터레인의 다양한 특성을 이해하는 것은 수문분석 연구부터 산사태 취약성 평가에 이르는 광범위한 응용 분야에 필수적입니다. 이러한 응용 분야 중 하나는 터레인을 지형으로 분류하는 것입니다. 지형은 계곡 또는 봉우리와 같은 터레인의 자연적으로 형성된 쉐이프입니다.
다양한 터레인 분류 기법 중 지형패턴 방법(Jasiewicz and Stepiski, 2013)은 고도 차이와 가시성 개념을 활용해 터레인 데이터에 기반하여 지형을 식별합니다. 지형패턴 도구는 이러한 개념을 적용하여 터레인의 영역을 나타내는 뚜렷한 패턴을 찾습니다.
지형패턴 방법은 총 498개의 고유한 패턴을 식별할 수 있습니다. 일부 지형패턴은 자연환경에서 볼 수 없는 지형을 설명하는 반면, 다른 지형패턴은 동일한 지형 유형을 설명합니다. 따라서 지형패턴 및 지형 유형 간에는 다대일 대응 관계가 있습니다. 지형패턴이 식별되면 조회 테이블을 사용하여 지형에 매칭할 수 있습니다.
지형패턴 도구 로직
지형패턴 도구는 지형패턴 방법을 사용하여 터레인을 지형으로 분류합니다.
이 도구는 입력 래스터의 각 셀에 대해 다음 작업을 수행합니다.
- 분석 영역을 설정합니다. 검색 거리 및 스킵 거리 매개변수를 사용하여 분석 영역을 결정합니다.
- LTP(Local Ternary Pattern)를 사용하여 지형패턴을 가져옵니다. 8가지 기본 방향 각각에 대한 LTP(Local Ternary Pattern)를 찾으려면 가시선을 연장하고 천저각 및 천정각을 기준으로 분류합니다.
- LTP를 고유한 패턴 또는 지형패턴을 기록하는 3진수로 변환합니다. 해당 값을 대상 셀에 저장합니다.
- 조회 테이블을 사용하여 지형패턴을 대표적인 10가지 지형 중 하나에 매칭합니다.
이러한 각 단계는 아래 섹션에서 자세히 설명합니다.
지형패턴 계산을 위한 분석 영역 설정
도구의 분석 영역은 대상 셀에서 지형패턴을 계산하는 데 사용되는 터레인 영역입니다. 이는 도구가 지형패턴을 결정하는 데 사용하는 인접 셀을 정의합니다.
분석 영역은 검색 거리 및 스킵 거리 매개변수에 따라 결정됩니다. 검색 거리 매개변수는 적용되는 영역의 범위를 결정합니다. 스킵 거리 매개변수는 대상 셀의 바로 주변 영역 중 분류에서 제외할 영역을 식별합니다. 다음 그림은 검색 거리 3셀과 스킵 거리 1셀로 정의된 분석 영역의 예시를 보여줍니다. 프로세싱에 포함되는 셀은 각 셀 중심과 대상 셀 간의 거리를 검색 거리 값과 비교하여 결정됩니다. 검색 거리 값이 더 크면 해당 셀이 프로세싱에 포함됩니다.
검색 거리 값을 더 크게 지정하면 주변 터레인이 일반화될 수 있습니다. 값이 작을수록 결과에 더 많은 세부정보가 반영됩니다. 스킵 거리 값을 늘리면 주변 셀에서 발생하는 노이즈를 줄이는 데 유용합니다. 이 노이즈는 잘못된 고도 값을 나타내거나, 고도 차이 측면에서 추가 정보를 제공하지 못하는 셀에서 발생할 수 있습니다.
이러한 두 매개변수는 해당 크기에 따라 터레인 피처를 식별하는 데에도 도움이 될 수 있습니다. 이를 수행하려면 분류하려는 항목을 나타내는 값으로 이 매개변수를 조정합니다. 이러한 매개변수 설정에 대한 몇 가지 일반적인 지침은 다음과 같습니다.
- 강과 같이 넓거나 큰 터레인 피처를 식별하려면 검색 거리 매개변수 값으로 입력 셀 크기의 50~100배를 사용합니다. 넓거나 큰 터레인 피처를 식별하면 프로세스에서 작은 터레인 피처도 식별되지만, 스킵 거리 매개변수 값에 따라 식별되지 않을 수 있습니다. 따라서 각 매개변수에 대한 최적값을 찾으려면 한 번에 하나의 매개변수만 변경하는 것을 권장합니다.
