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Spatio-temporal modeling approaches for urban health issues: COVID-19 and methamphetamine cases

도시 감염병 발생과 마약 확산에 대한 시공간적 접근

  • Changmin Im (임창민, 대학원 지리학과 인문지리학전공)

초록/요약

Chapter 1 provided a brief introduction of this thesis. This chapter included an overview of the major urban health issues under discussion: COVID-19 and methamphetamine. Chapter 2 reported local characteristics related to COVID-19 transmission in the Seoul metropolitan area. To identify the local COVID-19 characteristics, a geographically weighted lasso (GWL) was applied. GWL provided local regression coefficients, which accounted for the spatial heterogeneity of COVID-19 outbreaks. Chapter 2 illustrated demographic and socio-economic characteristics closely related to COVID-19 transmission in the Seoul metropolitan area. Chapter 2 provided that young adults, the Christian population, and subway commuters were the most significant local characteristics that influenced COVID-19 transmissions in the Seoul metropolitan area. Chapter 3 detailed the intertwined relationship between COVID-19 transmission and public transport in the Seoul metropolitan area. Chapter 3 identified the impact of subway ridership on COVID-19 transmission. Meanwhile, the Moran eigenvector space-time filtering (MESTF) methodology was applied to analyze COVID-19 incidence and its covariates. Chapter 3 revealed that most COVID-19 transmission in the Seoul metropolitan area was driven by contagious transmission. In addition, Chapter 3 also found that the subway was a significant vector of COVID-19 transmission, emphasizing the targeting of urban transportation to control the spread of infectious diseases. Chapter 4 introduced the first spatial analysis of illicit drugs in South Korea, focusing on methamphetamine use within the Seoul metropolitan area. Chapter 4 highlighted Gangnam-gu in Seoul and Jung-gu in Incheon as major hotspots for methamphetamine, linked with vibrant nightlife and international transport hubs, respectively. Chapter 4 employed geographical random forest (GRF) to examine the demographic, socio-economic and built environment, and crime-related factors related to methamphetamine use. Chapter 4 identified the local relationship between methamphetamine use and single households in Seoul, financial independence in Gyeonggi-do, and foreign populations in Incheon. Based on the results of Chapter 4, the implementation of locally targeted intervention policies must be required to prevent further methamphetamine use. Each studies from this dissertation have been published or submitted to public health journals: International Journal of Environmental Research and Public Health (Chapter 2: Im & Kim, 2021), Journal of Urban Health (Chapter 3: under review), and Social Science & Medicine (Chapter 4: under review).

