본 연구에서는 위성 자료를 기반으로 생성된 토지피복 정보를 시계열적인 분석을 통해 지난 30년간 부산 경남 지역의 경관 구조 변화를 추적하고 해당 지역 기온 변화와의 상관성을 파악하였다. 토지 피복 자료의 기하학적 구조를 정량화하기 위해 경관구조 분석 프로그램인 FRAGSTATS를 사용하여 토지피복별 경관지수를 산출하였다. 이를 통해 주요 토지이용의 변화상과 개발에 따른 경관의 분절화 과정을 확인하였다. 부산과 경남 지역의 10개 측후소 자료에 따르면, 부산의 평균 기온은 1980년대 $14.1^{\circ}C$에서 2000년대 $14.8^{\circ}C$로 증가하였고, 경남 지역의 평균 기온은 1980년대 $13.2^{\circ}C$에서 2000년대 $13.9^{\circ}C$로 증가하였다. 이러한 장기 기온 변화패턴은 도시화와 같은 우리나라 동남부의 전형적인 경관구조 변화와 상관성을 갖는 것으로 판단된다. 부산시 분석 자료에 의하면, 지난 30년간 도시역은 전체 면적의 9.7%에서 26.8%로 증가하였고, 산림과 농경지는 각각 58%에서 48.4%로, 28.3%에서 13.4%로 감소하였다. 해당 기간별 기온자료와 비교해보면, 도시역이 증가하고 산림과 농경지 면적이 꾸준히 감소함에 따라 부산의 평균기온이 1990년대 이후 큰 폭으로 증가하였다. 경남지역의 도시역 면적은 12배 이상 증가해 매우 빠른 도시화를 겪었다. 도시화에 따른 기온 변화는 지역적으로 구분되었는데, 경남 해안지역은 기온상승의 폭이 가장 낮았고 중부경남에 이어 내륙 산악지역에서 가장 높은 기온증가율이 나타났다.
본 연구에서는 위성 자료를 기반으로 생성된 토지피복 정보를 시계열적인 분석을 통해 지난 30년간 부산 경남 지역의 경관 구조 변화를 추적하고 해당 지역 기온 변화와의 상관성을 파악하였다. 토지 피복 자료의 기하학적 구조를 정량화하기 위해 경관구조 분석 프로그램인 FRAGSTATS를 사용하여 토지피복별 경관지수를 산출하였다. 이를 통해 주요 토지이용의 변화상과 개발에 따른 경관의 분절화 과정을 확인하였다. 부산과 경남 지역의 10개 측후소 자료에 따르면, 부산의 평균 기온은 1980년대 $14.1^{\circ}C$에서 2000년대 $14.8^{\circ}C$로 증가하였고, 경남 지역의 평균 기온은 1980년대 $13.2^{\circ}C$에서 2000년대 $13.9^{\circ}C$로 증가하였다. 이러한 장기 기온 변화패턴은 도시화와 같은 우리나라 동남부의 전형적인 경관구조 변화와 상관성을 갖는 것으로 판단된다. 부산시 분석 자료에 의하면, 지난 30년간 도시역은 전체 면적의 9.7%에서 26.8%로 증가하였고, 산림과 농경지는 각각 58%에서 48.4%로, 28.3%에서 13.4%로 감소하였다. 해당 기간별 기온자료와 비교해보면, 도시역이 증가하고 산림과 농경지 면적이 꾸준히 감소함에 따라 부산의 평균기온이 1990년대 이후 큰 폭으로 증가하였다. 경남지역의 도시역 면적은 12배 이상 증가해 매우 빠른 도시화를 겪었다. 도시화에 따른 기온 변화는 지역적으로 구분되었는데, 경남 해안지역은 기온상승의 폭이 가장 낮았고 중부경남에 이어 내륙 산악지역에서 가장 높은 기온증가율이 나타났다.
Landscape structure changes over the past three decades were determined with land use and land cover(LULC) maps, and their relationships with mean air temperature time series were the analyzed for the Busan metropolitan area and South Kyeongsang Province, Korea. The geometric structures of the LULC ...
