2008년 11월 21일 접수, 2008년 12월 19일 채택
* 경상대학교 대학원 도시공학과 석사과정(BK21) ([email protected])
** 경상대학교 공과대학 도시공학과 교수(ERDI, BK21) ([email protected])
*** 교신저자･정회원･경상대학교 공과대학 도시공학과 교수(ERDI, BK21) ([email protected]) 연구논문
고해상도 위성영상을 이용한 토지이용변화 분석
Analysis of Land Use Change Using High Resolution Satellite Imagery
조은래* ･ 김경환** ･ 유환희***
Cho, Eun Rae ･ Kim, Kyung Whan ･ Yoo, Hwan Hee
要 旨
경상남도 진주시를 사례지역으로 선정하여 도시계획구역 내에서의 용도지역별 토지이용변화탐지와 녹지면적추출 을 고해상위성영상인 IKONOS, KOMPSAT-2(아리랑 2호)를 이용하여 분석함으로서 고해상위성영상이 지자체의 도시관리계획을 수립하고 평가하는데 핵심적으로 활용될 수 있음을 제시하는데 연구목적을 두었다. 그 결과, ArcGIS 기반의 토지이용변화 및 녹지면적 산정모듈을 개발하고, 이를 이용하여 토지이용변화와 행정동 내의 녹지 공간의 분포를 분석함으로서 도시계획의 수립과 실행에 따른 용도지역별 변화추이를 평가할 수 있는 도시관리행정 의 평가자료로 고해상위성영상의 활용 가능성을 제시하였다.
핵심용어 : 고해상위성영상, 토지이용변화탐지, 도시관리계획, 용도지역, 녹지면적추출
Abstract
This study aims at proposing that high resolution satellite images could be used to form an urban management plan by calculating the amount of green areas and detecting land use changes in each zoning region within urban planning jurisdiction of Jinju in Gyeongsangnam-do selected as a case study area, analysing imagery of IKONOS and KOMPSAT- 2 that are high resolution satellite images. In conclusion, application possibilities of high resolution satellite images as assessment data of urban management administration that help to assess changes in each zoning region are indicated after developing modules based on ArcGIS for calculation and detection of green areas and land use changes and then analysing land use changes and spatial distribution of green areas by using those modules.
Keywords : High resolution satellite images, Land use change detection, Urban management plan, Zoning region, Calculation of green areas
1. 서 론
급속한 도시성장과 더불어 도시공간의 변화는 매우 빠 른 속도로 진행될 것이며, U-City 건설과 같은 정보화사 업에 의해 도시공간정보는 디지털화되고 유비쿼터스개 념으로 구축될 것이다. 이에 따라 시민들은 언제, 어디서 나 실시간에 가까운 속도로 각종 정보를 취득하길 원하 는 환경속에서 각종 도시관리계획 수립 및 집행은 정확 성과 신속성을 더 요구하게 될 것이다. 이러한 요구를 충 족시키기 위해서 위성영상을 이용한 도시공간구조 변화 분석은 도시공간에서 발생되는 각종 도시문제를 해결하 고 장래예측에 의한 도시기본계획수립에 핵심적인 역할
을 할 수 있으며, 이를 기반으로 한 각종 응용기술개발에 사용될 것으로 예측된다. 지금까지 지자체에서는 도시관 리계획업무를 수행하는데 종이지도를 이용하여 각종 도 면을 작성하여 업무를 수행하여 왔으며, 국가GIS사업이 시작되면서 수치지도를 이용한 업무가 조금씩 증가되고 있는 실정이다. 또한 최근에는 고해상위성이 출현하면서 위성영상이나 항공사진을 활용하기 위해 일부 지자체에 서 시범사업을 추진하였다. 이러한 시점에 우리나라 아 리랑 2호 위성영상을 이용한 도시공간구조분석은 지자체 의 도시관리계획 업무의 질을 크게 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 아리랑 2호 위성영상의 활용성과 활용범위를 크 게 확대시킬 수 있는 계기가 마련될 것으로 판단된다.
그림 1. 토지이용 변화탐지 및 녹지추출모듈 구성도 나 대부분 광범위한 국토공간에 대한 지형 및 지물정보
취득에 중점이 두어졌으며, 도시공간에서의 용도지역별 토지이용현황을 분석하기 위한 취득 및 활용기술 개발에 는 아직 미진한 점이 많다. 또한 상세한 도시관리계획을 수립하여 추진하는 과정에서 보다 실무적으로 활용하기 위한 연구성과도 미흡한 실정이다. 이러한 경향은 1m이 상의 고해상력을 갖는 위성영상의 공급이 최근에 이뤄졌 고 복잡한 도시공간의 토지이용을 분석하는 것은 해결해 야 할 많은 문제점을 갖고 있다는 점이 장애요소로 분석 되고 있다.
