[논문]GIS 자료를 활용한 도시 재개발 주변 지역의 일조 환경 분석

강정은; 박수진; 김재진

doi:10.7780/kjrs.2018.34.5.4

[국내논문] GIS 자료를 활용한 도시 재개발 주변 지역의 일조 환경 분석
A Study on the Sunshine Environment Around Urban Redevelopment Area Using a GIS Data 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.34 no.5, 2018년, pp.749 - 762

강정은 (부경대학교 지구환경시스템과학부) , 박수진 (부경대학교 지구환경시스템과학부) , 김재진 (부경대학교 지구환경시스템과학부)

초록
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본 연구에서는 고층 건물 신축에 의한 주변 지역의 일조 환경 변화를 계절별로 분석하였다. 지리정보시스템(geographic information system, GIS) 자료를 이용하여 부산광역시 부경대학교 일대를 중심으로 지형과 건물을 구축하고, 고층 건물 건설 전과 후에 대해 계절별로 일조 모델을 수행하였다. 고층 건물 단지 건설 전에도 대상 지역의 남동쪽에 위치한 아파트 단지와 남쪽에 위치한 봉오리산의 영향을 받아 일조 차단 영역이 넓게 나타났다. 고층 건물 단지 건설에 의해 주변 지역의 일조 시간이 감소하였고, 일출과 일몰 시간대에는 일조 차단 면적이 증가하였다. 일출 1시간 후의 경우에는 춘분(1.60%), 추분(1.58%), 하지(1.50%), 동지(1.36%) 순으로 일조 차단 면적이 증가하였다. 부경대학교 동쪽(남쪽)에 건설된 고층 건물 단지는 일출(일몰)시 서쪽(동쪽)으로 1,000 m(750 m) 이상의 지점까지 일조가 차단되었다. 특히, 부경대학교 내부에서는 춘분, 하지, 추분, 동지에 각각 46.61%, 22.75%, 58.56%, 11.31%의 일조 시간이 감소하였다. 부경대학교 기숙사 건물에 대해 겨울철 1주일 동안 일조 시간을 조사한 결과, 남쪽 고층 건물 단지 건설은 기숙사 건물 서쪽(남쪽) 벽면의 일조 면적을 30.91%(49.45%) 정도 감소시켰다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the changes of the sunshine environment due to the construction of buildings were analyzed by season. Using a geographic information system (GIS) data, the topography and the buildings were constructed around Pukyong National University (PKNU) in Busan. The numerical model was performed for a week in each season, before and after the construction of buildings. Even before the construction of the high-rise building complex, the area of sunshine block is wide due to the apartment complex located in the southeast of the PKNU campus and the mountain in the south. After the construction, the sunshine-blocked area became wider after the sunrise and before the sunset. The area of sunshine block after 1 hour at sunrise increased by 1.60%, 1.50%, 1.58% and 1.36% in the vernal equinox, summer solstice, autumnal equinox and winter solstice, respectively. The building complex in the east (south) of the PKNU campus made shadow in more than 1,000 m (750 m) toward the west (east) just before the sunrise (sunset). Especially, the sunshine duration in PKNU campus decreased by 46.61%, 22.75%, 58.56%, and 11.31% in the vernal equinox, summer solstice, autumnal equinox and winter solstice, respectively. The analysis of the sunshine duration for a dormitory building showed that the construction of the building complex in the south of the PKNU campus reduced the sunshine area of the western (southern) wall of the dormitory by 30.91% (49.45%) for a winter week.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Satellite picture of the target area (from http://map.daum.net/). The red polygons indicate the recently constructed building complexes and the white polygons indicate the Pukyong National University (PKNU) campus and preexisting apartment complex C. The red circle indicates the dormitory of PKNU.
