[보고서]도시 생태계 탄소저장능력 향상을 위한 탄소저장량 평가 기술 및 토양-식생 결합 모듈화 공법 개발

유가영

보고서 정보

주관연구기관

경희대학교
Kyung Hee University

연구책임자

유가영

참여연구자

박재필 , 신경준

보고서유형

연차보고서

발행국가

대한민국

언어

한국어

발행년월

2021-11

과제시작연도

2021

주관부처

환경부
Ministry of Environment

등록번호

TRKO202200004350

과제고유번호

1485017581

사업명

도시생태계건강성증진기술개발사업(R&D)

DB 구축일자

2022-07-02

키워드

도시생태계.탄소저장량.토양-식생 결합 모듈.탄소플럭스.GIS 시스템.Urban ecosystem.Carbon storage.Coupled soil-plant module.Carbon flux.GIS system.

표 연구개발의 비전 및 목표
표 산출물의 범위 및 해상도
표 연구개발의 모식도
표 본 지침에서 제시된 임지에 대한 배출계수 (D, BEF, CF, R)
표 탄소흡수원 효율이 높은 수종
표 식재박스형 식재기반의 예시 1 (Lee, 2010)
표 식재박스형 식재기반의 예시 2 (등록특허공보 제10-1679765호(2016.11.21.) “가로수목 식재 박스 및 이를 설치하기 위한 식재박스 설치공법”)
표 기둥형 식재기반의 예시 1 (공개특허공보 제10-2002-0023194호(2002.04.26.) “수목의 생육기본틀”)
표 대도시 탄소 배출 모니터링 프로젝트 예시
표 2015년 FLUXNET 플럭스 타워 위치 (Christen et al., 2009)
표 온실가스 관측 위성 정보 및 해상도
표 베를린 지역을 대상으로 한 OCO-2, GOSAT, SCIAMACHY 인공위성의 관측폭(Swath) 및 공간해상도(Foot print size) (Buchwitz et al. 2010)
표 VPRM 구조 (Mahadevan P. et al., 2008)
표 월별 NPP 측정시 사용되는 CASA 모델 모식도
표 Simple Biosphere Model version 3(SiB3) 모식도
표 연구에 사용된 육상 생물권 모델
표 고해상도 QuickBrid, LiDAR 자료를 이용한 보스턴 지역 바이오매스 추정 지도 (Raciti et al., 2016)
표 Sun et al. (2018)에서 사용한 경관 지표
표 베이징의 지상부 탄소 저장량의 공간분포 (Sun et al., 2018)
표 도시 개발 밀도 (urban development intensity)에 따른 지상부 탄소 밀도와 SPOT 6에서 산출한 경관 지표 (Landscape metrics)의 관계 (McGarigal et al., 2002)
표 926개의 현장조사 플롯에서의 바이오매스 자료 (Brilli et al., 2019)
표 토지 피복별 연간 바이오매스 흡수율: 어두운 박스 플롯은 도시 모델이며, 밝은 박스 플롯은 시골 지역의 산림 모델을 나타냄. 박스 플롯의 넓이는 토지 피복의 전체 면적에 비례함(Trlica et al., 2020)
표 1990년과 2008년 사이 베이징 탄소 포집량의 공간 분포 (Zhang et al., 2014)
표 헬싱키의 기본 사례 연 누적 CO2 배출(kg CO2/m2/yr) 및 기본 사례와 대안의 연 누적 CO2 배출량 차이
표 박스형 식재 기반의 예시 (국제출원번호 PCT/US2016/051205 (2016.09.11.) “Tree frame and grate system and method to improve growth of vegetation in an urban environment”)