외국의 경우 고해상위성영상을 이용한 기하학적 모델 링기법이나 지형/지물요소 추출기술, 다해상위성영상간 의 융합기술 등 다양한 분야에 걸쳐 기술이 개발되어 왔 다. 특히 Hannes Taubenböck 등(2006)은 도시공간분석 을 위해 객체지향적 연구(Object-oriented approach)에 의 한 군집화를 수행하여 도시형태정보를 취득하는 기술을 연구하였으며, A. Gerhardinger 등(2005)은 고해상위성영 상을 이용한 도로추출과 더불어 도로상의 자동차를 인식 하기 위한 연구를 수행하였다. Victor Mesev 등(2004)은 위성영상에서 시설물을 추출하고 이들 요소들의 연계성 을 분석하였다.
이와 같은 연구동향을 고려하여 본 연구에서는 경상남 도 진주시를 사례지역으로 선정하고 도시계획 구역내에 서의 용도지역별 토지이용현황 및 변화를 고해상위성영 상인 IKONOS, KOMPSAT-2(아리랑 2호)를 이용하여 분 석함으로서 고해상위성영상이 지자체의 도시관리계획을 수립하고 평가하는데 핵심적으로 활용될 수 있음을 제시 하는데 연구목적이 있다.
2. 토지이용 변화분석
고해상위성영상을 이용한 토지이용 변화탐지 기법은 위성영상의 영상소값을 특성별로 분류한 후 변화를 탐지 하는 기법과 영상소값의 변화를 상호 비교하여 탐지하는 기법으로 나눌 수 있다. 분류된 영상소값을 이용한 변화 탐지 방법은 변화의 속성을 파악하고 그 내용을 정량화 할 수 있으며, 영상소값을 이용한 변화탐지 기법은 두 영
형태를 분석하기 위해 대기의 영향과 토양에 민감하지 않으며 식생의 활력도를 반영한 NDVI(Normalized Differ- ence Vegetation Index)를 사용하였다(김소희, 2001). NDVI 는 계절변동의 특성으로부터 식생분류나 토지 피복분류 에도 이용되며 태양에너지의 반사량이 지형의 경사사면 방향 등에 의해 달라지는 현상을 보정하는 효과가 있어 식생연구에 많이 사용되고 있다. NDVI는 -1에서 1사이 의 실수값을 갖게 되므로 계산의 편의성을 위해 아래 식 을 이용하여 0-255의 8Bit 형식으로 선형 변환했다.
NDVI = 128*{(NIR-RED/NIR+RED)+1} (1)
본 연구에서는 지자체에서 고해상위성영상을 이용하 여 도시계획지역내에서의 토지이용변화를 탐지하고 변 화된 지역의 면적산출 등을 간편하게 시행할 수 있는 모 듈을 개발하였다. ArcGIS 기반의 토지이용변화 및 녹지 산정모듈개발은 ArcObject 9.3 와 Visual C++ 6.0을 이용 하여 개발하였으며 모듈의 구성은 그림 1과 같다.
토지이용변화탐지 및 녹지추출모듈은 사용자 정의의 토지이용변화지역 및 녹지지역 클래스를 검출하는 기능,
그림 2. 영상대차법을 이용한 변화탐지
그림 3. 변화지역 및 녹지지역 추출과 벡터변환과정
그림 4. 연구대상지 행정구역과 고해상위성영상
레스터자료를 벡터자료로 변환하는 기능, 추출된 변화 및 녹지지역의 면적계산기능 등으로 구성되어 있다. 영 상자료처리에 의해 얻어진 영상소값 차이와 NDVI를 계 산한 후 ArcGIS환경에서 개발된 모듈에서 변화지역이나 녹지지역의 면적을 산출한다.
변화지역을 결정하는데 필요한 임계값이 결정되면 클 래스분류에서 계산된 영상소값의 변화범위를 설정하여 변화지역을 추출한 다음 추출된 레이어를 벡터형식으로 변환하며, 변화탐지와 녹지지역 추출에 필요한 임계값 결정은 현장 검증을 통해 최적값을 선정하였다. 그림 3은 모듈에 의해 변화지역 및 녹지지역 추출과 벡터변환과정
면적산출 주제도작성 과정을 나타낸 것이다.