그림 Fig. 2. Three-dimensional configurations (a) before and (b) after the construction of the building complexes (A and B) in target area.
그림 Fig. 3. Comparison of the solar azimuth angles calculated by the sunshine duration model (lines) and Korea Astronomy and Space Science Institute (symbols) in (a) spring (March 17 to 23, 2017), (b) summer (June 18 to 24, 2017), (c) autumn (September 20 to 26, 2017), and (d) winter (December 19 to 25, 2017).
그림 Fig. 4. Comparison of the solar altitude angles calculated by the sunshine duration model and Korea Astronomy and Space Science Institute in (a) spring (March 17 to 23, 2017), (b) summer (June 18 to 24, 2017), (c) autumn (September 20 to 26, 2017), and (d) winter (December 19 to 25, 2017).
그림 Fig. 5. Sunshine and shadow areas before the construction at (a) 07:34 KST on March 20, 2017, (b) 06:15 KST on June 21, 2017, (c) 07:16 KST on September 23, 2017, and (d) 08:33 KST on December 22, 2017.
그림 Fig. 6. The distributions of the sunshine duration difference between before and after the construction at (a) March 20, 2017, (b) June 21, 2017, (c) September 23, 2017, and (d) December 22, 2017. The black polygons indicate apartment complex A and B. The yellow polygons indicate PKNU campus and apartment complex C.
그림 Fig. 7. Sunshine and shadow areas at (a) 07:34 KST on March 20, 2017, (b) 06:15 KST on June 21, 2017, (c) 07:16 KST on September 23, 2017, and (d) 08:33 KST on December 22, 2017.
그림 Fig. 8. Sunshine and shadow areas at (a) 17:30 KST on March 20, 2017, (b) 18:36 KST on June 21, 2017, (c) 17:15 KST on September 23, 2017, and (d) 16:10 KST on December 22, 2017.
그림 Fig. 9. The ratios of the sunshine blocking area at the west (left panels) and south sides (right panels) of dormitory for a week in spring (March 17 to 23, 2017) [(a) and (b)], summer (June 18 to 24, 2017) [(c) and (d)], autumn (September 20 to 26, 2017) [(e) and (f)], and winter (December 19 to 25, 2017) [(g) and (h)].
그림 Fig. 10. Sunshine and shadow areas of the dormitory building at (a) 13:00 KST, (b) 14:00 KST, (c) 15:00 KST, and (d) 16:00 KST on December 22, 2017.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 일조 모델과 GIS 자료로부터 구축한 3차원 지형 자료를 이용하여, 고층 건물 신축에 따른 주변 지역의 일조 환경 변화를 분석하였다. 건물 신축으로 인한 주변 지역의 일조 환경 변화에 대해 근거리뿐만 아니라 원거리에 위치한 지형과 건물의 영향까지 분석하였다.
지형과 건물에 대한 각각의 격자에 대해, 산출한 태양 방위각과 고도각을 차례로 비교하여 장애물을 탐색하고 대상지점의 일조차단 여부를 판별한다. 본 연구에서는 건물 신축에 따른 일조 환경을 변화를 상세하게 분석하기 위하여, 위의 과정을 1분 간격으로 수행하였다.
본 연구에서는 고층 건물 신축에 의한 부경대학교 주변 지역의 일조 환경 변화를 분석하였다. 한낮의 경우, 태양 고도각의 영향으로 지형과 건물에 의한 일조 차단의 효과가 작게 나타나기 때문에(Kim et al, 2014; Park and Kim, 2014), 고층 건물에 의한 일조 차단의 효과가 크게 나타날 것으로 예상되는 일출 1시간 후와 일몰 1시간 전에 대해 분석하였다.
본 연구에서는 고층 건물 신축에 의한 주변 지역의 일조 환경 변화를 분석하였다. 신축 고층 건물에 의한 일조 차단이 예상되는 부산광역시 부경대학교 일대(2 km × 2 km)를 대상 지역으로 선정하였고, 계절별 일조 환경 변화 분석을 위해 2017년 춘분, 하지, 추분, 동지를 기준으로 일주일을 대상 기간으로 선정하였다.