표 그물형 식재 기반의 예시 (국제출원번호 PCT/HR2014/000024 (2014.06.18.) “Composition for organic-inorganic fertilization and biological rehabilitation of trees, shrubs and climbing plants, package for the composition and process for using there of”)
표 스톡홀름의 도시 수목 식재계획 (Bjorn Embrén, 2016)
표 덮개형 식재 기반의 예시 (특허등록번호 US07-752-805-B2 (2010.07.13.) “Structure and method for enabling tree root growth beneath adjacent surfaces”)
표 기둥형 식재 기반의 예시 (국제출원번호 PCT/US2016/025896 (2016.04.04.) “More efficient structural cell for facilitating tree root growth”)
표 국내외 기술 수준 비교 현황 표
표 국내외 기술 수준 비교 현황 표 (계속)
표 도시생태계 구조 및 기능관리기술의 원격탐사기술과 본 연구의 원격탐사기술의 차이점
표 WorldView-2 위성의 밴드 및 공간 및 분광 해상도
표 본 연구에서 사용한 WorldView-2 영상의 촬영 정보
표 영상 융합 전후 식생 구분 정도에 대해 비교 및 분석을 수행한 영상 융합 툴
표 ArcGIS에 내재 된 5가지 툴(Brovey, Esri, Gram-Schmidt, IHS, Simple Mean)을 이용한 영상 융합 결과와 식생 구분에 있어 가장 좋은 결과를 보인 Brovey 기법을 적용한 영상(False Color composite; Red(band 7), Blue (band 6), Green (band 5))
표 ERDAS IMAGINE 영상 융합 기법을 적용한 결과(False Color composite; Red(band 7), Blue(band 6), Green (band 5)). 상단의 왼쪽 사진은 영상융합 전 2m 해상도의 WorldView-2 위성영상의 색상을 조절함
표 ERDAS IMAGINE HPF 기법을 이용한 영상융합(Pan-sharpening) 진행결과
표 샘플링 지역 및 해당 지역 내 샘플링 격자 위치
표 LabelMe 프로그램을 활용한 샘플링 과정(1)
표 LabelMe 프로그램을 활용한 샘플링 과정(2)
표 샘플링된 격자 예시
표 RF 모델에 이용된 각 훈련 및 검증용 이미지 격자 위치
표 RF 모델의 훈련(좌) 및 검증(우) 자료의 Confusion Matrix
표 RF 모델의 변수 중요도
표 CNN 모델의 검증 및 시험용 이미지 격자 위치
표 CNN 모델의 훈련 자료 구성 예시. 기존 RF 훈련 자료의 격자 위치를 중심으로 11 pixel X 11 pixel 크기의 이미지를 훈련 자료로 구성하였음. 파일명의 경우, A: class name, B: sample numbering임
표 CNN 구조
표 CNN 모델의 훈련 (좌), 검증 (중간), 시험 (우) 자료의 Confusion Matrix
표 수원시 일부 지역 (43, 44, 55, 56번 이미지 격자 위치; 그림 1.8 참고) 내 RF 및 CNN 결과 비교
표 30 m 격자 내 수목 면적 비율의 예시
표 토지이용 카테고리에서 바이오매스의 탄소 축적량의 변화를 산정하는데 적절한 Tier를 결정하기 위한 일반적인 의사결정도 (출처: 2006 IPCC Guideline)
표 토지이용자료 확보 정도에 따른 3가지 접근법
표 국가 고유계수를 임상별로 평균한 탄소 배출계수
표 RF 기반 수원시 30 m 격자 내 도시수목면적 지도
표 CNN 기반 수원시 30 m 격자 내 도시수목면적 지도
표 RF 기반 수원시 30 m 격자 내 탄소저장량 지도
표 CNN 기반 수원시 30 m 격자 내 탄소저장량 지도
표 수원시 정주지의 탄소저장량 산정 결과
표 RF 및 CNN 기반 수목 분류 모델의 탄소저장량 산정량의 차이
