제주 남서 이질대에서 채취된 138개의 해양표층퇴적물 시료와 황하와 양쯔강 하천퇴적물 시료에 대하여 반정량 X선회절분석법에 의한 점토광물 상대조성을 바탕으로 주성분분석을 이용하여 퇴적물의 기원지를 연구하였다. 제1주성분과 제2주성분이 전체 자료의 90% 이상을 설명하기 때문에 두 주성분만을 가지고 R프로그램을 이용하여 주성분분석을 실시하였다. 제주 남서 이질대 내 각각의 점토광물의 분포양상은 매우 복잡하지만, 전체적인 분포양상을 고려할 때, 스멕타이트와 카올리나이트는 서부지역에서 높은 함량을 보였고 일라이트와 녹니석은 동부지역에서 상대적으로 높은 값을 나타냈다. 제주 남서 이질대의 동부지역에서 보여주는 상대적으로 높은 일라이트와 녹니석 함량은 양쯔강 퇴적물과, 서부지역에서의 높은 스멕타이트와 카올리나이트 함량은 황하 퇴적물과 더 유사한 양상을 나타낸다. 이러한 통계 처리 결과를 바탕으로 제주 남서 이질대의 동부지역은 양쯔강에서 유래하였고 서부지역은 황하로부터 기원했음을 추정할 수 있다. 추후 퇴적물 기원지 연구에 주성분분석이 유용하게 활용될 것으로 기대한다.
제주 남서 이질대에서 채취된 138개의 해양표층퇴적물 시료와 황하와 양쯔강 하천퇴적물 시료에 대하여 반정량 X선회절분석법에 의한 점토광물 상대조성을 바탕으로 주성분분석을 이용하여 퇴적물의 기원지를 연구하였다. 제1주성분과 제2주성분이 전체 자료의 90% 이상을 설명하기 때문에 두 주성분만을 가지고 R프로그램을 이용하여 주성분분석을 실시하였다. 제주 남서 이질대 내 각각의 점토광물의 분포양상은 매우 복잡하지만, 전체적인 분포양상을 고려할 때, 스멕타이트와 카올리나이트는 서부지역에서 높은 함량을 보였고 일라이트와 녹니석은 동부지역에서 상대적으로 높은 값을 나타냈다. 제주 남서 이질대의 동부지역에서 보여주는 상대적으로 높은 일라이트와 녹니석 함량은 양쯔강 퇴적물과, 서부지역에서의 높은 스멕타이트와 카올리나이트 함량은 황하 퇴적물과 더 유사한 양상을 나타낸다. 이러한 통계 처리 결과를 바탕으로 제주 남서 이질대의 동부지역은 양쯔강에서 유래하였고 서부지역은 황하로부터 기원했음을 추정할 수 있다. 추후 퇴적물 기원지 연구에 주성분분석이 유용하게 활용될 것으로 기대한다.
In this study, we tried to define the origin of fine-grained sediments in Southwestern Cheju Island Mud (SWCIM) using principal component analysis. We used relative clay mineral compositions using 138 marine surface sediments, 4 Huanghe sediments and 3 Changjiang river sediments by the semi-quantita...
In this study, we tried to define the origin of fine-grained sediments in Southwestern Cheju Island Mud (SWCIM) using principal component analysis. We used relative clay mineral compositions using 138 marine surface sediments, 4 Huanghe sediments and 3 Changjiang river sediments by the semi-quantitative X-ray diffraction analysis. We made bioplot diagram using R program with principal component 1 and component 2 because they might contain more than 90% of all data. Although the distribution pattern of each clay minerals in SWCIM is so intricate, smectite and kaolinite contents are high in the west region, but illite and chlorite contents are rich in the east region. In the biplot, the east region of SWCIM distribute around Changjiang river, whereas west region of SWCIM disperse around Huanghe. Our results might reveal that west region of SWCIM is mainly originated by Huanghe, but east region of SWCIM by Changjiang River.
