본 연구는 경기도 내 남북한 접경지역인 파주시와 연천군에서 1990년부터 2007년까지 17년 동안 진행된 서식지 파편화를 경관지수를 이용해 분석하였다. 분석은 1990년과 2007년에 수집된 Landsat TM영상을 이용하여 초지 및 경작지 서식지와 산림 서식지를 분류한 후 각 시기별 서식지 면적비, 패치밀도, 평균 패치면적, 평균 패치면적 대비 둘레길이를 계산하여 비교하였다. 분석 결과 초지 및 경작지 서식지에 대한 패치밀도는 47% 증가, 평균 패치면적은 42% 감소하였고 산림 서식지의 패치밀도와 평균 패치면적도 각각 36% 증가, 28.7% 감소한 것으로 분석되어 두 유형의 서식지 모두 지난 17년간 급격히 파편화된 것으로 나타났다. 평균 패치면적 대비 둘레길이는 초지 및 경작지 서식지는 7%, 산림 서식지는 5% 감소하여 남아있는 서식지라 하더라도 서식지 주변지역의 경계효과에 영향을 받아 서식지 내부종이 서식할 수 없는 지역이 많아진 것을 알 수 있었다. 앞으로 늘어날 접경지역에 대한 개발에 대비해 서식지 파편화를 최소화할 수 있도록 하는 생태계 보전계획 수립이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구는 경기도 내 남북한 접경지역인 파주시와 연천군에서 1990년부터 2007년까지 17년 동안 진행된 서식지 파편화를 경관지수를 이용해 분석하였다. 분석은 1990년과 2007년에 수집된 Landsat TM영상을 이용하여 초지 및 경작지 서식지와 산림 서식지를 분류한 후 각 시기별 서식지 면적비, 패치밀도, 평균 패치면적, 평균 패치면적 대비 둘레길이를 계산하여 비교하였다. 분석 결과 초지 및 경작지 서식지에 대한 패치밀도는 47% 증가, 평균 패치면적은 42% 감소하였고 산림 서식지의 패치밀도와 평균 패치면적도 각각 36% 증가, 28.7% 감소한 것으로 분석되어 두 유형의 서식지 모두 지난 17년간 급격히 파편화된 것으로 나타났다. 평균 패치면적 대비 둘레길이는 초지 및 경작지 서식지는 7%, 산림 서식지는 5% 감소하여 남아있는 서식지라 하더라도 서식지 주변지역의 경계효과에 영향을 받아 서식지 내부종이 서식할 수 없는 지역이 많아진 것을 알 수 있었다. 앞으로 늘어날 접경지역에 대한 개발에 대비해 서식지 파편화를 최소화할 수 있도록 하는 생태계 보전계획 수립이 필요할 것으로 판단된다.
This study examined habitat fragmentation that has occurred in Paju and Yeoncheon, the two border municipalities between North and South Korea in Gyeonggi-do (province) during the last 17 years using various landscape metrics. We 1) classified grass and agricultural habitats and forest habitats from...
This study examined habitat fragmentation that has occurred in Paju and Yeoncheon, the two border municipalities between North and South Korea in Gyeonggi-do (province) during the last 17 years using various landscape metrics. We 1) classified grass and agricultural habitats and forest habitats from two Landsat TM images collected in 1990 and 2007, and 2) compared the percentage of class area, patch density, mean patch area, and mean perimeter area ratio for the two habitat types between the two time points. Both types of habitats has been severely fragmented due to urban development in the last 17 years. The increased patch density and decreased mean habitat area are attributed to the construction of roads and railroads that separate a large habitat to many small pieces. The increased mean perimeter area ratio also indicates that the habitat fragmentation extended areas that are affected by the edge effect and so less suitable for interior species. A habitat conservation plan is urgently needed to minimize habitat fragmentation from developments that are expected to soon occur in the north and south Korean border.
