Cases Studies of UrbanSim for Applications of Integrated Land-use, Transportation, Environmental Aspects
17)
주용진 김태호 김영일
Ⅰ. 서론
1. 연구의 배경 및 목적
도시를 효율적으로 이용하고 관리하기 위해 다 양한 도시공간계획(도시, 교통 등)이 수립되고 있 으며, 수립된 계획의 시행은 도시의 형태를 변화시 키는 중요한 역할을 하고 있다. 이러한 도시의 다 양한 형태변화를 분석하기 위해서 현재까지는 거 시적 측면(Macro Analysis)의 방법론인 사회·경 제적 분석(Socio-Economy Analysis)과 통계적 분석(Statistical Analysis) 등이 활용되어 왔다.
이와 같은 방법들은 거시적 계획과 관련된 분석 및 정보 제공에는 적합하지만, 최근 사회적 관심사 가 되고 있는 저탄소녹색성장, 부동산시장변화, 도 시와 교통의 영향관계를 미시적(Micro Analysis) 으로 분석하기에는 미흡하다 할 수 있다. 또한, 도
시교통환경통합모형을 활용할 수 있다면, 기존 도 시를 저탄소 녹색도시로 관리․전환하거나 새로운 저탄소 녹색도시를 개발하고자 할 때 도시형태, 통 행자행태, 교통요소 등을 종합적으로 활용하여 변 화를 반영하는데 적합하며, 도시요소간 정과 부의 인과관계를 종합적으로 고려하여 순 탄소배출저감 효과를 산출할 수 있다. 따라서 현재 사회적으로 관심이 되고 있는 저탄소녹색성장의 정책효과를 보다 객관적·과학적으로 증명하기 위해서는 교통, 토지이용, 환경 등 상호영향관계를 계량적으로 표 현할 수 있는 정책효과 Simulation모형이 필요하 다고 판단된다. 본 연구는 이러한 종합적인 분석을 위해서 현재 미국을 포함한 일부 선진국에서 활용 되고 있는 UrbanSim의 개요 및 분석방법론을 설 명하고 실제 국내외의 사례연구를 제시함으로써 도시-교통-환경 통합 Simulation의 시사점을 제 시해보고자 한다.
주용진 : 서울시립대학교 도시과학연구원 융합도시연구센터 연구교수, yjjoo75@uos.ac.kr, 직장전화:02-2210-5253, 직장팩스:02-2246-0186 김태호 : 서울시립대학교 도시과학연구원 융합도시연구센터 연구교수, traffix@uos.ac.kr, 직장전화:02-2210-5253, 직장팩스:02-2246-0186 김영일 : 한양대학교 도시대학원 박사후연구원, tr01@hanyang.ac.kr, 직장전화:02-2299-2082, 직장팩스:02-2220-1214
구분 주요 내용
적용 가능 도시 모델
- 도시문제에 대응하기 위한 정책이나 계획이 도시에 미치는 영향을 종합적으로 고려해 수 립되어야 한다는 인식에 배경
- 교통의 개선이 토지이용, 교통수요, 환경 등 에 미치는 영향 고려
- Clean Air Act Amendments(1991), Intermodal Surface Transportation EfficiencyAct(1990) 등과 같은 법제도 도입 이 관련 정책(계획)의 종합적인 접근을 요구
분석 단위
- 일정한 크기(보통 150m×150m)의 셀 단위 로 분석
- 결과는 1년 단위로 산출(인구 및 경제활동의 성장 및 분포, 토지의 개발, 지가의 변화 등)
입력 자료
- 필지 수준의 토지이용 현황 데이터, 위치를 기록한 개별 가구 및 고용 관련 데이터, 건 축물 데이터, 기타 도시계획 관련 데이터, 센서스 등
기술 개발
- 자체 개발한 개방형 플랫폼(The Open Platform for Urban Simulation, OPUS) 을 기반으로 개발
- 파이선언어로 작성된 일종의 라이브러리 패 키지로 소스파일을 공개하여 개방성 및 투명 성을 높이고 이를 통해 S / W의 기능, 성능 등을 향상
적용 사례
- 2000년 이후 미국(휴스턴, 솔트레이크시티, 시애틀, 샌프란시스코 등)과 프랑스(파리)에 적용된 사례가 있음
<표 1> Urbansim의 주요사항 요약표
2. 연구의 범위 및 방법
다음은 본 방법론 연구를 진행하기 위한 전반적 인 진행방향을 정리한 흐름도이다.
