The Relationship between Air Pollutants and Healthcare Expenditure : Empirical Evidence from South Korea

안지연 서강대학교 일반대학원 2019 국내석사

Assessment of biogeochemical fate of organic pollutants in marine ecosystems and identification of their ecotoxicological responses by the first principles modeling

김태우 서울대학교 대학원 2022 국내박사

해양 환경은 육상 및 해양에서의 인간 활동으로 인해 광범위한 영향을 받는다. 해양 환경 중 조간대는 영양염류 (총질소 및 총인), 탄화수소 (유류 및 다환방향족탄화수소), 알킬페놀류, 스타이렌 올리고머를 포함한 유기 오염물질의 유입으로부터 육지와 바다 사이의 균형을 유지한다. 유기 오염물질의 거동은 물질의 물리화학적 특성에 크게 좌우된다. 더 큰 소수성 및 입자와의 반응성은 유기 오염물질이 퇴적물에 축적되게 만들고 그 결과, 퇴적물에서는 해수보다 몇 배나 더 큰 유기 오염물질의 농도를 유지한다. 해양 저서 퇴적물은 육상기인오염 물질의 최종 종착지이기 때문에 지속적인 해양 환경 생태서비스를 제공받기 위해서는 해양 환경의 유기 오염물 정화 능력과 생태독성 영향을 명확히 평가하는 것이 중요하다. 현재까지 조간대에서의 유기오염물질 정화 능력은 정량적으로 알려지지 않았고 정화 과정에서 발생하는 화학적, 독성학적, 생태학적 반응은 예측하기 어려웠다. 본 연구에서는 조간대 내 퇴적물이 정화되는 과정에서 발생하는 현상들을 실험적 규모 연구, 즉 메조코즘 연구를 통해 퇴적물의 생태위해성 평가법을 사용하여 정량적으로 확인하였다. 이를 위해 화학 분석, 생물 검정 및 저서 군집 구조 분석도 진행하였다. 그리고 인 실리고 연구를 통해 유기 오염물질의 물리화학적 특성을 분석하여 퇴적물의 정화 과정 속에서 발생하는 화학적, 독성학적, 그리고 생태학적 반응 원인을 제시하였다. 첫째로, 갯벌 퇴적물의 자정능을 평가하기 위해 0.2m3 부피의 유리 수조에 퇴적물을 이식하여 총인을 비롯한 고농도의 유기물질이 포함된 해수를 넣어 시간에 따른 변화 특성을 확인하였다. 갯벌 퇴적물은 총인 및 화학적 산소 요구량의 농도를 각각 2일 및 7일 만에 배경 농도 수준으로 제거하였다. 그리고 갯벌 퇴적물에 갈대를 심은 실험 구에서는 특히 용존 무기인을 빠르고 효율적으로 제거하였으며 이는 식생의 존재가 용존 유기 오염물질의 정화를 촉진하는 것을 의미한다. 또한 유기 오염물질의 침전은 생물학적 교란 효과가 작은 환경에서 우세한 것을 확인하였다. 둘째로, 자갈 조간대 내 유기 오염물질이 유입되었을 때를 가정하고 이를 회복하기 위한 물리적, 생물학적 기술들의 현황을 파악하고 효과를 분석하였다. 이를 위해 60일 동안의 메조코즘 연구로 잔류 유류 제거를 위한 물리적, 생물학적 기술, 그리고 자연정화능의 효과 및 영향을 비교하였다. 우선 고온고압 세척 처리는 잔류 유류를 최대 93% 제거하였다. 하지만 이와 같은 물리적 정화는 초기 정화 처리 기간 저서동물 군집에 악영향을 끼쳤다. 영양염, 유화제, 효소 활성제, 그리고 미생물 제제와 같은 생물학적 처리는 최대 66%의 잔류 유류를 제거하였다. ‘자연정화’는 다른 물리적 및 생물학적 기술들의 잔류 유류 제거 효과와 유사한 효율을 보여주었다. 특히 실험 기간은 미생물들의 천이를 확인하였으며 이는 시간에 따른 잔류 유류 성분의 변화 결과로 확인하였다. 자연정화는 다른 기술들만큼 유기 오염물질 제거에 효율적이었으며 특히 저서 군집에 대한 악영향을 최소화하는 특징이 있음을 확인하였다. 셋째로, 갯벌 퇴적물에서 잔류성 독성물질 특이적 정화와 생태독성 영향을 확인하기 위해 오염 퇴적물을 현장 갯벌에 이식하여 60일간 화학적, 독성학적, 그리고 생태학적 반응의 변화를 확인하였다. 그리고 머신 러닝을 통해 정화 과정 동안 오염 퇴적물의 특징을 4가지로 추출하였다. 대형저서동물과 식생이 함께 이식된 오염 퇴적물은 생물 관개 및 식물 정화 효과로 빠르게 회복되었다. 실험 기간은 잔류성 독성물질 내 다환방향족탄화수소, 알킬페놀류, 그리고 스타이렌 올리고머의 모물질들이 빠르게 감소하였는데 생물 관계 및 식물 정화로 인한 미생물의 활동으로 인한 결과임을 확인하였다. 넷째로, 매질 (해수, 퇴적물 및 해양 생물)에 대한 유기 오염물질의 반응성을 예측하기 위해 유기 오염물질의 물리화학적 성질을 분석하였습니다. 제1 원리를 활용한 밀도범함수이론을 통해 유기 오염물질과 매질 사이 반응을 정량적으로 확인할 수 있는 방향성 반응 인자를 고안하였다. 방향성 반응 모델은 유기 오염물질의 구조, 예로 벤젠 고리의 수, 메틸화 및 하이드록실 화와 같은 구조적 변형이 있는 크라이센의 동족체를 대상으로 계산하였고 특히 아릴 탄화수소수용체와의 반응 관계 중심으로 적용하였다. 본 반응 모델의 결과는 크라이센 동족체의 생물검정 결과와 일치하였다. 제1 원리에 기반한 인 실리코 연구는 유기 오염물질의 물리화학적 성질을 계산하였고 기존의 경험적 접근 방식을 보완하여 향후 해양 환경 내 매질 간의 반응성 예측에 활용할 수 있다. 끝으로, 독성 작용에 대한 반응 중심 접근 방법과 함께 16개의 다환방향족 탄화수소들의 생태독성 효과를 예측하기 위해 방향성 반응 모델을 응용하였다. 분자 역학 모델링 분석을 통해 아릴 탄화수소수용체와 다환방향족탄화수소의 결합 가능성을 확률적으로 계산하였고 이를 바탕으로 방향성 반응 모델과 연관시킨 방향성 반응-결합 인자를 고안하였다. 이 인자를 통해 유기 오염물질-수용체 결합을 예측할 수 있었고 나아가 생물검정 결과와 일치하는 것을 확인하였다. 잠재 독성 예측에 있어 방향성 반응-결합 인자는 유기 오염물질의 물리화학적 특성이 생물과의 독성 반응에 주요 요인이 될 수 있음을 요인이 될 수 있음 보여주었다. 향후 인 실리코 방법을 통한 유기 오염물질의 특성 분석은 생물뿐만 아니라 해수 및 퇴적물과 같은 해양 환경과의 반응 예측에 유의미하게 활용될 가능성을 확인하였다. 이상의 연구 결과를 종합해보면, 첫째, 먼저 조간대에 유입된 유기 오염물질의 농도는 초기 단계에서 전반적으로 급격한 감소를 했고, 모물질의 분해가 활발히 진행되었다. 둘째, 유기 오염물질 농도의 감소와 함께 퇴적물의 잠재 독성도 급격히 감소하였고, 유기 오염물질 농도의 감소 속도보다 더 빨랐다. 셋째, 저서 군집은 기하급수적으로 회복되었으며, 영양수준에 따라 각각의 회복 속도에 차이가 있었다. 넷째, 화학적, 독성학적, 생태학적 회복의 차이와 각 영향 관계는 유기 오염물질의 물리화학적 특성 영향에 기인한 것으로 확인되었다. 마지막으로, 본 연구의 방향성 반응 인자는 생물 내 잠재적인 독성을 예측하는 반응-결합 인자로 개발될 수 있으며 생물검정 결과와 상당히 일치한 것을 확인했다. 본 연구에서 활용한 통합적 접근은 해양 환경 내 유기 오염물질의 정화와 생태 독성학적 효과를 이해하는 데 있어 유용하게 사용될 수 있다. 앞으로 우리나라 해양 생태계 서비스의 가치를 재고하고 해안을 체계적으로 관리하기 위해서는 위와 같은 다학제적 접근이 지속해서 필요하다. The marine environment is subject to a broad range of adverse impacts from anthropogenic activities. Among the marine environment, an intertidal zone maintains a balance as a buffer between the land and the sea from the introduction of organic pollutants, including nutrients (total nitrogen, TN; total phosphorus, TP), hydrocarbons (oil and polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs), alkylphenols (APs+APEOs), and styrene oligomers (SOs). The fate of organic pollutants in the marine environment is highly dependent on their physicochemical properties. Due to their hydrophobicity and particle reactivity, many organic pollutants have concentrations in sediments that are several orders of magnitude greater than those in the surrounding water. As a result, sediments are frequently regarded as the final destination for pollutants in the environment. Thus, it is crucial to estimate the restoration capacity and ecotoxicological effect of organic pollutants in the marine environment to maintain environmental services. Until this study, the restoration ability of organic pollutants in the intertidal zone was not quantitatively known, and the chemical, toxicological and ecological reactions occurring during the restoration process were not predicted. In this study, the ecological processes occurring in sediments being purified were identified quantitatively using an enhanced integrated sediment quality triad (SQT) approach with an enclosed experimental scale study (mesocosm). Additionally, using an in silico study, by examining the physico-chemical properties of organic pollutants, the causes of the restoration and ecotoxicity were analyzed. For evaluating the specific recovery of the benthic community health from the organic pollutants, instrumental analysis, bioassays, and investigation of the benthic community structure were also implemented. The mudflat sediments significantly removed waterborne organic pollutants to background levels in ~2 and 6–7 days for TP and COD (chemical oxygen demand), respectively. This rapid removal of organic matters by natural sediments could be attributed to the microbe community degrading the corresponding pollutants. The temporal trend and removal efficacy for COD and TP were found to be similar between the bare tidal flat and salt marsh. Meantime, it was noteworthy that the salt marsh removed waterborne DIP much more quickly and efficiently, implying