과제명

지구온난화에 대비한 공간테이터웨어하우스 기반 통합토지이용교통모델 개발

과제기간

2008 - 2011

참여 연구원

• 전철민 김혜영 하은지 Mohammad Mehedy Hassan 권혜정

관련정보

• 지원기관: 교육과학기술부(한국과학재단), 특정기초연구사업
• 기간: 2008. 9. 1 ~ 2011. 8. 31.
• 참여연구진: 전철민, 김혜영
• 외부연구진: 이승재(교통공학과), 이승일(도시공학과), 장건업(컴퓨터공학부)

과제개요

• 지구온난화를 대비한 지속가능한 도시정책의 장기적 효과를 예측하여 정책의 실효성을 제고하기 위해서는 통합모델을 적용해야 할 필요성이 제기된다. 본 연구에서는 아직까지 통합모델을 개발, 적용한 경험이 없는 국내의 도시에 서구의 기존 통합모델을 적용하기 위하여 데이터 가용성, 파라미터 정산, 모델의 운영성 등 다양한 문제를 해결하도록 모델이론의 보완, 기법 및 기술을 개발한다. 이를 통하여 국내 도시에 적용 가능한 새로운 통합모델을 개발한다.
• 또한, 지구온난화에 대비한 도시정책에서 요구되는 미시적 활동행태 및 공간분석의 기능이 가능하도록 미시적 행태의 연구뿐 아니라 미시적-중시적-거시적 공간자료의 전환 및 synthetic 데이터의 생성기법과 다위계적 공간데이터의 연계를 위한 데이터 관리기술 등이 뒷받침되는 미시적 통합모델을 개발한다. 이는 서구에서 지속가능한 도시정책의 장기적이며 다각적인 평가를 위하여 추진 중인 중요한 모델개선 방향에 해당한다.
• 본 연구에서는 미시적 통합모델을 이용하여 다양한 분야의 지속가능한 도시정책의 효과를 비교, 평가하여 최적의 정책조합을 도출하기 위하여 양적으로나 내용면에서 나아가 공간위계에 있어서 복잡한 모델 데이터를 관리할 수 있는 공간데이터웨어하우스를 개발한다. 이를 통해 데이터의 유지갱신 및 공유, 개별 연구 간의 효율적 교류체계를 확립한다. 또한 방대한 데이터 간에 존재하는 복잡한 관련성과 패턴을 공간통계기법을 적용하여 추출, 가공하여 의미 있는 synthetic 데이터를 생성하는 공간데이터마이닝 기법을 적용하여 미시적 분석을 위한 스케일 간 공간데이터 통합문제 해결이 가능하도록 한다.
• 본 연구실에서는 다양한 통합모델에 공통으로 사용될 공간데이터웨어하우스의 개발, 공간데이터마이닝 기법 개발 및 적용, 그리고 CA(Cellular Automata) 기반의 통합모델의 개발 등을 담당한다.

