Vol. 49 No 9. 2016. 9 | 55

학술/기술기사

Water for Future

1. 서론: 수자원 분야의 오픈소스 및 객체

기반 모형 활용

전 세계적으로 ICT 및 SW분야에 있어서 오픈소

스(open-source) 기반의 시스템 개발 및 활용이

크게 늘고 있는 추세이다. 오픈소스SW는 사전적

의미로 ‘소스 코드가 대중에게 공개되어 있으며,

특정 라이선스에 따라 자유롭게 복사, 수정, 개선,

재배포할 수 있는 SW’로 정의할 수 있다. 이런 오

픈소스의 특성 때문에 공짜 SW(freeware)와 혼동

되기도 하지만, 특정 라이선스에 따라 소스코드가

공개 되어 있음은 물론, 이를 자유롭게 복사, 수정

및 재배포의 권한을 부여 받는 점에서 공짜SW와

구별된다.1)

전통적으로 수자원 분야에서는 특히 수문해

석 분야에 있어 다양한 기관에서 개발한 오픈소

스 모형들이 존재하는데, 이는 연구성과의 확산

과 신기술 개발, 모형 SW개발 및 디버깅 등의 용

이성 확보를 위한 커뮤니티의 형성 등에 큰 역할

을 해왔다. 특히, 강우-유출 모형 등에 있어 오

픈소스와 연계한 객체지향 프로그래밍(Object-

Oriented Programming, OOP)은 상당히 활

성화 되어왔는데, 대표적으로 미국 지질조사국

(USGS)의 MMS(Modular Modeling System),

오픈소스 GIS 및 객체기반 수문모형을 활용한 수자원 기술 SW

김 성 훈 ●●●

K-water 미래기술본부 소프트웨어설계처 책임위원sunghoonkim@kwater.or.kr

노 준 우 ●●●

K-water 미래기술본부 소프트웨어설계처 책임연구원jnoh@kwater.or.kr

김 연 수 ●●●

K-water 미래기술본부 소프트웨어설계처 선임연구원yeonsu0517@kwater.or.kr

정 지 영 ●●●

K-water 미래기술본부 소프트웨어설계처 책임위원jyjung@kwater.or.kr

1) 신상희 (2016). 오픈소스 GIS, 미래를 여는 새로운 열쇠 http://endofcap.tistory.com/1044

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유럽의 OpenMI(Open Modeling Interface

and Environment), 일본의 OHyMoS(Object-

oriented Hydrological Modeling System),

CommonMP (Common Modeling Platform for

water-material circulation analysis) 등이 있

다. 이는 컴퓨터 프로그램을 명령어의 목록으로

보는 시각에서 벗어나 여러 개의 독립된 단위, 즉

“객체”들의 모임으로 파악하고자 하는 것이다. 각

각의 객체는 메시지를 주고받고, 데이터를 처리

할 수 있다. 프로그래밍 하고자 하는 대상을 추상

화(Abstraction) 하고, 캡슐화(Encapsulation) 하

여 계층구조는 상속(Inheritance)시키는 특징을 가

진다. 객체 지향 프로그래밍은 프로그램을 유연하

고 변경이 용이하게 만들기 때문에 대규모 SW 개

발에 많이 사용된다.2) 반면에 공간정보(GIS) 분야

에서는 기존의 기능적 한계를 넘어서기 위한 목표

로 오픈소스에 대한 기술적 발전이 빠르게 이루어

져왔고, 이미 전 세계적으로 다양한 곳에서 성공적

으로 활용되고 있으며 최근 선진국(일본, 유럽 등)

및 개도국(베트남 등)에서도 정부 및 공공기관 주

도의 오픈소스 GIS 도입 추세에 따라 오픈소스 기

반의 GIS Tool이 보편화되고 있다. 그 중 대표적

인 사례로 EU 회원국과 관련가맹국간의 공간정보

공유와 활용을 위한 통합 공간정보인프라(SDI)인

INSPIRE를 들 수 있다. 그 외에도 프랑스의 국립

지리원, 미국 국방부에서도 오픈소스 GIS가 성공

적으로 활용되고 있다. 국내에서도 국토교통부, 국

립공원관리공단 등을 중심으로 공공분야의 정보제

공서비스를 목적으로 오픈소스 GIS가 활발히 도입

되어 활용되는 추세이다. 또한, 이러한 공간정보를

직접적으로 활용하는 수자원 해석분야에서는 선진

국을 위주로 Tethys, WaterHub 등 오픈소스 GIS

또는 Web GIS를 활용한 접근이 이루어지고 있으

나, 국내에서는 여전히 ArcGIS 등 상용 GIS를 활

용한 수문지형 자료의 분석업무가 주를 이루고 있

어 지속적인 유지비용이 발생하고 SW의 개선 및

활용에 있어 여러가지 제약사항이 뒤따른다.

