2.1. 연구대상범위

본 연구에서는 31.98 km² 면적의 인천광역시 부평구에 속 한 22개 동 전체를 연구대상지역으로 선정하였다(Fig. 2). 부평구는 국지성 호우로 인한 하천의 범람이 합류식 하수 관거에 남아 있던 도시하수의 오염물질을 하천으로 유입시 켜 비점오염의 발생이 심각한 지역이다(^{Yang, 2006}). 또한, 주택재개발 및 재건축사업, 주거환경 및 도시환경 개선사업 등이 추진 중에 있어 향후 토지피복 변화의 모니터링이 필 요할 것으로 판단된다. 이에 따라 중분류 토지피복지도의 현행화 방법을 제시하였으며, 연구대상지역 내 중분류 토지 피복지도 항목을 분석한 결과 과수원, 연안습지, 자연나지에 대한 분류 항목이 없는 것으로 나타나 3개의 분류 항목을 제외한 19개의 분류 항목을 대상으로 연구를 수행하였다.

Fig. 2. Study site (Bupyeong-Gu, Incheon).

2.2. 가용자료 정의

본 연구에서는 연단위 모니터링이 필요한 수질오염총량 관리제에서 활용이 가능하도록 가용할 공간자료를 다음과 같은 기준에 의하여 정의하였다. 첫째, 기존 토지피복지도 의 시계열 변화에 따른 피복 변화 지역을 확인할 수 있도 록 연단위 갱신이 가능한 공간자료를 선정하였다. 둘째, 토 지피복지도를 현행화하는 만큼 토지피복지도 제작지침을 참고하여 피복 분류 기준을 명확히 할 수 있는 자료를 선 정하였다. 셋째, 실제 토지이용현황에 맞도록 작은 면적의 피복 항목을 고려하기에 적합한 대축척 자료를 선정하였다. 넷째, 지자체의 이행평가를 고려하여 비용을 최소화하는 관 점으로 수집 자료를 선정하였다. 이에 따라 토지피복지도 현행화를 위해 육안판독 및 중첩분석을 통하여 분류 항목 을 확인하기 위해 Table 1과 같이 공간자료를 수집하였다.

상기 기준에 적합하는 공간자료로써 환경부에서 구축한 중분류 토지피복지도와 국토지리정보원에서 구축한 25 cm 공간해상도의 정사항공사진, 1:5,000 축척의 수치지형도 2.0, 항공우주연구원에서 촬영한 위성영상(Kompsat-3), 포털사이 트의 지도서비스인 다음 로드뷰와 네이버 거리뷰, 각 지자 체에서 관리하는 아파트단지배치도와 공원조성도를 활용하 였다. 본 연구에서는 중분류 토지피복지도를 기본 배경지도 로 활용하였으며, 피복 변화가 발생한 지역에 대해 분류 항목을 갱신하도록 하였다. 이때 정사항공사진과 위성영상 을 활용하여 육안판독으로 피복 변화지역을 감지하였으며, 수치지형도 2.0은 건물 등 불투수 지형지물의 정확한 경계 와 산림 지역 내 존재하는 밭과 같이 육안판독으로 확인이 어려운 항목을 확인하기 위하여 사용하였다. 아파트단지배 치도와 공원조성도는 불투수면 내 존재하는 작은 면적 단 위의 분류 항목들을 구분하기 위해 활용하였으며, 다음 로 드뷰와 네이버의 거리뷰 등의 지도서비스는 수풀, 그림자, 고 층건물 등에 가려진 폐색지역을 확인하기 위해 활용하였다.

최근 ^{Lee et al. (2009)}의 연구에서는 고해상도 영상자료 를 활용하여 대축척의 토지피복지도를 제작하였으나 영상 확보 및 토지피복 분류에 필요한 비용이 많아 현재 수질오 염총량 계획 시 지자체의 소요예산을 고려하지 못해 현실 적으로 활용이 어려울 것으로 판단하고 있다. 그러나 본 연구에서는 기존 위성영상을 제외한 각 공간자료들이 유관 기관으로부터 무상 공급이 가능하여 비용을 최소화 할 수 있었다.

