서 론
연구의 배경 및 목적
최근에 많은 도시에서 자주 발생되는 도시열섬현상, 폭우피해, 미세먼지 증가 등의 환경 문제에 대해서 도시의 녹화를 위한 식재 공간에 대한 중요성이 나날이 부각되고 있다. 공동주택 정원공간의 수목은 거주자에게 시각적 만족감을 주는 동시에 녹음을 통한 편안한 휴식처를 제공한다. 또한 건물 주변에 식재된 캐노피가 큰 수목은 주변 소음을 차단하고 하절기에 강한 일사를 차단하여 건물 저층부의 마감재 손상을 방지하고, 정원공간의 식물은 증산작용을 통한 주위 대기온도를 감소시켜 인접한 건물의 냉방에너지 저감에도 기여할 수 있다(문수영과 장대희, 2012; Simá1 et al., 2015; Mcpherson and Dougherty, 1989). 조경 식물에 있어 일조환경은 광합성에 필요한 핵심 인자로 조경 계획 및 유지관리에 있어 일조환경의 평가는 식재적합 판정에 중요한 기준이 된다. 따라서 본 연구의 목적은 기존 공동주택에서 식재된 교목 하부의 일조환경을 측정하고 평가하는 기법을 제시하여 공동주택 정원공간의 건강한 식재환경 조성에 기여하고자 한다.
연구의 방법
식재적합도 평가에 핵심 인자인 공동주택 정원공간의 천공율(SVF, Sky View Factor)와 교목의 엽면적 지수(LAI, Leaf Area Index)를 측정하기 위해 어안렌즈와 DSLR 카메라를 사용하여 안산시에 위치한 L아파트에서 2017년 6월 13일 오후 2시에서 4시 사이에 전천공사진을 촬영하였다. 전천공사진은 Hemisfer 프로그램을 이용하여 SVF와 LAI를 분석하였다.
공동주택에 주로 식재되는 단풍나무, 소나무, 벚나무 총 3종의 교목 하부의 정원공간을 측정하였다. 교목과 건물과의 이격거리를 측정하였고, 일사계를 사용하여 교목의 상·하부 일사량을 측정하였다. 측정 대상 수목의 위치는 건물의 영향이 적은 단지 중앙과 최남단 방향에 위치한 건물부터 1m, 5m 떨어진 정원공간이다.
태양 궤적도를 이용하여 전천공사진을 분석하여 계산된 천체 전공면적에 직사광이 유입되는 비율을 나타내는 직사 광합성 광량자속 밀도비(DPR, Direct Photosynthetic photon flux density Ratio)와 표준기상데이터의 기상 자료를 통하여 교목 하부의 월간 누적 광합성 광량자속밀도(PPFD, Photosynthetic photon flux density)변화를 제시하였다.