K-water는 2014년 말, 미래 50년을 위한 주

요 기반으로서의 기술 SW의 중요성을 재인식함

으로써 미래기술본부의 설계부문에 SW개발 기능

을 부가하여, 기존 기술 SW의 유지관리 수준을 향

상함과 동시에 K-water의 수자원 고유업무 영역

에 대한 표준화된 SW 개발을 강화하는 등의 역할

을 부여하였다. 그 중에서도 수문분야의 기반 기

술SW 로서는 GIS 및 장기유출모형을 우선적으

로 개발을 추진하였으며, 첫번째로 ‘15년 말 오픈

소스 GIS를 기반으로 한 K-water 자체 GIS Tool

인 K-GIS의 1차 개발을 완료하였다. K-GIS는

기본적인 범용 공간정보 해석기능과 함께 수자원

해석에 필요한 목적별 기능별 GIS 응용 기술 확

보(현재기준 유역분할 기능, 댐 위치선정 등 부가

적인 기능 탑재)를 통해 K-water의 관련사업 및

외부활용이 가능하도록 구성하였으며, 지속적으

로 표준화, 모듈화, 통합화를 통하여 수자원 분야

의 오픈소스 기반 자료 전처리 SW로 확대할 예정

에 있다. 다음으로 장기유출분야에서는 객체기반

(MMS) 오픈소스 수문모형인 PRMS(미 USGS)

를 기반으로 K-GIS의 지형자료 전처리 기능을

연계하고, 입출력 자료처리를 위한 K-water 표

준 인터페이스 개발로 구성된 범용 수문모형인

K-BASIN을 개발 중에 있다. 본 고는 이들의 상

세한 개발 현황 및 소개와 함께 향후 개발방향을

기술함으로써 수자원 분야의 오픈소스 모형 활용

을 기반으로 SW생태계를 마련하고자 작성되었다.

2. 오픈소스 GIS 기반의 공간정보처리

Tool 개발 (K-GIS)

K-GIS는 오픈소스 GIS를 기반으로 개발된

2) 안현욱, K-BASIN 자문보고서, K-water (2016)

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오픈소스 GIS 및 객체기반 수문모형을 활용한 수자원 기술 SW

Water for Future

SW이며, 공간정보 처리를 위한 사용자 편의환경

(GUI)을 제공하고 다양한 수자원 지형공간 정보처

리 알고리즘을 구현하고자 한다. 현재까지 개발된

주요 기능은 ① 유출분석을 위한 티센망 자동생성

기능을 통하여 면적강우량을 결정하는 티센계수를

산정하고, ② 분포형 수문분석 모형의 입력자료

생성을 위해 전지구적으로 제공되는 DEM(30∼

90m)을 기반으로 격자 형태의 하천과 유역을 생

성하고 격자기반 모형의 입력양식에 맞게 ASCII

형태로 변환, ③ 미계측 유역 신규 댐적지 선정을

위한 댐 저수용량 산정 등이다. 이 밖의 기능들은

활용목적에 맞게 지속적으로 개발되고 추가될 예

정이며, 각각에 대한 보다 상세한 설명은 다음과

같다.

2.1 수문분석용 티센망 자동 생성

면적별 평균강우량 산정을 목적으로 티센망을

생성하고 계수 및 해당면적을 산출함으로써 강

우-유출 모형 입력자료 구축시 활용할 수 있는 기

능을 K-GIS에 추가하였다. 티센방법은 유역 내

어떤 지점의 강우량이 해당위치에서 가장 가까운

강우관측소에서 관측된 강우량과 동일하다고 가

정, 유역의 강우관측소를 직선으로 연결하여 이를

2등분해서 생기는 직선으로 다각형을 형성하고 다

각형의 면적을 가중치로 구성하여 각 영역에 대한

면적평균 강우량을 산정하는 기법이다. K-GIS는

티센망 생성을 위하여 보로노이 알고리즘을 도입,

영역별 면적을 산정하고 이에 대응하는 티센계수

를 자동으로 계산하도록 구성하였다. 또한 분할된

영역을 DEM과 Shp 형태로 자동 추출하여 타 시

스템에서 활용할 수 있는 편의 기능을 제공한다.

