Landsat-7 ETM+ 영상과 AWS 자료를 이용한 부산의 토지피복에 따른 여름철 도시열섬포텐셜 산출 Estimation of Urban Heat Island Potential Based on Land Cover Type in Busan Using Landsat-7 ETM+ and AWS Data원문보기
본 연구에서는 부산의 지난 25년간 장기적 토지피복변화를 조사하고, 이어서 지표면 온도와 기온자료를 이용해서 열섬포텐셜을 평가하였다. 그 결과는 다음과 같다. 1975년부터 2000년까지 지난 25년 동안 부산의 도시면적은 2.5배 이상 증가하였다. 이처럼 단기간에 도시의 포장면적이 빠르게 증가한 것은 다른 나라에서는 유례를 찾아보기 어려운 우리나라 독특한 현상으로 판단된다. 이러한 과정을 통해서 도시열섬현상이 심화되었을 것이라는 것을 추정할 수 있었다. 지표면 피복에 따른 지표면 온도를 분석한 결과 도시화 지역과 산림지역의 온도가 현저히 차이가 나타났다. 특히 여름철에는 공단지역에서 $36{\sim}39^{\circ}C$로 높게 나타났으며, 반면 도시의 중심에 산지가 위치한 지역에서는 $22{\sim}24^{\circ}C$로 낮은 지표면 온도를 나타내었다. 토지피복도에 따른 열섬포텐셜은 지표면 피복 상태에 따라서 그 값이 달라짐을 알 수 있었다. 도시화지역 중 공업지역의 열섬포텐셜은 $6{\sim}8^{\circ}C$, 주거지역과 상업지역은 $0{\sim}5^{\circ}C$로 도시열섬을 유발할 가능성이 높음을 확인할 수 있었다. 반면 산림지역이나 농업지역 수변지역 열섬포텐셜 값은 $-6{\sim}-3^{\circ}C$로 나타났다. 본 연구결과를 통해 도시의 토지이용에 따른 기온상승효과를 평가하여 도시의 열환경 개선 및 환경친화적 도시개발 계획에 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 부산의 지난 25년간 장기적 토지피복변화를 조사하고, 이어서 지표면 온도와 기온자료를 이용해서 열섬포텐셜을 평가하였다. 그 결과는 다음과 같다. 1975년부터 2000년까지 지난 25년 동안 부산의 도시면적은 2.5배 이상 증가하였다. 이처럼 단기간에 도시의 포장면적이 빠르게 증가한 것은 다른 나라에서는 유례를 찾아보기 어려운 우리나라 독특한 현상으로 판단된다. 이러한 과정을 통해서 도시열섬현상이 심화되었을 것이라는 것을 추정할 수 있었다. 지표면 피복에 따른 지표면 온도를 분석한 결과 도시화 지역과 산림지역의 온도가 현저히 차이가 나타났다. 특히 여름철에는 공단지역에서 $36{\sim}39^{\circ}C$로 높게 나타났으며, 반면 도시의 중심에 산지가 위치한 지역에서는 $22{\sim}24^{\circ}C$로 낮은 지표면 온도를 나타내었다. 토지피복도에 따른 열섬포텐셜은 지표면 피복 상태에 따라서 그 값이 달라짐을 알 수 있었다. 도시화지역 중 공업지역의 열섬포텐셜은 $6{\sim}8^{\circ}C$, 주거지역과 상업지역은 $0{\sim}5^{\circ}C$로 도시열섬을 유발할 가능성이 높음을 확인할 수 있었다. 반면 산림지역이나 농업지역 수변지역 열섬포텐셜 값은 $-6{\sim}-3^{\circ}C$로 나타났다. 본 연구결과를 통해 도시의 토지이용에 따른 기온상승효과를 평가하여 도시의 열환경 개선 및 환경친화적 도시개발 계획에 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
This study examined changes in land cover for the past 25 years in Busan and subsequently evaluated heat island potential by using land surface temperature and observation temperature data. The results were as below. The urban area of Busan increased by more than 2.5 times for the past 25 years from...