Landscape structure changes over the past three decades were determined with land use and land cover(LULC) maps, and their relationships with mean air temperature time series were the analyzed for the Busan metropolitan area and South Kyeongsang Province, Korea. The geometric structures of the LULC data were quantitatively represented based on FRAGSTATS, a spatial pattern analysis program for quantifying landscape structure. FRAGSTATS-derived landscape metrics confirmed that there were major changes in LULC and landscape fragmentation in the region. Meteorological observation records showed that mean air temperature had increased from $14.1^{\circ}C$ in the 1990's to $14.8^{\circ}C$ in the 2000's in Busan. For South Kyeongsang Province, they increased from $13.2^{\circ}C$ to $13.9^{\circ}C$ during the same time period. These long-term temperature changes are correlated with typical spatial pattern changes of LULC in the southeastern region of the country. Spatial metrics analysis showed that urban area expanded from 9.7% to 26.8% of Busan while forest and agricultural land decreased by 9.6% and 14.9%, respectively over the past thirty years. The significant urbanization are tightly associated with deforestation, removal of agricultural land, and fast temperature increases since the 1990's. The urban area of South Kyeongsang Province rapidly increased, and it became 12 times as large as it was. The degree of temperature increases differed among three different sub-regions. The temperature increasing rate was lowest in the coastal region while the colder mountainous region had the highest figure.
Landscape structure changes over the past three decades were determined with land use and land cover(LULC) maps, and their relationships with mean air temperature time series were the analyzed for the Busan metropolitan area and South Kyeongsang Province, Korea. The geometric structures of the LULC data were quantitatively represented based on FRAGSTATS, a spatial pattern analysis program for quantifying landscape structure. FRAGSTATS-derived landscape metrics confirmed that there were major changes in LULC and landscape fragmentation in the region. Meteorological observation records showed that mean air temperature had increased from $14.1^{\circ}C$ in the 1990's to $14.8^{\circ}C$ in the 2000's in Busan. For South Kyeongsang Province, they increased from $13.2^{\circ}C$ to $13.9^{\circ}C$ during the same time period. These long-term temperature changes are correlated with typical spatial pattern changes of LULC in the southeastern region of the country. Spatial metrics analysis showed that urban area expanded from 9.7% to 26.8% of Busan while forest and agricultural land decreased by 9.6% and 14.9%, respectively over the past thirty years. The significant urbanization are tightly associated with deforestation, removal of agricultural land, and fast temperature increases since the 1990's. The urban area of South Kyeongsang Province rapidly increased, and it became 12 times as large as it was. The degree of temperature increases differed among three different sub-regions. The temperature increasing rate was lowest in the coastal region while the colder mountainous region had the highest figure.
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문제 정의
본 연구는 부산광역시와 경상남도 지역의 토지이용 변화를 시계열적으로 추적하여, 지난 30년 간 나타난 경관의 구조변화를 정량화하고 지역적인 기온 변화상과의 연관성을 분석하고자 하였다.
제안 방법
모든 자료들을 동일한 공간해상도로 일치시키기 위해 30m 해상도를 가진 자료들을 resampling하여 60m로 조정하였다.
항공기와 인공위성이 수집하는 광범위한 범역에 걸친 환경자료와 이를 처리하는 컴퓨터 기반의 방법론의 비약적인 발전으로 경관 수준의 환경시스템 연구는 지리학과 생태학의 공동 영역으로 최근 빠르게 발전하고 있다. 본 연구에서 활용할 경관지수는 patch의 면적과 수, 형태, 분절화 정도에 대한 지표들을 포함한다. 구체적으로는, 클래스면적(class area), 패치 수(number of patches), 평균패치면적(mean patch size), 패치면적 분산계수(patch size coefficient of variation), 최대패치비율(largest patch index), 경관형태지수(landscape shape index), 가장자리밀도(edge density), 평균형태지수(mean shape index), 면적가중 평균형태지수(area-weighted mean shape index), 평균최근린거리(euclidian nearest neighbor distance_mean), 면적분포지수(effective mesh size), 산포병렬지수(interspersion and juxtaposition index) 등 모두 12개 클래스 계급지표와 패치밀도(patch density), 경관형태지수(landscape shape index), 집중도지수(contagion index) 등 3개 경관 계급지표를 포함한 전체 15개 지표가 포함된다(표 1).
본 연구에서는 경관구조 분석 프로그램인 FRAGSTATS 3.3을 사용하여 경관구조특성을 나타내는 지표 또는 매트릭스를 산출하였다.