2.3. 전처리 과정 및 현행화 방법

본 연구에서는 GIS 기반의 토지피복지도 현행화 방법을 Fig. 3과 같이 총 5단계의 과정으로 정의하였다. 우선 수집 한 공간자료에 대해 수치지도화, 경계일치, 좌표변환의 전 처리 과정을 수행하였다. 이후 전처리된 공간자료를 활용하 여 중첩분석을 통한 육안판독 및 스크린 디지타이징의 과 정으로 중분류 토지피복지도를 현행화하였다. 이때 갱신하 고자 하는 분류 대상에 따라 활용하는 공간자료가 달라 효 율적인 갱신을 위해 분류 대상 별로 갱신 단계를 정의하였 다. 갱신 단계로는 중분류 공간해상도 수준에서 변화지역을 탐지하는 1차 갱신 과정과 실제 토지이용현황을 반영하기 위한 세분류 공간해상도 수준의 2차 갱신 과정, 다양한 공 간자료를 활용함에도 확인이 불가능한 지역에 대해 현지조사 결과를 반영하는 3차 갱신 과정을 수행하였다. 아울러, 1~3차 갱신 과정을 통해 현행화 토지피복지도의 정확도 검수 과 정을 거쳐 최종 결과물을 확정하였다. 전처리 과정과 중첩 분석을 통한 육안판독 및 스크린 디지타이징을 위해 ESRI 사의 ArcGIS Desktop 10과 ENVI 4.8을 사용하였다.

Fig. 3. Updating process of landcover map.

3.1. 전처리 결과

위성영상(Kompsat-3)은 수집 당시 약 30m의 위치오차를 포함하므로, 좌표변환 및 경계일치가 필수이다. 이에 따라 본 연구에서 좌표체계 및 경계의 기준 자료인 수치지형도와 경계일치를 위해 16개의 지상기준점을 선정하였다. 수치지 형도를 기준으로 지상기준점을 선정하였으며, 지상기준점 대 상으로는 시간 변화에 따라 변하지 않는 지형지물로 명확하 게 파악할 수 있는 지점인 도로 경계선으로 하였다. 본 연 구에서는 위성영상과 수치지형도의 지상기준점 선정을 통해 약 1.04 m의 평균 제곱근 오차가 산출되었다(Fig. 4). 평균 제곱근 오차는 위치정확도로써, 값이 작을수록 정확도가 높 은 것을 나타낸다. 지상기준점 선정 결과의 정확도 평가를 위해 세분류 토지피복지도 제작 지침을 참고하였다. 세분류 토지피복지도 제작 지침에 따르면 토지피복지도 제작 시 활 용되는 위성영상은 평균 제곱근 오차를 3.5 m 이내로 하고 있다(^{EGIS, 2013}). 이에 따라 세분류 토지피복지도의 공간 해상도 수준으로 토지피복지도를 갱신함에 따라 문제없이 활용 가능할 것으로 판단되었다. 아울러, 스캐닝된 아파트단 지배치도와 공원조성도는 개략적인 토지이용 상태와 경계를 파악하기 위한 수준으로 수치지형도와 경계를 일치시켰다.

Fig. 4. Preprocessing result of Kompsat-3 ((a) before preprocessing, (b) after preprocessing).

3.2. 1차 갱신 토지피복지도 결과

1차 갱신 결과 중분류 토지피복지도에서 대부분의 분류 항목이 변경되었으며, 그 중 ‘시가화건조지역’에 포함되는 6가지 중분류 항목의 면적 변동이 가장 크게 나타났다. 특 히 기존 ‘주거지역’, ‘공업지역’ 내 존재하는 상가, 공원, 도 로 등이 분류 되어 있지 않아 ‘상업지역’, ‘문화체육휴양지 역’, ‘교통지역’, ‘공공시설지역’으로 갱신하였다. 이에 따라 ‘주거지역’, ‘공업지역’ 면적은 각 2.65%p, 0.09%p씩 감소 하였고, ‘상업지역’, ‘문화체육휴양지역’, ‘교통지역’, ‘공공 시설지역’이 각 1.02%p, 2.30%p, 0.46%p, 1.27%p씩 증가 하였다. 면적 변화의 주된 원인은 토지피복지도의 갱신주기 (4~5년)로 인해 시계열 변화에 따라 피복 분류항목이 변경 된 경우와 기존 토지피복지도에서 오분류 지역을 변경하여 발생한 것이다. 시계열 변화지역으로는 기존 토지피복지도 제작 당시 공사 중인 지역이 ‘기타나지’ 항목으로 분류 되 었으나 공사가 완료됨에 따라 ‘주거지역’ 및 ‘교통지역’ 등 해당 피복에 맞게 변경하였다(Fig. 5). 또한, 오분류 지역으 로는 기존 공원지역이 ‘인공초지’, ‘주거지역’, ‘공공시설지 역’ 항목 등으로 다양하게 분류되어 해당 항목에 맞는 ‘문 화체육휴양지역’으로 변경하였다(Fig. 6).

