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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 DMZ 일원의 토지이용에 대한 기초적인 자료 제공을 위하여 고해상도 위성영상과 객체기반 분류기법을 이용한 대분류, 중분류에 대한 계층적인 토지피복분류를 실시하고, 산림청에서 제공 받은 DEM 자료를 이용하여 지형인자에 따른 토지피복의 변화를 비교, 분석을 목적으로 한다.
- 본 연구는 고해상도 위성영상을 이용하여 DMZ 인제군 일원을 대상으로 객체기반 분류기법을 통해 계층적 토지피복분류를 실시한 후, 토지피복도를 이용하여 지형인자에 따른 분류항목 별 분포 특성을 분석하고자 하였다. 또한, 대분류와 중분류 항목의 기준을 선정하고 최근린 분류법을 통한 계층적 토지피복분류를 실시하였다.
제안 방법
- Shape 와 Color는 0~1사이에서 결정되며 Shape 값이 증가하면 Color의 값이 감소하여 두 가중치의 합이 1이 되는 관계룰 가진다. Compactness와 Smoothness도 마찬가지로 두 가중치의 합이 1이 되는 관계를 가지며 따라서, 서로의 상관관계를 고려하여 0.1부터 0.9까지 순차적 비교를 통하여 선정하였다.
- Rapid eye영상은 남방한계선, 민간통제선, 행정구역도를 이용하여 대상지를 추출하였고, DEM과 도로망도를 이용하여 UTM(WGS 84 north zone 52)좌표로 보정하였다. 또한, 위성영상은 대기의 영향에 따라 토지피복분류 시 오차의 가능성이 있어 영상의 전처리작업이 필요하다(Kim and Yeom, 2012).
- 감독분류 방법 중 최근린기법을 이용하여 분류를 하였으며, 사용된 인자로는 위성영상의 밴드 별 분광 값의 평균과 표준편차를 이용하여 대분류를 실시하고, 분광 값과 GLCM을 이용하여 중분류를 실시하여 토지피복도를 제작하였다. 또한, 지형인자에 따른 토지피복항목의 분포 특성을 파악하였다(그림 2).
- 계층적 토지피복분류는 환경부에서 제공하는 대분류와 중분류의 토지피복분류항목을 기준으로 선정하였다. 객체기반 영상분류는 객체 분할 결과에 따라서 분류 정확도가 달라질 수 있다(Lee et al.
- 따라서, 가중치 선정과정의 효율성을 높이기 위해 Park(2013)과 같이 Test site는 토지피복분류항목이 모두 포함된 3km×2km, 전체면적의 약 5%로 선정하였고, 가중치 선정에는 Scale(분할축적), Shape(공간정보), Color(분광정보), Compactness(조밀도), Smoothness(평활도)의 정보를 고려하여 선정하였다.
- 본 연구는 고해상도 위성영상을 이용하여 DMZ 인제군 일원을 대상으로 객체기반 분류기법을 통해 계층적 토지피복분류를 실시한 후, 토지피복도를 이용하여 지형인자에 따른 분류항목 별 분포 특성을 분석하고자 하였다. 또한, 대분류와 중분류 항목의 기준을 선정하고 최근린 분류법을 통한 계층적 토지피복분류를 실시하였다. 영상분할을 위한 최적의 가중치는 Scale 72, Shape 0.
- 최근린법은 분류항목의 sample로 지정된 객체의 특징과 유사한 특징을 가지는 가장 가까운 객체를 찾는 방법으로서, 미 분류된 객체의 경우, 주변의 객체 중 특징이 가장 비슷한 특징을 가지는 분류항목으로 결정된다(Kim and Jeong, 1992). 또한, 분류된 토지피복도는 Training and test area(TTA) mark를 생성하여 분류정확도를 평가하였다. 계층적인 토지피복 현황을 파악하기 위하여 밴드별 평균 값(Mean)과 표준 편차(Standard deviation), GLCM의 Homogeneity(균일성)을 사용하였다.
