[논문]시화호 연안습지 식생의 공간 분포 분석

정종철; 조홍래

시화호 연안습지 식생의 공간 분포 분석
The Spatial Distribution Analysis of Coastal Wetland Vegetation in Sihwa Lake 원문보기

환경영향평가 = Journal of environmental impact assessment, v.17 no.2, 2008년, pp.105 - 112

정종철 (남서울대학교 지리정보공학과) , 조홍래 (서울대학교 환경대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

Human activity has been the major threat to wetlands. Agriculture, industrial development, and urban and suburban sprawl have caused the greatest losses of coastal wetlands. In fact, riceland agriculture, because of the flooding that goes with it, provides some additional wetland habitat not otherwise available. The biggest current source of loss for freshwater coastal wetlands is from urban sprawl. In this study, spatial analysis method such as landscape index were applied to Sihwa area in Ansan city. The SMA (Spectral Mixture Analysis) method using Landsat image showed the change distribution of wetland vegetation from 1996 to 2004. The southern part of Sihwa wetland have been changed with Suda japonica of 24% and reed vegetation of 34% on coastal wetland which were covered with tidal flat.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 방조제 완공 이후 갯벌지역이 육지화되면서 나타나는 식생공간을 Landsat 영상으로부터 식생 점유비율의 관점에서 파악하고, 이를 통해 간석지 내 식생 분포의 시-공간적 변화 특성을 살펴보는 것을 목적으로 한다. 구체적으로 간석지 내 식생 점유 비율은 분광혼합분석 기법을 이용하여 추정하였으며, 이렇게 추정된 식생비율을 시기별로 구분한 후 식생분포를 구성하는 조각(patch)의 크기, 분포, 패턴 등이 시간적 변화를 통해 나타나는 식생 분포의 공간적 특성을 분석하는데 본 연구의 목적이 있다.
인공위성 자료에 의한 시공간적인 분석은 연구지역의 광범위한 공간범위와 방조제 공사 전후의 시간적 흐름을 파악하는데 적합하고 위성 자료를 활용하여 물리적 환경변화의 분석에 적용될 수 있다. 본 연구에서는 방조제 완공 이후 갯벌지역이 육지화되면서 나타나는 식생공간을 Landsat 영상으로부터 식생 점유비율의 관점에서 파악하고, 이를 통해 간석지 내 식생 분포의 시-공간적 변화 특성을 살펴보는 것을 목적으로 한다. 구체적으로 간석지 내 식생 점유 비율은 분광혼합분석 기법을 이용하여 추정하였으며, 이렇게 추정된 식생비율을 시기별로 구분한 후 식생분포를 구성하는 조각(patch)의 크기, 분포, 패턴 등이 시간적 변화를 통해 나타나는 식생 분포의 공간적 특성을 분석하는데 본 연구의 목적이 있다.
본 연구에서는 시화호 방조제 내에 위치한 간석지를 대상으로 1996년, 2000년, 2004년 위성영상을 분석하여 식생의 공간적 분포 변화를 살펴보았다. 분광혼합분석기법을 이용하여 지표면 식생비율을 산정한 결과 1996년 10.
그러나 각 영상에 대해 기존 육지부와 물을 마스킹하였으나, 영상 촬영일자에 따라 시화호 수위에 차이가 있음에 따라 각 영상에 포함된 간석지의 면적이 다르게 된다. 본 연구의 목적은 시화호 간석지 내에서 식생분포의 변화를 분석하는 것으로 이를 명확히 하기 위해서는 각 영상에서 대상 지역의 공간적 범위를 일치시킬 필요가 있다. 이를 위하여 1996년, 2000년, 2004년 3개의 영상을 중첩하여 공통적으로 포함된 영역만을 선정하여 분석을 실시하였다.