This study examined changes in land cover for the past 25 years in Busan and subsequently evaluated heat island potential by using land surface temperature and observation temperature data. The results were as below. The urban area of Busan increased by more than 2.5 times for the past 25 years from 1975 to 2000. It was believed that an increase in the pavement area of city within such a short period of time was an unprecedented phenomenon unique to our country. It could be assumed that urban heat island would be worsened through this process. After analyzing the land temperature according to the land cover, it was shown that there were noticeable changes in the temperature of urban & built-up and mountain & forest areas. In particular, the temperature rose to $36{\sim}39^{\circ}C$ in industrial areas during the summer, whereas it went down to $22{\sim}24^{\circ}C$ in the urban areas at whose center there were mountains. It was found that heat island potential according to the level of land cover had various values depending on the conditions of land cover. Among the areas of urbanization, the industrial area's heat island potential is 6 to $8^{\circ}C$, and the residential and commercial area's is $0{\sim}5^{\circ}C$, so it has been found that there is high possibility to induce urban heat islands. Meanwhile, in the forest or agricultural area or the waterside, the heat island potential is $-6{\sim}-3^{\circ}C$. With this study result, it is possible to evaluate the effects of temperature increase according to the urban land use, and it can be used as foundational data to improve urban thermal environment and plan eco-friendly urban development.
This study examined changes in land cover for the past 25 years in Busan and subsequently evaluated heat island potential by using land surface temperature and observation temperature data. The results were as below. The urban area of Busan increased by more than 2.5 times for the past 25 years from 1975 to 2000. It was believed that an increase in the pavement area of city within such a short period of time was an unprecedented phenomenon unique to our country. It could be assumed that urban heat island would be worsened through this process. After analyzing the land temperature according to the land cover, it was shown that there were noticeable changes in the temperature of urban & built-up and mountain & forest areas. In particular, the temperature rose to $36{\sim}39^{\circ}C$ in industrial areas during the summer, whereas it went down to $22{\sim}24^{\circ}C$ in the urban areas at whose center there were mountains. It was found that heat island potential according to the level of land cover had various values depending on the conditions of land cover. Among the areas of urbanization, the industrial area's heat island potential is 6 to $8^{\circ}C$, and the residential and commercial area's is $0{\sim}5^{\circ}C$, so it has been found that there is high possibility to induce urban heat islands. Meanwhile, in the forest or agricultural area or the waterside, the heat island potential is $-6{\sim}-3^{\circ}C$. With this study result, it is possible to evaluate the effects of temperature increase according to the urban land use, and it can be used as foundational data to improve urban thermal environment and plan eco-friendly urban development.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 우리나라 6대 광역도시 중 하나인 부산을 대상으로 지난 25년(1975∼2000년)간 토지피복변화를 조사하고, 기상자료 및 위성영상의 분석을 통해 지표면 피복 조건에 따른 지표면 온도를 분석하였다.
도시화의 진척에 따라서 다양한 요인에 의해 도시열섬현상이 심화되어 가고 있지만 동계에는 인공열의 영향, 하계에는 인공구조물에 의한 열저장효과가 가장 큰 기여를 하는 것으로 알려져 있다. 이러한 배경에서 본 연구에서는 자연환경이 인공구조물로 변해감으로써 도시열섬이 얼마나 심화 될 수 있는지를 평가하여 보았다. 우선 부산지역의 지난 25년간 장기적 토지피복변화를 조사하고, 이어서 지표면 온도와 기온자료를 이용해서 열섬포텐셜을 평가하였다.
토지피복에 따른 열섬포텐셜을 산출하여 지표면 온도의 변화가 도시기후에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위하여 우선 지표면 피복의 장기적 변화 경향을 살펴보았다.
가설 설정
② 열섬현상이 약풍 조건 하에서는 지표면에 있어서 대류열전도율의 공간분포는 작다. 이 때문에 대류열전도율은 도시 canopy층의 상층풍의 함수로 주고 그 공간분포는 고려하기 않는다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 우리나라 6대 광역도시 중 하나인 부산을 대상으로 지난 25년(1975∼2000년)간 토지피복변화를 조사하고, 기상자료 및 위성영상의 분석을 통해 지표면 피복 조건에 따른 지표면 온도를 분석하였다. 그리고 부산에 설치된 자동기상관측망에서 얻어진 기상자료를 이용하여 여름철 토지피복에 따른 열섬포텐셜을 산출하여 지표면 온도의 변화가 도시기후에 미치는 영향을 정량적으로 파악하였다. 본 연구의 결과는 부산시의 도시 계획정책을 평가할 수 있는 기초자료로 활용할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 부산의 지난 25년간 장기적 토지피복변화를 조사하고, 이어서 지표면 온도와 기온자료를 이용해서 열섬포텐셜을 평가하였다. 그 결과는 다음과 같다.
