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문제 정의
- 본 연구의 목적은 고정익 무인항공기를 이용한 노천 광산 지형측량 기술을 강원도 삼척시에 위치한 쌍용자원개발(주) 신기사업소 석회석 노천광산을 대상으로 현장실증하는 것이다. 고정익 무인항공기 중 하나인 스위스 SenseFly의 eBee를 이용하여 연구지역의 항공사진 촬영을 수행하고, 촬영된 영상들을 이용하여 정사영상 (orthomosaic image)과 수치표면모델을 제작하였다.
제안 방법
- 고정익 무인항공기 중 하나인 스위스 SenseFly의 eBee를 이용하여 연구지역의 항공사진 촬영을 수행하고, 촬영된 영상들을 이용하여 정사영상 (orthomosaic image)과 수치표면모델을 제작하였다. 4개의 지상기준점(ground control point, GCP)들에 대해고정밀 GPS를 이용하여 측정한 좌푯값들과의 비교를 통해 고정익 무인항공기를 이용한 측량 성과물의 정확도를 평가하였다.
- 본 연구의 목적은 고정익 무인항공기를 이용한 노천 광산 지형측량 기술을 강원도 삼척시에 위치한 쌍용자원개발(주) 신기사업소 석회석 노천광산을 대상으로 현장실증하는 것이다. 고정익 무인항공기 중 하나인 스위스 SenseFly의 eBee를 이용하여 연구지역의 항공사진 촬영을 수행하고, 촬영된 영상들을 이용하여 정사영상 (orthomosaic image)과 수치표면모델을 제작하였다. 4개의 지상기준점(ground control point, GCP)들에 대해고정밀 GPS를 이용하여 측정한 좌푯값들과의 비교를 통해 고정익 무인항공기를 이용한 측량 성과물의 정확도를 평가하였다.
- 지상기준점들의 좌표 측정을 위해 고정밀 GPS 장비인 Novatel의 SMART-V1을 이용하였다. 대공표식지의 중심점에 고정밀 GPS를 수직으로 위치시킨 후 약 1분간 위성신호를 수신하여 각 지상기준점들의 X, Y, Z 좌표를 측정하였다. WGS84 타원체와 Universal Transverse Mercator(UTM, 52N) 좌표계를 기준으로 측정된 지상 기준점들의 좌표를 표시한 결과는 Table 1과 같다.
- 3과 같이 설정하였으며, 비행고도는 주변 산지의 지형고도를 고려하여 300 m 이상으로 설정하였다. 또한, 촬영될 항공사진의 횡중첩도와 종중첩도는 각각 80%, 90%로 설정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 1 m × 1 m 크기의 대공표식지를 이용하여 연구지역 내에 4곳의 지상기준점들을 설치하였다(Fig. 1).
- 본 연구에서는 고정익 무인항공기 중 하나인 스위스 SenseFly의 eBee를 이용하여 쌍용자원개발(주) 신기사업소 6지구 작업장을 대상으로 노천광산 지형측량 기술의 현장실증을 수행하였다. 약 194 ha 크기의 연구지역에 대하여 지형측량을 수행하는 데 소요된 작업시간은 지상기준점 설치 및 고정밀 GPS를 이용한 좌표 측정에약 1시간, 고정익 무인항공기를 이용한 항공사진 촬영에 약 30분, 데이터처리에 약 8시간이 소요되었다.
- 강원도 삼척시에 위치한 쌍용자원개발(주) 신기사업소에서는 시멘트용 저품위 석회석을 두 곳의 채광장(5지구, 6지구)에서 노천채광 방식으로 생산하고 있다. 본 연구에서는 고정익 무인항공기 지형측량 기술의 현장 실증을 위해 신기사업소의 6지구 채광장을 연구지역으로 선정하였다. 연구지역의 크기는 약 1,000 m × 1,300 m 이며, 해발고도는 240 m-350 m이다.
- 연구지역의 약 194 ha 영역에 대하여 고정익 무인항공기를 이용하여 항공사진 촬영을 수행한 결과는 Table 3과 같다. 비행계획에 따라 총 288장의 항공사진이 촬영되었다. 촬영된 288장의 사진 중 37장은 산림 지역만 포함하고 있어 특이점 추출이 되지 않아, 특이점 추출이 가능한 251장의 항공사진들만 자료처리 시 사용하였다.
- 연구지역의 크기는 약 1,000 m × 1,300 m 이며, 해발고도는 240 m-350 m이다.
- 비행계획에 따라 총 288장의 항공사진이 촬영되었다. 촬영된 288장의 사진 중 37장은 산림 지역만 포함하고 있어 특이점 추출이 되지 않아, 특이점 추출이 가능한 251장의 항공사진들만 자료처리 시 사용하였다. 촬영된 항공사진들의 평균 공간해상도는 약 7 cm/pixel 로 나타났다.
- 항공사진 촬영을 위해 1200만 화소의 캐논 S110 RGB 카메라를 eBee에 탑재하였다. 탑재한 카메라는 비측량용 카메라이기 때문에 촬영된 항공사진을 보정하기 위해서는 내부표정요소에 관한 정보가 필요하다.
이론/모형
- 지상기준점들의 좌표 측정을 위해 고정밀 GPS 장비인 Novatel의 SMART-V1을 이용하였다. 대공표식지의 중심점에 고정밀 GPS를 수직으로 위치시킨 후 약 1분간 위성신호를 수신하여 각 지상기준점들의 X, Y, Z 좌표를 측정하였다.