표 수원시 2차원 탄소저장량 지도 예시 및 WorldView-2 RGB 합성 영상
표 LUE 모델 모식도
표 PAR 데이터 자료원 후보 특성
표 위성별 지표면 반사도 범위 및 해상도
표 위성별 지표면 반사도 범위 및 해상도
표 MODIS 위성 데이터 시간해상도-구름 효과 표현 예
표 MOD09CMG 데이터 예
표 HIMAWARI 고해상도 지역
표 2m 기온 데이터 자료원 후보 특성 비교
표 LDAPS 자료 모식도
표 위성별 지표면 반사도 범위 및 해상도
표 탄소 변화량 산정 모형 검정을 위한 자료 선정
표 필터링 및 보간 EVI 예시
표 필터링 및 보간 LSWI 예시
표 cubic spline을 이용한 보간
표 SG 방법론을 이용한 EVI 평활화
표 FLUXNET2015 자료 생성 흐름도
표 FLUXNET2015가 포함하는 IGBP 식생기능종류 분류 기준 표
표 FLUXNET2015 데이터 PFT별 지점수
표 자료 검증 선정 지역1. 혼합림
표 자료 검증 선정 지역2. 낙엽활엽수림
표 FLUXNET 탄소 플럭스 이상치 필터링 예시(US-Syv, GPP)
표 지점 유효 기간(혼합림)
표 지점 유효 기간(낙엽활엽수림)
표 식생지수 산출을 위한 순서도
표 6SV 복사전달모델의 도식화 그림
표 Himawari-8/AHI의 밴드별 해상도 및 중심파장
표 Himawari-8/AHI의 각 채널별 파장 및 분광 반응 함수 (간격: 2.5 nm)
표 채널별 계수의 조견표를 만들기 위한 조건
표 가시광 중 중심파장이 0.6인 채널의 계수 xa의 조견표 (RAA=30, AOD=0.1, TPW=3.0, TCO=0.3)
표 가시광 중 중심파장이 0.6인 채널의 계수 xb의 조견표 (RAA=30, AOD=0.1, TPW=3.0, TCO=0.3)
표 바이오차 기본 정보 예시
표 원물질 및 열분해 방법 별 바이오차의 유기탄소 함량 (IPCC, 2019)
표 열분해 온도별 100년 후에도 분해되지 않고 잔존하는 바이오차 탄소 비율(IPCC, 2019)
표 바이오차 제품별 탄소 저장 증가량 산정 결과
표 수원시 전체 가로녹지 내 교목 수종별 분포(왼)와 띠녹지 내 교목 수종별 분포(오) (출처: 수원시, 가로수 및 가로화단 현황, 수원시 사전정보공표, 2020)
표 대표 교목 5종과 조합을 이루는 관목 수종 분포
표 도시 가로 교목 탄소 저장량
표 도시 가로 교목 탄소 저장량 변화율
표 ‘1 구간’은 가로 교목 식재 간격인 8m를 기준으로 함 (한국토지주택공사, 2012)
표 식생탄소 저장 증대 공법 DB
표 교/관목 조합별 연간 탄소 흡수량
표 토양-식생 우수 공법의 탄소저장 증대 옵션별 탄소 흡수 증가량
표 점·선·면 공간유형별 맞춤형 모듈의 탄소저장량 및 변화량 규격화 예시
표 탄소저장 증진공법인 MC-PLUS 구성 요소
표 바이오차 투입공법 선정 기준
표 시제품 Soil Char-ger 모식도
표 실제 제작된 망포대
표 MC-PLUS 프로토타입 제작
표 침출수 실험 방법 (IPCC, 2019)
표 침출수 실험 진행 사진. 왼쪽 사진은 실험 1의 바이오차 처리구이며, 오른쪽 사진은의 왼쪽부터 실험 2의 대조구, 바이오차 처리구임
표 바이오차 혼합 실험
표 토양 내 바이오차 유동 및 혼합 양상 (초기, 24시간 및 72시간 후)
표 시제품 Soil Char-ger 제작 과정
표 여주 야외 시험지의 모식도(위), 설계도면 (왼쪽 아래), 현장 사진 (오른쪽 아래)
표 야외시험지 정보
표 식물 및 토양탄소 저장량 및 변화량 측정 방법
표 수원시 가로관목 실측 선정지점
표 현장 가로관목 실측 항목
표 수원시청 인근 조사 도로 가로관목의 사진. 쥐똥나무(왼쪽), 사철나무(가운데), 철쭉(오른쪽)
표 토양 기초 성상 분석
표 화분 식재 모식도
표 온실 실험 정보
표 온실 내 화분 배치도
표 온실 실험 측정항목
표 AWS(Amazon Web Service) 서비스 목록
표 Geojson 데이터 구조
