KR101271402B1 - Interpolation method of erosion-based fractal river channel and computer readable media using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 침식기반 프랙탈기법을 이용한 하천지형 보간 방법 및 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 관한 것이다.
The present invention relates to a stream topographic interpolation method using erosion-based fractal techniques and a computer-readable recording medium.
하천지형과 수리·수문 응답간의 관계는 하천관리에 있어 기초가 되며, 이러한 자료를 근간으로 현재 하천관리 분야에 있어 직관적이고 현실감 있는 의사결정 체계 구축을 위해 최근 3차원 하천관리체계 구축 연구가 활발히 진행되고 있다. 3차원 하천관리체계 구축에 있어 현재 측량 방법으로는 측량이 불가능한 하도 횡단면과 하상(River bed) 경계면, 하도(River channel) 각 측선 사이의 종단면을 융합 처리하여 3차원 공간자료로 구성할 수 있는 해법이 필요하며, 측량하기 힘든 하상과 하도의 경계면에 대해서는 지형특성을 고려한 최적의 보간 및 모델링 기법 적용이 필수적이다. The relationship between river topography and hydrological and hydrological responses is the basis for river management. Based on these data, research on the establishment of a three-dimensional river management system has been actively conducted to establish an intuitive and realistic decision-making system in the current river management field. It is becoming. Solution to construct 3D stream management system by fusion process of cross section between the sewer cross section, river bed interface, and each channel of the river channel, which is impossible to measure by current survey method It is necessary to apply optimal interpolation and modeling techniques considering topographical characteristics to the boundary between riverbed and channel which are difficult to survey.
현재 하천지형 보간 방법은 인접 셀 정보를 근간으로 새로운 셀 값을 보간하는 전통적인 방법으로 Bilinear법과 Bicubic법 등이 많이 사용되고 있다. 그러나, 고도가 완만한 모델에는 적합하지만, 특히 자연지형과 같이 무한의 상세함을 가지고 있는 곳에 적용하면 저역통과 필터(Low-pass filter)와 같은 역할로 인해 지형이 왜곡되는 문제점이다. 이러한 단점을 보완하기 위해 자연지형의 보간에 프랙탈(fractal)을 이용하는 방법들이 연구되어 왔다. Currently, the stream topological interpolation method is a traditional method of interpolating new cell values based on neighbor cell information. Bilinear and Bicubic methods are widely used. However, it is suitable for models with moderate altitude, but it is a problem that the terrain is distorted due to the role of a low-pass filter, especially when applied to places having infinite details such as natural terrain. In order to make up for this drawback, methods using fractals for interpolation of natural topography have been studied.
하천지형학적인 측면에 있어 현재까지의 프랙탈 관련 연구들은 프랙탈 차원(Fractal dimension) 및 허스트 지수(Hurst exponent) 산정 등을 통한 하천유역의 지형 특성 분석을 중심으로 수행되고 있는 실정이다. 이러한 프랙탈 기본 이론을 근간으로 미계측 지형을 보다 정밀하고 활용 가능한 지형으로 생성하기 위한 연구가 필요하다.
In terms of river topography, the current research on fractals has been carried out mainly on the analysis of the topographical characteristics of river basins through the calculation of fractal dimensions and Hurst exponents. Based on these fractal basic theories, research is needed to create unpredicted topography into more precise and usable topography.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서는 기존 프랙탈 보간 기법을 기초로 하여, 하천 유역에서 하상과 하도의 횡단면과 종단면 경계부분에 대해 공간(spatial) 통계학적 특성과 고도, 유속, 유량, 토성 등의 수리학적 인자를 기초로 침식기반 프랙탈(Erosion-based fractal) 기법을 이용한 하천지형 보간 방법 및 상기 방법을 실행하는 프로그램을 기록한 것을 특징으로 하는 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체를 제공하는데 그 목적이 있다.
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and in the present invention, based on the existing fractal interpolation technique, spatial statistical characteristics and cross-sectional boundaries of riverbeds and riverways in river basins A computer-readable recording medium recording a river topographic interpolation method using an erosion-based fractal technique and a program for executing the method based on hydraulic factors such as altitude, flow velocity, flow rate, and Saturn. The purpose is to provide.
본 발명의 일 실시예에 따른 침식기반 프랙탈기법을 이용한 하천지형 보간 방법은 기초 단면 측량자료를 활용하여 랜덤 기반의 프랙탈기법을 적용하여 하상과 하도 경계면에 대해 2차원 또는 3차원 지형을 생성하는 랜덤 기반 프랙탈 지형 생성 단계; 하천의 단면과 단면 사이의 각 구간별 지형을 보간하고 프랙탈 적용을 위한 기본 지형을 구축하는 단계; 및 유량, 유속, 토성을 포함하는 하천지형 특성 값을 반영하여 통계적 기법을 활용하여 침식 기반의 프랙탈기법을 적용하는 단계; 를 포함한다.The stream topographic interpolation method using the erosion-based fractal technique according to an embodiment of the present invention randomly generates two-dimensional or three-dimensional terrain for river and river boundary by applying a random-based fractal technique using basic cross-sectional survey data. Based fractal terrain generation step; Interpolating the terrain for each section between the cross-section and the cross-section of the stream and constructing a basic terrain for fractal application; And applying erosion-based fractal techniques using statistical techniques, reflecting river topography characteristic values including flow rate, flow velocity, and Saturn; .
바람직하게는, 상기 랜덤 기반 프랙탈 지형 생성 단계는 하천의 하상과 하도 사이의 경계면 구간을 몇 개로 나누어 적용할 지를 설정하는 프랙탈 구간제어 과정; 하천의 하상과 하도 사이의 경계면 구간의 진폭 제어를 통해 지형 구조의 거칠기를 표현하는 프랙탈 진폭 제어 과정; 하천의 하상과 하도 사이의 경계면 구간을 임의로 설정하여 적용하는 프랙탈 적용구간 정의 과정; 및 2차원 횡단면에서 프랙탈기법을 적용할 경계면 구간을 지정하고 그 구간에 대하여 랜덤 기반으로 재구성하는 프랙탈 구간 재구성 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the random-based fractal terrain generation step may include a fractal interval control process for setting the number of divisions of the boundary section between the river bed and the river channel to be applied; A fractal amplitude control process for expressing the roughness of the topographical structure by controlling the amplitude of the boundary section between the river bed and the river channel; A process of defining a fractal application section for arbitrarily setting and applying an interface section between a river bed and a river channel; And a fractal section reconstruction process for specifying a boundary section to which the fractal technique is applied in the two-dimensional cross section and reconstructing the section on a random basis.
나아가, 상기 프랙탈 구간 재구성 과정은 중간점 대체 알고리즘(Mid-point displacement)과 다이아몬드 스퀘어 알고리즘(Diamond & square)을 적용하는 것을 특징으로 한다.Further, the fractal interval reconstruction process is characterized by applying a mid-point displacement algorithm and a diamond square algorithm (Diamond & square).
나아가, 상기 프랙탈 진폭 제어 과정은 프랙탈 보간 지형의 진폭은 지형의 거칠기를 나타내며 거칠기 계수가 작을수록 거칠기는 커지고, 거칠기 계수가 클수록 매끄러운 형상을 나타내는 것을 특징으로 한다.Further, the fractal amplitude control process is characterized in that the amplitude of the fractal interpolated terrain represents the roughness of the terrain, the smaller the roughness coefficient, the greater the roughness, and the larger the roughness coefficient, the smoother the shape.