경관 전체로 볼 때, 경남지역은 산림 면적의 축소가 현저하게 나타나지 않았지만, 상대적으로 도시역의 급성장과 농경지의 대폭적인 축소와 분절화로 인해 지난 30여 년 간 기온 상승 추세가 가속화하는 현상을 보여주었다. 부산과 경상남도 지역의 도시면적 증가에 따른 기온 상승효과를 살펴보기 위해 지난 30년 간 전국시도별 도시면적 증가와 평균기온 변화를 분석하였다3). 부산과 경상남도, 그리고 제주를 제외한 13개 시도의 측후소 평균기온변화는 각 시도 전체 면적 대비 도시면적 증가분(%)과 유의한 상관관계(r=0.
FRAGSTATS는 모두 3가지 단계의 경관매트릭스를 제공한다. 즉, 개별 패치별, 토지이용 구분별(또는 클래스별), 그리고 연구지역 전체를 단위로 연구자가 선택하는 경관지수를 통계적으로 산출해 낸다. 토지이용별 패치 매트릭스는 토지이용변화에 따른 경관구조 변화를 정량적으로 나타내지만, 지리적으로 시각화하기 어려운 단점을 지니고 있다.
텍스트 형태로 구성된 원자료를 마이크로소프트의 엑셀프로그램을 사용하여 spread sheet 형태로 변환하였으며, 월별 평균기온, 최고기온평균, 최저기온평균, 월강수량, 그리고 연도별 평균기온, 최고기온평균, 최저기온 평균, 연강수량을 각각 산출하였다.
대상 데이터
1980년부터 2000년까지의 자료는 국가수자원관리 종합시스템(Water Management Information System, 또는 WAMIS http://www.wamis. go.kr/)에서 제공하는 토지피복도를 사용하였고, 2010년 토지피복도는 환경부 공간정보 서비스(http://egis.me.go.kr)를 통해 확보하였다.
본 연구는 우리나라 동남부를 차지하는 부산광역시와 경상남도 지역을 대상으로 한다(그림 1). 부산과 경상남도를 합한 면적은 전국토의 약 17.
분석한 기상 자료는 부산, 창원, 통영, 진주, 거창, 합천, 밀양, 산청, 거제, 남해 등 10개 측후소에서 관측된 일별 자료이다.
입력 자료로는 1980년에서 2010년 사이에 제작된 토지피복도를 사용하였다.
지역적인 기후 변화 패턴을 분석하기 위해 기상청으로부터 1980-2010년 기간 동안의 평균기온, 최고기온, 최저기온, 강수량 자료를 수집하였다.
데이터처리
이를 보완하기 위해 ERDAS IMAGINE 9.1 모델링 도구를 이용하여 From-To-Matrix분석을 수행하였다.
표 2의 결과에서 도시역으로 변한 토지의 기원을 추적하기 위해 1980년과 2000년 토지피복도를 대상으로 From-To-Matrix분석을 실시하였다.
성능/효과
30년간의 측후소자료를 바탕으로 전체적인 추세선을 생성하여 10년당 평균 기온 증가율을 계산한 결과, 부산은 0.279℃/10년, 경남지역은 평균 0.237℃(범위 0.068℃~0.318℃)로 나타났다.
결과적으로, 1980년 대비 면적분포지수는 31.6%로 급감하였다.
4%(185,093ha)가 다른 용도로 전환되었고, 이들 중 약 55%(156,181ha)가 도시역이나 산림으로 전환되었다(표 4). 결과적으로, 2010년 현재 경상남도 도시역(52,687.8ha)의 54.8%는 농경지로부터 전환된 것이며, 약 33.6%는 산림의 개발로 형성되었다. 따라서, 경남지역의 도시발달은 주로 농경지의 변화를 통해 일어나고 있을 뿐만 아니라 산림분포지역도 도시화의 영향 아래에 있음을 알 수 있다.
경관 전체, 즉 부산 전체 수준에서는 패치의 수가 증가함으로써 지난 30여 년 동안 패치밀도는 약 156%로 높아졌고, 동일한 클래스 간의 집중도는 다소 낮아졌으며, 경관 전체의 복잡성 증가로 형태지수는 증가하였다.