그림 2는 1975년부터 2000년까지의 부산의 장기적인 토지피복 변화를 나타낸 것이다. 본 연구에서는 지표면상태를 수변지역, 도시화지역, 나대지, 초지, 산림지역, 농업지역 등 6개의 종류로 분류하였다. 1975년에 비하여 1990년과 2000년에 인공구조물로 피복된 도시영역의 현저한 확장을 보여 시간의 변화에 따라 도시화가 급격하게 이루어졌음을 알 수 있다.
토지피복 분류는 1975년의 경우 수변지역, 도시화지역, 나지, 초지, 산림지역, 농업지역 등 6개 항목, 1990년과 2000년은 농경지가 논과 밭으로 분류되어 7개 항목으로 분류되어 있다. 본 연구에서는 토지피복 분류는 1975년의 분류항목을 기준으로 하여 분류하였다.
이러한 배경에서 본 연구에서는 자연환경이 인공구조물로 변해감으로써 도시열섬이 얼마나 심화 될 수 있는지를 평가하여 보았다. 우선 부산지역의 지난 25년간 장기적 토지피복변화를 조사하고, 이어서 지표면 온도와 기온자료를 이용해서 열섬포텐셜을 평가하였다. 그 결과 다음과 같은 사실을 알 수 있었다.
이 수식을 이용하여 다양한 토지피복에 따른 열섬포텐셜을 계산하였다.
지표면 온도(Land Surface Temperature)는 미국지질조사국(United States Geological Survey)에서 제공하는 2007년 8월 25일의 Landsat-7 ETM+ 위성영상 열적외선 밴드 6번 중 High gain을 이용하여 산출하였다.
대상 데이터
연구대상지역인 부산은 남동쪽으로 바다를 접하고 있으며, 북서쪽과 북동쪽에 금정산을 중심으로 철마산, 달음산, 장산, 백양산, 황령산 등의 산지가 존재하고, 그 가운데 시가지를 형성하고 있다. 또한 서쪽으로 낙동강을 따라 김해평야가 자리 잡고 있는 복잡한 지형을 이루고 있다.
토지피복별 열섬포텐셜의 공간적인 분포 산출에 필요한 기온은 각각의 지역에 인접해 있는 자동기상관측장치에서 얻어진 기온자료를 사용하였다. 자동기상관측장치가 없는 지역은 지리적 특징과 토지피복율이 유사한 지역의 기상자료를 사용하였다. 토지피복도에 따른 열섬포텐셜은 식 (3)의 방법으로 계산하였다.
토지피복별 열섬포텐셜의 공간적인 분포 산출에 필요한 기온은 각각의 지역에 인접해 있는 자동기상관측장치에서 얻어진 기온자료를 사용하였다. 자동기상관측장치가 없는 지역은 지리적 특징과 토지피복율이 유사한 지역의 기상자료를 사용하였다.
데이터처리
부산의 장기적 토지피복변화는 국가수자원관리 종합정보시스템(WAMIS)에서 제공하는 1975년, 1990년 그리고 2000년의 자료를 ArcGIS 프로그램을 이용하여 분석하였다. 각 연도별 토지피복에 사용된 센서는 1975년은 Landsat MSS, 1990년은 Landsat TM, 2000은 Landsat ETM+이다(김주훈 등, 2007).
