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문제 정의
- 본 연구의 목적은 동일한 현장을 대상으로 고정익 무인항공기인 eBee와 보급형 회전익 무인항공기인 Phantom2 Vision+를 이용하여 지형측량을 수행한 후 그 결과를 비교하는 것이다. 이를 위해 경상남도 양산시 산막공단에 위치한 ◌◌ 토목건설 현장을 대상으로 eBee와 Phantom2 Vision+를 이용하여 항공사진 촬영을 수행한 후, 자료 들을 보정하고 정합하여 연구지역의 정사영상과 수치 표면모델을 제작할 것이다.
제안 방법
- 3). 각각의 지상기준점의 위도, 경도, 고도 좌표는 아센코리아에서 개발한 AKNB DGPS 장비를 이용하여 측정하였다. Table 3은 측정된 7곳의 지상기준점들의 좌표를 WGS84 기준타원체와 Universal Transverse Mercator(UTM, 52N) 투영법을 사용하여 표기한 것이다.
- 이를 위해 경상남도 양산시 산막공단에 위치한 ◌◌ 토목건설 현장을 대상으로 eBee와 Phantom2 Vision+를 이용하여 항공사진 촬영을 수행한 후, 자료 들을 보정하고 정합하여 연구지역의 정사영상과 수치 표면모델을 제작할 것이다. 또한, 7곳의 지상기준점들에 대해 고정밀 GPS를 이용하여 측정한 좌푯값들과의 비교를 통해 eBee와 Phantom2 Vision+를 이용한 지형 측량 결과의 오차를 평가하고자 한다.
- 반면, Phantom2 Vision+의 경우에는 1회 비행시간이 상대적으로 짧고, 자동모드 비행계획을 수립할 수 있는 영역의 크기가 최대 200 m × 200 m로 제한되기 때문에, 총 2회에 걸쳐 항공사진들을 촬영하는 것으로 스마트폰 어플리케이션을 이용하여 자동모드 비행계획을 수립하였다(Fig. 4b).
- 항공사진의 공간해상도는 카메라의 해상도 및 초점거리, 기체의 비행고도 등에 영향을 받는다. 본 연구에서는 5 cm/pixel 이하의 공간해상도(ground sample distance, GSD)를 가지는 정사영상과 수치표면모델을 제작하기 위해 동일한 이륙지점을 기준으로 eBee는 비행고도를 110 m로, Phantom2 Vision+는 비행고도를 70 m로 유지하며 항공사진을 촬영하였다. 상대적으로 Phantom2 Vision+의 비행고도가 낮고 탑재된 RGB 광학 카메라의 해상도가 높지만 eBee에 탑재된 RGB 광학 카메라는 초점거리가 더 길기 때문에 두 기체로부터 유사한 공간해상도의 항공사진을 촬영할 수 있었다.
- 본 연구에서는 경상남도 양산시 산막공단에 위치한 토목건설 현장을 대상으로 고정익 무인항공기인 eBee 와 보급형 회전익 무인항공기인 Phantom2 Vision+를 이용하여 지형측량을 수행한 후 그 결과를 비교하였다. 약 12 ha 크기의 연구지역에서 항공사진 촬영을 위해 소요된 시간은 eBee가 약 7분, Phantom2 Vision+가 약 11분으로 유사하게 나타났다.
- 본 연구에서는 두 기종에서 촬영된 연구지역의 항공사진들을 자료처리하여 정사영상과 수치표면모델을 제작하기 위해 Pix4D Mapper Pro(ver 2.0) 소프트웨어를 사용하였다(http://pix4d.com). Pix4D Mapper Pro 소프트웨어를 이용한 자료처리 방법과 절차는 Lee와 Choi (2015a)에서 자세하게 설명되었다.
