[논문]무인항공기를 이용한 해안선 변화 추출에 관한 연구

이강산; 최진무; 조창현

문제 정의

본 연구는 무인항공기를 이용하여 간조에서 만조에 이르는 시기의 항공영상을 수집하고, 이를 기반으로 조차에 의해 시계열적으로 변화하는 해안선을 추출하였다. 이처럼 단시간에 같은 지역을 주기적으로 촬영이 가능하다는 점은 무인항공기를 이용한 해안지형분석의 장점을 보여준다.
본 연구는 소형 무인항공기를 이용하여 항공영상을 촬영한 후 시계열적인 해안선 추출과 시간대별 해안선 변화량 추정을 목적으로 한다. 장기적인 해안선 변화의 경우 항공사진과 위성영상 등을 이용하여 많은 연구가 수행되어 왔으나, 단기간의 해안선변화는 원격탐사 플랫폼의 구조적인 한계점으로 인해 많은 연구가 이루어지지 못하였다.
본 연구에서는 가장 널리 활용되고 있는 대표적인 3가지 소프트웨어를 활용하여 정사영상 제작을 수행하였다. 왜곡이 보정된 영상은 상호표정을 통해 3차원 포인트 클라우드를 형성한다.
본 연구의 연구대상인 해안지형의 경우 복합적인 요인에 의해 영향을 받을 뿐 아니라 장기적인 연구가 필요한 분야이다. 이에 본 연구에서는 해안선 연구에 필요한 해안선 추출 및 분석을 위한 연구방법을 제안하고, 이를 사례지역에 적용하는 방법을 통해 지리학 분야에서 무인항공기를 이용한 해안 연구의 활용성을 검증하고자 한다.
이에 본격적으로 활용되고 있는 소형 무인항공기를 이용하여 단시간 내에 촬영이 가능한 모니터링 시스템을 제안하고, 이를 바탕으로 간조-만조에 이르는 시간대의 해안선 변화를 추정하는 연구를 진행하였다. 본 연구에서 활용한 연구방법은 기존 원격탐사 플랫폼의 문제점으로 지적되던 시간과 비용의 제약을 소형 무인항공기로 대체할 수 있고, 측량전문 사진기 대신 소형 디지털 카메라를 이용한 지형모니터링이 가능하다.

가설 설정

둘째, 관측 시기의 유연성이다. 전통적인 원격탐사 관측 플랫폼의 가장 큰 장점은 직접 조사에 의한 관측오차를 감소시키고 간접조사를 가능하게 하였지만, 관측 상 주기해상도가 길다는 한계점을 내포한다.
첫째, 관측 비용의 경제성이다. 무인항공기의 가격은 관련 기술의 발달과 수요의 증가로 하락하고 있으며, 무인항공기에 요구되는 오픈소스 하드웨어와 소프트웨어의 발전은, 과거 원격탐사 관측 플랫폼인 인공위성 및 유인비행기와 비교하여, 원격탐사 플랫폼으로서 무인항공기의 운용비용이 감소할 수 있는 주 요인으로 작용하고 있다.

