헥사곤 셀룰러 오토마타 기반 홍수 위험 구역 탐지

초록

본 논문은 디지털 지형 모델(DTM)을 기반으로 구글 지도 API에서 얻은 고도 데이터를 활용하고, 3차원 GIS와 WebGL 시각화를 결합한 홍수 시뮬레이션 시스템을 제안한다. 공간을 정육각형 셀룰러 오토마타(CA) 격자로 이산화하여 물 흐름을 지역 이웃 간의 상호작용 규칙으로 계산한다. 27 km × 19 km 규모의 탄지르 지역에 80 mm 강우를 1224시간 동안 가정해 시뮬레이션한 결과, ‘모고라’와 ‘아우아마’ 지역이 25 m 수준의 물 깊이를 보이며 고위험 구역으로 식별되었다.

상세 분석

이 연구는 기존의 사각형 격자 기반 CA 모델이 갖는 거리 비대칭성과 대각선 이웃 간의 불균형 문제를 정육각형 격자로 해결한다는 점에서 의미가 크다. 정육각형은 모든 인접 셀 간 거리가 동일하고, 이웃이 항상 변(edge)으로 맞닿아 있어 물 흐름을 보다 물리적으로 현실감 있게 모델링할 수 있다. 저자는 구글 지도 API의 Elevation Service를 이용해 연구 지역의 위도·경도·고도 데이터를 4 m × 4 m 크기의 정육각형 셀 단위로 추출하고, 이를 WebGL 기반 3D GIS에 매핑하였다.

CA의 전이 규칙은 ‘기본 파티션’ 개념을 도입해 각 파티션 내 셀을 고도 순으로 정렬한 뒤, 전체 물량을 가장 낮은 고도 셀에 우선적으로 배분하는 방식이다. 물량 W는 파티션 내 물 부피를 셀 면적으로 나눈 값이며, 물이 고르게 퍼지는 평형 수위 H를 계산한다. 이후 물이 남는 셀(k) 수에 따라 실제 물 깊이 h_i를 업데이트한다. 이 과정은 10 초 간격의 시간 스텝으로 진행되며, 각 스텝마다 셀 업데이트 순서를 무작위화함으로써 동시성 충돌을 최소화한다.

시뮬레이션 파라미터는 강우량 80 mm를 3일에 걸쳐 누적, 셀당 물 부피 증가율 1.1 × 10⁻³ m³/h, 셀 면적 4 m², 정육각형 변 길이 4.61 m 등으로 설정되었다. 결과는 12시간, 24시간, 그리고 추가 4시간 평형 단계별 물 깊이 분포를 3D 시각화하여 제시한다. 특히 ‘모고라’ 지역은 최대 4.8 m, ‘아우아마’ 지역은 최대 3 m의 물 깊이를 보이며, 이는 현지 강우·홍수 기록과 일치한다.

통계적으로는 전체 2,103개의 셀 중 평균 물 깊이 0.028 m, 표준편차 0.174 m, 최대 4.818 m를 기록하였다. 이러한 정량적 결과는 기존 GIS 기반 홍수 위험 평가보다 높은 공간 해상도와 동적 흐름 정보를 제공한다는 점에서 실용적이다.

한계점으로는 토양 투수성, 식생 커버, 토지 이용 변화 등 물리적 변수의 미포함과 강우 강도의 시간적 변동성을 단일 평균값으로 대체한 점을 들 수 있다. 향후 연구에서는 이러한 변수들을 전이 규칙에 통합하고, 다중 스케일(미시·중간·거시) 모델링을 통해 보다 정밀한 홍수 예측 체계를 구축할 계획이다.