KR100982448B1 - Ground subsidence prediction system and predicting method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 지식경제부가 주관하는 "GIS 기반 국토지질정보시스템실용화 기술 개발"의 결과의 일안으로, 지반침하 발생 예측시스템 및 이를 이용한 지반침하 발생의 예측 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a ground subsidence occurrence prediction system and a method for predicting subsidence occurrence using the same as a result of "development of GIS-based national geographic information system commercialization technology" hosted by the Ministry of Knowledge Economy.
1940년대 국가경제회생과 민생안정을 위해 에너지 자원 확보가 대두되자 무연탄은 우리나라의 유일한 에너지 자원으로 등장하였다. 1948년 산탄진흥 정책을 추진한 결과, 1988년에는 최고 2,430만 톤까지 생산되었다. 그러나 1980년대 중반부터 석유/가스 연료를 선호하는 경향이 두드러지면서 석탄의 생산량이 감소하였다(석탄합리화사업단, 2000). 이러한 현상은 폐탄광을 증가시켰고 폐탄광 주변지역에는 지반침하, 산성폐수에 의한 수질 및 토양오염, 자연훼손 등이 일어나고 있다. 특히 지반침하는 기존 생활환경 및 안정성 면에서 큰 위험성을 내포하는 재해현상인바, 이에 대한 정확한 예측을 하는 것은 이러한 위험성을 사전에 배제할 수 있는 효과를 구현할 수 있게 되는바 그 필요성이 더욱 절실하다 할 것이다.Anthracite coal emerged as the only energy resource in Korea in the 1940s, when energy resources were raised for national economic rehabilitation and public stability. As a result of the promotion of pelleting in 1948, up to 24.2 million tonnes were produced in 1988. However, since the mid-1980s, the tendency to prefer oil and gas fuels has decreased, resulting in a decrease in coal production (Coal Rationalization Project, 2000). These phenomena increased waste coal mines, and ground subsidence, water quality and soil pollution caused by acidic wastewater, and natural damage are occurring in the area around waste coal mines. In particular, it is a disaster phenomenon that poses a great risk in terms of existing living environment and stability, and accurate prediction of this can realize the effect of excluding this risk in advance. will be.
이러한 인간생활 및 사회기반시설에 피해를 주는 지반침하는 지구시스템 내에서 불규칙적으로 발생하고 있기 때문에 이에 대한 예측 연구가 필요하다. 그러나 첨단기술과 장비의 개발로 인하여 지반침하 현상과 연관된 실세계 지공간 자료는 점점 더 방대해져가고 복잡해지고 있다. 그래서 이러한 자료의 홍수 속에서 지질현상과 관련된 정보를 효과적으로 찾고, 복잡한 특성을 지닌 지공간 요소들과의 상관관계를 파악하기 위해 지리정보시스템(GIS)이 필요하다.Predictive research is needed because the subsidence that occurs to the human life and infrastructure is irregular in the earth system. However, due to the development of advanced technologies and equipment, real-world geospatial data associated with ground subsidence are becoming more and more massive and complex. Therefore, GIS is needed to effectively find information related to geological phenomena and correlate with geospatial elements with complex characteristics.
도 1은 일반적인 지리정보시스템(GIS)을 도시한 개념도로써, 이를 참조하면, GIS는 방대한 지공간 자료의 효율적인 저장, 관리 및 통합분석을 위한 강력한 도구이자 전문가들의 의사결정을 지원해주는 역할을 한다. 하지만 GIS는 대용량의 다차원 자료에 내재되어 있는 사건발생과 관련된 공간적인 관련성을 파악하거나 미래의 사건발생을 예측할 수 있는 기능이 미흡하다. 그래서 지공간과 관련된 다양한 분야에서는 공간데이터베이스 내에 잠재되어 있는 정보와 공간적 상관관계 및 패턴을 효율적으로 찾아내고 미래의 사건발생을 예측하기 위해 GIS를 이용한 확률, 통계, 패턴인식 기법을 사용하고 있다. 1 is a conceptual diagram illustrating a general geographic information system (GIS). Referring to this, the GIS is a powerful tool for efficient storage, management, and integrated analysis of massive geospatial data, and serves to support expert decision making. However, GIS lacks the ability to predict the spatial relevance related to the occurrence of events or to predict future occurrences inherent in large multidimensional data. Therefore, various fields related to geospatial use probabilities, statistics, and pattern recognition techniques using GIS to efficiently find potential information, spatial correlations and patterns in the spatial database, and predict future occurrences of events.
기존의 다양한 분석기법들은 종속변수(사건자료)와 독립변수(입력자료)들 간의 1차 분석을 통한 상관계수 또는 가중치를 계산하고 이를 이용한 사건발생 예측도 작성이었다. 각 기법을 통해 도출된 결과도의 예측 정확도를 판단하기 위해 검증작업이 수행된다. 하지만 최대 예측 정확도를 보이는 결과도라 할지라도 기법의 종류 및 특성에 따라 정확도 향상에는 어느 정도 한계가 있다.Various existing analytical methods have been used to calculate correlation coefficients or weights through the first-order analysis between dependent variables (event data) and independent variables (input data), and to prepare event occurrence predictions using them. Verification is performed to determine the predictive accuracy of the results obtained through each technique. However, even if the result shows the maximum prediction accuracy, there is a limit to the accuracy improvement depending on the type and characteristic of the technique.
따라서 이러한 지리정보시스템을 이용하여, 특정 지역의 지반침하의 발생에 대한 정확한 예측을 하는 데에는 한계가 있으며, 이러한 한계점은 인간생활 및 사회기반시설에 대한 안정성 확보와 개발에 저해 요인으로 작용하고 있다.Therefore, there is a limit in making accurate prediction about the occurrence of subsidence of a specific area by using such a geographic information system, and this limit acts as a deterrent to securing and developing the stability of human life and infrastructure.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 지반침하 발생의 위치정보와 지형, 지질, 시추공자료, 갱내도 및 토지이용 등의 자료를 이용하여 우도비분석, WOE분석, 로지스틱회귀분석, 인공신경망분석을 수행할 수 있는 분석부를 이용한 지공간 상관관계 분석을 적어도 1 회 이상 수행할 수 있도록 하여, 정확한 지반침하 발생 예측분석을 수행할 수 있는 예측시스템을 제공하는 데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, the object of the present invention is to use likelihood ratio analysis, WOE analysis using the location information of ground subsidence and the data such as terrain, geology, borehole data, mines and land use It is to provide a predictive system for performing accurate ground subsidence prediction analysis by allowing geospatial correlation analysis to be performed at least once using an analysis unit capable of performing logistic regression and artificial neural network analysis. .
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로, 본 발명은 지반침하 발생 예측시스템에 있어서, 지반침하 발생위치, 지형, 지질, 토지이용 등의 지질정보를 제공하는 지반침하 정보 데이터베이스; 상기 지반침하 정보 데이터베이스에서 제공되는 지질정보를 바탕으로 지공간 상관관계를 통합분석하는 지공간 상관관계 통합분석부; 상기 지공간 상관관계 통합분석부에서 분석된 정보를 바탕으로 지반침하 발생 예측도와 통합예측도를 제공하는 지반침하 발생 예측도 작성부; 상기 지반침하 위치를 이용하여 지반침하 발생 예측도의 정확도를 정량적으로 검증하는 검증부; 모든 결과의 비교를 위한 결과 도출부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지공간 상관관계 통합기법을 이용한 지반침하 발생 예측시스템을 제공할 수 있도록 한다.As a means for solving the above problems, the present invention provides a ground subsidence prediction system, comprising: a ground subsidence information database for providing geological information such as ground subsidence occurrence location, topography, geology, land use; A geospatial correlation integrated analysis unit for integrated analysis of geospatial correlations based on the geological information provided from the geologic subsidence information database; A ground subsidence generation prediction diagram providing unit based on the information analyzed by the geospatial correlation integrated analysis unit, the ground subsidence occurrence prediction diagram and the integrated prediction diagram; A verification unit quantitatively verifying the accuracy of the ground subsidence prediction using the ground subsidence position; It is possible to provide a ground subsidence occurrence prediction system using a geospatial correlation integrated method characterized in that it comprises a ;;
또한, 본 발명은 상기 지반침하 정보 데이터베이스는, 분석대상지역의 지반침하분포도를 이용하여 지반침하의 위치정보를 공간데이터베이스화한 지질재해 데이터베이스; 분석대상지역의 지형도에서 추출한 경사요인의 지형 데이터베이스; 분석대상지역의 지질도에서 추출한 지질요인의 지질 데이터베이스; 분석대상지역의 시추공 자료에서 추출한 지하수 심도 및 투수계수 요인의 시추공 데이터베이스; 분석대상지역의 갱심도 및 갱으로부터의 거리등의 갱내도 자료를 공간데이터베이스화한 갱내도 데이터베이스; 및 분석대상지역의 토지이용도에서 추출한 토양이용 데이터베이스;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지공간 상관관계 통합기법을 이용한 지반침하 발생 예측시스템을 제공할 수 있도록 한다.In addition, the present invention, the ground subsidence information database, geological disaster database of the geospatial location information of the ground subsidence using the ground subsidence distribution map of the analysis region; Terrain database of slope factors extracted from topographic maps of the analysis area; Geological database of geological factors extracted from geological maps of the target area; Borehole database of groundwater depth and permeability factors extracted from borehole data in the target area; A gangdo database, which is a spatial database of gangdo chart data such as gangway depth and distance from the gang; And a soil use database extracted from the land use of the analysis target area; and to provide a ground subsidence occurrence prediction system using the integrated geospatial correlation method.
