유역 설명

Watershed delineation
이 페이지는 지구 표면에서 유역 또는 배수 유역의 경계를 식별하는 과정에 관한 것입니다.

영상 처리 기술인 유역 분할은 유역(영상 처리)을 참조하십시오.

또한 습지 묘사, 물이 범람하거나 포화된 지역인 습지의 위치와 경계를 파악하는 과정과 혼동하지 말아야 합니다.

유역 설명은 유역, 배수 유역 또는 하천 유역이라고도 하는 유역의 경계를 식별하는 프로세스입니다.그것은 예를 들어 홍수, 수생 서식지 또는 수질 오염을 연구하는 등 환경 과학, 공학 및 관리의 많은 분야에서 중요한 단계입니다.

유역 설명 활동은 일반적으로 지리학자, 과학자 및 엔지니어가 수행합니다.역사적으로 유역 설명은 종이 지형도에서 손으로 수행되었으며, 때로는 현장 조사로 보완되었습니다.1980년대에 컴퓨터와 전자 데이터를 이용한 분수령 묘사를 위해 자동화된 방법이 개발되었으며 현재 널리 사용되고 있습니다.

주요 하천을 파란색으로 표시하고 유역 경계를 빨간색으로 표시한 미국 유타주 모건 카운티의 로스트 크릭 저수지 유역 지도.

분수령 묘사를 위한 컴퓨터화된 방법은 지표면의 높이를 나타내는 데이터 세트인 DEM(디지털 고도 모델)을 사용합니다.컴퓨터화된 유역 설명은 WMS와 같은 전문 수문 모델링 소프트웨어, ArcGIS 또는 QGIS와 같은 지리 정보 시스템 소프트웨어 또는 Python 또는 R과 같은 프로그래밍 언어를 사용하여 수행될 수 있습니다.

분수령은 지구의 물의 이동, 분포, 그리고 관리와 관련된 과학인 수문학의 기본적인 지리적 단위입니다.분수령을 묘사하는 것은 해양, 바다, 해안 지역, 호수, 강의 물리적 특징의 측정과 설명을 다루는 응용 과학의 한 분야인 수문학의 적용으로 간주될 수 있습니다.그것은 또한 지표면을 분석하는 정량적 과학인 지형 측정과 관련이 있습니다.유역 설명은 과학자와 프로그래머가 새로운 알고리즘과 방법을 개발하고 항공 또는 위성 원격 감지에서 점점 더 고해상도 데이터를 사용하는 등 계속해서 활발한 연구 분야입니다.

수동 유역 설명

유역 경계를 찾는 일반적인 방법은 종이 지형도 또는 투명 오버레이에 손으로 그립니다.그런 다음 그래프 용지를 겹쳐 놓고 그리드 셀을 세어 평면계를 사용하여 유역 면적을 추정하거나, 결과를 매핑 소프트웨어와 함께 사용할 수 있도록 디지털화할 수 있습니다.지형도의 [1]디지털 사본 위에 분수계 경계(마우스 또는 스타일러스)를 스케치하는 것과 동일한 프로세스를 컴퓨터에서 수행할 수 있습니다.이를 "헤드업 디지털화" 또는 "화면상 디지털화"[2]라고 합니다.

표고 등고선이 있는 지형도에 그려진 이상적인 유역 경계의 예.유역 경계 내에 있는 모든 강수량은 하단의 유역 배출구를 향해 흐릅니다.

수동 유역 설명의 경우 지형도를 읽고 해석하는 방법(예: 능선, 계곡 및 가장 가파른 [3]경사 방향)을 알아야 합니다.컴퓨터 시대에도 수동 유역 설명은 소프트웨어로 생성된 유역이 [1]올바른지 확인하기 위해 여전히 유용한 기술입니다.

수동 유역 설명에 대한 지침은 지리 또는 환경 관리의 일부 교과서, 정부 팜플렛 [4][5]또는 온라인 비디오 [6]튜토리얼에서 찾을 수 있습니다.