표 COG(Cloud Optimized Geotiff) 데이터 구조
표 Node.js 활용 기업 예시
표 Node.js, Django 비교표
표 베이스 지도 API 비교 표
표 Mapbox GL JS raster image overlay 예제
표 Mapbox 기본 베이스 지도
표 일반 래스터 파일과 COG 파일 타일링(Tiling)
표 원본 위성영상(좌) COG 변환 위성영상(우) 비교
표 그림 91에 대한 정보
표 image downsampling to generate overviews
표 테스트 데이터 COG 변환
표 코드를 통한 포맷 검증 수행
표 테스트 영상 표출 결과
표 Apache NiFi Architecture
표 Apache NiFi에 필요한 AWS EC2 사양
표 Apache NiFI 주요 용어
표 Apache NiFi 화면 구성
표 Provides full access to all buckets via the AWS Management Console
표 AWS SQS 엑세스 정책 설정
표 Event notification queue 정책 설정
표 Data Pipeline Concept
표 Data Pipline Structure
표 Apache NiFi Process Test
표 토지피복분류 모델 개선을 위한 2차년도 토지 피복분류 모델의 총 6곳에 대한 훈련 지역 영상 (손보경 외 2021)
표 토지피복분류 모델의 참조 자료 생성 과정 (손보경 외 2021)
표 사용한 U-Net 모델의 구조 (손보경 외 2021)
표 훈련 지역(그림 104)에 대한 상세 토지피복분류 모델별 전체 정확도 (손보경 외 2021)
표 검증 지역(그림 107)에 대한 상세 토지피복분류 모델별 정확도 (손보경 외 2021). PA는 생산자 정확도, UA는 사용자 정확도, 그리고 OA는 전체 정확도를 나타냄
표 두 검증 지역에 대한 각 모델별 상세 토지피복분류 결과 (손보경 외 2021). (a)-(f)는 검증지역 A 및 (g)-(l)는 검증지역 B의 모델 분류 결과를 나타냄. (b),(d),(h), 및 (j)는 모델의 참조 자료임. 괄호 안의 숫자(%)는 각 모델의 분류 결과의 전체 정확도를 나타냄
표 수원시 전역에 대한 토지피복분류 모델(LRGB5) 결과 비교 (손보경 외 2021)
표 환경부 세분류 토지피복지도와 토지피복분류 모델(LRGB5) 결과의 비교 예시
표 수원시 내 녹지 항목(수목, 관목, 및 초지)별 면적 비율 (손보경 외 2021)
표 도시 생태계 탄소 저장량 산정을 위한 상세 토지 이용 체계 구축 예시
표 도시 생태계 탄소 저장량 산정을 위한 수원시 상세 토지 피복 이용도
표 생태계 유형별 탄소 저장고의 탄소 저장량 (이창훈 외 2016)
표 수원시 전역에 대한 탄소저장량 산정 결과
표 수원시 탄소저장량 산정 결과
표 LCZ의 각 클래스별 예시 그림과 설명 (출처: Stewart and Oke, 2012)
표 수원시에 대하여 구축된 국지 기후대 지도 (이연수 외 2021)
표 LCZ 도시 클래스별 수목(도시) 항목의 면적 비율
표 LCZ 클래스별 탄소 저장량
표 수원시 현장조사를 위해 구축한 격자. 총 3단계로 구성되어 있으며 각 단계는 3 km, 600 m, 30 m의 크기를 가진 격자로 구성되었음
표 현장조사를 수행한 위치
표 현장조사에 사용된 측정 도구들. 순토 수고 측정기(왼쪽). 수고 측정기를 사용하는 모습(가운데). 윤척(오른쪽)
표 지상 라이다 관측 자료에서 추출한 수목 정보
표 도시녹지의 임상별 상대생장식(이관규, 2003)
표 낙엽수 탄소저장량 회귀 모델(조현길과 안태원, 2012)
표 상록수 탄소저장량 회귀 모델(공개특허공보 제 10-2015-0014359호(2015.02.06.))
표 상세 토지 피복·이용도의 수목 면적 정보 기반 탄소저장량(Estimated carbon storage (CS))과 현장자료 기반의 탄소저장량(Observed CS)의 30 m 격자 기준 탄소저장량 값의 산점도