식재적합도 평가를 위한 전천공사진 측정법
전천공사진 촬영법
어안렌즈는 대각선어안과 원형어안의 두 종류가 있다. 식재적합도 평가에 있어 불필요한 작업과 측정 오차의 감소를 위해서는 원형어안 렌즈를 사용하여 이미지상에 동일한 원형 고리가 생성되도록 해야 한다. 또한, 신뢰성 높은 데이터를 수집하기 위해서 나침반을 사용하여 자북 위치에 카메라를 수평면에 평행하게 위치시키고 렌즈 초점거리를 고정한 후 수직방향으로 촬영해야 전천공사진에 정확한 위치에 태양궤적도가 생성된다. 교목 하부에서의 SVF는 일반적으로 관목류 높이인 1m에서 촬영을 실시한다. 정원에 식재된 교목의 식재 적합 판정 및 교목 하부에 식재된 초본, 관목 생장에 필요한 광량 분석에 핵심 변수인 교목 상부의 SVF는 교목 캐노피의 꼭대기 높이에 태양의 방위각과 고도각, 교목의 캐노피 둘레를 고려하여 최대한 가까운 위치에 카메라를 위치시키고 측정해야 측정 오차를 감소시킬 수 있다. 또한 정확한 LAI를 측정을 위해서 카메라의 노출 보정이 필요하다(Schieppi et al., 2007). 일반적으로 DSLR 카메라는 빛을 감지하여 자동적으로 노출을 조절하는데 LAI가 2이하일 때는 문제가 없다. 하지만, 노출을 자동으로 설정하고 엽밀도가 높은 교목 하부를 촬영하면 카메라는 유입되는 빛을 자동으로 보상하여, 어두운 캐노피 잎들 사이의 틈을 통해 투과된 빛이 과도하게 계산되어 실제보다 LAI가 낮아지는 우려가 있다. 이를 방지하기 위해 Table 1과 같이 교목의 수종에 따라 예측되는 LAI를 통해 노출 보정을 실시하거나 Figure 1과 같은 노출 계산 프로그램을 이용하여 카메라를 설정하고 촬영하도록 한다. 그리고, 카메라의 과다노출로 인한 교목의 작은 잎들 또는 잔가지가 사라지게 되는 블루밍 효과(blooming effect)를 방지하기 위해서는 이러한 블루밍이 생성되지 않는 조건에서 가장 높은 노출을 설정하고 촬영하도록 한다(Thimonier et al., 2010).
본 연구에서 전천공사진 촬영에 사용된 장비는 어안렌즈(Canon EF 8-15mm Fisheye USM)와 GPS 수신기(Canon GP-32)가 결합된 DSLR카메라(Canon EOS 5D Mark III)이다. 거리 측정기(Bosch GLM-50)를 이용하여 건물과의 이격거리와 높이에 대한 위치를 정보를 수집하였고, 일사계(Almemo FLA 613-GS)를 사용하여 교목의 상·하부의 일사량을 측정하였다.
LAI 측정법
LAI는 한 군락(群落)의 총 엽면적을 그 군락의 연직하방의 투영면적으로 나눈 값으로 정원공간의 하부 일조 평가를 위하여 교목 캐노피의 광차단 효과를 분석하는 데 있어 핵심 변수이다(Chen et al., 2012). 이러한 LAI의 측정방법에는 직접측정법과 간접측정법이 있다. 직접측정법은 수확법(Harvesing method)과 비수확법이 있고, 수확법에는 파괴 표본 검사(destructive sampling)가 있고, 비수확법에는 리터트랩(litter trap)으로 낙엽을 수집하여 엽면적비(SLA,Specific Leaf Area)와 엽건물중(Leaf dry mass)을 측정하여 LAI를 추정하는 방법이 있다(Chason et al., 1991).
간접측정법은 잎을 파괴하지 않고 LAI를 추정하는 방법으로 다림추를 이용하는 접촉식과 광학센서 혹은 어안렌즈를 사용하는 비접촉식 방법이 있다. 직접측정법은 간접측정법에 비해 측정대상의 면적이 넓을 경우 측정에 필요한 소요시간이 길어지고, 비용이 커진다. 따라서 대규모 공간에 식재된 교목의 LAI 분석에는 간접측정방식이 널리 사용된다(Jonckheere et al., 2004). 본 연구에서는 간접측정방식인 전천공사진 측정법을 이용하여 LAI를 측정하였다.
Table 2에 따르면, 간접측정방식을 이용한 상용 LAI 측정기기들 가운데 전천공사진 측정법이 가장 이상적인 장비로 나타났다(Inge et al., 2003). 전천공사친 측정법은 교목의 수종에 관계없이 LAI 분석이 가능한 장점을 가진다(Rich, 1990).
