KR20170033711A - 도시 개발 대상지역의 미래 기후환경 변화 예측 분석시스템 및 이를 이용한 기후 환경 변화 예측 분석 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 도시 개발계획에 따른 개발 대상 지역의 미래열환경 및 바람환경을 포함하는 기후의 변화를 예측 분석할 수 있는 방법 및 에 대한 것으로, 도시기후분석모델(CAS)과 도시계획시나리오 정보 및 전산유체역학모델을 적용하는 상세 바람정보의 분석모듈을 통해 대상지역의 재정비와 녹지축 형성 이후의 주변 바람의 흐름과 열환경에 대한 실제적인 평가가 가능하여, 이후 도시개발계획과 녹지조성계획에 활용할 수 있도록 하는 기술에 대한 것이다.
Description
본 발명은 도시 개발계획에 따른 개발 대상 지역의 미래 열환경 및 바람환경을 포함하는 기후의 변화를 예측 분석할 수 있는 방법 및 시스템에 대한 것이다.
도시화는 전 세계적으로 진행되고 있으며, 이러한 현상은 도시 인구유입이 증가하면서 나타나고 있다. 도시화가 진행되면서 자연환경이 변화하고, 도시의 활동으로부터 배출되는 물질의 종류와 양이 달라지면서 지역기후특성을 변화시킨다. 그러므로 도시계획을 할 때 도시구조와 토지이용 변화가 기후에 미치는 영향을 파악하고, 그 결과를 도시설계에 반영해야 한다.
도시계획을 수립하는 단계에서, 객관적으로 기후영향을 평가하고 결과를 반영하기 위해서는 여러 가상의 설계도면으로부터 체계적인 분석이 필요하다.
그러나 현실적으로 향후 개발이 예상되는 지역에 대한 건물과 녹지 등의 제반 환경의 변화에 따라 발생할 국지적인 기후변화나 열환경 변화를 예측하는 것은 매우 어려운 것이 현실이다.
현재, 국립기상과학원의 도시기후분석시스템(Climate Analysis Seoul, CAS, ‘이하, ‘도시기후분석모델’이라 한다.)은 복잡한 도시표면 정보로부터 발생하는 열에너지를 분석하고, 도시 캐노피에서 이루어지는 기상현상을 모의하여, 도시지표근처 물리과정을 반영하는 시스템을 구축하고 있으나, 건물에 의해 발생하는 난류나 흐름변화, 더욱 나아가 거리수준(street level)에서의 풍향의 변화와 정확한 풍속계산이 어렵기 때문에 바람 분석에 대한 상세 분석은 어려운 실정이다.
즉, 개발이 예상되는 지역의 건축물의 배치와 녹지 등의 제반 환경을 가상으로 상정한 상황에서 상세한 건물간의 바람의 흐름이나 기후변화에 대한 정확한 분석은 불가능한 상황이다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 특히 본 발명의 목적은 도시지역 상세규모 대기흐름 해석이 가능한 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 모델을 결합하여 CAS에서 분석이 어려운 건물단위의 상세 바람흐름을 분석할 수 있으며, 도시계획정보를 제공하는 정보 시스템과 연계하여 정밀도 높은 기초 자료를 토대로 개발 대상지역의 기후의 변화를 예측할 수 있는 분석시스템을 제공하는 데 있다.
이를 통해, 도시계획시나리오와 도시기후분석모델을 연계하여 환경변화에 따른 기후영향분석·평가 체계의 활용성을 제시할 수 있는 분석방법을 제공할 수 있도록 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는, 개발 대상지역에 대한 도시계획정보 및 설계자료를 제공하는 도시계획정보시스템(Urban Plan Information System, UPIS)으로부터, 상기 대상지역에 대한 미래의 개발 예상 계획정보를 제공하는 도시계획정보제공부와 상기 도시계획정보시스템에서 제공되는 정보를 유/무선 인터넷으로 수신받아, 상기 대상지역에 대한 미래의 개발 예상 계획정보를 가공하여 입력자료를 형성하는 입력자료형성부, 상기 입력자료형성부에서 제공되는 상기 입력자료를 이용하여 상기 대상지역에 대한 건물과 식생의 물리적 배치에 따른 온도, 바람을 포함하는 국지규모 기상변화의 정보를 분석하는 도시기후분석부(Climate Analysis Seoul, CAS) 및 상기 입력자료에 포함되는 지형정보 및 기상장 정보를 바탕으로, 전산유체역학모델(Computational Fluid Dynamics, CFD)의 입력자료로 사용하여 상기 대상지역에 대한 상세 바람분석 정보를 형성하는 상세바람분석부, 상기 도시기후분석부 및 상기 상세바람분석부의 분석결과를 바탕으로, 상기 대상지역의 미래의 기후분석정보를 형성하는 기후영향평가정보제공부를 포함하는 도시 개발 대상지역의 미래 기후변화 분석시스템을 제공할 수 있도록 한다.
나아가 상술한 도시 개발 대상지역의 미래 기후변화 예측분석시스템을 적용하여, 개발 대상지역에 대한 도시계획정보 및 설계자료를 제공하는 도시계획정보시스템(Urban Plan Information System, UPIS)으로부터, 상기 대상지역에 대한 미래의 개발 예상 계획정보를 수신하는 1단계와, 상기 수신된 지형자료 정보 및 미래의 개발 예상 계획정보를 가공하여 입력자료를 형성하고, 상기 입력자료를 이용하여 도시기후분석모델(Climate Analysis Seoul, CAS)을 통해 상기 대상 지역에 대한 기후영향 정보를 분석하는 2단계, 그리고 상기 입력자료를 전산유체역학모델(Computational Fluid Dynamics, CFD)의 입력자료로 사용하여 상기 대상지역에 대한 상세 바람분석 정보를 형성하는 3단계 및 상기 2단계 및 3단계의 결과를 종합하여 상기 대상지역에 대한 통합 기후분석결과정보를 산출하는 4단계를 포함하는 도시 개발 대상지역의 미래 기후변화 분석 방법을 제공할 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 특정 대상 지역에 대한 도시계획시나리오와 대상지역의 개발에 따라 변경되는 건물과 녹지의 조성 및 구조의 변화로 인해 발생할 대상지역의 기후변화 및 기후영향을 예측할 수 있는 효과가 있다.