바람직하게는, 상기 침식 기반의 프랙탈기법을 적용하는 단계는 지형의 각 셀에 분포되는 유량을 가장 낮은 셀에 분포된 유량, 가장 높은 셀에 더해질 수 있는 최대 유량, 및 셀들의 높이에 기초하여 계산하는 유량배분 과정; 주변 셀로 이동하는 유량을 현재 셀의 유량과 현재 셀과 주변의 낮은 모든 셀의 높이 차에 기초하여 계산하는 수체거동 과정; 현재 셀의 유량과 새로이 주변으로부터 유입되는 유량에 의해 현재 셀의 유속을 계산하는 유속 계산 과정; 및 침전 용량과 침전 양을 비교하여 해당 셀의 침전물의 높이를 계산하는 침식과 퇴적 산정 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, applying the erosion-based fractal technique calculates the flow rate distributed in each cell of the terrain based on the flow rate distributed in the lowest cell, the maximum flow rate that can be added to the highest cell, and the height of the cells Flow distribution process; A hydrobody behavior process that calculates the flow rate moving to the surrounding cell based on the difference between the flow rate of the current cell and the height of the current cell and all the lower cells in the vicinity; A flow rate calculation process of calculating the flow rate of the current cell by the flow rate of the current cell and the flow rate newly introduced from the surroundings; And erosion and sedimentation calculation process for calculating the sediment height of the cell by comparing the sedimentation capacity and the amount of sedimentation.
나아가, 상기 유속 계산 과정은 주변 이웃 셀과의 각도에 영향을 받아 각 셀의 가속도가 구해지고, 상기 가속도에 의해서 각 셀의 유속이 재 산정되는 것을 특징으로 한다.Further, the flow rate calculation process is characterized in that the acceleration of each cell is determined by the angle with the neighboring neighboring cells, and the flow rate of each cell is recalculated by the acceleration.
나아가, 상기 침식과 퇴적 산정 과정은 침전물의 높이에 의한 프랙탈 적용 과정에서 프랙탈의 높이는 주변 셀의 높이에 특정 구간범위 내에서의 높이 값을 랜덤하게 더하고, 구간범위는 실제 지형의 높이에 의한 고려 없이 임의의 값을 지정하며, 만일 실제 셀의 침전물의 높이가 구해지면 임의의 구간값 대신 구해진 높이를 기반으로 실제 지형의 요소가 반영된 높이를 구하는 것을 특징으로 한다.
Further, the erosion and sedimentation calculation process in the fractal application process by the height of the sediment, the height of the fractal randomly adds the height value within a certain interval range to the height of the surrounding cell, the interval range without consideration by the actual terrain height If an arbitrary value is specified, and the height of the sediment of the actual cell is obtained, the height reflecting the elements of the actual terrain is calculated based on the height obtained instead of the arbitrary interval value.
본 발명의 다른 실시예에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 상기의 침식기반 프랙탈기법을 이용한 하천지형 보간 방법을 실행하는 프로그램을 기록한 것을 특징으로 한다.
The computer-readable recording medium according to another embodiment of the present invention is characterized by recording a program for executing the stream topographic interpolation method using the erosion-based fractal technique.
종래의 프랙탈 기반 지형 보간 기법이 연산이 복잡하고 연산에 따른 자료의 양이 커 소규모 지역을 대상으로 적합성을 평가하는 수준이었으나, 본 발명의 침식기반 프랙탈기법을 이용한 하천지형 보간 방법 및 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 대유역의 실 좌표를 근간으로 침식기반 프랙탈 지형을 생성함으로써 물 관리 시 정밀지형 자료를 기초로 하여 정확하고 과학적인 의사결정이 가능할 것으로 사료된다.Although the conventional fractal-based terrain interpolation technique was complicated and the amount of data was large enough to evaluate the suitability of small areas, the river-based interpolation method and computer readable method using the erosion-based fractal technique of the present invention. The record carrier is expected to be able to make accurate and scientific decisions based on precise topographical data in water management by generating erosion-based fractal topography based on actual coordinates of large basins.
본 발명에 따른 3차원 지형좌표를 근간으로 하는 침식기반 프랙탈 지형 보간 기법은 하상의 수리학적 하상변동을 격자간의 연산을 통해 산정하는 방식으로, 현재 2차원 하상변동 모형의 수리학적 연산 알고리즘을 반영하여 개선할 경우 3차원 하상변동 모형으로 확장이 가능할 것이며, 나아가 하상변동의 특성을 3차원으로 시각화하여 향후 아라뱃길 및 4대강 사업 후 유사 및 하천운영 관리 기술에 있어 획기적인 기술 확보가 가능할 것으로 판단된다.
The erosion-based fractal terrain interpolation technique based on the three-dimensional topographical coordinates according to the present invention calculates the hydraulic phase variation of the riverbed by the calculation between the lattice, and reflects the hydraulic calculation algorithm of the current two-dimensional riverbed variation model. If it is improved, it will be able to be expanded to 3D river variance model, and furthermore, it will be possible to visualize river drift characteristics in 3D and to secure breakthrough technology in similar and river operation management technology after Ara Waterway and Four Rivers Project.
도 1은 레이어 융합과정을 나타낸다.
도 2는 기초지형 자료 처리 과정을 나타낸다.
도 3은 레이어 융합 과정과 기초지형 자료 처리 과정을 통해 보간·생성된 정밀 지형자료를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 침식 기반 프랙탈 지형 생성 과정을 나타낸다.
도 5는 제외지의 단면 및 음향측심 측량에 의해 취득한 하상단면과 제내지의 LiDAR 및 정밀 지형측량에 의해 구축된 지형의 접합면 상에 발생하는 부정합 문제를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 랜덤 기반 프랙탈 지형 생성 방법을 나타낸 도면이다.
도 7은 프랙탈 구간 제어와 프랙탈 진폭 제어의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 8은 프랙탈 적용 구간 정의와 프랙탈 구간 재구성의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 9는 재구성을 위해 중간점 대체 알고리즘(Mid-point displacement)과 다이아몬드 스퀘어 알고리즘(Diamond & square)을 적용한 예와 프랙탈 보간 지형의 진폭의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 침식 기반 프랙탈 지형 생성 방법을 나타낸 도면이다.
도 11은 수학식 5의 각 변수들 간의 관계를 도식화 한 것이다.
도 12는 물의 흐름에 의한 침전물 전달 과정을 보여준다.
도 13은 현재 부유 침전물과 침전물 이동 용량과의 관계를 나타낸 도면이다.
도 14는 수학식 15의 각 변수들 간의 관계를 도식화 한 것이다.
도 15는 수학식 16의 각 변수들 간의 관계를 도식화 한 것이다.
도 16은 각 침식 기반 지형 보간 단계에 따라 구현되는 Pseudo 코드를 나타낸다.1 shows a layer fusion process.
2 shows a process of processing the topographical data.
Figure 3 shows the precise topographical data interpolated and generated through the layer fusion process and the processing of the topographical data.
4 illustrates an erosion-based fractal terrain generation process according to an embodiment of the present invention.
Fig. 5 is a diagram showing a mismatch problem that occurs on the joint surface of a lower cross-section acquired by cross-section of an exclusion paper and an echo sounding measurement, and a terrain constructed by LiDAR and precision topographic survey of Inje-ji.
6 is a diagram illustrating a random-based fractal terrain generation method according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating an embodiment of fractal interval control and fractal amplitude control.
FIG. 8 is a diagram illustrating an embodiment of defining a fractal application interval and reconstructing a fractal interval. FIG.
FIG. 9 illustrates an example of applying a mid-point displacement algorithm and a diamond square algorithm for reconstruction, and an embodiment of amplitude of fractal interpolation topography.
