2.2.1. CLUE-S 모델

CLUE(Conversion of Land Use and its Effects modeling framework; ^{Veldkamp and Fresco, 1996}; ^{Verburg et al., 1999}) 모델은 토지이용 간 동적 모델링과 토지이용과 토지 이용변화요소(Driving factor) 간 경험적 정량화를 이용한 토지이용변화를 모의하기 위해 개발되었다. 그러나 CLUE 모델은 지역단위의 작은 규모에 바로 적용을 못하는 제한 점이 있어 이를 해결하기 위해 네덜란드 Wageningen 대학 에서 기존의 CLUE 모델을 개선한 CLUE-S 모델을 개발 하였다(^{Verburg et al., 2002}). CLUE-S 모델은 비 공간적 모듈과 공간적 모듈로 구성되어 있으며 비 공간적 모듈은 전체적으로 모든 토지이용 유형에 대한 지역의 변화를 계 산하고 공간적 모듈에서 이를 레스터자료 기반 시스템을 사용하여 연구지역 내 다른 위치로 토지이용유형을 할당하 는 구조를 지닌다. 하지만 CLUE-S 모델은 공간적 모듈만 사용자 인터페이스로 제공하기 때문에 비공간적 모듈에 필요 한 자료와 결과는 사용자가 직접 엑셀이나 SPSS (Statistical Package for the Social Sciences)와 같은 통계 프로그램을 이용하여 작성하여야 한다.

2.2.2. SLEUTH3-R 모델

SLEUTH 모델은, 미국 캘리포니아 산타바바라 주립대학 의 Clarke 교수가 개발한 도시성장 모델(Clarke Cellular Automaton Urban Growth Model)을 개선한 도시성장과 토지이 용변화를 모의하는 모델이다(^{Dietzel and Clarke, 2007}). SLEUTH는 도시영역성장 모의를 위한 UGM(Urban Growth Model)과 토지이용변화 예측을 위한 Deltatron으로 구성된 다. UGM과 Deltatron에서 미래 예측을 위한 연산은 CA (Cellular Automata)기법을 활용한다. 그러나 기존 모델의 경우, 자발적 성장과 도로유발 성장에 사용되는 확장계수를 계산할 때, 확장계수배율이 0.005로 고정되어있기 때문에 모든 지역에 적용하기에는 제한점이 있었다. SLEUTH3-R 모델은 이 같은 문제를 수정하고자 ^{Jantz et al. (2010)}이 기존의 SLEUTH 3.0beta_p01 Version D의 소스코드를 변 경한 모델로서, 확장계수배율 값을 변수로 처리할 수 있다 (^{Han, 2011}).

2.3.1. 모델별 입력자료 소개

CLUE-S와 SLEUTH3-R에 필요한 입력자료를 구축하기 위해 사용한 자료는 Table 1과 같다. 국립공원과 같은 제한 구역, 1990년 그리고 1995년 토지이용도는 국가 수자원 관리 종합 정보시스템에서 제공하는 자료를 이용하였고, 2000년 이후의 토지이용도는 환경부에서 제공하는 토지피복도를 이용하였다. DEM(Digital Elevation Model)은 1:5000 수치 지도를 통해 구축하였고, 이를 이용하여 경사도와 경사향을 구축하였다. 인구는 2005년 통계청 인구자료를 이용하였고, 도로망은 토지이용도에서 추출하여 구축하였으며, 하천도는 국립환경과학원에서 구축한 한국형 Reach 파일 자료를 활 용하였다.

이 자료들을 ArcGIS(Geographic Information System)와 SPSS통계 프로그램을 이용하여 각 모델에 필요한 입력자 료 형태로 가공하였다.

2.3.2. CLUE-S 모델 입력자료 구축

CLUE-S 모델 구동을 위해 필요한 자료는 총 5가지로 토 지이용자료(Land use map), 토지이용요구 자료(Land use requirements), 지역특성자료(Location characteristics), 토지 이용정책자료(Spatial policies and Restriction), 및 토지이용 변화 매개변수 자료(Land use type specific conversion settings) 로 구분된다.

