[논문]다중시기 Landsat-8 위성영상을 활용한 빗물마을 조성 사업에 의한 지표면 온도 변화 모니터링에 관한 연구

정윤재; 유기광; 이용익

doi:10.11108/kagis.2020.23.1.030

초록
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서울시 도시재생 사업에 의한 도시환경 변화 파악은 서울시에서 다양한 방법으로 진행되고 있는 도시재생 사업으로 인한 도시환경 변화 탐지를 위해 매우 중요하다. 그러나 도시재생 사업으로 인한 도시환경 변화를 주기적으로 파악할 수 있는 자료가 절대적으로 부족할 뿐만 아니라 자료를 처리하고 분석할 수 있는 인력 또한 현저히 부족하다. 본 연구에서는 다중시기 Landsat 위성영상을 활용하여 도시재생 사업을 통해 조성된 성북구 장위동 빗물마을 지역의 지표온도 변화를 분석함으로써 서울시 빗물마을 조성에 의해 발생한 도시 환경 변화를 다음 과정을 통하여 파악하였다. 우선, 빗물마을 조성 기간 동안 연구대상 지역에서 획득한 Landsat-8 위성영상의 가시광선 및 적외선 밴드를 활용하여 장위동 지역, 장위동 주변 지역 및 서울시 전체 지역의 시계열 지표온도 지도를 제작하였다. 최종적으로 3개 지역의 시계열 지표온도 변화를 측정함으로써, 빗물마을 조성으로 인한 주변지역의 도시환경 변화를 파악하였다. 본 연구에서 도출된 결과의 분석을 통해 장위동 지역에서 진행된 빗물마을 조성사업으로 인해 장위동 지역의 지표온도에 유의미한 변화가 발생했다고 보기는 힘들다는 결론을 내렸다.

Abstract ▼ AI-Helper

Monitoring the urban environmental changes caused by the urban regeneration project is necessary for evaluating the effect of the various types of urban regeneration projects that have been carried out in Seoul, South Korea. However, there is few available data and professional expert for evaluating...

Monitoring the urban environmental changes caused by the urban regeneration project is necessary for evaluating the effect of the various types of urban regeneration projects that have been carried out in Seoul, South Korea. However, there is few available data and professional expert for evaluating the effect of these urban regeneration projects. This research evaluated the effect of the construction of rainwater village in Jangwi-dong area, constructed through the Seoul urban regeneration project, by utilizing the land surface temperatures derived from the multi-temporal Landsat-8 satellite images through the following steps. In the first step, the land surface temperature images were generated using the multispectral bands of the Landsat-8 satellite images. In the final step, the effect of constructing the rainwater villages was assessed by calculating the seasonal LST statistics for Jangwi-dong area, its neighbor area and entire Seoul area. The experimental results led the following conclusion: the construction of rainwater villages did not have the significant effect on the land surface temperature changes in Jangwi-dong area.

주제어

표/그림 (9)

그림 FIGURE 1. Urban regeneration projects carried out in Seoul (Source. Seoul Metropolitan Government, 2018)
그림 FIGURE 2. Examples of rainwater village facilities (News Trust, 2019)
그림 FIGURE 3. Locations of the Jangwi-dong and its neighbor areas in Seoul, South Korea
그림 FIGURE 4. Flowchart showing the procedure for monitoring the land surface temperature changes caused by the construction of rainwater villages by using the multi-temporal Landsat satellite images.
그림 FIGURE 5. One scene of LST image generated by using the multispectral bands of the Landsat-8 satellite image.
표 TABLE 1. Values of LSE determined by values of NDVI (NIMS, 2016)
그림 FIGURE 6. Various LST images for Jangwi-dong area, its neighbor area and entire Seoul area
표 TABLE 2. LST statistics for Jangwi-dong area, neighbor of Jangwi-dong area and entire Seoul area
표 TABLE 3. Seasonal statistics of LST for Jaingwi-dong area, neighbor of Jangwi-dong area and entire Seoul area

AI 본문요약
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문제 정의

위와 같이 위성영상의 다중분광 밴드를 활용 하여 도시 열섬현상 및 환경변화 분석 연구는 국내외 많은 연구자들에 의해 수행되었지만, 위성영상을 활용한 도시 재생 사업에 의한 환경 변화 분석 연구는 현재까지 수행되지 않았다.따라서 본 연구에서는 Landsat-8 위성영상의 다중분광 밴드를 활용하여 최근 빗물마을이 조성된 서울시 성북구 장위동 지역의 지표 온도 변화를 시계열로 파악하고, 이를 통해 빗물마을 조성 사업의 타당성을 검토할 수 있는 기반을 마련한다.
본 연구에서는 Landsat-8 위성영상의 밴드로부터 산출한 지표 온도를 활용하여 빗물 마을 조성 사업으로 인한 도시 환경 변화를 파악하였다. 일반적으로, 위성영상의 밴드로부터 산출 가능한 지표는 지표 온도 외에도 토양의 수분 함유랑, 토양의 식생 활성도 등 다양하다.