3. 연구대상지 선정 및 결과분석
3.1 연구대상지역 및 영상자료
연구대상지역은 경남 진주시의 도시계획구역으로 1995년부터 시행된 국가GIS사업으로 수치지형도, 토지 이용현황도 등의 각종 주제도, 토지적성평가에 필요한 수치연속지적도, 환경부 및 산림청 등의 지형공간자료가 체계적으로 정리되어 있고, 대상지역에 대한 고해상 위 성영상 자료를 추가로 확보하여 연구를 수행하였다. 진 주시 행정구역은 약 712.836km2로, 토지이용현황은 주거 용지가 22.253km2, 상업용지가 4.478km2, 공업용지가 7.541km2, 보전용지가 339.018km2, 시가화 예정용지는 1.960km2이며, 기존의 국토이용관리법에 의해 관리되던 비도시관리구역이 337.829km2이다. 그림 4는 연구대상 지 현황과 진주시 행정구역내 위성영상의 촬영범위를 나 타내고 있다.
본 연구를 위하여 진주시 시가지지역을 중심으로 2001 년과 2005년에 촬영된 4m급 다중분광 영상과 1m급 전정 색 영상을 융합한 IKONOS위성영상과 2007년 촬영된 KOMPSAT-2호 영상(1m 해상력)을 사용하였다(그림 5).
IKONOS 위성영상을 GIS 자료와 연계활용하기위해서 기 구축된 진주시 토지적성평가체계의 GIS 자료와 동일 한 좌표체계를 갖도록 좌표변환으로 IKONOS 위성영상 에 대한 기하보정을 실시하였다. IKONOS 위성영상 원 시자료의 좌표체계는 UTM Zone 52, 측지기준은 WGS84 로 제공되었고, 진주시 GIS 자료의 좌표계는 도쿄원점과 Bessel 1841 타원체를 기반으로 하는 TM좌표체계(동부 원점)로 정의되어 있다. IKONOS/KOMPSAT-2호 위성 영상과 1/1,000수치지도에서 동시에 확인 가능한 지점을 지상기준점으로 추출하였고, IKONOS 위성영상의 좌표 체계를 TM좌표체계로 변환하기 위하여 상용프로그램인 ERDAS IMAGINE을 이용하여 Polynomial Rectification
IKONOS 영상 (2001년 9월 17일)
IKONOS 영상 (2005년 9월 19일)
KOMPSAT-2호영상 (2007년 8월 15일) 그림 5. 연구대상지역의 고해상위성영상 현황
그림 6. 진주시 용도지역 레이어 그림 7. 진주시 주거지역 현황
을 통해 기하보정을 수행하였으며 위치정확도(RMSE)는 X=0.99m, Y=1.39m (약 1-2 영상소)였다.
3.2 용도지역 추출
연구대상지인 진주시의 전체 도시계획구역은 268.940 (km2)으로 주거지역이 13.684km2(5.09%), 상업지역은 2.359km2 (0.88%), 공업지역은 3.836km2(1.43%), 녹지지 역은 249.059km2(92.60%)로 지정되어 있다. 우리나라 대 부분의 도시와 비슷하게 진주시 역시 용도지역 비율 중 녹지지역이 가장 높고, 주거, 공업, 상업지역 순으로 나타 났으며, 타 도시에 비해 상업지역 비율이 다소 낮은 것으 로 나타났다. 그림 6은 결정고시된 진주시 도시계획구역 총괄도로서 진주시 토지적성평가시스템에서 용도지역 레이어를 생성하여 나타낸 것이다, Shape 파일로 생성된 각 용도별 레이어를 분류하여 위성영상에 중첩하고 용도 지역별로 Subset 하여 위성영상으로부터 용도지역별 영
상데이터를 추출하였다.
3.3 용도지역별 토지이용변화 분석
진주시의 도시지역 용도 중 주거지역은 제1, 2, 3종 일 반주거지역과 준주거지역이 지정되어 있으며, 전용주거 지역은 미 지정으로 존재하지 않았다.
그림 7은 1종, 2종, 3종 일반주거지역, 준주거지역을 추 출한 주거지역현황으로 주거지역은 거주의 안녕과 건전 한 생활환경의 보호를 위하여 필요한 지역이다. 그림 8은 주거지역중 제1종 일반주거지역으로서 저층중심으로 편 리한 주거 환경을 조성한 지역으로서 그림 8(a)는 2001년 도에는 초등학교 2곳만 있었으나 그림 (b), (c)에는 2005 년과 2007년도에 2001년도에 없었던 공지에 중학교가 준공 되므로 1종일반주거지역에 토지이용변화가 발생된 지역이다.