미국 지질조사국에 따르면 수동 유역 묘사에는 [6]다음과 같은 5가지 단계가 있습니다.

  1. 지도에서 스트림을 따라 관심 지점을 찾습니다.이것은 "물받이 배출구" 또는 "부수 지점"입니다.
  2. 지형 등고선에 수직으로 내리막을 가리키는 지표수 흐름 선을 상상하거나 그립니다(이 방향이 가장 가파른 방향입니다).
  3. 스트림 주변의 지형적 고점(피크) 위치를 표시합니다.
  4. 스트림(리지)을 향해 또는 멀리로 흐름을 나누는 등고선을 따라 점을 표시합니다.
  5. 점을 연결하여 유역을 설명합니다.

일반 규칙:

  • 유역 경계는 등고선과 교차하는 곳에 수직이어야 합니다.
  • 유역 경계는 출구 이외의 강이나 스트림을 통과하면 안 됩니다.경우에 따라 인공 운하 또는 파이프라인을 나타내는 파란색 선이 유역 경계를 통과할 수 있습니다.
  • 유역 경계는 능선을 따라 실행되고 고점을 연결해야 합니다.

수동 유역 기술의 한 가지 단점은 유역 기술이 오류와 분석가의 개별 판단에 영향을 받는다는 것입니다.일리노이 환경보호국은 "분수점을 묘사하는 것은 부정확한 과학이라는 것을 명심하세요.두 사람 모두 전문가라고 해도 조금씩 다른 [5]경계를 제시할 것입니다."

특히 유역이 작고 정확한 결과가 중요한 경우 지도에 표시되지 않는 특징을 찾기 위해 현장 정찰이 필요할 수 있습니다."현장에 나가면 물 흐름의 방향을 바꿔 분수령 경계를 [5]바꿀 수 있는 도로 도랑, 빗물 하수구, 암거 등 인간의 변화를 파악할 수 있습니다."

자동화되거나 전산화된 유역 설명

컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 유역을 설명하는 것이 수동 방법보다 훨씬 빠를 수 있습니다.또한 분석가의 주관성을 제거하기 때문에 더 일관적일 수 있습니다.유역 자동 묘사 방법은 1980년대부터 사용되어 왔으며, 현재 과학 및 공학계에서 널리 사용되고 있습니다.연구원들은 심지어 [7][8]화성의 분수령을 묘사하기 위해 컴퓨터 방법을 사용했습니다.

자동 유역 설명 방법은 지표면의 디지털 데이터, 디지털 표고 모델 또는 DEM을 사용합니다.일반적으로 알고리즘은 그리드 셀(또는 픽셀)에서 인접 [9]셀 중 하나로 향하는 흐름 방향을 계산하기 위해 "가장 가파른 기울기" 방법을 사용합니다.

TIN([10]삼각형 불규칙 네트워크) 또는 육각[11] 타일링과 같은 다양한 형식의 분수령 설명에 DEM을 사용할 수 있지만 대부분의 현대 알고리듬은 일반 직사각형 [12]그리드를 사용합니다.1980년대와 1990년대에 디지털 고도 모델은 종종 종이 지형도에서 윤곽선을 스캔하고 디지털화하여 얻은 다음 TIN 또는 격자 [13]DEM으로 변환되었습니다.최근에는 스테레오 사진 측정, 라이다 또는 [14]레이더를 사용하여 항공 또는 위성 원격 감지를 통해 DEM을 획득합니다.

유역 설명에 직사각형 그리드 DEM을 사용하려면 먼저 실제 [9]결과를 반환하기 위해 처리하거나 "컨디셔닝"해야 합니다.결과는 때때로 "하이드로 강제된" DEM 또는 "하이드로 DEM"이라고도 합니다.아래 나열된 대부분의 소프트웨어 패키지는 "원시" DEM에서 이러한 기능을 수행하거나 분석가들은 미국 대륙을 위한 거의 전역의 하이드로셰드,[15] MERITE-Hydro [16]또는 EDNA와 같은 수문학적으로 조건화된 DEM을 다운로드할 수 있습니다.DEM의 수문 조건화를 위한 일반적인 단계는 다음과 같습니다.