- 연구지역을 대상으로 고정익 무인항공기인 eBee와 보급형 회전익 무인항공기인 Phantom2 Vision+를 이용하여 항공사진 촬영을 수행하였다. 비행경로와 항공 사진의 촬영 범위는 연구지역 전역을 포함할 수 있도록 설정하였다. eBee의 경우 eMotion2 소프트웨어를 이용하여 자동모드 비행계획을 수립한 결과(Fig.
- 본 연구의 목적은 동일한 현장을 대상으로 고정익 무인항공기인 eBee와 보급형 회전익 무인항공기인 Phantom2 Vision+를 이용하여 지형측량을 수행한 후 그 결과를 비교하는 것이다. 이를 위해 경상남도 양산시 산막공단에 위치한 ◌◌ 토목건설 현장을 대상으로 eBee와 Phantom2 Vision+를 이용하여 항공사진 촬영을 수행한 후, 자료 들을 보정하고 정합하여 연구지역의 정사영상과 수치 표면모델을 제작할 것이다. 또한, 7곳의 지상기준점들에 대해 고정밀 GPS를 이용하여 측정한 좌푯값들과의 비교를 통해 eBee와 Phantom2 Vision+를 이용한 지형 측량 결과의 오차를 평가하고자 한다.
대상 데이터
- Lee와 Choi(2015b)는 고정익(fixed-wing) 무인항공기인 스위스 SenseFly의 eBee를 이용하여 강원도 삼척시에 위치한 대규모 석회석 노천광산인 쌍용자원개발 (주) 신기사업소 6지구 채광장(면적: 약 194 ha)을 대상으로 지형측량을 수행하였다. 7 cm 해상도의 정사영상과 수치표면모델을 제작하기 위해 비행고도 300 m, 비행속도 12 m/s 조건으로 약 30분간 자동모드 비행을 수행한 결과 총 288장의 항공사진들이 촬영되었으며, 데이터처리에는 약 8시간이 소요되었다. 지상기준점 4곳에 대하여 DGPS로 측정한 위치 좌표와 고정익 무인항공기로 측량한 위치 좌표를 비교한 결과, 평균 제곱근 오차가 15 cm 내외로 분석되었다.
- eBee의 경우 자동모드 비행계획에 따라 110 m 비행고도에서 약 7분간 비행을 하였으며 총 55장의 항공사진을 촬영하였다. Phantom2 Vision+ 역시 자동모드 비행계획에 따라 70 m 비행고도에서 2회에 걸쳐 약 11분간 비행을 하였으며 총 63장의 항공사진을 촬영하였다. 동일한 연구지역을 대상으로 비행계획을 수립하였으나 두 기종의 비행고도와 탑재된 RGB 카메라의 특성이 다르므로 촬영된 항공사진의 수는 다소 차이를 보였다.
- 보급형 회전인 무인항공기 장비로는 중국 DJI에서 개발한 Phantom2 Vision+가 사용되었다(Fig. 2). Phantom2 Vision+는 DJI에서 최근 출시한 Phantom3의 이전 버전이다.
- 본 연구에서 사용된 글라이더 형태의 고정익 무인항공기 장비는 스위스 SenseFly에서 개발한 eBee이다(Fig. 1). eBee에는 GPS/inertial navigation system(INS) 등의 센서가 내장되어 있어 eMotion2 소프트웨어를 사용하여 비행계획을 수립한 후 자동비행이 가능하며, 비행 시 자세제어 정보, 위치정보 등을 기록할 수 있다.
- 본 연구에서는 경상남도 양산시 산막공단에 위치한 ◌◌ 토목건설 현장을 연구지역으로 선정하였다(Fig. 3).
- eBee 기체에는 다양한 센서를 탑재할 수 있다. 본 연구에서는 항공사진촬영을 위해 1200만 화소의 캐논 S110 RGB 광학 카메라를 eBee에 탑재하여 사용하였다. S110 RGB 카메라로 촬영된 항공사진의 보정을 위한 내부표정요소 인자 값들의 검정 결과는 Lee와 Choi(2015b)에 제시되었다.
