개발지 확장에 따른 생태적 영향에 대한 예측 모델링 체계 구축(Ⅱ)

Abstract

Ⅰ. Introduction ？ Background and purpose ㅇThe expansion of development sites affects the habitat and functions of the ecosystem, which in turn affects the human living environment due to the spread of infectious diseases. ㅇThis study aimed to develop rules and algorithms for environmental modules, agent modules, and interaction modules that constitute a framework for development site expansion simulation. We also conducted a model simulation for Cheongju-si based on the result. II. Structuralization and Algorithm Development for Development Site Expansion 1. Conceptual framework ㅇThe conceptual framework of agent-based modeling (ABM) provides a basic framework for interactions with the basic elements that make up the model. The framework consists of environmental modules, agent modules, and interaction modules. 2. Environmental module ？ Spatial information ㅇLand has various characteristics in terms of environmental, social, and economic aspects. Among them, the attributes that operators prioritize in making decisions for development can be called land development influencing factors. ㅇIn this study, nine factors influencing land development were selected: use area, slope, elevation, vegetation conservation grade, distance from residential areas, distance from factories and roads, price of land, and land category. 3. Agent module ？ How to set up an agent module ㅇThe property values of the land (Institutional factors, natural environmental factors, social environmental factors, and economic environmental factors) that developers developed first for non-urban areas in Cheongju in the last five years were identified and reflected in the development of enforcement rules and algorithms for an agent to select a development site. ？ Basic properties of the agent ㅇThe basic attributes of the agent mean the radius of action, development area, and construction cycle, and the status of permissions for development activities was analyzed by project type in Cheongju-si and set as shown in .구분HousingNeighborhood FacilitiesFactoryBreeding facilitiesSolar power plantsRadius of activity500 m500 m3,000 m3,000 m5,000 mDevelopment area4,000 m25,000 m26,000 m24,000 m25,000 m2Number of agents101010010060Construction cycle1 year1 year1 year1 year1 year Basic properties of the agentSource: Prepared by the authors.？ Setting up agent rulesㅇAn agent is the one who determines which land should be developed and a set of rules must be established for an agent to make decisions.ㅇDecision criteria are needed to establish agent rules which first exclude areas that cannot be developed according to each of the various land development impact indicators, and select land to be developed among areas that can be developed.4. Setting up agent rules？ Decision-making processㅇThe interaction module refers to the relationship between a developer and the environment in which a developer interacts (i.e., cell space). We designed developers’ decision-making process so it will follow four stages sequentially: land search, land evaluation, land acquisition, and land development.？ Decision-making methodㅇIf an area that cannot be developed among the land development impact indicators is included, the process should stop and other possible areas will be searched.ㅇAreas with the lowest total shall be preferentially selected according to the score of each grade for the impact indicators of the land.Ⅲ. Pilot Application of Development Site Expansion Modeling1. The structure of ABM in development site expansion？ Environmental moduleㅇEnvironmental spatial information regarding the eight factors, such as slope, elevation, vegetation conservation grade, distance from residential areas, distance from factories, distance from roads, and land category is used, reflecting the four factors that affect the expansion of the development site as much as possible.？ Agent moduleㅇThe agent module sets the development site search radius, development cycle, and the number of agents by development type as shown in Table 2.VariablesValuesearch-radius- 10 (a radius of 300 m) or 50 (a radius of 1,500 m)wait-between-seeking- 52 (52 weeks; 1 year)Factory_development_intensity- 100 (the annual number of development projects)Sunlight_generator_development_intensity- 60 (the annual number of development projects) Variables in the pilot agent moduleSource: Prepared by the authors.2. Simulation of ABM for development site expansion？ Temporal and spatial rangeㅇThe target site for the simulation of the model is Sangdang-gu, Cheongju -si, Chungcheongbuk-do, and the time range is ten years. In consideration of the random process reflected in the development site selection process, we repeated the simulation 100 times and overlapped the results to achieve the end result？ Simulation resultsㅇIn the search range with a radius of 300 m, the new development site for factories and warehouses changed the land of 0.6 km2 on average during the simulation period, and 0.71 km2 in the 1,500 m radius.ㅇThe solar power facility development site changed 0.17 km2 of land based on the search range of 300 m radius and 0.22 km2 of land based on 1,500 m radius.ㅇThe number of factory and warehouse development projects was 107 based on the 300 m radius search range and 119 based on a 1,500 m radius.ㅇThe number of solar power plants developed was 38 based on the search range with a radius of 300 m, and 50 cases were developed based on a radius of 1,500 m.Ⅳ. Integrated Framework for Development Site Expansion and Ecological Impact？ ConceptㅇIt is necessary to comprehensively predict and evaluate land use changes, ecological effects, and ecosystem services rather than individually predicting changes in land use due to the expansion of the development site and the resulting ecological impact.？ FrameworkㅇThe framework for comprehensively predicting the expansion of the development site and the resulting ecological impact is divided into two stages. The first stage is to predict the expansion of the development site using an agent-based model, and the second stage is to analyze the impact on the ecosystem taking into account damage to the ecological habitat, deterioration in ecological functions, and environmental impact.Ⅴ. Conclusions and Recommendationsㅇ For the stable growth of the city in consideration of the ecological impact, it is necessary to accurately predict and diagnose how the development site is expanding and prepare a methodology to apply an ecological model in connection with it.ㅇ If the model of this study is advanced, it will be possible to predict where various development projects are carried out through the simulation of the expansion of development sites in non-urban areas. Through this, areas where reckless development occurs or is feared to occur can be designated as growth management planning areas and management plans can be established.