<그림 1> 연구의 흐름도
Ⅱ. 도시-교통-환경 통합모형 소개 (UrbanSim)
본 장에서는 도시-교통-환경 측면을 종합적으로 고려할 수 있는 Urbansim의 개요 및 세부구성을 소개하고자 한다.
1. Urban-Simulation(Urbansim)의 개념
UrbanSim은 도시성장관리를 위한 정책이나 계획이 도시에 어떠한 영향을 미쳐 도시를 어떻게 변화시킬지를 분석해 정책(계획)수립에 필요한 정 보를 도출하는 계획지원체계를 갖추고 있다.
도시, 교통, 환경 등 도시와 관련된 전반적인 요 소들을 개별적으로 분리된 모형들의 조합에 의해 새롭고 종합적 모형 구축이 가능한 시스템이다.
미국 워싱턴대학(UW)의 도시시뮬레이션 및 정 책분석센터(2003년 설립)를 중심으로 연구 및 개발 중이며, 개략적인 사항을 요약하면 <표 1>와 같다.
2. UrbanSim 통합모형의 기본알고리즘
UrbanSim 통합모형은 기존 공간체계분석 프 로그램과는 상당한 차이를 가지고 있다.
다시 말하면, DRAM/EMPAL(A), TRANUS(B), MEPLAN(C), CUF-2(D) 등의 접근방식과는 다른 형태를 취하고 있는데, 기존 모형들과 비교하 면 <표 2>와 같다.
UrbanSim의 통합형태의 구조와 흐름을 표현하
면 다음과 같다. 내부의 지역경제자료를 활용한 토
지이용예측모듈, 교통시스템을 기반으로 하는 통행
구분 DRAM /EMPAL
MEPLAN
TRANUS CUF-2 UrbanSi m
자료입 력형태 (변수)
집계형 16개 (Aggregate)
집계형 사용자지정 (Aggregate)
×
비집계1) (Disaggr
egate) 토지유형
4개
사용자지 정
토지유형 7개
토지/개발 유형 24개 부동산
가격 × ◯ × ◯
분석 단위
Census (Aggregate)
사용자 지정 Zone
(2～300)
Grid Cells
Grid Cells2)
시간 단위
Quasi -dynamic Equilibrium
Cross-Se ctional, Equilibrium
Annual, Dynamic
Annual, Dynamic 모형
통합 ◯ ◯ × ◯3)
접근성 적절 적절 × 공개
소스4)
<표 2> 기존 모형들과 비교표
<그림 2> Urbansim의 Structure &
Processing 흐름도 <그림 3> Data Manager 실행결과(예시)
행태예측모듈, 토지이용과 교통통합모형의 결과물
인 대기오염분석모듈 등 다양하게 구성되어 있다.
토지이용(Land-Use)의 연상면적을 기반으로
통행량변화와 대기오염(탄소배출량)의 관계를 분석 하고자 한다면 UrbanSim을 활용 가능할 것이다.
UrbanSim에는 다양한 모형들이 내장되어 있 으며, 최근 대표적으로 활용되고 있는 모형을 살펴 보면 다음과 같다.
[모형1] 인구/고용 변화 모형(Transition Model) [모형2] 입지 변화 모형(Relocation Model) [모형3] 입지 선택 모형(Location Choice Model) [모형4] 부동산 가격 모형(Real Estate Price) [모형5] 부동산 개발 모형
(Real Estate Development)
3. UrbanSim의 세부 Module 구성 및 내용UrbanSim에는 4가지(Data Manager, Models Manager, Scenarios Manager, Results Manager)의 Module로 구성된다.