또한, 본 발명에 따른 시스템에서, 상기 지공간 상관관계 통합분석부는, 상기 지반침하와 관련된 모든 요인들을 제공하는 지반침하 정보 데이터베이스에서는 지반침하 발생위치를 종속변수로 하고, 지형, 토양, 임상, 지질 및 토지이용 등의 자료를 독립변수로 이용하여, 관측된 지반침하와 관련된 요인들간의 상관관계를 분석하여 지반침하 발생 확률을 예측하는 우도비분석부; 지반침하와 관련 요인들간의 등급별 가중치를 분석하는 WOE(weight of evidence)분석부; 입력자료인 독립변수와 사건자료인 종속변수의 로지스틱회귀 상관계수를 분석하는 로지스틱회귀분석부; 지반침하 발생지역과 미발생지역을 역전파 알고리즘을 통해 요인별 가중치를 분석하는 인공신경망분석부 중 어느 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다.In addition, in the system according to the present invention, the geospatial correlation integrated analysis unit, the ground subsidence location in the ground subsidence information database that provides all the factors related to the ground subsidence as a dependent variable, topography, soil, clinical, geological And a likelihood ratio analysis unit for predicting the occurrence probability of ground subsidence by analyzing correlations between factors related to the observed ground subsidence using data such as land use and independent variables; A weight of evidence (WOE) analysis unit for analyzing weights of grades between ground subsidence and related factors; A logistic regression analysis unit for analyzing the logistic regression correlation coefficients of the independent data and the dependent data as input data; The ground subsidence generation region and the non-occurrence region may be made by including any one or more of the artificial neural network analysis unit for analyzing the weight of each factor through the back propagation algorithm.
또한, 상기 지공간 상관관계 통합분석부는, 상기 우도비분석부, WOE(weight of evidence)분석부, 로지스틱회귀분석부, 인공신경망분석부 중 어느 하나 이상을 포함하여 이루어지는 제1차 내지 n차 예측분석부를 포함하여 구성되되, 제n차 예측분석부는 제(n-1)차 예측분석부와 동일한 구성을 구비하며, 상기 제(n-1)차 예측분석부에서 제공되는 결과값을 제n차 예측분석부의 독립변수로 하여 분석대상지역의 지반침하 발생 종속변수와 각각 다시 분석하는 것을 특징으로 하는 지공간 상관관계 통합기법을 이용한 지반침하 발생 예측시스템으로 구축할 수 있다(단, n은 2 이상의 자연수).In addition, the geospatial correlation integrated analysis unit, the first to n-th order prediction including any one or more of the likelihood ratio analysis unit, WOE (weight of evidence) analysis unit, logistic regression analysis unit, artificial neural network analysis unit The n-th predictive analyzing unit has the same configuration as the (n-1) th predictive analyzing unit, and includes the n-th order result value provided by the (n-1) th predictive analyzing unit. As an independent variable of the predictive analysis unit, it is possible to construct a ground subsidence occurrence prediction system using the integrated geospatial correlation method, which is characterized by re-analyzing the ground subsidence occurrence dependent variable of the analysis target area (where n is 2 or more). Natural numbers).
상술한 시스템을 이용하여 다음과 같은 단계로 수행되는 지반침하 발생 예측을 수행할 수 있다.Using the system described above, it is possible to perform ground subsidence prediction performed by the following steps.
구체적으로는 분석대상지역의 지반침하 발생 요인에 대한 정보를 공간데이터베이스로 구축하는 1단계; 상기 공간데이터베이스에 구축된 지반침하 위치와 관련된 요인들간의 지공간 상관관계를 통합분석하는 2단계; 상기 2단계의 분석정보를 이용하여 지반침하의 발생 예측도와 통합예측도를 작성하는 3단계; 2와 3단계에서 도출된 지반침하 발생 예측도와 통합예측도의 정량적인 정확도를 검증하는 4단계; 모든 결과 도출을 위한 5단계;를 포함하는 지공간 상관관계 통합기법을 이용한 지반침하 발생 예측방법을 구현할 수 있다.Specifically, the first step of constructing a spatial database of information on the causes of ground subsidence of the analysis target area; Integrating and analyzing the geospatial correlations between the factors related to the subsidence location established in the spatial database; A third step of preparing a predictive map and an integrated prediction diagram of ground subsidence using the analysis information of the second step; A fourth step of verifying the quantitative accuracy of the ground subsidence predictions and the integrated predictions derived in
또한, 이 경우 상기 2단계는, 지반침하의 발생의 위치를 종속변수로하고, 지형, 지질, 시추공자료, 갱내도 및 토지이용자료 등을 독립변수로 하여, 우도비분석, WOE(weight of evidence)분석, 로지스틱회귀분석, 인공신경망분석 중 어느 하나 이상의 분석을 수행하여 지반침하 발생 예측도를 분석하는 단계로 형성할 수 있다.In this case, the second step is the likelihood ratio analysis and the WOE (weight of evidence) using the location of the ground subsidence as a dependent variable, and the topographic, geological, borehole data, mines and land use data as independent variables. Analysis), logistic regression analysis, or neural network analysis by performing one or more of the analysis can be formed in the step of analyzing the ground subsidence prediction.
또한, 상기 2단계에서 도출된 지반침하 발생 예측도를 독립변수로하고, 2단계에서 입력된 종속변수를 재차 이용하여, 우도비분석, WOE(weight of evidence)분석, 로지스틱회귀분석, 인공신경망분석 중 어느 하나 이상의 분석을 수행하여 지반침하 발생 예측도를 분석하는 과정을 적어도 2회 이상 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 지공간 상관관계 통합기법을 이용한 지반침하 발생 통합예측방법으로 구현하는 것도 가능하다.In addition, using the ground subsidence prediction predicted in
본 발명에 따르면, 지반침하 발생의 위치정보와 지형, 지질, 시추공자료, 갱내도 및 토지이용자료 정보를 이용하여 우도비분석, WOE분석, 로지스틱회귀분석, 인공신경망분석, 그밖에 다양한 모델분석을 수행할 수 있는 분석부를 이용한 분석을 적어도 2 회 이상 수행할 수 있도록 하여, 정확한 지반침하 발생의 예측분석을 수행할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, likelihood ratio analysis, WOE analysis, logistic regression analysis, neural network analysis, and other various model analysis are performed by using the location information of the ground subsidence, topography, geology, borehole data, mine map and land use data. By performing the analysis using the analysis unit that can be at least two times, there is an effect that can perform a predictive analysis of accurate ground subsidence occurrence.
도 1은 종래의 GIS의 구성을 개념적으로 도시한 예시도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 지공간 상관관계 통합기법을 이용한 지반침하 발생 예측시스템의 구성도를, 도 2b 및 도 2c는 본 발명에 따른 지반침하 발생 데이터베이스의 구성예를, 도 2d는 본 발명에 따른 지반침하 발생 예측지역의 지형도를 예시한 것이다.
도 2e는 지반침하 발생과 관련있는 모든 요인들을 공간데이터베이스로 구축한 결과를 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 시스템의 지공간 상관관계 통합분석부의 구성을 도시한 것이다. 도 3c는 지공간 상관관계 통합분석을 이용한 지반침하 발생 예측분석의 흐름을 도시한 것이며, 도 3d는 우도비를 이용한 지반침하 발생 예측도를, 도 3e는 지반침하 발생 예측과 관련된 요인들의 우도비 및 weight of evidence를 나타낸 표이다.