그림 1에 티센망 생성을 위해 구성한 K-GIS의 인

터페이스를 나타내었다.

2.2 DEM기반 분포형 유출모형의 입력자료 생성

추가적으로 K-water에서 활용중인 격자기

반의 분포형 수문모형의 입력자료 생성기능을 개

발하였다. Tau DEM의 기능을 도입하여 유역의

DEM Fillsink, FD(Flow Direction), FA(Flow

Accumulation), 하천선 추출 기능 등과 이를 기

반으로 소유역 분할 등 일반적인 절차를 거쳐

그림 1. K-GIS의 티센망 생성기능

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DEM을 보정하게 된다. K-GIS는 이들 작업을 순

차적으로 진행하고 토지이용도 및 토양도에 따라

격자별 속성을 부여한 뒤에 분석결과를 ASCII형

태의 파일로 출력하는 기능을 담당한다. DEM 및

토지이용도 등의 원시자료가 서로 상이한 좌표계

를 가지는 경우 이를 일치시키기 위한 좌표변환

기능을 추가하였으며, 해상도 조정, 병합, 분할 등

기본적인 지형자료 처리에 필요한 기능도 함께 탑

재하였다. 그림 2와 같이 K-GIS의 기본인터페이

스를 구성하였고, 수문모형에 활용성이 높은 기능

을 순차적으로 배치하여 일괄적으로 처리할 수 있

도록 구성하였다.

그림 2. K-GIS의 수문지형자료 처리를 위한 기본 인터페이스

2.3 GIS 기반 댐저수지 저수용량 및 발전량 산정

K-GIS의 부가기능으로 해외 수력발전 사업

등 신규댐 개발 사업시 필요한 저수용량을 DEM

을 활용하여 간략히 계산할 수 있도록 하는 저수

용량 산정 기능을 추가하였다. 기존 방법은 DEM

을 기반으로 등고선을 추출하고 고도별 해당 면적

을 구한 다음 이를 수심에 따라 적분하는 방법으

로 저수지 용적을 산정하는 반면, K-GIS는 내장

된 fill-sink 기능을 활용하여 사용자가 지정해준

특정 고도 이하에 해당하는 영역을 채우는데 필요

한 용적을 계산하는 방식으로 저수지 전체용량을

산정한다. 하천방향에 직각방향으로 두 점을 선정

하고 두 지점을 연결한 직선을 댐체로 가정한 후,

이를 기준으로 상류단에 해당하는 영역의 체적

을 계산함으로써 전체 용적을 구하게 된다. 고도

별 면적과 용적을 단계별로 테이블 형태로 표현할

수 있도록 인터페이스를 구성하여 계산된 결과를

엑셀형식 등으로 출력할 수 있는 기능도 탑재하였

다. 저수지 건설에 따른 침수영역을 시각적으로

표현하기 위하여shp파일 형태로 출력할 수 있는

기능 이외에도 Google Earth에서 표현할 수 있도

록 하였다 (그림 3).

현재는 기능 고도화를 통해 저수용량 산정기능

을 통해 도출된 댐 유량을 기초로 발전 시설물 네

트워크 구성에 따른 손실수두를 계산하고, 유량에

따른 손실수두의 변화에 따라 각각의 정격낙차를

적용한 연간 발전량을 산정하는 수로식 발전량 산

정모듈과 연간 운용방식에 기초하여 발전사용수

량과 낙차를 정하여 발전의 적정 규모를 결정하는

댐식 발전량 산정기능을 개발중에 있다.

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오픈소스 GIS 및 객체기반 수문모형을 활용한 수자원 기술 SW

Water for Future

3. 오픈소스 객체기반 수문모형 SW 개발

(K-BASIN)

강우-유출 모형은 크게 분포형 및 집중형 모형

으로 구분할 수 있다. 최근 컴퓨팅 기술의 발전으

로 인하여 물순환 정보를 물리적으로 처리할 수

있는 격자 기반의 분포형 유출모형의 활용이 늘어

나고 있다. 그러나 장기 유출해석 또는 예측을 위

해서는 많은 계산량을 요구하는 분포형 유출모형

에 비하여 집중형 또는 준분포형 유출모형의 활용

이 여전히 지배적이다. 분포형 유출모형은 유역

의 지형, 토지이용도, 토양 등 수문학적 특성을 표

현할 수 있는 격자기반의 자료가 필요한 반면, 집

중형 혹은 준 분포형 모형은 지형적인 특성이 유

사한 소유역 단위로 구분된 자료를 필요로 한다.