제안 방법

Landsat-8 위성영상을 다운로드 한 후, Landsat-8 위성영상의 가시광선(Band 4), 근적외선(Band 5) 및 열적외선(Band 10) 밴드를 활용하여 지표온도를 산출하였다. 지표 온도 (Land Surface Temperature(LST))는 지표면에서 반사 또는 방사되는 열을 총량을 온도로 환산한 값으로서, 도시 열섬 현상을 측정하는 중요한 지표로 활용되고 있다(National Institute of Meteorological Sciences(NIMS), 2016).
본 연구에서는 각 지역 (장위동, 장위동 주변 지역 및 서울시 전체 지역) 에 관한 시계열 지표 온도 지도를 제작한 후, 각 지표 온도 지도를 구성하고 있는 픽셀의 평균 및 지역별 차이를 계산하였고, 이는 표 2에서 확인할 수 있다.
본 연구에서는 장위동과 주변지역, 그리고 서울시 전체지역의 지표온도 지도를 Landsat-8 위성영상의 가시광선, 근적외선 및 열적외선 밴드를 활용하여 제작하고, 2014년부터 2019년 동안 촬영된 시계열 Landsat-8 위성영상의 가시광선 및 적외선 밴드를 활용하여 지표온도 통계를 산출한다. 시계열 Landsat-8 위성영상을 활용한 도시 재생 사업에 의한 도시 환경 변화를 파악하기 위한 본 연구의 진행 순서는 그림 4에서 확인할 수 있다.
시계열 LST 영상을 제작한 후, 장위동, 장위동 주변 지역, 서울시 전체 지역의 LST영상을 각각 제작한다(그림 6 참조).

대상 데이터

일반적으로, 광학센서로 획득한 위성영상은 구름 등 기상 조건의 영향으로 인해 영상의 픽셀 값이 왜곡되는 경우가 발생한다 (United States Geological Survey (USGS), 2019). 따라서 본 연구에서는 기상 조건의 영향을 최소화하기 위해 영상 내 구름의 면적이 10% 이하인 Landsat-8 위성영상만을 사용하였다.
본 연구에서는 2016~2018년 동안 빗물 마을 조성 사업이 진행된 서울시 성북구 장위동 (Jangwi-dong, Seongbuk-gu, Seoul) 과 주변지역을 연구대상지역으로 선정하였다. 빗물 마을 사업은 빗물이 스며드는 투수 블록 등 빗물 이용 시설을 설치하여 하수도에 버려지는 빗물을 모아 텃밭에 물을 주거나 마당을 청소할때 사용할 수 있는 빗물 관리 시설을 조성하는 사업으로서, 빗물이 잘 빠지지 않는 콘크리트 대신 빗물이 잘 스며드는 투수 블록을 활용하여 하수도로 배출되는 빗물의 양을 줄여 집중호우에 따른 침수 피해를 줄이고 토양 생태계를 복원하며 열섬 현상이 완화되는 효과를 얻을 수 있다 (Maeil Business News Korea, 2019).
본 연구에서는 기상 조건의 영향을 최소화하기 위해 영상 내 구름의 양이 10% 이하인 Lan dsat-8 위성영상만을 사용하였다. 그 결과, 장위동, 주변지역 및 서울시 지역을 포함하고 있으며 2014~2019년 사이에 촬영된 Landsat-8 위성영상의 개수가 단 21장에 불과하였으며, 특 38 히 여름(6~8월) 시기에 촬영된 Landsat-8 위성영상은 1장에 불과하였다.
본 연구에서는 빗물 마을 조성 사업 전후의 성북구 장위동 지역과 주변지역의 지표온도 변화를 탐지하기 위하여 2014년에서 2019년 동안 성북구 장위동과 주변지역이 포함된 시계열 Landsat-8 위성영상의 가시광선 및 적외선 밴드를 사용하였다.
본 연구에서는 시계열 Landsat-8 위성영상 으로부터 산출한 지표 온도 통계를 활용하여 서울시 빗물 마을 조성 사업으로 인해 발생한 도시 환경 변화 파악을 2016년부터 2018년 동안 빗물 마을 조성 사업이 수행되었던 성북구 장위동 지역을 대상으로 진행하였다. 장위동과 주변 지역의 시계열 Landsat-8 위성영상의 집중적인 분석을 통해 빗물마을 조성사업으로 인해 해당 지역에서 유의미한 지표온도의 변화는 발생하지 않는다는 사실을 확인할 수 있었다.