- 감독분류 방법 중 최근린기법을 이용하여 분류를 하였으며, 사용된 인자로는 위성영상의 밴드 별 분광 값의 평균과 표준편차를 이용하여 대분류를 실시하고, 분광 값과 GLCM을 이용하여 중분류를 실시하여 토지피복도를 제작하였다. 또한, 지형인자에 따른 토지피복항목의 분포 특성을 파악하였다(그림 2).
- 본 연구는 단계별로 생성한 분할영상 비교를 통해 최적가중치 Scale 72, Shape 0.2, Color 0.8, Compactness 0.5, Smoothness 0.5를 선정하여 전체 대상지를 분할하였다.
- 분류된 토지피복도의 면적을 비교하기 위해 2010년 영상으로 제작된 환경부의 DMZ 중분류 토지피복도와 면적차이를 비교하였다.
- 사용된 지형인자는 남방한계선으로부터의 거리, 표고정보와 경사정보를 추출하여 사용하였으며 추출한 정보는 등간격을 이용하여 각각 거리분석은 2km씩 6단계, 표고분석은 200m씩 5단계, 경사분석은 10°씩 5단계로 분할하여 각각의 인자에 따른 항목별 분포특성을 분석하였다.
- 위성영상의 전처리 작업으로 기하보정과 마스크 처리를 실시하였다. 토지피복 분류항목은 환경부 토지피복 분류기준에 따라 대분류와 중분류의 항목을 선정하고 객체기반 영상분류는 Scale, Shape, Color, Compactness, Smoothness의 정보를 이용하여 최적 가중치를 선정하였다.
- 제작된 중분류 토지피복도는 지형인자를 이용하여 분류항목 별 분포특성을 분석하였다. 사용된 지형인자는 남방한계선으로부터의 거리, 표고정보와 경사정보를 추출하여 사용하였으며 추출한 정보는 등간격을 이용하여 각각 거리분석은 2km씩 6단계, 표고분석은 200m씩 5단계, 경사분석은 10°씩 5단계로 분할하여 각각의 인자에 따른 항목별 분포특성을 분석하였다.
- 위성영상의 전처리 작업으로 기하보정과 마스크 처리를 실시하였다. 토지피복 분류항목은 환경부 토지피복 분류기준에 따라 대분류와 중분류의 항목을 선정하고 객체기반 영상분류는 Scale, Shape, Color, Compactness, Smoothness의 정보를 이용하여 최적 가중치를 선정하였다.
대상 데이터
- Scale은 Level 1에서 산림지역과 도로의 경계가 75에서 50으로 감소할 때 나타나는 것을 확인하여 75를 선택하였다. Level 2에서는 나지와 수계지역의 경계를 확인하였을 때, 75와 70구간에서 경계가 세밀해지는 것을 확인하여 75를 선택하였다. Level 3에서는 초지와 주거 지역의 경계를 중심으로 75부터 70까지 순차적으로 판독한 결과, 72에서 경계가 명확히 나뉘는 것을 확인하여 Scale의 최적 가중치는 72로 선정하였다(그림 3).
- 본 연구에서 사용된 Geographic information system(GIS)자료는 남방한계선과 민간통제선, 행정구역도, 수치지형도와 환경부의 토지피복도를 사용하였으며, Remote sensing(RS)자료는 Rapid eye와 Google earth를 사용하였다. Rapid eye는 공간해상도 6.
- 연구대상지는 생물다양성이 높고 자연생태계가 잘 보전되고 있는 강원도 인제군의 DMZ 일원 지역 중 민간통제선 이북지역에서 남방한계선까지 선정하였다(그림 1). 총 면적은 약 10,442ha로 DMZ 전체 면적에 약 18%를 차지하고 인제군 전체 면적에 약 6%를 차지하고 있다(Kim, 2007; Inje-gun, 2013).
이론/모형
- Shape와 Color는 가중치 선정 시 Scale 72로 고정하고 실시하였다. 가중치는 분할영상의 건물과 나지를 기준으로 판독하여 객체의 형태가 명확하게 구분되는 지점을 선정하였다.