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초록/요약

전 세계적으로 감염병 발생 및 마약의 확산의 위험이 급증하고 있다. 기술의 진보, 인구의 증가, 그리고 기후변화로 인해 감염병 발생 위험이 커졌으며, 동시에 마약이 빠르게 확산되면서 전 세계 도시민의 건강을 위협하고 있다. 도시는 인구 밀도가 높고 인구 이동이 많기 때문에 감염병 발생에 취약하다. 또한 도시는 많은 인구로 인한 높은 마약 수요와 함께 그 취득의 접근성도 높기 때문에 확산이 빠르게 이뤄진다. 코로나 19대유행과 전 세계적 마약의 확산은 도시의 감염병 발생 및 마약 확산에 대한 취약성을 잘 보여주고 있다. 도시 내 감염병 발생 및 마약의 확산은 도시민의 신체적, 심리적 건강을 직접적으로 위협할 뿐 만 아니라, 나아가 도시의 사회, 경제적 건강에도 타격을 준다. 따라서 도시민과 도시의 건강을 지키기 위해서는 도시 감염병 발생 및 마약 확산에 대한 효과적인 방지 전략이 필수적이다. 감염병 및 마약은 도시를 중심으로 확산되지만, 그 확산의 양상은 지역별로 상이한 공간적 이질성(spatial heterogeniety)을 보여준다. 이는 도시 내 지역이 갖고 있는 특성에 따라 지역별로 감염병 발생 및 마약 확산 양상은 차별적인 모습을 보이기 때문이다. 특히 지역마다 서로 다른 인구 구성, 사회, 경제적 조건 등의 차이는 감염별 발생 및 마약 확산 방식과 속도에 영향을 미쳐 공간적 이질성을 만들어낸다. 예컨대, 특정 지역에서는 상대적으로 청년 인구들이 많이 거주하여 인구의 이동이 활발해 감염병 확산 위험이 크지만, 청년 인구보다는 고령 인구가 많은 지역에서는 감염병 확산 위험은 상대적으로 낮을 수 있다. 마찬가지로 마약 투약 인구의 평균 연령을 고려할 때, 고령 인구보다는 청년 인구가 많은 지역에서 마약 확산이 더 빠르게 이뤄질 것이다. 또한 지역마다 서로 다른 경제적 수준, 교육 수준, 사회 인프라 수준 등은 감염병의 예방 및 대응 능력, 마약의 복용 경향 및 단속 능력에도 차이가 발생시키기 때문에 감염병 발생 및 마약 확산의 공간적 이질성을 강화시킨다. 따라서 감염병 발생 및 마약 확산을 효과적으로 방지하기 위해서는 공간적 이질성을 고려해야 한다. 즉 도시 내 지역별 인구구성, 그리고 사회, 경제적 배경 등을 고려한 지역 맞춤형 감염병 및 마약 방지 전략이 필요한 것이다. 특히 우리나라 수도권과 같이 여러 규모의 도시 지역이 결합된 대도시권의 경우, 지역별로 인구 구성, 사회, 경제적 배경이 매우 상이하기 때문에 보다 지역 특성에 맞춤화된 방지 전략이 필요하다. 그러나 현재 우리나라의 주요 감염병 및 마약 확산에 대한 방지 정책은 전체 수도권 지역에 걸쳐 표준화, 일원화된 하나의 정책만이 시행되고 있다. 이렇게 서로 다른 지역별 특성을 고려하지 못한 정책은 급증하고 있는 도시의 감염병 발생과 마약 확산의 위험에 효과적으로 대응하기 어렵다. 감염병 발생 및 마약 확산에 대한 지리정보시스템(Geographic Information System, GIS)을 활용한 시공간적 접근은 기존의 표준화, 일원화 된 방지 정책을 효과적으로 개선할 수 있다. 지리정보시스템을 이용한 도시 내 지역별 인구, 사회, 경제 데이터의 시각화 및 분석은 시시 각각 변화하는 감염병 발생 및 마약 확산의 원인과 양상을 파악하는데 용이하기 때문이다. 특히 공간적 이질성과 의존성(spatial dependence)을 함께 고려할 수 있는 시공간 모형(spatio-temporal modeling) 분석 방법론의 적용은 일반적 통계 분석 보다 신뢰할 수 있는 결과를 제공하며, 지역별로 차별적인 감염병 발생 및 마약 확산의 양상을 명확하게 이해 할 수 있게 한다. 따라서 도시 감염병 발생 및 마약 확산 연구에 있어서 시공간 분석을 통한 접근은 반드시 필요하며, 보다 효과적인 미래의 감염병 발생 및 마약 확산 방지를 도모한다. 이에 본 학위 논문은 세계에서 가장 인구가 밀집한 대도시권 중 하나인 대한민국 수도권을 연구지역으로 하여, 코로나19발생과 메스암페타민 확산을 각각 분석하였다. 특히 본 학위 논문은 다양한 시공간 통계 모형 방법론을 활용하여 코로나19 발생과 메스암페타민 확산에 대한 원인과 그 양상을 파악하고자 하였다. 이를 통해 보다 효과적인 도시 감염병 발생 및 마약 확산 방지 정책 수립에 있어 시공간적 접근 방식의 필요성과 우수성을 말해보고자 한다. 본 학위 논문은 5개의 장(Chapter)으로 구성되어 있다. 1장(Introduction)과 5장(Conclusion)을 제외한 2, 3, 4장은 독립적인 연구로 구성되어있다. 다음은 각 장의 요약 내용이다. 1장에서는 도시 건강(urban health)과 관련된 다양한 이슈(urban health issues)들을 다루며, 특히 현대 도시 건강에 위협이 되는 코로나19와 메스암페타민에 대해 집중적으로 조명하였다. 또한 의료지리학(medical geography)의 기본 배경과 특성, 그리고 의료지리학에서 시공간 분석의 중요성을 탐구하였다. 나아가 시공간 분석을 통해 의료지리학의 정책적 중요성을 강조하며, 본 학위 논문이 어떻게 도시 건강 증진에 기여할 수 있는지에 대하여 서술하였다. 2장은 코로나19 팬데믹 초기였던 2020년 1월부터 2021년 2월까지를 연구 기간으로 하여, 코로나19 전파의 인구, 사회, 경제적 요인을 분석하였다. 모형 분석에는 코로나19 전파의 공간적 이질성을 설명할 수 있는 지리가중라소(geographically weighted lasso)을 이용하였다. 연구 결과, 시기 별 차이는 있지만 수도권 코로나19 전파에 있어 청년 인구, 기독교 인구, 지하철 통근 인구가 주요한 요인임을 확인하였다. 특히 지역 별로 주요 전파 요인이 확연히 다르다는 것을 지리가중라소를 통해 확인하였다. 이에 따라, 효과적인 감염병 전파 확산 방지를 위해서는 표준화 된 방역 대책이 아니라 지역별로 코로나19 전파 특성에 맞는 맞춤형 방역 대책이 필요하다는 것을 강조하였다. 3장은 수도권 코로나 19 전파에 있어 인접(Contagious) 전파가 우세한지, 위계적(Hierarchical) 전파가 우세한지를 분석하였다. 서로 다른 공간가중행렬(spatial weight matrix)을 통한 비교 분석 결과, 인접 전파가 우세하였지만 위계적 전파의 영향력이 분명히 존재함을 확인하였다. 또한 모란 고유벡터 시공간 필터링(Moran eigenvector spatial filtering) 모형을 이용해 시기별로 코로나19 전파 요인의 변화를 분석하였다. 앞선 코로나19 전파 양상의 비교 분석 결과와 시공간 모형 분석 결과를 함께 고려 할 때, 수도권의 코로나19 전파에 지하철이 일종의 숙주 역할을 하며 큰 영향을 미쳤다는 것을 확인하였다. 따라서, 향후 미래의 감염병 발생 시 효과적인 방역 대책으로서 지하철에 대한 방역 대책을 우선할 필요가 있다고 강조하였다. 4장은 국내 최초의 마약 관련 공간 분석 연구로, 수도권의 메스암페타민 확산을 분석하였다. 핫스팟 분석 방법과 기계학습 모형 중 하나인 지리적 랜덤 포레스트(Geographical random forest) 기법을 적용하였다. 학스팟 분석 결과, 서울의 강남구와 인천의 중구가 메스암페타민 확산의 중심지역으로 확인되었다. 강남구는 대한민국 유흥문화 중심지로서 특징이 메스암페타민 확산과 관련이 있었으며, 중구는 인천항만, 인천공항 등 세계적인 물류 중심지로서의 특징이 메스암페타민 확산과 관련이 있었다. 지리적 랜덤포레스트 모형 분석 결과, 지역 별로 메스암페타민 확산 주요 요인이 다르다는 것을 확인하였다. 서울의 경우, 1인 가구 비율이 높은 지역이 메스암페타민 확산에 취약하다는 것을 확인하였다. 경기도 및 인천은 각각 재정자립도가 낮은 지역, 외국인 인구 비율이 높은 지역이 메스암페타민이 보다 쉽게 확산된다는 것을 확인하였다. 따라서, 메스암페타민과 같은 마약류에 있어서도 지역별로 서로 다른 특징에 최적화된 관리 및 단속 정책이 필요하다는 것을 강조하였다. 5장에서는 본 학위논문의 연구결과를 종합적으로 설명하며, 본 학위 논문이 도시 건강 증진에 어떻게 기여할 수 있는지에 대해 서술하였다. 또한, 연구의 한계점을 밝히고, 이러한 한계가 미래 연구에 어떤 기회를 제공할 수 있는지에 대해 논의하였다. 이 장은 향후 연구 방향을 제시하며, 본 학위논문을 바탕으로 더 발전할 수 있는 다양한 가능성을 모색하였다. 본 학위논문의 2, 3, 4 장의 연구들은 SCI 저널들에 개별적으로 출판 및 투고되었다. International Journal of Environmental Research and Public Health (Chapter 2: 출판완료; Im & Kim, 2021), Journal of Urban Health (Chapter 3: 리뷰 중), Social Science & Medicine (Chapter 4: 리뷰 중)