- 연구지역은 위도 35.368101°, 경도 129.053355°에 위치한다.
- 연구지역을 대상으로 고정익 무인항공기인 eBee와 보급형 회전익 무인항공기인 Phantom2 Vision+를 이용하여 항공사진 촬영을 수행하였다. 비행경로와 항공 사진의 촬영 범위는 연구지역 전역을 포함할 수 있도록 설정하였다.
- 촬영한 항공사진의 보정 및 지형측량 성과물의 오차 비교를 위해 연구지역에 고르게 분포하면서 접근이 가능한 7곳을 지상기준점으로 선정하였다(Fig. 3). 각각의 지상기준점의 위도, 경도, 고도 좌표는 아센코리아에서 개발한 AKNB DGPS 장비를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- 최근의 대표적인 연구사례로서 Lee와 Choi(2015a)는 보급형 회전익(rotary-wing) 무인항공기인 중국 DJI의 Phantom2 Vision+를 이용하여 충청북도 단양군에 위치한 소규모 석회석 노천광산인 대성MDI(주) 석교사업소(면적: 약 30 ha)를 대상으로 지형측량을 수행하였다. 7 cm 해상도의 정사영상(ortho mosaic image)과 수치표면모델(digital surface model, DSM)을 제작하기 위해 비행고도 100 m, 비행속도 3 m/s 조건으로 총 4회에 걸쳐 자동모드 비행을 수행한 결과 총 89장의 항공사진들이 촬영되었으며, 자료처리에는 약 2시간 30분이 소요되었다. 지상기준점(ground control point, GCP) 5곳에 대하여 고정밀 위치측정시스템(differential global positioning system, DGPS)으로 측정한 위치 좌표와 보급형 회전익 무인항공기로 측량한 위치 좌표를 비교한 결과, 평균 제곱근 오차(root mean square error, RMSE)가 10 cm 내외로 나타났다.
- eBee와 Phantom2 Vision+로 부터 촬영된 항공사진을 각각 자료 처리한 결과 약 4 cm/pixel 공간해상도의 정사영상과 수치표면모델을 제작할 수 있었다. 7곳의 지상기준점들에 대하여 DGPS를 사용하여 지상에서 좌표를 측정한 결과를 eBee 및 Phantom2 Vision+의 지형측량 성과물과 각각 비교한 결과 eBee와 Phantom2 Vision+의 결과 모두 평균 제곱근 오차가 X, Y, Z 방향에서 10 cm 내외로 분석되었다. 두 기종의 결과를 비교하면 eBee의 지형측량 성과물이 평균 제곱근 오차가 X, Y, Z 방향 모두 상대적으로 작게 나타났으나 그 차이는 크지 않았다.
- 5에서 항공사진들의 중첩도가 5장 이상인 영역에만 분포하고 있다. 7곳의 지상기준점들의 DGPS 좌표 측정 결과와 비교할 때 평균 제곱근 오차는 eBee와 Phantom2 Vision+의 결과 모두 X, Y, Z 방향에서 10 cm 내외로 분석되었다. 두 기종을 비교할 경우 eBee의 결과에서 평균 제곱근 오차가 X, Y, Z 방향 모두 상대적으로 작게 나타났으나 그 차이는 크지 않았다.
- eBee와 Phantom2 Vision+로 부터 촬영된 항공사진을 각각 자료 처리한 결과 약 4 cm/pixel 공간해상도의 정사영상과 수치표면모델을 제작할 수 있었다. 7곳의 지상기준점들에 대하여 DGPS를 사용하여 지상에서 좌표를 측정한 결과를 eBee 및 Phantom2 Vision+의 지형측량 성과물과 각각 비교한 결과 eBee와 Phantom2 Vision+의 결과 모두 평균 제곱근 오차가 X, Y, Z 방향에서 10 cm 내외로 분석되었다.