제안 방법

구성된 영상자료를 바탕으로 영상 정합방법을 사용하여 정사영상을 제작하였다. 영상 정합을 수행하기 위한 전처리 단계에서는 소형 디지털 카메라가 갖는 영상왜곡을 제거하기 위해 렌즈 프로필을 이용한 왜곡 보정을 수행하였다.
정사영상은 촬영 시 무인항공기에 탑재된 GPS 좌표를 바탕으로 좌표계가 설정되어 있다. 보다 정확한 기하보정을 위해 연구지역에서 취득한 17개의 GCP를 바탕으로, 국토지리정보원의 정사영상을 참조하여 기하보정을 시행하였다. 기하보정 결과 약 0.
보정된 영상을 바탕으로 상호표정 과정을 수행하여 정사영상을 제작하였다. 현재 정사영상 제작을 지원하는 오픈소스 및 상용 소프트웨어는 약 40여개가 활용되고 있지만, 사용 목적에 따라 활용되는 소프트웨어가 다르다.
이에 본격적으로 활용되고 있는 소형 무인항공기를 이용하여 단시간 내에 촬영이 가능한 모니터링 시스템을 제안하고, 이를 바탕으로 간조-만조에 이르는 시간대의 해안선 변화를 추정하는 연구를 진행하였다. 본 연구에서 활용한 연구방법은 기존 원격탐사 플랫폼의 문제점으로 지적되던 시간과 비용의 제약을 소형 무인항공기로 대체할 수 있고, 측량전문 사진기 대신 소형 디지털 카메라를 이용한 지형모니터링이 가능하다.
본 연구에서는 소형 무인항공기를 이용하여 연구지역인 바람아래 해수욕장 지역의 항공영상을 촬영하고, 조차에 따라 변화하는 해안선의 추출과 시간별 변화량을 추정하였다.
최대간조시간인 오전 11시 30분을 기준으로 최대만조시간인 오후 17시 30분까지 1시간 간격으로 비행 및 촬영을 진행하였다. 소형 무인항공기인 IRIS+와 소형 디지털 카메라인 GoPro Hero3+를 활용하여 한 씬(Scene)당 200여장의 사진을 갖는 총 일곱 개의 씬을 구성하였다.
연구지역을 시계열적으로 촬영한 정사영상을 바탕으로 이미지 필터링 방법을 사용하여 해안선 경계를 추출한 후 래스터 이미지방식으로 구성된 해안선 경계를 벡터 형식의 선형데이터로 변환하였다. 이후 ArcGIS의 도구상자(Toolbox)에서 제공하는 지도학 도구(Cartography Tools)를 사용하여 선형 데이터의 노이즈를 제거하고, 연속적인 곡선형으로 해안선을 구축하였다.
구성된 영상자료를 바탕으로 영상 정합방법을 사용하여 정사영상을 제작하였다. 영상 정합을 수행하기 위한 전처리 단계에서는 소형 디지털 카메라가 갖는 영상왜곡을 제거하기 위해 렌즈 프로필을 이용한 왜곡 보정을 수행하였다. 이후 영상 정합은 사진측량학 이론 중 공액점을 기준으로 복수의 영상을 단일 영상으로 제작하는 영상 정합을 수행하였다.
영상 정합을 통해 생성된 일곱 장의 정사영상에 이미지 필터링 방법을 적용하여 시계열별 해안선을 추출하였다. 연구지역인 바람아래 해수욕장은 조위가 상승함에 따라 해안선이 빠르게 변화하는 특성을 보였다.
이후 영상 정합은 사진측량학 이론 중 공액점을 기준으로 복수의 영상을 단일 영상으로 제작하는 영상 정합을 수행하였다. 이를 위해 관련 오픈소스 및 프리웨어, 상용프로그램들을 사용하여 연구지역의 정사영상 품질을 비교하였다. 비교 결과, Agisoft Photoscan이 영상의 정확도와 구성 면에서 비교 우위에 있음을 확인하였다.
현재 정사영상 제작을 지원하는 오픈소스 및 상용 소프트웨어는 약 40여개가 활용되고 있지만, 사용 목적에 따라 활용되는 소프트웨어가 다르다. 이에 본 연구에서는 사진측량 분야에서 범용적으로 활용되고 있는 오픈소스 및 상용 소프트웨어를 비교하여 정사영상의 품질을 평가한 후 최종적으로 Agisoft Photoscan을 활용하여 총 7개의 정사영상을 제작하였다(그림 5). 정사영상은 촬영 시 무인항공기에 탑재된 GPS 좌표를 바탕으로 좌표계가 설정되어 있다.
연구지역을 시계열적으로 촬영한 정사영상을 바탕으로 이미지 필터링 방법을 사용하여 해안선 경계를 추출한 후 래스터 이미지방식으로 구성된 해안선 경계를 벡터 형식의 선형데이터로 변환하였다. 이후 ArcGIS의 도구상자(Toolbox)에서 제공하는 지도학 도구(Cartography Tools)를 사용하여 선형 데이터의 노이즈를 제거하고, 연속적인 곡선형으로 해안선을 구축하였다.
영상 정합을 수행하기 위한 전처리 단계에서는 소형 디지털 카메라가 갖는 영상왜곡을 제거하기 위해 렌즈 프로필을 이용한 왜곡 보정을 수행하였다. 이후 영상 정합은 사진측량학 이론 중 공액점을 기준으로 복수의 영상을 단일 영상으로 제작하는 영상 정합을 수행하였다. 이를 위해 관련 오픈소스 및 프리웨어, 상용프로그램들을 사용하여 연구지역의 정사영상 품질을 비교하였다.
이후 이미지 필터링을 통해 추출된 해안선을 USGS의 DSAS³⁾를 사용하여 분석하였다. DSAS는 기준선(Baseline)에서 시기별 해안선까지 접하는 수선을 만들고, 각 시기 해안선까지 시간에 따른 해안선의 변화량을 보여주는 소프트웨어이다(Thieler,2009).
연구지역 촬영은 해당 월 간조와 만조의 조차가 최대가 되는 1월 22일을 기준으로 수행되었다. 최대간조시간인 오전 11시 30분을 기준으로 최대만조시간인 오후 17시 30분까지 1시간 간격으로 비행 및 촬영을 진행하였다. 소형 무인항공기인 IRIS+와 소형 디지털 카메라인 GoPro Hero3+를 활용하여 한 씬(Scene)당 200여장의 사진을 갖는 총 일곱 개의 씬을 구성하였다.
2) 해안선 변화량 추정