과제내용

개요

• 지구온난화를 대비한 지속가능한 도시정책의 장기적 효과를 예측하여 정책의 실효성을 제고하기 위해서는 통합모델을 적용해야 할 필요성이 제기된다. 본 연구에서는 아직까지 통합모델을 개발, 적용한 경험이 없는 국내의 도시에 서구의 기존 통합모델을 적용하기 위하여 데이터 가용성, 파라미터 정산, 모델의 운영성 등 다양한 문제를 해결하도록 모델이론의 보완, 기법 및 기술을 개발한다. 이를 통하여 국내 도시에 적용 가능한 새로운 통합모델을 개발한다.
• 또한, 지구온난화에 대비한 도시정책에서 요구되는 미시적 활동행태 및 공간분석의 기능이 가능하도록 미시적 행태의 연구뿐 아니라 미시적-중시적-거시적 공간자료의 전환 및 synthetic 데이터의 생성기법과 다위계적 공간데이터의 연계를 위한 데이터 관리기술 등이 뒷받침되는 미시적 통합모델을 개발한다. 이는 서구에서 지속가능한 도시정책의 장기적이며 다각적인 평가를 위하여 추진 중인 중요한 모델개선 방향에 해당한다.
• 본 연구에서는 미시적 통합모델을 이용하여 다양한 분야의 지속가능한 도시정책의 효과를 비교, 평가하여 최적의 정책조합을 도출하기 위하여 양적으로나 내용면에서 나아가 공간위계에 있어서 복잡한 모델 데이터를 관리할 수 있는 공간데이터웨어하우스를 개발한다. 이를 통해 데이터의 유지갱신 및 공유, 개별 연구 간의 효율적 교류체계를 확립한다. 또한 방대한 데이터 간에 존재하는 복잡한 관련성과 패턴을 공간통계기법을 적용하여 추출, 가공하여 의미 있는 synthetic 데이터를 생성하는 공간데이터마이닝 기법을 적용하여 미시적 분석을 위한 스케일 간 공간데이터 통합문제 해결이 가능하도록 한다.
• 본 연구실에서는 다양한 통합모델에 공통으로 사용될 공간데이터웨어하우스의 개발, 공간데이터마이닝 기법 개발 및 적용, 그리고 CA(Cellular Automata) 기반의 통합모델의 개발 등을 담당한다.

연구배경

• 과도한 에너지 소비로 인한 지구온난화 문제는 이제 지구의 존립을 위협하고 나아가 전 세계의 경제기반을 흔들 정도로 심각한 지경에 이르렀다. 교통에너지는 인류가 소비하는 에너지 가운데 가장 가파르게 증가하고 있고, 앞으로 그 소비 비중이 더욱 커질 것으로 보인다. 세계적인 도시화의 추세 속에서 교통에너지를 저감시킬 수 있는 가장 현실적인 방안은 에너지 효율적 대중교통과 무탄소 교통수단인 도보와 자전거의 이용을 활성화하는 것이다. 그러나 자동자 중심의 도시를 대중교통 및 보행 중심의 도시로 전환하기 위해서는 막대한 시간과 비용이 소요되며, 그 효과를 담보하기도 힘들다. 이 문제를 해결하기 위하여 서구의 도시에서는 과거 도시인프라의 공급과 도시개발의 장기적 경제, 사회효과를 평가하기 위해 사용했었던 통합토지이용교통모델(이하 통합모델)을 부활시키고 있다. 그러나 교통존의 공간단위와 주요 교통네트워크를 기반으로 삼는 기존의 통합모델로는 대중교통을 이용하는데 있어서 소요되는 보행 및 연계수단의 소요시간과 이용여건 등을 제대로 평가할 수 없고, 이용자 유형별 이용행태를 고려하여 정책효과를 구분할 수 없으며, 역세권에 활동입지를 정하는 거주자와 기업 등 도시활동자의 선택기준을 파악하기 힘들다. 이와 같은 이유로 최근 서구의 많은 모델전문가들은 공간단위와 이용행태에 있어서 미시적 특성을 구분할 수 있도록 기존의 모델을 개선하는 노력을 기울이고 있다.
• 우리나라에서는 아직까지 도시계획 및 도시개발 사업에 있어서 주거환경과 접근성의 변화로 인한 도시활동자의 이전(migration)을 고려하여 경제, 사회, 환경의 효과를 사전에 평가할 수 있는 통합모델을 사용하지 않았으나, 인구성장의 둔화와 개발수요의 포화로 말미암아 최근에는 “개발만 하면 수요가 따른다”는 상식이 무너지면서 개발의 효과를 예측할 수 있는 통합모델에 대한 관심이 늘고 있다. 더 나아가 고유가 시대의 도래로 인하여 에너지 저감형 즉, 대중교통 및 보행 위주의 도시를 건설해야 한다는 사회적 요구가 비등함에 따라 공간단위와 도시활동자 유형을 세분화하여 영향을 평가할 수 있는 미시적 통합모델(micro simulation model)의 필요성이 동시에 발생하고 있다. 그러나 국내에서는 토지이용-교통간의 연계성을 고려한 통합모델의 개발과 적용에 관한 연구가 미흡할 뿐 아니라 통합모델의 구축을 위한 기반 자료가 부족한 실정이다. 우리나라의 도시를 대상으로 지구온난화를 대비한 도시정책과 계획목표를 정량적으로 예측하거나 모니터링 할 수 있는 통합모델을 개발하여 적용하기 위해서는 다음과 같이 문제점을 해결해야 한다.
  