- GLCM 기법은 객체안의 분광 값을 공간관계에 따라 Mean(평균), Contrast(대비), Homogeneity(균일성)등의 계산식을 이용하여 질감차이의 빈도수를 표현하는 기법이다. Song et al. (2011)에 의하면 GLCM 기법의 정보 중에서 침엽수와 활엽수의 구분은 Homogeneity을 사용하는 것이 가장 적합하다고 보고가 되어, 본 연구에서는 Homogeneity를 적용하였다. Homogeneity는 분광 값의 균일한 정도를 나타내는 값으로 분광 값의 차이가 적을수록 값이 높다.
- 또한, 분류된 토지피복도는 Training and test area(TTA) mark를 생성하여 분류정확도를 평가하였다. 계층적인 토지피복 현황을 파악하기 위하여 밴드별 평균 값(Mean)과 표준 편차(Standard deviation), GLCM의 Homogeneity(균일성)을 사용하였다. GLCM 기법은 객체안의 분광 값을 공간관계에 따라 Mean(평균), Contrast(대비), Homogeneity(균일성)등의 계산식을 이용하여 질감차이의 빈도수를 표현하는 기법이다.
- 5로 선정되었으며, 객체 분할시 Scale의 인자가 영상분할에 가장 큰 영향을 주었다. 또한, 대분류와 중분류 항목 기준을 선정하고 밴드별 분광 값과 표준편차, GLCM기법을 이용하여 영상 분류를 실시하였다. 대분류를 한 결과, 산림지역, 초지, 시가지의 순으로 큰 면적이 분포하였고, 중분류의 결과, 활엽수림, 혼효림, 침엽수림의 순으로 큰 면적이 분포하였다.
- 5m이며, 밴드는 Red(630-685nm), Green(520-590nm), Blue(440-510nm), Red edge(690-730nm), Near infra red(760-850nm)의 5개 밴드로 구성된다(Kim and Yeom, 2012). 영상분석과 GIS자료구축을 위해 eCognition developer 8.8 프로그램과 ArcGIS 10.1을 사용하였다.
- 최적의 가중치를 선정하기 위해서 Multiresolution segmentation 기법을 적용하였다. 설정된 여러 단계의 가중치 값은 수직적인 관계로 생성이 되며, 분류항목들 간 명확히 분할되는 가중치는 시행착오를 통하여 최적의 가중치를 선정하였다(Kim and Yeom, 2012).
- 토지피복도의 분류항목은 대분류와 중분류로 구분하여 계층적인 토지피복도를 제작하였고(표 1), 객체기반으로 분할된 영상은 감독분류방법으로 토지피복분류항목 별 sampling작업을 실시하고 분류기법으로는 최근린법을 이용하였다. 최근린법은 분류항목의 sample로 지정된 객체의 특징과 유사한 특징을 가지는 가장 가까운 객체를 찾는 방법으로서, 미 분류된 객체의 경우, 주변의 객체 중 특징이 가장 비슷한 특징을 가지는 분류항목으로 결정된다(Kim and Jeong, 1992).
성능/효과
- 두 자료를 비교한 결과, 혼효림 지역이 약 3,444ha로 가장 많이 면적이 증가하였고, 침엽수림과 기타초지에서 각각 약 316ha, 약 177ha의 순으로 증가하였다. 감소한 지역은 활엽수림 약 3,804ha로 가장 많은 면적이 감소하였고, 기타나지 약 300ha, 내륙 습지 약 69ha 순으로 감소하였다(표 3).
- 거리분석을 통해, 남방한계선으로부터 6km 이상의 지역에서부터 논과 밭의 면적이 50%이상을 차지하는 것으로 보아 6km 이상에서 경작활동이 빈번히 일어남을 알 수 있었고, 2km 미만 지역에서 공공시설 지역과 교통지역, 기타초지와 기타나지의 면적이 각각 약 27%, 약 25%, 약 28%로 높은 면적이 분포하는 것으로 보아 DMZ의 지역적 특성상 건물의 위치로 인한 산림훼손이 일어난 것으로 사료된다(표 4).