구체적으로, 도시기후분석모델(CAS)과 도시계획시나리오 정보 및 전산유체역학모듈을 적용하는 상세 바람정보의 분석모듈을 통해 대상지역의 재정비와 녹지축 형성 이후의 주변 바람의 흐름과 열환경에 대한 실제적인 평가가 가능하여, 이후 도시개발계획과 녹지조성계획에 활용할 수 있게 된다.
특히, 도시개발, 재정비, 재생 등 다양한 도시구조의 변화에 따라 어떠한 기후적인 영향이 나타나는지에 대한 상세정보는 기후변화 영향평가, 도시계획 및 관리 의사결정지원뿐만 아니라 향후 시민건강 및 위험정보 예측에도 사용될 수 있다. 미래의 기후분석 결과는 도시계획이 시행되기 전 계획 수립단계에서 기후에 어떠한 영향을 미칠 것인지에 대한 기본적인 평가 자료로 활용될 수 있을 것이며 도시환경 변화가 사람에 미치는 영향을 반영하는 생명기상 모델과 결합됨으로써 도시를 쾌적하게 관리할 수 있는 가이드라인을 제공하고, 도시계획 정책 결정의 근거가 될 수 있을 것이다.
또한, CAS와 CFD모델의 결합을 통해 도시재정비에 의한 바람환경의 상세변화를 평가할 수 있었으며 최근 중요성이 대두되고 있는 바람길이나 오염물질 확산통로를 위한 도시계획에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 실시예에 따른, 도시 개발 대상지역의 미래 기후환경 변화 예측 분석시스템 의 구성을 도시한 구성개념도이다.
도 2 내지 도 13은 본 시스템을 적용한 적용예를 나타내기 위한 이미지이다.
도 2 내지 도 13은 본 시스템을 적용한 적용예를 나타내기 위한 이미지이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조를 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 도시 개발 대상지역의 미래 기후환경 변화 예측 분석시스템 (이하, '본 시스템'이라 한다.)의 구성을 도시한 구성개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 시스템은, 개발 대상지역에 대한 지형자료정보를 제공하는 도시계획정보시스템(Urban Plan Information System, UPIS)으로부터, 상기 대상지역에 대한 현재 지형자료 정보 및 미래의 개발 예상 계획정보를 제공하는 도시계획정보제공부(100), 상기 도시계획정보부(100)에서 제공되는 정보를 유/무선 인터넷으로 수신받아, 상기 대상지역에 대한 미래의 개발 예상 계획정보를 가공하여 입력자료를 형성하는 입력자료형성부(150), 상기 입력자료형성부(150)에서 제공되는 상기 입력자료를 이용하여 상기 대상지역에 대한 건물과 식생의 물리적 배치에 따른 온도, 바람을 포함하는 국지규모 기상변화의 정보를 분석하는 도시기후분석부(200;Climate Analysis Seoul, CAS) 및 상기 입력자료에 포함되는 지형정보 및 기상장 정보를 바탕으로, 전산유체역학모델(Computational Fluid Dynamics, CFD)의 입력자료로 사용하여 상기 대상지역에 대한 상세 바람분석 정보를 형성하는 상세바람분석부(300), 상기 도시기후분석부(200) 및 상기 상세바람분석부(300)의 분석결과를 바탕으로, 상기 대상지역의 미래의 기후분석정보를 형성하는 기후영향평가정보제공부(350)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 도시계획정보제공부(100)은 대상지역의 도시개발계획 시나리오를 포함하는 도시계획정보(지형, 건물, 설계도면 등)를 포함하는 데이터베이스를 구비하는 유닛으로 구성될 수 있으며, 이는 본 시스템에서 일체로 구성되거나, 외부의 시스템을 연동하는 것을 포함한다. 본 발명의 실시예에서는, 서울시에서 제공하는 도시계획시나리오 정보를 제공하기 위한 도시계획정보시스템(Urban Plan Information System, UPIS)을 적용하는 것을 예로 하여 설명하기로 한다. 상기 도시계획정보시스템(이하, 'UPIS'라 한다.)은 서울시의 도시개발에 대한 다양한 정보를 제공한다. 일예로, 용도지역, 지구, 구역별 도시의 관리·계획 현황과 입안 및 결정에 대한 정보를 제공한다. 용도지역별로는 주거, 상업, 공업, 녹지지역으로 나누어 정보를 제공하고 도시계획관련 사업으로는 도시개발사업, 재정비 촉진사업, 재개발 및 재건축 정비사업, 기타사업 등 구체적인 사업 면적과 위치를 알 수 있다.
본 발명의 실시예에서의 상기 도시기후분석부(200)는 건물과 식생의 물리적 배치에 따른 온도, 바람 등의 국지규모 변화와 중규모 기상 모델인 MetPhoMod (METeorology and atmospheric PHOtochemistry mesoscale MODel)의 분석결과를 바탕으로 찬공기의 생성, 이동, 정체와 바람흐름, 열적환경 등을 분석하는 도시기후분석모델(Climate Analysis Seoul, 이하, 'CAS'라 한다.)를 적용하는 것을 실시예로 한다.