• 기 개발, 적용 중인 통합모델에 대한 이해와 국내 도시를 대상으로 한 적용 경험이 필요
• 아직까지 통합모델의 개발과 적용 경험이 미흡한 우리로서는 무엇보다도 서구의 도시에서 활용하는 다양한 통합모델(DELTA, PECAS, TRANUS, UrbanSim, OPUS 등)의 이론적 배경과 특성을 이해하고, 국내 도시를 대상으로 적용하는 것이 필요하다. 이들 모델이 우리 도시에서의 도시활동의 공간적 특성과 활동자의 입지패턴을 설명할 수 있는지 검토해야 하고, 데이터 부족, 파라미터의 정산, 도시규모에 따른 용량극복 등 기술적 문제를 점검해야 한다. 아울러 기존 모델을 지구온난화를 대비한 정책의 효과를 정량적으로 예측하고 사후 모니터링을 효과적으로 분석할 수 있도록 미시적 통합모델로 개선할 수 있는 방안을 모색하여야 한다.
• 기존 통합모델을 개선하여 지구온난화를 대비한 정책 평가
• 최근 추진 중인 도심재생, TOD, 복합용도의 개발, 컴팩트시티, 다핵집중도시, 보행도시 등 미래지향적 도시정책의 지구온난화 방지효과를 평가하기 위하여 정책별로 국내 도시를 대상으로 기존 통합모델을 이용하여 적용하는 것이 필요하다. 이 과정에서 정책별 적용방식 및 기법의 개발과 관련된 연구사항이 도출될 것으로 보이는데 기술적으로는 정책별로 계획 및 개발의 행위를 데이터로 가공하여 모델에 입력시키는 기법과 예측 및 분석결과를 이해하기 쉽게 공간적으로 제시하는 기법이 요구된다. 가용하지 않은 데이터가 필요한 경우에는 가공 데이터(synthetic data)를 생성하여야 한다. 제도적으로는 정책집행의 적절한 단계에서 모델의 예측결과를 반영할 수 있도록 제도 기반을 마련하는 것도 필요하다.
• 통합모델의 개발과 적용을 위해서는 학제간 연계를 통한 기술․정책분야의 공조가 필요
• 기존 통합모델을 이용하여 대상도시의 발전패턴을 설명하고, 지구온난화를 대비한 도시정책의 효과를 검증하는 과정을 통해서 비로소 우리 도시에 적합한 통합모델의 개발이 가능하다. 이 과정에는 기술과 정책의 공조연구를 위한 긴밀한 학제간의 연계가 요구된다. 다양한 정책의 효과를 평가하기 위하여 다위계(multi-level) 공간단위의 GIS 데이터를 연계, 처리할 수 있는 기술을 개발해야 하고, 정책간의 관계성에 대한 이해를 바탕으로 토지이용과 교통의 상호연계성에 따른 최적의 정책의 조합을 찾아야 한다. 통합모델의 개발, 적용을 위해서는 연구기반시설로서 연구분야 간 데이터의 실시간 공유를 위한 데이터 공동운영시스템의 조성도 필요하다. 지금까지 국내에서 개별 연구자에 의한 통합모델의 개발과 적용의 연구가 크게 진척을 보지 못한 이유는 다양하겠으나 이와 같은 제반 여건이 갖추어지지 못한데서 중요한 원인을 찾을 수 있다.
• 종합적 데이터 관리를 통한 순환적인 데이터 활용 과정이 필요
• 일반적으로 행하여지는 GIS 기반의 공간분석은 지형, 지물과 같은 공간 데이터와 이와 단순 1:1 관계를 가지는 속성 데이터를 이용하게 되며, 이 이외의 인구데이터, 토지이용현황 등과 같은 비공간 테이블기반 데이터는 별도로 수작업으로 처리하여, 사용 데이터간의 불일치, 프로세스 과정의 데이터 간 단절 및 오류 등의 문제가 발생한다. 공간 및 비공간 데이터를 통합하여 데이터 모델에 대한 정의 및 공통적이며 기준이 되는 데이터의 유지갱신, 공유체계가 잘 정의되어있지 않으면 데이터의 품질관리가 용이하지 못하고 개별 연구 간의 효과적인 연계가 이루어지지 않는다. 이를 해결하기 위해 엔터프라이즈 GIS 구조와 일반적인 데이터웨어하우스의 구조를 접목한 공간데이터웨어하우스(Spatial Data Warehouse, 이하 SDW)의 구축이 요구된다. 이를 통해 구축된 데이터웨어하우스와 모델링 과정에서 도출된 데이터의 재저장, 사용을 통한 순환적인 데이터 활용이 가능해진다.
• 미시적 분석을 위한 스케일 간 공간데이터를 통합하여 synthetic 데이터를 구축하는 과정이 필요
• 기존의 모델들은 대부분 교통존 공간단위나 교통네트워크 등 동일 스케일을 분석단위로 한 프로세스를 보이고 있으나 대중교통 이용행태나 보행행태 등의 미시적 분석단위의 분석을 위해서는 분석 스케일간의 데이터가 신축적으로 통합되어야 한다. 이는 일반적으로 행해지는, 스케일별 개별 GIS데이터의 생성만을 의미하는 것이 아니라 미시적 스케일의 데이터가 상위 스케일에 관계를 가지며 포함되는 구조를 말하며, 공간데이터웨어하우스 구축 시 정확한 데이터모델링 과정에 의해 구현 가능하다. 또한 대부분 기존에는 zone 단위로 얻어진 데이터를 세밀한 스케일의 데이터로 추론한 synthetic data를 구축할 때, 단순 분포 방식을 따름으로 인해 오차가 많이 발생한다. 이는 방대한 데이터 간에 존재하는 관련성과 패턴을 공간통계기법을 적용하여 추출하고 이를 가공하여 의미 있는 synthetic 데이터를 구축해가는 공간데이터마이닝 기법을 적용하여 향상시킬 수 있다.
• 본 연구에서는 도시, 교통, 공간정보 분야 간의 긴밀한 학제 간 연구공조기반을 바탕으로 위에서 언급한 문제점들을 극복함으로써 우리나라의 도시에 적용 가능한 지구온난화에 대비한 공간데이터웨어하우스 기반 통합토지이용교통모델(Spatial data warehouse based Integrated Land use Transport : SILT) 개발을 목표로 설정하고, 지구온난화를 방지하기 위한 정책대안들을 SILT 모델을 이용하여 비교․평가함으로써 최적의 대안을 선정하고, 정책결정자로 하여금 정책효과에 대한 확신을 가지고 정책을 집행하는데 큰 도움을 주고자 한다.