K-BASIN은 장기유출 모의에 중점을 두고 미국

USGS에서 개발된 MMS적용 모형(PRMS)을 기반

으로한 자체 수문해석 모형 및 SW이다.

PRMS는 원개발기관인 USGS에서 지속적인 업

데이트를 거쳐 현재 4.0 버전까지 배포되었으며,

최근 버전은 유역 특성에 적합한 수문학적 모듈을

선택적으로 적용가능 할 뿐만 아니라 별도로 개발

된 MODFLOW와 연계하여 지하수 거동도 함께

고려할 수 있는 장점이 있다. 본 절에서는 사용자

의 편의성 개선을 위하여 입력자료 구축과 매개변

수를 추출을 위해 개발한 K-GIS기반의 전처리기

와 함께 객체기반 모형의 개선 및 결과분석을 위한

GUI 개발 등을 설명하고자 한다.

3.1 K-BASIN 전처리기 개발

PRMS 모형은 유역으로부터의 유출량 조사를

위하여 전국유역조사에 주로 활용되어왔으며 현재

도 활용되고 있다. 모형 구동에 필요한 지형자료

처리를 위하여 ArcGIS기반의 GIS weasel 또는

CRT 프로그램이 제공되지만 데이터 및 환경이 개

발국과 상이한 관계로 국내 여건을 반영하여 입력

자료의 구축이 용이하도록 별도의 전처리 프로그

램이 된 바 있으나(한국수자원공사, 2006), 기존

프로그램은 상용 SW인 ArcGIS를 기반으로 하기

때문에 배포에 어려움이 있으며, PRMS모형이 지

속적으로 업데이트되어 입출력 구조, 구동 알고리

그림 3. K-GIS의 댐용량산정기능

60 | 물과 미래

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Water for Future

즘 변동에 따른 입력변수 추가, 삭제 등에 대응에

한계가 있어 새로운 SW의 필요성이 대두되었다.

이에 금회 개발된 오픈소스 기반의 K-GIS를 도입

함으로써 K-BASIN에 필요한 지형자료 전처리기

를 구축하였다.

K-BASIN의 전처리기는 HRU(Hydrologic

Response Unit) 분할기능, HRU별 매개변수 추

출기능, HRU군집기능(소유역 분할) 등의 기능을

탑재하였고 HRU분할시 Threshold 지정을 통하

여 군집화하는 작업과 함께 국내에서 보편적으로

활용하고 있는 수자원 단위지도의 활용도 가능하

도록 구성하였다, (그림 4).

(a) Threshold지정을 통한 HRU분할

(a) 임상도 재분류를 통한 매개변수 추출

그림 4 K-GIS 기반의 HRU분할

그림 5 K-GIS 기반의 K-BASIN 매개변수 추출기능

(b) 수자원단위지도를 활용한 유역분할

(b) 토양도 재분류를 통한 매개변수 추출

또한, 분할된 HRU별 매개변수 추출을 위하

여 토지이용, 토양도, 임상도 등의 자료를 활용하

여 각 분류기호별로 특성에 맞는 매개변수 추정

을 수행하였다(그림 5). 최근 PRMS 버전이 업데

이트(v.4.01→v.4.02) 됨에 따라 HRU간의 흐름

연계를 고려할 수 있도록 기존에 구축한 매개변

수 추출시스템을 대체 및 개선이 가능하도록 하

였다. 현재 PRMS와 유사한 장기유출해석 모형인

SWAT모형의 전처리 기능도 추가 구축하여 활용

성을 높일 계획이다.