In this study, we tried to define the origin of fine-grained sediments in Southwestern Cheju Island Mud (SWCIM) using principal component analysis. We used relative clay mineral compositions using 138 marine surface sediments, 4 Huanghe sediments and 3 Changjiang river sediments by the semi-quantitative X-ray diffraction analysis. We made bioplot diagram using R program with principal component 1 and component 2 because they might contain more than 90% of all data. Although the distribution pattern of each clay minerals in SWCIM is so intricate, smectite and kaolinite contents are high in the west region, but illite and chlorite contents are rich in the east region. In the biplot, the east region of SWCIM distribute around Changjiang river, whereas west region of SWCIM disperse around Huanghe. Our results might reveal that west region of SWCIM is mainly originated by Huanghe, but east region of SWCIM by Changjiang River.
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문제 정의
, 2009). 이번 연구에서는 제주 남서 이질대(Southwestern Cheju Island Mud, SWCIM) 퇴적물의 상대 점토광물 함량 분석 결과에 주성분분석을 적용하여 얻어진 처음 두 주성분들을 행렬도에 작성하여 시각적으로 관측점들과 성분들 간의 관계를 검토해 보고자 한다.
제안 방법
만일 점토광물 네 개를 동시에 이용하여 기원지를 해석할 수 있다면 보다 종합적으로 자료를 해석할 수 있을 것으로 여겨진다. 2차원적인 연구 방법으로는 기원지 해석에 제약이 많을 수 있지만 좀 더 다각적인 방법에서 실험 결과를 해석해 보기 위해 주성분분석을 도입하여 연구를 수행해 보았다.
이번 연구에서는 주성분분석을 이용하여 제주 남서 이질대의 퇴적물 근원지를 추정하였다. 연구에 사용된 시료는 제주 남서 이질대 부근에서 채취된 138개의 해양퇴적물이며, 통계분석은 일라이트, 스멕타이트, 녹니석, 카올리나이트와 같은 네 가지 주요 점토광물의 반정량 분석을 통해 얻어진 결과를 바탕으로 시행하였다.
반정량분석을 통한 각 점토광물의 함량을 바탕으로 제주 남서 이질대의 기원지를 추정하는데 다차원적인 통계적 방법을 적용하였다. 주성분분석은 기본적인 다차원적 분석방법의 하나로 정보의 손실을 가능한 최소로 하여 다변량의 자료로부터 본질이 되는 소수의 변량을 합성하여 자료를 분석하는 것을 바탕으로 한다.
따라서 애치슨 기하학(Aitchison geometry)을 이용하여 구성비데이터에 대한 주성분분석을 실시하였다(Aitchison and Greenacre, 2002). 구체적으로 R 언어의 compositions 패키지의 Rcomp 클래스의 princomp 함수를 사용하여 구성비데이터에 대한 주성분분석을 실시하고 행렬도를 작성하였다. rcomp 클래스의 princomp 함수는 입력 데이터에 대해 cpt(centered planar transformation) 변환을 실시한 후 이 변환데이터에 대해 주성분분석 절차를 적용시킨다.
표 1은 제주 남서 이질 대의 주성분분석 결과를 정리한 것으로 제주 남서 이질대의 동부 지역과 서부 지역에 대한 주성분분석 모두 관측오차와 측정오차 등으로 인하여 일부 정보가 손실되었으나 제1주성분과 제2주성분이 전체 데이터의 90% 이상을 설명하기 때문에 각 변량의 정보를 모두 포함하고 있다고 여겨진다. 제3주성분까지 활용할 경우, 정보의 손실이 거의 없어지지만 3차원 상에 표현된다는 점에서 더 효과적인 시각화를 위하여 제1주성분과 제2주성분만을 사용하였다. 또한 전체 변량의 수가 4가지로 많지 않았기 때문에 두 개의 주성분만으로 결과의 활용이 가능했다.
제주 남서 이질대 해양표층퇴적물 시료 138개와 황하, 양쯔강 하천퇴적물 시료 7개를 이용하여 주성분분석을 적용하여 퇴적물 기원지 연구를 실시한 이번 연구 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
이번 연구에서는 주성분분석을 이용하여 제주 남서 이질대의 퇴적물 근원지를 추정하였다. 연구에 사용된 시료는 제주 남서 이질대 부근에서 채취된 138개의 해양퇴적물이며, 통계분석은 일라이트, 스멕타이트, 녹니석, 카올리나이트와 같은 네 가지 주요 점토광물의 반정량 분석을 통해 얻어진 결과를 바탕으로 시행하였다.