추출된 해안선 데이터를 바탕으로 DSAS를 이용한 해안선의 변화량을 추정하였다. 추출된 해안선 자료를 바탕으로 DSAS를 이용하여 SCE(Shoreline Change Envelope)과 EPR(End Point Rate)를 연산하였다.
추출된 해안선 데이터를 바탕으로 DSAS를 이용한 해안선의 변화량을 추정하였다. 추출된 해안선 자료를 바탕으로 DSAS를 이용하여 SCE(Shoreline Change Envelope)과 EPR(End Point Rate)를 연산하였다. SCE는 총 해안선의 변화량을 추정하는 것으로, 관측 시작시부터 관측이 끝날 때까지 해안선의 총 이동거리를 나타낸다.
추출된 해안선을 약최고고조면을 나타내는 국토지리정보원에서 제공하는 수치지도 데이터와 현장 인터뷰를 통해 구성한 백중사리 해안선과 비교하였다. 그 결과 연구지역의 일부분에서 국토지리정보원의 수치지도 해안선이 맞지 않음을 확인하였다.
조차가 가장 커 해안선의 변화를 가장 오랜 기간 관측할 수 있고 간조와 만조가 주간에 반복적으로 나타나는 시기는 1월 22일로, 오전 11시~오후 5시 30분까지 간조에서 만조에 이른다. 해당 시간대에 시간당 1회, 총 7번에 걸쳐 항공촬영을 진행하였다.

대상 데이터

본 논문의 연구지역인 충남 태안군 안면읍 일원은 지리학, 지형학 및 생물학 분야에서 많은 연구가 수행된 지역이다. 특히 바람아래 해수욕장 주변은 조류에 의해 퇴적되어 생성된 간석지와 시스텍, 해안사주, 사빈 등이 넓게 발달하였다(장동호, 2014).
본 연구에 사용된 소형 디지털 카메라는 경량화를 위해 매우 작은 크기의 광각렌즈를 사용하고 있다. 광각렌즈는 넓은 순간시야각(IFOV)을 갖고 있다는 장점이 있지만 촬영 시 영상의 왜곡이 심해지는 문제가 발생한다.
연구 시기는 대조차가 최대가 되는 보름을 기준으로 2015년 1월 22일을 선정하였다. 바람아래 해수욕장에서 가장 가까운 곳에 위치한 안흥과 보령의 조위표에 따르면, 해당 시기 고조는 안흥 692cm, 보령 763cm, 저조는 안흥 -25cm, 보령 -4cm의 수치를 보인다(표 1).
연구지역은 무인항공기 비행에 제도적인 제한이 없고, 해안선의 변화를 관측하기에 용이한 지역인 태안군 바람아래 해수욕장으로 선정하였다.
연구지역인 바람아래 해수욕장은 충남 태안군 안면도 남서쪽 고남면에 위치하며 길이 약 1.1km, 폭 약 300m의 사빈이 분포해 있다. 해수욕장 동측으로 사주가 길게 발달하였고 사주의 끝에는 할미섬이 위치하고 있다.
자료취득은 2015년 1월 22일 오전 11시부터 오후 5시까지 총 7회에 걸쳐 매시 정각에 이루어졌으며, 1회 촬영시 약 200여 장의 항공사진을 취득하였다.²⁾

이론/모형

연구지역의 항공사진을 취득하기 위해 미국 3D Robotics 社의 소형 무인항공기인 IRIS+와 소형 디지털카메라인 GoPro3+를 활용하였다. 매시간 같은 고도와 경로에서 촬영된 영상을 활용하기 위해 오픈소스 하드웨어인 Pixhawk와 Mission Planner를 활용하여 자동비행을 사용하였다¹⁾.
연구지역의 항공사진을 취득하기 위해 미국 3D Robotics 社의 소형 무인항공기인 IRIS+와 소형 디지털카메라인 GoPro3+를 활용하였다. 매시간 같은 고도와 경로에서 촬영된 영상을 활용하기 위해 오픈소스 하드웨어인 Pixhawk와 Mission Planner를 활용하여 자동비행을 사용하였다¹⁾.