도 3f는 weight of evidence를 이용한 지반침하 발생 예측도를 도시한 것이며, 도 3g는 지반침하 발생과 관련된 요인들의 로지스틱회귀 상관계수를 도시한 것이다. 도 3h는 로지스틱 회귀분석을 이용한 지반침하 발생 예측도를 도시한 것이다.
도 3i는 지반침하 발생과 관련 요인들의 인공신경망 가중치를 도시한 표이며, 도 3j는 인공신경망을 이용한 지반침하 발생 예측도를 도시한 것이다.
도 3k는 지반침하 발생 관련 요인들의 통합우도비 및 통합 weight of evidence를 도시한 것이다.
도 3l은 지반침하 관련 요인들(1차 분석한 우도비, WOE, 로지스틱회귀분석, 인공신경망 분석을 통해 작성된 지반침하 발생 예측도)의 통합 인공신경망 가중치를 도시한 것이다.
도 4a는 우도비를 이용한 지반침하 발생 통합예측 (2차 분석) 결과도를 도시한 것이며, 도 4b는 weight of evidence를 이용한 지반침하 발생 통합예측 (2차 분석) 결과도를 나타낸 것이며, 도 4c는 로지스틱 회귀분석을 이용한 지반침하 발생 통합예측 (2차 분석) 결과도를 도시한 것이다. 그리고 도 4d는 인공신경망을 이용한 지반침하 발생 통합예측 (2차 분석) 결과도를 도시한 것이다.
도 5a는 1차 단일분석의 지반침하 발생 예측도의 정확도를 나타낸 것이며, 도 5b는 지공간 상관관계 통합분석의 지반침하 발생 통합예측도의 정확도를 도시한 것이며, 도 5c는 1차 단일분석과 2차 통합분석의 지반침하 발생 예측도와 통합예측도의 정확도를 비교한 것이다.1 is an exemplary diagram conceptually showing a configuration of a conventional GIS.
Figure 2a is a block diagram of the ground subsidence occurrence prediction system using the integrated geospatial correlation method according to the present invention, Figures 2b and 2c is a configuration example of the ground subsidence occurrence database according to the present invention, Figure 2d The topographic map of the ground subsidence predicted area is shown.
Figure 2e shows the result of building all the factors related to ground subsidence into a spatial database.
3A and 3B illustrate the configuration of the geospatial correlation integrated analysis unit of the present system. Figure 3c shows the flow of the ground subsidence prediction analysis using the integrated geospatial correlation analysis, Figure 3d is a prediction diagram of ground subsidence occurrence using the likelihood ratio, Figure 3e is the likelihood ratio of factors related to the prediction of ground subsidence occurrence And weight of evidence.
FIG. 3F illustrates the ground subsidence prediction using the weight of evidence, and FIG. 3G illustrates the logistic regression correlation coefficients of the factors related to the ground subsidence. Figure 3h shows the ground subsidence prediction using logistic regression analysis.
FIG. 3I is a table illustrating artificial neural network weights of ground subsidence occurrence and related factors, and FIG. 3J illustrates a prediction diagram of ground subsidence occurrence using artificial neural network.
3K illustrates the integrated likelihood ratio and the integrated weight of evidence of ground subsidence related factors.
3L shows the integrated neural network weights of the ground subsidence-related factors (ground subsidence occurrence prediction maps prepared through the primary analysis likelihood ratio, WOE, logistic regression, and artificial neural network analysis).
FIG. 4A shows the results of integrated subsidence occurrence prediction (secondary analysis) using the likelihood ratio, and FIG. 4B shows the results of the integrated subsidence prediction (secondary analysis) using the weight of evidence, FIG. 4C. Shows the results of the integrated prediction of subsidence occurrence (secondary analysis) using logistic regression analysis. 4D shows the results of integrated prediction of ground subsidence (secondary analysis) using an artificial neural network.
FIG. 5A shows the accuracy of the ground subsidence prediction map of the first order single analysis, and FIG. 5B shows the accuracy of the ground subsidence integrated prediction map of the geospatial correlation analysis. This study compares the accuracy of the ground subsidence prediction and the integrated prediction in the second integrated analysis.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the configuration and operation according to the present invention. In the description with reference to the accompanying drawings, the same components are given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and duplicate description thereof will be omitted. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
본 발명은 지공간 상관관계 통합기법을 이용한 지반침하 발생 예측시스템을 제공하며, 특히 우도비분석, WOE(weight of evidence)분석, 로지스틱회귀분석, 인공신경망, 그밖에 다양한 모델분석 중 어느 하나 이상의 분석을 수행하여 지반침하 발생 예측도를 분석하거나, 1차 분석된 결과를 재차 반복 분석하도록 하여 예측의 정확도를 높일 수 있는 것을 그 요지로 한다.The present invention provides a ground subsidence prediction system using an integrated geospatial correlation method, and in particular, analysis of any one or more of likelihood ratio analysis, WOE (weight of evidence) analysis, logistic regression analysis, artificial neural network, and other various model analysis The main purpose of this study is to analyze the predictability of ground subsidence or to increase the accuracy of the prediction by repeating the first analysis.
도 2a를 참조하면, 이는 본 발명에 따른 지공간 상관관계 통합기법을 이용한 지반침하 발생 예측시스템(이하, '본 시스템'이라 한다.)의 구성도를 나타낸 것이다.Referring to Figure 2a, which shows the configuration of the ground subsidence occurrence prediction system (hereinafter referred to as 'main system') using the geospatial correlation integrated technique according to the present invention.
본 발명에 따른 본 시스템은 지반침하 발생위치, 지형, 지질, 토지이용 자료 등의 지질정보를 제공하는 지반침하 정보 데이터베이스(100), 상기 지반침하 정보 데이터베이스에서 제공되는 지질정보를 바탕으로 지공간 상관관계를 통합분석하는 지공간 상관관계 통합분석부(200), 상기 지공간 상관관계 통합분석부에서 분석된 지반침하 발생 예측도와 통합예측도를 작성하는 작성부(300), 상기 지반침하 발생위치를 이용하여 지반침하 발생 예측도와 통합예측도의 정확도를 정량적으로 검증하는 검증부(400) 및 이의 결과들의 비교를 위한 결과 도출부(500)를 포함하여 구성될 수 있다.The present system according to the present invention is a geospatial correlation on the basis of the ground
특히, 상기 지반침하 정보 데이터베이스(100)는, 분석대상지역의 지반침하분포도를 이용하여 지반침하의 위치정보를 공간데이터베이스화한 지질재해 데이터베이스(110)를 구비할 수 있으며, 나아가 분석대상지역의 지형도를 이용하여 지형의 경사도에 대한 정보를 지형 데이터베이스(120)나 분석대상지역의 지질도에서 추출되는 지질자료를 공간데이터베이스화하는 지질 데이터베이스(130), 분석대상지역의 토지이용의 정보를 제공하는 토지이용 데이터베이스(140), 분석대상지역의 지하수 심도 및 투수계수 등의 시추공자료를 공간데이터베이스화하는 시추공 데이터베이스(150), 분석대상지역의 갱심도 및 갱으로부터의 거리등의 갱내도자료를 공간데이터베이스화하는 갱내도 데이터베이스(160)등을 포함하여 구성될 수 있다.In particular, the ground
도 2c 및 도 2d를 이용하여 상술한 본 시스템을 이용하여 특정 지역에 대한 지반침하 발생 예측을 위한 데이터베이스의 형성 예를 설명한다.An example of the formation of a database for predicting ground subsidence occurrence for a specific region using the present system described above with reference to FIGS. 2C and 2D will be described.
도 2c는 도 2b에서 형성하는 데이터베이스를 구성하는 인자를 분류한 것이며, 도 2d는 본 시스템을 적용한 실시예로서 분석대상지역의 지형도를 도시한 것으로, 구체적인 위치는 강원도 마교리에 위치한 삼마탄광지역이다. 삼마탄광은 1960년부터 1989년까지 총 243만톤을 생산한 중규모의 탄광으로, 1989년에 폐광되었다. 이 지역 역시 폐탄광 방치로 지반침하가 발생하고 있고, 게다가 태백-도계간 38번 국도선 확장공사가 진행됨에 따라 지반침하가 계속 일어나고 있는 지역이다. 본 지역은 지리좌표상 위도 37˚ 14' 26˝? 37˚ 15' 24˝N, 경도 129˚ 02' 40˝? 129˚ 03' 30˝E 사이에 위치한다.Figure 2c is a classification of the factors constituting the database formed in Figure 2b, Figure 2d is an embodiment to which the present system is applied to show the topographic map of the analysis target area, the specific location is Samma coal mine area located in Magyori, Gangwon-do. The Samma Coal Mine was a medium-sized coal mine that produced 2.43 million tons from 1960 to 1989. It was closed in 1989. In this area, ground subsidence has occurred due to the neglect of abandoned coal mines. In addition, ground subsidence continues as the Taebaek-
상기 적용지역에 대한 정보(GIS)를 이용하여 공간데이터 베이스를 구축하는 과정을 설명하면 다음과 같다. Referring to the process of building a spatial database using the information on the application area (GIS) as follows.