그림 8에서 제시된 1종 일반주거지역에서의 연도 별
(a) 2001년 (b) 2005년 (c) 2007년 그림 8. 제1종 일반주거지역내의 토지이용 변화
(a) 2001년과 2005년사이 변화 (b) 2005년과 2007년사이 변화
전체면적 변화지역면적 변화율 전체면적 변화지역면적 변화율
48,617m2 18,712m2 20% 48,617m2 4,178m2 8%
그림 9. 제1종일반주거지역의 토지이용변화탐지 결과
토지이용변화를 밴드분석한 결과 2001년도와 2005년도 사이에 1종 일반주거지역(전체면적 48,617m2) 중에서 변 화지역 면적은 18,712m2으로서 변화율이 20%로 나타났 으며, 2005년과 2007년 사이에는 변화면적이 4,178m2으 로서 변화율이 8%로 나타나서 해당지역에 중학교 증축 에 따른 토지이용변화를 탐지할 수 있었다(그림 9).
그림 10은 제2종 일반주거지역으로서 이 지역은 1999 년에 택지개발예정지구 로 지정되고 2002년부터 대지조 성 및 도시기반시설공사 착공이 이뤄진 경상대학교 대학 촌 개발사업지역이다.
그림 10에서 제시된 대학촌사업지역의 토지이용변화 를 분석한 결과, 2001년도와 2005년도사이에는 2종 일반 주거지역 전체면적(102,496m2) 중에서 변화지역 면적은 53,640m2으로 52%의 변화율을 보였으며, 2005년과 2007
년도 사이에는 32%의 변화율을 보였다(그림 11). 그림 9 - 11에서 볼 수 있듯이 1, 2종 일반주거지역내에서 각종 개발계획에 따라 계획이 수립되고 연차적으로 사업이 시 행되는데 이에 따른 현장에서의 실제 토지이용변화를 고 해상 위성영상으로 모니터링할 수 있어서 지자체차원에 서의 도시계획구역내에 다양한 변화를 효율적으로 관리 할 수 있는 정보를 위성영상이 제공하여 줄 수 있음을 알 수 있었다.
3.4 도시지역 내 녹지공간 분석
녹지공간은 도시생활공간에서 사람들에게 휴식처가 되며 쾌적한 환경을 제공하여 줄 뿐 아니라 환경오염을 줄일 수 있는 공간으로서 최근 웰빙 및 건강도시 건설을 위해 관심이 높아지고 있다. 그림 12는 진주시 내에 3개
(a) 2001년 (b) 2005년 (c) 2007년 그림 10. 제2종 일반주거지역내 대학촌사업지역
(a) 2001년과 2005년사이의 변화 (b) 2005년상과 2007년사이의 변화
전체면적 변화지역면적 변화율 전체면적 변화지역면적 변화율
102,496m2 53,640m2 52% 102,496m2 32,560m2 32%
그림 11. 제2종 일반주거지역 토지이용변화탐지 결과
(a) 주약동 지역 (b) 상대동 지역 (c) 신안동 지역
그림 12. 3개 동지역의 현황
행정동(주약동, 상대동, 신안동)을 선정하여 녹지공간분 포를 분석하였다. 주약동은 신흥주택지와 넓은 도시공원 을 갖고 있으며, 상대동은 구 도시지역이며, 신안동은 신 시가지로 개발되는 곳으로 각각 다른 특색을 갖고 있다
(그림 12).
그림 13은 주약동, 상대동, 신안동내의 용도지역지정 현황과 각 용도지역별 면적을 나타낸 것이며, 그림 14는 3개동지역에 대해 고해상 위성영상을 분석하여 녹지지역
(a) 주약동 지역 (b) 상대동 지역 (c) 신안동 지역 그림 13. 진주시 3개동 용도지역 현황
(a) 주약동 지역 (b) 상대동 지역 (c) 신안동 지역
그림 14. 진주시 3개동 용도지역별 녹지면적 추출
표 1. 주약동 녹지면적추출 결과
도시용도 일반상업 제1종일반주거 제2종일반주거 제3종일반주거 보전녹지 자연녹지
면적 22,326m2 10,932m2 300,404m2 181,175m2 1,292,985m2 1,661,733m2 녹지면적 2,670m2 459m2 67,790m2 17,708m2 1,284,410m2 1,237,932m2
비율 11.96% 4.20% 22.57% 9.77% 99.33% 74.50%
의 분포를 추출한 결과를 보여 주고 있다. 행정구역 구획 상 하천의 일부가 구역면적으로 포함되어 있으나 식생지 수를 추출한 후 녹지지역면적을 산출할 때는 해당 하천 면적을 제외시켰다.