표 탄소저장량 고도화 모델을 위해 구축한 자료
표 2차년도 탄소저장량 고도화 모델링 교차 검증 결과 (30 m 격자 기준 탄소저장량 값의 산점도)
표 AFOLU 탄소 저장고 및 흐름 모식도 (IPCC GHG 가이드)
표 수종/임령별 연간 탄소 흡수량 (톤CO2/ha/year)
표 MOD17 GPP Tmin/VPD_scalar 함수
표 MOD17 GPP 모델 계산 흐름도
표 MOD17 GPP 모델 변수 및 자료원
표 MODIS MOD17 플럭스 제작 흐름도
표 FLUXCOM 탄소 플럭스 모델 설정 비교
표 FLUXCOM 모델 개관
표 FLUXCOM 모델 활용 관측 지점
표 FLUXCOM 모델 개발 잠재 변수 및 데이터원
표 모델 활용 타워
표 JAMSTEC 인공지능 기반 모델 개발 잠재 변수 및 데이터원
표 PFT 별 VPRM LUEmax (FLUXNET2015)
표 TG 모델 광합성 최대/최적/최고 온도 최적화값
표 평균 기온과 광합성 최적 온도와의 관계
표 최적 광합성 온도 적합 선
표 모델 구축 선정 변수 및 데이터원
표 개발 모델 GPP 계산 흐름도
표 GPP 모델 비교 평가. (회색) VPRM GPP 모델 (하늘색) CASS GPP 모델. 박스는 1,3 사분위 값을 표기함. IQR* 의 1.5배 까지의 값의 분포를 수염 그림으로 나타내었으며, 그 밖의 값을 이상치(outlier)로 취급하여 표시하지 않았음 * IQR(Inter Quartile Range): 1사분위와 4사분위 값 차이
표 GPP 모델 비교 평가값
표 RECO 모델 비교 평가. (회색) 비교군 RECO 모델. 진한 회색부터 연해지는 순서대로 각각 linT, expT, EVIexpT 모델에 해당. (하늘색) CASS GPP 모델. 박스는 1,3 사분위 값을 표기하고 IQR* 의 1.5배 까지의 값의 분포를 수염 그림으로 나타내었음. 이상치(outlier)는 미표기
표 RECO 모델 비교 평가값
표 NEP 모델 비교 평가. (회색) 비교군 NEP 모델. 진한 회색부터 연해지는 순서대로 각각 NEPvprm - linT, NEPvprm - expT, NEPvprm – eviexpT 모델에 해당 (하늘색) CASS NEP 모델. 그림 특성은 RECO 그래프와 동일
표 NEP 모델 비교 평가값
표 태화산 플럭스 관측자료에 대한 NEP 모델 결과 비교. 노란점은 r-square, 막대그래프는 연간 NEP 합산 값을 나타냄. 회색 막대그래프는 NEP 비교 모델, 하늘색은 개발 CASS NEP 모델 결과를 나타냄. 파선은 관측 값임
표 태화산 지역 모델 검증 결과 [단위: tonC ha-1 yr-1]
표 산림 지도 제작 흐름도
표 수원시 가로관목 사철나무 실측 선정지점
표 사철나무 실측 지점 사진. 왼쪽부터 태장로, 봉영로, 법조로임
표 가로관목 실측 항목
표 수종 별 단위잎면적 당 탄소흡수량 비교
표 월별 사철나무 한 그루 당 탄소 흡수량 변화
표 월별 사철나무 단위잎면적 당 탄소 흡수량 변화
표 수원시 AWS 기상 관측 자료와 지점 측정 기온 비교
표 수원시 가로수 관목 식재 현황
표 온실 실험에 사용된 관목 3종 왼쪽부터 사철나무, 쥐똥나무, 철쭉임
표 온실 실험 토양 기초 성상 분석
표 온실 내 관목 식재 배치도 배치도 내 빨강은 1년차 수확, 초록은 2년차 수확, 파랑은 3년차
표 온실 실험 정보
표 관목 기관별 탄소 함량
표 관목 수종별 탄소 저장량 (baseline, 1년차)
표 바이오차 제품별 탄소 저장 증가량 산정 결과
표 MC-PLUS의 탄소저장 증대 옵션별 탄소 흡수 증가량
표 MC-PLUS 탄소 흡수 및 저장 증진량 계산기 사용 예시 (점 공간 유형)
표 MC-PLUS 탄소 흡수 및 저장 증진량 계산기 사용 예시 (선 공간 유형)
표 MC-PLUS 탄소 흡수 및 저장 증진량 계산기 사용 예시 (면 공간 유형)
표 여주 시험지 조사 사진
