都市成長豫測을 위한 CA-Markov 模型構築 및 適用에 관한 硏究 : 首道圈을 中心으로 = (A) study on the development of urban growth model using cellular automata and markov chain : the case of seoul metropolitan area

국문 초록 (Abstract)

계획은 우리가 경험하지 못한 장래에 대한 청사진을 제시하는 것이며， 도시 계획은 도시를 발전시키고 관리하기 위한 중요한 과정이다． 따라서 도시계획 수립과정에 있어서 장래를 예측하는 것이 무엇보다도 중요하다. 물론 장래를 예측하는 것은 어려운 문제이고 그것의 정답은 없다고 할 수 있다． 그렇지만 장래예측이 계획수립의 토대가 되기 때문에 우리는 불확실한 미래에 대한 적절한 예측방법을 찾아야 한다．
이 연구에서는 도시를 개발하고 관리함에 있어 필요한 계획기법들을 적용할 경우， 장래의 도시가 어떻게 변화될 것인지 예측할 수 있는 도시성장예측 모형을 제시하였다． 그리고 수도권을 대상으로 구축한 모형을 적용하고 시나리오에 따라 수도권이 어떻게 변화될 것인지 비교·분석하였다.
모형의 구축과정은 4단계로 구분되며， 제1단계는 도시의 사회·경제적 지표라고 할 수 있는 인구·주택·고용을 2025년까지 예측하였다． 제2단계는 모형에 적용될 도로， 경사， 표고， 개발제한구역， 보호구역 등에 대한 공간데이터베이스를 구축하였고 제3단계에서는 CA-Markov 모형을 적용하여 2025년 수도권의 변화를 예측하였다. 마지막으로 제4단계는 수도권이 성장함에 있어서 중요한 변수로 작용하고 있는 개발제한구역제도 등을 시나리오로 설정하여 모형에 적용하였다. 특히 제4단계에서는 계획지표를 CA-Markov 모형에 따라 성장한 지역에 배분（allocation）하고 배분결과를 비교하였다．
도시성장예측모형을 적용하기 위해서 3개의 시나리오를 설정하였으며， 시나리오Ⅰ은 개발측면에서 수도권의 개발제한구역을 전면해제하고 표고와 경사를 20％씩 완화하였다， 시나리오Ⅱ는 보존측면에서 수도권의 개발제한구역을 현재대로 유지했으며， 시나리오Ⅲ는 관리적 측면에서 수도권 중심부의 부족한 가용토지를 제공한다는 측면에서 개발제한구역을 일부 해제하였다．
시나리오Ⅰ의 결과를 보면 개발제한구역이 해제됨에 따라 개발가용지가 발생하게 되고 이러한 지역이 도시지역으로 성장하였다． 이러한 개발가능지의 발생은 그 동안 개발제한구역으로 인해 부족한 개발가용지를 찾아 외곽으로 확산되던 도시화지역이 개발제한구역내로 흡수되므로 외연적 확산은 줄어드는 것으로 나타났다． 시나리오Ⅱ는 개발제한구역을 현행대로 유지되므로 개발에 대한 잠재력이 경기도의 외곽도시인 파주， 양주， 김포， 포천 등으로 분배되는 것으로 나타났다． 이러한 결과는 도시가 성장함에 따라서 개발가용지가 요구되지만 개발제한구역으로 인해 더 이상의 개발가용지를 제공하지 못한다는 것이다. 따라서 수도권 중심부의 부족한 개발가용지를 찾아서 수도권 외곽지역으로 도시지역이 확산되는 것으로 나타났다． 시나리오Ⅲ는 현재 수도권 광역도시계획에 의해 해제되는 개발제한구역을 반영하여 개발제한구역을 조정할 경우 조정된 개발제한구역을 적용한 결과는 시나리오Ⅰ과 같이 수도권의 확산방지에 일부 효과를 나타내고 있으나， 확산방지의 차원에서는 그 효과가 시나리오Ⅰ보다는 크지 않은 것으로 나타났다．
이러한 모형의 예측결과는 그 동안의 성장패턴을 고려할 때 우리가 잠정적으로 생각할 수 있는 예측결과와 유사함을 알 수 있으며， 이 모형이 도시의 성장을 예측함에 있어서 적용이 가능하다는 것을 나타낸다． 그러나 이러한 결과가 도시의 외연적인 성장만을 나타내므로 도시의 사회·경제적인 특성을 나타내는 지표인 인구수와 주택수 그리고 고용자수를 모형의 예측결과에 배분함으로서 밀도를 고려할 수 있도록 하였다．
따라서 본 연구는 광역적인 접근을 통해 계획지표를 예측하고 시나리오에 따른 CA결과물에 밀도를 반영할 수 있도록 계획지표를 배분하였다는 측면에서 의의가 있으며， 도시성장관리와 같이 광역적인 계획수립에 CA를 이용한 도시성장예측모형을 적용할 수 있는 분석적 방법을 제공했다는 측면에서 연구의 의의가 있다．