상기 CAS는 건물과 식생의 물리적 배치에 따른 기후요소들의 공간적 분포특성을 분석하고 고해상도 수치지도(digital map)로 표출하는 기능을 가지고 있다. CAS에서 산출되는 기후요소들은 고밀도 관측자료를 이용한 도시개발 전후의 기후영향 검증(이채연 등, 2012b), 건물 단위(building-scale)의 인지온도 분석을 통한 열 취약성평가(Kim et al., 2014), 서울 전체 국지규모 기온분포 산출 및 검증(Yi et al., 2015) 등 다양한 검증을 통해, 도시의 구조에 따른 국지기후 영향을 정량적으로 보여줄 수 있는 기후분석 도구이다.
본 발명에서는, 상술한 UPIS와 CAS의 연계를 통해 보다 정밀한 분석 정보를 구현하기 위해, 입력자료형성부(150)을 통해 UPIS에서 입력되는 정보를 가공하여 CAS에 최적합한 정보를 형성할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
이를 위해, 상기 입력자료형성부(150)는 도시계획정보시스템에서 제공되는 정보를 유/무선 인터넷으로 수신받아, 상기 대상지역에 대한 미래의 개발 예상 계획정보를 가공하여 CAS의 입력자료를 형성하도록 한다.
구체적으로는, CAS 구동을 위한 토지피복 입력자료를 형성하기 위해, 대상지역에 대한 고해상도 위성영상자료 및 고해상도 LiDAR (LIgit Detection And Ranging) 측량을 통해 생성된 래스터자료를 이용하여 토지피복 및 수치표고자료로 활용할 입력자료를 생성한다. 나아가, 대상지역의 미래의 기후영향평가를 위해서는, 도시계획에 따른 미래 입력자료의 구축이 필요한바, 미래의 도시계획정보는 UPIS에서 CAD (Computer Aided Design)파일 형식(.dwg)으로 제공받아 CAS에 적용될 수 있도록 변환 등의 과정을 거칠 수 있다.
아울러, 상기 입력자료는 대상지역의 수치표고 입력자료를 포함하는데, 이는 대상지역에 대한 지면 특징을 반영하기 위해 수치표면모델인 DSM (Digital Surface Model)과 수치지형모델인 DTM (Digital Terrain Model)을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 입력자료를 바탕으로 상술한 도시기후분석부(200)에서는 CAS 를 적용하여, 기후영향을 파악할 수 있으며, 초기 기상장이 모델결과에 많은 영향을 미치는 기상예보모델과는 달리 지형과 토지피복에 의한 기후영향을 파악하고 열적부하에 대한 기후분석정보를 제공할 수 있게 된다. 구체적으로는, 도시의 바람길이나 오염물질 정체지역을 분석하기 위한 수치표고 · 지면 자료를 구축하고 토지피복의 형태에 따라 달라지는 지표영향을 고려하기 위해 고해상도 토지피복자료를 구축한다. 나아가, 중규모 기상모의를 위한 초기장을 생성, 국지적 열부하계수를 계산, 중규모 수치모의 (MetPhoMod)를 통한 기온장과 바람장 모의, 도시구조자료로부터 계산된 열전도, 열확산, 열용량 등으로부터의 국지적 영향을 분석한다. 나아가, 분석된 국지규모 및 중규모 결과들을 이용하여 CAS의 사용자인터페이스(Graphic User Interface)로 열 환경과 바람순환에 대한 결과가 표출되며, 산출 결과들을 이용하여 도시계획시나리오에 따른 도시개발 전후의 기후분석 및 기후변화 시나리오에 따른 미래기후환경모의 및 기후취약지역을 분석한다.
특히, 본 발명에서는, 이러한 정밀한 입력정보를 가공하여 UPIS 정보를 CSA를 통해 분석이 가능하도록 하며, 나아가, 미래의 개발 대상지역의 기후 정보의 상세한 분석을 위해, 상세바람분석부(150)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 상세바람분석부(150)는 상기 입력자료생성부(150)에서 구현되는 입력자료에 포함되는 지형정보 및 기상장 정보를 바탕으로, 전산유체역학모델(Computational Fluid Dynamics, CFD)의 입력자료로 사용하여 상기 대상지역에 대한 상세 바람분석 정보를 형성하도록 한다. 구체적으로는, 정밀한 도시정보를 모델에 적용하기 위해 고해상도의 항공 LiDAR (LIgit Detection And Ranging) 측량을 통해 생성된 래스터자료(1 m 해상도)와 KOMPSAT-2 (KOrea Multi-Purpose SATellite) 위성영상 자료(4 m 해상도)를 이용하여 토지피복 및 수치표고자료로 활용할 입력자료를 생성하였다. 보다 정확한 도시지면 특징을 반영하기 위해 수치표면모델인 DSM (Digital Surface Model)과 수치지형모델인 DTM (Digital Terrain Model)을 전산유체역학모델(Computational Fluid Dynamics, 이하, 'CFD'라 한다.)입력자료로 사용하여 상세바람분석을 수행할 수 있도록 한다.
이는, CAS에서 분석정보가 취약한 도시지역의 상세규모 대기흐름의 해석을 구현할 수 있도록 하여, 분석이 어려운 건물단위에서의 상세 바람 흐름을 분석할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는, 미래의 도시개발 대상 지역에 대한 변화되는 기후영향정보를 분석하기 위해, 도시계획의 정보를 제공하는 서울도시계획포털(Urban Plan Information System, UPIS)의 정보를 활용하고, 도시기후분석을 위해 과학적·객관적인 정보 제공이 가능한 CAS를 이용하며, 특히 상세바람을 분석하기 위해 건물단위의 바람 흐름을 분석할 수 있는 CFD를 결합하여, 기존의 제한되고 주관적인 분석이 아니라, 검증된 기후분석 도구를 이용해서 실제 계획을 반영한 정량적 영향평가가 가능하게 한다.
이상의 분석 결과는 상술한 기후영향평가정보제공부(350)을 통해 다양한 지표를 토대로 분석 정보를 제공할 수 있게 된다.