이번 연구에 사용된 시료는 2001년, 2007년, 2012년에 채취된 제주 남서 이질대 내 해양표층퇴적물 138개 시료이다. 이 시료에 대한 정확한 위치와 머드 함량은 Cho et al.
(2013)의 그림 1에 제시되어 있다. 해양표층퇴적물의 기원지를 알아보기 위하여 황하와 양쯔강 퇴적물 각각 4개, 3개 모두 7개를 사용하였다. 점토광물 반정량분석을 위한 시료 처리와 분석 방법은 Cho et al.
데이터 속에서 주성분 자체를 형성하는 것은 통계분석 소프트웨어를 통해 이루어지며, R프로그램을 이용하여 주성분분석을 진행하였다. 그런데 이번 연구의 자료는 비음이며 합이 1로 제약되는 구성비데이터(compositional data, compositions), 즉 심플렉스 공간(simplex space)상의 자료이다. 이런 구성비데이터에 대해서는 유클리드 공간상의 데이터를 위해 고안된 데이터 분석(주성분분석을 포함하여)을 그대로 적용할 수 없다(Jung and Ahn, 2005).
데이터처리
제1주성분만으로는 자료를 충분히 설명할 수 없는 경우, 즉 정보의 손실이 발생하여 기여율이 0에 보다 가까울 때에는 두 번째의 주성분(제2주성분), 제3주성분과 같은 새로운 주성분을 형성할 수 있다. 데이터 속에서 주성분 자체를 형성하는 것은 통계분석 소프트웨어를 통해 이루어지며, R프로그램을 이용하여 주성분분석을 진행하였다. 그런데 이번 연구의 자료는 비음이며 합이 1로 제약되는 구성비데이터(compositional data, compositions), 즉 심플렉스 공간(simplex space)상의 자료이다.
이론/모형
이런 구성비데이터에 대해서는 유클리드 공간상의 데이터를 위해 고안된 데이터 분석(주성분분석을 포함하여)을 그대로 적용할 수 없다(Jung and Ahn, 2005). 따라서 애치슨 기하학(Aitchison geometry)을 이용하여 구성비데이터에 대한 주성분분석을 실시하였다(Aitchison and Greenacre, 2002). 구체적으로 R 언어의 compositions 패키지의 Rcomp 클래스의 princomp 함수를 사용하여 구성비데이터에 대한 주성분분석을 실시하고 행렬도를 작성하였다.
성능/효과
제주 서부 이질대 부근에서 채취된 138개의 표층퇴적물 시료를 점토광물 반정량 X선회절분석을 통하여 일라이트, 스멕타이트, 녹니석, 카올리나이트의 4가지 주요 점토광물의 상대적인 함량을 결정한 결과, 제주 서부 이질대 표층퇴적물 내 존재하는 점토광물은 일라이트, 녹니석, 카올리나이트, 스멕타이트 순으로 존재한다. 황하와 양쯔강의 표층퇴적물 역시 제주 서부 이질대와 같이 일라이트, 녹니석, 카올리나이트, 스멕타이트 순으로 존재한다.
일라이트는 동쪽에서 높은 함량을 보이고 서쪽지역에서 상대적으로 낮은 함량을 보인다. 이와 같은 점토광물의 분포양상을 바탕으로 제주 남서 이질대를 서부지역과 동부지역으로 나눌 때, 서부지역은 스멕타이트와 카올리나이트의 함량이 높게 나타나는 반면, 동부지역에서는 일라이트와 녹니석의 함량이 상대적으로 높은 값을 보였다. 해양퇴적물과 하천퇴적물의 점토광물 조성을 비교할 경우 제주 서부 이질대의 서부 지역은 황하 퇴적물, 동부지역은 양쯔강 퇴적물에 대비된다고 판단할 수 있다(Cho et al.
이것은 일라이트의 함량값이 다양하게 분포함을 의미한다. 화살표의 방향을 통하여 일라이트와 녹니석이 서로 독립적인 양상을 보이고, 일라이트와 스멕타이트, 카올리나이트는 상반된 성질을 가진다는 것을 알 수 있다. 반면 스멕타이트와 카올리나이트는 유사한 성질을 나타낸다.