10 is a view showing a method for generating erosion-based fractal terrain in accordance with an embodiment of the present invention.
11 is a diagram illustrating the relationship between the variables of
12 shows the sediment transfer process by the flow of water.
FIG. 13 shows the relationship between the current suspended sediment and sediment transport capacity.
14 is a diagram illustrating the relationship between the variables of Equation 15.
FIG. 15 is a diagram illustrating a relationship between variables of Equation 16. FIG.
16 shows a pseudo code implemented according to each erosion-based terrain interpolation step.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구성된다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, the term "comprising" or "comprising" or the like is intended to specify the presence of stated features, integers, But do not preclude the presence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
이제 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고로 하여 설명한다.DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.
이하에서는 정밀 지형측량 자료를 이용한 하천지형 처리 기법에 대해 설명한다.Hereinafter, a stream topography processing method using precision topographic survey data will be described.
먼저 정밀지형측량 과정에 대해 설명한다. 본 측량과정은 LiDAR 측량과 하상 단면 측량으로 구성된다.First, the precise terrain survey process is explained. This survey process consists of a LiDAR survey and a riverbed section survey.
LiDAR 측량 방법은 레이저 펄스를 지표면에 주사하고 반사된 레이저 펄스 도달 시간을 측정하여 반사 지점의 3차원 위치 좌표를 계산하는 측량기법으로 본 발명에서는 제내·외지의 정밀 지형자료를 구축한다.LiDAR surveying method is a surveying technique that calculates the three-dimensional position coordinates of the reflection point by scanning the laser pulse on the ground surface and measuring the reflected laser pulse arrival time to build a precise topographical data of the interior and exterior.
LiDAR 측량(해상도 1 mㅧ1 m, 수치표고자료(DEM), 수치표면자료(DSM))의 수행은 하도구간의 경우 방수로 및 신설수로(하상바닥 들어나는 시점)과 제내외지 전체 구간을 대상으로 수행하여 정밀 지형자료를 구축한다. 또한 상황인지시스템을 통해 보간된 지형에 의해 침수지역에 대한 정확한 지형을 시각화를 위하여 디지털 항공사진 촬영(해상도 12 cm, 정사영상)을 아라천 유역 전 구간에 대하여 수행한다.The LiDAR survey (resolution 1 m ㅧ 1 m, numerical elevation data (DEM), numerical surface data (DSM)) is carried out on the waterway and new waterway (the bottom of the bottom) and the entire area inside and outside Perform precise target data by performing on target. In addition, digital aerial photographs (
구축된 고정밀 공간정보 기반 홍수영향분석, 저지대 관리, 유사관리, 3차원 통합관제시스템 구축 등 주운수로 운영·관리에 필요한 기초자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.It is expected to be used as the basic data necessary for the operation and management of the main transport such as flood impact analysis, lowland management, similar management, and 3D integrated control system based on the high-precision spatial information.
3차원 하상지형 측량 방법으로는 음파측량, 종횡단 고저측량 등이 있다. 현재 아라뱃길 하상구간은 준설 후 일정 구간 수심이 유지되고 있으나 선박을 이용한 음파측량을 수행하기에는 수심이 얕고 일부구간에서는 하상이 들어나 있어 선박운행에 지장이 있는 실정이다.Three-dimensional topographic survey methods include sonic surveying and longitudinal cross-section surveying. At present, the riverbed section of the Ara Waterway has been maintained in a certain depth after dredging, but it is difficult to operate the ship due to the shallow depth and the riverbed in some sections.
이에 따라, 본 발명에서는 종횡단 고저측량을 통해 하상단면을 구축하여 지형 보간 기법 적용 시 하도 구간 내에 참조 자료로 활용할 수 있도록 하며, 보간된 지형 결과의 정확도를 검토하기 위한 기초 자료로 활용할 수 있도록 한다.Accordingly, in the present invention, the lower and upper cross section is constructed through longitudinal cross-sectional high and low surveying so that it can be used as a reference material in the underpass section when the terrain interpolation technique is applied, and can be used as a basic data for examining the accuracy of the interpolated terrain result. .
종횡단 고저측량은 종단측량을 위한 국토지리정보원의 수준점 성과를 이용하여 하천 양안을 따라 모든 기준점에 왕복 수준측량을 실시하여, 측점의 표고를 비롯한 측량 구간 내에 위치한 수위표영점표고 및 단별 표고(제방표고, 소단표고, 저수위 표고 등), 수문 및 갑문의 문턱, 교량(하부구조와 상단 포함), 보 및 일제 관측수위를 측정하고, 오차는 허용오차 10mm
하천 횡단측량의 범위는 계획하폭 중앙선을 중심으로 하천수가 흐르는 부분을 포함한 전 구간을 측량하고, 계획하폭 중앙선의 접선의 직각방향으로 실시하되, 유제부에서는 제외측 전부, 제내측은 200 m로 하되 하폭 등 하천의 특성에 맞추어 가감(加減)하여 결정하고, 무제부에서는 계획홍수위 또는 과거 최고홍수위선 이상까지 시행하되 하천의 특성을 감안하여 수행한다. The range of river cross-section survey is to survey all sections including the part where the river water flows around the center line of the planned width, and to conduct at right angles to the tangent line of the center line of the planned width, except for the emulsion side, and the inner side is 200 m. Decisions are made in accordance with the characteristics of the river, such as the width of the river, and the decision is made to carry out the planned flood level or the highest flood level above the previous level, but considering the characteristics of the river.
한 단면의 횡단측량을 실시할 때 점간 거리는 하폭에 따라 5~20 m를 원칙으로 하되, 지형의 변화가 급한 구간은 저수로에서 최소한 1~5 m 간격의 추가 지점을 측량하여 상세하고 완전한 횡단형을 작성한다.When conducting a cross section survey of one section, the distance between points should be 5-20 m depending on the width of the drop. Write.
유수의 하류방향을 향하여 작도함으로써 좌안측이 왼쪽, 우안측이 오른쪽에 위치하도록 하며, 횡단도의 축척은 종으로 1:100, 횡으로 1:100~1:200으로 작도한다.By drawing towards the downstream of the flowing water, the left eye is on the left and the right eye is on the right. The scale of the cross section is 1: 100 in the longitudinal direction and 1: 100 ~ 1: 200 in the transverse direction.
다음으로 정밀 지형측량 자료 보간 과정에 대해 설명한다.The following describes the interpolation process for precise topographic survey data.
본 발명에서 사용한 공간데이터는 LiDAR 측량 자료(제내지: '08년, 제외지: '11년)와 하상단면측량 자료, 고해상도 항공사진을 구축하며, 구축한 정밀 지형자료를 기초로 하여 지형보간 알고리즘을 개발 및 적용·검증에 활용한다.The spatial data used in the present invention is a topographic interpolation algorithm based on the LiDAR survey data (proposed: '08, excluded: '11)), bottom section survey data, and high resolution aerial photographs. Is used for development, application and verification.
구축한 LiDAR 측량 자료는 국토지리정보원(2008)의 다차원공간정보 구축사업 일환으로 구축된 자료와 경인아라뱃길 사업으로 인해 변화된 하천지형을 반영하기 위하여 '11년 신규 측량을 통해 정밀 지형자료를 구축한다. LiDAR 측량의 특성상 수체로 구성된 하상지형에 대한 표고자료 확보는 불가능하기 때문에 경인아라뱃길 사업 준설 후 횡단면 측량한 자료를 활용하여 하상지형을 융합한다.The LiDAR survey data will be constructed as a part of the multi-dimensional spatial information construction project of the National Geographic Information Institute (2008) and the precise topographical data will be constructed through the new survey in 2011 to reflect the river topography changed by the Gyeongin Ara Waterway Project. . Due to the nature of LiDAR surveying, it is impossible to obtain elevation data for the riverbed topography consisting of waterbodies, so the riverbed topography is fused using cross-sectional data after dredging the Gyeongin Ara Waterway project.
