[논문]Landsat영상을 이용한 토지피복 변화에 따른 행정중심복합도시의 표면 열섬현상 변화분석

이경일; 임철희

doi:10.7780/kjrs.2022.38.3.1

Landsat영상을 이용한 토지피복 변화에 따른 행정중심복합도시의 표면 열섬현상 변화분석
Analysis of the Surface Urban Heat Island Changes according to Urbanization in Sejong City Using Landsat Imagery 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.38 no.3, 2022년, pp.225 - 236

이경일 (서울과학기술대학교 AI반도체연구소) , 임철희 (국민대학교 교양대학)

초록
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도시의 인구 증가와 이에 따른 개발로 인한 도시화는 도시 내 열섬현상과 같은 다양한 환경문제를 유발할 수 있다. 특히 계획적으로 구축되는 신도시의 경우 짧은 기간에 진행되는 급격한 도시화로 인한 도시 기후의 변화를 분석하기에 적절한 연구대상지로 여겨진다. 본 연구에서는 Landsat-8 Operational Land Imager/Thermal Infrared Sensor (OLI/TIRS) 위성영상을 활용하여 세종특별자치시 내 행정중심복합도시의 2013년부터 2020년 개발계획에 의한 토지피복 변화와 이에 따른 표면 열섬현상의 변화를 분석하였다. 이를 위해 위성영상에서 제공하는 열적외선 밴드값과 방사율을 고려하여 지표면온도를 산출하고, 이를 기반으로 표면 열섬현상 강도와 Urban Thermal Field Variance Index (UTFVI)의 변화분석을 수행하였다. 개발이 진행됨에 따른 토지피복 변화 및 피복별 열섬현상 강도의 차이 확인을 위해 환경부에서 제공하는 중분류 토지피복지도를 활용하였다. 분석 결과, 연구지역의 시가화 면적은 15% 증가하였고 자연식생은 28% 이상 줄어든 것이 확인되었다. 또한 이에 따른 열섬현상의 확장 및 강도 증가가 관측되었고, 열섬현상이 발생된 지역의 생태적 수준은 매우 낮은 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 급격한 도시화에 따른 열 환경의 정량적 변화 및 생태적 수준을 확인하고, 주거환경의 열 환경 개선을 위한 추가적인 정책의 필요성이 제시될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Urbanization due to population growth and regional development can cause various environmental problems, such as the urban heat island phenomenon. A planned city is considered an appropriate study site to analyze changes in urban climate caused by rapid urbanization in a short-term period. In this study, changes in land cover and surface heat island phenomenon were analyzed according to the development plan in Sejong City from 2013 to 2020 using Landsat-8 Operational Land Imager/Thermal Infrared Sensor (OLI/TIRS) satellite imagery. The surface temperature was calculated in consideration of the thermal infrared band value provided by the satellite image and the emissivity, and based on this the surface heat island effect intensity and Urban Thermal Field Variance Index (UTFVI) change analysis were performed. The level-2 land cover map provided by the Ministry of Environment was used to confirm the change in land cover as the development progressed and the difference in the surface heat island intensity by each land cover. As a result of the analysis, it was confirmed that the urbanized area increased by 15% and the vegetation decreased by more than 28%. Expansion and intensification of the heat island phenomenon due to urban development were observed, and it was confirmed that the ecological level of the area where the heat island phenomenon occurred was very low. Therefore, It can suggest the need for a policy to improve the residential environment according to the quantitative change of the thermal environment due to rapid urbanization.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Study area in Sejong City.
표 Table 1. Information of Landsat-8 imagery used in this study
표 Table 2. Thermal conversion constant of band 10 and band 11
표 Table 3. NDVI ranges and corresponding formula for calculating emissivity value
그림 Fig. 2. Multi-temporal land cover in study area: (a) 2013, (b) 2015, and (c) 2020.
표 Table 4. Urban Thermal Field Variance Threshold
그림 Fig. 3. Multi-temporal SUHI intensity in study area: (a) 2013, (b) 2015, and (c) 2020. SUHI, surface urban heat island.
표 Table 5. Changes in areas and mean SUHI intensities by land cover
그림 Fig. 4. UTFVI spatial trend changes in study area. UTFVI, urban thermal field variance index.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Landsat-8 OLI/TIRS 영상을 기반으로 세종특별자치시(행정중심복합도시)의 개발이 진행됨에 따른 구체적인 토지피복 및 표면 열섬현상의 변화 및 생태적 수준의 변화를 확인하였다. 이를 위해, 전처리과정을 거친 영상을 기반으로 지표면 방사율을 고려하여 산출된 지표면온도, Urban Thermal Field Variance Index (UTFVI) 및 토지피복지도를 활용하였다.

제안 방법

본 연구는 대한민국 세종특별자치시 내 행정중심복합도시 건설지역을 연구지역으로 선정하여 2013, 2015, 2020년 3장의 Landsat 8 영상을 기반으로 개발이 진행됨에 따른 표면 열섬현상과 생태적 수준의 변화분석을 수행하였다. 이를 위해 열적외선 영상을 이용하여 산출된 지표면 온도를 SUHI intensity와 UTFVI 계산에 활용하였고, 개발계획에 따른 변화 및 토지피복별 차이를 확인하였다.
본 연구는 대한민국 세종특별자치시 내 행정중심복합도시 건설지역을 연구지역으로 선정하여 2013, 2015, 2020년 3장의 Landsat 8 영상을 기반으로 개발이 진행됨에 따른 표면 열섬현상과 생태적 수준의 변화분석을 수행하였다. 이를 위해 열적외선 영상을 이용하여 산출된 지표면 온도를 SUHI intensity와 UTFVI 계산에 활용하였고, 개발계획에 따른 변화 및 토지피복별 차이를 확인하였다. 분석 결과 개발이 진행됨에 따라서 시가화·건조지역에 속한 토지피복이 증가함에 따른 표면 열섬 현상 강도 또한 전체적으로 높아지는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 Landsat-8 OLI/TIRS 영상을 기반으로 세종특별자치시(행정중심복합도시)의 개발이 진행됨에 따른 구체적인 토지피복 및 표면 열섬현상의 변화 및 생태적 수준의 변화를 확인하였다. 이를 위해, 전처리과정을 거친 영상을 기반으로 지표면 방사율을 고려하여 산출된 지표면온도, Urban Thermal Field Variance Index (UTFVI) 및 토지피복지도를 활용하였다. 연구 결과는 도시화의 강도 및 진행 속도에 따른 열섬현상 발생에 의한 피해방지 및 완화 등을 위한 정책 제안 및 의사결정 에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