마교리 지역의 지반침하 발생 예측분석을 위해 수집된 자료는 지반침하 분포도, 지형도, 지질도, 토지이용, 시추공 자료, 갱내도이다(도 2d, 도 2e). 1999년 석탄산업합리화사업단에 조사한 결과 연구지역의 지반침하는 21개소로 보고되었다(도 2d). 지반침하는 위치는 훈련용(70%, 격자 7,259개)과 검증용(30%, 격자 3,110개)으로 분류하여 예측분석과 예측도의 검증에 사용하였다. 경사도는 1:5,000 수치지형도로부터 작성된 DEM에서 추출하였다. 지질자료는 한국지질자원연구원 발행의 1:50,000 축척의 고사리 지질도를 이용하였다. 지하수 심도 및 투수계수는 석탄합리화사업단에서 수행한 지반안정성 조사의 시추공 데이터로부터 추출하였다. 갱내도 요인들은 석탄합리화사업단에서 구축한 1:1,200 수치갱내도를 이용하여 갱심도 및 갱으로부터의 수평거리 요인을 추출하였다. 갱심도 구축을 위해 먼저 연구지역의 DEM에서 갱내도의 해발고도를 빼줌으로써 지표로부터의 갱심도를 계산하였다. 수치갱내도에서 도출한 갱으로부터의 수평거리는 지반침하의 위험 범위를 수평적으로 예측하기 위한 요인으로 갱내도를 중심으로 버퍼링하여 계산하였다. 지반침하와 관련있는 모든 요인들은 그림 4와 같이 공간데이터베이스로 구축하였고, 입력자료의 축척을 고려하여 1m × 1m 크기의 격자로 설정하였으며, 연구지역의 격자수는 행과 열이 1,742 × 1,207로 총 격자수는 2,102,594이다.The data collected for the ground subsidence prediction analysis in the Magyo area are ground subsidence distribution, topographical map, geological map, land use, borehole data, and mines (Fig. 2d, 2e). As a result of a survey by the Coal Industry Rationalization Project in 1999, the ground subsidence of the study area was reported as 21 places (Fig. 2d). Ground subsidences were categorized into training (70%, 7,259 grids) and verification (30%, 3,110 grids) and used for predictive analysis and verification of prediction. The slope was extracted from a DEM created from a 1: 5,000 digital topographic map. For geological data, we used 1: 50,000 scale bracken geological map published by Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources. Groundwater depth and permeability coefficients were extracted from borehole data from the soil stability survey conducted by the Coal Rationalization Project. Factors for the degree of gangway were extracted by using the 1: 1,200 numerical mine map developed by the Coal Rationalization Project. In order to build the depth, the depth from the ground surface was calculated by subtracting the altitude above sea level in the DEM of the study area. The horizontal distance from the gang derived from the numerical mine map was calculated by buffering the gangway as a factor for horizontally predicting the risk range of ground subsidence. All factors related to ground subsidence were constructed with a spatial database as shown in Figure 4, and the grid size of the study area was set to 1m × 1m considering the scale of input data, and the number of grids in the study area was 1,742 × 1,207. The lattice number is 2,102,594.
이하에서는, 도 3a 내지 도 3l를 이용하여 본 발명에 따른 본 시스템의 구성 및 이를 이용한 지반침하 발생 예측도를 구현하는 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a configuration of the present system and a method for implementing a ground subsidence prediction using the same will be described with reference to FIGS. 3A to 3L.
도 3a 및 도 3b는 본 시스템(도 2a)의 지공간 상관관계 통합분석부의 구성을 도시한 것이다.3A and 3B show the configuration of the geospatial correlation integrated analysis unit of the present system (FIG. 2A).
본 발명에 따른 지공간 상관관계 통합분석부(200)는 구체적으로는 상기 지반침하 지질정보 데이터베이스에서 제공되는 지반침하 발생 위치정보를 종속변수로 하고, 지형, 지질, 시추공자료, 갱내도 및 토지이용자료 등을 독립변수로 이용하여, 지반침하의 발생과 관련된 요인들간의 상관관계를 분석하여 지반침하 발생 확률을 예측하는 우도비분석부(210), 지반침하 발생과 관련 요인들간의 등급별 가중치를 분석하는 WOE(weight of evidence)분석부(220), 입력자료인 독립변수와 사건자료인 종속변수의 로지스틱회귀 상관계수를 분석하는 로지스틱회귀분석부(230), 지반침하 발생지역과 지반침하 미발생지역을 역전파 알고리즘을 통해 요인별 가중치를 분석하는 인공신경망분석부(240)중 하나 이상을 포함하거나, 그밖에 다른 다양한 모델분석부를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 물론 바람직하게는 이들 분석부 모두를 포함하는 구조로 형성함이 바람직하다.The geospatial correlation integrated
또는, 도 3b에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 바람직한 다른 실시예로서는 상술한 하나의 지공간 상관관계 통합분석부(200)에 추가하여, 상기 1차 예측부에서 분석한 결과값을 n차 예측분석의 독립변수로 하고, 1차 예측부에서 사용된 종속변수를 재차 종속변수로 입력하여 분석을 시행하는 n차 예측부를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 구조의 예측분석부는 적어도 2회 이상 형성될 수 있다(단, n은 2이상의 자연수).Alternatively, as shown in FIG. 3B, in another preferred embodiment according to the present invention, in addition to the above-described one geospatial correlation integrated
이를 테면, 상기 우도비분석부, WOE(weight of evidence)분석부, 로지스틱회귀분석부, 인공신경망분석부, 그밖에 다른 모델분석부 중 어느 하나 이상을 포함하여 이루어지는 제1차 내지 n차 예측분석부가 형성되는 경우, 제n차 예측분석부는 제(n-1)차 예측분석부와 동일한 구성을 구비하며, 상기 제(n-1)차 예측분석부에서 제공되는 결과값을 제n차 분석의 독립변수로 하고, 제(n-1)예측부에서 입력된 종속변수를 다시 종속변수로 입력하여 각각 다시 분석을 수행하는 구조로 형성될 수 있는 것이다(단, n은 2이상의 자연수).For example, the first to nth order predictive analysis unit including any one or more of the likelihood ratio analysis unit, the WOE (weight of evidence) analysis unit, logistic regression analysis unit, artificial neural network analysis unit, other model analysis unit When formed, the n-th predictive analyzing unit has the same configuration as the (n-1) th predictive analyzing unit, and the result value provided by the (n-1) th predictive analyzing unit is independent of the n-th order analyzing. It can be formed into a structure in which the dependent variable input from the (n-1) prediction part is input again as the dependent variable and the analysis is performed again (n is a natural number of two or more).
도 3c는 본 발명에 따른 본 시스템을 이용하여, 지공관 상관관계 통합분석을 이용한 지반침하 발생 예측분석을 수행하는 흐름도를 도시한 것이다.Figure 3c shows a flow chart for performing the ground subsidence prediction analysis using the integrated air pipe correlation integrated analysis using the present system according to the present invention.
도시된 것처럼, 본 시스템을 이용하는 지반침하 발생 예측분석은, 지공간 상관관계 통합은 다양한 단일기법을 이용하여 1차 분석된 지반침하 발생 예측도를 새로운 독립변수(입력자료)로 사용하고 이를 기존의 종속변수(사건자료)와 2차 분석을 수행한다. 이 기법은 GIS와 같이 다양한 지질현상(지질, 자연재해, 지질자원, 환경오염)을 예측하는데 활용될 수 있을 뿐만 아니라 지공간에서 일어나는 모든 사건예측에 적용할 수 있다. 지질현상 예측을 위한 1차 분석기법으로는 확률, 통계, 데이터마이닝 기반의 다양한 기법이 될 수 있다(도 1참조). 본 발명에서는 GIS와 우도비, Weight of evidence, 로지스틱 회귀분석, 인공신경망 등을 이용하여 지반침하 발생 통합 예측분석을 도시된 것과 같은 절차로 수행하였다.As shown, the ground subsidence predictive analysis using this system, geospatial correlation integration uses the first analyzed ground subsidence prediction using a variety of single techniques as a new independent variable (input data). Perform secondary analysis with dependent variables (event data). This technique can be used to predict various geological phenomena (geological, natural disasters, geological resources, environmental pollution) as well as GIS, and can be applied to predicting all events occurring in geospatial space. The primary analysis method for the prediction of lipid phenomena may be various techniques based on probability, statistics, and data mining (see FIG. 1). In the present invention, ground sedimentation occurrence integrated predictive analysis using GIS, likelihood ratio, weight of evidence, logistic regression, artificial neural network, and the like was performed in the same procedure.