일반적으로 하상지형 측량방법으로는 수심이 깊고 선박운항이 가능한 하천에서는 음향측심 측량 방법을 사용하며, 수심이 얕고 선박운항이 곤란한 하천에서는 횡단면 고저 측량 방법을 통해 하상지형 자료를 취득하게 된다. 음향측심 측량 방법의 경우 수심이 얕은 지역은 관측이 어려워 미계측 지형이 발생하게 되며, 횡단면 측량 방법은 하천기본계획의 경우 종방향 400~500 m 간격, 횡방향 1~20 m 간격으로 측량하게 됨으로써 관측지점 구간 간격에서 발생하는 지형의 변화에 대하여 정밀한 지형자료 확보가 곤란하다. In general, as a topographic survey method, acoustic depth surveying method is used in rivers with deep water depths and ships can be operated, and the topographical data obtained through cross-sectional high and low survey methods in rivers with shallow depths and difficult ship navigation. In the case of the acoustic survey method, the undetermined terrain occurs because the shallow depth of the water is difficult to observe, and the cross-sectional survey method uses the 400-500 m interval in the longitudinal direction and the 1-20 m interval in the transverse direction. It is difficult to secure precise topographical data on the topographical changes occurring at intervals between observation points.
따라서, 본 발명에서는 기존 음향측심 및 횡단면 측량 방법을 통해 취득한 지형자료를 활용하여 미계측 하상지형을 실제 지형에 가깝게 생성하기 위하여 알고리즘을 개발하고자 하며, 우선적으로 측량된 지형자료를 알고리즘 개발에 활용하기 위하여 도1의 레이어 융합 과정과 도2의 기초지형 자료 처리 과정을 통해 지형자료를 생성한다.Therefore, the present invention intends to develop an algorithm to generate unmeasured lower terrain topography close to the actual terrain by using the terrain data acquired through the existing acoustic sounding and cross-sectional survey method, and to utilize the surveyed terrain data in algorithm development. For this purpose, terrain data is generated through the layer fusion process of FIG. 1 and the basic terrain data process of FIG.
도 1의 레이어 융합 과정은 아래의 6개 세부과정으로 구성된다.The layer fusion process of FIG. 1 consists of the following six detailed processes.
- 전체 유역 확인 과정-Complete watershed verification process
- 전체 정밀지형 구축 과정-Complete precision terrain construction process
- 아라천 주변 지형 구축 과정-Terrain construction process around Aracheon
- 하상 단면 생성(준공도면) 과정-Formation of bed section (completion drawing)
- 고해상도 항공사진 구축 과정-High resolution aerial photo construction process
- 아라천 시설물 및 구조물 모델링 과정-Aracheon facility and structure modeling process
도 2의 기초지형 자료 처리 과정은 8개 단계들로 구성되며, 정밀지형측량 자료 처리(210), 하천 경계 추출(220), 하상 측량 자료 처리(230), 음향측심 측량(240), 횡단면 고저 측량(250), 하상 점형 자료 처리(260), 하천지형 병합(270), 프랙탈 하천지형 보간(280) 단계로 구성된다.The basic topographical data processing process of FIG. 2 is composed of eight steps, and includes precise topographical
정밀지형측량 자료 처리(210)에서는 원시데이터 처리 및 보정, DTM, DSM 분리를 수행한다.Precision terrain
하천 경계 추출(220)에서는 원시데이터 NULL 구역 설정, NULL 격자형 자료 추출, 수체구역 면형 자료 생성을 수행한다.The
하상측량 자료 처리(230)에서는 음향측심 측량, 횡단면고저 측량을 수행한다.In the lower phase
음향측심 측량(240)에서는 원시데이터 처리 및 보정, 격자형 자료 생성, 점형 자료 변환(Shape, ASCII)을 수행한다.The
횡단면 고저 측량(250)에서는 단면 추출(X,Y,Z), 지형보간(Kriging, Bilinear, IDW 등), 점형 자료 변환(Shape, ASCII)을 수행한다.The
하상 점형 자료 처리(260)에서는 음향측심 자료는 DTM과 병합, 고저측량 자료는 수체구역 면형자료와 공간분석( CLIP)을 수행한다.In the bed-phase viscous data processing (260), acoustic echo data is merged with DTM, and high-low survey data is carried out with watershed area data and spatial analysis (CLIP).
하천지형 병합(270)에서는 DTM(제[내지)+점형(제외지) 병합, DEM 생성을 수행한다.The
프랙탈 하천지형 보간(280)에서는 NULL 구간 탐지, 랜덤프랙탈 지형 생성, 침식프랙탈 지형 생성을 수행한다.The fractal stream
마지막으로 정밀 지형측량 자료 보간 결과를 설명한다.Finally, the results of the interpolation of the precise topographic survey data are described.
LiDAR측량, 하상측량을 통해 생성된 원시자료를 지형보간에 활용하기 위해서는 활용 가능한 GIS 데이터 포맷 변환과 융합 처리가 필요하며, 정밀지형 자료 처리 과정에 따라 데이터를 처리한다. 도3은 레이어 융합 과정과 기초지형 자료 처리 과정을 통해 보간·생성된 정밀 지형자료를 나타내고 있다.In order to utilize the raw data generated by LiDAR survey and river survey for terrain interpolation, the available GIS data format conversion and convergence processing are required, and the data is processed according to the precise terrain data processing process. Fig. 3 shows the precise topographical data interpolated and generated through the layer fusion process and the basic topographical data processing.
정밀 지형자료 생성 시 하상단면 측량자료와 LiDAR 측량 자료의 융합 시 두 자료 간의 접합 부분인 하상 경계부분에서 자료 불 부합 문제가 발생하며, 자료 불 부합 부분에 대해서는 IDW(Inverse Distance Weight) 보간 방법을 통해 지형자료를 처리한다.When generating topographical data, data inconsistency problems occur at the bottom boundary, which is the joint between two data when fusion of two-sided survey data and LiDAR survey data, and inverse distance weight (IDW) interpolation method for data inconsistency. Process terrain data.
이러한 처리 방법은 하상이 직선 형상으로 생성되며 실제 하천지형을 반영하는데 한계가 있다. 또한 하천 만곡부의 경우 가까운 주변 값의 영향으로 인해 실제 하상 거리가 아닌 직선거리가 가까운 단면의 영향을 받게 됨에 따라 지형이 왜곡되는 현상이 발생하는 문제가 있다.
This treatment method has a limit in reflecting the actual river topography, which is generated in a straight line shape. In addition, in the case of the river curved portion, the terrain is distorted as the linear distance is affected by the close cross section instead of the actual river distance due to the influence of the close surrounding value.
상기한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 침식기반 하천지형 생성 방법 유도과정에 대해 이하에서 설명한다.Erosion-based river topography generating method of the present invention for solving the above problems will be described below.
현재 국가 및 지방하천의 하천기본계획에서는 하천의 하상지형 현황 측량을 방법으로 고저측량에 의한 종ㅇ횡단 측량이 수행되고 있으며, 댐 저수지의 경우 일반적으로 음향측심 측량 장비로 하천의 종단면과 횡단면을 일정 간격으로 실측한다.Currently, national and local rivers' basic stream surveys are carried out by high and low surveys using the method of surveying the current status of riverbeds in rivers, and dam reservoirs are generally equipped with acoustic surveying equipment. Measure at intervals.