- 약 12 ha 크기의 연구지역에서 항공사진 촬영을 위해 소요된 시간은 eBee가 약 7분, Phantom2 Vision+가 약 11분으로 유사하게 나타났다. 그러나 실제 촬영된 항공 사진의 영역 크기는 eBee가 약 18 ha, Phantom2 Vision+ 가 약 13 ha로 eBee의 결과가 더 넓게 나타나 단위 시간당 항공사진 촬영을 할 수 있는 면적의 크기는 eBee 가 더 큰 것을 확인할 수 있었다. Phantom2 Vision+의 경우 1회에 비행할 수 있는 시간과 자동비행 영역의 크기가 제한되므로 대상지역이 넓어질수록 단위 시간당 촬영 면적 크기와 관련하여 eBee와 Phantom2 Vision+ 의 격차는 더욱 커질 것이라 판단된다.
- Phantom2 Vision+ 역시 자동모드 비행계획에 따라 70 m 비행고도에서 2회에 걸쳐 약 11분간 비행을 하였으며 총 63장의 항공사진을 촬영하였다. 동일한 연구지역을 대상으로 비행계획을 수립하였으나 두 기종의 비행고도와 탑재된 RGB 카메라의 특성이 다르므로 촬영된 항공사진의 수는 다소 차이를 보였다. 상대적으로 높은 비행고도에서 항공촬영을 수행한 eBee의 결과가 항공사진의 수는 적었지만 영역 크기(coverage area)는 더 넓게 나타났다.
- 상대적으로 높은 비행고도에서 항공촬영을 수행한 eBee의 결과가 항공사진의 수는 적었지만 영역 크기(coverage area)는 더 넓게 나타났다. 두 기종에서 촬영된 항공사진의 공간해상도는 완벽하게 일치하지는 않았으나 평균적으로 4 cm/pixel을 나타내었다.
- 7곳의 지상기준점들의 DGPS 좌표 측정 결과와 비교할 때 평균 제곱근 오차는 eBee와 Phantom2 Vision+의 결과 모두 X, Y, Z 방향에서 10 cm 내외로 분석되었다. 두 기종을 비교할 경우 eBee의 결과에서 평균 제곱근 오차가 X, Y, Z 방향 모두 상대적으로 작게 나타났으나 그 차이는 크지 않았다. 촬영과정에서 두 기종의 비행고도와 탑재된 RGB 카메라의 성능이 다소 차이를 보였기 때문에 측량 성과물의 오차를 절대적으로 비교하기는 어려울 수 있으나, 항공영상의 촬영 지점 및 탑재된 GPS의 성능이 유사하므로 상대적인 관점에서 오차를 비교하는 것은 가능하다고 판단된다.
- 7곳의 지상기준점들에 대하여 DGPS를 사용하여 지상에서 좌표를 측정한 결과를 eBee 및 Phantom2 Vision+의 지형측량 성과물과 각각 비교한 결과 eBee와 Phantom2 Vision+의 결과 모두 평균 제곱근 오차가 X, Y, Z 방향에서 10 cm 내외로 분석되었다. 두 기종의 결과를 비교하면 eBee의 지형측량 성과물이 평균 제곱근 오차가 X, Y, Z 방향 모두 상대적으로 작게 나타났으나 그 차이는 크지 않았다. 이 결과는 기존 연구들(Lee and Choi, 2015a, Lee and Choi, 2015b)의 결과에 비해 상대적으로 작은 오차를 나타냈다.
- 동일한 연구지역을 대상으로 비행계획을 수립하였으나 두 기종의 비행고도와 탑재된 RGB 카메라의 특성이 다르므로 촬영된 항공사진의 수는 다소 차이를 보였다. 상대적으로 높은 비행고도에서 항공촬영을 수행한 eBee의 결과가 항공사진의 수는 적었지만 영역 크기(coverage area)는 더 넓게 나타났다. 두 기종에서 촬영된 항공사진의 공간해상도는 완벽하게 일치하지는 않았으나 평균적으로 4 cm/pixel을 나타내었다.