This study examined habitat fragmentation that has occurred in Paju and Yeoncheon, the two border municipalities between North and South Korea in Gyeonggi-do (province) during the last 17 years using various landscape metrics. We 1) classified grass and agricultural habitats and forest habitats from two Landsat TM images collected in 1990 and 2007, and 2) compared the percentage of class area, patch density, mean patch area, and mean perimeter area ratio for the two habitat types between the two time points. Both types of habitats has been severely fragmented due to urban development in the last 17 years. The increased patch density and decreased mean habitat area are attributed to the construction of roads and railroads that separate a large habitat to many small pieces. The increased mean perimeter area ratio also indicates that the habitat fragmentation extended areas that are affected by the edge effect and so less suitable for interior species. A habitat conservation plan is urgently needed to minimize habitat fragmentation from developments that are expected to soon occur in the north and south Korean border.
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문제 정의
본 연구는 초지와 경작지를 같은 유형의 서식지로 분류하여 경관지수를 계산하였는데, 이는 두 토지피복유형의 분광 스펙트럼이 비슷하여 위성영상으로부터 쉽게 구분되지 않았기 때문이다. 연구대상지 내 대부분의 초지가 두루미나 재두루미, 독수리 등의 주요 서식지인 임진강 유역의 습지이고 경작지는 낙곡이나 지역주민들이 주는 먹이를 먹으로 오는 종들의 서식지이기 때문에(Kim and Lee, 2008), 같은 유형의 서식지로 간주하여도 큰 문제는 없을 것으로 생각된다.
본 연구에서는 1990년 이후 접경지역에서 일어난 서식지 파편화를 인공위성에서 촬영된 영상을 이용해 분석함으로서 접경지역의 파면화 문제를 객관적으로 분석하고자 하였다. 본 연구에서는 경기도 내 두 접경지역인 파주시와 연천군을 대상으로 1990년과 2007년에 촬영된 Landsat Thematic Mapper(TM) 영상으로부터 서식지의 공간 분포를 추출한 후 서식지 분포를 여러 경관지수들을 이용하여 계량함으로서 지난 17년 동안 진행된 서식지 파편화 정도를 파악하고자 하였다
본 연구에서는 1990년 이후 접경지역에서 일어난 서식지 파편화를 인공위성에서 촬영된 영상을 이용해 분석함으로서 접경지역의 파면화 문제를 객관적으로 분석하고자 하였다. 본 연구에서는 경기도 내 두 접경지역인 파주시와 연천군을 대상으로 1990년과 2007년에 촬영된 Landsat Thematic Mapper(TM) 영상으로부터 서식지의 공간 분포를 추출한 후 서식지 분포를 여러 경관지수들을 이용하여 계량함으로서 지난 17년 동안 진행된 서식지 파편화 정도를 파악하고자 하였다
가설 설정
또한 평균 패치면적 대비 둘레길이는 개별 서식지의 둘레길이를 면적으로 나눈 값들을 평균한 지수로 서식지 파편화가 진행되면 경계지역이 늘어나 평균 패치면적 대비 둘레길이도 증가하게 된다. 서식지 패치는 주변 8개 픽셀을 인접해 있다고 가정하여 구획하였다. 경관지수는 분석대상지 경계를 어떻게 설정하는지에 따라 결과가 달라지는데, 본 연구에서는 경계를 임의로 결정해서 생기는 오류를 방지하기 위해 평균 패치면적 대비 둘레길이와 평균 최근린지수는 연구대상지 밖에 있는 서식지도 포함하여 산정하였다.
제안 방법
본 연구에서는 연구대상지 내 514개 픽셀을 무작위로 선정하고 이 중 257개는 훈련픽셀로 나머지 257개는 검증픽셀로 이용하였다. 514개 픽셀에 대한 토지피복유형은 2012년 고해상도 위성영상을 참조하여 결정하였다. 처음에는 600개의 픽셀을 선정하였지만 연구대상지에 대한 1990년시점의 고해상도 항공사진을 구할 수 없었기 때문에 두 시기 사이의 토지피복유형이 변해 1990년 시점의 토지피복유형을 알 수 없는 86개 픽셀은 분석에서 제외하였다.
서식지 패치는 주변 8개 픽셀을 인접해 있다고 가정하여 구획하였다. 경관지수는 분석대상지 경계를 어떻게 설정하는지에 따라 결과가 달라지는데, 본 연구에서는 경계를 임의로 결정해서 생기는 오류를 방지하기 위해 평균 패치면적 대비 둘레길이와 평균 최근린지수는 연구대상지 밖에 있는 서식지도 포함하여 산정하였다. 분석은 비무장지대와 민간인통제구역, 민간인통제구역 이남의 비통제구역(Uncontrolled zone)으로 구분하여 실시하였다.
