1. 서 론
해안사구는 바다와 육지의 경계부에서 오랜기간에 걸쳐 자연이 만들어낸 모래언덕으로, 해류와 연안류에 의해 운반된 모래가 해빈으로 올려지고, 이후 탁월풍의 작용으로 해빈의 뒤에 쌓여서 형성된 퇴적지형이다(Goldsmith 1985, Hesp and Martínez 2007). 해안사구는 지형적으로 고유한 구조를 가지며 횡단면을 기준으로 전사구, 사구마루, 사구저지, 배후사구로 구분된다(Hesp 2002, Hesp 2011). 입체적 관점에서 전사구는 해빈과 맞닿은 지점에서 해안선과 평행하게 연속적인 사구열을 형성하고 이를 1차사구라고 한다(Otvos 2000, Bauer et al. 2025).
우리나라 서해안과 남해안에는 한강과 금강, 영산강과 같은 대하천의 하구를 따라 모래와 실트가 공급되어 넓은 사질 해안과 갯벌이 형성되어 있다. 특히 큰 대조차에 의해 넓게 드러나는 간석지에서 겨울철 강한 북서풍의 영향으로 다량의 모래가 육지로 이동하여 해안사구가 잘 발달해 있다(Rhew 2001).
해안사구의 핵심적인 생태계 서비스는 방재기능과 서식지 기능이다(Barbier et al. 2011, Jung and Seo 2024). 첫째, 해안사구는 해빈과 간석지로부터 바람에 의해 유입된 모래를 저장하였다가 폭풍이나 해일 발생시 모래를 해빈과 간석지로 되돌려주는 자연방파제 역할을 수행한다(Psuty and Ofiara 2002, Choi et al. 2011). 둘째, 해안사구는 사구성 고유종과 멸종위기종의 서식지로서 국가 생물다양성 유지에 기여한다(Pardini et al. 2015, Min and Park 2012). 갯그령, 해당화, 순비기나무는 사구성 식물이다. 닻무늬길앞잡이는 서해안의 극히 일부 해안사구에서만 발견되는 멸종위기야생생물I급(이하 멸I급) 곤충이며, 표범장지뱀(멸II급)은 태안반도 신두리사구가 국내 최대 서식지이다. 흰물떼새(멸II급)는 전사구에 둥지를 트는 희귀한 새로 제주도의 해안사구가 대표적인 서식지이다(NIE 2018~2023).
이러한 해안사구의 생태계 서비스를 유지하는 핵심 요소는 전사구가 보유한 모래량이다. 국립생태원과 환경부가 수행한 ‘전국 해안사구 보전관리를 위한 일반현황 조사’에서는 전사구 모래량을 해안사구의 역동성과 규모를 평가하는 핵심 지표로 활용하였다(NIE 2017a). 해당 연구에서는 해빈에서 전사구 정상부까지의 단면적(area)을 기반으로 모래량을 산출하였다. 일반적으로 해안사구에서 단면의 특성을 보는 경우는 침식 등의 시간적 변화가 우려되는 지점을 선정하여 시기별로 침식단면을 추정한 사례가 있다(Cohn et al. 2022). 그러나 이는 부피(volume)로 표현되는 진정한 모래량을 나타내는 것이라고 할 수 없다. 또한, 단일 대표단면의 면적을 해당 해안사구 전체의 모래량으로 제시하는 방식은 대표성의 한계를 지닌다.
한편, 해안사구는 도시화, 관광 개발, 기후변화 등 인위적·자연적 요인에 의해 지속적인 위협을 받고 있다(Kang et al. 2017). 따라서 해안사구의 효과적인 보전과 관리를 위해서는 전사구의 모래 저장량을 정확하게 산정하고 그 변화를 체계적으로 모니터링하는 것이 필요하다.
최근 무인항공기에 탑재 가능한 라이다 센서의 소형화로 다양한 분야에서 3차원 측량 및 분석 기술이 발전하고 있다. 해안사구는 주변에 높은 산이나 고층 건물과 같은 비행 장애물이 적은 개방형 지역에 위치하며, 우리나라의 해안사구는 대부분 중소 규모로서 드론 라이다 기술의 적용 가능성이 높다(Choi 2016, Choi et al. 2023, Jung et al. 2024).