성능/효과

본 연구에서는 기상 조건의 영향을 최소화하기 위해 영상 내 구름의 양이 10% 이하인 Lan dsat-8 위성영상만을 사용하였다. 그 결과, 장위동, 주변지역 및 서울시 지역을 포함하고 있으며 2014~2019년 사이에 촬영된 Landsat-8 위성영상의 개수가 단 21장에 불과하였으며, 특 38 히 여름(6~8월) 시기에 촬영된 Landsat-8 위성영상은 1장에 불과하였다. 따라서 좀 더 많은 예시를 제시하기 위해 향후에 다양한 시기 (특히, 여름)에 촬영된 Landsat-8 위성영상을 더많이 확보하여 연구의 신뢰성을 높일 필요가 있다.
표 2와 3에서 보는 바와 같이, 세 지역에서 공통으로 지표 온도 평균값은 여름, 봄, 가을, 겨울 순으로 높았으며, 이는 일반적인 계절별 특성과 동일하다. 그리고 겨울시기인 2014년 1월 22일과 2018년 12월 19일을 제외하면 모든 시기에서 장위동의 지표 온도의 평균값이 주변지역 및 서울시 지표 온도 평균값보다 높았으며, 이는 콘크리트, 벽돌 등 인공 구조물로 구성된 도시지역이 대부분인 장위동에 비해 산림, 초지, 나지 등 다양한 토지 피복으로 구성된 주변지역 및 서울시의 토지 피복 특성으로 인한 것으로 판단된다. 또한 장위동과 주변지역/서울시 지표 온도 차이는 봄, 가을에는 상대적으로 높았고, 겨울에는 상대적으로 낮았다는 사실을 확인할 수 있다.
그러나 빗물마을 조성 사업을 통해 장위동의 지표 온도가 주변지역 또는 서울시에 비해서 특별한 변화가 발생했다고 보기는 힘들며, 빗물마을 조성 사업을 통해 장위동의 지표 온도가 예전에 비해서 현저하게 낮아졌다고 보기도 힘들다. 따라서 시계열 Landsat-8 위성영상을 활용한 본 연구에서 도출된 결과를 통해서 빗물 마을 조성 사업으로 인해 장위동 지역의 지표 온도에 유의미한 변화가 발생했다고 보기는 힘들다는 결론을 내렸다.
그리고 겨울시기인 2014년 1월 22일과 2018년 12월 19일을 제외하면 모든 시기에서 장위동의 지표 온도의 평균값이 주변지역 및 서울시 지표 온도 평균값보다 높았으며, 이는 콘크리트, 벽돌 등 인공 구조물로 구성된 도시지역이 대부분인 장위동에 비해 산림, 초지, 나지 등 다양한 토지 피복으로 구성된 주변지역 및 서울시의 토지 피복 특성으로 인한 것으로 판단된다. 또한 장위동과 주변지역/서울시 지표 온도 차이는 봄, 가을에는 상대적으로 높았고, 겨울에는 상대적으로 낮았다는 사실을 확인할 수 있다. 그러나 빗물마을 조성 사업을 통해 장위동의 지표 온도가 주변지역 또는 서울시에 비해서 특별한 변화가 발생했다고 보기는 힘들며, 빗물마을 조성 사업을 통해 장위동의 지표 온도가 예전에 비해서 현저하게 낮아졌다고 보기도 힘들다.
본 연구에서는 시계열 Landsat-8 위성영상 으로부터 산출한 지표 온도 통계를 활용하여 서울시 빗물 마을 조성 사업으로 인해 발생한 도시 환경 변화 파악을 2016년부터 2018년 동안 빗물 마을 조성 사업이 수행되었던 성북구 장위동 지역을 대상으로 진행하였다. 장위동과 주변 지역의 시계열 Landsat-8 위성영상의 집중적인 분석을 통해 빗물마을 조성사업으로 인해 해당 지역에서 유의미한 지표온도의 변화는 발생하지 않는다는 사실을 확인할 수 있었다.