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목차

ABSTRACT i
국문초록 iii
PREFACE ix
감사의 글 x
TABLE OF CONTENTS xiv
LIST OF TABLES xvii
LIST OF FIGURES xviii
LIST OF ABBREVIATIONS xxi

CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
1. Urban health 1
2. Urban health issues 3
2.1. COVID-19 6
2.2 Methamphetamine 7
3. Medical geography in urban health issues 8
3.1. The role of medical geography in urban health 8
3.2. Spatio-temporal modeling in medical geography 11
3.3. Policy implications of medical geography 16

CHAPTER 2. LOCAL CHARACTERISTICS RELATED TO COVID-19 TRANSMISSIONS IN THE SEOUL METROPOLITAN AREA 18
1. Introduction 18
2. Data and Methods 22
2.1. Data 22
2.2. Methods 29
3. Results 32
4. Discussions 36
5. Conclusion 49

CHAPTER 3. SUBWAY RIDERSHIP AND COVID-19 TRANSMISSION IN THE SEOUL METROPOLITAN AREA: CONTAGIOUS OR HIERARCHICAL? 51
1. Introduction 51
2. Data and Methods 55
2.1. Data 55
2.2. Methods 60
3. Results 67
3.1. Identification of the dominant COVID-19 transmission 67
3.2. Space-time pattern of COVID-19 incidence 69
4. Discussions 81
5. Conclusion 86

CHAPTER 4. METHAMPHETAMINE SPREAD IN THE SEOUL METROPOLITAN AREA: GEOGRAPHICAL RANDOM FOREST APPROACH 88
1. Introduction 88
2. Data and Methods 91
2.1. Study area and data 91
2.2. Methods 95
3. Results 99
3.1. Hotspot analysis results 99
3.2. RF and GRF results 101
4. Discussions 111
4.1. Spatial patterns of methamphetamine use and its hotspots 111
4.2. Global and local factors of methamphetamine spread 115
5. Conclusion 120

CHAPTER 5. CONCLUSION 121

REFERENCES 125
APPENDICES 157
PUBLICATIONS 160

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