첫째로, CLUE-S에 적용하기 위한 토지이용자료는 2000 년도 토지피복도를 사용하였다.

둘째로, 비 공간적 모듈 자료에 해당하는 토지이용요구 자료는 토지이용면적이 특정 경향에 따라 미래에 어떻게 증감될 것인가에 대해 사용자가 주관적으로 작성할 수 있 는 자료이다. 본 연구에서는 토지이용요구 자료를 구축하기 위해, 과거의 토지이용이 미래 토지이용 경향에 영향을 준 다고 가정하고 2000년과 2007년 환경부 토지피복도를 SPSS에 적용하여 선형추세를 통해 2010년까지의 토지이용 요구 자료를 산정하였다.

셋째로, 지역특성자료는 토지이용을 변화시킬 수 있는 다 양한 토지변화요소를 사용자가 직접 설정하고 이에 따른 각 토지이용별 회귀분석을 실시하여 얻은 회귀계수(β)를 모델에 적용하여 토지변화예측에 적용하게 되는 입력자료 이다. 본 연구에서는 경사향: X₁, DEM: X₂, 인구밀도: X₃, 인구: X₄, 도로까지의 거리: X₅, 경사도: X₆, 그리고 하천까 지의 거리: X₇ 를 토지변화요소로 설정하고 SPSS 통계 프 로그램을 이용하여 모든 토지이용별로 토지변화요소에 대 한 회귀분석을 실시하였으며 이때의 회귀계수를 식 (1)에 적용하여 CLUE-S의 입력자료로 사용하였다.

여기서, β 는 회귀계수, X_n 는 토지변화요소, P_i 는 격자 i 의 토지이용이 변화될 확률이다(^{Verburg et al., 2002}). 하지 만 모든 회귀식이 적합하지 않을 수 있기 때문에 이를 검 증하는 단계가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 각 토지이 용별 회귀분석의 적합성을 검증하기 위해서 ROC(Receiver Operating Characteristic) curve 분석을 실시하였다.

넷째로, 토지이용정책자료는 토지이용정책에 대한 영향을 모델 내 반영할 수 있는 입력자료이다. 본 연구에서는 갑천 A 유역에 해당하는 국립공원과 상수도보호구역 자료를 이용 하여 해당 지역에서의 토지이용변화를 제한하였다(Fig. 2).

Fig. 2. Restricted area in Gapcheon A.

마지막으로, CLUE-S 모델에서는 사용자가 토지이용변화 매개변수 자료를 임의로 지정해 주면 토지이용변화 예측에 적용이 되는데, 이러한 매개변수 중 가장 민감한 부분이 변환탄성(Conversion elasticity)계수와 변환행렬(Conversion matrix)을 결정하는 것이다.

변환탄성계수란 각 토지이용별 변환이 일어날 수 있는 확 률을 수치화시킨 매개변수로서 0에서 1사이 값을 가진다. 그 값이 클수록 이미 할당되어 있던 토지유형으로 유지가 선호됨을 의미한다. 즉 값이 1에 가까울수록 공간적 변화에 대한 저항값이 커짐을 의미한다.

변환행렬은 각 토지유형에 대해 어떤 유형으로 변환이 가능한지 0과 1로 구분한 것으로 CLUE-S 모델에서는 0일 경우 토지이용 간 변환이 되지 않는 것으로 판단하며, 1일 경우에는 변환이 가능한 것으로 판단한다. 변환가능확률이 높아도 변환행렬에 의해 제한된 토지이용변화는 이루어지 지 않는다.

본 연구에서는 모든 토지이용에 대해 동일한 변환확률을 주기 위해 변환탄성계수 값을 0.5로 고정해서 적용하였으 며 변환행렬의 경우에는 도시지역은 타 토지이용으로 변환 될 가능성이 거의 존재하지 않을 것으로 판단하여 모두 0 으로 설정하였고, 나머지 유형에 대해서는 Table 2와 같이 변환행렬을 설정하여 CLUE-S 모델에 적용하였다.