본 발명에서는 기존 측량 장비 및 직접법에 의해 측량이 불가능한 하도의 횡단면 경계면을 보간하기 위한 방법을 제안하고자 한다. 이를 위해 기초 단면 측량자료를 활용하여 우선적으로 랜덤 기반의 프랙탈기법을 적용하여 중간점 대체 알고리즘(Mid-point displacement)과 다이아몬드 스퀘어 알고리즘(Diamond & square)을 활용하여 하상과 하도 경계면에 대해 2차원 또는 3차원 지형을 생성한다. 그리고 하천의 단면과 단면 사이의 각 구간별 지형을 보간하고 프랙탈 적용을 위한 기본 지형을 구축한다. 최종적으로 유량, 유속, 토성 등의 특성 값을 반영하여 통계적 기법을 활용하여 침식 기반의 프랙탈기법을 적용한다. 도 4는 침식 기반 프랙탈 지형 생성 과정 모식도를 나타내며, <표1>은 알고리즘 개발에 필요한 구성항목과 내용을 나타내고 있다.The present invention proposes a method for interpolating a cross-sectional boundary surface of a channel which is impossible to survey by existing surveying equipment and direct methods. For this purpose, we first apply random-based fractal techniques using basic cross-sectional survey data, and then use two-dimensional or lower boundary and two-dimensional interface with mid-point displacement algorithm and diamond square algorithm. Create three-dimensional terrain. Then, the terrain is interpolated for each section between the cross-section and the cross-section of the stream, and the basic topography for the application of fractal is constructed. Finally, the erosion-based fractal technique is applied by using statistical techniques reflecting the characteristic values such as flow rate, velocity, and Saturn. Figure 4 shows a schematic diagram of the erosion-based fractal terrain generation process, Table 1 shows the configuration items and contents required for the algorithm development.
- Mid-point displacement
- Diamond & square method -N-by-n grid structure based on triangle
Mid-point displacement
Diamond & square method
- 2차원 및 3차원 지형 생성-Riverbed and channel interface
-2D and 3D terrain creation
하도 구성Fractal based
Channel composition
- 프랙탈 적용을 위한 기본 지형 완성
- 수심, 고도별 프랙탈 적용 -Terrain interpolation by section
-Completion of basic terrain for fractal application
-Fractal application by depth and altitude
- 하천의 단면과 단면 사이의 종단면 지형 적용Triangle-based polygon construction
-Longitudinal cross-section application between the cross-section of the stream
프랙탈 적용Erosion Foundation
Fractal Coverage
- 지형의 기울기
- 유속 계산 -Erosion
-Slope of the terrain
-Flow rate calculation
-Reflects weight value considering flow velocity, gravity, and Saturn
구성항목과 내용 이하에서는 본 발명의 상세 내용을 설명한다.Configuration Items and Contents The following describes the details of the present invention.
기존 지형보간 방법은 측량된 참조점(고도값)을 활용하여 각 참조점간의 거리와 영향범위 등을 고려하여 지형을 보간하는 반면에 프랙탈 기반 지형 보간 기법은 지형의 유사성을 근간으로 지형을 실제 지형과 유사하게 재현하는 기법이다.Conventional terrain interpolation methods interpolate terrain using surveyed reference points (altitude values) in consideration of the distance and range of influence between each reference point, whereas fractal-based terrain interpolation techniques reconstruct the terrain based on the similarity of terrain. It is a technique to reproduce similarly.
이러한 프랙탈기법을 기반으로 측량이 불가능한 하천의 횡단면 하상과 하도의 경계면을 생성하고자 하며, 랜덤 기반의 프랙탈 차원의 조절에 따라 지형의 변화가 어떠한 형상으로 나타나는지 검증하고자 한다.Based on this fractal technique, we will create a boundary between river cross-section and river channel that cannot be surveyed, and verify the shape of the change of terrain according to the random-based control of fractal dimension.
도 5는 제외지의 단면 및 음향측심 측량에 의해 취득한 하상단면과 제내지의 LiDAR 및 정밀 지형측량에 의해 구축된 지형의 접합면 상에 발생하는 부정합 문제를 모식화 한다. 본 발명에서는 보다 정밀한 제내·외지의 지형자료를 생성하여 1차원, 2차원, 3차원 수치해석의 기초자료를 제공할 뿐만 아니라, 분석 자료의 검증 및 시뮬레이터를 통해 하천에서의 기작을 모의하여 의사결정지원에 효율적으로 활용하고자 한다.Fig. 5 illustrates a mismatch problem that occurs on the joint surface of a lower cross-section acquired by cross-section of an exclusion paper and acoustic surveying, and a terrain constructed by LiDAR and precision topography of Inje-ji. In the present invention, it is possible to generate more precise geographic data of the interior and exterior of the land and to provide basic data for one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional numerical analysis. I want to use it efficiently for support.
도 6은 랜덤 기반 프랙탈 지형 생성 방법을 나타낸 도면이다.6 is a diagram illustrating a random-based fractal terrain generation method.
랜덤 기반 프랙탈 지형 생성 방법은 크게 4단계로 프랙탈 구간제어(610), 프랙탈 진폭 제어(620), 프랙탈 적용구간 정의(630), 프랙탈 구간 재구성(640) 단계들로 구성된다. 각 단계별 상세 적용 과정은 다음과 같다.The random-based fractal terrain generation method is largely composed of four stages of fractal interval control (610), fractal amplitude control (620), fractal application interval definition (630), and fractal interval reconstruction (640). The detailed application process for each step is as follows.
도 7은 프랙탈 구간 제어와 프랙탈 진폭 제어의 일예를 도시한 도면이다.7 is a diagram illustrating an example of fractal interval control and fractal amplitude control.
프랙탈 구간 제어(610)는 도 7(a)와 같이 하천의 하상과 하도 사이의 경계면 구간을 몇 개로 나누어 적용할 지를 설정한다. 프랙탈 진폭 제어(620)는 도 7(b)와 같이 하천의 하상과 하도 사이의 경계면 구간의 진폭 제어를 통해 지형 구조의 거칠기를 표현할 수 있다.The
도 8은 프랙탈 적용 구간 정의와 프랙탈 구간 재구성의 일예를 도시한 도면이다.8 is a diagram illustrating an example of a fractal application interval definition and a fractal interval reconstruction.
프랙탈 적용 구간 정의(630)는 도 8(a)와 같이 하천의 하상과 하도 사이의 경계면 구간을 임의로 설정하여 적용한다. 프랙탈 구간 재구성(640)은 도 8(b)와 같이 2차원 횡단면에서 프랙탈기법을 적용할 경계면 구간을 지정하고 그 구간에 대하여 랜덤 기반으로 재구성한다.Fractal
도 9는 재구성을 위해 중간점 대체 알고리즘(Mid-point displacement)과 다이아몬드 스퀘어 알고리즘(Diamond & square)을 적용한 예와 프랙탈 보간 지형의 진폭의 일예를 도시한 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating an example of applying a mid-point displacement algorithm and a diamond square algorithm (Diamond & square) for reconstruction, and an example of amplitude of fractal interpolation topography.