Ⅰ. 서론 1. 연구의 배경 ㅇ 우리 주변의 환경 및 생태계에 영향을 주는 요인은 개발사업을 비롯한 다양한 인간 활동에서 비롯하고, 개발지 확장은 생태계 서식지와 기능의 훼손 등에 영향을 주며, 이는 다시 감염성 질병 확산에 따른 인간 생활환경에 영향을 주는 등 개발지 확장과 생태적 영향, 감염성 질병은 밀접한 관계가 있음 2. 연구의 목적 ㅇ 본 연구는 개발지 확장의 영향요인과 생태적 영향에 대한 기존 연구를 고찰하는 한편, 행위자 기반 모델을 활용한 개발지 확장 시뮬레이션을 위한 프레임워크를 마련하는 데 목적이 있음 ㅇ 개발지 확장 시뮬레이션을 위한 프레임워크를 구성하는 환경 모듈과 행위자 모듈, 상호작용 모듈에 대한 규칙 및 알고리즘을 개발하고, 청주시를 대상으로 시범 모의를 하고자 함 ㅇ 개발지 확장 시뮬레이션 결과에 다양한 생태적 모델을 적용하여 해당 지역의 생태적 환경 변화를 비교·분석할 방법론을 제시하고자 함 Ⅱ. 개발지 확장과 생태적 영향 고찰 1. 개발지 확장과 도시성장관리 ㅇ 비도시지역의 무분별한 개발의 효과적 관리를 목적으로 하는 도시성장관리는 기본적으로 도시지역의 확장을 주도하는 주변부의 토지이용 변화 및 그 특징의 파악이 중요함 ㅇ 이에 따라 토지 정책 및 계획의 방향 설정을 위하여 토지이용 변화를 시계적으로 다양하게 분석하고 실증적으로 검증하는 연구가 진행됨 ㅇ 특히 도시지역은 인간과 자연적 상호작용이 있는 복잡한 계층적 시스템이기 때문에 도시의 토지이용 모델링이 중요하며, 복잡계 이론을 구현하는 모델로 CA 기반 모델링(Cellular Automatic based modeling)과 ABM(Agent-Based Modeling, 행위자 기반 모델링)이 주로 활용됨 ㅇ 본 연구에서는 ABM을 활용하여 개발지 확장 시뮬레이션을 위한 프레임워크를 개발하고 사례지역을 선정하여 시뮬레이션을 시범적으로 적용하고자 함 2. 생태환경영향 모델링 ㅇ FRAGSTATS는 경관구조에 관한 많은 지표산출과 지표의 해석을 통해 경관을 정량적으로 평가할 수 있으며, 경관조성(Landscape composition)과 경관배열(Landscape configuration) 두 가지 프로그램이 있음 ㅇ GUIDOS 모델은 경관생태학적 분석기법에 더 쉽고 명확한 형태의 시각화 기법이 요구되면서 2008년 이탈리아의 Vogt(2008)가 개발한 경관패턴 분석모델임 ㅇ InVEST 모델은 생태계를 정량화하고 변화와 가치를 분석하는 대표적인 평가기법이며 24가지 생태계서비스 평가가 가능하며, 중복 분석과 경제적 가치 평가를 할 수 있음 Ⅲ. 개발지 확장에 대한 구조화 및 알고리즘 개발 1. 개념적 프레임워크 ㅇ ABM의 개념적 프레임워크는 모델 구성의 기초로서 모델을 구성하는 기본 요소와 함께 이들에 관한 상호작용에 대한 기본체계를 설명하는 기본 틀을 제공하며, 환경 모듈과 행위자 모듈, 상호작용 모듈로 구성됨 2. 환경 모듈 ？ 공간정보 ㅇ 환경 모듈은 개발지 확장에 영향을 주는 다양한 요인에 대한 토지 공간정보를 의미함. 