이는 여름철에는 초지와 경작지의 식물이 무성하게 자라 산림과 혼돈하기 쉽고 겨울철에는 나뭇잎이 떨어져 식물 특유의 분광스펙트럼이 나타나지 않아 시가화지역과 쉽게 구분되지 않기 때문이다(Sung and Li, 2012). 두위성영상은 support vector machine(SVM) 알고리즘을 이용하여 초지 및 농경지, 산림, 도시, 수체의 4가지 토지피복 유형으로 분류되었다. SVM은 분광공간상 두 토지피복유형의 경계에 위치한 픽셀들만을 이용하여 분류함수를 유도하기 때문에 다른 위성영상 분류기법들보다 하나의 픽셀 안에 여러 토지피복유형이 혼재하는 도시지역의 토지피복분류에 더 적합한 것으로 알려져 있다(Sung and Li, 2010).
본 연구에서는 γ는 0.01로 고정시키고 ε은 0에서 1,000 사이의 모든 자연수 값을 갖도록 하여 1,000개의 분류함수를 유도한 후 각분류함수에 대한 분류정확도를 57개 검증픽셀을 이용해 검증하고 이 중 분류정확도가 가장 높아지는 ε값을 선정하였다.
본 연구에서는 위성영상에서 분류한 토지피복유형 중 두루미, 재두루미, 독수리 등의 주요 서식지인 초지 및 경작지와 삵, 고라니 등의 주요 서식지인 산림에 대한 경관지수를 계산하여 서식지 파편화를 분석하였다. 경관지수는 서식지의 형태, 경계지역, 고립도 등을 계량화하기 위해 고안된 지표로서 본 연구에서는 여러 경관지수 중 서식지 면적비(Percentage of class area), 패치밀도(Patch Density), 평균 패치면적(Mean Patch Area), 평균 패치면적 대비 둘레길이(Mean Perimeter Area Ratio), 평균 최근린지수(Mean Euclidean Nearest Neighbor)를 지리정보시스템 기반의 컴퓨터 프로그램인 Fragstats를 이용하여 계산하였다(McGarigal et al.
경관지수는 분석대상지 경계를 어떻게 설정하는지에 따라 결과가 달라지는데, 본 연구에서는 경계를 임의로 결정해서 생기는 오류를 방지하기 위해 평균 패치면적 대비 둘레길이와 평균 최근린지수는 연구대상지 밖에 있는 서식지도 포함하여 산정하였다. 분석은 비무장지대와 민간인통제구역, 민간인통제구역 이남의 비통제구역(Uncontrolled zone)으로 구분하여 실시하였다.
연구대상지에서 지난 17년 동안 일어난 서식지 파편화를 분석하기 위해 연구대상지 상공에 구름이 없는 1990년 10월 19일과 2007년 5월 27일에 촬영된 해상도 30m의 Landsat TM 영상(path 116, row 33와 path 116, row 34)을 수집하여 각 시기별 토지피복을 분류하였다. Landsat TM 영상 모두 10:30에서 11:05사이에 촬영되었다.
대상 데이터
본 연구 대상지는 경기도 내 두 접경지역인 파주시와 연천군이었다. 연구대상지 중 군사분계선에서 남북으로 각각 2㎞씩의 구간은 비무장지대(DMZ: Demilitarized Zone)이며 비무장지대 남방한계선에서 남쪽으로 5~20㎞의 구간과 임진강 이북지역은 민간인통제구역(CCZ: Civilian Control Zone)으로 지정되어 민간인의 출입이 통제되고 있다(Figure 1).
Landsat TM 영상 모두 10:30에서 11:05사이에 촬영되었다. 본 연구에서는 여름과 겨울철 영상을 제외하고 봄이나 가을철 영상을 이용하였다. 이는 여름철에는 초지와 경작지의 식물이 무성하게 자라 산림과 혼돈하기 쉽고 겨울철에는 나뭇잎이 떨어져 식물 특유의 분광스펙트럼이 나타나지 않아 시가화지역과 쉽게 구분되지 않기 때문이다(Sung and Li, 2012).