  1. 싱크대를 채웁니다.
  2. 스트림 채널을 "연소"합니다.
  3. 흐름 방향을 계산합니다.
  4. 흐름 누적을 계산합니다.
수문학적으로 조건화된 디지털 입면 모델의 3D 렌더링.미국 지질 조사의 이 예는 유역 경계 데이터 세트(WBD)의 데이터를 사용하여 "벽" 또는 "펜스"를 표시하고 국립 수로 데이터 세트(NHDPlux)의 스트림을 "태우는" 것을 보여줍니다.

추가적으로, 일부 방법은 "마루선을 막고"[18] 호수를 통과하는 흐름 경로에서 연소를 허용합니다.일부 방법은 또한 흐름이 출구 [19]쪽으로 계속 이동할 수 있도록 평평한 영역에 작은 경사를 적용합니다.스트림 채널을 "버닝 인"하는 단계는 채널을 나타내는 픽셀에서 큰 표고 값을 빼서 채널을 인위적으로 심화시키는 것을 포함합니다.이렇게 하면 일단 채널로 유입된 흐름이 육지나 다른 채널로 튀어나와 흐르지 않고 그대로 유지됩니다.일부 알고리즘은 DEM에서 채널의 위치를 자동으로 추론합니다.일반적으로 매핑된 스트림 채널 또는 위성 또는 항공 [20]이미지에서 파생된 채널에서 굽으면 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.

DEM에서 흐름 방향을 계산하는 데 사용할 수 있는 여러 가지 알고리즘이 있습니다.호주 지리학자 O'Callaghan과 Mark가 1984년에 도입한 첫 번째 방법은 D8이라고 [12]합니다.물은 가장 가파른 경사 방향을 기준으로 픽셀에서 가능한 8가지 방향 중 하나로 인접 셀(사선 포함)로 흐릅니다.이 방법에는 물 흐름이 45°씩 분리된 8개 방향으로 제한되므로 비현실적인 흐름 패턴이 발생할 수 있다는 단점이 있습니다.또한, 모든 흐름이 한 방향으로 라우팅되기 때문에, D8 방법은 볼록한 언덕 경사면, 강의 삼각주 또는 분지 또는 편조된 강의 흐름과 같이 흐름이 분산되는 상황을 모델링할 수 없습니다.이러한 한계를 극복하기 위해 D∞[21]와 같은 대안적인 알고리즘이 제안되고 구현되었습니다.그럼에도 불구하고 D8 알고리듬은 여전히 널리 사용되고 있으며, 하이드로 [16]분지 및 MERITY-Basin과 같은 중요한 데이터 세트를 만드는 데 사용되어 왔습니다.

컴퓨터화된 유역 설명이 항상 올바른 것은 아닙니다.일부 오류는 분수령 출구를 디지털 하천 네트워크에 잘못 배치하거나 "[22]주입점을 끊음"으로 인해 발생합니다.또 다른 종류의 오류는 디지털 지형 데이터의 부정확성 또는 해상도가 너무 거칠어서 흐름 [2]경로를 캡처할 수 없는 경우에 발생합니다.일반적으로 공간 해상도가 높은 DEM은 지표면 및 흐름 방향의 지형을 보다 현실적으로 설명할 수 있습니다.그러나 더 많은 픽셀을 가진 더 미세한 그리드는 계산 [16]시간을 증가시키기 때문에 절충이 있습니다.그럼에도 불구하고, 고해상도 데이터조차도 흐름이 커브, 암거 및 빗물 [23]배수로에 의해 지시되는 도시 및 교외와 같은 복잡한 환경에서 흐름 경로를 적절하게 캡처하지 못할 수 있습니다.마지막으로 알고리즘이나 [24]매개 변수 선택으로 인해 일부 오류가 발생할 수 있습니다.