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Planning is an act of formulating a program for a definite course of action. Urban planning is of course an act to develop and manage a city. Thus, what is crucial in formulating an urban plan is to forecast future. Although forecasting is a difficult and complex process and the results may be variable, planners should formulate ways to forecast future now that plans are based on the forecast.
This study suggests a model to forecast urban growth and studies how the Seoul metropolitan area will be changed or transformed under given scenarios using the model.
The forecast model was constructed through 4 steps; First, a collective forecast of socio-economic indexes; population, housing and employment. Secondly, it constructed spatial database such as road, elevation, altitude, limited development district, etc. Third, it forecasted and analyzed the Seoul metropolitan area in 2025 using CA-Markov and lastly, it applied scenarios including limited development laws which can be a variable in the growth.
This study used 3 scenarios; scenario #1 has no limitation in development and 20% eased altitude and elevation in the metropolitan area; #2 has the same limitation in development; #3 has a part of regions or areas with no limitation.
Scenario #1 shows that removal of limitation in development can be lead to more available space for development that these spaces are highly likely to be developed into an urban areas. This model has little external expansion because inner spaces become available. #2 maintaining the same limitation, shows the metropolitan area is highly likely to be expanded and the sprawl can be appear in cities including Paju, Yangju, Gimpo, Pochoen. This shows urban growth in a given place requires more development but it has no available space for development due to some legislation and regulation such as limitation in development. #3, adopting planned or on-going ease of limitation shows a result similar to that of #1 but has less effective in preventing sprawl.
This study proved that the results are similar to those of humans' forecast and that it can be applied to forecast the growth in cities or regions. To reflect more actuality, this study introduces and applies socio-economic indexes onto the forecast results including population, number of houses and employees.
This study is significant in that it forecasted indexes through multi-dimensional approaches and applied the indexes onto the Cellular Automata, and thus suggested a method to apply urban growth forecasting model on Metropolitan plans.

목차 (Table of Contents)

• Abstract
• 국문초록
• 목차
• 제1장 서론 = 1
• 제1절 연구의 배경 및 목적 = 1
• 1. 연구의 배경 및 필요성 = 1
• 2. 연구의 목적 = 2
• 제2절 연구의 범위 및 방법 = 3
• 1. 연구의 범위 = 3
• 2. 연구의 내용 및 방법 = 3
• 제2장 수도권 공간구조의 변화 = 7
• 제1절 수도권의 공간구조 = 7
• 1. 면적 = 7
• 2. 인구규모 및 인구이동 = 8
• 3. 주택규모 = 12
• 4. 경제와 산업 = 15
• 제2절 시가화지역의 확산 = 18
• 제3절 정책에 따른 수도권의 변화 = 27
• 1. 수도권정비계획에 따른 영향 = 27
• 2. 개발제한구역에 따른 영향 = 33
• 제4절 수도권 공간구조의 변화요인 = 36
• 제3장 이론적 고찰 및 분석의 틀 = 41
• 제1절 도시성장예측에 관한 이론적 고찰 = 41
• 1. 인구·주택·고용에 대한 지표예측 = 41
• 2. CA를 이용한 도시성장예측 = 48
• 제2절 도시성장관리에 관한 이론적 고찰 = 56
• 1. 도시성장관리의 개념 = 56
• 2. 도시성장관리 관련연구 = 58
• 3. 미국의 도시성장관리 사례 = 60
• 제3절 선행연구의 시사점 = 63
• 1. 시사점 = 63
• 2. 차별성 = 65
• 제4절 분석의 틀 = 66
• 제4장 도시성장모형의 구축 = 73
• 제1절 계획지표의 예측 = 73
• 1. 인구예측 = 73
• 2. 주택수요예측 = 84
• 3. 고용예측 = 92
• 제2절 공간데이터베이스(Spatial Database) 구축 = 99
• 1. 도로망 및 수계 = 99
• 2. 경사도 및 표고 = 100
• 3. 개발제한구역 및 개발억제지역 = 101
• 4. 도시지역 = 102
• 5. 기타 공간데이터베이스 = 103
• 제3절 CA-Markov모형을 이용한 수도권성장모형구축 = 104
• 1. CA-Markov 모형의 작동원리 = 104
• 2. 토지피복분류 = 109
• 3. Markov Chain Procedure = 112
• 4. Suitability Map = 117
• 5. CA-Markov 모형의 분석 및 결과 = 124
• 제5장 시나리오설정과 모형의 적용 = 129
• 제1절 시나리오의 설정 = 129
• 1. 시나리오Ⅰ : 개발측면 = 130
• 2. 시나리오Ⅱ : 환경보호측면 = 132
• 3. 시나리오Ⅲ : 관리측면 = 133
• 제2절 계획지표의 배분방법(allocation rule) = 135
• 1. Raster Map 작성 = 137
• 2. Allocation Map 작성 = 150
• 제3절 시나리오 분석 = 158
• 1. CA-Markov 모형에 의한 시나리오 분석 = 159
• 2. 계획지표배분에 따른 시나리오 분석 = 164
• 제4절 분석결과 = 168
• 제6장 결론 = 177
• 제1절 연구의 결과 = 177
• 제2절 향후 연구과제 = 180
• 〈참고문헌〉 = 183
• 부록 = 187