본 연구에서는 드론 라이다를 활용하여 해안사구의 미세 지형을 정밀 측정하고, 고유 지형을 분리하여 모래 저장량을 입체적으로 산정하는 방법을 체계적으로 제시하고 고찰하고자 한다. 아울러 신안군 소재 해안사구에 실제 적용하여 현장 기반 활용성을 검증하고, 겨울 계절풍에 따른 모래 이동 양상과 침·퇴적의 공간적 특성을 분석하였다.
2. 연구 방법
2.1 현장 조사
본 연구에서는 전라남도 신안군 비금면에 위치한 첫구지사구를 대상지로 선정하였다. 첫구지사구는 길이 973 m, 최대폭 480 m이며, 사구면적 305,101 m2로 중형사구에 해당한다(NIE 2024). 이 사구는 넓은 전사구와 배후사구의 해안림을 보유하고 있어 자연성이 양호하게 유지되고 있다. 또한 서해안 해안사구 형성에 주요한 영향을 미치는 북서계절풍의 작용으로 해빈의 모래가 남동 방향으로 이동하여 전사구가 형성되고 배후사구가 성장하는 등 사구의 역동성이 뚜렷하게 나타나는 지역이다.
현장조사는 2024년 가을(9월)과 겨울(12월)에 총 2회 수행하였다. 조사 장비는 드론(DJI Matrice 300), 라이다 센서(GVI LiAir X3), GNSS 수신기(Trimble R12i)를 활용하여 해안사구의 고해상도 지형 데이터를 취득하였다. 드론 라이다 측량은 현장 조사 당일의 기상 조건을 고려하여 최적의 비행 경로와 운항 시간을 설정하였다. 비행 고도는 100 m, 비행 속도는 5 m/s로 설정하였으며, 데이터의 정밀도 확보를 위해 종중복도 20%, 횡중복도 50%를 적용하였다.
2.2 분석 체계
본 연구에서는 드론 라이다로 취득한 데이터로부터 PCD (Point Cloud Data)를 생성하고, 이를 기반으로 해안사구의 고유 지형을 추출하여 전사구 모래량을 산정하였다. 분석 과정은 데이터 전처리, 수치표고모델 제작, 사구 지형 분석, 모래량 산정으로 구분되며(Fig. 1), 세부 절차는 다음과 같다.
① PCD 최적화: 라이다 센서의 위치 및 자세 보정을 수행한 후 원본 데이터를 정합하고 노이즈를 제거하여 최적화된 PCD를 생성하였다(Fig. 3a).
② 지면점 분리: 드론 라이다는 초기수신신호(first return)와 말기수신신호(last return)가 분리되어 기록되는 특성을 지닌다. 이러한 특성을 활용하여 지면점과 비지면점 객체(초본, 목본, 건물 등)를 분리하고, 대상 경계 영역 내 실제 모래 지면의 고도값을 추출하였다(Yoon 2006) (Fig. 3b).
③ 수치표고모델(DEM) 제작: 지면분리 전·후의 정제된 PCD를 활용하여 DSM (Digital Surface Model)과 DEM (Digital Elevation Model)을 제작하였다(Fig. 2).
④ 횡단면군 추출: 지면점이 분리된 PCD를 기반으로 해안선을 따라 20 m 간격으로 사구의 횡단면을 추출하였다. 횡단면의 폭은 최소값인 0.01 m를 적용하였으며, 해안선 길이 약 1 km 규모의 사구에서는 약 50여개의 횡단면이 추출된다(Fig. 3c).
Fig. 3.
Stepwise process for estimating foredune sand volume on coastal dunes: (a) PCD generation, (b) ground-point classification (vegetation and building removal), (c) cross-shore transect delineation (20 m interval), (d) delineation of 3-D shoreline, foredune-toe and dune-crest lines, (e) separation of 3-D foredune area, and (f) estimation of foredune sand volume.
⑤ 사구지형 구분점 설정: 추출된 각 횡단면도에서 사면 기울기의 변곡점과 전사구의 최고점을 추출하여 전사구시점(foredune toe)과 사구마루(dune crest)를 설정하였다(Fig. 3d).