상술한 본 시스템을 적용하는 경우, 다음과 같은 순서로 분석이 수행될 수 있다. 우선, 개발 대상지역에 대한 지형자료정보를 제공하는 도시계획정보시스템(Urban Plan Information System, UPIS)으로부터, 상기 대상지역에 대한 미래의 개발 예상 계획정보를 수신하는 1단계가 수행된다. 이는 상술한 것과 같이, UPIS 시스템이나 독립적인 데이터베이스구축을 통해 구현할 수 있음은 상술한 바 있다.
이후, 상기 수신된 지형자료 정보 및 미래의 개발 예상 계획정보를 가공하여 입력자료를 형성하고, 상기 입력자료를 이용하여 도시기후분석모델(Climate Analysis Seoul, CAS) 시스템을 통해 상기 대상 지역에 대한 기후영향 정보를 분석하는 2단계를 수행할 수 있도록 한다.
나아가, 상기 입력자료를 전산유체역학모델(Computational Fluid Dynamics, CFD)의 입력자료로 사용하여 상기 대상지역에 대한 상세 바람분석 정보를 형성하는 3단계와 상기 2단계 및 3단계의 결과를 종합하여 상기 대상지역에 대한 통합 기후분석결과정보를 산출하는 4단계를 거쳐서, 도시 개발 대상지역의 미래 기후변화정보를 산출할 수 있게 된다.
이하에서는, 상술한 본 시스템을 적용한 실제 기후변화정보를 예측한 실시예를 들어 본 발명의 특징 및 효과를 상술하기로 한다.
본 실시예는, 도심재정비 사업 중 서울 남북녹지축 조성사업의 일부분인 ‘세운상가재정비사업’을 대상지역으로 본 시스템 및 방법을 적용하는 예를 들어 설명하기로 한다. 전체적인 분석정보는, 도시계획 사례에 따른 상세 열 환경 및 바람환경을 모의하여, 토지이용 · 건물배치 ·외관비 변화에 따른 기후영향 결과를 산출하게 된다.
1. 대상지역의 특정
대상지역은 서울시의 '세운상가 재정비사업'에 대항하는 지역을 대상지역으로 산정하였다. 물론, 이러한 정보는 본 시스템의 도시계획정보제공부(100; 도 1)에서 제공받을 수 있다.
대상지역이 재정비가 되면서 조성되는 녹지축의 폭은 약 80 m, 길이는 950 m 이며 본 실시예에서는 상기 대상지역을 중심으로 재정비 전(이하, ‘CASE1’이라 한다.), 재정비 후(이하, ‘CASE2’라 한다.), 그리고 추가적으로 녹지축의 길이와 폭을 확장시킨 경우(이하, ‘CASE3’이라 한다.)에 대하여 분석하였다.(이하에서는, 대상지역의 정보의 분류를 상기 CASE 1~CASE3으로 분류하여 설명하기로 한다.)
CASE3는 세운상가의 북쪽에 있는 녹지인 종묘와 남쪽의 남산이 녹지축으로 완전히 이어졌을 경우로써 가상 계획을 적용한 사례이다. 기존 CASE2의 계획과는 달리 상가영역 전체가 녹지로 조성되었을 경우를 나타내며, 조성되는 녹지의 폭은 약 470 m, 길이는 약 2 km 이다.
토지피복과 피복물의 높이와 구조의 변화는 기후영향에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 각 사례별로 토지피복의 비율 변화를 분석하였다. 피복의 비율 차이를 자세하게 분석하기 위해 모델링을 위한 영역 3개 중 가장 상세한 세번째 영역 5 km × 5 km 에 대해서 재정비가 이루어지는 영역만을 선정하여(1400 m × 700 m) 분석하였다(도 2 및 도 3 참조)
2. 입력자료의 생성
상기 대상지역에 대한 CAS 적용을 위한 입력자료를 UPIS를 통해 제공되는 도시계획 구조정보를 토대로, 입력자료생성부(150)을 통해 다음과 같이 형성하였다.
CAS구동을 위한 토지피복은 WS (water surfaces), TV (tall vegetation), VS (vegetated surfaces), US(unvegetated surfaces), BS (built-up surfaces)의 5가지 유형으로 분류하여 구축한다. 상세지역의 토지피복 구축을 위해 사용된 자료는 KOMPSAT-2 위성영상과 항공 LiDAR 자료, 현재와 미래 건축물 구조를 나타내기 위한 도로명주소 전자지도와 도시재정비 계획지도이다. 고해상도 위성영상을 이용해 구축한 입력자료와 기존에 사용하던 수치지형도와 수치주제도를 이용한 입력자료를 이용해 각각 국지기온을 분석하여 관측자료와 비교분석한 결과 기존방법을 사용할 때(r = - 0.059)보다, 항공 LiDAR 자료 및 위성영상을 사용할 경우(r = 0.757) 상관관계가 훨씬 높게 나타나게 된다.
또한, 미래의 기후영향평가를 위해서는 도시계획에 따른 미래 입력자료의 구축이 추가적으로 필요하다. 세운재정비지역의 미래 도시계획정보는 UPIS에서 CAD (Computer Aided Design)파일 형식(.dwg)으로 제공받아 CAS에 적용될 수 있도록 변환하였다. 설계도면의 좌표정의와 스케일 고정을 위해 기존에 사용하였던 토지피복자료를 AutoCAD 환경으로 변환하여 참조자료로 사용하였다.
도시계획 기본도는 지리정보시스템에서 바로 사용가능한 형태가 아닌 디지털 설계도면에 가깝다. 따라서 토지피복지도 작성에 필요한 분류별로 유형화하여 digitizing하는 방법을 사용하여 분류하였다(도 4 참조).
이후, 최종적으로 모델에 입력되는 토지피복의 영역은 5m 해상도, 가로세로 5 km × 5 km영역으로 각 CASE1 ~ CASE3 별 분류지도를 도 5에 나타내었다.