즉, 우선 연구분야 및 분석지역을 선정하며(이를 테면, 강원도 마교리), 이후 GIS를 이용한 공간데이터베이스를 구축한다. 이 경우 상기 공간데이터베이스에서 제공되는 값 중 지반침하 발생 위치를 종속변수로 하고, 지형, 지질, 시추공자료, 갱내도 및 토지이용 자료 등을 독립변수로하여 지공간 상관관계 통합분석부에 입력하게 된다.In other words, first, research areas and analysis areas are selected (for example, Magwi-ri, Gangwon-do), and then a spatial database is constructed using GIS. In this case, the location of the ground subsidence among the values provided from the spatial database is used as a dependent variable, and the terrain, geology, borehole data, mines, and land use data are input as independent variables to the geospatial correlation integrated analysis unit. .
이러한 지공간 상관관계 통합분석부가 도 3a와 같이 단일한 1차 예측분석부로 형성되거나, 아니면 도 3b와 같이 복합적으로 형성되는 n차 통합예측부로 형성되는 경우, 상술한 것처럼 단일한 예측분석이나 반복적인 예측분석을 수행하게 되며, 이후 각각의 분석을 수행하는 우도비, Weight of evidence, 로지스틱 회귀분석, 인공신경망, 그밖에 다양한 모델분석부에서 분석한 지반침하 발생 예측도와 통합 예측도에 대한 정확도를 검증하게 된다.When the geospatial correlation integrated analysis unit is formed of a single primary predictive analysis unit as shown in FIG. 3A or an nth integrated predictive unit formed in a complex form as shown in FIG. 3B, a single predictive analysis or repetitive analysis is performed as described above. Predictive analysis will be performed, and then the accuracy of the ground subsidence prediction and integrated predictions analyzed by various likelihood ratios, weight of evidence, logistic regression, artificial neural network, and various model analysis units will be verified. do.
이후, 검증된 지반침하 발생 예측도는 정확도 비교를 통해 보다 정확한 결과도를 도출할 수 있게 된다.Then, the verified ground subsidence prediction can be derived more accurate results through the comparison of accuracy.
이하에서는 상술한 지공간 상관관계 통합분석부의 구체적인 분석방법을 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a detailed analysis method of the geospatial correlation integrated analysis unit will be described in detail.
1) 우도비분석부-우도비분석기법적용1) Likelihood Ratio Analysis Part-Likelihood Ratio Analysis
우도비 기법의 적용은 관측된 지반침하 발생과 관련된 요인들간의 상관관계를 밝히고, 각 요인의 등급별 우도비를 통해 지반침하 발생 지역을 예측하는데 있다. 우도비는 조건부 확률 원리를 바탕으로 한, 각 요인의 등급별 지반침하 발생 면적 비율을 의미한다. 우도비가 1보다 크면 지반침하 발생 확률이 높다는 것을, 1보다 작으면 지반침하 발생 확률이 낮다는 것을 의미한다. 우도비 계산을 위해 입력자료 경사, 갱심도, 갱으로부터 거리, 지하수 심도, 투수계수는 등급별 균등한 면적으로 10등급으로 분류하였다. 계산된 우도비(도 3e)는 각 요인의 등급에 부여한 후 GIS 중첩분석을 이용하여 {식 1}과 같이 지반침하 위험지수(SHILR : Subsidence Hazard Index by likelihood ratio)를 구하였다.The application of the likelihood ratio technique reveals the correlation between the factors related to the observed ground subsidence occurrence and predicts the subsidence occurrence region through the likelihood ratio of each factor. The likelihood ratio is the ratio of the ground subsidence area of each factor based on the conditional probability principle. If the likelihood ratio is greater than 1, the ground subsidence probability is high. If it is less than 1, it means that the ground subsidence probability is low. For calculating the likelihood ratio, the input data slope, gang depth, distance from the gang, depth of groundwater, and permeability coefficient were classified into 10 grades with equal area by grade. The calculated likelihood ratio (FIG. 3e) was assigned to each class of factors, and GIS overlapping analysis was used to calculate the subsidence Hazard Index by likelihood ratio (SHILR) as shown in {Equation 1}.
{식 1}{Equation 1}
상기 위험지수를 이용하여 작성된 지반침하 발생 예측도는 시각적 해석을 위해 상위 5%, 10%, 15% 70%로 등급화하였다(도 3d; 우도비를 이용한 지반침하 발생 예측도). 위험지수의 상위 30% (Very high ? Medium) 내에 분포하는 지반침하는 96%로 나타났고 위험지수의 최소값은 1.14, 최대값은 37.22, 평균값은 7.00, 표준편차는 4.90로 나타났다.
Ground subsidence prediction predicted using the risk index was graded in the top 5%, 10%, 15% 70% for visual interpretation (Fig. 3d; ground subsidence occurrence prediction using the likelihood ratio). The ground subsidence in the upper 30% (Very high – Medium) of the risk index was found to be 96%. The minimum value of the risk index was 1.14, the maximum value was 37.22, the average value was 7.00, and the standard deviation was 4.90.
2) WOE 분석부-weight of evidence 분석기법2) WOE analysis part-weight of evidence analysis method
Weight of evidence 기법은 우도비에 자연로그를 취하여 양과 음의 가중치로 지반침하 발생과 요인 등급간의 상관성을 제시한다. Studentized value인 C/S(C)는 지반침하 발생과 관련된 요인들의 값을 이분화시키는 최적절의 절단값으로써, 최대의 C/S(C) 값을 가지는 등급을 기준으로 (+) 가중치와 (-) 가중치로 이분화시킨다. 가중치가 0의 값을 가지면 상관관계가 없고, (-) 값을 가지면 음의 상관관계를, (+) 값을 가지면 양의 상관관계를 나타낸다. 이렇게 계산된 요인별 가중치는 도 3e와 같다.The weight of evidence technique takes a natural log of the likelihood ratio and presents the correlation between ground subsidence occurrence and factor ratings with positive and negative weights. The studentized value, C / S (C), is the optimal cutoff value that divides the values of factors related to ground subsidence, with positive weight and (-) based on the grade with the highest C / S (C) value. ) And dividing by weight. If the weight has a value of zero, there is no correlation. If the weight has a value of zero, it has a negative correlation, and if it has a positive value, it shows a positive correlation. The calculated weight for each factor is as shown in FIG. 3E.
이분화된 가중치는 각 요인의 등급에 부여한 후 중첩분석을 실시하여 {식 2}와 같이 지반침하 위험지수(SHIwoe : Subsidence Hazard Index by weight of evidence)를 구하였다. The subdivided weights were assigned to the grades of each factor, followed by overlapping analysis, and the ground subsidence hazard index (SHIwoe) was obtained as shown in {Equation 2}.
{식 2}{Equation 2}
위험지수를 이용하여 작성된 지반침하 발생 예측도는 시각적 해석을 위해 상위 5%, 10%, 15% 70%로 등급화하였다(도 3f). 위험지수의 상위 30% (Very high Medium) 내에 분포하는 지반침하는 94%로 나타났고 위험지수의 최소값은 -4.11, 최대값은 9.28, 평균값은 -2.62, 표준편차는 2.00으로 나타났다.
The ground subsidence prediction predicted using the risk index was ranked in the top 5%, 10%, 15% 70% for visual interpretation (Fig. 3f). The ground subsidence in the upper 30% of the risk index (Very high Medium) was 94%. The minimum value of the risk index was -4.11, the maximum value was 9.28, the average value was -2.62, and the standard deviation was 2.00.