연구목표

• 서구의 통합토지이용교통모델의 적용을 바탕으로 우리나라에 적합한 지구온난화 대비 공간데이터웨어하우스 기반 통합토지이용교통모델(Spatial data warehouse based Integrated Land use Transport : SILT) 개발
• 서구 통합모델의 국내 적용 이론 및 기법 개발
• 도시활동의 공간적 특성과 활동자의 입지패턴 비교이론
• 파라미터의 정산기법 등 모델 적용이론
• 가용하지 않은 데이터의 생성을 위한 데이터마이닝 적용기법
• 국내 교통수요모델 및 교통네트워크 데이터 활용을 위한 연계기법
• 도시규모에 따른 용량 제약 문제 해결 기법
• 지구 온난화를 대비한 모델 이론 및 기법 개발
• Multi-agent 기반의 도시활동 패턴분석기법
• 다위계(multi-level) 공간단위의 공간 데이터 연계․처리 기술
• 보행 접근성 및 행태 분석을 위한 space syntax 적용 기법
• Dynamic 보행 행태 예측을 위한 cellular automata 적용 기법
• SDW 및 공간데이터마이닝 기술 개발
• SDW 데이터모델 및 상용 공간데이터베이스를 기반으로 한 구현
• SDW 입출력 가시화 시스템
• 공간통계 적용 공간데이터마이닝 기법 개발 및 이를 적용한 synthetic data 생성 기법
• 모델 개발 프로세스간 데이터의 실시간 공유를 위한 데이터 공동운영시스템