오류가 자주 발생하기 때문에 일부 당국은 자동 묘사 결과를 주의 깊게 확인해야 한다고 주장합니다.US Geological Survey의 US Boundary Dataset에 대한 표준은 소프트웨어를 사용하여 "중간 또는 "드래프트" 경계선을 생성할 수 있도록 허용합니다. 그런 다음 분석가가 기준 지도(스캔된 지형도, 항공 사진) 위의 컴퓨터 디스플레이에 중첩하여 [1]정확성을 확인해야 합니다.

유역 설명용 소프트웨어

CATCH 및 DEDNM과 [19]같은 일부 첫 번째 유역 설명 소프트웨어는 FORTRAN으로 작성되었습니다.유역 설명 도구는 ArcGIS, QGIS 및 GRASS GIS와 같은 여러 지리 정보 시스템 소프트웨어 패키지의 일부입니다.TauDEM과 같은 유역 설명을 위한 독립형 프로그램이 있습니다.유역 설명 도구는 일부 수문 모델링 소프트웨어 패키지에도 통합되어 있습니다.

소프트웨어 개발자가 여러 언어로 라이브러리 또는 모듈을 게시했습니다(아래 목록 참조).이러한 패키지의 대부분은 자유롭고 오픈 소스이며, 이는 코드를 작성하거나 수정할 수 있는 사람들에 의해 확장되거나 조정될 수 있음을 의미합니다.마지막으로 분수령을 설명하는 웹 응용 프로그램이 있습니다.이러한 웹 앱 중 일부는 흐름 통계 또는 유역 토지 커버 유형 계산과 같은 과학 및 다음)과 같은 과학 및 엔지니어링을 위한 추가 기능을 갖추고 있습니다.스트림 통계, 내 유역 모형).

독립 실행형 유역 설명 소프트웨어

  • TauDEM,[26] ArcGIS용 도구 상자 또는 윈도우즈용 명령줄 실행 파일.
  • TOPAZ,[27] 미국 농무부의 Windows 실행 파일입니다.

유역 설계 기능을 갖춘 수문 모델링 소프트웨어

GIS 기반 소프트웨어

웹 응용 프로그램

  • 글로벌 유역,[30] 웹 애플리케이션 및 API
  • 미국 지질 조사의 Stream [31]Stats는 미국에서만 유역을 설명할 수 있습니다.
  • Stroud Water Research Center의 Model My [32]Bateway는 미국에서만 배출구를 기반으로 유역을 설명하고 수질과 관련된 분석을 수행할 수 있습니다.
  • 캐나다 온타리오 주를 위한 온타리오 유역 정보 [33]도구

미리 설명된 유역의 벡터 데이터 세트

분수령을 다각형으로 나타내는 벡터 데이터 세트는 GIS 또는 기타 소프트웨어로 표시 및 분석할 수 있습니다.이러한 데이터 세트에서 전체 지표면은 "하위 유역" 또는 "단위 유역"으로 나뉩니다.개별 단위 유역을 결합하거나 병합하여 더 큰 유역을 찾을 수 있습니다.장치 유역은 수문 코드 데이터 또는 유사한 메타데이터를 연결하여 흐름 네트워크를 생성하므로 네트워크 [34]분석을 통해 흐름 경로 및 연결을 결정할 수 있습니다.

미국 지질조사국이 작성한 미국의 유역 경계 데이터 집합 지역 지도

많은 조직과 지역이 자체 유역 지도 데이터를 생성하고 웹을 통해 게시했기 때문에 이 목록은 완전하지 않습니다.주목할 만한 데이터셋은 다음과 같습니다.

  • 미국 유역 경계 데이터 세트,[35] 웹 사이트(계속 업데이트됨)
  • 캐나다 국가 수로망 유역 경계,[36] 웹사이트
  • Hydro Basins 웹사이트 (글로벌, 2013)
  • 모델링 및 응용을 위한 수문 파생물(HDMA),[38][39] (글로벌, 2017)
  • MERITE-Basins,[40][41] 웹사이트(글로벌, 2021)
  • 수문 90m,[42] 웹사이트(2022년, 글로벌, 더 작은 헤드워터 스트림을 보여줌)

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