넓은 공원을 갖고 있는 주약동은 보전녹지와 자연녹지 가 각각 99.33%, 74.50%로 나타나서 보전녹지지역은 비 교적 잘 보존이 되고 있으나 자연녹지지역은 일부 개발 이 이뤄지고 있어서 약 26%정도가 각종개발로 훼손된 것으로 분석되었다. 또한 일반 상업지역의 녹지비율은 11.96%이고 제1종일반주거지역은 4.2% 제2종일반주거 지역은 22.57% 제3종일반주거지역은 9.77%로 분석되어
저층단독주택지인 1종 주거지역내의 녹지공간이 매우 작 음을 알 수 있었다(표 1).
상대동지역은 구시가지로서 일반상업지역의 녹지비율 은 3.85%, 일반공업지역은 10.25%, 제1종일반주거지역 은 19.79%, 제2종일반주거지역은 7.42%, 제3종일반주거 지역은 14.08%로 결과가 나타났다(표 2). 구시가지인 점 을 고려할 때 주약동에 비해 1종 주거지역의 녹지공간이 비교적 풍부하게 형성되어 있는 특징을 보여주고 있다.
신안동지역은 신시가지로서 다른 2개동에 비해서 녹지 면적비율이 가장 낮게 나타났으며, 준주거지역은 5.78% 제 1종일반주거지역은 7.11%, 제2종일반주거지역은 12.41%,
도시용도 근린상업 준주거지역 제1종일반주거 제2종일반주거 제3종일반주거 보전녹지 자연녹지 면적 84,107m2 11,979m2 33,451m2 1,080,547m2 236,857m2 274,141m2 505.930㎡
녹지면적 8,147m2 692m2 2,377m2 134,184m2 25,471m2 234,915m2 182.260㎡
비율 9.69% 5.78% 7.11% 12.41% 10.75% 85.69% 36.02%
제3종일반주거지역은 10.75%로 2종 주거지역이 다른 주 거지역에 비해 높게 나타났다(표 3).
이상과 같이 고해상 위성영상을 이용하여 도시공간에 서의 토지이용변화와 녹지공간분포에 대한 정보를 취득 함으로서 도시를 관리하는데 필요한 현황정보를 효율적 으로 분석할 수 있고, 이에 따른 추후 도시공간 내의 생태 환경 조성계획수립 시에 반영할 수 있는 구체적인 자료 를 제시함으로서 도시관리업무에 고해상 위성영상의 활 용성을 제시하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 지자체의 고해상위성영상을 이용한 도 시관리계획업무의 활용성을 분석하기 위해 지방 중소도 시인 경남 진주시를 대상으로 용도지역별 토지이용현황 분석과 행정동별 녹지공간 분포를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
첫째, 진주시 토지적성평가시스템과 연계하여 용도지 역별 위성영상자료를 추출하고, 진주시 토지이용변화가 활발했던 3개년(2001, 2005, 2007년도)의 토지이용변화 와 행정동의 녹지공간의 분포를 분석함으로서 도시계획 의 수립과 실행에 따른 용도지역별 변화추이를 평가할 수 있는 도시관리행정의 평가자료로 고해상위성영상의 활용 가능성을 제시하였다.
둘째, ArcObject과 Visual C++를 이용하여 ArcGIS 기 반의 토지이용변화 및 녹지면적 산정모듈을 개발하여 용 도지역별 토지이용변화지역과 녹지지역의 분포를 추출 하고 면적을 간편하게 산출함으로서 도시공간 내의 행정 동간 녹지공간비율을 분석할 수 있었다.
셋째, 도시지역은 다양한 시설물로 구성된 복잡한 토지 이용형태를 보이고 있어서 각종 시설물이 상세하게 나타
나는 고해상 위성영상을 이용한 토지이용분류는 많은 오 류를 발생할 수 있다. 따라서 이를 보완하기 위한 추가적 인 연구가 향후에 지속적으로 이뤄져야 할 것으로 판단 된다.
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