가설 설정

대상 기간 동안에는 구름 없는 맑은 날로 가정하였고, 계절에 따른 일조 환경 특성을 분석하기 위하여, 2017년 춘분(3월 20일), 하지(6월 21일), 추분(9월 23일), 동지(12월 22일)를 기준으로, 각각 일주일을 대상 기간으로 선정하였다(봄: 3월 17일 ~ 3월 23일, 여름: 6월 18일 ~ 6월 24일, 가을: 9월 20일 ~ 9월 26일, 겨울: 12월 19일 ~ 12월 25일).

제안 방법

건물 신축 전과 후의 일조 시뮬레이션을 통해, 계절별로 일조 시간과 일조 차단 영역을 비교·분석하였고, 신축건물에 의한 일조 차단의 영향을 상세히 분석하였다.
따라서, 본 연구에서는 일조 모델과 GIS 자료로부터 구축한 3차원 지형 자료를 이용하여, 고층 건물 신축에 따른 주변 지역의 일조 환경 변화를 분석하였다. 건물 신축으로 인한 주변 지역의 일조 환경 변화에 대해 근거리뿐만 아니라 원거리에 위치한 지형과 건물의 영향까지 분석하였다. 건물 신축 전과 후의 일조 시뮬레이션을 통해, 계절별로 일조 시간과 일조 차단 영역을 비교·분석하였고, 신축건물에 의한 일조 차단의 영향을 상세히 분석하였다.
건물 형태에 따른 일조 차단을 상세히 분석하기 위해 2017년 춘분(3월 20일), 하지(6월 21일), 추분(9월 23일), 동지(12월 22일)의 일출 1시간 후(Fig. 7)와 일몰 1시간전(Fig. 8)에 대한 3차원 일조 분포를 분석하였다. A와 B 단지 신축 전·후 모두 일조가 나타나는 지역은 노란색 으로, 모두 차단되는 지역은 검정색으로 표시하였다.
고층 건물 단지 신축에 따른 주변 건물의 일조 환경 변화를 분석하기 위하여, A 단지의 영향을 가장 많이 받을 것으로 예상되는 부경대학교 학생생활관의 서쪽과 남쪽 벽면에서의 시간별 일조를 분석하였다. Figure 9는 부경대학교 학생생활관의 서쪽과 남쪽 벽면(Fig.
신축 고층 건물에 의한 일조 차단이 예상되는 부산광역시 부경대학교 일대(2 km × 2 km)를 대상 지역으로 선정하였고, 계절별 일조 환경 변화 분석을 위해 2017년 춘분, 하지, 추분, 동지를 기준으로 일주일을 대상 기간으로 선정하였다. 대상 지역의 남쪽과 동쪽에는 각각 최고 29층과 69층의 고층 건물 단지가 신축되었고, GIS 자료와 신축 건물 배치도를 참고하여 3차원 지형 자료를 구축하였다.
본 연구에서는 1:5000 축적의 GIS 자료를 사용하였으며, 벡터 형태 지형과 건물 자료(수평해상도 1 m)를 격자(raster) 형태로 변환하여 3차원 지형 자료를 구축하였다. 신축 건물에 대해서는 각 건물의 배치도를 참고하여 지형 자료를 구축하였다(Fig. 2). 일조 모델의 도메인 크기(격자수)는 2 km × 2 km × 0.
Schlyter(2010)의 계산법은 율리우스 일을 기준으로 황도 기울기, 이심률, 평균근점이각, 근일점 경도 등을 이용하여 태양궤도 요소를 계산한다. 이를 이용하여 황경, 황위, 태양 적경과 적위를 계산한 후, 좌표계 변환을 통해 태양 방위각과 고도각을 산출한다. 지형과 건물에 대한 각각의 격자에 대해, 산출한 태양 방위각과 고도각을 차례로 비교하여 장애물을 탐색하고 대상지점의 일조차단 여부를 판별한다.
이를 이용하여 황경, 황위, 태양 적경과 적위를 계산한 후, 좌표계 변환을 통해 태양 방위각과 고도각을 산출한다. 지형과 건물에 대한 각각의 격자에 대해, 산출한 태양 방위각과 고도각을 차례로 비교하여 장애물을 탐색하고 대상지점의 일조차단 여부를 판별한다. 본 연구에서는 건물 신축에 따른 일조 환경을 변화를 상세하게 분석하기 위하여, 위의 과정을 1분 간격으로 수행하였다.
학생생활관 건물의 일조 시간이 A 단지의 영향을 가장 많이 받았던, 동지일(2017년 12월 22일) 13시에서 16시 사이의 일조 분포를 분석하였다(Fig. 10). A 단지 신축 전에는 학생생활관 건물 남쪽 벽면에서 일조가 거의 차단되지 않았으나, 신축 후에는 남쪽 벽면에서 일조가 차단되었다.
한국천문연구원(Korea astronomy and space science institute, KASI)에서 제공하는 시간별 태양 방위각과 고도각 자료를 이용하여, 본 연구에서 계산한 태양 방위각(Fig. 3)과 고도각(Fig. 4)을 계절별로 비교·검증하였다.
본 연구에서는 고층 건물 신축에 의한 부경대학교 주변 지역의 일조 환경 변화를 분석하였다. 한낮의 경우, 태양 고도각의 영향으로 지형과 건물에 의한 일조 차단의 효과가 작게 나타나기 때문에(Kim et al, 2014; Park and Kim, 2014), 고층 건물에 의한 일조 차단의 효과가 크게 나타날 것으로 예상되는 일출 1시간 후와 일몰 1시간 전에 대해 분석하였다. 2017년 춘분(3월 20일), 하지(6월 21일), 추분(9월 23일), 동지(12월 22일)의 일출(일몰) 시각은 각각 06시 34분(18시 30분), 05시 15분(19시 36분), 06시 16분(18시 15분), 07시 33분(17시 10분)이다.

