[논문]무인항공기 매핑 기술의 현황 및 발전 방향

최경아

무인항공기 매핑 기술의 현황 및 발전 방향 원문보기

건설관리 : 한국건설관리학회 학회지 = Construction engineering and management, v.16 no.4, 2015년, pp.18 - 23

최경아 (서울시립대학교 공간정보공학과)

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문제 정의

무인항공기는 정보통신기술(ICT)과 연관성이 높아 ICT 강국인 우리나라에 유리하며, 무인항공기 시장 진입에 의한 ICT 산업으로의 파급효과가 클 것으로 판단된다. 이러한 무인항공기 관련 기술의 혁신을 위하여 본 고에서는 현재까지 개발된 무인항공기와 활용 동향을 분석하였다. 멀티 센서가 탑재된 무인항공기를 운용하여 대상지의 데이터를 취득하고, 이로부터 다양한 활용 목적을 성취하기 위해서는 무인항공기 매핑과 관련된 기술적 진보가 필수적이기 때문에 특히 공간정보 분야에서의 무인항공기 활용을 살펴보고 향후 발전방향을 제안한다.
에콰도르 갈라고파스 국립공원에는 불법 어획 활동, 불법 어선 침입으로 인한 기름 유출 등의 문제가 있다. 현재는 1대의 유인항공기로 광대한 보호구역을 순찰하고 있으나 비용적인 측면뿐만 아니라 불법 활동에 대한 불시 단속이 어렵기 때문에 무인항공기를 활용하여 문제를 해결하고자 한다. 이와 유사하게 우리나라 서해상에서 배타적 경제수역 (EEZ, Exclusive Economic Zone)을 침범한 중국 어선의 불법조업이 만연하다.

제안 방법

농작물의 현재 상태를 정기적으로 확인하면서 밭갈이, 파종, 비료 살포의 적기를 선정하는 것은 중요하다. 넓은 경작지에 대해서 농부가 직접 농작물의 상태를 파악하는 것은 매우 비효율적이기 때문에 쿠바의 GeoCuba와 러시아 Uniintex-Ginus 사는 이를 위하여 무인항공기를 시범 적용하였다. 미국 Flightline Geographics와 Precision Hawk 사는 무인항공기 영상으로부터 포도 농장을 모니터링 함으로써 병충해를 조기에 탐지하고 식생의 밀도를 파악하는 등 작황 관리를 수행하였다.
2011년 3월 대규모 지진과 쓰나미로 인하여 일본 후쿠시마 원자력 발전소가 폭발하였다. 이때 Honeywell 사의 원격 제어 (RC, remote control) 무인항공기 T-Hwak를 이용하여 성공적으로 폭발 현장의 항공 촬영을 수행하였다. 2015년 4월 네팔에 대지진으로 인하여 수많은 인명피해가 발생하였다.

