에는실제로발생한피해상황에대한최종집계확인및복구작업을지원할수있어야한다 [3]. [Table 1] Definition of support work for volcanic disaster response [Fig. 4] Volcanic disaster response pilot system 국외에서의대표적연구로는알래스카대학의 Peter Webley(2013) 가 Puff 모델을이용하여 2008년부터 2013 년까지백두산화산재분화시뮬레이션 (10km ASL Plume, 24hr simulations) 을수행한바있으며, 6년간남한에영향을미치는날짜가 93일로서주로 4월에서 6월사이에영향을주는것으로나타났다 [6]. 기존의연구들은주로단일재해에대한과학모델링을수행하거나, 화산재해관측방안및기존화산재발생에대한분석등에집중되어있으며, 화산재해발생을실시간예측하여효율적으로대응하기위한통합적인화산재해대응시스템개발관련연구는미흡한실정으로본연구에서는공간정보기반으로피해예측, 신속대응, 전파까지지원하는화산재해대응시스템을개발하고자한다. 2. 본론 2.1 화산재해대응업무프로세스분석화산재해의관제와모니터링업무는기상청에서담당하고있으며, 소방방재청에서는화산재해발생시피해를예측하고신속하게대응하기위한업무를담당하고있다. 본시스템은소방방재청의대응업무를지원하기위한목적으로활용될수있으며, 이에소방방재청의화산재해대응업무 ( 화산폭발대응표준및실무매뉴얼 ) 를분석하여업무프로세스를 Table 1과같이정의하였다. 화산재해대응업무에있어평시에는유관기관연계를기반으로화산활동모니터링을통한예방업무를수행하고, 전조현상이일어나는화산활동시작시기에는시나리오기반화산재해피해예측을통해대비업무를수행한다. 이후분화가시작되는분화시기에서는실시간화산재해피해 Level When Peacetime Precursor Eruption End NEMA NEMA NEMA Who operator operator operator NEMA Related Related Related operator organization organization organization System operator operator operator operator System System System operator operator operator What Prevention task How Why Volcano monitoring System maintenance Preparation task prediction of volcano disaster based on scenarios Prior preparation Response task Realtime damage prediction of volcano disaster confirmation minimization Scientific evidence and relevant laws Restoration task Volcano monitoring for additional eruption confirmation Prompt restoration 현재우리나라에영향을미치는화산재해는주로화산재에의한피해일것으로판단되나, 동남아주변국의영향분석및향후통일을위해서는 Table 2와같이화쇄류, 화산이류, 화산성홍수등과같은직접적피해들과화산재로인한간접적피해들을모두분석할수있는모델링들이통합시뮬레이션될수있도록시스템이구축되어야한다. [Table 2] Risk assessment models for integration damage prediction system Volcanic Disaster Application Model Input GIS data Output data type S/W Volcanic ash Volcanic flood Pyroclastic flow/volcanic mudflow Fall3D Flow2D LAHARZ Land cover map, DEM NetCDF PANAPLY SURFER NetCDF Fall3D DEM, Land use map, Soil map TEXT ARC-GIS DEM Inundation area map(text) Arc Info Global mapper Licence Open source Commercial Commercial OS UNIX/LINUX WINDOWS WINDOWS Develop ment language FORTRAN, C FORTRAN AML(Arcinfo macro language) 7359