성능/효과

추출된 해안선을 약최고고조면을 나타내는 국토지리정보원에서 제공하는 수치지도 데이터와 현장 인터뷰를 통해 구성한 백중사리 해안선과 비교하였다. 그 결과 연구지역의 일부분에서 국토지리정보원의 수치지도 해안선이 맞지 않음을 확인하였다. 수시로 변화하는 해안지형의 특성 상 정확한 해안선 데이터를 구축하기가 매우 어려운 것이 사실이나, 무인항공기를 이용한 수시측량이 가능하다면 보다 신뢰도 있는 해안선 자료를 구축할 수 있을 것으로 판단된다.
만조에 해당하는 17:30분의 해안선을 기준선으로 설정하고, 해안선 변화가 관측되기 시작한 13:30분부터 분석한 SCE는 약 110m로 분석되었다. 이를 그래프로 표현한 EPR은 아래 그림 11과 같다.
본 연구에서 추정한 해안선 자료를 국토지리정보원에서 제공하는 수치지도의 해안선자료⁴⁾와 비교한 결과(그림 9), 수치지도 상에 나타난 해안선은 비교적 정확하게 해당 지역의 해안선을 표현하고 있었다. 그러나 높은 제방으로 둘러싸여 있는 주차장 지역의 경우 백중사리 시기에도 침수되지 않는 지역임에도 불구하고 해안선의 바깥 부분에 위치하고 있으므로 수치지도의 해안선과 비교를 위한 장기간의 조사가 필요할 것이다.
이를 위해 관련 오픈소스 및 프리웨어, 상용프로그램들을 사용하여 연구지역의 정사영상 품질을 비교하였다. 비교 결과, Agisoft Photoscan이 영상의 정확도와 구성 면에서 비교 우위에 있음을 확인하였다.
할미섬과 해수욕장은 육계사주로 연결되어 있으며, 간조시에는 육지로 연결되는 지형적 특징을 갖고 있다. 아울러 만조시에는 할미섬 일부와 전면의 사빈이 모두 물에 잠기고, 간조시에는 해안선이 약 200m 전면으로 전진하는 특성을 보이는 것으로 조사되었다.
영상 정합을 통해 생성된 일곱 장의 정사영상에 이미지 필터링 방법을 적용하여 시계열별 해안선을 추출하였다. 연구지역인 바람아래 해수욕장은 조위가 상승함에 따라 해안선이 빠르게 변화하는 특성을 보였다. 특히 해수욕장 전면에 위치한 사빈 지역은 해수면이 상승함에 따라 수면 아래로 사라졌고, 간석지가 노출되어 있던 내만(內灣)지역은 2개의 수로에서 밀려오는 빠른 조류에 의해 빠른 속도로 해수면이 상승하였으며, 육계사주로 육지와 연결되어 있던 할미섬은 만조 시 고립되었다.
특히 해수욕장 전면에 위치한 사빈 지역은 해수면이 상승함에 따라 수면 아래로 사라졌고, 간석지가 노출되어 있던 내만(內灣)지역은 2개의 수로에서 밀려오는 빠른 조류에 의해 빠른 속도로 해수면이 상승하였으며, 육계사주로 육지와 연결되어 있던 할미섬은 만조 시 고립되었다. 영상의 경계 검출에 주로 사용되는 소벨 필터를 적용하여 해안선을 추출한 결과, 실제 지형에서 나타나는 해안선 변화를 추출할 수 있었다.
그림 11의 그래프의 기울기를 통해 해안선 상승 속도를 유추할 수 있다. 오후 1시에서 3시에 이르는 시기는 연구지역의 전면부에 해당하는 지역에서 매우 빠른 속도로 조위가 상승하였고, 정조시간에 가까워지는 오후 4시 이후에는 내만지역의 해안선이 변화하며 조위가 완만히 상승함을 알 수 있다.
또한 복잡한 해안선을 따라 분포하기에 선형으로는 추출되지 않는다. 이에 고주파 영역 필터링 방법 중 비선형 경계 강조방법인 소벨 필터링이 가장 적합할 것으로 판단된다(그림 6).
바람아래 해수욕장에서 가장 가까운 곳에 위치한 안흥과 보령의 조위표에 따르면, 해당 시기 고조는 안흥 692cm, 보령 763cm, 저조는 안흥 -25cm, 보령 -4cm의 수치를 보인다(표 1). 해당 시기 바람아래 해수욕장은 약 90%에 해당하는 지역이 완전히 수면 아래에 위치하며, 간조시에는 해수욕장 전면 약 900m에 위치하는 등대지역까지 간석지가 노출되는 것으로 관측되었다.