1) The Data Manager
1) 토지시장, 개인, 기업, 개발업자, 공공부문 등의 상호관계에 기초한 시뮬레이션을 통해 도시 성장에 대한 예측이 이루어지며, 시간, 공간, 행위자 등과 관련된 비집합적 자료를 사용하여 토지의 공급과 공간의 변화에 대응하기 위한 동적모형사람(고용자, 어린이 등) 과 관련된 개별적 자료를 입력할 수 있음.
2) 기본적으로 150m×150m 크기의 Gridcells단위로 분석이 되며, 1년 단위로 결과를 산출하는 분석 단위로 이루어 져 있으며, UrbanSim은 진화하는 모델로 다른 데이터 구조와 Gridcells, Parcels, Buildings, Zones와 같은 지리적 분석으로 활용이 가능함.
3) 가구유형, 고용유형, 부동산유형을 다른 도시모형들보다 세분화 되어 분류하고 있으며, 이렇게 분류된 모형들과 대부분의 도시모형 에서 고려되지 못하고 있는 부동산 가격, 교통모형 등 부속 모형들을 조합하여 하나의 종합적인 Micro-simulation 모델링 시스템 을 구축하고 있음
4) UrbanSim은 Python언어로 작성된 일종의 라이브러리 패키지로 소스가 개방되어 있어 사용자에 의해 자유롭게 확장될 수 있지만, 매우 많은 자료의 수집을 필요로 함
<그림 5> Scenarios Manager 실행결과(예시)
<그림 7> Integrated Land-use, Transportation, Environmental Model의 개념도
데이터를 관리, 표시, 추출하는 기능이 가능하 며, 시계열로 구축된 해당년도 하위에는 다양한 테 이블(Dataset)로 구성이 가능하다.
다음은 Data Manager를 실행한 결과이다.
2) The Models Manager
Models tab에서 다양한 유형의 변수지정, 모형 개발 및 추정, 환경설정 등의 기능이 가능하며, 데 이터의 자료에 따라서 모형의 종류를 선택이 가능 하다. 가장 일반적으로 활용 가능한 모형으로는 변 수간의 상관관계를 파악하기 위해 회귀분석이 가능 하며 분석의 과정과 결과 값을 모두 볼 수 있다.
<그림 4> Models Manager 실행결과(예시)
3) The Scenarios Manager
Scenarios tab에서는 모형 및 분석년도 설정 등을 실행 기능이며, Simulation진행과정과 시각 화 된 결과들을 볼 수 있다.
4) The Results Manager
Results tab에서 프로젝트를 위해 수행한 Simulation결과를 표현해준다.
<그림 6> Results Manager 실행결과(예시)
저탄소 녹색성장을 위한 도시통합모형을 적용하 기 위해 교통이나 토지이용, 환경 등 상호영향관계 를 계량적으로 표현할 수 있는 정책효과 모의실험 모형으로 UrbanSim이 가장 적절하다고 판단된다.
또한, 도시통합모형의 UrbanSim을 이용한 향 후 예측을 통해 입지 요인 등 도시·교통의 객관적, 체계적인 계획을 위한 정책 모의실험을 통해 탄소 배출저감효과를 산출할 수 있을 것이라 기대된다.
따라서 앞서 언급한 개별모형들을 토대로 도시-
통합-환경 통합모형의 체계의 개념도를 작성해보
면 다음과 같다.
<그림 9> 교통-토지용 변화분석 결과(예시)
<그림 10> 경량전철(LRT) 건설노선도
Ⅲ. Urban-Simulation 적용사례연구
본 장에서는 Urbanism의 실제 적용한 결과들 을 사례연구의 형태로 정리하였다. 검토결과, 교통 체계변화와 토지이용변화에 대한 Simulation에 초점이 맞추어진 연구들이 전반적으로 판단된다.
