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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 중·소규모 지역에서 간편하게 고해상도 영상 획득이 가능하며 적은 비용으로 시계열 모니터링 자료 확보가 가능한 UAV를 활용하여 간척지 및 산림지의 토양 특성 등을 평가하는 기법을 개발하고자 한다.
- 이에 본 연구팀은 농공 분야에서 ‘저고도 저비용 UAV’를 활용하는 방안에 대해 연구 중에 있으며 지면을 통해 간략히 소개하고자 한다.
제안 방법
- 소형 UAV를 이용하여 간척지 및 산림지의 정지 영상을 획득하고 이에 대한 기초적인 분석을 하였으며 각 대상 지역의 주행 고도 별 RGB 및 NIR 영역의 영상을 획득하여 분석하였다. 간척지에서는 식생 및 나대 지역, 염 상승 지역을 각각 분류할 수 있음을 확인하였고 산림지에서는 임도, 비탈면 붕괴지역 등을 확인하고 산불 지역의 피해 범위 등을 파악하였다. 현재 UAV를 활용한 연구는 초기 단계이며 주기적인 모니터링 관측 자료의 축적을 바탕으로 대상 지역에 대해 UAV 활용성 및 토양 특성 평가를 위한 연구를 지속적으로 추진할 것이다.
- 관악산 산불 피해 지역을 대상으로 RGB 및 NIR 영상을 이용하여 식생지수(NDVI)산정을 실시하였으며 이는 그림 10과 같다. NDVI가 높을수록 영상에서는 밝게 나타나며 이는 식생의 활동이 활발하다는 의미이다.
- 따라서 본 연구에서 요구되는 품질의 해상도를 확인하기 위해 고도 30m~500m 까지 10m 단위로 영상을 획득하여 픽셀 당 해상도 및 촬영 범위를 평가하였다.
- 대부분의 디지털 카메라에 사용되는 이미지 센서들은 적외선 파장대에 민감하여 적외선 차단 필터(IR cutoff filter)를 부착하고 있으며 이를 제거하면 근적외선 영역의 파장이 센서에 기록되게 된다. 본 연구에서는 UAV의 카메라에 부착된 적외선 차단 필터를 제거하고 850nm 이상의 파장만 통과시킬 수 있는 필터를 장착하여 근적외선 영역의 촬영을 실시하였다.
- 항공 사진 측량 작업 규정에는 촬영 진행 방향으로 60%, 인접 코스 간 30%를 표준으로 제시하고 있으며 필요에 따라 중복도를 각각 80%, 50%까지 허용한다. 본 연구에서는 진행방향으로 80%,인접 코스 간 50% 이상의 중복도를 기준으로 100m, 250m 상공에서 촬영을 실시하였다. 이렇게 획득한 각 정지 영상은 고도 및 위경도를 포함한 위치 정보를 가지고 있으며 이를 이용하여 영상 정합을 진행하게 된다.
- 본 연구에서는 촬영의 효율성 및 영상의 품질을 고려하여 고도 100, 250m의 두 가지 경우에 대하여 항공사진 촬영을 실시하였다.
- 소형 UAV를 이용하여 간척지 및 산림지의 정지 영상을 획득하고 이에 대한 기초적인 분석을 하였으며 각 대상 지역의 주행 고도 별 RGB 및 NIR 영역의 영상을 획득하여 분석하였다. 간척지에서는 식생 및 나대 지역, 염 상승 지역을 각각 분류할 수 있음을 확인하였고 산림지에서는 임도, 비탈면 붕괴지역 등을 확인하고 산불 지역의 피해 범위 등을 파악하였다.
- 이를 위해 우선적으로 UAV의 항공 사진 촬영기능을 이용해 대상 간척지 및 산림 지역의 고해상도 영상을 확보한다. 영상은 정합 과정을 통해 픽셀별로 위치 정보와 색상 정보를 포함한 하나의 이미지로 재구성하여 활용하였으며 이와 같은 과정을 대상 지역에서 정기적으로 실시하여 시계열 이미지를 획득하고, 디지털 이미지 프로세싱 기법을 이용하여 토지 피복 상태와 변화를 파악하고자 한다. 간척지에서는 토양의 함수비, 염분 농도, 재염화 가능성 등의 판단을 수행할 것이며, 산림 지역에서는 산불 이후 토양의 물리 공학적 특성 변화의 추정 및 산사태 등의 2차 재해에 대한 위험성을 평가하는 기초 자료로써 활용할 예정이다.