랜덤 기반으로 재구성시에 도 9(a)와 같이 중간점 대체 알고리즘(Mid-point displacement)과 다이아몬드 스퀘어 알고리즘(Diamond & square)을 적용한다. 도 9(b)와 같이 프랙탈 보간 지형의 진폭은 지형의 거칠기를 나타내며 거칠기 계수가 작을수록 거칠기는 커지고, 거칠기 계수가 클수록 매끄러운 형상을 나타내게 된다.When reconstructing on a random basis, a mid-point displacement algorithm and a diamond square algorithm are applied as shown in FIG. 9 (a). As shown in FIG. 9 (b), the amplitude of the fractal interpolated terrain represents the roughness of the terrain, and the smaller the roughness coefficient, the greater the roughness, and the larger the roughness coefficient, the smoother the shape.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 침식 기반 프랙탈 지형 생성 방법을 나타낸 도면이다.10 is a view showing a method for generating erosion-based fractal terrain in accordance with an embodiment of the present invention.
침식 기반 프랙탈 지형 생성 방법은 크게 4단계로 유량배분(1010), 수체거동(1020), 유속 계산(1030), 침식과 퇴적 산정(1040) 단계들로 구성된다. 각 단계별 상세 적용 과정은 다음과 같다.The erosion-based fractal terrain generation method is largely composed of four steps: flow
침식 작용의 가장 큰 영향력은 유량 배분(Water Allocation)(1010)이며, 반면에 흐르는 유량은 시간별로 매우 작은 양의 침식 작용에 영향을 미친다. 침식 작용에 영향을 주는 또 다른 요인은 강우량이지만 본 발명에서는 하상경계 부분에서의 지형보간 기법의 적용으로 실제 강우에 의한 침식 작용에 대해서는 고려하지 않았다. 유량은 각 격자의 높이를 기반으로 다음과 같은 식에 의해 계산된다.
The biggest impact of erosion is water allocation (1010), while the flow rate affects very small amounts of erosion over time. Another factor influencing erosion is rainfall, but the present invention does not consider the erosion caused by rainfall due to the application of topographic interpolation techniques in the riverbed. The flow rate is calculated by the following equation based on the height of each grid.
수학식 1
여기서, W 0 만큼 유량이 분포될 때 W min 은 가장 낮은 셀에 분포된 유량이다. W 0 은 가장 높은 셀에 더해 질수 있는 최대 유량이며 H 0 와 H max 는 현재 높이와 최대 높이를 나타낸다.
Here, when the flow rate distribution by W 0 W min is a distribution in the lower cell flow. W 0 is the maximum flow that can be added to the highest cell and H 0 and H max represent the current height and the maximum height.
수체 거동(Water Movement)(1020)은 현재 셀의 유량을 W라고 하면 주변의 낮은 셀로 이동하는 유량은 다음의 공식에 의해서 구해진다. Σ(Δh)는 현재 셀과 주변의 낮은 모든 셀의 높이 차이다. 주변 셀로 이동하는 유량은 현재 셀과 주변 셀의 높이 차의 비율이다.
수학식 2
여기서, ΔW 만큼의 물이 한 셀에서 주변 셀로 이동할 때 새로운 유량, W new 은 인접 셀의 유량 W dest 와 ΔW의 합이며 속도(
Here, when ΔW of water moves from one cell to the surrounding cell, the new flow rate, W new is the sum of the flow rate W dest and ΔW of the adjacent cell, and the velocity (
수학식 3
수학식 4
여기서, 
격자간 유속(Acceleration and Velocity Calculation) 계산 방법은 가상의 하도는 격자로 구성되면 각 격자는 주변의 이웃 셀을 가진다. 각각의 물은 주변 이웃 셀과의 각도에 영향을 받아 가속도가 구해진다. Acceleration and Velocity Calculation Calculation method uses virtual grid as a grid and each grid has neighboring neighbor cells. Each water is affected by the angle with neighboring neighboring cells to obtain the acceleration.
특성 셀에서 가속도 벡터 
Acceleration vector in the characteristic cell
수학식 5
여기서, 
유속은 가속도에 의해 업데이트되며, 하기의 수학식 6은 각 셀에서 
The flow rate is updated by acceleration, and Equation 6 below is used for each cell.
수학식 6
Equation 6
여기서, KA ∈ [0..1]은 지형과 수체 간의 미끄럼마찰을 제어하는 상수이다.
Here, K A ∈ [0..1] is a constant that controls sliding friction between the terrain and the water body.
침식과 퇴적 산정(Erosion and deposition)(1040)은 수압에 의한 침식 함수는 각각의 시뮬레이션 단계에서 침전물이 침전되는지 분해되어 사라지는 지를 결정한다. 침식 모델에서는 다음과 같은 재질 상수를 사용한다. K c 는 단위 속도당 1 유닛의 물에서 침전물이 얼마만큼 분해되는지 결정하는 상수이다. 침전 상수 K d 는 목표 셀에서 침전되는 정도를 결정한다. 분해 상수 K s 는 시뮬레이션 단계 후에 지형이 수체에 용해되는 정도를 조절한다.Erosion and deposition (1040) determines whether the hydraulic erosion function precipitates or disintegrates out of the sediment at each simulation step. The erosion model uses the following material constants: K c is a constant that determines how much the sediment decomposes in one unit of water per unit speed. The precipitation constant K d determines the degree of precipitation in the target cell. The decomposition constant K s controls the extent to which the terrain dissolves in the water body after the simulation step.
■ Sediment Capacity Constant 
■ Deposition Constant 
■ Dissolving Constant 
침전 용량 S cap 는 다음의 수학식 7에 의해서 구해진다.
The settling capacity S cap is obtained by the following equation.
수학식 7
Equation 7
구해진 침전 용량은 실제 침전 양과 비교하여 침식되는지 분해되는지를 결정한다. 침전 용량과 침전 양을 비교하여 실제 침전양이 더 많으면 침식작용이 발생하며 반대의 경우에 분해 작용이 발생한다. 각각의 경우에 해당 셀의 침전물의 높이가 구해진다. 이하는 침전과 분해 작용을 수학식으로 표현한 것이다.
The settling capacity obtained determines whether it is eroded or degraded compared to the actual amount of settling. In comparison with the sedimentation capacity and the amount of sedimentation, the larger amount of sedimentation causes erosion and vice versa. In each case the height of the sediment in the cell is determined. Below is a mathematical expression of precipitation and decomposition.
수학식 8 Equation 8
Otherwise, dissolve:Otherwise, dissolve:
침전물의 높이에 의한 프랙탈 적용 과정에서 프랙탈의 높이는 주변 셀의 높이에 특정 구간범위 내에서의 높이 값을 랜덤하게 더한다. 이 경우 구간범위는 실제 지형의 높이에 의한 고려 없이 임의의 값을 지정한다. 하지만 위에서 언급한 절차와 같이 실제 셀의 침전물의 높이가 구해지면 임의의 구간값 대신 구해진 높이를 기반으로 실제 지형의 요소가 반영된 높이를 구할 수 있다. 아래의 수학식에서 랜덤(Rand)함수의 인자로서 구해진 셀의 침전물의 높이가 대입된다.
In the process of applying the fractal by the height of the sediment, the height of the fractal is randomly added to the height of the surrounding cell in a specific interval range. In this case, the interval range specifies an arbitrary value without considering the height of the actual terrain. However, if the height of the sediment of the actual cell is obtained as in the above-mentioned procedure, the height reflecting the elements of the actual terrain can be obtained based on the height obtained instead of the arbitrary interval value. In the following equation, the height of the precipitate of the cell obtained as a factor of the random function is substituted.
수학식 9
Equation 9
프랙탈 높이= (p[c].y + p[c+1].y)/2.0 + Rand(H'/2.0,H'/2.0)
Fractal Height = (p [c] .y + p [c + 1] .y) /2.0 + Rand (H '/ 2.0, H' / 2.0)
여기서, p[i]는 선택 격자의 표고이며, Rand()는 침식을 고려한 랜덤프랙탈 표고를 나타내며, H'는 표고를 나타낸다. Where p [i] is the elevation of the selection lattice, Rand () represents the random fractal elevation taking into account erosion, and H 'represents the elevation.