- 거리에 따른 분석 결과, 기타나지는 남방한계선으로부터 4~8km 지역에서 분류항목 전체면적의 약 50%이상이 분포하였으며, 논은 6km 이상 지역에서 약 61%, 밭은 4~8km지역에서 약 72%로 높았다. 침엽수림, 활엽수림, 혼효림은 8km 이상의 지역을 제외하고 모든 지역에서 비슷하게 분포하였으나, 6~8km 지역에서 가장 면적 비율이 높았다.
- 한편, 분류항목 별 분포 특성을 보면, 공공시설 지역과 논, 기타나지, 내륙수는 각각 약 53%, 약 46%, 약 53%, 약 60%의 면적이 400m 이하의 지역에서 분포하였다. 교통지역과 밭, 자연초지, 기타 초지는 400~600m 지역에서 각각 약 48%, 약 48%, 약 55%, 약 50%의 면적이 분포하였고, 침엽수림과 활엽수림, 혼효림은 600~1,000m 지역에서 각각 약 75%, 약 58%, 약 63%로 분포하였다. 생활과 밀접한 공공시설 지역과 논, 밭, 내륙수는 400m 이하의 지역에서 대부분이 분포하였다.
- 3%의 순이였다. 구축된 대분류를 이용하여 중분류를 실시한 결과, 산림지역 중에서 활엽수림이 전체 면적의 약 44%, 혼효림 약 42%로 분포하였으며, 초지 중에 기타초지가 약 3%, 시가지 중에서는 교통 지역이 약 2%로 높았다(그림 5, 표 2).
- 대분류 토지피복분포 면적은 산림지역, 초지, 시가지, 수역, 농업지역, 나지의 순으로 산림지역이 약 92%로 가장 높았으며, 각각 약 5%, 약 2%, 약 0.7%, 약 0.5%, 약 0.3%의 순이였다. 구축된 대분류를 이용하여 중분류를 실시한 결과, 산림지역 중에서 활엽수림이 전체 면적의 약 44%, 혼효림 약 42%로 분포하였으며, 초지 중에 기타초지가 약 3%, 시가지 중에서는 교통 지역이 약 2%로 높았다(그림 5, 표 2).
- 또한, 대분류와 중분류 항목 기준을 선정하고 밴드별 분광 값과 표준편차, GLCM기법을 이용하여 영상 분류를 실시하였다. 대분류를 한 결과, 산림지역, 초지, 시가지의 순으로 큰 면적이 분포하였고, 중분류의 결과, 활엽수림, 혼효림, 침엽수림의 순으로 큰 면적이 분포하였다. 객체기반 분류를 통하여 토지피복의 형태에 따른 정확한 분류가 가능하였으며, 객체의 특성에 따라 세밀한 중분류의 토지피복도 제작이 가능하였다.
- 환경부 중분류 토지피복도는 활엽수림이 약 83%로 가장 높았고, 혼효림, 기타나지, 침엽수림이 각각 약 6%, 약 3%, 약 3%의 순이었다. 두 자료를 비교한 결과, 혼효림 지역이 약 3,444ha로 가장 많이 면적이 증가하였고, 침엽수림과 기타초지에서 각각 약 316ha, 약 177ha의 순으로 증가하였다. 감소한 지역은 활엽수림 약 3,804ha로 가장 많은 면적이 감소하였고, 기타나지 약 300ha, 내륙 습지 약 69ha 순으로 감소하였다(표 3).
- 또한, 제작된 토지피복도를 통한 토지이용의 형태를 살펴보면, 남방한계선에 가까울수록 공공시설 지역과 교통지역, 기타나지의 이용이 많았으며, 민간통제선에 가까울수록 논과 밭, 기타초지 등 경작활동이 빈번히 일어남을 알 수 있었다. 또한, 표고가 낮은 계곡부를 중심으로 공공시설 지역과 논, 밭 등의 시설이 밀집한 것을 알 수 있었다.
