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  • 오션 제 374회 세미나: 연안 쓰레기 축적 예측과 연안 정화 활동 최적화를 위한 새로운 GIS 기반 기법

  • 20.08.26
    조회수 42
첨부파일

이종수
(사)동아시아바다공동체 오션 연구원
jongsulee@osean.net



연안 쓰레기 축적 예측과 연안 정화 활동 최적화를 위한 새로운 GIS 기반 기법



이 논문은 제 374회 오션 정기 세미나에서 다룬 것으로 해변의 특성 중 굴곡도와 경사도를 반영한 모델을 개발하여 우심지를 예측하는 방법을 다루고 있다.


원문
Marthe Larsen Haarr, Levi Westerveld, Joan Fabres, Kriss Rokkan Iversen, Kjersti Eline Tønnessen Busch, 2019. A novel GIS-based tool for predicting coastal litter accumulation and optimizing coastal cleanup actions. Mar. Pollut. Bullet. 139:117-126)


요약
효과적인 정점 선정은 연안 정화에서 쓰레기 수거효과를 극대화 하기 위한 중요한 요소 중 하나이다. 우리는 쓰레기 우심지를 찾기 위해 노르웨이 로포텐 지역에서 새로운 지리정보시스템에 기반한 모델을 개발하여 검증하였다. 이 모델은 해변의 굴곡도와 경사도를 이용하였다. 해변의 굴곡도는 규모에 따라 쓰레기 농도와 유의한 상관관계를 보였다(해변 길이가 10km 이상인 경우 양의 상관관계를, 이보다 짧은 경우 음의 상관관례를 보였다-발제자 주). 해변의 굴곡도와 경사도에 따라 1-5의 점수를 부여한 간편모델은 높은 검증율을 보였다.

 

주요 내용
해양 쓰레기의 유입량을 감소시키는 것은 문제를 해결하는 데 중요하지만 바다에 이미 존재하는 쓰레기를 쓰레기를 줄이는 것 역시 아주 중요하다. 해안쓰레기 수거의 여러 장벽 중 하나는 장소를 선정할 때 입소문이나 보고된 것들에 의존한다는 것이다. 이 연구의 목적은 쓰레기 양에 기반해 해안 청소를 계획함으로써, 그 효율을 극대화할 수 있도록 해안선정을 안내할 도구를 만드는 것이다. 이 연구에서는 지리정보시스템의 연안 특성에 기반한 모델을 개발하였다.


이 모델 개발을 위해 노르웨이의 로포톤 군도에서 시료를 채취하였다. 시료채취를 위해 군도를 10 km단위의 격자로 자른 후 세 개의 격자를 선택하였다. 선택된 격자를 다시 1 km 단위의 격자로 나눈 후 여기에서 세 개의 격자를 선택하였다. 이렇게 선택된 격자 내에서 세 개의 100 m 해변을 선택하였다. 한 해변에서 다섯 개의 10 m x 30 m 방형구를 정한 후 눈에 보이는 쓰레기의 개수를 세었다. 수거하거나 무게를 측정하지는 않았다. 또한 해변의 경사도와 기질을 기록하였다. 쓰레기는 재질별(플라스틱, 금속, 섬유, 유리, 고무, 종이)로 분류하였고, 크기별로는 20 cm, 20-100 cm, >100 cm로 분류하였다. 쓰레기는 개/㎡ 단위로 측정하였다. 기질은 덮인 정도가 50% 넘는 기질로 기록하였으며 바위, 모래 또는 실트, 고운 자갈, 거친 자갈, 굵은 자갈, 큰 자갈로 분류하였다. 해안의 경사도는 평행한 길이(run)를 수직 상승 길이(rise)로 나누어 계산하였다.