이하에서는 침식기반 프랙탈 알고리즘의 상세 적용 과정에 대하여 설명한다.
Hereinafter, a detailed application process of the erosion-based fractal algorithm will be described.
수체의 흐름에 따른 퇴적 작용을 모식화하여 지형생성 기법 개발에 적용하며, 단계를 요약하면 다음과 같다.The sedimentation action according to the flow of water bodies is modeled and applied to the development of topography generation method. The steps are summarized as follows.
- 절차- step
· 물은 토양을 침식한다.Water erodes the soil.
· 침식된 토양은 강 하류에 퇴적한다.Eroded soil deposits downstream of the river.
- 결과- result
· 강의 형상을 변환시킨다.Convert the shape of the steel.
· 침식된 토양은 강 하류에 퇴적한다.
Eroded soil deposits downstream of the river.
강우 또는 지형의 경사각 차이에 따라 물의 이동하여 하천의 일부가 침식되며, 유량과 유속에 따라 침전물이 이동하고 강바닥에 퇴적물이 침전되고 일조량 조건에 따라 물이 증발하기도 한다. Part of the stream is eroded due to the movement of water due to rainfall or the difference in the inclination angle of the terrain, sediment moves according to the flow rate and flow rate, sediment precipitates on the riverbed, and water evaporates depending on the sunshine condition.
침식에 따른 시뮬레이션 요약하면 다음과 같으며, 본 발명에서는 물의 이동(Flow simulation) 및 침식 퇴적을 적용하여 침식 기반의 프랙탈 지형을 생성하였으며 증발은 고려되지 않았다. The simulation according to erosion is as follows. In the present invention, flow simulation and erosion deposition are applied to generate erosion-based fractal terrain, and evaporation is not considered.
① 물의 증가① increase in water
② 물의 이동② movement of water
③ 침식 퇴적③ erosion deposition
④ 침전물 이동④ sediment movement
⑤ 물의 증발⑤ evaporation of water
도12는 물의 흐름에 의한 침전물 전달 과정을 보여준다.
12 shows the sediment transfer process by the flow of water.
각 셀에 대한 침전물 이동 용량을 계산하기 위한 수학식은 수학식 10과 같다.
Equation 10 for calculating the sediment transfer capacity for each cell is shown in Equation 10.
수학식 10
Equation 10
도 13은 현재 부유 침전물과 침전물 이동 용량과의 관계를 나타낸 도면이다.FIG. 13 shows the relationship between the current suspended sediment and sediment transport capacity.
침식기반 프랙탈 기법의 4개 단계를 설명한다.
Describe the four steps of erosion-based fractal techniques.
① 가속도와 속도
① acceleration and speed
수학식 11Equation 11
② Force-Based 침식과 퇴적
② Force-Based Erosion and Sedimentation
수학식 12
③ Dissolved Sediment
③ Dissolved Sediment
수학식 13Equation 13
④ Terrain Generation (지형 생성)
Terrain Generation
수학식 14Equation 14
Otherwise, dissolve:Otherwise, dissolve:
이하에서는 침식기반 프랙탈 기법의 4개 단계에 대한 보다 구체적인 내용을 설명한다.
The following describes in more detail the four stages of the erosion-based fractal technique.
① 가속도와 속도 산정
① Calculation of acceleration and speed
가속도는 중력 벡터로 부터 아래의 수학식 15에 의해서 구해진다. 
The acceleration is obtained from the following equation (15) from the gravity vector.
수학식 15Equation 15
도 14는 수학식 15의 각 변수들 간의 관계를 도식화 한 것이다. 여기서 g값은 9.8m/s2 또는 간단히 하기 위해 10m/s2으로 표현할 수 있다.
14 is a diagram illustrating the relationship between the variables of Equation 15. Here g can be expressed as 9.8 m / s 2 or 10 m / s 2 for simplicity.
유속은 가속도에 의해서 계산되며 다음의 수학식 16은 시간 간격 Δt 후에 가속도를 구하는 공식이며 K는 마찰상수이다.
Velocity is calculated by acceleration. The following equation (16) is a formula for acceleration after time interval Δt and K is a friction constant.
수학식 16Equation 16
도 15는 수학식 16의 각 변수들 간의 관계를 도식화 한 것이다.
FIG. 15 is a diagram illustrating a relationship between variables of Equation 16. FIG.
② Force-Based 침식과 퇴적
② Force-Based Erosion and Sedimentation
Sediment Transport Capacity는 Force-based erosion 알고리즘에서 물의 흐름에 의해 발생하는 힘을 사용한다. 그 힘의 영향은 지형에 영향을 미친다. 침전물의 형태로 물에 지형의 파티클이 떠돌아다니게 하는 유량의 이동이다. 침전물의 이동 용량은 아래의 수학식에 의해 계산된다.
Sediment Transport Capacity uses the force generated by the flow of water in a force-based erosion algorithm. The force affects the terrain. It is the movement of flow that causes particles of terrain to float in water in the form of sediment. The moving capacity of the precipitate is calculated by the following equation.
수학식 17
Equation 17
여기서, C k 는 Sediment capacity 상수이며 토성에 따라 정해진다. 
Where C k is the Sediment capacity constant and is determined by Saturn.
③ Dissolved Sediment
③ Dissolved Sediment
침식과 퇴적 단계 이후 부유 침전물(▽S)은 유속장에 의해 이류되며 이 과정은 수학식 18과 같이 이류방정식(Advection equation)에 의해 계산된다.
After the erosion and deposition steps, the suspended sediment (▽ S) is adsorbed by the flow field and this process is calculated by the Advection equation as shown in Equation 18.
수학식 18
Equation 18
이류방정식을 계산하기 위해 Stam이 제안한 세미라그량주(semi-Lagrangian) 방법을 적용하며, 이 방법은 수학식 19와 같이 오일러 단계에 따라 유속장에서 현재 셀에 대한 침전물을 산정하게 된다.
To calculate the advection equation, we apply the Semi-Lagrangian method proposed by Stam, which calculates the sediment for the current cell in the flow field according to Euler's step as shown in Equation 19.
수학식 19
Equation 19
만약 위치 
If position
④ Terrain Generation
④ Terrain Generation
침전물 이동 용량은 실제 부유 침전물 용량과 비교된다. 다음의 수학식 20은 지정된 셀의 데이터를 업데이트하는 공식이다.
The sediment transfer capacity is compared with the actual suspended sediment capacity.
수학식 20
여기서, 침식 모델에서 사용되는 상수는 K d , K s 이며 K d 는 침전 상수이며 값은 0.05이며 K s 는 침식 상수로서 0.04정도의 값을 가진다. H, S는 물이 흐르기 전에 셀의 높이와 침전물이며 H' , S'는 물이 흐르고 나서의 셀의 높이와 침전물이다. 즉 물이 흐르고 나서의 해당 셀에 침전물이 퇴적되거나 지형이 침식되고 나서의 높이이다.
Here, the constants used in the erosion model are K d , K s , K d is the precipitation constant, the value is 0.05 and K s is the erosion constant. H and S are the cell height and sediment before water flows. H ' and S' are the cell height and sediment after water flow. That is, the height after sediment deposition or terrain erosion in the cell after the flow of water.