3. 수치표고입력자료
수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM)은 지형 기복에 따른 바람의 흐름을 분석하기 위한 주요 자료이다. 수치표고모델의 종류로는 지형높이 정보를 나타내는 수치지형모델(Digital Terrain Model, DTM)과 지형높이정보와 피복물의 높이정보를 함께 포함하는 수치표면모델(Digital Surface Model, DSM)이 있다.
국토지리정보원이 제공한 평균점밀도 2.5 pt/m2의 항공 LiDAR 자료를 사용하였으며, LiDAR 점군분류(points classifications)를 통해 지형, 건물, 교목을 구분하였고 이 중 지형으로 분류된 지도를 이용하여 DTM을 생성하였다. CASE2는 현재와 비슷한 지형을 유지할 것이라는 것을 전제로 CASE1과 같은 자료를 사용하였다.
다만, 대상지역 내에 국가보안지역이 포함되어 있어, LiDAR 자료에서 건축물의 높이가 공개되지 않은 부분이 있다. 따라서 이 부분의 건물자료는 국토교통부의 국가공간정보유통시스템(http://www.nsic.go.kr)에서 제공하는 도로명주소 전자지도를 이용하여 구축하였다. 이 자료의 건물 위치 및 층수 정보를 이용하여 현재의 토지피복및 건물높이 정보에 활용하였고, 한 층을 4 m로 가정하고 DSM을 구축하였다. CASE3은 녹지가 조성됨으로써 건축물이 없는 것으로 전제하였기 때문에 피복물의 높이를 모두 제거한 DSM으로 구축하였다. CASE 별 DSM 비교를 통해 새로운 녹지축 조성 과정에서 건물들이 수직적으로 발달하면서 남북방향으로 녹지축이 조성됨을 확인할 수 있다(도 6).
도 7은 본 시스템의 도시계획정보제공부(100; 도 1)의 일예로서, 서울 도시계획포털을 예시한 것이다(http://www.urban.go.kr). 본 시스템에서의 도시계획정보제공부는 대상지역의 지형정보 및 건축정보 등을 제공하는 데이터베이스로 구축할 수 있으며, 이는 외부의 시스템에서의 데이터베이스를 연계하여 활용할 수 있다.
4. 도시기후분석
상술한 입력자료생성부를 통해서 구축되는 지형자료 및 기상장자료를 이용하여 도시기후분석부(도 1: 200)에서는 대상 지역의 미래의 기후정보를 분석할 수 있다. 본 일 실시예에서는, 도시기후분석의 도구로써, 국립기상과학원에서 제공하는 CAS를 이용하여 대상지역의 기후 분석을 수행할 수 있도록 한다.
즉, CAS를 통해, 대상지역에 대한 도시의 바람길이나 오염물질 정체지역을 분석하기 위한 수치표고 · 지면 자료를 구축하고 토지피복의 형태에 따라 달라지는 지표영향을 고려하기 위해 고해상도 토지피복자료를 하고, 중규모 기상모의를 위한 초기장을 생성, 국지적 열부하계수를 계산, 중규모 수치모의 (MetPhoMod)를 통한 기온장과 바람장 모의, 도시구조자료로부터 계산된 열전도, 열확산, 열용량 등으로부터의 국지적 영향을 분석한다. 나아가, 분석된 국지규모 및 중규모 결과들을 이용하여 CAS의 사용자인터페이스(Graphic User Interface)로 열 환경과 바람순환에 대한 결과가 표출되며, 산출 결과들을 이용하여 도시계획시나리오에 따른 도시개발 전후의 기후분석 및 기후변화 시나리오에 따른 미래기후환경모의 및 기후취약지역을 분석한다.
5. 전산유체역학 모델을 적용한 상세바람장분석
아울러, 본 실시예에서는, 상세바람분석부(300; 도 1)상술한 대상지역의 상세바람정보를 분석하기 위해, 보다 정확한 도시지면 특징을 반영하기 위해 수치표면모델인 DSM (Digital Surface Model)과 수치지형모델인 DTM (Digital Terrain Model)을 전산유체역학모델(Computational Fluid Dynamics, CFD)입력자료로 사용하여 상세바람분석을 수행하였다. 8방위의 유입류를 고려하여 재정비 전후의 도시구조물 주변의 흐름 및 풍속 분포와 녹지축 형성 전후의 열환경 변화를 분석하였다. 현실적인 기상상태 반영을 위해 CAS의 중규모기상장을 입력자료로 사용한다.
이는 상세바람분석부(300; 도 1)에서, 상기 입력자료에 포함되는 지형정보 및 기상장 정보를 바탕으로, 전산유체역학모듈(Computational Fluid Dynamics, CFD)의 입력자료로 사용하여 상기 대상지역에 대한 상세 바람분석 정보를 형성하는 것으로, 상기 전산유체역학모듈은 3차원 비정수, 비회전, 비압축 대기 흐름계를 가정하며 코리올리 효과를 배제 한다. 지배 방정식계(표 1)는 유한체적법(finite volume method)과 SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 알고리즘을 사용하여 엇갈림 격자계(staggered grid system)에서 수치적으로 풀이된다.
{표 1}
상세바람장분석을 위한 전산유체역학 모델의 입력자료로는 CAS에서 사용된 동일한 지형자료와 기상장자료를 사용하였다. CAS의 입력자료인 DSM을 이용하여 지표경계 입력자료를 생성하고(도 8) MetPhoMod바람장자료를 수평, 연직 내삽하여 CFD 바람경계 입력자료로 사용하였다(도 9). 수치실험 영역의 크기는 동서로 2 km, 남북으로 2 km이며 연직방향의 크기는 0.8 km이다. 수평격자 간격은 10 m, 연직격자 간격은 5 m로 설정하였다. 적분 간격은 2초로 하여 총 3600초 동안 수치적분을 실시하였다.