a high affinity of the halophyte on dissolved forms of organic matters. Of note, sedimentary organic sink prevailed in a defaunated condition under the lesser bioturbation effect. Physical and biological remediation techniques were compared to natural attenuation for the removal of residual oil using a 60-day mesocosm experiment with SQT. First, physical treatment of hot water + high pressure flushing maximally removed residual oils (max=93%), showing the greatest recovery among the SQT variables (mean=72%). Physical cleanup generally involved adverse effects such as depression of the microphytobenthic community during the initial period. Next, biological treatments, such as fertilizer, emulsifier, enzyme, and augmentation of the microbes, all facilitated the removal of oil (max=66%) enhancing the ecological recovery. Natural attenuation with “no treatment” showed a comparable recovery to the other remediations (max=54%). During the experimental periods, the dynamics of the benthic community were presented. Artificial remediation techniques showed a better efficacy as indicated by the SQT parameters (mean=47%). Natural restoration was also often as efficient as most active restoration alternatives and was cost-effective while minimizing the impacts on benthic communities. Contaminated sediments were transplanted into the site tidal flats to confirm the PTS specific restoration in the tidal flat and their ecotoxicological effects. A 60-day in situ mesocosm study was implemented to quantify the restoration capacity using the SQT. Contaminated sediments recovered rapidly through bio-irrigation and phytoremediation (max. recovery: 71.2%). Machine learning classified the sedimentary qualities of the natural restoration process into four groups. During the 60-day sediment recovery period the benthic community changed through four stages. The reduction of parent compounds of PTSs (high molecular weight PAHs, STs, and APEOs) progressed primarily through bio-irrigation and phytoremediation. The results show that the presence of macrofauna and macrophytes in the tidal flat can promote the degradation of parent compounds with a rapid reduction of toxicity. The influence of the dipole-driven orientation and the resulting directional configuration of the organic pollutants on the predicted reactivity to the media (seawater, sediment, and marine organisms) were investigated. Using physico-chemical properties calculated by ab initio density functional theory, directional reactivity factors (DRF) were devised as the main indicators of reactivity, linking the interaction between the organic pollutants and the media. The directional reactive model was applied to predict the variation of the aryl hydrocarbon receptor (AhR)-mediated toxic potencies among homologues of chrysene with structural modifications such as the number of constituent benzene rings, methylation, and hydroxylation. The results of this study explain why the toxic responses of the parent and metabolites of the organic pollutants were different. Moreover, the results of the predictive models were consistent with the empirical potencies determined by the use of the H4IIE-luc transactivation bioassay. An experiment-free approach based on first principles would provide an analytical framework for estimating the molecular reactivity in silico and complements conventional empirical approaches for studying molecular initiating events in adverse outcome pathways. Because the advanced DRF model was calculated for the interaction between organic pollutants and media, quantitatively calculations for the dynamical mechanism were used for applying the potential toxicity prediction model. Using molecular dynamics (MD) analysis, given the possibility of AhR-organic pollutants binding (conjugated state), it was confirmed that the directional reactive binding factor (DRBF) could be a mechanistic predictive index linking molecular ligand-receptor binding to in vitro toxicity. The DR model accurately estimated the toxic potency of a set of 16 similar PAHs, as confirmed by the H4IIE-luc bioassay. The first application of DRF to the prediction of potential toxicity implies that the physico-chemical properties of organic pollutants can be a major driving factor in the reaction with a medium, and the in silico method will provide important basic data for predicting the restoration and ecotoxicity of organic pollutants in the future. To summarize the above study results, first, the concentration of organic pollutants introduced into the intertidal zone showed a rapid decrease in the initial stage overall, and the decomposition of the parent material proceeded actively. Second, with the decrease of the concentration of the organic pollutants, the potential toxicity of the sediment also decreased rapidly, and the rate of decrease was faster than the decrease of the concentration of the organic pollutants. Third, the benthic cluster recovered exponentially, and there was a difference in each recovery rate according to the trophic level. Fourth, it was confirmed that the differences in chemical, toxicological, and ecological recovery were affected by the physicochemical properties of the organic pollutants. Finally, the DRF in this study could be developed into a DRBF predicting the potential toxicity and corresponded to the results of the in vitro bioassay. An integrated approach for understanding the restoration capacity and ecotoxicological effects of organic pollutants in this study can be useful for interpreting the chemical, toxicological, and ecological responses. In the future, to systematically manage coastal waters with severe contamination of benthic sediments, continuous development of ecological risk assessment techniques is required. In the future, to reconsider the value of ecosystem services in the intertidal zone of Korea and systematically manage coasts, the above interdisciplinary approach is continuously needed.