- 좁은 하천과 같이 좁거나 작은 터레인 피처를 식별하려면 입력 셀 크기의 5~15배를 사용합니다.
- 능선과 같이 매우 좁은 터레인 피처를 식별하려면 더 작은 값을 사용합니다.
지형패턴 가져오기
분석 영역이 설정되면 다음 단계는 LTP(Local Ternary Pattern)를 기반으로 지형패턴을 계산하는 것입니다.
천정각 및 천저각을 사용하여 Local Ternary Pattern 결정
먼저 LTP는 8가지 기본 방향 각각에 0, 1 또는 -1 값을 할당하는 것과 동일합니다. 주어진 방향에 할당될 값은 천정각 및 천저각의 차이에 따라 결정됩니다.
천정각 Z는 천정 방향(머리 바로 위)과 분석 중인 방향을 따라 분석 영역 경계까지 연장한 가시선 사이에 형성되는 각도입니다. 이 가시선은 대상 셀에서 볼 수 있는 범위를 나타냅니다.
천저각 N은 유사한 방식으로 정의됩니다. 이는 천저 방향(발 바로 아래)과 영역 내에서 가장 낮은 고도를 따라 분석 영역 경계까지 연장된 가상의 가시선 사이에 형성되는 각도에 해당합니다.
그림 2는 한 방향(예시: 북쪽)에서 분석한 터레인의 고도 프로파일과 각 가시선을 사용하여 정의된 각도를 보여줍니다.
두 각도가 결정되면 평평한 터레인 각도 임계값을 사용하여 분석 중인 방향에 할당할 LTP 값을 결정합니다. 계산 식은 다음과 같습니다.
여기서 각 항목 정보는 다음과 같습니다.
- AD는 분석 중인 방향에 할당되는 값입니다.
- ΔD는 천저각 Z와 천정각 N의 차이입니다.
- t는 평평한 터레인 각도 임계값입니다.
평평한 터레인 각도 임계값은 도 단위의 값으로, 터레인을 평평함으로 분류할 각도 기준(한계)을 설정할 수 있습니다. 그림 2의 예시와 같이 평평한 터레인 각도 임계값을 1(t = 1도)로 지정하면 분석 중인 방향에 1 값이 할당됩니다. 이는 90° - 45° = 45° > 1°이기 때문입니다.
각 기본 방향에서 동일한 프로세스가 시계 방향으로 반복됩니다.
대상 셀에 대한 지형패턴 구성
8가지 방향 각각에 값이 할당되면 결과는 8-튜플(8개 요소)로 결합되어 대상 셀에 저장됩니다. 8-튜플의 예시로 (0, -1, 0, 1, 0, 0, 1, 1)이 있습니다. 쉽게 저장하기 위해 튜플은 3진수로 변환됩니다. 그 결과는 지형패턴입니다.
가능한 지형패턴의 총수는 6,561개(38)입니다. 이 중 대부분은 다른 패턴의 회전 또는 반사의 결과이며, 총수는 498개로 줄일 수 있습니다.
지형패턴을 지형 유형에 매칭
이 도구는 Jasiewicz and Stepinski(2013)에서 제시한 기준에 따라 조회 테이블을 사용하여 지형패턴을 특정 지형 유형에 매칭합니다. 이 테이블은 지형패턴을 대표적인 10가지 지형 중 하나에 매칭합니다.
지형패턴 정의에 큰 차이가 없는 경우 둘 이상의 서로 다른 지형패턴을 특정 지형에 매칭할 수 있습니다. 허용 가능한 차이는 조회 테이블을 생성하기 위해 필요한 가정입니다.
봉우리 및 구덩이 지형 유형만 하나의 고유한 지형패턴에 매칭됩니다. 봉우리 지형 유형(-1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1)의 경우 본질적으로 대상 셀 주변의 모든 셀이 더 낮습니다. 마찬가지로 구덩이 지형 유형(1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1)의 경우 본질적으로 대상 셀 주변의 모든 셀이 더 높습니다.
최종 지형 및 지형패턴 래스터 결과
마지막 단계에서는 매칭 결과를 결과 지형 래스터 매개변수 값에 저장합니다. 지형패턴은 추가 분석 또는 진단에 사용할 수 있는 선택적 결과입니다.
참조
Jasiewicz, Juroslav and Tomasz F. Stepinski. 2013. "Geomorphons - a pattern recognition approach to classification and mapping of landforms." Geomorphology Volume 182, January 15, pp. 147–56. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2012.11.005