⑥ 입체지형 생성: 각 횡단면에서 추출된 전사구시점을 연결하여 전사구시점열(foredune toe polyline)을 생성하고, 사구마루 지점을 연결하여 사구마루열(dune ridge polyline)을 구축하였다. 이를 통해 해안선, 해빈, 전사구시점, 사구마루를 입체적으로 구분하는 고해상도 공간자료를 구축하였다(Fig. 3e).
⑦ 전사구 모래량 산정: 전사구시점열에서 사구마루열까지의 영역에 대해 체적을 산정하였다. 이때 기준면의 높이는 전사구시점열의 평균 고도값을 적용하였다. 즉, ⑥에서 생성한 해안선과 나란하게 추출된 전사구시점열과, 그리고 사구마루열을 입체적으로 연결하게 되면 사구경계 영역안에서 전사구를 입체적으로 분리할 수 있다. 그리고, 이 전사구의 3D 부피(volume)를 수치적으로 계산하면 모래량을 산출할 수 있다(Fig. 3f).
⑧ 전사구의 침퇴적 분석: 북서계절풍에 의한 사구 지형 변화를 파악하기 위하여 가을과 겨울 두 시기의 전사구 모래량을 비교 분석하였다. 이를 통해 침식 및 퇴적이 발생한 구역을 식별하고, 모래 변화량을 정량적으로 산출하였다(Fig. 4).
2.3 수치표고모델 구축
③에서 제시한 방법에 따라, 1차 현장조사(2024년 9월)에서 취득한 PCD를 기반으로 DSM을 제작하였으며, 지면분리 알고리즘을 적용하여 정제된 PCD로부터 5 cm 해상도의 DEM을 생성하였다(Fig. 2).
사구 경계구역 내 포인트 클라우드를 기준으로 서쪽에서 동쪽 방향으로 20 m 간격의 횡단면을 설정하여 총 53개의 횡단면을 추출하였다. 현장조사를 통해 전사구 지형으로 판단되는 구역을 선정하여 각 횡단면에서 사구시점과 전사구마루를 추출하고, 해안선 공간정보를 추가하여 표고값을 포함한 폴리라인을 생성하였다.
3. 결 과
3.1 전사구 모래량 산정
1차 조사에서 상부 해빈의 폭은 해안선에서 사구시점열까지의 거리를 측정한 결과, 최소값 2.06 m, 최대값 18.92 m로 나타났다. 53개 횡단면에서 추출한 사구시점의 평균 표고는 2.68 m이었으며, 이를 기준 높이로 적용하여 산정한 전사구 전면부의 모래 저장량은 35,241 m3이었다(Fig. 4a).
2차 조사(2024년 12월)는 계절풍에 따른 사구 미지형 변화를 관측하기 위해 1차 조사와 동일한 방법으로 수행하였다. 상부 해빈의 폭은 최소값 6.71 m, 최대값 18.22 m로 나타났다. 비교 분석의 일관성을 위해 사구시점의 평균 표고를 1차 조사와 동일하게 2.68 m로 적용하였으며, 이를 기준으로 산정한 전사구 전면부의 모래 저장량은 32,715 m3 이었다(Fig. 4b).
3.2 침퇴적 분석
계절풍 특성을 파악하기 위해 신안 비금도에 설치된 기상청 자동기상관측장비(AWS)의 풍향 및 풍속 자료를 분석하였다. 2024년 바람장미 분석 결과, 여름철에는 남풍, 남서풍, 남동풍이 우세하였으며, 특히 8월에는 태풍 ‘종다리’의 영향으로 강한 남풍이 관측되었다. 겨울철에는 강한 북서풍이 집중적으로 발생하였으며, 그 영향은 이듬해 봄까지 지속되는 것으로 나타났다(Fig. 5).
1차(가을)와 2차(겨울) 조사 결과를 비교하여 겨울 계절풍이 전사구의 모래 침식 및 퇴적에 미친 영향을 정량적으로 분석하였다. 분석 결과, 1차 조사 대비 2차 조사에서 퇴적량은 572 m3, 침식량은 1,809 m3로 나타났으며, 순 변화량은 -1,237 m3로 전사구 전면부에서 모래의 순손실이 발생한 것으로 확인되었다(Fig. 4c).