제안 방법

1:25,000 수치지도를 이용하여 기하보정 후 영상 내에서 기존 육지부와 물을 마스킹하여 간석지를 추출하였다. 기존 육지부와 물을 마스킹하기 위해 4번 밴드에 의한 수역구분 방법을 이용하였다.
엔드멤버는 대상지역의 지표를 구성하는 최소 단위로 본 연구 대상지역인 시화호 간석지 내에는 인공적 지물이 없는 것을 감안하여 식생, 습윤토양(wet soil), 건조토양(dry soil)을 엔드멤버로 정의하고 분광혼합분석 기법을 적용하였다. 그림 2는 적색 밴드와 근적외선인 밴드를 나타낸 산포도에서 습윤토양과 건조토양의 위치와 식생이 성장하면서 산포도 내에서 이동하는 모습을 보여주는데, 본 연구에서는 이에 기초하여 Landsat 3번 밴드와 4번 밴드에 대한 산포도를 작성하고 각 산포도의 최외곽 지점에 기초하여 엔드멤버를 선정하였다. 그림 3은 각 연도별 영상에서의 3, 4번 밴드의 산포도와 이 때 지정된 엔드멤버의 위치를 보여준다.
첫 번째 방법은 식 (1)에서 잔차를 나타내는 eb가 최소가 되도록 하는 모든 f_i를 인정하는 방법으로 제한조건을 부여하지 않는 방법이다. 두 번째 방법은 화소를 구성하는 각 엔드멤버의 점유비율의 총 합이 1이 되도록 하는 것이다. 세 번째 방법은 식 (2)의 제한조건에 추가하여 각 엔드멤버의 비율 f_i가 0과 1사이의 값을 갖도록 0≤f_i≤1의 제한조건을 부여하는 방법이다.
본 연구에서는 분광혼합분석(SMA; Spectral Mixture Analysis) 기법을 이용하여 시화호 간석지 내의 단위면적별 식생비율을 산정하였으며, 이를 9개의 경관지수에 대입하여 시화호 간석지 내 식생의 연도별 분포 특성을 살펴보았다. 본 영구에서 사용된 분광혼합분석 기법과 경관지수에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다.
본 연구에서는 엔드멤버를 위성영상으로부터 직접 추출하였다. 엔드멤버는 대상지역의 지표를 구성하는 최소 단위로 본 연구 대상지역인 시화호 간석지 내에는 인공적 지물이 없는 것을 감안하여 식생, 습윤토양(wet soil), 건조토양(dry soil)을 엔드멤버로 정의하고 분광혼합분석 기법을 적용하였다.
엔드멤버를 선정하는 방법은 ① 실험실에서 측정된 분광 라이브러리(spectral library)를 이용하는 방법, ② 이동식 분광측정기(spectrometer)를 이용하여 직접 현장에서 대상 지표면의 분광반사값을 측정한 후 이를 엔드멤버로 사용하는 방법, ③영상 자체에서 엔드멤버를 선정하는 방법으로 구분 된다. 본 연구에서는 영상 자체에서 엔드멤버를 선정하는 방법을 이용하였다.
2. 경관지수를 이용한 식생 조각의 변동특성 분석

분광혼합분석 기법을 이용하여 선정한 지표면 식생비율을 10개 클래스로 구분한 후 각 클래스에 대해 표 1에서 제시한 경관지수를 적용하여 식생비율의 시공간적 변동 특성을 분석하였다. 경관지수를 적용한 결과는 그림 6과 같다.
시화호 간석지 내 식생변화 분석을 위하여 본 연구에서는 96년부터 2004년까지 시화지역이 관측된 16개의 Landsat 영상을 분석하고 이중 5년 간격으로 1996년, 2000년, 2004년 Landsat 영상을 통해 식생변화를 분석하였다. 사용된 영상의 특성은 표 2와 같다.
본 연구에서는 엔드멤버를 위성영상으로부터 직접 추출하였다. 엔드멤버는 대상지역의 지표를 구성하는 최소 단위로 본 연구 대상지역인 시화호 간석지 내에는 인공적 지물이 없는 것을 감안하여 식생, 습윤토양(wet soil), 건조토양(dry soil)을 엔드멤버로 정의하고 분광혼합분석 기법을 적용하였다. 그림 2는 적색 밴드와 근적외선인 밴드를 나타낸 산포도에서 습윤토양과 건조토양의 위치와 식생이 성장하면서 산포도 내에서 이동하는 모습을 보여주는데, 본 연구에서는 이에 기초하여 Landsat 3번 밴드와 4번 밴드에 대한 산포도를 작성하고 각 산포도의 최외곽 지점에 기초하여 엔드멤버를 선정하였다.
2%와 비교하여 큰 변화가 없는 것으로 분석되었다. 지표면 식생 비율을 10개 등급으로 구분한 후 경관지수를 적용하여 각 등급별 공간적 변동 특성을 분석하였다. 경관지수 분석결과 1996년 10% 이하의 식생비율이 전체영역에서 가장 많이 차지하던 것이 2000년 10~20%, 2004년 20~30%의 식생비율이 가장 많은 점유를 보임과 동시에 조각의 크기가 커지고 있는 것으로 나타났다.

대상 데이터

본 연구는 시화호 내 간석지를 대상지역으로 한다. 그림 1은 시화호 유역을 나타내고 있으며 그림 1에서 시화호 호수의 영역과 간석지 영역, 산림과 시흥시, 안산시 지역의 시화호 유역권역을 구분하여 파악할 수 있다.
본 연구의 목적은 시화호 간석지 내에서 식생분포의 변화를 분석하는 것으로 이를 명확히 하기 위해서는 각 영상에서 대상 지역의 공간적 범위를 일치시킬 필요가 있다. 이를 위하여 1996년, 2000년, 2004년 3개의 영상을 중첩하여 공통적으로 포함된 영역만을 선정하여 분석을 실시하였다.