특히 위성영상으로부터 추출된 지표면온도(Land Surface Temperature : LST)는 도시의 열섬현상 및 기온상승을 규명하기 위한 주요한 인자로 활용되고 있다(Voogt and Oke, 2003; Small, 2006). 이용식(1990)은 Landsat TM 영상을 이용하여 서울의 지표면 온도를 추출하고, 이를 해석하는 한편 도시 내 토지이용에 따른 지표면 온도의 지역적 차이가 도시열섬 형성에 어느 정도 절대적인 의미를 부여하는지를 분산분석을 통해 살펴보았다. 박인환 등(1999)은 경상북도 3개 도시를 대상으로 녹지지수와 온도와의 상관성을 분석하고 녹지의 활력에 따른 온도와의 회귀모델을 도출함으로써 각 지역의 열섬분포를 파악하였다.
이론/모형
Landsat 위성영상에서 지표면온도 산출은 방사휘도값을 이용하여 NASA에서 제공하는 경험식을 통해 계산하였다. 식 (2)에서 K1과 K2는 분광방사휘도와 절대온도의 보정계수로 표 2에 나타내었다.
토지피복도가 도시열섬화에 미칠 수 있는 가능성을 정량적으로 평가하기 위하여 일본의 동경공업대학에서 1994년 제안한 열섬포텐셜(Heat Island Potential : HIP)을 이용하였다(Ichinose, 2002). 열섬포텐셜은 기온과 지표면온도의 평균적인 차이로 정의되는데, 개발의 대상이 되는 토지에 대해서 지표면의 변화가 주위의 온도에 미치는 영향을 평가하는 하나의 지표로서 이용되고 있다(Ichinose et al.
성능/효과
도시전체에서 높은 지표면 온도가 나타났다. 강한 일사에 의한 지표면 가열로 인해 인공구조물로 이루어진 도시화 지역과 산림지역, 수변지역, 농업지역과의 지표면 온도 차가 다른 계절에 비해 뚜렷하게 나타났으며, 지형적 영향으로 해발고도가 높은 산악지역과 평야지대의 지표면 온도차이가 나타나는 것을 알 수 있다. 지역별로 살펴보면 도시화지역이 큰 비중을 차지하고 있는 연제구, 중구, 동구의 평균 지표면 온도가 31.
이는 부산 특성상 도심에 산지가 위치하고 있는 영향이 큰 것으로 생각된다. 낙동강 하구 평야지대에 위치하고 있는 강서구는 수변지역이 약 7.1%, 그 중심으로 농업지역이 발달하여 55.3%로 큰 비율을 차지하고 있으며, 대규모 공업단지가 위치하고 있는 반면 도시화 지역은 약 7.9%로 다른 구들에 비하여 작은 비율로 나타났다. 앞에서 언급하였듯이 산지 사이에 시가지가 형성된 도시 특유의 특색으로 인해 중구를 제외하고 도시 전체에서 산림 지역이 차지하는 비율이 약 25% 이상으로 나타났는데, 특히 금정구, 기장군, 서구 그리고 해운대구에서 큰 비율을 차지하고 있는 것을 알 수 있었다.
도시화지역 중 공업지역의 열섬포텐셜은 6∼8℃, 주거지역과 상업지역은 0∼5℃로 도시열섬을 유발할 가능성이 높음을 확인할 수 있었다.
상업지역에서는 1∼3℃, 주거지역은 0∼2℃, 사상구에 위치한 대단지 아파트 지역에서는 3∼5℃으로 나타나 도시화지역에서 도시열섬을 유발할 가능성이 높음을 확인할 수 있었다.
9%로 다른 구들에 비하여 작은 비율로 나타났다. 앞에서 언급하였듯이 산지 사이에 시가지가 형성된 도시 특유의 특색으로 인해 중구를 제외하고 도시 전체에서 산림 지역이 차지하는 비율이 약 25% 이상으로 나타났는데, 특히 금정구, 기장군, 서구 그리고 해운대구에서 큰 비율을 차지하고 있는 것을 알 수 있었다.
열섬포텐셜 산출에 사용된 Landsat-7 ETM+ 영상이 오전에 관측된 자료이기 때문에 상업지역과 아파트지역, 공업지역의 열섬 포텐셜의 값이 전반적으로 낮게 산출되었으며, 이중 가장 높게 산출된 공업지역과 가장 낮게 산출된 산림지역의 경우 18~20℃의 차를 나타내어 인공구조물로 포장된 지역에서 도시열섬을 유발할 가능성이 휠씬 높음을 확인할 수 있었다. 이는 토지피복도에 따른 지표온도 특성을 잘 나타내는 것으로 도심지역의 경우 도지피복이 아스팔트, 콘크리트와 같은 빌딩 및 도로 등으로 이루어져있어 도심지역의 온도상승의 원인으로 판단된다.