4. 고 찰
국립생태원은 전국 해안사구 자연환경조사를 통해 목록화된 207개 사구를 대상으로 횡단면 기반의 2차원 면적법으로 모래량을 산출하였다(NIE 2017b). 이 방법은 사구당 한 개의 대표 측선을 설정하고, 해당 횡단면에서 해빈부터 사구마루까지의 면적을 전사구 모래량으로 산정하여 사구의 역동성과 규모를 분류하는 지표로 활용하였다. 그러나 이 방법은 공간적 대표성의 한계를 지닌다. 해안사구는 해안선을 따라 형태적 변이를 보이므로, 단일 측선에서 측정된 데이터가 사구 전체를 대표하기 어렵다.
최근에는 UAV LiDAR 기반의 고해상도 3차원 지형자료를 구축하여 해빈–전사구 시스템의 미지형 변화를 파악하고 있다(Troy et al. 2021, Pinton et al. 2022), 그러나, 본 연구는 전사구의 고유 지형을 체계적으로 분리하고, 해당 경계 내에서 모래 저장량을 지형단위 기반으로 산정하는 절차를 제시하였다. 특히 단순한 DEM 차분에 의존하기보다, 전사구를 구성하는 형태 요소(전사구시점-전사구마루)를 구분하여 실질적인 전사구의 모래 저장량을 계산하였다. 첫구지사구를 대상으로 20 m 간격의 총 53개 횡단면을 추출하여 분석함으로써 사구 내 공간적 변이를 반영하고자 하였다.
본 연구에서 제시한 드론 라이다 기반 3차원 체적법은 해안선을 따라 발달한 전사구열을 입체적으로 분리하여 체적을 산정하는 방법으로 기존의 2차원적 방법론의 한계를 극복하였다 기존의 2차원 면적법으로 첫구지사구를 대상으로 대표 횡단면에서 전사구시점에서 전사구마루까지의 단면적(area)을 계산한 값은 51.87 m2이다(Fig. 6a). 그렇지만, 본 연구를 통해 고안된 3차원 체적법으로 동일 사구에서 전사구시점열에서 전사구마루열까지의 전사구의 부피(volume)를 계산한 값은 35,241 m3 이다(Fig. 6b). 이와 같이 모래량은 면적이 아니라 부피로 표현되어야 해당사구의 전사구 모래량을 대표하는 진정한 값이라고 할 수 있다.
고해상도 DEM을 기반으로 전사구 전체에 대한 연속적인 체적 계산이 가능하다. 첫구지사구 사례에서와 같이 사구 경계 내에서 전사구시점열과 사구마루열을 생성하여 전사구의 형태를 정밀하게 도출할 수 있다. 또한 PCD에 지면점 분리 기술을 적용하여 모래 표면 위에 존재하는 인공 구조물과 교목의 고도를 지면점 값으로 보정하였다. 이 과정을 통해 전사구에 설치된 건축물이나 수목의 부피를 제외하고 순수한 모래량만을 산정할 수 있어 정확도가 향상된다. 3차원 체적법은 해안사구 모래 저장량의 정량적 변화를 파악할 수 있을 뿐만 아니라, 침식과 퇴적의 공간적 분포를 구체적으로 확인할 수 있다. 본 연구에서는 두 시기 간 전사구열의 총 모래 저장량 변화(35,241 m3 → 32,715 m3)와 함께 퇴적우세 구역 및 침식우세 구역의 공간분포를 파악하였다.