이론/모형

Landsat과 같은 원격탐사 데이터는 센서에서 감지한 스펙트럼 파장 내에서 복사의 방출 및 반사에 영향을 미치는 대기의 간섭 및 표면복사 특성을 고려해야 하는 특성이 있다(Voogt and Oke, 2003). 따라서 본 연구에서는 흑체 감법(dark object subtraction) 방식을 활용한 대기보정 및 방사보정을 통해 센서 오차와 조도 및 대기 조건에서 발생하는 노이즈를 보정하였고 보정작업은 QGIS 3.14 소프트웨어를 활용하였다.

성능/효과

또한 본 연구에서 활용된 UTFVI 지수는 도시의 개발 강도와 개발에 따른 도시의 생태·환경적 수준에 대한 정보를 제공하는 도구로써 유용하다고 할 수 있다. UTFVI 분석 결과 본 연구대상지와 같은 계획도시의 경우 개발 강도가 높고 고밀도로 도시화가 진행되어 도시 전체적인 생태적 수준이 급격히 낮아지게 되는 것을 확 인하였다.
4). UTFVI는 도시화에 영향을 받는 지수로 표면 열섬현상 분포와 유사하게 나타나며 생태학적 수준에 따라서 6단계로 구분되는 지수이나, 본 연구대상지의 경우 모든 시기에서 두 가지의 극단적인 수준으로 나타나는 것이 확인되었다.
분석 결과 개발이 진행됨에 따라서 시가화·건조지역에 속한 토지피복이 증가함에 따른 표면 열섬 현상 강도 또한 전체적으로 높아지는 것으로 나타났다
시가화·건조지역 중 면적이 넓은 주거지역 및 상업지역도 열섬현상이 발생 및 강화되는 것이 확인되었다.
분석 결과 개발이 진행됨에 따라서 시가화·건조지역에 속한 토지피복이 증가함에 따른 표면 열섬 현상 강도 또한 전체적으로 높아지는 것으로 나타났다. 특히 공업지역의 경우 상대적으로 면적은 작으나, 높은 건폐율 및 낮은 생태면적률로 인한 녹지부족 및 열비 축량이 높은 철지붕의 구축 등으로 가장 강한 열섬현상 강도가 나타났다. 시가화·건조지역 중 면적이 넓은 주거지역 및 상업지역도 열섬현상이 발생 및 강화되는 것이 확인되었다.

후속연구

세종특별자치시는 2030년도까지 계획인구 80만을 목표로 지속적인 인구 증가 및 추가적인 개발이 진행될 예정이며, 이에 따른 연구지역 내 열섬현상의 지속적인 악화와 생태적 수준의 감소가 예상된다. 따라서 열 환경 개선을 위해 열 취약성이 높은 지역에 대하여 종합적인 도시생태 특성을 확인한 후 취약 원인에 맞는 맞춤형 개선정책을 수립하여야 할 것이다. 특히 주거지역 및 상업지역에 대한 바람길 조성, 열 저감 보도블럭 도입 및 공원·녹지공간 확충방안 마련 및 도시 전체적인 생태면적률의 증진방안 모색 등 열 환경 개선을 위한 폭넓은 연구들이 병행되어야 할 것이다.
또한 본 연구에서 활용된 UTFVI 지수는 도시의 개발 강도와 개발에 따른 도시의 생태·환경적 수준에 대한 정보를 제공하는 도구로써 유용하다고 할 수 있다
세종특별자치시는 2030년도까지 계획인구 80만을 목표로 지속적인 인구 증가 및 추가적인 개발이 진행될 예정이며, 이에 따른 연구지역 내 열섬현상의 지속적인 악화와 생태적 수준의 감소가 예상된다. 따라서 열 환경 개선을 위해 열 취약성이 높은 지역에 대하여 종합적인 도시생태 특성을 확인한 후 취약 원인에 맞는 맞춤형 개선정책을 수립하여야 할 것이다.
이를 위해, 전처리과정을 거친 영상을 기반으로 지표면 방사율을 고려하여 산출된 지표면온도, Urban Thermal Field Variance Index (UTFVI) 및 토지피복지도를 활용하였다. 연구 결과는 도시화의 강도 및 진행 속도에 따른 열섬현상 발생에 의한 피해방지 및 완화 등을 위한 정책 제안 및 의사결정 에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 열 환경 개선을 위해 열 취약성이 높은 지역에 대하여 종합적인 도시생태 특성을 확인한 후 취약 원인에 맞는 맞춤형 개선정책을 수립하여야 할 것이다. 특히 주거지역 및 상업지역에 대한 바람길 조성, 열 저감 보도블럭 도입 및 공원·녹지공간 확충방안 마련 및 도시 전체적인 생태면적률의 증진방안 모색 등 열 환경 개선을 위한 폭넓은 연구들이 병행되어야 할 것이다.

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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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