2000년의 경우 중구는 부산의 대표적인 상업밀집지역으로 도시화지역의 비율이 78%로 나타났고, 상업과 주거지역이 비슷한 비율로 이루어진 동구는 약 60%로 나타났다. 이들 지역은 다른 지역에 비하여 산림지역, 농경지 및 나지 등 도시화가 되지 않은 지역이 낮은 비율로 이루어진 것을 확인 할 수 있었다. 주거 밀집지역인 남구, 동구, 동래구, 수영구 및 연제구에서는 도시화지역이 50% 전후로 나타났으며, 수변지역, 나지, 초지, 산림 지역 및 농업지역도 유사한 분포특성을 나타냈다.
이상의 결과에서와 같이 토지피복특성은 도시의 열환경에 많은 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다. 또한 토지피복별로 지표면 온도와 열섬포텐셜의 차이가 발생하기 때문에 각 유형에 적합한 관리계획이 제시되어야 할 것이다(이우성 등, 2010).
초지의 경우 도시 내 공원의 조성으로 인해 증가가 큰 것으로 판단된다. 전체적으로 봤을 때, 수변지역, 나지, 산림지역과 농업지역이 감소하는 반면, 도시화지역과 초지는 크게 증가한 것으로 나타났다.
열섬포텐셜(Heat Island Potential)은 지표와 대기간의 현열 교환량을 산정하는 것으로 도시의 기온에 대해서 도시구조의 동질성이 인정되는 지역이 갖는 잠재적인 지표면 온도와의 차이를 표현한 지표이다. 즉 열섬포텐셜 값이 클수록 표면온도와 기온의 차가 크고 열섬현상의 원인 되는 지표에서 방출되는 현열이 크다는 것을 의미하며, 작은 값 일수록 도시내 열환경에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 해석할 수 있다.
지역별로 살펴보면 도시화지역이 큰 비중을 차지하고 있는 연제구, 중구, 동구의 평균 지표면 온도가 31.6 ∼32.1℃로 높게 나타났으며, 반면 산림지역 등 녹지화 비율이 높은 기장, 북구, 해운대구에서는 27.4∼28.5℃의 낮은 온도를 나타냈다.
지표면 피복에 따른 지표면 온도를 분석한 결과 도시화 지역과 산림지역의 온도가 현저히 차이가 나는 것을 알 수 있었다. 강서구, 사하구, 사상구에 위치한 공장지역에서 높은 지표면 온도를 나타냈었는데, 특히 여름철에는 공단지역에서 36∼39℃로 높게 나타났다.
이러한 과정을 통해서 도시열섬현상이 심화되었을 것이라는 것을 추정할 수 있었다. 지표면 피복에 따른 지표면 온도를 분석한 결과 도시화 지역과 산림지역의 온도가 현저히 차이가 나타났다. 특히 여름철에는 공단지역에서 36∼39℃로 높게 나타났으며, 반면 도시의 중심에 산지가 위치한 지역에서는 22∼24℃로 낮은 지표면 온도를 나타내었다.
토지피복도에 따른 열섬포텐셜의 평가를 통해서 지표면 피복 상태에 따라서 그 값이 다름을 알 수 있었다. 포장된 도시화지역의 열섬포텐셜은 0∼14℃로 나타났으며, 특히 공업 지역은 6∼8℃로 주거지역보다 6℃ 정도 높은 열섬포텐셜을 나타냈는데, 이는 대부분이 아스팔트, 콘크리트로 포장되어 공장에서 방출된 방사열로 인해 지표면 온도의 상승으로 인한 것으로 판단된다.