토지는 환경적·사회적·경제적 측면에서 다양한 속성을 가지며, 그중에서 사업자가 개발을 위한 의사결정을 하는 데 우선적으로 고려하는 속성을 토지개발 영향요인이라 할 수 있음 ㅇ 본 연구에서는 토지개발 영향요인으로 용도지역과 경사도, 표고, 식생보전등급, 주거지와의 거리, 공장과의 거리, 도로와의 거리, 지가, 지목 등 9가지로 선정함 3. 행위자 모듈 ？ 행위자 모듈 설정 방법 ㅇ 최근 5년 동안 청주시 비도시지역에서 가장 많이 개발되는 토지에 대한 속성값(제도요인, 자연환경요인, 사회환경요인, 경제환경요인)을 분석하여, 사업자가 우선적으로 개발하는 토지의 속성값을 도출하고 행위자의 개발지 선정을 위한 시행규칙 및 알고리즘 개발에 반영하였음 ？ 행위자의 기본적 속성 ㅇ 행위자의 기본적 속성은 활동반경과 개발면적, 공사주기를 의미하며, 청주시의 사업유형별로 개발행위허가 현황을 분석하여 과 같이 설정함 ？ 행위자 규칙 설정 ㅇ 행위자는 개발할 토지를 결정하는 주체이며, 행위자가 의사결정을 할 수 있도록 일련의 규칙을 설정하여야 함. 행위자 규칙을 설정하려면 우선 다양한 토지개발 영향지표 각각에 대하여 개발이 불가능한 지역을 제척하고, 개발할 수 있는 지역 중에서 우선적으로 개발할 토지를 선정할 수 있는 의사결정 기준이 필요하며, 와 같이 설정함 3. 상호작용 모듈 ？ 의사결정 과정 ㅇ 상호작용 모듈은 개발자와 개발자가 상호작용하는 환경(즉 셀 공간) 사이의 관계를 말하며, 과 같이 개발자의 결정에 따라 토지탐색, 토지평가, 토지취득, 토지개발의 4가지 단계를 순차적으로 시행하도록 설계함 ？ 의사결정 방법 ㅇ 개발지 선정과정은 각각의 토지개발 영향지표 중 개발 불가능한 지역이 포함될 경우 의사결정을 중단하고 다른 토지를 검색함. 개발 가능한 지역에서는 토지 영향지표의 등급별 점수에 따라 총합이 가장 낮은 지역을 우선적으로 선정함 Ⅳ. 개발지 확장 모델링 시범 적용 1. 개발지 확장 ABM 구조 ？ 환경 모듈 ㅇ제3장에서 제시한 개발지 확장에 영향을 끼치는 4가지 요인을 최대한 반영하였으며, ABM의 환경 모듈은 제도요인, 자연환경요인, 사회환경요인, 경제환경요인에 따라 총 8가지 환경 공간정보를 사용함 ？ 행위자 모듈 ㅇ행위자 모듈은 크게 개발지 탐색 반경(변수명: search-radius), 개발 주기(변수명: wait-between-seeking), 그리고 개발유형별 행위자 수(변수명: 개발유형_intensity)를 변수(parameter)로 하여 모델에 반영되는 행위자의 수와 개발지 탐색 및 개발 기간 등을 조절할 수 있으며, 와 같이 설정함 2. 개발지 확장 ABM 시범 구동 ？ 시공간적 범위 ㅇ시범적 모델링 대상지는 충청북도 청주시 상당구이며, 시계열적 변화 모의를 위한 시간적 범위는 10년으로 하였고, 개발지 선택 과정에서 반영되는 무작위성(random process)을 고려하여 모델 구동을 총 100회 반복한 결과를 중첩하여 개발지 확장에 대한 확률론적 분포와 평균 개발면적, 개발건수를 결과로 제시 ？ 개발지 확장 결과 ㅇ반경 300m 탐색 범위에서는 공장 및 창고시설 신규 개발지가 모의기간에 평균 0.64km2 토지를 변화시켰고, 반경 1,500m에서는 0.71km2 토지를 변화시켰음. 발전시설(태양광) 개발지는 반경 300m 탐색 범위 기준 0.17km2 토지를 변화시켰고, 반경 1,500m 기준 0.22km2 토지를 변화시켰음 ㅇ또한 공장 및 창고시설 신규 개발건수는 반경 300m 탐색 범위 기준 평균 107건이며, 반경 1,500m 기준 평균 119건으로 나타났음. 