후속연구

이러한 문제는 선형 구조를 갖는 교량, 철도, 도로 등을 따라 데이터를 취득하거나 건물과 같은 특정 객체의 전방위에서 데이터를 취득해야 할 때 더욱 부각된다. 데이터 취득의 완전성을 확보하기 위하여 데이터 취득 과정 중에 실시간으로 취득된 데이터를 검증하는 기술이 개발되어야 할 것이다. 비행 중 데이터를 확인하여 누락된 데이터가 있다면 취득을 재 시도함으로써 데이터 처리 후에 일부 영역에 대한 공간정보가 생성되지 않은 것을 발견하는 상황을 방지할 수 있다.
초기값과 참값의 차이가 클 경우에는, 반복 연산에 의하여 미지수에 대한 추정값을 산출하는 조정 계산은 발산한다. 따라서 기존의 방법보다 정밀하게 초기값을 결정할 수 있는 루틴이나 초기값에 대한 민감도를 경감시킬 수 있는 방안이 모색되어야 할 것이다.
비행 중 데이터를 확인하여 누락된 데이터가 있다면 취득을 재 시도함으로써 데이터 처리 후에 일부 영역에 대한 공간정보가 생성되지 않은 것을 발견하는 상황을 방지할 수 있다. 또한 관측 대상을 영상 상에서 추적하거나 사전에 구축된 대상 지역의 DSM이나 3차원 모델과 같은 기준 데이터와 매칭하면서 비행하는 비전 기반의 비행 제어 기술도 데이터 취득의 문제 해결에 도움이 될 것이다.
무인항공기 시스템이 활용 분야에서 신뢰성을 갖고 운용되기 위해서는 사용자가 데이터 취득과 처리 측면에서 전문지식 없이도 자동으로 관심 영역에 대한 공간정보를 빠르게 생성할 수 있어야 한다. 또한 시스템에 채택 되는 하드웨어는 대부분 저가의 상용 제품이더라도 높은 정확도의 공간정보를 생성할 수 있어야 할 것이다. 이를 위하여 시스템이 운용되는 영역에 대하여 기준 데이터베이스를 사전에 구축하여 활용한다면 정확도를 보완할 수 있을 것이다.
무인항공기 영상 처리에 특화된 상용소프트웨어인 Photoscan이나 Pix4D를 활용하더라도 컴퓨터의 하드웨어적 성능에 매우 의존적이며 입력 영상의 개수가 많으면 처리에 실패하는 경우가 빈번하다. 많은 양의 데이터에 대해서도 수월하게 처리될 수 있도록 병렬 처리 기법이나 메모리 또는 연산 효율적인 고속 알고리즘 개발이 이루어져야 할 것이다.
이러한 무인항공기 관련 기술의 혁신을 위하여 본 고에서는 현재까지 개발된 무인항공기와 활용 동향을 분석하였다. 멀티 센서가 탑재된 무인항공기를 운용하여 대상지의 데이터를 취득하고, 이로부터 다양한 활용 목적을 성취하기 위해서는 무인항공기 매핑과 관련된 기술적 진보가 필수적이기 때문에 특히 공간정보 분야에서의 무인항공기 활용을 살펴보고 향후 발전방향을 제안한다.
그러나 무인항공기 시스템에 탑재된 GPS/INS의 신뢰도가 낮기 때문에 추가적인 지상 기준 데이터가 필요하다. 영상으로부터 기준데이터를 자동으로 인지하기 위하여 무인항공기 시스템이 운용될 영역에 코드 타겟 (coded target)을 분포시키거나 사전에 구축된 대상 지역의 3차원 모델이나 영상 지도와 매칭하여 기준데이터로 활용할 수 있을 것이다.
무인항공기를 운용하여 생성된 공간정보가 여러 가지 분야에서 실용적으로 활용되기 위해서는 기존 인공위성이나 유인 항공기 데이터와는 다른 무인항공기 데이터의 특성을 고려하여 신뢰성 높은 고해상도 공간정보를 효율적으로 생성하기 위한 기술 개발이 필수적이다. 이러한 고해상도 공간정보는 재난 대응, 정밀농업, 각종 모니터링 등의 기반 자료로 사용되어 활용 목적을 보다 높은 성능으로 성취할 수 있을 것이다. 그러나 현재까지의 연구 성과는 무인항공기 시스템을 시범 적용하여, 활용 가능성을 검증해보는 수준에 그치고 있다.
현재의 소형/초소형 무인항공기는 비행 가능 시간이 짧고, 비행 제어에 있어서 신뢰성이 낮으며, 약한 비/바람에도 비행이 어렵다는 등의 한계점이 있다. 이런 한계점들은 단일 기체의 성능 개선과 다수의 무인항공기를 동시에 통제하며 서로 충돌을 회피할 수 있게 하는 군단(swarm) 운용으로써 보완될 수 있을 것이다. 또한 국내에 무인항공기 인증/운용과 관련된 기준이 없으며, 주파수/공역/보험 등의 무인항공기 운용 환경 구축이 미비하고, 시험 비행장과 같은 무인항공기 및 시스템 개발 여건이 좋지 않은 실정이다.
이 경우 픽셀의 밝기 값들을 고려하여 공액점을 추출하는 영상 매칭은 정확한 결과를 산출하기 어렵다. 이를 보완하기 위하여 영상 매칭을 번들 조정과 재귀적으로 결합시켜 외부표정요소를 고려한 에피폴라 기하(epipolar geometry) 특성을 반영한다면 처리시간을 단축하고 매칭 결과의 정확도도 향상시킬 수 있을 것이다.