Artificial intelligence-based optimal design of marine waste recovery process for fuel production with air pollutants utilization

임종훈 Graduate School, Yonsei University 2024 국내박사

This study aimed to optimal design of marine waste recovery process for fuel production with air pollutants utilization using artificial intelligence (AI). Many countries discharge considerable amounts of marine waste which includes plastic waste, seashells, seawater bittern and desalination wastewater directly into the ocean, causing environmental pollution, destruction of ecosystems, and economic losses. However, the marine wastes can serve as viable substitutes for fuel production while also facilitating the capture and utilization of air pollutants. Due to their predominantly hydrocarbon composition, plastics can be converted into various fuels and chemicals, thereby creating positive economic value instead of polluting the ocean environment. Additionally, waste seashells and desalination wastewater contain valuable alkaline substances such as CaCO3, NaCl, and MgCl, which can react with acidic air pollutants. Consequently, they can be recycled for the capture and utilization of air pollutants emitted during the conversion of waste plastic into fuel. The main goal is to produce valuable fuel from plastic waste and utilize air pollutants using alkaline materials like seashell and desalination wastewater. This process also replaces costly absorbents used in pollution reduction, achieving economic and environmental benefits. The AI-based optimal design of marine waste recovery process for fuel production with air pollutants utilization is addressed as follows. First, a waste seashell recovery process is designed for SOx utilization. Then, optimal selection and blending ratio of waste seashells as an alternative to high-grade limestone depletion is addressed using a deep neural network (DNN)-based surrogate model to maximize economic potential. Second, a waste seawater bittern recovery process is designed and optimized based on AI for SOx and CO2 utilization. In addition, to promote the utilization of seawater bittern and waste seashells as a substitute for high-grade limestone, one should optimize the seawater bittern-to-seashell blending ratio minimizing overall cost. Third, a novel process of desalination wastewater recovery for SOx, NOx and CO2 utilization was presented. Then the economic feasibility of the suggested process is demonstrated compared to conventional process by economic assessment. Finally, a framework for marine waste-to-fuel production utilizing air pollutants is designed based on the designed each marine waste recovery process for air pollutants reduction. Six pathways were delineated based on methods of fuel production using three types of marine waste and reducing and utilizing air pollutants. Techno-economic and environmental evaluations were conducted across five countries to demonstrate the economic and environmental feasibility of each pathway. Results indicate varying viability in fuel production from marine waste, influenced by factors such as discharge rates of marine waste, market fuel and hydrogen prices, and energy costs specific to each country. Sensitivity analyses underscored electricity prices as a critical determinant of economic viability and highlighted shifting pathway preferences under varying carbon pricing, emphasizing the necessity for adaptable strategies that consider current economic conditions and future environmental policies. This study offers valuable insights for decision-making in five countries, providing strategies utilizing the proposed framework to strike a balance between economic efficiency and environmental protection. In conclusion, we confirmed that the recovery of marine waste through optimal design for fuel production with air pollutant utilization using AI can solve not only environmental pollution and the destruction of ecosystems caused by wasted marine waste but also achieving economic benefits by producing valuable fuel while replacing costly air pollutant absorbents. 본 연구는 인공지능(AI)을 이용한 연료 생산을 위한 해양 폐기물 회수 공정 최적 설계를 목표로 하였다. 많은 국가들이 상당한 양의 해양 폐기물을 바다에 직접 배출하고 있으며, 이는 플라스틱 폐기물, 조개껍데기, 소금 간수 및 해수담수화 폐수 등을 포함하여 환경 오염, 생태계 파괴 및 경제적 손실을 초래하고 있다. 그러나 해양 폐기물은 연료 생산의 유효한 대체물로 사용될 수 있으며, 또한 대기 오염물의 포집 및 활용에 회수될 수 있다. 주로 탄화수소로 구성된 플라스틱은 다양한 연료 및 화학물질로 전환될 수 있어 해양 환경 오염 대신 긍정적인 경제적 가치를 창출할 수 있다. 또한 폐각, 소금 간수, 해수담수화 폐수는 CaCO3, NaCl 및 MgCl과 같은 귀중한 알칼리 물질을 포함하고 있어 산성 대기 오염물과 반응할 수 있다. 따라서, 폐기된 플라스틱을 연료로 전환하는 과정에서 발생하는 대기 오염물 포집 및 활용을 위해 재활용될 수 있다. 따라서, 이 연구의 최종 목표는 폐 플라스틱으로부터 가치 있는 연료를 생산하고 폐각, 소금 간수, 해수담수화 폐수와 같은 알칼리성 폐기물을 이용하여 연료 생산 과정에서 배출되는 대기 오염물을 흡수하고 활용하는 것이다. 해양 폐기물 회수를 통해 가치 있는 연료를 생산하고, 비용이 많이 드는 흡수제를 대체하여 대기 오염물을 줄이며 경제적 이익을 달성할 수 있다. 또한, 환경 오염의 원인인 해양 폐기물을 회수하여 경제적 및 환경적 개선을 촉진하는 것을 목표로 한다. AI 기반 해양 폐기물 회수 공정 최적 설계를 위해 세 가지 공정을 설계하고 최적화하였다: (1) SOx 활용을 위한 폐각 회수 공정, SOx 및 CO2 활용을 위한 소금 간수 회수 공정, SOx, NOx 및 CO2 활용을 위한 해수담수화 폐수 회수 공정. 이후 이들 공정을 해양 폐기물로부터 연료 생산과 대기 오염물 활용을 위한 종합적인 프레임워크로 통합하였다. AI 기반 해양 폐기물 회수 공정의 최적 설계는 다음과 같이 다루어졌다. 첫째, SOx 활용을 위한 폐각 회수 공정을 설계하였다. 경제적 잠재력을 최대화하기 위해 고품위 석회석을 대체하는 폐각의 최적 선택 및 혼합 비율을 딥 뉴럴 네트워크(DNN) 기반 대리 모델을 사용하여 도출하였다. 고품위 석회석을 전통적인 SOx 흡수제로 사용하지 않고 폐각으로 대체함으로써 고품위 석회석 자원 고갈 문제와 폐기된 조개껍데기에서 발생하는 환경 오염 문제를 동시에 해결할 수 있었다. 둘째, SOx 및 CO2 활용을 위한 AI 기반 폐 소금 간수 회수 공정을 설계하고 최적화하였다. 제안된 공정은 다음 단계로 구성된다: (1) 금속 이온 분리를 통한 소금 간수로부터 KOH 및 Mg(OH)2 생성; (2) 생성된 Mg(OH)2의 SOx 포집 및 활용; (3) 생성된 KOH를 이용한 CO2 포집 및 활용. 결과는 소금 간수의 금속 이온이 CO2 및 SOx 포집 및 활용에 사용되기 때문에 소금 간수로 인한 환경 오염을 완화하는 적절한 해결책이 되며, 고가의 전통적인 흡수제를 소금 간수로 대체하여 경제적 타당성을 높일 수 있음을 보여준다. 또한, 소금 간수와 폐각을 고급 석회석의 대체재로 활용을 촉진하기 위해 소금 간수와 폐각의 혼합 비율을 최적화하여 전체 비용을 최소화해야 한다. AI 기반 최적화 결과는 고품위 석회석을 완전히 대체할 수 있도록 폐각과 소금 간수로부터 생성된 Ca(OH)2 혼합물의 활용을 가능하게 하며, 이러한 폐기물로 인한 환경 문제와 경제 문제 완화에 기여한다. 셋째, SOx, NOx 및 CO2 활용을 위한 해수담수화 폐수 회수의 새로운 공정을 제시하였다. NOx, SOx 및 CO2 활용을 위한 해수담수화 폐수 회수 공정을 설계하기 위해 검증된 실험 데이터를 기반으로 공정 모델을 개발하였다. 제안된 공정 모델은 다음 세 단계로 구성된다: (1) 해수담수화 폐수의 전기분해 및 금속 이온 분리를 통해 NaOH, Mg(OH)2 및 Ca(OH)2 생성; (2) Ca(OH)2를 이용한 NOx 및 SOx 포집 및 활용; (3) NaOH, Mg(OH)2 및 Ca(OH)2를 이용한 CO2 포집 및 활용. 그런 다음 제안된 공정의 경제적 타당성을 경제적 평가를 통해 기존 공정과 비교하여 입증하였다. 결과는 담수화 폐수의 금속 이온이 CO2 포집 및 활용, SOx 포집 및 활용및 NOx 포집 및 활용에 효과적으로 사용됨을 보여준다. 이 접근법은 폐 담수화 폐수로 인한 환경 오염 문제를 해결할 뿐만 아니라 고비용의 전통적인 흡수제를 담수화 폐수로 대체하여 경제적 타당성을 높인다. 마지막으로, 해양 폐기물로부터 연료를 생산하고 대기 오염물질을 저감하는 프레임워크가 각 대기 오염물 감소를 위한 해양 폐기물 회수 공정을 기반으로 설계되었다. 해양 폐기물을 이용한 연료 생산 방법과 대기 오염물 감소 및 활용을 기반으로 여섯 가지 경로가 도출되었다. 다섯 개 국가에 걸쳐 기술 경제적 및 환경적 평가가 수행되어 각 경로의 경제적 및 환경적 타당성을 입증하였다. 결과는 해양 폐기물 배출률, 시장 연료 및 수소 가격, 에너지 비용 등 국가별 특성에 따라 해양 폐기물로부터의 연료 생산 가능성이 달라짐을 보여준다. 민감도 분석은 전력 가격이 경제적 타당성의 중요한 결정 요인임을 강조하고, 다양한 탄소 가격 하에서 경로 선호도의 변화를 강조하여 현재의 경제 조건 및 미래의 환경 정책을 고려한 적응 전략의 필요성을 강조하였다. 이 연구는 다섯 개 국가의 의사결정에 유용한 통찰을 제공하며, 경제적 효율성과 환경 보호 사이의 균형을 맞추기 위한 전략을 제공한다. 결론적으로, AI를 사용한 연료 생산을 위한 최적 설계를 통해 해양 폐기물을 회수하여 환경 오염 및 생태계 파괴 문제를 해결할 수 있으며, 가치 있는 연료를 생산하면서 비용이 많이 드는 대기 오염물 흡수제를 대체하여 경제적 이익을 달성할 수 있음을 확인하였다. 따라서, 이 연구는 해양 폐기물의 효율적인 사용과 대기 오염물 활용을 통한 비용 효율적이고 환경 친화적인 연료 생산에 대한 중요한 통찰을 제공한다.