발전시설(태양광) 개발건수는 반경 300m 탐색 범위 기준 평균 38건이며, 반경 1,500m 기준으로는 개발건수 50건이 나타났음 Ⅴ. 개발지 확장과 생태적 영향의 통합적 프레임워크 1. 생태적 영향 통합 프레임워크 기본체계 ？ 개념 ㅇ인간활동에 따른 개발지 확장은 단순히 도시지역의 확장이 아니라 생태적 영향을 유발하며 그 결과로 생태계서비스 질의 변화를 초래함. 따라서 개발지 확장에 따른 토지이용 변화와 이로 인한 생태적 영향 예측을 개별적으로 수행하기보다는 토지이용 변화와 생태적 영향 및 생태계서비스 평가를 통합적으로 예측해야 함 ？ 프레임워크 ㅇ개발지 확장 모델과 이로 인한 생태적 영향의 통합적 예측을 위한 프레임워크는 와 같이 크게 2단계로 구분됨. 1단계에서는 ABM 모델을 활용하여 개발지 확장을 예측하고, 2단계에서는 토지이용 변화에 따른 생태서식지 훼손, 생태적 기능 저하, 환경부하 등을 고려한 생태계 영향을 분석함 2. 생태영향 모델링 적용 방안 ？ 생태계서비스 평가 ㅇ생태계서비스와 관련한 지표는 생태계 기능에 따라 공급, 조절, 서식처, 문화의 4가지 범주로 구분되며, 지역 생태계서비스 평가를 위한 각 범주의 하위 지표 선정과 평가방법 사례 등이 많이 연구되어 있음 ㅇ유럽은 유럽 전역의 생태계평가지도를 작성할 평가체계 구축 및 기법을 개발하고 있음. 미국은 National Capital Project의 일환으로 스탠퍼드대학, Natural Conservancy와 WWF(World Wildlife Funds)가 공동으로 InVEST 모델을 개발함 ㅇ생태계서비스 평가 및 지도는 국가 정책입안, 공간계획, 토지이용, 산업부문, 환경 안보, 영향평가 등 다양한 분야에서 활용됨(NEI, 2017). EU는 EU 생물다양성전략 2020의 목표 중 하나로 회원국들이 국가 생태계서비스 지도 작성 및 평가를 하도록 설정함 Ⅴ. 결론 및 제언 1. 결론 ㅇ ABM을 활용하여 비도시지역의 개발지 확장 시뮬레이션을 위한 프레임워크를 마련하고 환경 모듈과 행위자 모듈, 상호작용 모듈에 대한 규칙과 알고리즘을 개발함. 또한 ABM을 활용한 도시확장 시뮬레이션의 구동 여부를 확인하기 위해 청주시 상당구를 공간적 범위로 하여 시범 적용하였으며, 공장 및 창고시설과 태양광 발전시설의 개발면적과 개발입지 등을 예측하였음 ㅇ 도시의 생태적 영향을 고려한 안정적인 성장을 위해서는 개발지가 어떻게 확장되어 가는지를 정밀하게 예측·진단하고 이와 연계하여 생태적 모델을 적용하는 방법론을 마련하는 것이 필요함 2. 제언 ㅇ 본 연구의 모델링이 고도화될 경우 비도시지역의 개발지 확장 시뮬레이션을 통해 다양한 개발사업이 어떠한 입지에 개발되는지를 예측할 수 있으며, 이를 바탕으로 난개발이 발생하거나 우려가 있는 지역을 성장관리계획구역으로 지정하고 관리방안을 마련하는 데 활용될 수 있음 ㅇ 도시기본계획을 수립할 경우에도 개발지 확장 시뮬레이션을 통해 개발축과 보전축의 효과적 설정을 위한 기초정보를 제공할 수 있으며, 이로써 친환경적 도시공간구조 형성에 도움을 줄 것으로 판단됨