- 무인항공기로부터 촬영된 항공사진들이 Postflight Terra 3D에 입력되면 다수의 영상들로부터 동시에 식별이 가능한 특이점(key point)들이 자동으로 추출된다. 추출된 특이점들은 지상기준점들의 좌표 정보를 반영하여 자동항공삼각법(automatic aerial triangulation, AAT) 에 의해 기하보정된다(Siebert and Teizer, 2014). 각각의 항공사진에서 특이점들의 기하보정이 완료되면, 연속하는 항공사진들 간의 비교를 통해 영상을 정합하여 정사영상을 제작할 수 있다.
- 현장에서 촬영된 항공사진의 자료처리를 위해 Postflight Terra 3D (ver 3.4)를 사용하였다(https://www.sensefly.com/ drones/postflight-terra-3d.html). Postflight Terra 3D는 Lee와 Choi(2015)의 연구에서 사용된 Pix4D mapper pro(http://pix4d.
성능/효과
- 연구지역에 설정한 4개 지상기준점들에 대하여 고정밀 GPS를 사용하여 지상에서 좌표를 측정한 결과(Table 1)와 고정익 무인항공기로부터 제작된 결과물들을 WGS84 타원체와 Universal Transverse Mercator(UTM, 52N) 좌표계를 기준으로 투영하여 추출한 좌표를 비교한 결과는 Table 4와 같다. 4개 지상기준점들의 위치좌표에 대한 평균 제곱근 오차(root mean square error, RMSE)는 X 방향에서 15 cm, Y 방향에서 2 cm, Z방향에서 14 cm 정도로 나타났다. 즉, 고정밀 GPS를 이용한 지상측량 결과와 비교할 때 상대적으로 약 15cm 내외의 오차를 가지는 것으로 분석되었다.
- 약 194 ha 크기의 연구지역에 대하여 지형측량을 수행하는 데 소요된 작업시간은 지상기준점 설치 및 고정밀 GPS를 이용한 좌표 측정에약 1시간, 고정익 무인항공기를 이용한 항공사진 촬영에 약 30분, 데이터처리에 약 8시간이 소요되었다. 기존에 해당 연구지역에서 연간 1회 정도 실시되었던 광파기를 이용한 지상측량 작업에 1주일 이상의 작업시간이 소요된 것과 비교할 때, 고정익 무인항공기를 이용한 지형측량은 작업시간 측면에서 매우 효율적임을 증명할 수 있었다.
- 연구지역에서 고정익 무인항공기를 이용하여 촬영한 251장의 항공사진들을 Postflight Terra 3D 소프트웨어로 자료처리한 결과 7 cm/pixel 해상도의 수치표면모델과 정사영상을 제작할 수 있었다. 측량성과물의 정확도 평가를 위해 연구지역에 설정한 4개 지상기준점에 대하여 지상에서 고정밀 GPS를 이용하여 측정한 좌푯값들과 무인항공기를 이용하여 측정한 좌푯값들을 비교한결과 지상측량 결과와 비교할 때 상대적으로 15 cm 내외의 오차를 가지는 것으로 분석되었다.
- 4개 지상기준점들의 위치좌표에 대한 평균 제곱근 오차(root mean square error, RMSE)는 X 방향에서 15 cm, Y 방향에서 2 cm, Z방향에서 14 cm 정도로 나타났다. 즉, 고정밀 GPS를 이용한 지상측량 결과와 비교할 때 상대적으로 약 15cm 내외의 오차를 가지는 것으로 분석되었다.
- 연구지역에서 고정익 무인항공기를 이용하여 촬영한 251장의 항공사진들을 Postflight Terra 3D 소프트웨어로 자료처리한 결과 7 cm/pixel 해상도의 수치표면모델과 정사영상을 제작할 수 있었다. 측량성과물의 정확도 평가를 위해 연구지역에 설정한 4개 지상기준점에 대하여 지상에서 고정밀 GPS를 이용하여 측정한 좌푯값들과 무인항공기를 이용하여 측정한 좌푯값들을 비교한결과 지상측량 결과와 비교할 때 상대적으로 15 cm 내외의 오차를 가지는 것으로 분석되었다. 이 결과는 ASPRS (1988)에서 지형도 작성을 위해 제시한 수평방향 최대 오차 30 cm(1:1200, map scale 기준)와 수직방향 최대 오차 25 cm(1:1000, map scale 기준) 수준을 만족하며, 무인항공기를 이용하여 지형측량을 수행했던 최근의 연구들(Turner et al.
후속연구
- 본 연구에서 사용한 고정익 무인항공기는 보급형 회전익 무인항공기에 비해 상대적으로 고가의 장비이지만, 넓은 지역을 신속하게 측량할 수 있기 때문에 대규모 노천광산 현장에서의 활용성이 높다. 또한, 1-2명 정도의 소수인력으로 운영이 가능하다는 장점이 있다.
- 또한, 1-2명 정도의 소수인력으로 운영이 가능하다는 장점이 있다. 향후에는 고정익 또는 회전익 무인항공기를 이용하여 획득한 노천광산의 측량 성과물들을 비교하는 연구와 실제 채광장의 생산성 맟 안전성 향상을 위해 이를 효과적으로 활용할 수 있는 방법에 관한 연구가 수행되어야할 것이다.
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