황하 퇴적물은 스멕타이트의 함량이 특히 높으며, 양쯔강 퇴적물은 녹니석과 카올리나이트가 비교적 높은 값을 나타낸다. 전체적으로 황하 퇴적물이 제주 남서 이질대의 서부지역 해양퇴적물과 더욱 근접한 분포를 보여준다(그림 1B).
이번 연구를 통하여 주성분분석은 해양퇴적물의 근원지를 추정하는데 있어 기존 방법에 비하여 시각적으로 명확한 결론을 도출하게 할 수 있음을 알수 있었다. 추후 다른 해양퇴적물에의 주성분분석이 널리 활용될 것으로 판단된다.
1) 점토광물 분포 양상을 고려하여 제주 남서 이질대를 동부지역과 서부지역으로 나눌 수 있다. 동부지역에서는 스멕타이트와 카올리나이트가 비교적 높은 값을 보이고 서부지역에서는 일라이트와 녹니석의 함량이 상대적으로 높게 나타난다.
2) 황하 퇴적물에서는 특히 스멕타이트의 함량이 높은 반면 양쯔강 퇴적물에서는 상대적으로 일라이트의 함량이 높다는 점에서 두 개의 강 퇴적물은 구분된다.
4) 주성분분석 결과 제주 남서 이질대의 동부지역은 양쯔강 퇴적물에, 서부지역은 황하 퇴적물과 더 유사한 양상을 나타낸다. 이것은 제주 남서 이질대의 동부지역은 양쯔강에서 유래하였고 서부지역은 황하로부터 기원했음을 지시한다.
후속연구
그러나 기존 방법들은 대부분 하나 또는 두 개의 점토광물 자료를 이용하여 기원지를 해석하였기 때문에 기원지 해석에 있어 많은 제약이 있을 수밖에 없다. 만일 점토광물 네 개를 동시에 이용하여 기원지를 해석할 수 있다면 보다 종합적으로 자료를 해석할 수 있을 것으로 여겨진다. 2차원적인 연구 방법으로는 기원지 해석에 제약이 많을 수 있지만 좀 더 다각적인 방법에서 실험 결과를 해석해 보기 위해 주성분분석을 도입하여 연구를 수행해 보았다.
이번 연구를 통하여 주성분분석은 해양퇴적물의 근원지를 추정하는데 있어 기존 방법에 비하여 시각적으로 명확한 결론을 도출하게 할 수 있음을 알수 있었다. 추후 다른 해양퇴적물에의 주성분분석이 널리 활용될 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
주성분분석이 유용하게 활용되는 분야에는 어떤 것들이 있는가?
)의 이름을 따서 호텔링 변환이라 불리기도 한다. 주성분분석은 통계적 처리 방법의 하나로 농학, 생물학, 화학, 기상학, 환경과학, 경제학, 심리학 등 다양한 분야에서 유용하게 활용되고 있다(Borozan et al., 2013; Ktalikova et al.
주성분분석은 주로 어떤 경우일 때 이용되는가?
, 2013). 이 분석 방법은 주로 다수의 지표를 통합한 종합적인 지표를 작성하거나 관측하고자 하는 대상을 분류할 때, 또는 중회귀분석 (multiple regression analysis) 및 판별분석(discriminant analysis)을 위한 자료를 다른 관점에서 보고자 할 경우에 이용된다(Lee, 2003; Scheib et al., 2009).
주성분분석이란 무엇인가?
주성분분석(principal component analysis, PCA) 은 변수들에 대한 아무런 제약이 없는 자료 즉 유클리드 공간상의 자료에 대해서 원래의 변수들이 가지고 있는 변동성을 최대한 확보하는 적은 수의 서로 상관되어 있지 않은 새로운 변수(주성분)들을 생성하는 방법이다(Jolliffe, 2002). 주성분분석은 원래의 변수들에 대한 직교선형변환을 통해서 주성분들이라고 부르는 선형으로 상관되어 있지 않은 인공적 변수들을 유도하는 것이다.
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