한국산학기술학회논문지제 15 권제 12 호, 2014 2.2 화산재해대응시스템아키텍처설계이러한화산재해업무프로세스및피해예측모델링을분석한결과 Fig. 5과같이화산재해대응시스템아키텍처를도출하였다. 화산재해관측및모니터링역할을맡고있는기상청과연계하여화산분화정보및기상장모델을제공받아피해예측시뮬레이션을수행하여분야별및지역별피해예측결과를공간정보기반으로도출하고, 유관기관및지자체담당자에게전파함과동시에해당분야별관리기준및대응매뉴얼을제공하여화산재해에신속하게대응을수행할수있도록구성되어있다. [Fig. 6] Connection method with NDMS 의사결정지원에서는통합피해예측의결과에대해피해항목별관리기준및대응방안을적용하여피해상황대응지원업무를수행하며, 분야별 / 지역별피해상황및대응방안결과들은 Fig. 6과같이소방방재청의상황전파시스템을통해유관기관및지자체담당자에게전파된다. 피해예측 DB는시스템운영및분석수행에필요한모든 DB를관리하게되는데, 기본적인 GIS DB를비롯하여, 시나리오 DB, 각종통계 DB, 관리기준및대응매뉴얼 DB 등을포함하게된다. 2.3 화산재해대응시스템개발 [Fig. 5] Architecture of volcanic disaster response system (Kim et all, 2014) 피해예측은화산재의경우분화발생직전에는과거의기상청수치예보모델 (UM : Unified Model) 과화산재확산모형 (Fall3D) 를이용하여기존에수행되어저장된시나리오기반의시뮬레이션 DB를활용하여사전대응하고, 분화발생시기상청으로부터제공받은분화정보및가장최신의기상장모델을활용하여향후단 중기간피해영향을예측하도록하는데, 이러한예측자료는기상장모델이생성되는주기마다업데이트하여최신성을유지할수있도록한다. 피해예측결과는시각화 UI모듈을통해 2D/3D GIS 기반으로표출할수있도록하는데, 2D GIS기반의표출은다양한분석결과를한눈에볼수있도록집중하고, 3D GIS 기반의표출은실제화산재해확산현상과유사하도록하여시각적효과를증대시킴과동시에항공기운항경로의 3차원중첩등까지수행될수있도록한다. [Fig. 7] System menu of volcanic disaster response system 이러한업무프로세스분석및설계된아키텍처를기반으로시스템매뉴구성도를 Fig. 7과같이구성하였으며, 메인화면, 피해예측, 피해현황및피해추정, 상황대응, 대응매뉴얼 / 관리기준, 모니터링시스템관리의세부매뉴로분류하였다. 본연구에서는설계자료및매뉴기능도를기반으로 Spring MVC와 Spring ibatis, PostgreSQL 을사용하고, 전자정부프레임워크환경기반마련을위해표준프레임워크아키텍처 (Ver 2.5) 로개발환경을구축하여화산재해대응시스템을개발하였으며그결과들은다음과같다. 7360
화산분화직전의피해예측은 Fig. 8과같이기존에수행된시나리오기반의 DB를기반으로현재상황과가장유사한 DB를검색하여상황대응에활용한다. 유사시나리오검색을위한변수인자로화산분화설정기본인자인칼데라붕괴여부, 마그마성분화여부, 분화위치, 마그마유형, 폭발성분화여부, 분화종류, VEI( 화산폭발지수 ) 를사용하며, 각재해별변수로는화산재의경우기상정보와분연주유형을추가로사용하고, 화쇄류는분화위치, 붕괴화산재부피 (%), 붕괴분연주높이 (m) 를사용하며, 화산이류의경우예상피해범위, 분화구붕괴방향및이류부피를추가변수로이용한다. 구축된시나리오기반 DB의유사도검색방법으로는 K-Means 알고리즘과 EM(Expectation Maximization) 알고리즘등이사용될수있는데, 화산재해유사시나리오의경우각변수들의군집의평균을정의할수없고속성변수와분출량변수등과같이군집의크기가상이하기때문에이러한특성에효율적인확률기반군집 (Probability-based clustering) 을사용하는 EM 알고리즘을사용하여유사검색모듈을개발하였다. 실제화산분화발생시에는위의 Fig. 9와같이기상청과연계하여가장최신의기상장모델을활용하여정확한피해예측을자동적으로도출하며, 필요시세부변수를조정하여비교가능한여러결과들을도출한다. 화산재피해의결과 (2013년 6월 20일기상장모델활용, VEI 7설정 ) 는 Fig. 10과같이지상퇴적물두께, 지상 PM10농도, 지상입자농도로표출되며, 시군구단위의지역별로그피해예측현황을확인할수있다. [Fig. 10] System UI(result of damage prediction by regional groups) 또한 Fig. 11과같이예상되는화산재피해에대해선택지역에대한각분야별피해정보현황을정도별로비교분석해볼수도있다. [Fig. 8] System UI(setting up a situation of damage prediction) [Fig. 9] System UI(real-time damage prediction) [Fig. 11] System UI(result of damage prediction by subject fields) 7361