후속연구

와 비교한 결과(그림 9), 수치지도 상에 나타난 해안선은 비교적 정확하게 해당 지역의 해안선을 표현하고 있었다. 그러나 높은 제방으로 둘러싸여 있는 주차장 지역의 경우 백중사리 시기에도 침수되지 않는 지역임에도 불구하고 해안선의 바깥 부분에 위치하고 있으므로 수치지도의 해안선과 비교를 위한 장기간의 조사가 필요할 것이다. 또한 만조시 해안선에 속하는 내만지역 또한 해안선의 바깥 부분에 속하고 있음을 확인할 수 있다.
본 연구에서 제안한 무인항공기의 활용은 지리학 분야뿐 아니라 응용 및 활용 분야에도 콘텐츠로서 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대된다. 지리학에서 논의되었던 공간콘텐츠의 대표적인 사례는 오픈 스트리트 맵과 같이 사용자 참여형 GIS가 있다.
그 결과 연구지역의 일부분에서 국토지리정보원의 수치지도 해안선이 맞지 않음을 확인하였다. 수시로 변화하는 해안지형의 특성 상 정확한 해안선 데이터를 구축하기가 매우 어려운 것이 사실이나, 무인항공기를 이용한 수시측량이 가능하다면 보다 신뢰도 있는 해안선 자료를 구축할 수 있을 것으로 판단된다.
이처럼 본 연구에서 주요 연구방법으로 검토한 일련의 무인항공기 활용 방안은 지리학의 지형분석 분야에서 활용될 수 있음은 물론, 다양한 분야에서도 사용될 수 있다. 현재는 무인항공기 시장이 크지 않지만, 지속적으로 활용분야를 넓혀간다면 머지않은 미래에 보다 많은 효용이 기대된다.
지리학의 주 연구대상인 ‘공간’을 지표면으로 한정 할 경우, 지표면에서 일어나는 현상을 관측함에 있어 장애물이 없는 공중관측은 많은 장점을 지니고 있다. 지상관측보다 보다 넓은 스케일에서 전체적인 현상을 관찰할 수 있음은 물론, 고해상도 카메라와 관측장비의 사용은 미시 분야에서도 활용 가능성을 보여준다. 무인항공기는 기존 원격탐사 플랫폼과 비교하여 다음과 같은 장점을 갖는다.
또한, 무인항공기 상업화를 위한 법제도 연구(김선이, 2014), 무인항공기의 충돌회피시스템 연구(임상석, 2014) 등을 통한 상업화 및 운용 시스템도 빠르게 발전하고 있다. 현재 국내의 무인항공기 연구는 사진측량, 항공우주, 전자제어 분야에서 본격적인 활용에 앞서 기초연구가 활발히 진행되고 있는 바, 지리학에서도 무인항공기 활용 환경에 맞춰 실질적인 연구활용 방법에 대한 연구가 수행될 필요성이 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바람아래 해수욕장은 만조와 간조시에 어떤 특성을 보이는가?	해수욕장 동측으로 사주가 길게 발달하였고 사주의 끝에는 할미섬이 위치하고 있다. 할미섬과 해수욕장은 육계사주로 연결되어 있으며, 간조시에는 육지로 연결되는 지형적 특징을 갖고 있다. 아울러 만조시에는 할미섬 일부와 전면의 사빈이 모두 물에 잠기고, 간조시에는 해안선이 약 200m 전면으로 전진하는 특성을 보이는 것으로 조사되었다.
	내부표정이란 무엇인가?	복수의 영상을 기반으로 좌표정보를 갖는 정사영상을 구현하기 위해서는 영상의 내부표정과 상호표정, 절대표정 수행이 필요하다. 내부표정은 렌즈왜곡, 렌즈의 초점거리, 주점좌표와 같은 카메라의 내부 정보를 바탕으로 공선조건을 만족하는 과정을 말한다. 상호표정은 정사영상을 구축하기 위해 상하좌우 영상들의 공액점이 서로 일치하도록 사진의 경사(α, ω, κ)와 위치(x, y)를 조정하는 과정을 말한다.
	광각렌즈의 장단점은 무엇인가?	본 연구에 사용된 소형 디지털 카메라는 경량화를 위해 매우 작은 크기의 광각렌즈를 사용하고 있다. 광각렌즈는 넓은 순간시야각(IFOV)을 갖고 있다는 장점이 있지만 촬영 시 영상의 왜곡이 심해지는 문제가 발생한다.

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