- 4시간이 소요되었다. 실제 촬영된 항공사진의 수는 Phantom2 Vision+가 더 많았으나 자료처리 시간은 촬영된 항공사진의 영역 크기가 상대적으로 큰 eBee가 더 오래 걸린 것을 확인할 수 있었다.
- eBee와 Phantom2 Vision+ 결과 모두 연구지역에서 대부분 5장 이상의 항공사진들이 중첩된 것을 확인 할 수 있다. 중첩된 영상의 수가 3개 미만인 픽셀들은 대부분 연구지역 경계 외각에 분포하며, 항공사진 촬영 시 비행고도가 더 높았던 eBee의 결과에서 상대적으로 더 많이 나타났다.
- 7 cm 해상도의 정사영상과 수치표면모델을 제작하기 위해 비행고도 300 m, 비행속도 12 m/s 조건으로 약 30분간 자동모드 비행을 수행한 결과 총 288장의 항공사진들이 촬영되었으며, 데이터처리에는 약 8시간이 소요되었다. 지상기준점 4곳에 대하여 DGPS로 측정한 위치 좌표와 고정익 무인항공기로 측량한 위치 좌표를 비교한 결과, 평균 제곱근 오차가 15 cm 내외로 분석되었다.
- 7 cm 해상도의 정사영상(ortho mosaic image)과 수치표면모델(digital surface model, DSM)을 제작하기 위해 비행고도 100 m, 비행속도 3 m/s 조건으로 총 4회에 걸쳐 자동모드 비행을 수행한 결과 총 89장의 항공사진들이 촬영되었으며, 자료처리에는 약 2시간 30분이 소요되었다. 지상기준점(ground control point, GCP) 5곳에 대하여 고정밀 위치측정시스템(differential global positioning system, DGPS)으로 측정한 위치 좌표와 보급형 회전익 무인항공기로 측량한 위치 좌표를 비교한 결과, 평균 제곱근 오차(root mean square error, RMSE)가 10 cm 내외로 나타났다.
- 촬영된 항공사진들의 중복도는 종방향 80%, 횡방향 75%로 두 기종 모두 동일하게 설정하였다. 현장실험 당시의 날씨는 맑았으며, 풍속 2.6 m/s, 기온 24℃로 비교적 안정적인 비행조건을 만족하였다.
후속연구
- eBee의 경우 항공사진측량용으로 활용되고 있는 고가의 무인항공기 장비인 반면 Phantom2 Vision+는 레저용으로 주로 활용되는 저가의 보급형 무인항공기 장비라는 점을 고려할 때, 두 기종의 지형측량 결과가 유사한 오차수준을 보인다는 것은 큰 의미를 가진다. 그러나 eBee와 Phantom2 Vision+는 단위 시간당 항공사진 촬영을 할 수 있는 면적의 크기에 차이가 있으므로 대규모 노천광산에서는 eBee와 같은 고정익 무인항공기를 사용하는 것이 타당하며, 소규모 노천광산에서는 Phantom2 Vision+와 같은 저가의 보급형 회전익 무인항공기도 지형측량 작업을 위해 활용할 수 있을 것이다.
- 본 연구에서는 고정익 무인항공기와 회전익 무인항공기의 비행고도 및 바람 등 기상조건에 따라 나타나는 지형측량 성과물의 오차를 비교/분석하지는 않았으나, 향후 연구에서는 이에 관한 고려도 필요할 것이다.
- 4시간이었다. 자료의 처리시간은 컴퓨터의 성능에 따라 영향을 받기 때문에 고성능의 컴퓨터를 사용한다면 eBee와 Phantom2 Vision+ 모두 자료처리 시간이 단축될 수 있을 것이라 판단된다.
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