도 16은 각 침식 기반 지형 보간 단계에 따라 구현되는 Pseudo 코드를 나타내고 있다.16 illustrates a pseudo code implemented according to each erosion-based terrain interpolation step.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 침식기반 프랙탈 하천지형 보간 방법은 다양한 전자적으로 정보를 처리하는 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 저장 매체에 기록될 수 있다. 저장 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.Meanwhile, the erosion-based fractal stream topography interpolation method according to an embodiment of the present invention may be implemented in a program instruction form that can be executed through various electronic means for processing information and recorded in a storage medium. The storage medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination.
저장 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 저장 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 또한 상술한 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 전자적으로 정보를 처리하는 장치, 예를 들어, 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.Program instructions to be recorded on the storage medium may be those specially designed and constructed for the present invention or may be available to those skilled in the art of software. Examples of storage media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic-optical media such as floppy disks. hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media and ROM, RAM, flash memory, and the like. In addition, the above-described medium may be a transmission medium such as an optical or metal wire, a waveguide, or the like including a carrier wave for transmitting a signal specifying a program command, a data structure, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as devices for processing information electronically using an interpreter or the like, for example, a high-level language code that can be executed by a computer.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It will be understood that the invention may be varied and varied without departing from the scope of the invention.
Claims (8)
기초 단면 측량자료를 활용하여 랜덤 기반의 프랙탈기법을 적용하여 하상과 하도 경계면에 대해 2차원 또는 3차원 지형을 생성하는 랜덤 기반 프랙탈 지형 생성 단계;
하천의 단면과 단면 사이의 각 구간별 지형을 보간하고 프랙탈 적용을 위한 기본 지형을 구축하는 단계; 및
유량, 유속, 토성을 포함하는 하천지형 특성 값을 반영하여 통계적 기법을 활용하여 침식 기반의 프랙탈기법을 적용하는 단계; 를 포함하는 침식기반 프랙탈기법을 이용한 하천지형 보간 방법.
In the stream terrain interpolation method using erosion-based fractal technique,
Random-based fractal terrain generation step of generating a two-dimensional or three-dimensional terrain for the riverbed and channel boundary by applying a random-based fractal technique using the basic cross-sectional measurement data;
Interpolating the terrain for each section between the cross-section and the cross-section of the stream and constructing a basic terrain for fractal application; And
Applying erosion-based fractal techniques using statistical techniques reflecting river topography characteristic values including flow rate, flow velocity, and Saturn; River topographic interpolation method using erosion-based fractal techniques, including.
하천의 하상과 하도 사이의 경계면 구간을 몇 개로 나누어 적용할 지를 설정하는 프랙탈 구간제어 과정;
하천의 하상과 하도 사이의 경계면 구간의 진폭 제어를 통해 지형 구조의 거칠기를 표현하는 프랙탈 진폭 제어 과정;
하천의 하상과 하도 사이의 경계면 구간을 임의로 설정하여 적용하는 프랙탈 적용구간 정의 과정; 및
2차원 횡단면에서 프랙탈기법을 적용할 경계면 구간을 지정하고 그 구간에 대하여 랜덤 기반으로 재구성하는 프랙탈 구간 재구성 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 침식기반 프랙탈기법을 이용한 하천지형 보간 방법.
The method of claim 1, wherein generating the random-based fractal terrain
A fractal section control process for setting how many boundary sections between a river bed and a river channel are applied;
A fractal amplitude control process for expressing the roughness of the topographical structure by controlling the amplitude of the boundary section between the river bed and the river channel;
A process of defining a fractal application section for arbitrarily setting and applying an interface section between a river bed and a river channel; And
A stream topographic interpolation method using an erosion-based fractal technique, comprising a fractal section reconstruction process for specifying a boundary section to which the fractal technique is applied in a two-dimensional cross section and reconstructing the section randomly.
중간점 대체 알고리즘(Mid-point displacement)과 다이아몬드 스퀘어 알고리즘(Diamond & square)을 적용하는 것을 특징으로 하는 침식기반 프랙탈기법을 이용한 하천지형 보간 방법.
The method of claim 2, wherein the fractal interval reconstruction process
A stream topographic interpolation method using erosion-based fractal techniques characterized by applying a mid-point displacement algorithm and a diamond & square algorithm.
프랙탈 보간 지형의 진폭은 지형의 거칠기를 나타내며 거칠기 계수가 작을수록 거칠기는 커지고, 거칠기 계수가 클수록 매끄러운 형상을 나타내는 것을 특징으로 하는 침식기반 프랙탈기법을 이용한 하천지형 보간 방법.
The method of claim 2, wherein the fractal amplitude control process
The amplitude of the fractal interpolated terrain represents the roughness of the terrain, the smaller the roughness coefficient, the greater the roughness, and the larger the roughness coefficient, the smoother the shape.
지형의 각 셀에 분포되는 유량을 가장 낮은 셀에 분포된 유량, 가장 높은 셀에 더해질 수 있는 최대 유량, 및 셀들의 높이에 기초하여 계산하는 유량배분 과정;
주변 셀로 이동하는 유량을 현재 셀의 유량과 현재 셀과 주변의 낮은 모든 셀의 높이 차에 기초하여 계산하는 수체거동 과정;
현재 셀의 유량과 새로이 주변으로부터 유입되는 유량에 의해 현재 셀의 유속을 계산하는 유속 계산 과정; 및
침전 용량과 침전 양을 비교하여 해당 셀의 침전물의 높이를 계산하는 침식과 퇴적 산정 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 침식기반 프랙탈기법을 이용한 하천지형 보간 방법.
The method of claim 1, wherein applying the erosion-based fractal technique
A flow distribution process for calculating a flow rate distributed in each cell of the terrain based on the flow rate distributed in the lowest cell, the maximum flow rate that can be added to the highest cell, and the height of the cells;
A hydrobody behavior process that calculates the flow rate moving to the surrounding cell based on the difference between the flow rate of the current cell and the height of the current cell and all the lower cells in the vicinity;
A flow rate calculation process of calculating the flow rate of the current cell by the flow rate of the current cell and the flow rate newly introduced from the surroundings; And
A stream topographic interpolation method using erosion-based fractal techniques, comprising erosion and sedimentation calculation process to calculate the sediment height of the cell by comparing the sedimentation capacity and the amount of sedimentation.
주변 이웃 셀과의 각도에 영향을 받아 각 셀의 가속도가 구해지고, 상기 가속도에 의해서 각 셀의 유속이 재 산정되는 것을 특징으로 하는 침식기반 프랙탈기법을 이용한 하천지형 보간 방법.
The method of claim 5, wherein the flow rate calculation process
A river topographic interpolation method using an erosion-based fractal technique, characterized in that the acceleration of each cell is determined by the angle of the neighboring neighboring cells, and the flow velocity of each cell is recalculated by the acceleration.
침전물의 높이에 의한 프랙탈 적용 과정에서 프랙탈의 높이는 주변 셀의 높이에 특정 구간범위 내에서의 높이 값을 랜덤하게 더하고, 구간범위는 실제 지형의 높이에 의한 고려 없이 임의의 값을 지정하며,
만일 실제 셀의 침전물의 높이가 구해지면 임의의 구간값 대신 구해진 높이를 기반으로 실제 지형의 요소가 반영된 높이를 구하는 것을 특징으로 하는 침식기반 프랙탈기법을 이용한 하천지형 보간 방법.
6. The process of claim 5 wherein the erosion and deposition process
In the process of applying the fractal by the height of the sediment, the height of the fractal randomly adds the height value within a certain interval range to the height of the surrounding cell, and the interval range specifies an arbitrary value without considering the height of the actual terrain.
If the height of the sediment of the actual cell is obtained, the river topographic interpolation method using the erosion-based fractal technique, characterized in that to obtain the height reflecting the elements of the actual terrain based on the height instead of the arbitrary interval value.
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