3) 로지스터회귀분석부-로지스터회귀분석3) Logistic Regression Analysis-Logistic Regression Analysis
독립변수(입력자료)와 종속변수(사건자료) 사이의 관계를 정확히 파악하기 위해서는 두 변수간의 규칙성을 나타내는 회귀식 또는 예측식을 구하는 회귀분석이 필요하다. 지반침하 발생 여부는 0과 1로 분류되기 때문에 로지스틱 회귀분석이 적합하다. 로지스틱 상관계수는 독립변수의 변화에 따라서 종속변수가 얼마만큼 변화하는가를 제시하는 통계치로써, 양의 값이면 해당 독립변수의 값이 클수록 지반침하가 발생할 확률이 커지고, 음의 값이면 해당 독립변수의 값이 클수록 지반침하가 발생하지 않을 확률이 커진다.In order to accurately grasp the relationship between the independent variable (input data) and the dependent variable (event data), a regression analysis is required to obtain a regression or prediction equation representing the regularity between the two variables. Logistic regression is appropriate because ground subsidence is classified as 0 and 1. The logistic correlation coefficient is a statistical value that shows how much the dependent variable changes according to the change of the independent variable.If the value is positive, the greater the value of the independent variable is, the greater the probability of ground subsidence is; The higher the value, the greater the probability that no ground subsidence will occur.
지반침하 발생 회귀식은 표 3에 있는 로지스틱 회귀계수를 이용하여 {식 3}과 같이 유도하였고, {식 4}와 같이 지반침하 발생 확률을 계산하였다. 각 요인들에 곱해지는 계수는 요인들의 가중치가 되며, {식 3}과 {식 4}를 이용하여 지반침하 위험지수를 계산하였다. The ground subsidence regression equation was derived as shown in {Equation 3} using the logistic regression coefficient shown in Table 3, and the probability of subsidence occurrence was calculated as {Equation 4}. The factor multiplied by each factor is the weight of the factors, and the ground subsidence risk index was calculated using {Equation 3} and {Equation 4}.
{식 3}{Equation 3}
{식 4}{Equation 4}
위험지수를 이용하여 작성된 지반침하 발생 예측도는 시각적 해석을 위해 상위 5%, 10%, 15% 70%로 등급화하였다(도 3h). 위험지수의 상위 30% (Very high ? Medium) 내에 분포하는 지반침하는 98%로 나타났고 위험지수의 최소값은 0, 최대값은 0.60252, 평균값은 0.00377, 표준편차는 0.02167로 나타났다.
The ground subsidence prediction predicted using the risk index was ranked in the top 5%, 10%, 15% 70% for visual interpretation (Fig. 3H). The ground subsidence in the upper 30% of the risk index (Very high – Medium) was 98%. The minimum value of the risk index was 0, the maximum value was 0.60252, the average value was 0.00377, and the standard deviation was 0.02167.
4)인공신경망분석부-인공신경망을 이용한 지반침하 발생 예측4) Artificial Neural Network Analysis Part-Prediction of Ground Subsidence Using Artificial Neural Network
인공신경망에서 사용하는 역전파 알고리즘은 지반침하 발생 지역과 미 발생 지역을 신경망에 정확히 인지시켜 이 위치의 입력자료 값을 기준으로 지반침하 발생 지역을 훈련시킨다. 이를 통하여 인공신경망은 출력층에 대한 결과 즉, 지반침하 발생 가중치를 계산하게 된다. 가중치를 계산하기 위해 인공신경망 구조는 7 × 14 × 1로 설정하였고, 목표 오차에 도달하기 전의 최대 반복횟수는 5,000번, 학습율은 0.01로 설정하여 요인들의 상대적 가중치를 계산하였다(도 3i). 계산된 가중치를 각 요인에 부여하여 연구지역 전체에 대한 지반침하 위험지수를 계산하였다. The backpropagation algorithm used in the artificial neural network precisely recognizes the subsidence area and the non-occurrence area to the neural network, and trains the subsidence area based on the input data of this location. Through this, the artificial neural network calculates the ground subsidence occurrence weight for the output layer. In order to calculate the weight, the artificial neural network structure was set to 7 × 14 × 1, and the relative weight of the factors was calculated by setting the maximum number of repetitions before reaching the target error to 5,000 times and the learning rate to 0.01 (FIG. 3I). The subsidence risk index for the entire study area was calculated by assigning the calculated weight to each factor.
위험지수를 이용하여 작성된 지반침하 발생 예측도는 시각적 해석을 위해 상위 5%, 10%, 15% 70%로 등급화하였다(도 3j). 위험지수의 상위 30% (Very high ? Medium) 내에 분포하는 지반침하는 95%로 나타났고 위험지수의 최소값은 0.00599, 최대값은 0.98832, 평균값은 0.36971, 표준편차는 0.23159로 나타났다.
The ground subsidence prediction predicted using the risk index was ranked in the top 5%, 10%, 15% 70% for visual interpretation (Fig. 3j). The ground subsidence in the upper 30% of the risk index (Very high – Medium) was 95%. The minimum value of the risk index was 0.00599, the maximum value was 0.98832, the average value was 0.36971, and the standard deviation was 0.23159.
5) 지공간 상관관계통합방법-2차 분석5) Geospatial Correlation Integration Method-Second Analysis
상술한 1) 내지 4)의 각 분석부를 이용하여 1차적으로 분석하는 것을 1차분석이라고 정의한다면, 이후에는 본 발명에 따른 다른 실시예로서, 상술한 1차 분석 결과를 이용하여 반복하여 예측도를 분석하는 방법을 설명하기로 한다.(이를 편의상 '2차 분석'이라고 한다.)If the first analysis using the respective analysis units of 1) to 4) is defined as the first analysis, thereafter, as another embodiment according to the present invention, it is repeatedly predicted using the above-described first analysis results. We will explain how to analyze (this is called 'secondary analysis' for convenience).
기존 단일기법을 이용한 지반침하 발생 예측분석은 1차 분석을 통한 예측도 작성과 이들의 정확도 검증 및 비교로 수행되어졌다. 하지만 지공간 상관관계 통합은 1차 분석을 통해 도출된 예측도를 새로운 독립변수(입력자료)로 적용하여 같은 기법으로 2차 분석을 실시한다. 또한 2차 분석의 예측도는 3차 분석을 위한 새로운 독립변수(입력자료)로 적용될 수 있고 이렇게 반복함으로써 n번의 새로운 독립변수(입력자료)를 이용한 n차 분석을 수행한다. 이는 기존 연구에서 접근하지 않았던 새로운 개념이다. 지공간 상관관계 통합분석은 ⅰ) 원시자료의 입력, ⅱ) 중간 결과물의 생성 또는 새로운 입력자료 생성, ⅲ) 고수준의 결과물 도출의 절차로 지반침하 발생 예측도를 작성한다. Precipitation analysis of ground subsidence occurrence using the existing single technique was performed by making prediction maps through primary analysis and verifying and comparing their accuracy. However, the geospatial correlation integration uses the same prediction method as the new independent variable (input data) and conducts the second analysis using the same technique. Also, the predictive value of the secondary analysis can be applied as a new independent variable (input data) for the third analysis. By repeating this, n-th analysis is performed using n new independent variables (input data). This is a new concept that has not been approached in previous research. The geospatial correlation analysis analyzes the ground subsidence prediction with the procedures of i) input of raw data, ii) generation of intermediate results or new input data, and v) derivation of high-level results.
{식 5}는 1차 분석의 단일기법을 이용한 예측도 작성의 일반식으로써, 지반침하 발생과 관련있는 원시 독립변수(원시 입력자료) 를, 기법 fm에 적용하여 예측도 을 도출한다.{Equation 5} is a general formula for predictive drawing using a single method of primary analysis, which is a raw independent variable related to ground subsidence (raw input data). Is applied to the technique fm To derive
{식 5}{Equation 5}
{식 5}의 예측도 은 지공간 상관관계 통합분석에서 종속변수(지반침하 발생 위치)의 새로운 독립변수(입력자료)로 사용되어, 통합기법의 {식 6}을 이용하여 통합 예측도를 작성하게 된다. 은 2차 분석 {식 6}의 독립변수(입력자료) 로 설정하고 기법 fm에 적용하여 통합예측도 을 도출한다.Prediction diagram of {Equation 5} Is used as a new independent variable (input data) of the dependent variable (ground subsidence location) in the integrated geospatial correlation analysis, and the integrated prediction map is made using the equation (6) of the integrated technique. Is an independent variable (input) of the secondary analysis {Equation 6} And predictive integration using technique fm To derive
{식 6}{Equation 6}
은 n차 분석의 독립변수(입력자료) 로 설정하고, 기법 fm에 적용하여 n차 통합예측도 을 도출한다. Is an independent variable (input data) of n-th analysis N-th integrated prediction by applying to technique fm To derive
{식 7}{Equation 7}
새로운 지공간 상관관계 통합분석은 단일기법인 우도비, weight of evidence, 로지스틱 회귀분석, 인공신경망에서 도출된 지반침하 발생 예측도와 지반침하 위치와의 관계를 다시 같은 방법으로 우도비(도 3k), weight of evidence의 가중치(도 3k), 로지스틱 회귀분석의 회귀식{식 8}, 인공신경망의 가중치(도 3l)를 도출하여 지반침하 발생 통합위험지수를 계산하였다.The new geospatial correlation analysis analyzes the relationship between likelihood ratio, weight of evidence, logistic regression, prediction of ground subsidence occurrence derived from artificial neural network and ground subsidence in the same way (FIG. 3k), The integrated risk index of ground subsidence was calculated by deriving the weight of evidence (Figure 3k), logistic regression equation (Equation 8), and the weight of artificial neural network (Figure 3l).