Part 1. Synthesis of anti-diabetic octaketide, ethyl 2-(2,3,4-trimethoxy-6-octanoylphenyl)acetate Part 2. Haptens synthesis and bioconjugation for development of single domain antibody-based rapid chemical pollutants detection method

손위 가천대학교 대학원 2018 국내박사

Spatially Explicit Air Pollution Emission-Sink Assessment for Integrated Management Strategies

No Ol Lim 고려대학교 대학원 2024 국내박사

Air pollution has emerged as a significant environmental issue globally, with various mitigation and adaptation policies being implemented to address it. Mitigation involves identifying emission sources and regulating the amount of pollutants they release, while adaptation focuses on using resources to reduce the damage caused by already emitted pollutants. Domestically, efforts are directed towards identifying various air pollution sources and applying tailored strategies to reduce final emissions. Concurrently, efforts are made to analyze the quantity and quality of pollutants that domestic forests can absorb and to manage these forests accordingly. In the first chapter of this study, the effectiveness of policies applied to transportation sources in the Seoul Capital Area was quantitatively analyzed. The study period spanned from 2000 to 2019, during which scenarios with and without policy interventions were compared. Additionally, emission scenarios for 2030 and 2050 were simulated based on current management plans such as vehicle scrappage and the transition to eco-friendly vehicles. The analysis revealed that, without current air pollution management policies, emissions would have increased by approximately 64% for NO2, 93% for PM10, and 91% for PM2.5. The differences in emissions among pollutants were attributed to the differences between gasoline and diesel vehicles and the pollutants they emit. Spatial analysis of quantified pollutants identified emission hotspots, primarily in new town areas, all of which exhibited above-average emission levels. Despite green space planning aimed at environmental protection and improving urban living conditions, these areas had high emissions due to their emphasis on traffic accessibility. Future scenario analysis indicated that policy effects would become more pronounced by 2050, with the transition to eco-friendly vehicles showing a greater reduction in emissions compared to the scrappage scenario. The second chapter quantified the services provided by forests as sinks for air pollutants using various spatial data. The total and per-unit-area absorption capacities of different regions were compared. Gyeonggi province, with the largest area and extensive forest regions, showed the highest overall absorption, while Seoul demonstrated the highest absorption efficiency per unit area. This suggests that forests closer to major emission sources, such as Seoul, have higher absorption efficiencies. Age-class analysis showed that forests in the 4th age class had the highest total absorption, followed by the 5th and 3rd age classes. Per-unit-area absorption efficiency analysis revealed that, while efficiencies were similar across age classes 1 to 4, they began to increase from the 5th age class, with NO2 peaking at the 6th age class and PM10 and PM2.5 peaking at the 7th age class. Unlike previous studies on greenhouse gas absorption, which suggested that older trees absorb less efficiently, this study found that forests up to the 6th or 7th age class were effective at absorbing air pollutants. The third chapter integrated the findings from the previous chapters to propose strategies for future air pollution management. The spatial analysis examined differences in absorption capacities between protected and non-protected areas, classifying target areas into emission sources requiring priority management, sinks requiring priority management, and sinks needing protection. Sinks requiring priority management were identified as forests within the significant distance thresholds for each pollutant (7 km for NO2, 2 km for PM10, and 7 km for PM2.5). Priority protection sinks were those with high absorption rates but currently not designated as protected areas, yet adjacent to protected zones. The analysis confirmed that protected areas had higher absorption efficiencies and were mostly categorized as national, provincial, or municipal parks. Parks, located near urban areas, were ideal absorbers due to their proximity to emission sources and minimal human interference. Additionally, emission hotspots identified in Chapter 2 lacked nearby high-absorption forests, underscoring the need to maximize green spaces in new towns to counteract increasing emissions. Finally, all regions were classified into 'High emission, Large sink zones', 'High emission, Small sink zones', 'Low emission, Large sink zones', and 'Low emission, Small sink zones' for targeted analysis and strategy development. This study quantitatively assessed the effects of policies by simulating scenarios without air pollution management, spatially detailed the resultant emissions, and projected future emissions based on different scenarios. It also analyzed the air pollution mitigation capabilities of forests by species and age class. The integration of these results to develop comprehensive strategies is significant, providing foundational data for future emission source and sink management and integrated strategy formulation.