해변의 굴곡도는 지리정보시스템(GIS)을 사용하여 로포톤 전 해변을 10 m 간격으로 나눈 후 자동으로 굴곡도를 생산하도록 하였다. 해변이 오목한지 볼록한지는 해변 규모와 관련이 있으며 이들과 쓰레기의 농도 사이에 상관관계가 있는지를 조사하였다. 굴곡도는 해변을 20 km, 10 km, 1 km, 500 m, 100 m, 50 m로 나누어 계산하였다. 우리는 ArcGIS를 사용하여 해변을 완만한 곡선으로 표현한 후 이 곡선의 길이와 실제 해변 길이의 비를 비교하였다. 해변을 오목과 볼록으로 나누기 위해 먼저 두 값의 차이가 가장 작은 곳을 1로 간주하였다(길이의 비로 나타냈으므로 곧은 해변이 1이 된다-발제자 주). 계산를 간단하게 하기 위해 계산된 비 값들에서 1을 빼어 곧은 해변을 0으로 만들었다. 그 후 오목한 해변의 값들에 1을 빼어 음의 값으로 만들어 양의 값과 음의 값으로 해변을 볼록과 오목으로 나누었다.


경사도가 쓰레기에 미치는 영향을 알아보기 위해 일반화회귀모형을 사용하였다. 일정 정도 경사도를 넘으면 쓰레기가 쌓이지 않는 임계치를 구하고, 낮은 농도값(≤0.2개/㎡)을 나타낸 방형구는 분석에서 제외하고 회귀식을 도출하였다. 회귀선과 0.2-x축과의 교점을 찾은 후 이 값을 임계치로 간주하였다(0.3436).


굴곡도와 쓰레기 농도와의 관계를 알아보기 위해서는 다음과 같은 단계를 거쳤다. 1) 가장 적합한 선형 모델 선정을 위해 아케이케 정보 기준(AIC)을 사용하였다. 단변량회귀식과 95%쓰레기 농도 교차점에서의 굴곡도를 사용하여 임계치를 찾은 후 간편 모형을 만들었다. 이를 위해 먼저 쓰레기의 분포 곡선에서 경사도가 임계치보다 더 가파른 방형구는 제외하였다. 두 번째 단계로 각각의 변수에 굴곡도가 임계치에 도달하는지 아닌지에 따라 0 또는 1의 값을 부여하였다. 일반화선형모형은 아케이케 정보 기준으로 선택되었으며 간편모형은 위에서 굴곡도를 고려해 얻은 점수와 농도와의 관계에서 결정계수를 최대화하는 것을 선택하였다.


모델 검증은 23개 방형구에서 얻은 자료로 이루어졌다. 해변의 경사도는 지리정보시스템을 통해 얻었다. AIC값이 가장 낮은 모형에서 얻은 농도와 현장 농도는 회귀식을 통해 비교하였다.


해변조사 결과 조사된 전체 쓰레기는 2700개였으며 해변의 농도는 0-1.5개/㎡였으며 84%가 0.2개/㎡이하였다. 20 cm 이하의 플라스틱 조각이 60%이상이었다.

경사도와 쓰레기 농도와의 관계는 통계적으로 유의한 음의 상관관계를 보였다.


굴곡도와 쓰레기 농도와의 관계는 10 km이상의 해변에서 굴곡도가 증가함에 따라 쓰레기의 농도는 증가하였다. 즉 더 볼록한 해변일수록 농도가 높았다. 반면 1 km이하의 해변에서는 굴곡도가 커질수록 농도는 감소하였다.

해변의 기질은 쓰레기 농도에 유의한 영향을 미쳤다. 농도는 바위 해변이 잔자갈, 자갈, 또는 굵은 자갈로 이루어진 해변보다 낮았다(Tuckey, HSD, α=0.05). 또한 기질이 균일한 경우가 불균일한 해변보다 농도가 낮았다. 하지만 모델에서는 기질은 변수로 고려되지 않았다.


모델 검증결과 AIC를 이용한 모델은 예측력이 너무 낮았다. 반면 간편모델은 상당히 좋은 예측력을 보였으며(R2=0.61) 이는 경사도와 10 km, 1 km, 500 m, 50 m에서의 굴곡도를 포함한다.


이 연구는 쓰레기의 효율적인 수거를 위해 쓰레기 우심지를 찾기 위해 설계되었으며 다른 요인들-해양 물리학적 요소들, 해변 기질, 계절적 변동-을 고려한 모델은 우심지 식별 뿐만 아니라 생태계 위협 요인 등을 찾는데 도움이 될 것이다.

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