연구내용

연 차	연구 목표	주요 내용 및 범위
1 차 년 도	지구온난화 대비를 목적으로 한 서구 통합모델의 국내 적용이론 및 기법 연구	?통합모델의 국내 적용이론 및 기법 개발 ▬ 서구모델의 이해, 적용 가능모델 선정, 적용대상도시 선정 ▬ 적용대상도시 교통모델 및 데이터 분석 ▬ 도시활동의 공간특성과 활동자 입지패턴 비교이론 검토 ▬ 파라미터의 정산기법 등 모델 적용이론 검토 ?지구온난화 정책 모의실험을 위한 이론 및 기법 개발 ▬ 국내외 선행연구 및 기술동향 분석 ?SDW 개발 ▬ 국내외 적용사례분석 ?국내적용대상도시 데이터 수집 및 가공
2 차 년 도	서구 통합모델의 국내대상도시 적용시 발생하는 문제해결을 위한 이론 및 기술 개발	?통합모델의 국내 적용이론 및 기법 개발 ▬ 비가용 데이터 생성을 위한 데이터마이닝 적용기법 개발 ▬ 국내 교통수요모델 및 교통네트워크 데이터 활용을 위한 연계기법 개발 ?지구온난화 정책 모의실험을 위한 이론 및 기법 개발 ▬ Multi-agent 기반의 도시활동 패턴분석기법 개발 ▬ 다위계(multi-level) 공간단위의 공간 데이터 연계․처리 기술 개발 ?SDW 개발 ▬ SDW 데이터모델링 및 공간 DBMS 선정 ▬ 공간통계 적용 공간데이터마이닝 기법 및 이를 적용한 synthetic data 생성기법 개발
3 차 년 도	국내대상도시에 대한 모델적용 신뢰성 확보, 정책모의실험 시행 및 SDW를 활용한 개발 모델의 Integration	?통합모델의 국내 적용이론 및 기법 개발 ▬ 모델정산(calibration & validation) ▬ 도시규모에 따른 용량제약 문제해결 기법 개발 ?지구온난화 정책 모의실험을 위한 이론 및 기법 개발 ▬ 보행접근성 및 행태분석을 위한 space syntax 적용기법 개발 ▬ Dynamic 보행행태 예측을 위한 cellular automata 적용기법 개발 ?SDW 개발 ▬ 공간데이터베이스 기반 SDW 구현 ▬ SDW 입출력 가시화 시스템 설계 ▬ Space syntax를 위한 axial line 자동추출기법 개발 ?개발모델의 대상도시적용 테스트 ▬ 위계 및 기능별 테스트 ?SDW 운영시스템 구축 ▬ SDW 입출력 가시화 시스템 구현 ▬ 서버구축 및 데이터 공동운영시스템 개발 ?SDW, 가시화모듈 및 데이터마이닝 모듈의 튜닝 및 커스터마이징