여수·광양국가산업단지 인근지역의 COVID-19 전·후 대기오염물질 농도 변화

김민영 순천향대학교 일반대학원 2023 국내석사

Objectives : The purpose of this study was to compare the concentration of air pollutants before and after COVID-19 in the area near Yeosu and Gwangyang national industrial complex, and to find out how weather factors, separation distance to the national industrial complex, and data before and after COVID-19 affect the concentration of air pollutants, which can be used as a basis for preparing measures to improve air quality. Methods : Through the ministry of environment's Air Korea and the meteorological data opening portal, 463,994 air pollutant concentration data and temperature, humidity, wind speed, and wind direction data from 2017 to 2022 measured at 13 monitoring stations in the Yeosu and Gwangyang national industrial complex were collected, and air pollutant concentration changes and their effects on air pollutant concentration were analyzed. Results : All air pollutant concentrations in both regions except O3 in the Yeosu national industrial complex decreased statistically significantly after COVID-19 (p<0.001), and seasonal air pollutant concentrations also decreased statistically significantly after COVID-19, except for O3 in the Yeosu national industrial complex and O3 in the fall and winter in the Gwangyang national industrial complex (p<0.001). As a result of the correlation analysis between air pollutants, O3, SO2, CO, NO2, in Yeosu national industrial complex and O3, CO, NO2 in Gwangyang national industrial complex showed a negative(-) correlation, and the rest of the air pollutants showed a positive(+) correlation. As a result of multiple regression analysis of the effect of factors on air pollutant concentrations in areas near the national industrial complex, it was found that weather factors, separation distance to the national industrial complex, and before and after COVID-19 had a significant effect on all air pollutant concentrations in both areas, it was found that the slower the wind speed and the closer the separation distance to the national industrial complex, the higher the concentration of air pollutants excluding O3 in both regions. In the case of wind direction in Yeosu national industrial complex, the concentration of SO2, CO, and NO2 increases significantly and the concentrations of O3, PM10, and PM2.5 decrease significantly as the wind blows mainly from the industrial complex toward the measuring station, in Gwangyang national industrial complex the concentration of air pollutants excluding O3, increased significantly as the wind blows mainly from the industrial complex toward the measuring station. Conclusion : Air quality in areas near Yeosu and Gwangyang national industrial complex improved after COVID-19, and weather factors, separation distance to the national industrial complex, and before and after COVID-19 were found to affect the concentration of air pollutants. This decrease in the concentration of air pollutants is estimated to be due not only to a decrease in domestic sources after COVID-19, but also to a decrease in transboundary air pollutants due to COVID-19 containment measures in China. 연구목적 : 여수·광양국가산업단지 인근지역의 COVID-19 전·후 대기오염물질 농도를 비교하고, 기상요인, 국가산업단지까지의 이격거리, COVID-19 전·후 자료가 대기오염물질 농도에 어떠한 영향을 주는지 알아보고자 하였으며, 이를 통해 대기질 개선을 위한 방안을 마련하는데 기초자료로 제공하고자 하였다. 연구방법 : 환경부 Air Korea와 기상청 기상자료 개방포털을 통해 여수·광양국가산업단지 영향권에 있는 13개의 측정소에서 측정된 2017년부터 2022년까지의 463,994개 대기오염물질 농도 데이터와 기온, 습도, 풍속, 풍향 자료를 수집하고, 대기오염물질 농도 변화와 대기오염물질 농도에 미치는 영향을 분석하였다. 연구결과 : 여수국가산업단지에서의 O3을 제외한 두 지역의 모든 대기오염물질 농도는 COVID-19 후에 통계학적으로 유의하게 감소하였으며(p<0.001), 계절별 대기오염물질 농도 또한 COVID-19 후 여수국가산업단지에서의 O3, 광양국가산업단지에서의 가을, 겨울 O3을 제외한 모든 대기오염물질 농도는 통계학적으로 유의하게 감소하였다(p<0.001). 대기오염물질 간의 상관관계 분석 결과, 여수국가산업단지에서의 O3과 SO2, CO, NO2, 광양국가산업단지에서의 O3과 CO, NO2는 음(-)의 상관관계, 나머지 대기오염물질들은 양(+)의 상관관계를 나타내었다. 국가산업단지 인근지역의 대기오염물질 농도에 미치는 요인의 영향을 다중회귀분석한 결과 두 지역 모두 기상요인, 국가산업단지까지의 이격거리, COVID-19 전·후가 모든 대기오염물질 농도에 유의한 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 풍속이 느릴수록, 국가산업단지까지의 이격거리가 가까울수록 두 지역의 O3을 제외한 대기오염물질 농도는 증가하는 것으로 나타났다. 여수국가산업단지에서의 풍향의 경우 산업단지에서 측정소 쪽으로 바람이 주로 불어오는 주풍향일수록 SO2, CO, NO2의 농도는 유의하게 증가하고, O3, PM10, PM2.5의 농도는 유의하게 감소하는 것으로 나타났으며, 광양국가산업단지에서는 O3을 제외한 대기오염물질의 농도가 산업단지에서 바람이 주로 불어오는 주풍향일수록 유의하게 증가하는 것으로 나타났다. 결론 : 여수·광양국가산업단지 인근지역의 대기질은 COVID-19 후에 개선되었으며, 기상요인, 국가산업단지까지의 이격거리, COVID-19 전·후가 대기오염물질 농도에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이러한 대기오염물질의 농도 감소는 COVID-19 후 국내 발생원이 감소하였을 뿐만 아니라 중국에서의 COVID-19 봉쇄 조치로 인해 월경성 대기오염물질이 감소했기 때문이라고 생각된다.

