지상라이다를 활용한 도시수목의 체적 및 탄소저장량 산정 모델 개발 = Development of Quantitative Models to Estimate Urban Tree Volume and Carbon Storage Using Terrestrial LiDAR

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 도시수목을 대상으로 지상라이다와 현장굴취를 병행하여 수목의 줄기재적, 수관체적 및 지상부체적을 기반으로 그 탄소저장량을 용이하게 산정할 수 있는 모델을 개발하였다. 연구대상 수종은 가시나무, 곰솔, 낙엽활엽수(왕벚나무 및 이팝나무) 등이었으며, 수종별로 유목에서 성목에 이르는 표본을 확보한 후 현장에서 지상라이다를 이용한 3D 스캔과 현장실측을 통해 규격정보를 취득하였다. 규격을 취득한 이후에는 현장에서 근굴취를 포함한 직접수확법을 적용하여 각 수종의 부위별 및 전체 탄소저장량을 산정하였다.
지상라이다로 취득한 점군자료는 TreeQSM과 AdQSM 알고리즘을 적용하여 그 규격과 줄기재적, 수관체적 및 지상부체적을 산정하였으며, 수목의 규격은 대체로 TreeQSM이 AdQSM 대비 현장 실측값과 유사한 경향을 보였다. 줄기재적과 수관체적 역시 TreeQSM이 AdQSM 보다 현장 실측값과 유사한 양상을 보였다. 즉, TreeQSM에 의한 줄기재적은 현장 실측값과 통계적으로 유의한 차이가 없었으나(p>0.01), AdQSM은 가시나무에서 유의한 차이를 보였다(p<0.01).
수관체적의 경우 TreeQSM은 곰솔 및 낙엽활엽수의 현장 실측값과 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않은 반면(p>0.01), AdQSM은 낙엽활엽수를 제외한 모든 수종에서 통계적으로 유의한 차이를 나타냈다(p<0.01). 이러한 경향들을 고려하여, 본 연구에서는 TreeQSM으로 산정한 줄기재적 및 수관체적 값을 탄소저장량 모델 개발에 적용하였다.
본 연구에서는 TreeQSM을 기반으로 측정된 수종별 줄기재적, 수관체적, 그리고 지상부체적을 활용하여 탄소저장량을 산정하는 모델을 도출하였다. 즉, 줄기재적을 기반으로 줄기의 탄소저장량을, 수관체적을 기반으로 수관의 탄소저장량을 도출하는 모델을 구축하였다. 한편, 수목의 총 탄소저장량의 경우 줄기재적, 수관체적, 지상부체적을 각각 독립변수로 설정하여 관련 모델을 추정하였는데, 모든 수종에 걸쳐 지상부체적이 가장 양호한 설명력을 보이는 것으로 나타났다. 이에, 수목의 총 탄소저장량 산정모델은 지상부체적을 기반으로 도출하였다.
개발한 체적 기반 탄소저장량 산정 모델은 r2가 0.865∼0.979 범위로 대체로 높은 적합도를 보였으며, 해당 모델에 따른 탄소저장량은 체적과 비례하며 증가하였다. 지상부체적 30m³ 기준 수종별 탄소저장량은 곰솔 168.5kg/주, 가시나무 101.0kg/주, 낙엽활엽수 87.6kg/주 등으로 분석되었다. 이어서, 해당 모델을 기존 흉고직경 기반의 상대생장식과 비교한 결과, 탄소저장량은 수종별로 평균 1.0∼1.2배 수준의 차이를 보였으나, 전반적인 추정 경향은 유사하였다. 이는 수관체적을 기반으로 한 탄소저장량 산정모델이 기존 흉고직경 기반 상대생장식을 보완하거나 대체할 수 있는 방법으로 활용 가능함을 시사한다.
최근 라이다와 같은 3차원 공간정보 기술의 고도화로 수목 탄소저장량 산정에 필요한 규격 및 체적 정보를 체계적으로 인벤토리화할 수 있는 기반이 확대되고 있다. 특히 도시에서는 건축물로 인한 레이저 차폐와 비행 규제 등으로 인해 지상라이다의 활용 가능성이 높아지고 있다. 그러나 지상라이다 스캔은 소수의 인력으로 대량의 데이터를 취득할 수 있는 장점에도 불구하고, 방대한 원시 자료로부터 탄소저장량 산정에 필요한 정보만을 선별 및 추출하고 이를 유기적으로 연계하여 탄소저장량을 추정하는 데에는 아직 기술적 한계가 존재한다.
이러한 측면에서 본 연구는 지상라이다로부터 취득한 대용량 데이터 중 수목의 규격 및 체적 정보를 유의미하게 도출하고, 이를 기반으로 탄소저장량을 정량적으로 산정할 수 있는 방법을 제시함으로써 기존 기술적 한계를 보완하고자 하였다. 특히 지상라이다를 통해 기존 현장 측정이 어려웠던 수관체적을 직접 산출하고 이를 기반으로 탄소저장량을 추정할 수 있는 모델을 구축하였다. 기존 연구에서는 관련 연구의 미비로 인해 수종별 수관체적을 산출하더라도 타 수종 또는 국외 연구결과를 대체 적용하는 사례가 있었으나, 본 연구에서는 수종별 직접굴취를 통해 모델을 구축함으로써 수종별 탄소저장량 추정 오차를 최소화하고자 하였다.
물론 지상라이다 자료에서 수관체적이 아닌 흉고직경 기반 상대생장식을 적용할 수 있으나, 도시 환경, 특히 가로수의 경우 전정 관리로 인해 동일한 흉고직경에서도 수관 구조의 변동성이 매우 크다. 이러한 특성으로 인해 본 연구에서 제안한 수관체적 기반 접근법은 이러한 한계를 보완하는 데 효과적인 방법으로 판단된다. 한편 지상라이다 자료는 관측 위치와 스캔 조건에 따라 수관체적 산정에 불확실성이 내재되어 있으며, 스캔 자료의 전처리 및 수목 개체 분리 과정은 여전히 일정 수준의 전문성과 시간이 요구된다는 점에서 실무 적용에 제약이 있다. 추후 연구에서는 지상 라이다와 타 공간정보 자료의 융합 및 데이터 처리 자동화 기술의 적용을 통해 수목 인벤토리 구축과 탄소저장량 산정의 정확도와 분석 효율을 동시에 개선할 필요가 있다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 및 목적 1
• 2. 연구 과정 3
• Ⅱ. 선행연구 고찰 5
• 1. 수목의 탄소저장량 산정 5
• 2. 수목의 체적 산정 7
• Ⅲ. 연구내용 및 방법 12
• 1. 연구대상 수목 선정 12
• 2. 수목 규격 측정 및 체적 산정 15
• 1) 현장실측 15
• 2) 지상라이다 17
• 3) 방법별 규격 및 체적 비교검증 26
• 3. 수목 현장굴취 및 탄소저장량 산정 26
• 1) 현장굴취 및 생중량 측정 26
• 2) 표본 건조 및 바이오매스 측정 28
• 4. 탄소저장량 산정모델 개발 29
• Ⅳ. 결과 및 고찰 30
• 1. 연구대상 수목의 규격 및 체적 30
• 1) 흉고직경, 수고 및 수관폭 30
• 2) 줄기재적 및 수관체적 37
• 2. 연구대상 수목의 바이오매스 및 탄소저장량 43
• 3. 탄소저장량 산정모델 48
• Ⅴ. 결론 56
• □ 참고문헌 59
• □ 부록 68
• □ Abstract 82
• □ 감사의 글 84