1. Puget Sound 적용사례(미국)
Puget Sound Regional Council(PSRC)에 서는 2006년을 기준으로 2040년까지의 인구변 화, 가정기반출근통행량(HBW), 고속도로의 용량 (Capacity)증가의 관계를 분석하기 위하여 시도 되었다.
<그림 8>은 이러한 사례연구를 시도한 결과를 제시한 것이다.
<그림 8> 인구-통행량-도로용량분석 결과(예시)
2. Vermont 적용사례(미국)
Vermont대학교에서는 Crittenden County에 교통수요관리방안을 적용하였으므로 경우 토지이 용체계에 어떠한 영향을 미치는가를 파악하기 위 하여 UrbanSim을 활용하였다.
교통-토지이용의 동적 연계모형을 개발한 사례로 서, TDM(Transportation Demand Analysis) 을 시행한 시점을 중심으로 5년 전후에 대한 사전- 사후분석(Before-After Analysis)을 수행한 결과
이다. 분석결과, TDM시행에 의해 토지이용체계가 변화됨을 알 수 있다. <그림 9>의 노란색 표시의 토 지이용이 현저하게 변화한 것을 알 수 있다.
3. Phoenix 적용사례(미국)
Phoenix지역에 경전철(LRT)이 도입될 경우 도시의 성장에는 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구로서 Urbansim을 활용하였다. 2015년에 도 입예정인 경전철이 도입될 경우에 대비하여 시행 과 미시행으로 구분하여 비교하였다.
분석결과, 경전철의 역세권 주변에는 가구밀도 (Household density)의 변화가 다양한 것으로 나타났다.(<그림 11> 참조)
<그림 12>의 Zone 1은 경량전철이 도입되어도
인구밀도의 큰 변화가 없는 지역이며, Zone 2의
경우는 인구밀도의 증가가 나타나는 지역이다.
<그림 11> 분석단위 설정단계(예시)
<그림 13> 가구이동 패턴분석결과(예시)
<Zone 1> <Zone 2> <Zone 3>
<그림 12> 분석결과 그래프비교
Zone 3의 지역은 오히려 가구밀도가 감소하는 것으로 나타났다.
4. Seattle 적용사례(미국)
Seattle Parcel Project는 1999년부터 5년 동안의 가구 이동의 시계열 측면의 변화를 살펴보 기 위한 분석이다. 붉은색을 중심으로 가구의 이동 패턴이 활발한 것을 알 수 있다.
5. Paris 적용사례(프랑스)
파리의 교통망과 토지이용을 연계한 모형을 개 발한 사례이며, 다음과 같다.
<그림 14> 교통-토지용 변화분석 결과(예시)
UrbanSim의 실제 적용한 국외의 사례들을 검 토한 결과, 현재 토지이용과 통행량, 토지이용과 교통정책의 도입에 따른 효과분석에 초점을 맞추 고 있다. 따라서 본 연구에서는 국외에서 적용해본 결과들을 실제로 적용해보고 가능성을 판단해 볼 것이다. 추가적으로 탄소배출량과의 관계를 도출 할 수 있는지에 대한 사례연구를 시행하고자 한다.
Ⅵ. 사례연구를 통한 통합모형 적용
1. 분석을 위한 사전준비
UrbanSim을 분석하기 위해서는 분석단위, 건 축물대장을 활용한 토지이용
5), 사회경제적여건 (인구, 종사자, 수입관련 등)설정 하여야 한다.