- 이를 위해 우선적으로 UAV의 항공 사진 촬영기능을 이용해 대상 간척지 및 산림 지역의 고해상도 영상을 확보한다. 영상은 정합 과정을 통해 픽셀별로 위치 정보와 색상 정보를 포함한 하나의 이미지로 재구성하여 활용하였으며 이와 같은 과정을 대상 지역에서 정기적으로 실시하여 시계열 이미지를 획득하고, 디지털 이미지 프로세싱 기법을 이용하여 토지 피복 상태와 변화를 파악하고자 한다.
대상 데이터
- 본 연구를 위한 대상지는 새만금, 시화 간척지와 서울대학교 태화산 학술림 및 올해 5월 산불이 발생했던 관악산으로 선정 하였다.
- 본 연구에서 사용한 UAV는 DJI 社의 PHANTOM3 Professional 모델(그림 1)이며 표 1에 자세한 사양을 정리하였다. 이 기체는 4000×3000픽셀의 고해상도 카메라를 탑재하고 있어 비행 중 고해상도 영상의 획득이 가능하다.
- 8km 구간의 약 420ha 면적의 영상을 2회 주행으로 획득 하였다. 산림지인 태화산과 관악산에서는 1회 주행으로 각각 약 114ha, 170ha 면적의 영상을 획득하였으며 추가로 근적외선(NIR) 영상을 획득하였다.
- 시화 지구에서는 폭 500m, 길이 6.2km 구간의 약 310ha 면적의 영상을 3회 주행으로 획득하였으며, 새만금 지구에서는 폭 1.5km, 길이 2.8km 구간의 약 420ha 면적의 영상을 2회 주행으로 획득 하였다. 산림지인 태화산과 관악산에서는 1회 주행으로 각각 약 114ha, 170ha 면적의 영상을 획득하였으며 추가로 근적외선(NIR) 영상을 획득하였다.
성능/효과
- 고도 250m에서 획득한 영상에서는 다음 그림8과 같이 식생 지역과 나대 지역이 구분이 가능하며 갯골의 형상을 파악할 수 있었다. 또한 염이 상승한 재염화 지역을 구분할 수 있었다.
- 8cm/pixel이다. 고도 30m에서는 1픽셀 당 1.6cm의 높은 해상도를 나타내어 지표면에 위치한 표식이나 물체 등이 확연하게 구분 가능하나 고도가 높아질수록 해상도는 점차 감소하여 고도 500m에서는 지표면의 물체 인식이 어려워질 뿐만 아니라 색상의구분도 모호해짐을 확인 가능하다.
- 산림지 영상에서는 임도 구간의 포장 상태와 비탈면 붕괴 구간을 확인할 수 있었으며 식생의 분류가 가능한 수준의 영상을 획득할 수 있었다. 또한 관악산 지역은 5월 발생한 산불의 피해 범위를 확인할 수 있었으며 노두를 확인할 수 있었다.
- NDVI가 높을수록 영상에서는 밝게 나타나며 이는 식생의 활동이 활발하다는 의미이다. 산불로 인해 임야가 소실된 부분에서는 인근 지역에 비해 NDVI가 낮아 흑색으로 나타나고 있으며 또한 식생이 아닌 암반 및 도심지도 낮은 식생지수가 나타남을 확인할 수 있다.
후속연구
- 영상은 정합 과정을 통해 픽셀별로 위치 정보와 색상 정보를 포함한 하나의 이미지로 재구성하여 활용하였으며 이와 같은 과정을 대상 지역에서 정기적으로 실시하여 시계열 이미지를 획득하고, 디지털 이미지 프로세싱 기법을 이용하여 토지 피복 상태와 변화를 파악하고자 한다. 간척지에서는 토양의 함수비, 염분 농도, 재염화 가능성 등의 판단을 수행할 것이며, 산림 지역에서는 산불 이후 토양의 물리 공학적 특성 변화의 추정 및 산사태 등의 2차 재해에 대한 위험성을 평가하는 기초 자료로써 활용할 예정이다.
- 향후에는 간척지 및 산림지 토양의 물리적 특성을 평가하기 위해 현장 모니터링 시스템을 구현하여 데이터베이스를 확보하고 간척지 재염화가능성, 산불 지역 토양 특성의 변화 추이 등을 분석할 예정이다.
- 간척지에서는 식생 및 나대 지역, 염 상승 지역을 각각 분류할 수 있음을 확인하였고 산림지에서는 임도, 비탈면 붕괴지역 등을 확인하고 산불 지역의 피해 범위 등을 파악하였다. 현재 UAV를 활용한 연구는 초기 단계이며 주기적인 모니터링 관측 자료의 축적을 바탕으로 대상 지역에 대해 UAV 활용성 및 토양 특성 평가를 위한 연구를 지속적으로 추진할 것이다.
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