{식 8}{Equation 8}
통합 위험지수를 이용하여 작성된 지반침하 발생 통합 예측도는 시각적 해석을 위해 상위 5%, 10%, 15% 70%로 등급화하였다(도 4참조). Ground sedimentation occurrence predictions, prepared using the integrated risk index, were ranked in the top 5%, 10%, 15% and 70% for visual interpretation (see FIG. 4).
도 4a는 우도비를 이용한 지반침하 발생 통합 예측도(2차 분석)결과를 도시한 것이며, 도 4b는 weight of evidence를 이용한 지반침하 발생 통합 예측도(2차 분석)결과를 나타낸 것이며, 도 4c는 로지스틱 회귀분석을 이용한 지반침하 발생 통합 예측도(2차 분석)결과를 도시한 것이다. 그리고 도 4d는 인공신경망을 이용한 지반침하 발생 통합 예측도(2차 분석)를 도시한 것이다FIG. 4A illustrates the results of the integrated prediction of the subsidence occurrence using the likelihood ratio (secondary analysis), and FIG. 4B illustrates the results of the integrated prediction of the subsidence occurrence using the weight of evidence (secondary analysis), FIG. 4C. Shows the results of integrated prediction of ground subsidence (secondary analysis) using logistic regression. 4D illustrates the integrated prediction map (secondary analysis) of ground subsidence occurrence using artificial neural networks.
2차 분석 우도비 기법을 통해 계산된 통합 위험지수의 최소값은 0.03, 최대값은 50.09, 평균값은 4.00, 표준편차는 10.05로, 2차 분석 Weight of evidence 기법을 통해 계산된 통합 위험지수의 최소값은 -0.78, 최대값은 9.93, 평균값은 -6.45, 표준편차는 3.70으로, 2차 분석 로지스틱 회귀분석 기법을 통해 계산된 통합 위험지수의 최소값은 0.00003, 최대값은 0.86384, 평균값은 0.00344, 표준편차는 0.02442로, 2차 분석 인공신경망 기법을 통해 계산된 통합 위험지수의 최소값은 0.02272, 최대값은 0.93418, 평균값은 0.28487, 표준편차는 0.25106으로 나타났다.
The minimum value of the integrated risk index calculated by the second-order analysis likelihood ratio method is 0.03, the maximum value is 50.09, the average value is 4.00, and the standard deviation is 10.05. -0.78, the maximum value is 9.93, the average value is -6.45, and the standard deviation is 3.70.The minimum value of the integrated risk index calculated by the secondary analysis logistic regression technique is 0.00003, the maximum value is 0.86384, the average value is 0.00344, and the standard deviation is 0.02442, the minimum value of the integrated risk index calculated by the secondary analysis neural network method was 0.02272, the maximum value was 0.93418, the average value was 0.28487, and the standard deviation was 0.25106.
6) 결과도출부6) Result delivery department
단일기법과 지공간 상관관계 통합기법을 이용하여 계산된 지반침하 위험지수는 추정값에 해당되므로 예측도의 정량적인 정확도를 알기 위해 검증이 필요하다. 이를 위해 Success Rate Curve (SRC)와 AUC (Area Under the Curve) 방법을 이용하였다(도 5a, 도 5b참조). 도 5a는 1차 단일분석의 지반침하 발생 예측도의 정확도를 나타낸 것이며, 도 5b는 지공간 상관관계 통합 예측도의 정확도를 도시한 것이며, 도 5c는 1차 단일분석과 2차 통합분석의 지반침하 발생 예측도의 정확도를 비교한 것이다.The ground subsidence risk index calculated using the single technique and the integrated geospatial correlation technique is an estimate and needs to be verified to know the quantitative accuracy of the prediction. To this end, Success Rate Curve (SRC) and AUC (Area Under the Curve) methods were used (see FIGS. 5A and 5B). FIG. 5A shows the accuracy of the ground subsidence prediction map of the first single analysis, FIG. 5B shows the accuracy of the geospatial correlation integrated prediction map, and FIG. 5C shows the ground of the first single analysis and the second integrated analysis. This is a comparison of the accuracy of settlement prediction.
SRC의 X축은 위험지수 값을 상위 퍼센트로 등급화한 값이고, Y축은 지반침하 발생을 누적 퍼센트로 표시한 등급값이다. X축의 값이 1%일 때 Y축의 값이 100%라면 지반침하 위험지수의 상위 1%의 픽셀 안에서 지반침하가 모두 발생한다는 의미하며 또한 이들의 예측이 올바르게 되었음을 의미한다. SRC보다 정량적인 검증을 위해 AUC 방법을 이용하였다. 이 방법은 SRC 아래 면적을 계산하는 것으로써 X축과 Y축을 1:1로 곱하면 SRC 아래의 면적을 구할 수 있고 이 면적이 넓을수록 예측도의 정확도가 높음을 의미한다. The X-axis of the SRC is a rating of the risk index value in the upper percentage, and the Y-axis is a rating value in the cumulative percent of ground subsidence. If the value of the X-axis is 1% when the value of the X-axis is 1%, it means that all the ground subsidences occur within the pixels of the upper 1% of the ground subsidence risk index, and that their predictions are correct. The AUC method was used for quantitative verification rather than SRC. This method is to calculate the area under the SRC. By multiplying the X-axis and the Y-axis by 1: 1, the area under the SRC can be obtained. The larger the area, the higher the accuracy of the prediction.
따라서 1차 단일분석과 2차 지공간 상관관계 통합분석의 예측도와 통합 예측도의 정확도를 비교해 본 결과 통합 예측도의 정확도가 0.31%~2.25%로 증가하였다. 따라서 2차 지공간 상관관계 통합분석 방법이 1차 단일분석 방법보다 예측성능이 우수함을 알 수 있다. Therefore, as a result of comparing the accuracy of the predicted and integrated predicted data of the first-order single analysis and the second-order geospatial correlation integrated analysis, the accuracy of the integrated predicted map increased from 0.31% to 2.25%. Therefore, it can be seen that the secondary geospatial correlation integrated analysis method has better predictive performance than the first-order single analysis method.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.In the foregoing detailed description of the present invention, specific examples have been described. However, various modifications are possible within the scope of the present invention. The technical idea of the present invention should not be limited to the embodiments of the present invention but should be determined by the equivalents of the claims and the claims.