6. 기후영향평가정보의 산출
상술한 도시기후분석부와 상세바람분석부에서 얻지는 결과를 토대로 다음과 같은 대상지역에 대한 기후영향평가정보를 산출할 수 있다.
(1) 기후분석지도 생성
1) 열환경분석정보
토지피복분류 중 녹지를 나타내는 TV와 VS가 차지하는 비율에 따라 시간당 면적당 차고 신선한 공기가 생성된다. 여기서 차고 신선한 공기는 외부 유입에 의한 것이 아닌, 토지피복에 의한 local cooling을 의미한다. 본 연구에서 적용된 도시계획에 따라 녹지가 조성될 경우(CASE2) 약 15 m3 m-2 h-1의 차고 신선한 공기가 생성되며, 녹지의 폭과 길이를 확장할 경우 (CASE3) 약 25 m3 m-2 h-1의 공기가 생성되는데, 녹지가 확장되면서 생성되는 찬 공기의 양도 비율에 따라 증가되어 계산되는 것을 볼 수 있다(도 10(a)).
중규모 기온분포는 MetPhoMod에 의해 분석된 결과 중 일몰 후인 20시부터 일출 전인 오전 6시까지의 기온을 평균한 기온 지도가 생성된다. CAS에서는 전체 도메인 평균기온을 기준으로 각격자들의 상대적 편차값이 지도로 나타나도록 되어있다. CASE1과 CASE2의 경우 조성되는 녹지축의 폭이 80m로 MetPhoMod의 해상도 100 m 보다 좁기 때문에 녹지가 조성되기 전과 후의 차이가 거의 없지만, CASE3(폭 470 m, 약 6배 증가)는 세운재정비지역의 상대적인 기온이 녹지축을 중심으로 약 0.1∼ 0.5 K 정도 감소하였다(도 10(b)).
CAS는 중규모 기온분포와 더불어 개발에 의해 발생하는 국지규모의 기온 분포를 분석한다. 건축물의 정보를 이용해서 분석한 국지규모 기온분포는 조성된 녹지를 중심으로 확연하게 기온이 감소함을 나타내었다. (도 10(c)). CASE2의 경우 조성 전 높은 건물이 있었던 부분에서 약 0.5∼ 1.2 K 정도 기온이 감소하였다.
분석된 차고 신선한 공기의 생성, 중규모 및 국지규모 기온분포를 이용하여 종합적인 기온분포 지도를 생성하였다. 종합 기온분포지도는 다른 기후분석지도와 마찬가지로 전체 영역의 평균에 대한 상대적인 열부하를 나타낸다. CASE2의 경우 녹지가 형성되면서 평균 0.2 K 감소하였고, 최대 약 1.8 K의 기온이 감소하였다. 또한 녹지축이 확장되면서 최대 3.1 K 기온이 감소하여 녹지가 확장되면서 기온감소 효과가 더 커짐을 보였다(도 10(d)).
도시기후에서 차고 신선한 공기의 분석은 인공열로 인해 데워진 지표면을 무거운 찬 공기가 식혀주는 역할을 하는데 이러한 역할을 할 수 있도록 공기흐름 통로를 조성해야 함을 보여준다. 이러한 열 환경 분석지도 및 수치로부터 지표의 높낮이와 피복물의 배치에 따라 바람길을 확보하고, 도시열섬 완화를 유도하기 위한 도시 녹지 조성 시, 그 효과가 가장 극대화될 수 있는 지점을 제시할 수 있다.
2) 바람순환정보 분석
본실시예에 따른 기후 분석결과에서, 세운재정비지역의 건축물 구조 변경에 따라 공기가 정체되는 지역이 나타났다(도 11(a), CASE2). 특히 재정비지역 중심에 위치해있던 저층의 상가 건물이 고층건물의 형태로 좌우로 재정비 되면서 건축물이 위치한 구조에 따라 정체지역이 나타난다. 이는 도심에서 생성된 오염물질이 순환되지 못하고 고여 있을 수 있기 때문에 건축물 배치와 관련하여 재정비 계획의 수정이 필요함을 제언할 수 있다. CAS에서는 정체가 되지 않는 지역(no significant), 지형에 의해 정체되는 지역(induced by topography), 지형과 건물에 의해 공기가 정체되는 지역(induced by constructions)으로 구분하여 분석된다.
도 11(b)는 도시의 지표면 마찰과 열적 효과에 따른 영향을 분석한 지도이다. 지표면에 의한 난류발생은 주변과 희석되지 못하여 도시 내의 통풍을 저해하는 것을 의미한다. 지표면의 영향이 적은 지역(weak), 지표면의 물리적인 영향을 받는 지역(mechanically), 지표면의 물리적인 영향 및 도시화로 인한 열적인 영향을 받는 지역(urban)으로 분류된다. 상가건물이 밀집되어있는 CASE1은 지표면의 영향과 열적인 영향을 모두 받는 지역으로 분류되었지만, 재정비로 인해 녹지가 조성되고(CASE2) 확장되면서(CASE3) 열적 영향을 받는 지역이 감소하는 것으로 분석되었다.
3) 중규모 기상모델 연직분포
녹지축 조성에 따른 중규모 연직 변화를 알아보기 위해 상층 500 m까지 중앙부분을 아래(남산방향)에서 위로(종묘방향) 단면을 분석하였다. 3가지 CASE에 대해 새벽 3시(03 LST)와 낮 3시(15 LST)의 연직 분포를 비교해보면(도 12) 새벽 상층 50 m 부분에 녹지축이 조성되면서 온도가 낮아진 것을 확인할 수 있다(도 12 상부도면).