본 연구에서는 연구대상지 내 514개 픽셀을 무작위로 선정하고 이 중 257개는 훈련픽셀로 나머지 257개는 검증픽셀로 이용하였다. 514개 픽셀에 대한 토지피복유형은 2012년 고해상도 위성영상을 참조하여 결정하였다.
이론/모형
SVM은 분광공간상 두 토지피복유형의 경계에 위치한 픽셀들만을 이용하여 분류함수를 유도하기 때문에 다른 위성영상 분류기법들보다 하나의 픽셀 안에 여러 토지피복유형이 혼재하는 도시지역의 토지피복분류에 더 적합한 것으로 알려져 있다(Sung and Li, 2010). SVM은 커널함수를 적용하여 쉽게 비선형분류함수로 변형될 수 있는데 본 연구에서는 가장 널리 사용되는 Radial Base Function(RBF)를 적용하였다. SVM은 감독분류기법의 일종으로 각 토지피복 유형별 스펙트럼을 대표하는 훈련 픽셀과 사용자정의 내부 파라미터들을 결정하기 위한 검증 픽셀이 필요하다.
성능/효과
이러한 결과는 도로나 철도와 같이 그 자체의 면적은 크지 않지만 서식지 파편화에는 큰 영향을 미치는 유형의 개발이 많았기 때문으로 해석된다. 또한 평균 패치면적 대비 둘레길이도 초지 및 경작지 서식지는 1,006m/㎡에서 1,077m/㎡로 산림 서식지는 973m/㎡에서 1,017m/㎡로 각각 7%와 5% 증가하여 서식지 외부로부터 경계효과에 영향을 받는 지역이 증가하고 서식지 내부종에게 안정적인 서식환경을 제공하는 내부지역의 비율은 감소하였다.
반면 민간인통제구역에서는 패치밀도가 7.2개/㎢에서 6.0개/㎢로 17% 감소하였고 평균 패치면적도 4.8ha에서 5.5ha로 15% 증가하여 비무장지대나 비통제구역과는 다른 결과를 보였다. 이 결과만을 놓고 보면 민간인통제구역의 초지 및 경작지 서식지에 대한 파편화 정도가 지난 17년간 오히려 완화되었다고 해석할 수도 있다.
본 연구 결과는 접경지역의 서식지 파편화가 이미 상당한 수준으로 진행되어 대책마련이 시급하다는 것을 시사해준다. 이 지역에 대한 생태계 보전계획을 수립할 때는 계획의 시간적 범위가 남북통일 후가 아니라 현재부터여야 하며 계획의 공간적 범위는 비무장지대와 민간인통제구역 뿐 아니라 주변 지역까지를 포함해야 할 것이다.
본 연구 결과는 지난 17년간 남북한 접경지역에서 일어난 개발이 이 지역 야생동식물 서식지의 절대 면적을 감소시키는데 그치지 않고 서식지를 파편화시켜 남아있는 서식 환경을 악화시킨다는 사실을 시사해주고 있다. 특히 도로나 철도 등 경관에서 선형으로 나타나는 유형의 개발은 넓은 지역에 걸쳐 서식지를 파편화시켰음에도 서식지 절대 면적을 크게 감소시키지 않아 그 심각성을 간과하기 쉽다.
초지 및 경작지 서식지의 파편화는 비무장지대와 민간인 통제구역, 비통제구역에서 다른 양상으로 진행되었다. 비무장지대 경관지수의 변화를 보면 패치밀도는 8.8개/㎢에서 13.2개/㎢로 50% 증가, 평균 패치면적은 2.4ha에서 1.4ha로 42% 감소, 평균 패치면적 대비 둘레길이는 990m/㎡에서 1,116m/㎡로 13% 증가하여 서식지 파편화가 진행되었다(Figure 3). 비통제구역에서 패치밀도는 3.
비통제구역에 대한 산림 서식지 패치 밀도도 34% 증가(2.9개/㎢→3.9개/㎢), 평균 패치면적은 31% 감소(19.3ha→3.4ha), 평균 패치면적 대비 둘레길이는 4% 증가하여(966m/㎡→1008m/㎡) 민간인통제구역과 유사한 파편화 추세를 보였다.