100: 지반침하 정보 데이터베이스
110: 지질재해 데이터베이스
120: 지형자료 데이터베이스
130: 지질자료 데이터베이스
140: 토지이용 데이터베이스
150: 시추공자료 데이터베이스
160: 갱내도자료 데이터베이스
200: 지공간 상관간계 통합분석부
210: 우도비분석부
220: WOE(weight of evidence)분석부
230: 로지스틱회귀분석부
240: 인공신경망분석부
300: 지반침하 발생 예측도 작성부
400: 지반침하 발생 예측도 검증부
500: 결과 비교 도출부100: subsidence database
110: Geological Disaster Database
120: topographic database
130: Geological Data Database
140: land use database
150: borehole database
160: mine chart database
200: geospatial correlation interleaver
210: likelihood ratio analysis unit
220: weight of evidence analysis unit
230: logistic regression analysis unit
240: artificial neural network analysis unit
300: ground subsidence prediction map creation unit
400: ground subsidence prediction map verification unit
500: result comparison section
Claims (7)
지반침하 발생위치, 지형, 지질, 토지이용 자료 등의 지질정보를 제공하는 지반침하 정보 데이터베이스; 상기 지반침하 정보 데이터베이스에서 제공되는 지질정보를 바탕으로 지공간 상관관계를 통합분석하는 지공간 상관관계 통합분석부; 상기 지공간 상관관계 통합분석부에서 분석된 정보를 바탕으로 지반침하 발생 예측도 작성부; 상기 지반침하 발생 예측도를 이용하여 지반침하 발생의 정량적인 정확도를 검증하는 검증부; 상기 예측시스템에서 분석된 모든 결과도의 비교를 위한 결과 도출부; 를 포함하여 구성되되,
상기 지반침하 정보 데이터베이스는,
분석대상지역의 지반침하분포도를 이용하여 지반침하의 위치정보를 공간데이터베이스화한 지질재해 데이터베이스; 분석대상지역의 지형도를 이용하여 지형의 경사도에 대한 정보를 지형 데이터베이스; 분석대상지역의 지질도에서 추출되는 지질자료를 공간데이터베이스화하는 지질 데이터베이스;분석대상지역의 지하수 심도 및 투수계수 등의 시추공자료를 공간데이터베이스화하는 시추공 데이터베이스; 분석대상지역의 갱심도 및 갱으로부터의 거리등의 갱내도 자료를 공간데이터베이스화하는 갱내도 데이터베이스; 및 분석대상지역의 토지이용의 정보를 제공하는 토지이용데이터베이스; 중 하나 이상을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지공간 상관관계 통합기법을 이용한 지반침하 발생 예측시스템.
In the ground subsidence prediction system,
A subsidence information database providing geological information such as subsidence location, topography, geology, and land use data; A geospatial correlation integrated analysis unit for integrated analysis of geospatial correlations based on the geological information provided from the geologic subsidence information database; A ground subsidence occurrence prediction drawing based on the information analyzed by the geospatial correlation integrated analysis unit; A verification unit which verifies quantitative accuracy of ground subsidence using the ground subsidence prediction map; A result derivation unit for comparing all the result diagrams analyzed in the prediction system; Consists of including
The ground subsidence information database,
Geological disaster database using geospatial subsidence distribution map of geothermal sedimentation to spatial database; A terrain database for information on the slope of the terrain using the topographic map of the analysis region; A geological database that spatializes geological data extracted from geological maps of the analysis region; a borehole database that spatializes borehole data such as groundwater depth and permeability coefficient of the analysis region; A gangdo database for spatial data of gangdo chart data such as gangway depth and distance from gangs of the analysis target area; And a land use database for providing information on land use of the region to be analyzed; Ground subsidence occurrence prediction system using an integrated geospatial correlation method characterized in that it comprises one or more of.
상기 지공간 상관관계 통합분석부는,
상기 지반침하 정보 데이터베이스에서 제공되는 지반침하의 발생위치를 종속변수로 하고, 지형, 지질, 시추공자료, 갱내도 및 토지이용자료 등을 독립변수로 이용하여,
관측된 산사태와 관련된 요인들간의 상관관계를 분석하여 지반침하 발생 확률을 예측하는 우도비분석부;
산사태와 관련된 요인들간의 등급별 가중치를 분석하는 WOE(weight of evidence)분석부;
입력자료인 독립변수와 사건자료인 종속변수의 로지스틱회귀 상관계수를 분석하는 로지스틱회귀분석부;
지반침하 발생지역과 지반침하 미발생지역을 역전파 알고리즘을 통해 요인별 가중치를 분석하는 인공신경망분석부;
중 어느 하나 이상을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지공간 상관관계 통합기법을 이용한 지반침하 발생 예측시스템.
The method according to claim 1,
The geospatial correlation integrated analysis unit,
The location of occurrence of ground subsidence provided in the ground subsidence information database is used as a dependent variable, and topographical, geological, borehole data, mines and land use data are used as independent variables.
A likelihood ratio analysis unit for predicting the probability of ground subsidence by analyzing correlations between observed landslides;
A weight of evidence (WOE) analysis unit that analyzes weights of grades related to landslides;
A logistic regression analysis unit for analyzing the logistic regression correlation coefficients of the independent data and the dependent data as input data;
An artificial neural network analysis unit for analyzing the weighting factors of the ground subsidence and the subsurface subsidence by the backpropagation algorithm;
Ground subsidence occurrence prediction system using an integrated geospatial correlation method characterized in that it comprises any one or more of.
상기 지공간 상관관계 통합분석부는,
상기 우도비분석부, WOE(weight of evidence)분석부, 로지스틱회귀분석부, 인공신경망분석부 중 어느 하나 이상을 포함하여 이루어지는 제1차 내지 제n차 예측분석부;를 포함하여 구성되되,
제n 예측분석부는 제(n-1) 예측분석부와 동일한 구성을 구비하며, 상기 제(n-1) 예측분석부에서 제공되는 결과값을 제n차 분석부의 독립변수로 하고, 제(n-1) 예측부에서 입력된 종속변수를 다시 종속변수로 입력하여
각각 다시 분석하는 것을 특징으로 하는 지공간 상관관계 통합기법을 이용한 지반침하 발생 예측시스템(n은 2 이상의 자연수).
The method according to claim 3,
The geospatial correlation integrated analysis unit,
Consisting of the first to n-th predictive analysis unit comprising any one or more of the likelihood ratio analysis unit, WOE (weight of evidence) analysis unit, logistic regression analysis unit, artificial neural network analysis unit;
The nth predictive analyzing unit has the same configuration as the (n-1) th predictive analyzing unit, and the resultant value provided by the (n-1) th predictive analyzing unit is an independent variable of the nth order analyzing unit, and (n) -1) Input the dependent variable input from the prediction unit as the dependent variable
Ground subsidence occurrence prediction system using the integrated geospatial correlation method characterized in that the analysis again (n is a natural number of two or more).
상기 공간데이터베이스에 구축된 지질정보를 입력하여 지공간 상관관계 통합을 분석하되, 지반침하의 발생의 위치정보를 종속변수로하고, 지형, 지질, 시추공자료, 갱내도 및 토지이용자료 등을 독립변수로 하여, 우도비분석, WOE(weight of evidence)분석, 로지스틱회귀분석, 인공신경망분석 중 어느 하나 이상의 분석을 제1차 수행하여 지반침하 발생 예측도를 분석하는 단계는 2단계;
상기 2단계의 분석정보를 이용하여 산사태의 발생 예측도 및 통합예측도를 작성하는 3단계; 상기 3단계의 산사태의 발생 예측도 및 통합예측도의 정확도를 정량적으로 검증하는 4단계; 상기 3단계와 4단계에 있어서 모든 결과 비교를 위한 결과를 도출하는 5단계;를 포함하되,
상기 3단계는;
우도비분석, WOE(weight of evidence)분석, 로지스틱회귀분석, 인공신경망분석 중 어느 하나 이상의 분석을 제1차 수행하여 도출한 지반침하 발생 예측도를 제2차 분석의 독립변수로하고, 1차 분석에서 입력된 종속변수를 재차 종속변수로 하여 우도비분석, WOE(weight of evidence)분석, 로지스틱회귀분석, 인공신경망분석 중 어느 하나 이상의 분석을 수행하여 지반침하 발생 통합예측도를 분석하는 과정을 적어도 2회 이상 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 지공간 상관관계 통합기법을 이용한 지반침하 발생 예측 방법.A first step of constructing a spatial database of geological information on the ground subsidence factors of the analysis region;
Analyze the integration of geospatial correlations by inputting the geological information constructed in the spatial database, using the location information of the occurrence of subsidence as a dependent variable, and independent variables such as topography, geology, borehole data, mines, and land use data. As such, the step of analyzing one or more of the likelihood ratio analysis, the weight of evidence (WOE) analysis, the logistic regression analysis, and the artificial neural network analysis may be performed first to analyze the ground subsidence prediction predictive level;
A third step of generating a landslide prediction map and integrated prediction map by using the analysis information of the two steps; Four steps of quantitatively verifying the accuracy of the three-stage landslide occurrence prediction map and integrated prediction map; Step 5 and step 5 to derive the results for comparing all the results in steps 3 and 4, including,
The third step;
The subsurface sedimentation predictability derived by performing one or more of the likelihood ratio analysis, the weight of evidence analysis, the logistic regression analysis, and the neural network analysis is the independent variable of the second analysis. The process of analyzing the ground subsidence integrated prediction by performing one or more of the likelihood ratio analysis, the WOE (weight of evidence) analysis, the logistic regression analysis, and the neural network analysis using the dependent variable input from the analysis as a dependent variable Ground subsidence prediction method using a geospatial correlation integrated method characterized in that to be performed at least twice.
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