이론/모형

1:25,000 수치지도를 이용하여 기하보정 후 영상 내에서 기존 육지부와 물을 마스킹하여 간석지를 추출하였다. 기존 육지부와 물을 마스킹하기 위해 4번 밴드에 의한 수역구분 방법을 이용하였다. 그러나 각 영상에 대해 기존 육지부와 물을 마스킹하였으나, 영상 촬영일자에 따라 시화호 수위에 차이가 있음에 따라 각 영상에 포함된 간석지의 면적이 다르게 된다.

성능/효과

공간적 변화 양상을 살펴보면 그림 4와 같다. 그림 5(a)는 2000년도 식생비율에서 1996년 식생비율 뺀 결과로 전체 대상지역에서 고르게 식생비율이 증가하였으며, 특히 기존 육지부보다 시화호 쪽에서 식생비율이 크게 증가하였음을 알 수 있다. 그림 5(b)는 2004년도 식생 비율에서 2000년 식생비율 뺀 결과로 기존 육지부와 가까운 지역에서 식생 비율이 증가하였으나 그림 5(a)와 비교하여 식생비율이 공간적으로 크게 변동하지는 않았음을 확인할 수 있다.
조각 수의 경우에도 1996년엔 클래스 2, 2000년엔 클래스 3, 2004년엔 클래스 4가 가장 많은 수의 조각을 가진 것으로 나타나 이 또한 면적과 비슷한 모습으로 변동된 것을 알 수 있다. 그러나 그림 6(a)에서 가장 많은 면적을 점유한 클래스의 경우 모든 연도에서 조각의 개수는 주변 클래스에 비해 크지 않은 것으로 나타났는데, 이는 경관 내에서 많은 면적을 점유하고 있는 클래스의 경우 상대적으로 단편화되지 않고 크게 모여 있음을 보여 준다. 그림 6(f)는 각 클래스에서 가장 큰 조각이 전체면적에서 차지하는 비율을 보여주는데, 그림 6(a)에서 전체 영역에 대해 가장 큰 점유를 보인 클래스가 또한 가장 큰 크기의 조각을 포함하고 있다.
프랙탈 지수는 조각들의 복잡성을 보여주는데, 프랙탈 지수가 감소하였다는 말은 조각의 둘레모습이 단순화되고 있음을 보여준다. 그림 6(i) 정규경관모양지수(nLSI)는 각 클래스별 조각의 둘레길이를 이용하여 군집화(aggregation) 정도를 평가한 것으로 값이 작을 수로 군집화 정도가 높아진다. 그림 6(i)를 보면 모든 연도에서 클래스 번호가 증가할수록 정규경관모양 지수 값이 증가하여 군집화가 감소하는 것으로 나타났으며, 연도별 변화를 평가할 경우 2000년, 2004년 모두 1996년에 비하여 군집화가 증가한 것으로 분석되었다.
그림 6(i) 정규경관모양지수(nLSI)는 각 클래스별 조각의 둘레길이를 이용하여 군집화(aggregation) 정도를 평가한 것으로 값이 작을 수로 군집화 정도가 높아진다. 그림 6(i)를 보면 모든 연도에서 클래스 번호가 증가할수록 정규경관모양 지수 값이 증가하여 군집화가 감소하는 것으로 나타났으며, 연도별 변화를 평가할 경우 2000년, 2004년 모두 1996년에 비하여 군집화가 증가한 것으로 분석되었다.
지표면 식생 비율을 10개 등급으로 구분한 후 경관지수를 적용하여 각 등급별 공간적 변동 특성을 분석하였다. 경관지수 분석결과 1996년 10% 이하의 식생비율이 전체영역에서 가장 많이 차지하던 것이 2000년 10~20%, 2004년 20~30%의 식생비율이 가장 많은 점유를 보임과 동시에 조각의 크기가 커지고 있는 것으로 나타났다. 또한 연도가 지남에 따라 식생비율이 높은 조각의 수와 가장자리 밀도가 증가하였으며, 각 클래스를 구성하는 조각들이 서로 가깝게 위치하여 군집화되는 것으로 분석되었다.
경관지수 분석결과 1996년 10% 이하의 식생비율이 전체영역에서 가장 많이 차지하던 것이 2000년 10~20%, 2004년 20~30%의 식생비율이 가장 많은 점유를 보임과 동시에 조각의 크기가 커지고 있는 것으로 나타났다. 또한 연도가 지남에 따라 식생비율이 높은 조각의 수와 가장자리 밀도가 증가하였으며, 각 클래스를 구성하는 조각들이 서로 가깝게 위치하여 군집화되는 것으로 분석되었다.
본 연구에서는 시화호 방조제 내에 위치한 간석지를 대상으로 1996년, 2000년, 2004년 위성영상을 분석하여 식생의 공간적 분포 변화를 살펴보았다. 분광혼합분석기법을 이용하여 지표면 식생비율을 산정한 결과 1996년 10.7%이던 식생 점유비율이 2000년 26.2%로 증가한 것으로 분석되었다. 이에 반하여 2004년의 경우 지표면 식생 점유비율이 27.
분광혼합분석기법을 이용하여 시화호 간석지 내연도별 지표면 식생 점유비율을 산정한 결과는 표 3, 그림 4와 같다. 분석결과 시화호 간석지에서 1996년 식생분포가 10.7%이었던 것이 2000년 15.5% 증가하여 26.2%를 보여주었으며, 2004년의 경우 2000년과 큰 차이가 없는 27.1%의 지표면 점유비율을 보여주었다. 2000년 영상의 경우 다른 연도에 비해 습윤토양의 점유비율이 53%로 크게 나온 것을 볼 수 있는데 이는 선행무강우일수가 2일로 다른 영상에 비해 상대적으로 토양 내 수분이 많았기 때문인 것으로 사료된다.