- 면적차이가 발생한 지역을 구글어스 영상과 비교해본 결과, 객체기반 영상분할시 생성되는 객체 안에 침엽수와 활엽수가 포함되어있어 혼효림의 면적이 높았다.
- 5로 선정하여 토지피복분류를 하였다. 본 연구와 선행연구의 가중치를 비교해보면 산림지역에서는 Scale 값이 50 이상으로 비교적 높았으며, 도심지역은 그 반대의 경향으로 50 이하로 낮아 본 연구의 Scale가중치와 유사하였다. 또한, Shape와 Color가중치는 Color값이 0.
- 분류항목 별 분포 특성을 보면, 공공시설 지역과 내륙수는 10°이하의 지역에서 약 30%의 면적이 분포하였고, 10~20°지역에서는 교통지역, 논, 기타나지의 면적이 각각 약 36%, 약 29%, 약 36%로 분포하였다.
- 또한, 대분류와 중분류 항목의 기준을 선정하고 최근린 분류법을 통한 계층적 토지피복분류를 실시하였다. 영상분할을 위한 최적의 가중치는 Scale 72, Shape 0.2, Color 0.8, Compactness 0.5, Smoothness 0.5로 선정되었으며, 객체 분할시 Scale의 인자가 영상분할에 가장 큰 영향을 주었다. 또한, 대분류와 중분류 항목 기준을 선정하고 밴드별 분광 값과 표준편차, GLCM기법을 이용하여 영상 분류를 실시하였다.
- 거리에 따른 분석 결과, 기타나지는 남방한계선으로부터 4~8km 지역에서 분류항목 전체면적의 약 50%이상이 분포하였으며, 논은 6km 이상 지역에서 약 61%, 밭은 4~8km지역에서 약 72%로 높았다. 침엽수림, 활엽수림, 혼효림은 8km 이상의 지역을 제외하고 모든 지역에서 비슷하게 분포하였으나, 6~8km 지역에서 가장 면적 비율이 높았다. 한편, 내륙수와 공공 시설 지역, 교통지역, 기타초지는 2km 미만의 지역에서 면적 비율이 높았다.
- 표고와 경사에 따라 분류항목 별 분포특성은 공공시설 지역, 논, 기타초지, 내륙수는 표고와 경사가 낮은 곳에서 많이 분포하였고, 침엽수림과 활엽수림, 혼효림은 표고와 경사가 모두 높은 곳에서 많이 분포하였다.
- 환경부 대분류 토지피복도는 산림이 약 92%로 가장 높았고, 시가지 약 12%, 나지 약 3%의 순으로 높았다. 환경부 중분류 토지피복도는 활엽수림이 약 83%로 가장 높았고, 혼효림, 기타나지, 침엽수림이 각각 약 6%, 약 3%, 약 3%의 순이었다.
- 환경부 대분류 토지피복도는 산림이 약 92%로 가장 높았고, 시가지 약 12%, 나지 약 3%의 순으로 높았다. 환경부 중분류 토지피복도는 활엽수림이 약 83%로 가장 높았고, 혼효림, 기타나지, 침엽수림이 각각 약 6%, 약 3%, 약 3%의 순이었다. 두 자료를 비교한 결과, 혼효림 지역이 약 3,444ha로 가장 많이 면적이 증가하였고, 침엽수림과 기타초지에서 각각 약 316ha, 약 177ha의 순으로 증가하였다.
후속연구
- 또한, 표고가 낮은 계곡부를 중심으로 공공시설 지역과 논, 밭 등의 시설이 밀집한 것을 알 수 있었다. 따라서, 고해상도 위성영상을 이용한 계층적 토지피복분류를 통하여 DMZ 인제군 일원의 토지피복의 형태를 알 수 있었으며, 이는 향 후, 이루어질 DMZ 일원의 산림관리계획수립 및 생물권보전구역 설정을 위한 기초적인 자료의 제공이 가능할 것으로 판단된다.
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