후속연구

그 결과, 장위동, 주변지역 및 서울시 지역을 포함하고 있으며 2014~2019년 사이에 촬영된 Landsat-8 위성영상의 개수가 단 21장에 불과하였으며, 특 38 히 여름(6~8월) 시기에 촬영된 Landsat-8 위성영상은 1장에 불과하였다. 따라서 좀 더 많은 예시를 제시하기 위해 향후에 다양한 시기 (특히, 여름)에 촬영된 Landsat-8 위성영상을 더많이 확보하여 연구의 신뢰성을 높일 필요가 있다.
도시 재생 사업의 종류는 빗물 마을 조성 사업 외에도 경관 사업, 상권 활성화 사업, 관광지 조성 사업, 역세권 개발 사업 등 다양하다. 따라서 추후 연구에서는 다양한 종류의 도시 재생 사업으로 인한 도시 환경 변화를 파악할 필요가 있다. 본 연구에서 이용한 Landsat-8 위성영상의 상대적인 낮은 공간 해상도 (30m)로 인해 좁은 면적에서 시계열 정밀 모니터링이 필요한 연구에서는 활용에 한계가 있었다.
일반적으로, 위성영상의 밴드로부터 산출 가능한 지표는 지표 온도 외에도 토양의 수분 함유랑, 토양의 식생 활성도 등 다양하다. 따라서 추후 연구에서는 지표 온도 외에도 위성영상으로부터 산출이 가능한 다양한 지표를 활용해서 빗물 마을 조성 사업 등 다양한 도시 재생 사업으로 인한 도시 환경 변화를 파악할 필요가 있다. 도시 재생 사업의 종류는 빗물 마을 조성 사업 외에도 경관 사업, 상권 활성화 사업, 관광지 조성 사업, 역세권 개발 사업 등 다양하다.
따라서 추후 연구에서는 다양한 종류의 도시 재생 사업으로 인한 도시 환경 변화를 파악할 필요가 있다. 본 연구에서 이용한 Landsat-8 위성영상의 상대적인 낮은 공간 해상도 (30m)로 인해 좁은 면적에서 시계열 정밀 모니터링이 필요한 연구에서는 활용에 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 추후 연구에서는 드론 등 다양한 고정밀 센서를 시계열 정밀 모니터링 연구에 활용할 필요가 있다.
본 연구에서 이용한 Landsat-8 위성영상의 상대적인 낮은 공간 해상도 (30m)로 인해 좁은 면적에서 시계열 정밀 모니터링이 필요한 연구에서는 활용에 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 추후 연구에서는 드론 등 다양한 고정밀 센서를 시계열 정밀 모니터링 연구에 활용할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도시 재생 사업이란?	도시 재생 사업은 그 지역의 특색 있는 자원을 활용하여, 물리적 환경뿐만 아니라 경제, 사 회, 문화, 복지적 측면 등 종합적인 활성화를 통해 주민의 삶의 질 향상과 도시 경쟁력을 확보하는 사업을 의미 한다(Guri City, 2019). 도시 재생 사업은 국가/지자체/건설사가 아닌 현재 살고 있는 주민들이 직접 살고 싶은 매력적인 도시를 만드는 주민 참여 사업이라는 점에서 기존의 재건축/뉴타운사업 등 대규모 아파트 공급을 통한 개발이익의 확보가 목표인 도시 재개발 사업과는 결정적인 차이를 가지고 있다(Seoul Metropolitan Government, 2018).
	시계열 Landsat-8 위성영상 으로부터 산출한 지표 온도 통계를 바탕으로 얻은 결과는 무엇인가요?	본 연구에서는 시계열 Landsat-8 위성영상 으로부터 산출한 지표 온도 통계를 활용하여 서울시 빗물 마을 조성 사업으로 인해 발생한 도시 환경 변화 파악을 2016년부터 2018년 동안 빗물 마을 조성 사업이 수행되었던 성북구 장위동 지역을 대상으로 진행하였다. 장위동과 주변 지역의 시계열 Landsat-8 위성영상의 집중적인 분석을 통해 빗물마을 조성사업으로 인해 해당 지역에서 유의미한 지표온도의 변화는 발생하지 않는다는 사실을 확인할 수 있었다.
	빗물 마을 사업의 내용과 사업의 이점은 무엇인가요?	본 연구에서는 2016~2018년 동안 빗물 마을 조성 사업이 진행된 서울시 성북구 장위동 (Jangwi-dong, Seongbuk-gu, Seoul) 과 주변지역을 연구대상지역으로 선정하였다. 빗물 마을 사업은 빗물이 스며드는 투수 블록 등 빗물 이용 시설을 설치하여 하수도에 버려지는 빗물을 모아 텃밭에 물을 주거나 마당을 청소할때 사용할 수 있는 빗물 관리 시설을 조성하는 사업으로서, 빗물이 잘 빠지지 않는 콘크리트 대신 빗물이 잘 스며드는 투수 블록을 활용하여 하수도로 배출되는 빗물의 양을 줄여 집중호우에 따른 침수 피해를 줄이고 토양 생태계를 복원하며 열섬 현상이 완화되는 효과를 얻을 수 있다 (Maeil Business News Korea, 2019). 장위동 지역은 뉴타운 사업의 침체로 인해 2014년에 정비구역이 해제되었으며 건물의 노후도가 전반적으로 심각한 상황에 직면해있어, 도시 재생 사업을 통해 장위동 지역의 공동체 회복과 지속 가능한 친환경 주거환경 개선을 목표로 하고 있다(Seoul Metropolitan Government, 2018).

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