후속연구

이상의 분석으로부터 위성영상과 경관지수를 이용한 분석이 간석지 내 식생의 시공간적 분포 특성을 파악함에 유용한 도구로 사용될 수 있음을 알 수 있다. 향후 본 연구에서 제시한 식생의 시공간적 변화와 현장에서 조사한 식생 종류 및 야생동물의 분포 등을 함께 분석할 경우 간석지 생태 연구에 좋은 자료로 사용될 수 있을 것이다.
이상의 분석으로부터 위성영상과 경관지수를 이용한 분석이 간석지 내 식생의 시공간적 분포 특성을 파악함에 유용한 도구로 사용될 수 있음을 알 수 있다. 향후 본 연구에서 제시한 식생의 시공간적 변화와 현장에서 조사한 식생 종류 및 야생동물의 분포 등을 함께 분석할 경우 간석지 생태 연구에 좋은 자료로 사용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	식생 시계열적 변화양상을 파악하기 위한 전통적인 원격탐사 분류방법의 단점은 무엇인가?	시화호 간석지와 같이 넓은 지역을 대상으로 식생의 시계열적 변화양상을 파악하기 위하여 위성영상을 이용한 토지피복 분류가 유용하게 사용되고 있다. 그러나 그동안 사용된 전통적인 원격탐사 분류방법은 위성영상의 각 화소가 다양한 지표면 요소가 혼합된 혼합화소(mixed pixel)임에도 불구하고 각 화소에 대한 단일한 하나의 토지피복 항목만을 할당하는 단점을 갖고 있다. 예를 들어, 위성영상의 한 화소가 40% 식생과 60% 나대지로 구성된 지표면을 나타낸다고 할 때 전통적인 위성영상 분류 방법에서는 40% 식생은 무시되고 가장 많은 점유비율을 보이는 나대지가 100% 대상지역을 차지하고 있는 것으로 분류되게 된다.
	분광혼합분석이란?	분광혼합분석은 여러 객체들의 반사특성이 혼합되어 생성된 혼합화소의 반사값을 다시 지표면 구성 객체의 점유비율로 환원하는 분석기법이다(조홍래와 정종철, 2006). 이때 각 픽셀을 구성하는 최소분해 단위인 지표면 구성객체를 엔드멤버(endmember)라 한다.
	시화호 방조제 내에 위치한 간석지를 대상으로 1996년, 2000년, 2004년 위성영상을 분광혼합분석기법으로 분석한 결과 식생 점유 비율은 어떻게 나타났나?	본 연구에서는 시화호 방조제 내에 위치한 간석지를 대상으로 1996년, 2000년, 2004년 위성영상을 분석하여 식생의 공간적 분포 변화를 살펴보았다. 분광혼합분석기법을 이용하여 지표면 식생비율을 산정한 결과 1996년 10.7%이던 식생 점유비율이 2000년 26.2%로 증가한 것으로 분석되었다. 이에 반하여 2004년의 경우 지표면 식생 점유비율이 27.1%로 2000년 26.2%와 비교하여 큰 변화가 없는 것으로 분석되었다. 지표면 식생 비율을 10개 등급으로 구분한 후 경관지수를 적용하여 각 등급별 공간적 변동 특성을 분석하였다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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