우리나라 서해안의 해안 지대는 지리적 입지상 겨울철 북서계절풍과 여름철 태풍에 의해 활발한 지형 변화가 발생한다(Rhew 2001). 첫구지사구에서 9월과 12월 두 시기를 비교한 결과, 예상과 달리 3개월간 사구 경계 내 모래량이 일부 감소한 것으로 나타났다. 공간 분포를 살펴보면, 전사구열을 따라 전반적으로 약한 침식이 나타났으며, 특히 남단에서 강한 침식이 발생하였다. 반면 사구식물이 발달한 일부 구역에서는 퇴적이 관찰되었다. 이러한 결과를 종합하면, 첫구지사구에서는 겨울철 강한 북서풍 초기에 모래 이동이 발생하였으나, 이동한 모래가 전사구에 퇴적되지 못하고 경계 영역 밖으로 유출된 것으로 해석된다. 이는 최근 사구 배후지를 따라 건설된 해안도로와 관련이 있을 것으로 판단된다(NIE 2024). 전사구에서 이동한 모래가 해안도로에 퇴적된 후 전사구나 배후사구로 재이동하지 못하는 것으로 추정되며, 이러한 인위적 요인이 사구의 자연적 모래 순환 체계에 영향을 미치고 있을 가능성이 있다.
본 연구는 국내 해안사구에 드론 라이다 기반 3차원 체적 측정법을 적용하여 모래량을 정량화하고 계절적 변화를 분석하는 방법을 제시하였다는 점에서 의의가 있다. 특히 전사구시점열과 사구마루열을 기준으로 한 표준화된 체적 산정 절차를 제시함으로써 향후 다른 해안사구에의 적용 가능성을 높였다.
해안사구는 바람, 파랑, 조류 등 다양한 자연적 요인에 의해 침식과 퇴적이 반복되는 고도의 역동적 환경으로, 특정 시점에서 획득된 지형 자료는 단기간 내 변동될 수 있다. 이러한 특성으로 인해 단발성 측정 결과만으로는 전사구의 장기적인 변화 추세나 모래 저장량의 증감 방향을 충분히 해석하는 데 한계가 있다. 본 연구에서 제시한 전사구 지형 분리 기반 3차원 모래 저장량 산정 방법은 동일한 분석 절차를 반복 적용할 수 있는 구조를 갖추고 있어, 시기별 자료의 누적을 통해 장기적 변화 양상과 계절·기후 요인에 따른 반응을 파악하는데 유용할 것이다.
그렇지만, 본 연구는 단일 사구를 대상으로 두 시기의 변화만을 분석하였다는 한계가 있다. 향후 다양한 규모와 유형의 해안사구에 본 방법론을 적용하여 일반화 가능성을 검증할 필요가 있다. 또한 국내 해안사구의 체계적인 관리를 위해서는 본 연구에서 제시한 방법론을 기반으로 표준화된 측정 프로토콜과 모니터링 체계를 마련하는 것이 필요하다.
5. 결 론
해안사구는 바다와 육지의 경계부에서 형성된 퇴적지형으로, 자연방파제 역할과 생물다양성 유지에 기여하는 중요한 생태계 서비스를 제공한다. 이러한 기능을 유지하는 핵심 요소는 전사구가 보유한 모래량이다. 이는 현재 생태계 조사에서 사구의 역동성과 규모를 평가하는 핵심 지표로 활용하고 있으며, 해안사구의 효과적인 보전과 관리를 위해서는 모래 저장량의 정확한 산정과 변화 모니터링이 필수적이다. 그러나 기존의 횡단면 기반 2차원 면적법은 단일 대표 측선을 사용하여 공간적 대표성의 한계가 있었다. 본 연구에서는 드론 라이다를 활용하여 해안사구의 미세 지형을 정밀 측정하고, 전사구 모래량을 입체적으로 산정하는 3차원 체적법을 제시하였다. 연구대상지는 전라남도 신안군에 위치한 첫구지사구이며, 2024년 가을과 겨울에 현장조사를 수행하였다. 취득한 공간 데이터로부터 고해상도 수치표고모델을 제작하고, 해안선을 따라 일정 간격으로 다수의 횡단면을 추출하여 전사구시점열과 사구마루열을 생성한 후 체적을 산정하였다. 두 시기의 비교 분석을 통해 북서계절풍에 의한 전사구 모래량의 증감을 파악하였으며, 전사구열을 따라 전반적인 침식과 함께 사구식물 발달 구역에서의 국지적 퇴적 양상을 확인하였다. 본 연구는 드론 라이다 기반 3차원 체적법을 국내 해안사구에 적용하여 모래량의 정량화와 시계열 변화 분석이 가능함을 검증하였으며, 표준화된 절차를 제시하여 향후 해안사구 모니터링 체계 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