2.3.3. SLEUTH3-R 모델의 입력자료 구축

SLEUTH3-R 모델에 필요한 입력자료는 경사도(Slope), 토지이용도(Land use), 개발제한구역(Excluded), 도시영역도 (Urban) 그리고 도로망(Transportation)이다.

첫째로, 경사도는 도시성장 가능 여부를 판단하는 과정에 서 사용되는 입력자료로서 SLEUTH3-R에서는 경사도가 21% 이상인 지역에서 도시성장이 불가능하다고 가정한다. 본 연구에서 DEM자료를 이용하여 경사도를 생성하였다.

둘째로, SLEUTH3-R 모델의 경우 비도시지역의 토지이 용변화를 모의할 때, Deltatron이 이용되는데, 이것이 활성 화되기 위해서는 2개의 토지이용도가 필요하다. 본 연구에 서는 1990년 토지이용도와 2007년 토지피복도를 사용하였다.

셋째로, SLEUTH3-R 모델은 CLUE-S와 마찬가지로 개발 제한구역 자료를 입력하여 물리적으로 도시성장이 불가한 지역을 설정해 줄 수 있으므로 CLUE-S와 동일한 개발제한 구역자료를 이용하였다.

넷째로, 도시영역도는 가장 중요한 입력자료로서 보정 시 관측 값의 역할을 하게 되어 보정 시 모의 값의 정확도를 결정하는 자료이다(^{Han, 2011}). 이 모델은 4개 이상의 도시 영역도를 필요로 하기 때문에, 1990년, 1995년, 2000년 그 리고 2007년 토지이용도와 토지피복도를 이용하여 도시영 역도를 추출하였다(Fig. 3).

Fig. 3. Urban distribution from 1990 to 2007.

마지막으로, SLEUTH3-R 내에서 도로망도는 정밀한 보 정을 위하여 입력하는 필수자료이다. 도로등급에 따라 이동 성이 달라지며 그에 따른 도시 확장 형태도 달라지기 때문 에(^{Dieze and Clarke, 2007}) 그 값을 등급에 따라 달리 적 용해주어야 한다. 본 연구에서는 해당연도 토지이용도에서 교통지역을 추출하고 재분류하여 도로망을 구축하였으며, 최종적으로 교통주제도 도로등급(Table 3)에 따라 각기 다 른 픽셀 값을 설정해주었다(Fig. 4).

Fig. 4. Transportation network in Gapcheon A.

3.2.1. CLUE-S 2007년도 예측 결과

2010년을 모의하기에 앞서 설정한 변환탄성계수와 변환 행렬 값이 적절한지 판단하기 위해 2007년 환경부 토지피 복도와 CLUE-S로 생성한 2007년 토지이용도를 비교하였 다. 산림지역에서는 93.7%, 도시지역에서는 77.7%, 논과 수역에서는 각각 71.0%, 63.9%의 부합률을 나타냈다. 그러 나 초지, 습지 그리고 나지에서는 상대적으로 낮은 부합률 을 나타내며 전체 MSR은 0.564였다(Table 5). 초지, 습지 그리고 나지의 부합률이 낮게 나온 이유는 이 3가지 토지 이용변화를 대변할 수 있는 적절한 토지이용변화요소가 부 재하여 발생한 것으로 판단된다. 그러나 이 3가지 토지이 용이 전체 면적에서 차지하는 비율은 전체 면적 대비 약 8% 수준으로 작기 때문에 다른 보정 없이 매개변수를 그 대로 적용하여 2010년을 모의하였다.

3.2.2. SLEUTH3-R 2007년도 예측 결과

환경부 토지피복도와 SLEUTH3-R로 생성한 토지이용도 를 비교한 결과 도시에서는 100%, 산림지역에서는 96.3% 의 높은 부합률을 보였다(Table 6). 나머지 토지이용에 대 한 부합률이 상대적으로 떨어지지만, MSR이 0.586으로 CLUE-S와 비슷한 수준으로 나타났기 때문에 이때의 성장 계수를 적용하여 2010년을 모의하였다.