1차년도 본 연구실의 연구

• SDW 국내외 적용사례분석
• 국내의 공간데이터웨어하우스 구축 사례로 서울특별시(2002)에서 구축한 공간데이터웨어하우스가 있음

• 서울시에서 공간 정보의 공유 및 활용을 위해 구축한 공간데이터웨어하우스는 shape 파일에 의한 데이터 연동 방법을 사용하고 있음
• 서울시의 지적측량기준점, 국가삼각/수준점, 도로경계선, 지하철, 하천경계, DEM, 구․법정동․행정동 경계 등의 21개 핵심 데이터를 중심으로 구축됨
• SDW의 모델링이 상당히 단순하고, 운영 시스템과 SDW의 테이블 스키마가 상이해도 데이터를 일치시킬 수 있는 장점이 있음
• 전체 필요한 데이터를 매번 신규로 로딩하는 방법으로 변경된 데이터만의 갱신이 불가능하여 연동에 있어서 많은 시간과 네트워크 부하량을 필요로 하는 단점이 있음. 또한 shape 파일로 데이터를 공유하기 때문에 데이터를 사용하기 위해서는 shape 파일을 위한 소프트웨어가 있어야 하므로 소프트웨어를 구입하는 추가 비용이 발생함
• 또 다른 국내의 공간데이터웨어하우스 구축 사례로는 공간적 의사결정을 위한 데이터웨어하우스 구축 사례가 있다.
• 공간데이터웨어하우스 구축에는 이기종의 통계자료가 담긴 데이터베이스, 수치지도와 영상이 담긴 지도 큐브, 고객의 신상정보를 담고 있는 고객 큐브와 거래 시간을 담고 있는 시간 큐브, 공간적 사상의 시간변동을 담기 위한 지도 큐브로 구성됨
• 공간적 의사 결정을 위한 데이터웨어하우스는 래스터 레이어의 공간 정보를 벡터 레이어의 공간 객체인 점, 선, 면 정보와 중첩하여 공간 데이터를 표현
• 시공간적 차원과 더불어 특정 주제에 맞는 차원을 고려하기 위해 각 차원별 데이터베이스에서 추출 및 변화 등의 정제과정을 거쳐 데이터 마트를 구성하고, 스노우 플레이크 스키마 모델을 사용하여 저장 공간을 최소화 및 유연성을 극대화함
• OLAP 기법을 통하여 공간데이터웨어하우스에 다차원적 접근을 시도하여, 각 차원별 공간적 지식발견을 위해 의사 결정자의 정의에 따른 차원변경, 세분화, 요약화하는 등의 분석에는 적합하지 않은 특징을 가짐
• 하지만 아직까지 국내의 도시를 위하여 개발하여 적용한 통합모델은 없지만, 기반이 되는 연구는 여러 도시 및 교통 분야의 학자를 통하여 수행됨. 따라서 연구가 진행된 각 모델에 필요한 데이터를 개별로 수집하여 모델에 맞게 가공 처리 과정을 거쳐서 개별적으로 사용되었으며 다른 모델을 위해 데이터를 종합적으로 저장, 관리하는 공간데이터웨어하우스를 구축한 사례는 아직까지는 없음

• 국내적용대상도시 데이터 수집 및 가공
• 국내적용대상도시의 공간데이터웨어하우스 구축을 위해 사용하는 데이터 형태 분석
• 교통 데이터 (예) Emme2

• 도시 통계 데이터 예) 가구주의 성, 연령 및 세대구성별 가구(일반, 2005) 서울시청
• 각 존별로 서울과 수도권의 성, 연령 및 세대 구성별 통계 자료를 아래와 같은 테이블 형태로 제공함

• 비공간데이터의 대표적인 형태임. 공간데이터웨어하우스를 구축할 때 공간데이터의 경우와 달리 데이터 큐브를 만들어서 OLAP(On-Line Analysis Processing)을 지원함

• 국내적용대상도시의 공간데이터웨어하우스의 프로토타입
  

• 만들어진 공간데이터웨어하우스 프로토타입의 이용: 국내적용대상도시의 교통 데이터, 도시통계 데이터 등의 비공간데이터를 관계 데이터베이스 형태로 변환하고 공간 데이터를 저장하고 있는 Shape 파일은 공간데이터베이스에 저장을 한다. 또한 추가적으로 데이터의 가시화를 위해 질의를 통해 아래와 같은 데이터를 추출해 낼 수 있다.