분석단위의 설정은 분석여건을 감안하여 결정하
5) 주 용도별로(주거, 상업, 산업, 정부)1차 구분하며, 세부적으로 우리나라 건축물 대장에는 건물이 총 21개의 용도로 나눠져 있어 이 를 입력하는 방식으로 적용함.
sector_id name opus에 넣을 name 1 입법공무원, 고위임직원
및 관리자 government 2 전문가, 기술공,
준전문가 및 사무직 officer 3 서비스근로자 및 상점과
시장판매근로자 services 4 농업 및 어업숙련근로자 Basic industry
5 기타 Other
<표 4> 토지유형 Code번호
건축물 대장코드 분류
01 단독주책
02 공동주택
03 제1종근린생활시설
04 제2종근린생활시설
05 문화및집회시설
06 판매및영업시설
07 의료시설
08 교육연구및복지시설
09 운동시설
10 업무시설
11 숙박시설
12 위락시설
13 공장
14 창고시설
15 위험물저장처리시설
16 자동차관련시설
17 동식물관련시설
18 분뇨쓰레기처리시설
19 공공용시설
20 묘지관련시설
21 관광휴게시설
<표 3> 토지유형 Code번호
<그림 15> 분석단위 설정비교(예시)
여야 하는데, Grid, Parcel, Traffic Analysis Zone(TAZ)등 다양하게 고려가 가능하다.
본 연구에서는 교통-도시-환경 통합모형의 적용 성을 살펴보기 위함이므로 분석의 단위를 Zone단 위로 결정하였다.
<그림 14>는 다양한 Zone설정방법을 비교한 것이다.
다음으로 도시의 미시적인 요인인 토지유형을 부여하는 작업이 필요하며, 토지이용을 부여할 때 는 다음의 코드를 활용하였다.
다음으로 토지이용과 연계할 종사자 관련된 정 보는 5가지로 분류하였다.
이외의 탄소배출량과 다양한 변수들은 Traffic Analysis Zone(TAZ)에 해당하는 정보를 입력하 는 방식으로 적용하였다.(<표 5>의 실제 예시 참조)
2. 사례분석 결과(용산구)토지이용과 교통 통합 모델 UrbanSim 시뮬레 이션을 수행하기 위한 사례지역으로는 용산구를 대상으로 하였다.
다음은 분석을 위한 자료의 형태를 제시한 것이 며, <표 5>와 같다.
UrbanSim Model 중 하나인 Land Price Model을 이용하여 다음과 같이 Opus에서의 용산 구의 지가를 나타내는 지도를 추출하고 GIS에서 동별로 파악하여 나타내 보았다.
지도에서 가장 붉은색을 나타내는 곳이 지가가 높은 곳이며, 파란색으로 갈수록 지가가 낮아지는 것을 예측하여 시각화로 표현해주고 있음
이촌동, 용산동, 서빙고동과 용산구의 북동쪽은
공원 등 녹지지역으로 선정된 지역으로 지가가 가
장 낮을 것을 보여주고 있으며, 가장 높은 지가를
보여주고 있는 용문동과 보광동 일대는 현재 주거
가 밀집된 지역이다.
ID (행장동)
탄소 배출량 (ppm)
지가 (천원)
인구 (인)
토지 이용
소득 (천원) 278 용문동 40,850 176,637 38,250 85 176,637 317 용문동 201,158 175,875 28,800 64 175,875 318 용문동 32,779 197,836 45,450 123 197,836 319 용문동 100,774 164,746 16,650 93 164,746 466 한남동 26,402 297,432 45,670 94 297,432 467 한남동 18,799 251,278 45,640 80 251,278 506 보광동 48,335 253,787 26,660 77 253,787 546 보광동 42,310 286,602 55,100 95 286,602 585 보광동 35,654 216,013 42,340 73 216,013 624 보광동 16,675 345,572 77,140 133 345,572
125 후암동 1,133 0 0 0 0
154 용산동
2가 2,431 5,228 720,000 3 5,228
<표 5> 사례연구의 자료구성(예시)
<그림 16> 3차원 용산구 토지이용-지가 분석결과
Ⅴ. 결론 및 향후연구과제
본 연구는 현재 미국에서 활용 중인 도시-교통- 환경통합 모형인 Urban-Simulation(UrbanSim) 과 관련된 분석방법 및 국외실제 적용사례를 소개 하고 이를 바탕으로 국내에 적용해 볼 수 있는 통 합모형에 대한 사례분석을 수행하였다.