전천공사진 분석법
Figure 2는 전천공사진의 각종 투영법 나타낸다. 일반적으로 SVF 분석에는 정사투영방법이 사용되고, LAI 분석에는 극사투영방법이 사용된다(Lang, 1987; Martin et al., 2011). 동일 조건에서 촬영한 전천공사진은 어안렌즈의 투영방식과 렌즈특성에 따라 계산되는 SVF의 면적이 달라질 수 있기 때문에 사용렌즈의 특성 파악이 우선적으로 필요하다(Kristina, 1995). 대부분의 상용 어안렌즈는 극사투영 또는 등각투영방식이기 때문에 SVF와 LAI 측정을 위해서 적절한 이미지 보정이 필요하다(Frazer et al., 1997).
Figure 3은 Photoshop software를 이용하여 전천공사진의 투영방법을 변환하기 위한 보정법을 나타낸다. SVF 분석을 위하여 이미지 보정에 보편적으로 널리 이용되는 Photoshop을 이용하여 렌즈 특성에 맞는 이미지 왜곡으로 투영각도를 조절하여 이미지 내 모든 픽셀들을 이동시켜 정사투영 이미지를 생성한다. 보정된 전천공 사진은 Hemisfer 프로그램을 이용하여 RGB값과 Threshold 감도를 조정하여 모든 픽셀을 흑색과 백색으로 변환시켜 SVF와 LAI를 분석한다. 이때 Threshold 감도는 픽셀의 밝기의 평균값들의 중간값을 찾아서 자동적으로 계산된다(Nobis and Hunziker, 2005).
Figure 4는 Hemisfer 프로그램을 통한 SVF와 LAI 분석과정을 나타낸다. 전천공사진에는 GPS 수신기를 통하여 수집된 위도, 경도, 고도의 위치 정보가 자동으로 저장된다. 이를 통해 태양의 적위, 고도각을 계산한 후, 측정대상지에 대한 정보를 Hemisfer에 입력하면, 위치, 시간, 기하학적 정보를 토대로 태양 궤적도가 생성된다. 이를 바탕으로 시간변화에 따라 태양궤적도가 흰색 픽셀로 나타나는 천공 위에 1/2이상 노출되었을 때 카운트되는 방식으로 해당 측정대상지의 시간변화에 따른 DPR이 계산된다. 또한 Hemisfer는 운량을 고려한 담천공 모델(overcast sky model)을 적용하여 일조시간과 DPR이 계산된다(Steven and Unsworth, 1980). 본 연구에서는 표준 담천공(SOC, Standard Overcast Sky) 모델에서 매개변수 b는 대부분의 측정대상지에서 일반적으로 사용되는 디폴트값인 1로 설정하고 분석을 실시하였다. 전천공사진의 흑백 픽셀을 분석하여 SVF와 LAI이 계산되고, 분석하고자 하는 설정기간 동안의 일조시간과 DPR이 계산된다. Hemisfer는 최초의 LAI 분석도구로써 사용법이 간단하고, 결과 생성 파일이 Excel 파일로 저장되어 데이터 분석에 필요한 자료의 추출, 이동, 그래프 작성 등이 용이하여 그 활용도가 높다고 할 수 있다.
결과 및 토의
Table 3은 측정 대상 교목의 특성을 나타낸다. 활엽수인 단풍나무, 벚나무의 수형은 모두 구형이고, 침엽수인 소나무의 수형은우산형이다. 벚나무의 수고와 수폭은 각각 4.98m, 3.47m로 가장 크게 나타났고, 소나무는 2.37m, 1.46m로 가장 작게 나타났다.
측정대상 교목의 상․하부를 일사계를 통해 측정한 결과는 Table 4와 같다. 단풍나무, 벚나무, 소나무의 상부 일사량은 각각 469.3W/m2, 554.7W/m2, 428.8W/m2로 나타났고, 하부는 62.5W/m2, 35.0W/m2, 129.0W/m2로 나타났다. 벚나무의 광차폐율이 93.7%로 가장 높게 나타났고, 단풍나무가 85.6%, 소나무가 69.9%의 순으로 나타났다.