또한 낮 3시에는 CASE 3의 재정비지역 외에 확장된 녹지축부분에 온도가 낮아졌다(도 12 하부 도면). 주로 지표면 주변 의 온도 변화가 나타났으며, 녹지축의 조성이 지표부근 중규모 연직기온분포에 영향을 미쳤다는 것을 알 수 있었으나, 50 m 이상 높이에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
(2) 상세영역분석 정보
대상지역의 개발에 따른 기후영향을 보다 상세하게 분석하기 위해 재정비된영역(1,400 m × 700 m)만을 선정하여 상세분석을 수행하였다. CAS에서 분석된 결과들은 격자형식으로, 각 격자마다 계산된 값을 가지고 있다. CAS에서 격자별 토지피복에 따른 지표면 변수를 적용할 때는 단순 토지피복이 아닌 주변 격자들의 토지피복비율(Fractional Coverage, FC)을 적용한다. FC는 격자 주변 100 m × 100 m안에 있는 모든 격자들의 비율로 나타낸다. 표 2는 각 CASE에 따른 상세영역의 FC비율을 나타낸 것이다. 괄호 안에 나타낸 값들은 재정비 전(CASE1)에 비해 재정비 후(CASE2)와 녹지축을 확장(CASE3)했을 때 토지피복비율이고, 표 3은 토지피복별 LD, MD,TD의 평균값을 나타낸다.
{표 2}
{표 3}
(3) 전산유체역학 모델을 이용한 상세바람분석 정보
대상지역에 대하여, 본 시스템의 상세바람분석부(도 1; 300)를 이용하여 분석 결과를 도출한다.
상세 바람흐름 모의를 위해 CFD_NIMR_SNU를 이용하여 3가지 CASE에 대한 바람분석을 수행하였다. 지표부근의 바람분석 결과, CASE1은 상가 건물과 건물 주변으로 복잡한 흐름이 나타났으며, 건물들의 차폐효과에 의해 상가주변의 풍속은 유입류에 비해 크게 감소하는 경향을 보였다. CASE2는 녹지축이 형성되면서 남북으로 넓은 공간이 확보되었고, 이에 따라 녹지축 구역에 0～ 2.4 m/s 풍속의 새로운 바람길이 생성되었다. 또한, 상가지역의 건물 외관비 변화에 따라 건물 사이에서의 순환이 발생하였고 재정비에 따라 건물이 고층화됨에 따라 상층바람 환경에 영향을 미치고 있음을 확인하였다. 건축물이 모두 없어지고 종묘와 남산을 잇는 확장된 녹지축이 형성된 CASE3의 경우 CASE1, 2와는 달리 유입된 흐름을 저해하는 건물과 같은 구조물들이 없기 때문에 마찰효과가 저감되고, 흐름분리나 순환류가 발생하지 않기 때문에 비교적 풍속이 상승함을 확인할 수 있다. 이와 같은 이유로 남산에서 종묘부근까지의 흐름이 초기 유입류의 형태를 유지하며 유출경계를 향하여 빠르게 빠져나가는 것으로 판단된다.(도 13).
상술한 것과 같이, 본 실시예에서 대상지역(서울시 세운상가)에 대한 미래의 기후영향변화를 분석한 결과, 세운상가 재정비사업을 대상으로 재정비 전과 후, 그리고 단순 전후 분석이 아닌 계획 제안에 사용될 수 있도록 가상 시나리오를 이용한 입력자료를 구축하여 각각에 대한 기후영향을 분석하였다. 입력자료 구축에는 도시계획시스템에서 제공된 정보와 위성자료, 항공 LiDAR, 도로명 주소 전자지도 등이 사용되었으며 각각의 CASE에 대한 5 m 해상도의 토지피복과 수치지형/표면 지도를 구축하여 모델을 구동하고 그 영향을 분석하였다.
그 결과, UPIS에서 제공하는 계획 설계 도면을 이용하여, 세운상가 재정비에 따라 건축물의 구조가 바뀌고 녹지축이 조성되면서 기온이 평균 0.2 K, 최대 약 1.8 K 감소하였고, 0～ 2.4 m/s 풍속의 바람길과 건물 외관비 변화에 따른 건물 사이의 바람순환이 형성됨을 확인하였다. 또한 기후영향에 따른 추가 계획을 제언하게 되는 경우를 위해 임의의 시나리오를 구성하여 모델 입력자료를 구축하는 방법도 확립하였다. 본 실시예에서 구축한 녹지축 확장 시나리오를 통해 녹지의 면적과 길이가 확대될 경우, 기온이 최대 3.1 K 감소하는 효과가 크게 나타나는
것을 확인하였다. 세운재정비 계획의 도심 녹지 조성은 녹지의 폭과 면적에 따라 미치는 영향이 다르게 나타났으며, 중규모 영향보다 국지규모에서 영향이 크게 나타났고, 재정비에 따른 바람길 생성 및 건축물의 높이에 따른 상층바람의 영향을 확인하였다.
도시개발, 재정비, 재생 등 다양한 도시구조의 변화에 따라 어떠한 기후적인 영향이 나타나는지에 대한 상세정보는 기후변화 영향평가, 도시계획 및 관리 의사결정지원뿐만 아니라 향후 시민건강 및 위험정보 예측에도 사용될 수 있다. 미래의 기후분석 결과는 도시계획이 시행되기 전 계획 수립단계에서 기후에 어떠한 영향을
미칠 것인지에 대한 기본적인 평가 자료로 활용될 수 있을 것이며 도시환경 변화가 사람에 미치는 영향을 반영하는 생명기상 모델과 결함됨으로써 도시를 쾌적하게 관리할 수 있는 가이드라인을 제공하고, 도시계획 정책 결정의 근거가 될 수 있을 것이다. 또한 CAS와 CFD모델의 연동을 통해 도시재정비에 의한 바람환경의 상세변화를 평가할 수 있었으며 최근 중요성이 대두되고 있는 바람길이나 오염물질확산통로를 위한 도시계획에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 연계시스템은 향후 도시기후에 초점을 맞춘 다른 모델들과의 연계가능성을 보여주는 계기가 되었고. 향후 지자체의 다른 도시계획(마곡지구개발, 용산공원 조성 등)에 적용 가능하다. 또한 지면물리과정 및 지면변수 개선과 인공열, 건물·식생이 고려된 Sky View Factor, 복사에너지 등의 결합으로 도시의 지역적 특성에 맞는 맞춤형 기후분석모델로 확장이 가능하다.