4ha로 42% 감소, 평균 패치면적 대비 둘레길이는 990m/㎡에서 1,116m/㎡로 13% 증가하여 서식지 파편화가 진행되었다(Figure 3). 비통제구역에서 패치밀도는 3.7개/㎢에서 6.2 개/㎢로 68% 증가, 평균 패치면적은 10.4ha에서 5.2ha로 50% 감소, 평균 패치면적 대비 둘레길이는 1,022m/㎡에서 1,059m/㎡로 4% 증가하여 비무장지대와 비슷한 수준의 파편화 추세를 보였다.
7㎢로 17%의 큰 감소폭을 나타내었다. 산림 서식지 면적도 비무장지대에서 144.1㎢에서 146.7㎢로 증가하였고 민간인통제구역에서도 135.1㎢에서 132.5㎢로 큰 변화가 없었으나 비통제구역에서는 556.0㎢에서 518.3㎢로 7% 감소하여, 산림 서식지 감소가 비통제구역에서 집중적으로 일어났다.
최종결정된 SVM-RBF 분류함수의 ε값은 1990년 영상이 15, 2007년 영상이 900이었고 분류정확도는 1990년 영상과 2007년 영상 모두 92.6%로 높게 나타났다(Table 1).
후속연구
본 연구에서는 패치수나 평균 패치면적, 평균 패치면적 대비 둘레길이 외에도 평균 최근린지수를 산정하여 제시하였지만(Figure 3), 이를 실제 서식지 파편화 분석에는 활용하지는 않았다. 평균 최근린지수는 한 서식지에서 가장 가까운 같은 유형의 서식지까지의 거리를 평균한 지수로서 서식지가 파편화될수록 서식지간 거리가 멀어져 평균 최근린지수도 증가한다는 가정에 기반하고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
남북한 접경지역 어떤 지역인가?
이러한 군사대립 상황은 역설적으로 이 지역의 생태계를 보호하는 역할을 해왔다. 남북한 접경지역은 동부지역의 울창한 산림과 산림 습지, 중부 평야지대의 농지와 내륙습지, 서부지역의 하구 습지와 갯벌 등 다양한 생태계로 구성되어 있어 두루미와 산양, 삵, 수달, 장수하늘소와 같은 멸종위기종들을 포함한 많은 야생동식물의 서식지가 되어 왔다(Jeon, 2002). 접경지역의 생태적 가치는 여러 연구로 밝혀져 왔다.
서식지 파편화 문제란?
인간에 의한 개발은 서식지를 파괴시켜 서식지 절대 면적을 감소시킬 뿐 아니라 기존 서식지들을 작은 조각들로 분절시키는 서식지 파편화 문제를 불러온다. 경관생태학 이론에 따르면 서식지가 파편화되면 인근 서식지와의 연결성이 약해져 야생동식물간의 유전자 교류가 감소할 뿐 아니라 대규모 교란이 발생했을 때 야생동물이 교란을 피해 다른 서식지로 대피할 수 없어 개별 서식지 내 야생동식물의 멸종 위험이 증가하게 된다(Wilcox and Murphy, 1985). 또한 파편화된 서식지에는 서식지 주변의 경계효과에 영향을 받는 지역이 많기 때문에 서식지 내부에서만 서식할 수 있는 서식지 내부종들의 서식가능성이 낮아진다(Forman and Alexander, 1998).
경관지수의 계산법은?
본 연구에서는 위성영상에서 분류한 토지피복유형 중 두루미, 재두루미, 독수리 등의 주요 서식지인 초지 및 경작지와 삵, 고라니 등의 주요 서식지인 산림에 대한 경관지수를 계산하여 서식지 파편화를 분석하였다. 경관지수는 서식지의 형태, 경계지역, 고립도 등을 계량화하기 위해 고안된 지표로서 본 연구에서는 여러 경관지수 중 서식지 면적비 (Percentage of class area), 패치밀도(Patch Density), 평균 패치면적(Mean Patch Area), 평균 패치면적 대비 둘레길이(Mean Perimeter Area Ratio), 평균 최근린지수(Mean Euclidean Nearest Neighbor)를 지리정보시스템 기반의 컴퓨터 프로그램인 Fragstats를 이용하여 계산하였다(McGarigal et al., 2012).
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