Figure 5는 현장측정에서 LAI와 SVF를 분석한 결과이다. LAI는 수고, 수폭이 가장 큰 벚나무가 3.72로 가장 높게 나타났고, 수고, 수폭이 가장 작고, 엽밀도가 낮은 소나무가 1.21로 가장 낮게 나타났다. 단풍나무는 벚나무보다 낮은 2.43으로 나타났다. 이는 벚나무의 수고가 단풍나무보다 더 높고, 엽밀도가 조밀하여 흑백 픽셀의 갭이 더 작아서 빛을 더 많이 차단시킨 결과로 사료된다. SVF는 건물과 1m 떨어진 곳에서 측정하였을 때 0.49로 나타났고, 단지 최외각 건물에서 5m 떨어진 곳에서는 0.84로 높게 나타났다. 건물과 이격거리가 10m이상 떨어진 단지 중앙에서의 SVF는 0.76로 나타나, 도로가 접한 단지 최외각 정원공간보다 오히려 낮게 나타났다. 가장 높은 SVF와 LAI가 나타난 벚나무는 잎이 하늘의 대부분을 가려서 오히려 벚나무 하부에서의 SVF가 0.11로 가장 낮게 나타났다. 단지 중앙에 식재되어 주변 건물에 영향을 덜 받는 단풍나무 하부의 SVF는 0.42로 가장 높게 나타났고, 소나무 하부는 잎에 의한 차폐에 의해 SVF가 상부보다 0.36이 감소한 0.13으로 나타났다.
Table 5은 표준기상데이터를 이용하여 교목하부의 월별 누적 PPFD를 계산한 결과이다. Hemisfer를 이용하여 전천공사진을 분석을 한 결과, 평균 DPR이 단풍나무 하부 정원공간에서는 0.412, 벚나무 하부는 0.064, 소나무 하부는 0.107로 나타났다. 표준기상데이터로부터 시간변화에 따른 수평면 전천일사량에 Hemisfer의 내장 알고리즘을 통해 계산된 직달 성분비인 DPR을 곱하여 교목 하부의 전천일사에서 직산 분리된 직달일사량을 구한 다음 태양광 조건의 PPFD 변환계수 4.57을 곱하여 PPFD로 변환하여 월별 누적 PPFD를 산출하였다. 그 결과 단풍나무, 벚나무, 소나무 하부 정원공간의 연간 누적 PPFD는 각각 2,513,055µmol/m2·s, 390,379µmol/m2·s, 652,663µmol/m2·s로 나타났다.
결 론
본 연구에서는 공동주택 정원공간에 건강한 식재환경을 조성하기 위하여 전천공사진 측정법을 사용하여 교목 하부의 초본, 관목류의 식재적합도 평가를 위한 핵심인자인 공동주택 단지의 SVF와 교목의 LAI를 분석하였다. 그리고 식물의 식재 적합 판정에 있어 교목이 식재된 정원공간의 일조환경을 평가하기 위하여 표준기상데이터로부터 일사량 데이터에 DPR을 곱하여 월별 누적 PPFD를 분석하였다.
아파트 건물들 가운데에 위치한 정원공간에 식재된 단풍나무 하부에 연간 유입되는 PPFD가 가장 높게 나타났고, 엽밀도가 높고, 수고와 수폭이 큰 벚나무 하부의 정원공간의 연간 PPFD가 가장 낮게 나타났다. 단풍나무 하부의 정원공간에는 양생의 초본, 관목류의 식재가 적합하고, 소나무 하부에는 중생의 초본, 관목류의 식재가 적합하고, 벚나무 하부에는 음생의 초본, 관목류의 식재가 적합한 것으로 사료된다.
향후 추가 연구를 통해 공동주택 정원공간에서의 PPFD 분포에 대한 데이터베이스가 확보되면 공동주택 정원공간의 식재계획에 있어 적정식재 선정 및 유지관리 부문에 크게 이바지할 것으로 기대한다.