앞서 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 도시 개발 대상지역의 미래 기후변화 예측 분석 방법 소프트웨어를 통해 구현 가능하다.
따라서, 상술한 시스템과 방법은 소프트웨어적인 구성으로 컴퓨터에서 처리 가능한 프로그램으로 제작이 가능하다. 이러한 본 발명에 따른 다양한 구성에 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 도시계획정보제공부
150; 입력자료생성부
200: 도시기후분석부
300: 상세바람분석부
350: 기후영향평가정보제공부
150; 입력자료생성부
200: 도시기후분석부
300: 상세바람분석부
350: 기후영향평가정보제공부
Claims (7)
- 개발 대상지역에 대한 지형자료정보를 제공하는 도시계획정보시스템(Urban Plan Information System, UPIS)으로부터, 상기 대상지역에 대한 미래의 개발 예상 계획정보를 수신하는 1단계;
상기 수신된 미래의 개발 예상 계획정보를 가공하여 입력자료를 형성하고, 상기 입력자료를 이용하여 도시기후분석모델(Climate Analysis Seoul, CAS)을 통해 상기 대상 지역에 대한 기후영향 정보를 분석하는 2단계;
상기 입력자료를 전산유체역학모델(Computational Fluid Dynamics, CFD)의 입력자료로 사용하여 상기 대상지역에 대한 상세 바람분석 정보를 형성하는 3단계;
상기 2단계 및 3단계의 결과를 종합하여 상기 대상지역에 대한 통합 기후분석결과정보를 산출하는 4단계;를 포함하는,
도시 개발 대상지역의 미래 기후환경 변화 예측 분석방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 2단계는,
상기 대상지역에 대한 고해상도 위성영상자료 및 고해상도 LiDAR (LIgit Detection And Ranging) 측량을 통해 생성된 래스터자료를 이용하여 토지피복 및 수치표고자료로 활용할 입력자료를 생성하는 단계;인
도시 개발 대상지역의 미래 기후환경 변화 예측 분석방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 입력자료는,
상기 대상지역에 대한 지면 특징을 반영하기 위해 수치표면모델인 DSM (Digital Surface Model)과 수치지형모델인 DTM (Digital Terrain Model)을 포함하는 도시 개발 대상지역의 미래 기후환경 변화 예측 분석방법.
- 청구항 3에 있어서,
상기 입력자료는,
상기 대상지역의 현재의 지형정보 및 미래의 지형정보를 포함하는 도시 개발 대상지역의 미래 기후환경 변화 예측 분석방법.
- 청구항 4에 있어서,
상기 3단계는,
상기 대상 지역에 대한 수치표면모델인 DSM (Digital Surface Model)과 수치지형모델인 DTM (Digital Terrain Model)을 입력자료로 하며,
상기 DSM (Digital Surface Model)을 이용하여 지표경계 입력자료를 생성하고,
도시기후분석모델(Climate Analysis Seoul, CAS)의 건물과 식생의 물리적 배치에 따른 온도, 바람 등의 국지규모 변화와 중규모 기상 모델인 MetPhoMod (METeorology and atmospheric PHOtochemistry mesoscale MODel)의 분석결과 중 바람장 자료를 이용하여 바람경계 입력자료로 사용하는 것을 특징으로 하는,
도시 개발 대상지역의 미래 기후환경 변화 예측 분석방법.
- 청구항 5에 있어서,
상기 4단계는,
상기 기후분석결과정보가,
상기 대상지역에 대한 기온분포정보를 포함하는 열환경분석정보,
상기 대상지역에 대한 건축물 구조에 따른 공기 정체 정보나 지표면 마찰과 열적 효과에 따른 난류정보, 기온의 증감 정보를 포함하는 대기순환분석정보,
상기 대상지역에 대한 바람의 흐름에 대한 정보를 포함하는 상세바람분석정보,
중 적어도 어느 하나를 포함하는 도시 개발 대상지역의 미래 기후환경 변화 예측 분석방법.
- 청구항 1에 따른 도시 개발 대상지역의 미래 기후환경 변화 예측 분석방법을 실행하는 시스템에 있어서,
개발 대상지역에 대한 지형자료정보를 제공하는 도시계획정보시스템(Urban Plan Information System, UPIS)으로부터, 상기 대상지역에 대한 미래의 개발 예상 계획정보를 제공하는 도시계획정보제공부;
상기 도시계획정보시스템에서 제공되는 정보를 유/무선 인터넷으로 수신받아, 상기 대상지역에 대한 미래의 개발 예상 계획정보를 가공하여 입력자료를 형성하는 입력자료형성부;
상기 입력자료형성부에서 제공되는 상기 입력자료를 이용하여 상기 대상지역에 대한 건물과 식생의 물리적 배치에 따른 온도, 바람을 포함하는 국지규모 기상변화의 정보를 분석하는 도시기후분석부(Climate Analysis Seoul, CAS); 및
상기 입력자료에 포함되는 지형정보 및 기상장 정보를 바탕으로, 전산유체역학모듈(Computational Fluid Dynamics, CFD)의 입력자료로 사용하여 상기 대상지역에 대한 상세 바람분석 정보를 형성하는 상세바람분석부;
상기 도시기후분석부 및 상기 상세바람분석부의 분석결과를 바탕으로, 상기 대상지역의 미래의 기후분석정보를 형성하는 기후영향평가정보제공부;
를 포함하는 도시 개발 대상지역의 미래 기후환경 변화 예측 분석시스템.
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