Vol. 49 No 9. 2016. 9 | 61

오픈소스 GIS 및 객체기반 수문모형을 활용한 수자원 기술 SW

Water for Future

3.2 K-BASIN 모형 개선 및 GUI 개발

K-BASIN모형은 USGS의 PRMS모형을 기

반으로 장기유출해석을 위하여 융설, 증발산, 지

하수 모델연계 등을 고려하여 개발하였으며, 앞

서 언급한 PRMS 4.0.2버전의 신규기능도 적용

이 가능하다. C언어와 Fortran언어로 복합구성

된 소스코드를 윈도우 상에서 컴파일하여 자체적

으로 구동할 수 있도록 개선하였으며, PRMS모형

의 국내도입시 활용시 발생할 수 있는 출력에러

및 단위변환에러 등을 수정하였고, Monte Carlo

Simulation을 활용한 민감도 분석 기능을 개발 중

에 있다. 또한, 기존의 모델이 Linux기반으로 구

성되어 있어 활용이 어렵고, 입력자료 구축을 위

하여 별도의 SW를 활용이 필요했던 점을 개선하

고, 후처리 GUI를 금회 별도개발하여 결과 표출

과 매개변수 최적화 는 민감도 분석 등을 가능하

게 함으로써 국내 사용자가 활용이 쉽도록 구성하

였다(그림 6).

(a) 모듈선택을 통한 프로그램 구성

그림 6 K-BASIN을 활용한 모듈 구성 및 모의 결과 처리

(b) 모의결과 처리

모듈 선택 및 매개변수 입력을 위하여 사용자

가 입력 자료를 직접 조작하거나 기타 SW와 연

계가 불필요하며 사용자가 K-GIS의 전처리기와

K-BASIN GUI를 활용하여 모델의 구동이 가능

하다. 또한, 용담댐 유역을 시범유역으로 샘플파

일과 매뉴얼을 제공하여 초보 사용자도 쉽게 활용

할 수 있도록 구성하였다. 추후 모형의 고도화 및

전문가의 활용을 위하여 매개변수 최적화 기능이

탑재할 계획이며, 지하수모형인 MODFLOW와 결

합한 형태(GSFLOW)로도 활용이 가능하도록 수

정중에 있다.

4. 결론: 개발 SW의 활용전망 및 미래

K-GIS는 기존 상용 GIS에서 주로 수행해 오던

수문분석에 필요한 지형정보 처리 기능을 오픈 소

스 GIS로 대체하여 개발도상국이나 해외사업 등

에 활용도를 높이자는 취지에서 개발되었으며 특

히 저수용량 산정기능은 DEM상에서 간단한 마우

스 조작만으로 개략적인 저수용량 산정이 가능하

도록 구성하고 현재 발전량 산정용 프로그램 등과

연동을 꾀하고 있어, 향후 해외사업 수행시 신규

유역을 대상으로 하는 댐설계 업무 등에 활용성이

높을 것으로 판단된다.

K-BASIN은 매개변수 및 모듈별 선택적 활용

62 | 물과 미래

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이 가능한 객체기반의 장기유출 모형을 국내 실정

에 맞게 수정·보완하고, 전처리 기능은 기 개발

된 K-GIS로 대체하여 기술확산을 도모하고자 한

다. 그간 국내에서는 전국유역조사, 수자원장기종

합계획, 환경영향평가 등 수자원 해석시 각 수행

기관 별로 사업목적에 맞추어 개발된 SW를 활용

하였으나, 모형SW 및 자료 등의 공유가 미흡하여

도출된 결과의 객관적 평가 및 지속적인 기술력

향상의 저해요인으로 작용해왔다. 반면, 유럽, 미

국, 일본 등에서는 다양한 수자원 해석을 위한 SW

의 표준화, 모듈화, DB활용 등을 통해 SW고도화

및 분석 업무의 효율성 제고가 일정부분 가능했던

것으로 보인다. K-water는 현재 자체적인 기술

SW개발 플랫폼을 검토중에 있으며 이러한 개발형

태 또한 오픈함으로써 産學硏 내·외부 개발 생태

계를 확보하는데 주력하고자 한다. 물론 K-water

의 모든 SW에 대한 라이센스 정책이 공개일 수는

없을 것이지만, 이러한 시도가 향후에는 K-water

뿐만 아니라 우리나라 수자원분야의 기술력이 SW

분야에서도 보다 확산되는 발판이 되기를 기대하

는 바이다.

참고문헌

신상희 (2016). 오픈소스 GIS, 미래를 여는 새로운 열쇠 http://endofcap.tistory.

com/1044

건설기술연구원 (1993) 수문모형 평가에 관한 연구 (강우-유출모형을 중심으로)

한국수자원공사 (2011) 하천유량관리시스템 구축을 위한 장기유출모의 모형 개발

한국수자원공사 (2006) 용담댐 시험유역 특성자료 분석 연구

Jos Beckers, Brian Smerdon, and Matt Wilson (2009). “Review of hydrologic

models for forest management and climate change applications in British

Columbia and Alberta” FORREX, British Columbia, Canada