대상 데이터

1). 대상 지역의 동쪽에는 바다가 위치하고 있으며, 남쪽에는 최고 높이 173.3 m의 봉오리산이 위치한다. 부경대학교의 남서쪽에는 유엔기념공원(UNMCK)과 초·중·고등학교가 위치하고, 남동쪽에는 각각 최고 25층과 39층의 아파트 단지(Apartment complex C)가 위치하고 있으며, 그 외 지역에는 비교적 낮은 주거·상업 시설들이 밀집되어있다.
본 연구에서는 넓은 지역에 대해 보다 정확한 지형과 건물 정보 획득이 용이한 국토 지리정보원의 지리정보시스템(geographic information system, GIS) 자료를 사용하였다. 본 연구에서는 1:5000 축적의 GIS 자료를 사용하였으며, 벡터 형태 지형과 건물 자료(수평해상도 1 m)를 격자(raster) 형태로 변환하여 3차원 지형 자료를 구축하였다. 신축 건물에 대해서는 각 건물의 배치도를 참고하여 지형 자료를 구축하였다(Fig.
대상 지역의 지형과 건물에 의한 일조 차단 여부를 판별하기 위해서는 지형과 건물에 대한 정확한 위치와 높이 정보가 필요하다. 본 연구에서는 넓은 지역에 대해 보다 정확한 지형과 건물 정보 획득이 용이한 국토 지리정보원의 지리정보시스템(geographic information system, GIS) 자료를 사용하였다. 본 연구에서는 1:5000 축적의 GIS 자료를 사용하였으며, 벡터 형태 지형과 건물 자료(수평해상도 1 m)를 격자(raster) 형태로 변환하여 3차원 지형 자료를 구축하였다.
본 연구에서는 신축 고층 건물에 의한 일조 차단이 예상되는 부산광역시 부경대학교 일대의 2 km × 2 km 영역(중심위도: 35.131, 중심경도: 129.105)을 대상 지역으로 선정하였다(Fig. 1).
신축 고층 건물에 의한 일조 차단이 예상되는 부산광역시 부경대학교 일대(2 km × 2 km)를 대상 지역으로 선정하였고, 계절별 일조 환경 변화 분석을 위해 2017년 춘분, 하지, 추분, 동지를 기준으로 일주일을 대상 기간으로 선정하였다.