산림지역에서는 -6 ∼-4℃, 수변지역과 농업지역에서는 -5∼-3℃을 보여, 토양수분 및 식물의 증발산 작용으로 인해 녹지로 피복된 지표에서 방출된 온도가 대기의 공기를 냉각시키는 것으로 판단된다. 토지피복도에 따른 태양복사에너지의 흡수율과 현열에너지로의 전환비율의 차이 및 열전도도의 차이에 크게 의존한다는 것을 알 수 있다.
토지피복별로 살펴보면 위성이 관측한 시간이 오전 11시경임에도 불구하고 도시화 지역 중 강서구의 녹산국가산업단지와 사하구에 위치한 신평장림공단, 사상구 공업지역에서 지표면 온도가 전반적으로 35∼38℃로 나타났으며, 해운대구에 위치한 공업지역에서는 최고 약 47℃에 이르렀다.
포장된 도시화지역의 열섬포텐셜은 0∼14℃로 나타났으며, 특히 공업 지역은 6∼8℃로 주거지역보다 6℃ 정도 높은 열섬포텐셜을 나타냈는데, 이는 대부분이 아스팔트, 콘크리트로 포장되어 공장에서 방출된 방사열로 인해 지표면 온도의 상승으로 인한 것으로 판단된다.
후속연구
반면 산림지역이나 농업지역 수변지역 열섬포텐셜 값은 -6∼-3℃로 나타났다. 본 연구 결과를 통해 도시의 토지이용에 따른 기온상승효과를 평가하여 도시의 열환경 개선 및 환경친화적 도시개발 계획에 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
최근 우리나라에서도 전 지구 기후변화의 저감 대책으로 다양한 녹색성장을 모토로 한 도시계획정책들이 제시되고 있다. 본 연구의 결과는 도시의 토지이용에 따른 기온 상승효과를 평가하여 도시의 열환경 개선 및 환경친화적 도시개발 계획에 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
그리고 부산에 설치된 자동기상관측망에서 얻어진 기상자료를 이용하여 여름철 토지피복에 따른 열섬포텐셜을 산출하여 지표면 온도의 변화가 도시기후에 미치는 영향을 정량적으로 파악하였다. 본 연구의 결과는 부산시의 도시 계획정책을 평가할 수 있는 기초자료로 활용할 수 있을 것이다.
이러한 과정을 통해서 도시 열섬현상이 심화되었을 것이라는 것을 추정할 수 있었다. 향후 정확한 분석을 위해 2000년대 이후의 토지피복분류가 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열섬포텐셜의 정의는 무엇인가?
토지피복도가 도시열섬화에 미칠 수 있는 가능성을 정량적으로 평가하기 위하여 일본의 동경공업대학에서 1994년 제안한 열섬포텐셜(Heat Island Potential : HIP)을 이용하였다(Ichinose, 2002). 열섬포텐셜은 기온과 지표면온도의 평균적인 차이로 정의되는데, 개발의대상이 되는 토지에 대해서 지표면의 변화가 주위의 온도에 미치는 영향을 평가하는 하나의 지표로서 이용되고 있다(Ichinose et al., 1994).
열섬포텐셜의 값에 따른 의미는?
열섬포텐셜(Heat Island Potential)은 지표와 대기간의 현열 교환량을 산정하는 것으로 도시의 기온에 대해서 도시구조의 동질성이 인정되는 지역이 갖는 잠재적인 지표면 온도와의 차이를 표현한 지표이다. 즉 열섬포텐셜 값이 클수록 표면온도와 기온의 차가 크고 열섬현상의 원인 되는 지표에서 방출되는 현열이 크다는 것을 의미하며, 작은 값 일수록 도시내 열환경에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 해석할 수 있다.
부산 서쪽의 지형적 특징은?
연구대상지역인 부산은 남동쪽으로 바다를 접하고 있으며, 북서쪽과 북동쪽에 금정산을 중심으로 철마산, 달음산, 장산, 백양산, 황령산 등의 산지가 존재하고, 그 가운데 시가지를 형성하고 있다. 또한 서쪽으로 낙동강을 따라 김해평야가 자리 잡고 있는 복잡한 지형을 이루고 있다. 그림 1에 제시된 ▲표시는 부산지방기상청(Busan Regional Meterological Administration)에서 운영하는 11개 지점의 자동기상측정망을 나타낸 것이다.
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