관찰 단위들간 특정한 공간 종속관계를 지닌 공간모집단에서 사각형의 칸들로 분할한 후 각 칸마다 하나의 표본점을 임의추출하여 관심 변수의 모수를 추정할 때 탐색 관찰조건을 만족하는 인접한 표본단위만을 추가 관찰하여 모수를 추정하는 적합탐색 추정 방법을 층화 공간표본설계에 적용시켜 보았다. 모의자료를 설정한 가상의 2차원 공간모집단을 층화 공간표본설계에 의해 층화시킨 후 적합 탐색 추정방법을 적용시켜 본 결과, 단순히 공간모집단을 분할하는 전통적인 공간표본설계보다 적은 수의 표본이 관찰되었으며, 효율성이 크게 감소하지 않는 결과를 얻음으로써 층화효과와 적합탐색 관찰효과가 동시에 존재하는 적절한 추정 결과를 얻을 수 있었다.
여러 통계작성기관에서 실시하는 대부분의 표본조사들은 하나의 표본을 통해 서로 다른 여러 항목들을 조사하는 다목적조사이다. 다목적표본설계에서 층화변수들은 다변량이고 또한 서로 이질적인 속성을 지니는 관심변수들을 종합적으로 고려해야 하므로 층화는 매우 복잡한 양상을 띤다. 본 연구는 K-평균군집법을 적용한 다변량 층화에서 이상점의 효과를 지적하고, 층화 단계에서 사전에 이상점을 고려할 것을 제안하는 연구이다. 농촌생활지표조사를 위한 표본설계의 사례를 통해 이상점을 고려한 층화의 효과를 실증적으로 보인다.
표본설계는 개체 혹은 집락을 층으로 나눈후 층별로 독립적으로 표본추출하는 층화추출을 종종 채택한다. 층화 전략은 크게 층구분과 표본할당으로 구성되는데 이는 조사연구에서 반복적으로 고려되는 중요한 주제이다. 조사연구에서는 층화다단추출 방식의 복합표본설계를 채택하고 있지만 층효과 혹은 층효율성과 관련하여서 표본론 교재들에서 주로 단순추출에 대해서 다루어지고 있다. 본 연구는 이단추출에 대한 기존 층효율성 측도를 살펴보며 설계효과모형을 적용한 추가적인 층효율성 측도들을 제안하였다. 제안된 측도들을 활용하여 제4기 국민환경기초조사의 고등학교 대상 표본설계의 층화전략에 대해 평가하였다.
이중추출에서 모평균 추정방법을 고찰하였다. 전통적으로 널리 쓰이는 비추정량과 회귀추정량 그리고 비례배분 및 Rao 배분을 한 후의 층화평균에 대하여 주어진 기대 비용에서 최적의 표본수, 최소분산 및 분산추정량을 살펴보았다. 또한 비추정 및 층화의 효과를 모두 내포하는 결합비 추정량을 제안하고 주어진 기대 비용에서 최적의 표본수 및 최소분산을 유도하였고 분산추정량을 구하였다. 그리고 제한된 모의실험을 통하여 비추정량, 층화평균 및 결합비 추정량의 효율을 비교하였다. 모의실험 결과 비추정량과 층화평균은 경우에 따라 효율이 다르게 나타난 반면, 결합비 추정량은 대체로 두 방법보다 효율이 우수하게 나타나 결합비 추정량이 이중추출에 유용하게 쓰일 수 있음을 보였다.
Journal of the Korean Data and Information Science Society
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제25권3호
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pp.523-531
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2014
설계효과는 새로운 표본설계를 계획하거나 기존 표본조사에 적용된 설계요소의 효율성을 평가하는데 널리 사용된다. 본 연구에서는 Gabler 등 (2006)이 제시한 설계효과모형을 층화이단집락추출의 표본설계로 이루어진 2013 식품소비행태조사에 응용하여 적용하였다. 조사결과를 통해 표본설계모형의 유용성과 적절성에 대해 논의하였다.
본 연구에서는 반복조사의 표본재설계에서 설계요소를 반영한 표본수 결정 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 다단추출과 층화다단추출 등에 적용할 수 있으며 시점간 모집단 구성 변화, 집락효과, 표본할당 등의 주된 설계요소가 갖는 표본오차에 대한 영향력을 구분하여 반영하므로 보다 전략적인 표본수 결정이 가능할 수 있다.