이론/모형

일조 모델은 대상 기간 동안 대상 지점의 태양 방위각과 고도각을 이용하여, 지형과 건물에 의한 일조 차단 유무를 판별한다. 태양 방위각과 고도각은 Schlyter(2010)의 행성위치계산법을 이용하여 산출한다. Schlyter(2010)의 계산법은 율리우스 일을 기준으로 황도 기울기, 이심률, 평균근점이각, 근일점 경도 등을 이용하여 태양궤도 요소를 계산한다.

성능/효과

9(a), 9(b)). A 단지 신축 후, 학생생활관 건물 서쪽과 남쪽 벽면의 일조 면적 비율은 신축 전에 비해 각각 평균 0.87% 와 5.60% 감소하였다. 태양 고도각이 높은 여름철에는 학생생활관 건물에 대한 A 단지의 영향은 나타나지 않았고(Fig.
B 단지도 매립된 개활지에 신축되었기 때문에, 건설 전에는 주변 지역의 일조 환경에 영향을 주지 않았다. A와 B 단지 건설 후, 신축된 고층 건물 단지 내에서는 건물 신축에 의한 건물간 인동 거리 차이로 인해 일조 시간이 증가하는 지역이 부분적으로 나타났다. 그러나, A와 B 단지는 일출 직후에는 서쪽으로 1,000 m 이상, 일몰 직전에는 동쪽으로 750 m 이상까지 일조 환경에 영향을 주었다.
Park and Kim(2014)은 주변 건물뿐만 아니라 원거리에 위치한 지형과 건물을 고려하여 일조 환경 분석을 하였다. GIS 자료를 이용하여 수평 10 m의 공간 해상도로 지형과 건물 자료를 구축하였고, 원거리에 위치한 건물이나 지형이 ASOS 지점의 일조 관측 환경에 영향을 미치는 것을 확인하였다.
Figure 6은 2017년 춘분(3월 20일), 하지(6월 21일), 추분(9월 23일), 동지(12월 22일)에 조사한 고층 건물 단지 신축 전·후의 일조 시간 증감 지역을 나타낸다. 대상 지역에서는 춘분, 하지, 추분, 동지에 각각 17.38%, 10.26%, 20.65%, 11.05%의 면적의 일조 시간이 감소하였고, 부경대학교 내부에서는 각각 46.61%, 22.75%, 58.56%, 11.31%의 면적에서 일조 시간이 감소하였다. 그러나 A 단지에서는 춘분, 하지, 추분, 동지에 각각 0.
이는 한국천문연구원에서 사용한 계산법(Meeus, 1998)과 본 연구에서 사용한 계산법(Schlyter, 2010)의 행성위치계산법)이 시간각, 태양 적위, 태양의 방위각과 고도각 계산 방법 등에서 차이가 나타나기 때문이다. 따라서 본 연구에서 계산한 태양의 방위각과 고도각은 일조 모델을 수행하는데 사용되기에 적합하다고 판단된다(Park and Kim, 2014).
일조 환경 변화는 계절별로 특징이 뚜렷하게 나타나고, 고층 건물은 근거리뿐만 아니라 1,000 m 이상의 원거리까지 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한, GIS 자료를 활용한 일조 모델이 넓은 지역에 대한 일조 환경 분석에 유용하다는 것을 보였다. 향후, 신축 건물의 높이에 따른 일조 차단 영향 및 열환경 분석에 대한 연구도 수행이 가능할 것으로 판단된다.
방위각과 고도각에 대한 평균제곱근오차(root mean square error, RMSE)는 각각 0.12°, 0.83°이며, 방위각과 고도각에 대한 결정 계수(R2) 는 각각 0.99, 0.99로 상관 관계가 매우 높게 나타났다.
본 연구를 통해 고층 건물 신축이 주변 지역의 일조 환경에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 일조 환경 변화는 계절별로 특징이 뚜렷하게 나타나고, 고층 건물은 근거리뿐만 아니라 1,000 m 이상의 원거리까지 영향을 미치는 것을 확인하였다.
본 연구를 통해 고층 건물 신축이 주변 지역의 일조 환경에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 일조 환경 변화는 계절별로 특징이 뚜렷하게 나타나고, 고층 건물은 근거리뿐만 아니라 1,000 m 이상의 원거리까지 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한, GIS 자료를 활용한 일조 모델이 넓은 지역에 대한 일조 환경 분석에 유용하다는 것을 보였다.
A 와 B 단지 건설 후에만 일조가 나타나는 지역은 파란색 으로, 일조가 차단되는 지역은 빨간색으로 표시하였다. 일출 1시간 후에 대해 분석한 결과(Fig. 7), 건물 단지 건설 전에는 춘분, 하지, 추분, 동지에 대해 각각 대상 지역의 61.53%, 64.49%, 61.50%, 71.73% 면적에서 일조가 차단되었고, 건설 후에는 각각 63.13%(+1.60%), 65.99% (+1.50%), 63.08%(+1.58%), 73.09%(+1.36%)로 일조 차단 면적 비율이 증가하였다. 춘분(07시 34분)과 추분(07 시 16분)에는 신축 건물 단지의 서쪽 영역에서 일조 차단 면적이 증가하였다(Fig.
31%의 일조 시간을 감소시켰다. 일출 1시간 후의 일조 환경을 분석한 결과, 춘분(1.60%), 추분(1.58%), 하지(1.50%), 동지(1.36%)순으로 일조 차단 면적이 증가하였다. B 단지의 영향이 작은 일몰 1시간 전에는 0.