Fig. 5. Re-classification using ortho aerial photo and kompsat-3 images: 620 (other bare lands) changed into 110 (residential unit) and 140 (recreational unit).

Fig. 6. Re-classification using ortho aerial photo and kompsat-3 images: 420 (artificial grassland) changed into 140 (recreational unit).

3.3. 2차 갱신 토지피복지도 결과

2차 갱신 결과, 중분류 토지피복지도에서 불투수면 내 정 밀 수정에 따라 ‘주거지역’과 ‘인공초지’의 면적이 대폭 변 경되었다. 면적이 200 m² 이상인 대지에 건축을 하는 경우 일정 이상의 조경면적을 확보해야 하는 인천광역시 건축 조 례에 따라 ‘시가화건조지역’ 내 공장 및 공공시설, 아파트 단지 등이 포함하는 조경지역을 ‘인공초지’로 변경하였다. 그러나 연구대상지역 내 상대적으로 아파트 단지가 많아 ‘주거지역’의 면적이 3.89%p 감소로 변화량이 가장 크게 나 타났으며, 조경지역인 ‘인공초지’의 면적은 5.50%p 증가하 였다(Fig. 7). 또한, ‘주거지역’ 내에서 텃밭이 ‘밭’으로 변경된 경우와 ‘문화체육휴양시설’ 내 녹지 및 비포장의 운동장이 ‘인공초지’ 및 ‘기타나지’ 등으로 변경된 경우에 ‘밭’과 ‘기타 나지’의 면적이 각각 0.38%p, 0.56%p씩 소폭 증가하였다.

Fig. 7. Specification of landcover category using ortho aerial photo and kompsat-3 images: 110 (residential unit) changed into 110 and 420 (artificial grassland).

3.4. 3차 갱신 토지피복지도 결과

3차 갱신 결과에서는 현지조사 결과를 반영함에 따라 ‘인공초지’, ‘기타나지’ 등이 추가 확인되어 재분류하였다. 대표적인 예로 공사지역의 완료 여부가 불분명한 지역에 대해 수정 여부를 확인하고 해당항목으로 변경된 경우가 있다. 또한, 기존 폐철로가 ‘교통지역’으로 분류되었으나, 더 이상 ‘교통지역’으로써 역할을 하지 못하고 ‘기타나지’ 의 성격이 강하여 ‘기타나지’로 변경된 경우가 있다. 현지 조사를 통한 재분류 결과, 0.09%p가 변경된 인공초지가 변 화량이 가장 클 정도로 변경된 모든 항목들에 대해 면적 변화량이 매우 작게 나타났다. 이에 따라 3차 갱신에 따른 면적 변화량이 갱신 결과에 큰 영향을 미치지 못해 갱신 과정에서 현지조사를 배제할 수 있을 것으로 판단되었다.

3.5. 정확도 검수 결과

참조자료 및 현지조사를 통한 정확도 검수 결과, 연구대 상지역인 인천광역시 부평구 전체의 현행화 토지피복지도 의 정확도는 97.9%로 매우 높게 나타났다(Table 6). 이는 높은 공간해상도의 정사항공사진 및 다양한 공간자료를 활 용한 육안판독과 현지조사를 통한 갱신 과정에 따라 대부 분의 항목의 분류와 경계를 명확하게 구분하였기 때문에 높은 정확도의 결과를 얻을 수 있었다. 그러나 높은 공간 해상도의 정사항공사진에서도 공원지역 내 모래, 자갈 등으 로 이루어진 나지와 보도블럭 또는 시멘트로 포장된 토지의 구분이 명확하지 않고, 수풀 등 폐색지역에 따라 경계가 불일치한 경우가 많아 ‘문화체육휴양지역’과 ‘기타나지’가 다른 항목들에 비해 상대적으로 정확도가 낮게 나타났다.