UrbanSim은 기존의 유사한 Simulation모형 과 차별성을 가지고 있는데, 다음과 같다.
① 가장 많은 토지이용 형태를 반영할 수 있는 CUF-2(7개)에 비해 UrbanSim(24개)은
상대적으로 다양한 유형이 반영 가능하다.
② 분석단위가 Grid Cell이어서 미시적인 단위 의 부동산 가격과 같은 반영하기 적절하다.
③ 프로그램에 대한 Source Code가 제공되어 수정 보완이 가능하다.
다음으로, 국외 사례연구를 검토해보면, 현재 UrbanSim의 활용 수준은 2개 요소를 복합적으로 비교하거나, 사전-사후(Before-After Analysis) 분석에 국한되어 있는 실정이다.
종합분석을 시도할 수 있는 Simulation이 존재 하지만, 적극적인 활용이 어려운 것은 각 분야별로 수집되는 자료의 최소단위
6)가 차이가 나기 때문 이라고 판단된다. 따라서 국내에서 도시교통, 탄소 배출량과 같은 DB를 교통존(Traffic Analysis Zone : TAZ) 단위로 조합 가능하도록 하는 것이 필요하며 가장 시급한 작업이라 판단된다.
본 사례연구도 앞서 언급한 문제점으로 인하여 제한적인 분석을 시도하였으며, 교통요소인 통행 량(교통량)과 도시요소(지가, 토지이용)의 분석을 입체적 공간형태로 시도하였다. 사례 분석결과, 토 지이용유형과 지가관계 분석은 Cell단위로 분석이 가능하였고, 도로에 배정된 실제 교통량 (Emme/2)의 결과를 UrbanSim에 입력하여 지 가와 토지이용을 동시에 분석하였다. 특히, 실제 도로에 배정되는 교통량과 Cell단위로 나타나는 토지이용 및 지가의 분포는 단위를 맞추지 않더라 도 일부 분석이 가능한 것을 알 수 있었다.
따라서 향후 DB의 수준이 맞지 않더라도 일부 적용 가능한 분야에 시도를 해보는 것이 적절하다 고 판단되며, 도로교통량과 도로주변의 Cell의 탄 소배출량의 관계분석 등 다양한 분야에 적용 가능 할 것이라 판단된다.
본 사례연구는 각기 다른 분야의 변수들을 활용 하여 Display수준의 연구를 진행한 것으로 향후 공간통계 및 Data Mining을 활용한 공간변화 연 구에 도입하는 것이 필요하며, 신도시 및 택지개발
6) 일반적으로 도시부문의 자료인 토지이용, 지가 등은 지번(Cell)형태이며, 교통량, 탄소배출량과 같은 경우 교통존(Traffic Analysis Zone : TAZ)으로 수집되어 분석할 경우 단위를 맞추는 작업이 필요함.
<그림 17> 용산구의 통행량-지가 관계에 대한 Simulation결과
의 경우 본 Simulation을 적용할 경우 탄소배출 량, 토지변화, 교통량 등을 종합적으로 분석할 수 있는 도구로 활용 가능할 것이다.
지금까지 Urbansim을 활용한 이론 및 기능을 제시하고, 일부 분야인 도시와 교통에 국한된 실증 분석을 시도하였다. 하지만, 저탄소 녹색성장과 직 결될 수 있는 탄소배출량 등과 같은 환경분야와의 연계가 미흡하여 향후 연구과제로 제시한다.
참고문헌
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Journal of the American Planning Association, 64(4), pp.424∼440.
12. UrbanSim Portal Homepage
7): http://www.urbansim.org/papers
7) 본 사례연구의 UrbanSim관련 국외 문헌들은 Homepage에서 검색 및 다운로드가 가능함.
