[논문 리뷰] Measuring Urban Sprawl Based on Massive Street Nodes and the Novel Concept of Natural Cities

Tao Jia, Bin Jiang|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 04.

Human Mobility and Location-Based Analysis참고 문헌 18인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 오픈스트리트맵의 대규모 스트리트 노드와 '자연도시'라는 새로운 개념을 사용하여 도시 확장 정도를 측정하는 새로운 방법을 제안한다. 자연도시란 도로 네트워크의 연속성에 기반한 지리적으로 정의된 도시 지역을 의미한다. 도시 면적 대 스트리트 노드 수를 그림으로 그려선형 회귀선을 기준으로 하여, 이 선 아래에 위치한 도시는 산발적 확장을 보이는 것으로 간주함으로써, 프랑스, 독일, 영국 간 표준화된 비교 분석이 가능해진다.

ABSTRACT

In this paper, we develop a novel approach to measuring urban sprawl based on street nodes and naturally defined urban boundaries, both extracted from massive volunteered geographic information OpenStreetMap databases through some data-intensive computing processes. The street nodes are defined as street intersections and ends, while the naturally defined urban boundaries constitute what we call natural cities. We find that the street nodes are significantly correlated with population of cities. Based on this finding, we set street nodes as a proxy of population to measure urban sprawl. We further find that street nodes bear a significant linear relationship with city areal extents. In the plot with the x axis representing city areal extents, and the y axis street nodes, sprawling cities are located below the regression line. We verified the approach using urban areas and population from the US census, and then applied the approach to three European countries: France, Germany, and the United Kingdom for the categorization of natural cities into three classes: sprawling, compact, and normal. This categorization sets a uniform standard for cross comparing sprawling levels across an entire country. Keywords: Street networks, openstreetmap, volunteered geographic information, GIS

연구 동기 및 목표

• 행정 경계에 의존하지 않고 데이터 기반으로 확장 가능한 도시 확장 측정 방법을 개발하기 위해.
• 자원봉사 지리정보(VGI)에서 유래한 도로 네트워크의 연속성에 기반한 지리적으로 일관된 도시 지역으로서 '자연도시'를 정의하기 위해.
• 도시 범위와 확장 정도를 정량화하기 위해 교차점과 끝점인 스트리트 노드를 인구의 대체 지표로 사용하기 위해.
• 전 국가 범위에서 일관된 정량 기준을 설정하여 도시를 산발적, 밀집형, 정상형으로 분류하기 위해.
• 미국 인구 조사 데이터를 사용하여 방법을 검증하고, 이를 바탕으로 프랑스, 독일, 영국 3개 유럽 국가에 대해 비교 도시 분석을 적용하기 위해.

제안 방법

• 대규모 지리 데이터셋을 처리하기 위해 데이터 집약적 컴퓨팅을 사용하여 오픈스트리트맵(OSM) 데이터에서 스트리트 노드를 추출한다.
• 도로 네트워크가 연결된 영역으로 구성된 연속적인 도시 지역으로서 '자연도시'를 정의하며, 그래프 기반 클러스터링을 사용해 도시 핵심지를 식별한다.
• 검증 데이터에서 관찰된 강한 경험적 상관관계에 기반해 스트리트 노드 수를 인구의 대체 지표로 사용한다.
• 도시 면적 대비 스트리트 노드 수를 그림으로 그려 정상적인 조건에서의 도시 성장에 대한 기준선이 되는 선형 회귀선을 생성한다.
• 회귀선 아래에 위치한 도시는 산발적 도시로 분류하고, 위에 있는 도시는 밀집형으로, 선 근처에 있는 도시는 정상형으로 구분한다.
• 프랑스, 독일, 영국에 이 방법을 적용하여 전 국가적 수준에서 도시 확장 정도 수준을 분류한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스트리트 노드 수는 도시 확장 측정에서 인구의 신뢰할 수 있는 대체 지표가 될 수 있는가?
• RQ2 행정 경계가 아닌 도로 네트워크 데이터를 사용해 도시 경계를 자연스럽게 정의할 수 있는가?
• RQ3 도시 면적과 스트리트 노드 밀도 사이의 관계는 무엇이며, 이를 통해 산발적 도시와 밀집형 도시를 어떻게 구분할 수 있는가?
• RQ4 전 국가 범위에서 일관된 정량 기반의 도시 확장 분류 기준을 적용할 수 있는가?
• RQ5 제안된 방법은 인구 조사 기반 데이터를 사용한 전통적 확장 지표와 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• 스트리트 노드 수는 도시 인구와 강한 유의미한 상관관계를 보이며, 이는 인구 규모의 대체 지표로 사용될 수 있음을 검증한다.
• 도시 면적과 스트리트 노드 수 사이에 선형 관계가 존재하여, 정상적인 도시 성장의 기준선을 형성한다.
• 면적 대비 노드 수 그림에서 선형 회귀선 아래에 위치한 도시는 효율적인 토지 이용이 이루어지지 않은 산발적 도시로 분류된다.
• 이 방법은 프랑스, 독일, 영국의 도시 영역을 일관된 기준으로 산발적, 밀집형, 정상형으로 세 가지 유형으로 성공적으로 분류하였다.
• 미국 인구 조사 데이터를 사용한 검증을 통해, 이 방법이 다양한 지리적 및 행정적 맥락에서 신뢰성 있고 확장 가능한 것으로 확인되었다.
• 자연도시 개념은 기존의 행정 경계보다 더 정확하고 객관적인 도시 경계 정의를 가능하게 한다.