한국산학기술학회논문지제 15 권제 12 호, 2014 화산재퇴적결과를기반으로분야별취약도함수와통계자료를이용하여, 우리나라전체에대한시간별 / 분야별 / 지역별피해액을추정할수있다. 취약도함수의개발은화산재에의한구조적취약도의경우해석적접근방법 (Analytical Method) 을사용하고, 화산재에의한사회기반시설 / 산업 / 환경및보건분야에대해서는전문가의판단 (Judgemental Mdthod) 과경험적접근방법 (Empiricla Method) 의조합인혼합적접근방법 (Hybrid Method) 를이용하여구축하였으며, Fig. 12와같이 VC(Vulnerability Curve) 또는 FC(Fragility Curve) 로표현된다. 이러한취약도함수에해당분야의통계결과를접목하여피해액및피해물량을산출한결과는 Fig. 13과같이 GIS기반의지도와표및그래프로표출할수있으며, 해당지자체및유관기관의담당자는본시스템에서한눈에해당담당지역 ( 분야 ) 의피해현황을파악할수있다. [Fig. 14] System UI(Situation response) [Fig. 12] Example of Vulnerability Curve(Ham et all, 2014) 또한피해의정도에따라자동적으로 Fig. 14와같이분야별상황대응, 위기경보수준별대응절차, 위기대응조치및절차를제공한다. [Fig. 13] System UI(cost of damage) 2.4 화산재해대응시스템의활용및발전방안본연구를통해개발된화산재해대응시스템이향후행망내에설치되어현업에서운용된다면소방방재청및유관기관 / 지자체담당자들에게화산재해대응업무에대한정보화및공간정보기반의의사결정지원서비스를제공할수있다. 해당개발시스템은평시에는화산재해모니터링을위해사용가능하고, 화산분화이전시점에는사전대응을위한도구로활용가능하며, 화산분화이후에는실시간피해예측및신속대응을위한의사결정지원시스템으로활용될수있을것이다. 또한본시스템은우선백두산지역을대상으로적용가능하도록설계되었으나, 최근일본및동남아지역에발생되는화산재해에도대응가능하도록확장될필요성이있다. 현재우리나라에영향을끼치는화산재예측프로그램만탑재되고, 화쇄류및화산이류, 홍수등의모델링은시나리오기반시뮬레이션 DB만탑재된상태로향후이러한직접적피해예측모델링프로그램의탑재도 7362
요원할실정이다. 이를통해우리나라뿐만아니라화산재해에피해가지속적으로발생되는아시아및남미지역등의개도국에해당시스템및기술을수출하여공간정보기반의방재기술을선진화할수있는계기로삼아야한다. Response System Development for Mt. Baekdu Volcanic Disaster, Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies 17(1), pp.3-23, 2014 [6] P. Webly, Computational Estimation of Volcanic Ash Dispersion from Hypothetical eruptions of Mt. Baekdu, The Seminar for Volcanic Disaster Preparedness, March, 2014 3. 결론본연구는최근위험이감지되는백두산화산재해위험에대해신속히대응할수있는공간정보및과학시뮬레이션모델링기반의통합화산재해대응시스템을개발하고이의활용및발전방안을제시하였다. 세부적으로는화산재해와관련된선행연구들을조사하였으며, 화산재해대응업무프로세스를분석하고이를기반으로시스템아키텍처를도출하였다. 또한도출된설계도및매뉴기능도를기반으로각기능모듈및이를통합한화산재해대응시스템을개발하였으며, 해당시스템은기상청및소방방재청국가재난관리시스템 (NDMS) 과연계되어실무에서활용될수있도록하였다. 추후연구에서는현재시스템의공간적기능적범위를확장하여, 백두산뿐만아니라동아시아지역을대상으로화산재, 화쇄류, 화산이류, 화산성홍수등모든피해예측시뮬레이션모델링이가능하도록보완할계획이다. 김태훈 (Tae-Hoon Kim) [ 정회원 ] < 관심분야 > 지리정보, 정보통신, 방재 / 환경 2000 년 2 월 : 인하대학교지리정보공학과 ( 공학사 ) 2002 년 2 월 : 인하대학교지리정보공학과 ( 공학석사 ) 2009 년 2 월 : 인하대학교지리정보공학과 ( 공학박사수료 ) 2002 년 2 월 ~ 현재 : 한국건설기술연구원수석연구원 References [1] N. S. Kim, An Analysis on Influence Area by the Simulation over Mt. Baekdu Etuption", Journal of the Korean Association of Regional Geographers 17(3), pp.348-356, 2011 [2] G. Y. Liu, J. Wang, J. Sun, Analysis of Tianchi volcano activity in Changbai Mountain", Global Geology 14(1), pp.45-53, 2011 [3] S. H. Youn, A Study on the Optimum Monitoring Techniques and the Correlation between Eruption Phenomena and Precursor", pp.19-27, Korea Meteorological Administration, 2012 [4] H. W. Kim, J. E. Park, Development of Advancement Method for Supervolcano Disaster Response Technology. On page 122, National Disaster Management Institute. 2013 [5] T. H. Kim, J. H. Youn, A Study on the IT-based 7363