또한 시스템에 채택 되는 하드웨어는 대부분 저가의 상용 제품이더라도 높은 정확도의 공간정보를 생성할 수 있어야 할 것이다. 이를 위하여 시스템이 운용되는 영역에 대하여 기준 데이터베이스를 사전에 구축하여 활용한다면 정확도를 보완할 수 있을 것이다. 마지막으로 무인항공기 매핑의 발전 방향을 요약하자면, 자동화와 실시간성이라는 두 단어가 될 것이다.
지오레퍼런싱된 무인항공기 영상으로부터 DEM, 정사영상, 3차원 모델 등을 자동으로 빠르게 생성된다면, 무인항공기 시스템의 사용자 입장에서 다각적인 활용을 검토할 수 있을 것이다. 그러나 현재는 무인항공기 영상이 갖는 특수성으로 인하여 많은 한계점들이 존재한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공간정보란 무엇인가?	공간정보란 지구와 우주 공간에 존재하는 자연 또는 인공 지물이 가지고 있는 위치 및 특성정보를 의미하는 것으로 지물의 3차원 공간상의 좌표, 지도, 정사영상, 3차원 모델 등이 이에 해당된다. 공간정보 구축을 위한 원격탐사 시스템으로써 기존에는 인공위성이나 유인항공기가 활용되어왔으나 최근에는 무인항공기가 새로운 플랫폼으로 부각되고 있다.
	미국의 무인항공기인 글로벌 호크의 특징은 무엇인가?	12~20 km의 고도에서 운항이 가능한 고고도 무인항공기(HALE, High Altitude Long Endurance)로는 미국의 글로벌 호크(Global Hawk)가 대표적 이다. 최대 운항고도는 약 18km이며, 무려 42시간 동안 비행할 수 있는 것으로 이미 아프가니스탄과 같은 세계 전장에 투입되어 수많은 정찰 임무를 완수한 것으로 알려져 있다. 4.
	상업용 무인항공기의 장점은 무엇인가?	과거에는 무인항공기의 활용이 군사 목적에 집중되었던 반면, 최근에는 저고도에서 2시간미만으로 운항하는 소형 수직이착륙 무인항공기(mini VTOL, Vertical TakeOff and Landing)나 초소형 무인항공기(MAV, Micro Air Vehicle)의 개발이 활발히 이루어져 민간 분야에서의 활용이 확대되고 있다. 이와 같은 상업용 무인항공기는 경제적으로 시스템을 구축할 수 있고, 유지관리 비용이 저렴하며, 휴대하기 쉽기 때문에 신속하게 특정 목적을 위한 정보 수집이나 임무 수행을 가능하게 한다. 따라서 재난 대응, 정밀농업, 야생 동식물 현황 조사, 환경 모니터링, 기상 관측, 영화/방송 촬영, 물류 등 다양한 분야에 적용되고 있다.

참고문헌 (9)

Colomina, I. and Molina, P. (2014), "Unmanned aerial systems for photogrammetry and remote sensing: A review" ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 92, pp. 79-97.

상세보기
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최경아, 이지훈, 이임평 (2011), "저고도 무인 항공기 기반의 근접 실시간 공중 모니터링 시스템 구축", 한국공간정보학회지, 19(4), pp. 21-31.

원문보기 상세보기
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상세보기
Scaioni, M., Barazzetti, L., Brumana, R., Cuca, B., Fassi, F., and Prandi, F. (2009), "RC-Heli and structure & motion techniques for the 3-D reconstruction of a Milan Dome spire", IAPRS&SIS, 3rd ISPRS International Workshop 3D-ARCH , 38(5/W1), Trento, Italy.
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박찬혁, 윤보람, 최경아, 이임평 (2015), "저고도 UAV 영상으로부터 차선 정보 정밀 추출", 한국지형공간정보학회 춘계학술대회 논문집, 제주도, 대한민국.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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