이에 따라, 경남지역 평균기온, 평균최고기온, 평균최저기온 모두 지난 30년 동안 예외 없이 상승하였다(그림 4; d-f). 경관 전체로 볼 때, 경남지역은 산림 면적의 축소가 현저하게 나타나지 않았지만, 상대적으로 도시역의 급성장과 농경지의 대폭적인 축소와 분절화로 인해 지난 30여 년 간 기온 상승 추세가 가속화하는 현상을 보여주었다. 부산과 경상남도 지역의 도시면적 증가에 따른 기온 상승효과를 살펴보기 위해 지난 30년 간 전국시도별 도시면적 증가와 평균기온 변화를 분석하였다3).
그 결과, 1980년 이후 30년 간 도시역이나 농경지로 전환된 산림의 면적은 1980년 부산 전체 산림 면적의 14.3%(6,246.7ha)였으며, 도시역이나 산림으로 전환된 농경지의 면적은 1980년 부산 전체 농경지 면적의 50.3%(10,720.4ha)이다.
기온자료(1975-2010년)와 지표피복자료(1980, 1990, 2000, 2010년)에 기반한 도시역, 산림, 농경지 면적 자료를 상호 비교한 결과, 도시역의 증가에 따른 부산시 기온 상승이 뚜렷하게 확인되었다.
농경지 또한 최대패치비율(LPI)이 크게 감소하고, 형태는 단순해졌으며, 패치의 산개정도는 증가하였다.
도시역의 패치 수(NP), 평균패치면적(MPS), 최대패치비율(LPI) 모두 꾸준한 증가패턴을 보였을 뿐만 아니라, 도시역의 형태적 특성과 집중도를 나타내는 지표 역시 예외 없는 증가 추세를 보였다.
부산과 경남지역을 해안(부산, 창원, 통영, 거제, 남해), 중부내륙(밀양, 합천, 산청, 진주), 서북산악 지역(거창) 등 모두 3개 지역으로 구분하여 기온자료를 분석한 결과, 평균기온증가율과 최고기온증가율 모두 연평균기온이 낮은 지역일수록, 즉 해안에서 내륙 산악지역으로 갈수록 높게 나타났다(그림 3).
부산과 경상남도, 그리고 제주를 제외한 13개 시도의 측후소 평균기온변화는 각 시도 전체 면적 대비 도시면적 증가분(%)과 유의한 상관관계(r=0.625, p<0.01)를 보였다.
분석 결과에서도, 2010년 기준 부산의 산림 패치 수(NP)는 1980년 대비 51% 수준으로 감소한 반면, 평균 패치 크기는 꾸준히 증가하여 1980년 대비 167%에 달하였다.
없어진 산림의 53.7%가 농경지로 전환된 반면, 소멸된 농경지의 68.8%가 산림으로 전환된 결과를 볼 때, 전체적으로 1980년대 이후 나타난 경남의 주요 토지이용 변화의 규모나 유형이 내부적으로 복잡한 구조변화를 동반했을 것으로 사료된다.
이러한 결과를 통해, 최근 10여 년 동안의 지속적인 도시 확장 과정에서도 전반적으로 경관의 파편화 감소, 특히 수분 조절 기능을 통해 온도 변화의 완충작용을 하는 산림의 구조적인 안정화가 도시열섬 효과를 억제하는 데에 기여했다는 해석을 할 수 있다.
312℃/10년의 증가속도를 나타냈다. 이와 같은 평균기온과 최고기온의 증가율은 지역적인 차이를 보였는데, 평균기온증가율과 최고기온증가율 모두 연평균기온이 낮은 지역일수록, 즉 해안에서 내륙산악지역으로 갈수록 높게 나타났다.
전체 면적이나 형태적 특성 등 구조적으로 비교적 안정세를 보인 산림과 달리, 경남의 농경지는 면적(1980년 대비 58.6%)이 크게 줄어들었을 뿐만 아니라, 평균패치면적(MPS), 최대패치비율(LPI)이 급감하였고, 단순화되었다는 것이 정량적으로 확인되었다.
주요 피복 클래스인 도시역, 산림, 농경지는 연도별로 89-96% 비중을 차지하였다.
최대패치비율(LPI)은 1980년 대비 57%로 감소하였고, 평균패치 면적도 1980년 27.2ha에서 19.9ha로 작아졌다.
특히, 산림패치들의 면적 분포 변화를 지시하는 결과에서 파편화가 크게 진행된 것으로 나타나(1980년 대비 43.6%) 도시면적 증가와 함께 산림의 구조적 변화가 기온 상승에 주된 영향을 미친 것으로 사료된다.