표 뿌리 이미지 촬영 예시 (은행나무, Soil Char-ger 처리구)
표 시간에 따른 대조구(주황색)와 soil char-ger 처리구(파란색)의 토양 총 탄소 저장량 (30cm 깊이) 변화
표 시간에 따른 대조구(주황색)와 soil char-ger 처리구(파란색)의 토양 호흡량 변화
표 델타플렉스 MC-PLUS 실증지 조성 과정
표 MC-PLUS 실증지 위치. 수원시 권선구 내에 위치한 산업단지(델타플렉스 3블록)
표 실증지 처리구 조성. 대조구와 MC-PLUS 처리구를 교차로 배치하였음. 식재되어 있던 청단풍이 고사한 자리는 별표로 표시하였음
표 시간에 따른 대조구와 MC-PLUS 처리구의 토양 총 탄소 저장량 (30cm 깊이) 변화
표 시간에 따른 대조구와 MC-PLUS 처리구의 수분함량 변화
표 미국 연방 및 주 정부의 바이오차 생산 및 활용 장려 프로그램
표 미국 연방 및 주 정부의 바이오차 생산 및 활용 장려 프로그램 (계속)
표 미국 연방 및 주 정부의 바이오차 생산 및 활용 장려 프로그램 (계속)
표 바이오차 생산 온도에 따른 100년 후 잔존 탄소비
표 바이오차의 공급원료와 열분해 생산 공정에 따른 유기 탄소 함량
표 탄소 플럭스, 탄소 배출량, 탄소 흡수량 산정 결과 시각화
표 탄소 저장량, 토지 피복도 산정 결과 시각화
표 메인화면 설계서
표 결과 표시 화면 설계서
표 MC-PLUS 시뮬레이션 화면 설계
표 화면 기능 정의
표 Serverless 플랫폼 전체 설계구조
표 DynamoDB 항목
표 프로토타입 개발 핵심 기능 요약
표 TiTiler Dynamic Tiling
표 Tile Server API(tilejson.json) Description
표 Google Geocode API Example
표 Google Geocode API Return result
표 Google Geocode API Description
표 Search API Architecture
표 Search API Filtering Method
표 Search API Description
표 수원시 (좌) Landsat RGB 영상 (우) Landsat NDVI 영상
표 AWS Step function 동적 병렬 처리
표 Image Download API Architecture
표 Image Request API Description
표 Image Download API Description
표 Database Ingestion Architecture
표 영상 대 영상 비교 기능
표 도시 생태계의 탄소 저장량 산정 및 평가 기술 연구 3차년도 모식도
표 도시 생태계의 준 실시간 탄소 변화량 산정 및 평가 기술 개발 3차년도 모식도
표 도시 생태계 통합 탄소 시뮬레이터 (ICSL; Integrated Carbon SimuLator) 모식도
표 면 MC-PLUS 예시
표 연구 참여 기관 및 기업 간 협업체계
표 경희대학교 대학원과 수원시정연구원 연구교류 협약서
표 국내외 자문위원 명단
표 가로수 모사 실험을 진행했던 온실 및 실험 모습
표 수목 바이오매스 측정 및 토양 환경 모니터링 모습
표 도시 생태계 건강성 증진 기술개발사업 세부 개발기술
표 연구개발 추진체계도
표 국내외 아크 GIS 가격 비교

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도시 생태계 탄소저장능력 향상을 위한 탄소저장량 평가 기술 및 토양-식생 결합 모듈화 공법 개발
Development of a carbon stock evaluation system and coupled soil-vegetation modular application for enhancing carbon storage capacity in urban ecosystem 원문보기

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