Association between concentration of air pollutants and prevalence of inflammatory sinonasal diseases : a nationwide cross-sectional study

최수정 Graduate School, Korea University 2022 국내석사

목적: 본 연구를 통해 대기오염 물질의 농도와 알레르기 비염과 만성 비부비동염의 상관관계를 평가하고자 하였다. 방법: 2008년부터 2012년까지의 국민건강영양조사(KNHANES)의 자료를 통한 횡단면 연구를 시행하였다. 대기 중의 대기오염 물질 농도는 환경부에서 제공하는, 대한민국의 16개의 지역에서 이산화황(SO2), 이산화질소(NO2), 오존 (O3), 그리고 직경 10µm 미만의 미세먼지(PM10)의 농도를 측정한 자료를 이용하였다. 알레르기 비염과 만성 비부비동염의 유병률은 국민건강영양조사의 설문지의 답변 항목을 통해 평가하였으며 연간 평균 대기오염 물질의 농도를 각 참가자의 거주지와 연관시켜 분석하였다. 추가적으로 이비인후과 의사에 의해 시행된 내시경적 소견과 혈중 면역글로불린 E(IgE) 수치를 추가 분석하였다. 통계 분석을 위해 다변량 로지스틱 회귀모델을 사용하였다. 분석결과: 2008년부터 2012년까지 국민건강영양조사의 대상이 된 34,670명의 성인 중 27,863을 대상으로 분석을 시행하였으며 그 중 알레르기 비염 관련 분석에는3,359명이, 만성 비부비동염 분석에는 1,606명이 각각 대상이 되었다. 다변량 로지스틱 회귀분석에서 알레르기 비염의 유병률과 PM10 이 통계적으로 유의미한 상관관계가 있는 것으로 나타났다. (Odds ratio [OR]=1.014, 95% confidence interval [CI]=1.004-1.024). 만성 비부비동염의 유병률과 대기오염 물질 사이에는 유의미한 상관관계가 나타나지 않았다. 알레르기 비염 환자에서는 PM10 과 내시경 소견 중 수양성 비루 항목이 통계적으로 유의미한 연관이 있는 것으로 보였으며(OR=1.038, 95% CI=1.018-1.059), SO2는 창백한 점막과 연관이 있는 것으로 나타났다(OR=1.202, 95% CI=1.100-1.313). 혈 중 면역글로불린(IgE) 수치는 Total IgE와 Specific IgE 모두 대기오염 물질의 농도와 유의미한 상관관계를 보이지 않았다. 결론: 대한민국 전국 인구를 대상으로 시행한 연구 결과에서는 알레르기 비염의 유병률과 PM10의 농도는 통계학적으로 유의한 연관성이 있는 것으로 나타났다. 알레르기 비염 환자에서 PM10의 농도와 수양성 비루 역시 연관이 있는 것으로 보였다. 그러므로 알레르기 비염 환자는 PM10의 농도가 낮은 지역에서 사는 것이 도움이 될 수 있을 것으로 생각된다. Objectives: This study aimed to evaluate the association between the concentration of air pollutants and the prevalence of allergic rhinitis (AR) and chronic rhinosinusitis (CRS) among South Koreans. Methods: In this cross-sectional study, the nationwide scale data were reviewed for participants of the Korean National Health and Nutrition Examination Survey (KNHANES) in 2008 to 2012. The concentration of the air pollutants, sulfur dioxide (SO2), nitrogen dioxide (NO2), Ozone (O3), and particulate matter with aerodynamic diameters less than 10µm (PM10) were obtained from the data measured by the Korean Ministry Of Environment in 16 areas of South Korea (6 metropolitan cities, 9 provinces, and Seoul). The prevalence of AR and CRS were checked by the questionnaires in KNHANES. The yearly average air pollutant concentration was matched to each participant’s residence for analysis. Additionally, endoscopic findings by otolaryngologists, such as pale mucosa and watery rhinorrhea, and serum immunoglobulin E (IgE) levels were analyzed. Statistical analysis by multivariable logistic regression models were performed. Results: Among 34,670 adults in KNHANES from 2008 to 2012, 27,863 participants were eligible. 3,359 and 1,606 participants had AR and CRS, respectively. In multivariable logistic regression analysis for AR, PM10 showed statistically significant result (odds ratio [OR]=1.014, 95% confidence interval [CI]=1.004-1.024). For the prevalence of CRS, no air pollutants showed statistically significant result. In participants with AR, PM10 (OR=1.038, 95% CI=1.018-1.059) was associated with the endoscopic finding of watery rhinorrhea and SO2 (OR=1.202, 95% CI=1.100-1.313) was associated with the endoscopic finding of pale mucosa. Serum IgE levels of AR participants, either total or specific, did not show significant relationship to the air pollutants. Conclusion: When investigated for the nationwide South Korean population, the prevalence of AR showed statistically significant association with PM10 concentration. In AR patients, endoscopic finding of watery rhinorrhea was associated with PM10. Therefore, patients with AR may benefit from living in an area where there is little air pollution with PM10.