층화표본추출(stratified sampling)은 모집단을 구성하는 층에 대한 정보를 표본설계에 반영함으로써 추정량의 분산을 낮추기 위한 표본추출 방법으로, 표본배분 방안의 선택이 층화표본의 효과를 결정하는데 매우 중요한 요소이다. 전통적인 표본배분 방법으로는 비례배분법(proportional allocation)과 네이만배분법(Neyman alloction)이 주로 사용되는데, 이는 층별 추정량의 분산에 영향을 미치는 요인들을 표본 배분에 반영함으로써 전체 추정량의 분산을 최적화하기 위한 것이다. 이론적으로는 층크기(size of strata)만을 반영하는 비례배분법보다 층별 표준편차(standard deviation)를 함께 고려하는 네이만배분법이 추정량의 분산을 낮추는데 더 효과적임이 알려져 있다. 그러나 층별 표준편차에 대한 사전 정보가 모집단을 잘 반영하지 못하면 네이만배분법의 효과를 기대할 수 없으며, 특히 복수의 관심변수를 조사하는 다목적조사(multi-purpose survey)에서는 각 관심변수들의 층별 표준편차가 서로 다른 양상을 나타내기 때문에 네이만배분법이 적합하지 않다는 주장이 제기되기도 한다. 한편 표본조사에서는 조사단계에서 발생하는 무응답으로 인한 추정량의 편향을 제거하기 위해 응답률 보정 방법이 사용되는데, 이 또한 추정량의 분산에 영향을 미치는 주요한 요인 중에 하나이다. 그러나 전통적인 표본배분 방법은 응답률(response rate)을 감안하지 않기 때문에 층별 응답율에 차이가 크게 나타날 경우 층화표본에 의한 효과가 저하될 수 있다. 이에 본 연구는 층화표본추출에서 층간 응답률의 차이가 추정량의 분산에 미치는 영향을 살펴보고, 층별 응답률 정보를 표본설계에 반영하는 새로운 표본배분 방법을 제안하였다. 모의실험을 통해 확인한 결과 네이만배분법은 당초 표본배분 시에 적용한 층별 표준편차의 구조가 각 층의 응답률 보정과정에서 증가하는 분산을 반영하지 못하기 때문에 층간 응답률의 편차가 커질수록 효율이 저하되는 것으로 나타났다. 반면 층 크기와 층별 응답률을 함께 반영한 배분방법은 비례배분법에 비해 효율이 개선되며, 층간 응답률의 편차가 클수록 그 효과는 커진다. 특히 층별 응답률의 변동계수(coefficient of variance)가 층별 표준편차의 변동계수를 상회하는 경우는 네이만배분법 보다도 효율적인 추정량을 제공함을 확인하였다. 아울러 응답률을 반영한 배분방법은 기존 배분방법에 비해 각 층별 추정량을 보다 안정적으로 추정할 수 있기 때문에 층별 추정을 목적으로 하는 층화표본조사에서는 여타 추정방법보다 더 효과적이다. 층별 응답률에 대한 정보는 관심변수가 다르더라도 추출틀이 유사한 기존 조사의 결과를 활용할 수 있다는 점에서 표준편차에 비해 비교적 정보 수집이 용이한 장점이 있고, 다목적조사에서도 관심변수의 척도(scale)나 개수와 관계없이 적용 가능하기 때문에 활용도가 높을 것으로 생각된다.
지역별 계층별 주거실태 파악을 위한 주거 실태 및 수요조사의 새로운 표본설계는 전국 16개 시도별로 조사결과의 독립추계가 가능하도록 설계하는 것을 원칙으로 하여 총 45개의 층으로 층화한다. 조사의 표본오차 관리 대상 변수로 주택사용면적, 가구소득, 가구주 소득, 가구 생활비 등을 고려하여 표본규모를 결정한다. 각 지역의 표본크기는 기존조사의 결과 중 상대표준오차를 이용하여 결정하고 세부 층에 대한 표본배정은 가구 수의 제곱근비례 배정방법을 적용한다. 표본조사구의 추출은 조사구의 크기에 비례한 확률비례계통추출법으로 추출하고 계통추출에 있어서는 추출단위를 분류지표에 따라 정렬한 후 추출한다. 주택의 재건축, 재개발 등의 변화를 반영하기 위해 신규 아파트 단지를 고려하되 주택은 멸실에 대한 자료를 얻기 어렵기 때문에 신규 주택은 고려하지 않는다. 가중값은 설계가중값, 무응답 조정, 사후층화 조정의 과정을 통해 추정량과 분산 추정량에 이용한다. 추정의 효율을 살펴보기 위해 분산추정량의 설계효과를 계산한다.
본 연구에서는 농업 기본통계 조사 표본설계와 가축통계 조사 표본설계를 제안한다. 농업 기본통계는 시.군 단위의 통계를, 그리고 가축통계는 시.도 단위의 통계를 생산할 수 있도록 설계하였다. 두 설계 모두 현행 표본보다 표본수를 줄여 표본조사의 업무량을 줄였고, 이를 위해 시.군 단위의 층화(농업 기본통계)와 시.도 단위의 층화(가축통계)를 하였으며, 특히 가축통계에서는 유의표본과 전수조사가구를 선정하여 설계의 효과를 높였다. 그 밖에 연속조사임을 감안하여 표본관리 및 표본대체 방법을 언급하였다.
조사자료분석에 있어서 표본추정량에 대해 설계요소가 갖는 효율성은 단순확률추출과 비교한 복잡표본설계의 의한 표본추출이 주는 분산의 상대적 크기인 설계효과를 통해 평가할 수 있다. 설계효과의 유용성은 복잡설계요소의 함수형태로 표현될 수 있을때 극대화될 수 있다. 본 연구에서는 층화다단추출의 표본설계에서 적용될 수 있는 설계효과모형을 제시하였다. 제시된 설계효과모형은 기존 다단추출을 위한 Gabler 등 (1999, 2006)의 모형을 일반화한 것으로 층구조, 표본할당, 집락추출 및 불균등가중치 등의 설계요소들이 정도수준에 갖는 영향력을 함수식으로 명확히 나타내주고 있다. 이를 활용하면 사전에 기술된 추정정도를 얻기 위해 설정한 표본크기가 줄 수 있는 설계효과를 예측하는데 활용할 수 있다. 또한 사후적으로 표본설계의 개별 설계요소들이 표본추정량에 대해 갖는 효율성을 평가하는데 활용될 수 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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