패치면적 분산계수(PSCV)가 감소함과 동시에 평균패치면적(MPS)이 증가한 것으로 보아 산림은 비교적 작은 패치들이 감소함으로써 면적 변화를 주도한 것으로 나타났다.
형태적으로는, 형태지수와 가장자리밀도(ED)가 감소하였고, 면적분포지수(MESH)가 현저히 감소함으로써(1980년 대비 32%) 지난 30여 년 동안 농경지는 절대적인 면적 감소뿐만 아니라 산림에 비해 분절화 과정을 급격하게 겪은 것으로 확인되었다.
형태지수와 가장자리밀도(ED)가 증가하고 최대패치비율(LPI)이 6.5배 이상 증가한 것으로 볼 때, 경남지역의 주요 도시 지역인 창원, 거제 등의 산업도시의 성장과 김해, 양산과 같은 부산 대도시권 지역의 급성장이 경관 구조 지표에 그대로 반영되었음을 알 수 있다.
후속연구
따라서, 연구자가 연구 결과를 제시함에 있어 의도된 연구 목적에 유리한 지수를 편향적으로 선택하거나 해석하는 것을 피하기 위해서 분석에 사용된 경관지수에 대한 명확한 이해가 필요하며, 연구 대상지를 다양화하고 지리적 규모에 따라 반복적인 분석결과를 도출하여 안정성 있는 경관지수를 마련하는 작업이 이어져야 할 것으로 보인다.
본 연구에서는 시·도 규모에서 도시면적의 장기적 증가에 따른 기온 상승 폭을 분석했지만, 도시면적의 양적 증감뿐 아니라 형태적, 구조적 특성변화가 지역적 기후변화에 미치는 영향을 분석해 내지 못하였다.
이것은 일정 간격을 두고 분포해 있는 측후소자료보다는 보다 세밀한 수준의 기상자료나 위성자료와 같은 2차 자료와의 비교 분석을 통해 의미 있는 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 지난 30년간의 지속적인 도시 확장이 지역적 수준에서 기온 상승률에 유의한 영향을 끼쳤음을 확인한 본 연구 결과는 향후 도시 팽창이 예상되는 지역의 도시열섬 저감을 위한 녹지계획 등에 활용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
경관생태학의 기능은 무엇인가?
토지이용변화의 결과로 재구성되는 경관의 구조변화는 지역 내 경관의 분포와 패턴을 파악하기 위하여 1930년대 이후 발달한 경관생태학적 방법론에 뿌리를 두고 있다. 경관생태학은 경관을 구성하는 구조적 패턴의 단위를 등질적인 속성을 가진 기하학적 도형으로 설정하고, 기하학적 속성 및 분포, 주변패치와의 연계성 등을 정량화하여 경관 구조변화를 설명한다(Gustafson, 1998). 본 연구에서는 경관구조 분석 프로그램인 FRAGSTATS 3.
FRAGSTATS가 제공하는 경관매트릭스 중 토지이용별 패치 매트릭스가 지니는 단점은 무엇인가?
즉, 개별 패치별, 토지이용 구분별(또는 클래스별), 그리고 연구지역 전체를 단위로 연구자가 선택하는 경관지수를 통계적으로 산출해 낸다. 토지이용별 패치 매트릭스는 토지이용변화에 따른 경관구조 변화를 정량적으로 나타내지만, 지리적으로 시각화하기 어려운 단점을 지니고 있다. 이를 보완하기 위해 ERDAS IMAGINE 9.
FRAGSTATS란 무엇인가?
3을 사용하여 경관구조특성을 나타내는 지표 또는 매트릭스를 산출하였다. FRAGSTATS는 경관생태학 연구를 위한 분석도구로서, 이질적인 경관 구성요소들의 구조를 다양한 지표로 쉽게 정량화할 수 있도록 미내무성과 오레곤 주립대학교의 공동 연구로 개발된 공간분석 프로그램이다(McGarigal and Marks, 1995). 경관을 구성하는 일차적 단위는 주위 환경과 구분되는, 외형 및 특성이 등질적으로 연속된 지표의 영역에 해당하는데 경관구조분석에서는 이를‘patch’라 부르며, 이질적이고 다양한 patch들이 전체를 이루며 결합되어 있는 대상을 경관‘모자이크’라 한다.
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