패널모형을 이용한 도시 대기오염 배출 공간밀도가 대기오염물질 농도에 미치는 영향

백종인 충북대학교 2020 국내박사

대기오염은 급격한 도시화의 환경적 결과이며 다양한 건강 분야에 부정적 영향을 미친다(Yang et al. 2014). 대기오염물질의 배출과 대기 질은 기후, 지형 등과 같은 자연적인 요소, 산업과 교통 등 다양한 오염원, 사회경제적 요인에 의해 영향을 받는다. 대기오염은 도시 토지이용 패턴과 밀접하게 연관되어 있으며 (Tian et al. 2019), 토지이용의 분포와 형태는 인간 활동의 공간적 분포에 영향을 미침으로써 대기 질에 영향을 미친다(Wei·Ye, 2014). 도시계획적 측면에서 도시화와 고밀화가 환경에 미치는 영향은 주요 논쟁거리이다(Hassan·Lee, 2015). 선행 연구에서는 토지이용 및 도시구조가 대기오염에 미치는 영향이 상당 부분 확인되었지만, 토지이용 및 도시구조의 제한된 측면만을 고려하는 한계가 있다. 토지이용 측면에서 대부분의 연구들이 토지이용별 면적과 면적 비율 등을 활용하여 대기오염에 대한 영향 관계를 분석하고 있다. 도시 구조적 측면의 선행연구는 도시 확산(sprawl)/압축(compact) 지표(밀도, 거리 네트워크, 복잡성 등)와 대기 질과의 관계를 살펴보는 연구가 진행되었다. 이는 도시의 다양한 대기오염원 중 교통과 관련된 선 오염원인 자동차, 도로, 통행량 유발 등과의 관련성을 설명하는 데 초점을 맞추고 있다. 인구 밀도와 개발 강도(development intensity)가 도시 확산의 또 다른 핵심 지표(Breitschaft·Debbage, 2013)임을 감안할 때, 대기오염 배출원별 개발(영향) 강도를 나타낼 수 있는 밀도의 개념을 도입하여 토지이용 및 도시구조적 특성이 대기오염에 미치는 영향을 분석할 필요가 있다. 또한 대기오염 배출의 일반적인 원인을 살펴보면 기후 및 기상의 계절적 변화로 인해 대기오염물질의 배출 특성이 달라짐을 지적하고 있다. 또한 실증적 연구에서도 대기오염물질별, 지역별로 온도가 대기오염 농도에 미치는 영향에 차이가 나타났다. 따라서 전국적인 지역 단위에서 각각의 대기오염물질에 대한 기상 및 기후의 계절적(시간적) 영향을 종합적으로 분석할 필요가 있다. 한편, 대부분의 실증 연구는 최소 제곱 회귀 모델과 지리 가중 회귀 모델을 사용하여 토지이용 및 도시구조 특성이 대기 질이나 대기오염물질 배출과의 관련성을 분석하였다. 하지만 이러한 방법론은 계절적(시간적) 변수 처리에 있어서 한계가 있다. 본 연구의 목적은 도시 대기오염원 공간 밀도 특성이 도시 대기오염 농도에 미치는 영향을 분석하는 것이다. 이를 위해 본 논문은 대기오염 물질별로 영향요인의 차이를 종합적으로 규명하고 대기오염 농도에 미치는 시간적 영향(지역 내 차이)과 공간적 영향(지역 간 차이)을 반영하여 연구모형 및 가설검정을 하기 위해 통계적 기법인 패널모형을 이용하였다. 연구목적에 관한 연구가설은 다음과 같다. 대기오염배출원 공간 밀도 특성, 기상학적 특성, 황사 특성이 대기오염물질 농도에 미치는 영향이 대기오염물질별로 다를 것이다. 대기오염물질별 연구가설은 다음과 같다 1) 대기오염배출원의 총밀도 특성은 이산화질소 (NO2) 농도에 영향을 미칠 것이다. 2) 대기오염배출원 총밀도, 일사, 황사, 도시확산 (순인구밀도) 특성은 오존 (O3) 농도에 영향을 미칠 것이다. 3) 대기오염배출원 밀도와 황사 특성은 미세먼지(PM10) 농도에 영향을 미칠 것이다. 종속변수는 이산화질소 (NO2), 오존 (O3), 미세먼지(PM10)를 선정하였으며, 대기오염 농도 측정 값의 월 평균을 변수로 활용하였다. 분석의 공간 단위는 자료 구득이 가능한 35개의 시군구 지방자치단체이며, 시간적으로 2008년부터 2016년까지의 월별 패널자료를 구축하였다. 통제변수는 평균기온, 평균풍속, 월강수량, 일조율, 일조시간, 황사일수, 화력발전소와의 거리를 활용하였으며, 독립변수는 도시 대기오염 배출 공간밀도를 나타내는 총인구밀도, 1인당자동차등록대수, 총배출시설 밀도, 순인구 밀도, 순자동차 밀도, 순배출시설 밀도를 적용하였다. 이를 통해 도출된 연구 결과는 다음과 같다. 먼저, NO2의 경우, 지역 간 차이와 지역 내 차이가 모두 고려된 확률효과 모델이 채택되었다. 총인구밀도가 증가하면 NO2 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 1인당자동차등록대수가 증가할 때 NO2 농도는 증가하는 양의 관계가 존재하고 그 영향력은 더 큰 것으로 나타났다. 총배출시설밀도가 증가하는 경우에는 NO2 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 기상특성이 NO2 농도에 미치는 영향의 방향과 크기는 기상특성 분석모델과 크게 다르지 않음을 확인할 수 있다. 화력발전소 거리가 가까울수록 NO2 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 둘째로, O3에 대한 분석 결과, 1인당자동차등록대수가 증가할 때 O3 농도는 증가하는 양의 관계가 존재하는 것으로 나타났다. 총배출시설밀도가 증가하는 경우에는 O3 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 배출원 공간 밀도 변수를 투입하였을 때, 기상특성이 O3 농도에 미치는 영향의 방향과 크기는 기상특성 만 고려한 모델에 비해 평균풍속의 영향은 늘어나고 일조시간의 영향은 줄어드는 것으로 나타났다. 순인구밀도를 추가하여 분석한 결과, 순인구밀도가 감소할수록 O3농도가 증가하는 것으로 나타났다. 기상특성 중 황사 일수를 추가하여 분석을 실시한 결과, 황사일수는 O3에 미치는 영향이 유의하지 않은 것으로 나타났다. 하지만 황사일수가 통제됨으로써 배출원 구조 및 밀도가 반영된 모델에 비해 지역 간 설명력과 전체적인 설명력이 증가하였다. 지역 간 차이가 두드러지는 평균풍속과 배출원 구조 및 밀도 특성의 영향이 더욱 견고함을 확인하였다. 다시 말해, 황사일수의 오존에 대한 영향은 외부 영향이 통제됨으로써 지역 간 차이에 의한 설명력이 높아졌다. 배출원 구조 및 밀도가 O3에 미치는 영향에 있어서도 순인구밀도가 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며 1인당자동차등록대수와 총배출시설밀도 순으로 비중이 컸다. 마지막으로, PM10에 대한 분석 결과, 총인구밀도와 총배출시설밀도는 유의하지 않게 나타났다. 반면, 순인구밀도, 순자동차밀도, 순배출시설밀도는 모두 증가할수록 PM10 농도가 증가하는 양의 관계를 나타냈다. 또한, 기상특성 중 황사일수를 추가하여 분석을 실시한 결과, 황사일수는 PM10에 미치는 영향이 유의한 것으로 나타났다. 황사일수가 증가할수록 PM10 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 황사일수가 투입됨으로써 평균풍속의 PM10에 대한 영향력도 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 또한 황사일수가 통제됨으로써 통제되지 않은 모델에 비해 지역 간 뿐만 아니라 지역 내 설명력과 전체적인 설명력이 증가하였다. 이러한 사실을 통해 PM10 농도는 지역 간 차이가 두드러지는 배출원 공간 밀도 특성에 의해 양의 방향으로 강하게 영향을 받고 있다는 것을 확인하였다. 이러한 연구결과를 바탕으로 다음과 같은 정책을 제안하였다. 먼저, 이산화질소 (NO2) 관리를 위해서는 배출원의 구조적인 관리를, 둘째로, 오존 (O3)의 효율적인 관리를 위해서는 도시성장관리를, 마지막으로, 미세먼지 (PM10)관리를 위해서는 대기오염 배출원의 분산 및 밀도 관리, 도시지역에서의 효율적인 바람 관리 및 계획 기법 도입, 도시개발에 따른 미기후 및 대기오염 통합 영향 평가 체계 마련, 발전소 등과 같은 오염원 측정 지표 및 평가체계 개발, 개발 단계별 유형에 따른 대기오염 관리체계 구축 등과 같은 정책이 필요하다. 대기오염은 다양한 요인에 영향을 받는 매우 복잡한 과정이다. 따라서 향후 연구에서는 도시 대기오염에 대한 공간 수준별로 다양한 시공간적 영향요인들을 규명할 필요가 있다. 대기오염에 영향을 미치는 기상학적 특성뿐만 아니라 도시의 인구, 경제 등의 다양한 활동의 결과인 도시 특성의 다양성, 종합성을 고려한 세분화된 지표가 필요하다. 또한 거리(street) 단위부터 광역 단위까지 공간 위계별 시공간적 영향 요인 분석이 필요하다.