후속연구

또한, GIS 자료를 활용한 일조 모델이 넓은 지역에 대한 일조 환경 분석에 유용하다는 것을 보였다. 향후, 신축 건물의 높이에 따른 일조 차단 영향 및 열환경 분석에 대한 연구도 수행이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고층 건물은 무엇으로 활용되는가?	고층 건물은 도시의 경제 성장 지표로 활용되고 있으며, 건물 높이에 대한 도전 등으로 초고층 건물의 건설이 활발히 이루어지고 있다(Kim and Lee, 2014). 최근 에는 도시 지역의 노후화된 건물 재건과 토지 이용률을 높이기 위해, 주택 재개발 및 증축 사업이 활발히 진행 되고 있다.
	주택 재개발 및 증축 사업이 활발히 진행됨에 따라 무엇이 이슈가 되는가?	최근 에는 도시 지역의 노후화된 건물 재건과 토지 이용률을 높이기 위해, 주택 재개발 및 증축 사업이 활발히 진행 되고 있다. 이에 따라 신축·증축된 건물에 의한 일조 환경 변화가 새로운 이슈로 떠오르고 있다. 주거 시설과 문화 시설 등의 실내 공간에서 자연광의 영향을 많이 받을수록 인체에 쾌적함을 느끼고, 삶의 만족도가 높게 나타난다(Choi et al.
	도시 지역의 노후화된 건물 재건과 토지 이용률을 높이기 위해 무엇이 진행되는가?	고층 건물은 도시의 경제 성장 지표로 활용되고 있으며, 건물 높이에 대한 도전 등으로 초고층 건물의 건설이 활발히 이루어지고 있다(Kim and Lee, 2014). 최근 에는 도시 지역의 노후화된 건물 재건과 토지 이용률을 높이기 위해, 주택 재개발 및 증축 사업이 활발히 진행 되고 있다. 이에 따라 신축·증축된 건물에 의한 일조 환경 변화가 새로운 이슈로 떠오르고 있다.

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Schlyter, P., 2010. Computing planetary positions - a tutorial with worked examples, http://www.stjarnhimlen.se/comp/tutorial.html, Accessed on Oct. 12, 2018.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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