UAV와 공간정보기술을 활용한 농업지역 비점오염원 특성 분석

이승원 창원대학교 2019 국내석사

In environmental management programme, accurate information about the source of pollutions plays an important role in establishing appropriate environment management measures and plans. In order to obtain information on a wide range of the pollutants, satellite or aircraft images were actively conducted. However, due to limitations such as the acquisition cycle and the resolution of the image, it is difficult to apply them to the agricultural area where the variation pattern of the pollution source is irregular and the continuous management is required. To overcome these limitations, researches on UAV have been rapidly increasing in recent years as well as image sensor technology has also been developed. In addition, sensors that can acquire various image data such as multi-spectral and thermal infrared rays were commercialized through UAV technology. The purpose of this research was to make a subdivided land cover map which is easy to manage the pollutants after acquiring image data of agricultural area by using UAV equipped with RGB, multi-spectral and thermal infrared image sensor. In addition, the characteristics of the pollutants were derived base on various image data, and the possibility of extracting information of the pollutants was then confirmed by using image classification technologies. In this research, the ortho images generated by the UAV were largely used for two purposes. One was the RGB orthoimage which was used as the material of visual interpretation for the subdivision of the research area and the other was the orthoimage generated by the wavelength band to analyze the spectral characteristics of the land cover. In addition to the existing land cover items, the subdivided land cover map based on the RGB orthoimage newly added seven items that were deemed necessary for the management of the pollution source in the agricultural area such as farm waterway, windrow compost, etc. Therefore, the subdivided land cover map of this research site has the attribute information about 24 items in total, and has the current status information which is not contained in the subdivided land cover map provided by the environmental spatial information service. The mean value of the spectral information by land cover type was calculated by using the subdivided land cover and the orthoimage of wavelength band produced by this research as the input data of the zonal statistics. The spectroscopic characteristics of seven kinds of orthoimages such as Red, Green, Blue, Red Edge, NIR, TIR and NDVI were verified, and then the potential for extracting pollutants was investigated by supervised and non-supervised image classification. However, it was difficult to search for the characteristics of pollutants due to the similar spectral characteristics of the many pollutants' covering materials and it was confirmed that there was a limit to extract the characteristics of the pollution source with only spectral information. In order to overcome these limitations, it is necessary to develop an image classification method combining not only spectral characteristics but also various spatial factors such as height, square area, etc. 환경관리계획에서 오염원에 대한 정확한 정보를 취득하고 적합한 관리 대책을 수립하는 과정은 중요한 역할을 담당한다. 이에 광범위한 지역의 오염원에 대한 정보를 취득하기 위하여 위성 또는 항공기 영상을 다루는 연구가 활발하게 이루어졌다. 그러나 영상의 취득 주기 및 해상도 등의 한계점으로 인해 농업지역과 같이 오염원의 변화 패턴이 비정형적이며 지속적인 관리가 필요한 지역에 이를 적용하는데 어려움이 있었다. 이러한 한계점을 극복하고자 최근 수년간 UAV 기술에 대한 연구가 급속도로 증가하였고 영상 센서의 기술도 함께 발전하였다. 또한 다중분광 및 열적외선처럼 다양한 영상 자료를 취득할 수 있는 센서가 UAV 기술을 통해 상용화되었다. 이에 본 연구는 RGB, 다중분광 및 열적외선 영상 센서를 탑재한 UAV를 활용하여 연구 대상지인 농업지역의 영상 자료를 취득한 후 오염원 관리에 용이한 세분류 토지피복도를 제작하고자 한다. 또한 다양한 영상 자료를 기반으로 농업지역 오염원 중 비점오염원의 특성을 도출하고, 영상분류 기법을 활용해 비점오염원의 분류 가능성을 확인하고자 한다. 본 연구에서 활용한 UAV에 의해 생성되는 정사영상은 크게 두 가지 용도로 사용된다. 하나는 RGB 정사영상으로 연구대상지의 세분류 토지피복도 제작을 위한 육안 판독 자료로 사용하는 것이고, 다른 하나는 파장대별로 생성한 정사영상으로 토지피복의 분광특성을 분석하는 것이다. RGB 정사영상을 기반으로 제작한 세분류 토지피복도는 기존의 토지피복 항목 이외에도 농수로, 야적퇴비 등 농업지역의 오염원 관리에 필요하다고 판단되는 7가지 항목을 새로이 추가하였다. 이에 본 연구대상지의 세분류 토지피복도는 총 24가지 항목에 대한 속성 정보를 가지고 있으며, 현재 환경부에서 제공하는 세분류 토지피복도가 담고 있지 못한 현황정보를 갖추고 있다. 본 연구를 통해 제작된 세분류 토지피복도와 파장대별 정사영상을 구역통계 기법의 입력 자료로 사용하여 토지피복유형별 분광정보의 평균값을 산출하였다. Red, Green, Blue, Red edge, NIR, TIR, NDVI 등 7가지 종류의 정사영상에서 나타나는 분광특성을 각각 확인하였고, 감독 및 무감독 영상 분류 기법으로 오염원 추출 가능성을 검토하였다. 그러나 많은 오염원들의 피복 재질이 유사한 분광 특성을 보이면서 오염원의 특성을 탐색하는데 어려움이 있었고, 분광정보만을 가지고 오염원의 특성을 추출하는데 한계가 있음을 확인하였다. 이러한 한계점을 극복하기 위해서는 분광특성만이 아니라 높이와 면적 등 다양한 공간요소를 접목한 영상분류기법이 개발되어야 한다고 사료된다.

Evaluating Urban Air Quality Policy in Pakistan: A Transport Sector Perspective

Kakar Sanovia 인천대학교 대학원 2026 국내석사

Air pollution represents one of the rising environmental and health challenge in Pakistan particularly within urban centers where transport emissions is the major source. This study assesses the efficiency of urban air quality policies in Pakistan’s transport sector over the period 2000 to 2020. Moreover, highlighting trends in greenhouse gas (GHG) emissions and enforcement practices. Using secondary datasets from national and international databases, correlation and linear regression analyses were conducted to evaluate how vehicle growth influences major air pollutants, including PM₁₀, PM₂.₅, NOₓ, SOₓ, and VOCs. The results show strong positive correlations between vehicular growth and pollutants such as NOₓ, SOₓ, and VOCs (r &gt; 0.90), indicating persistent emissions despite policy interventions. The regression analysis shows that despite Pakistan’s air quality initiatives such as the Vehicle Emission Control Program (VECOP), Pakistan Clean Air Programme (PCAP), and National Electric Vehicle Policy (NEVP) designed to cut emissions. However, these initiatives remained less effective due to weak monitoring and implementation. South Korea is a good example of curbing emissions through modern monitoring systems, robust inter-institutional collaboration and proactive deployment of eco-friendly transport technologies. Pakistan still requires thorough implementation mechanisms, sustainable mobility initiatives and upgraded evidenced-based policy evaluation to align domestic and global environmental goals as its existing regulations have achieved only limited success in reducing emissions.