해안지역은 레저공간, 요양, 항만 및 발전소 건설 등으로 인간의 활용이 용이한 공간으로써 그 이용이 점점 늘어나고 있다. 해안은 해양과 육지가 서로 만나며 지속적으로 변화하는 지역이다. 이렇듯 활발한 변동이 일어나고 있는 해안지형에 대한 정기적인 해안침식 모니터링이 필요하지만, 지상라이다(LiDAR : Light Detection and Ranging) 측량방법은 많은 시간 소요와 제약사항들이 있다. 이에 대한 보완책으로 한국해양과학기술원에서는 효율적인 해안지형 측량을 위한 해상모바일라이다 시스템을 구축하였다. 본 시스템은 선박에 지상라이다(RIEGL LMS-420i), 모션센서(MAGUS Inertial+)와 RTKGNSS(LEICA GS15 GS25)를 함께 고정 설치하여 해안선을 따라 선박을 운항하며 일정한 방향(해안 방향)으로 스캔하면서 탐사한다. 지상라이다로는 침식이 진행된 해안을 측량시, 해안침식에서 중요한 전빈지역에 음영대가 많이 발생하여 관측에 어려움이 있다. 하지만 이 해상모바일라이다 시스템을 활용하면 음영대를 효과적으로 관측할 수 있으며, 선박이 해안선을 따라 이동하며 연속측량 할 수 있어, 비교적 짧은 시간에 넓은 지역을 효율적으로 관측할 수 있다. 본 시스템을 이용하여 강릉항 주변 안목 송정해변에 대하여 실험 측량을 실시하고 검토하였다. 이와 같은 효율적인 시스템 이용하여 침식피해가 심각한 해안을 대상으로 효과적인 정밀 측량 모니터링을 실시하고 그 변화 양상을 파악한다면 연안침식대응기술 개발 및 연안침식통합관리체계 도출에 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.
해안지역은 레저공간, 요양, 항만 및 발전소 건설 등으로 인간의 활용이 용이한 공간으로써 그 이용이 점점 늘어나고 있다. 해안은 해양과 육지가 서로 만나며 지속적으로 변화하는 지역이다. 이렇듯 활발한 변동이 일어나고 있는 해안지형에 대한 정기적인 해안침식 모니터링이 필요하지만, 지상라이다(LiDAR : Light Detection and Ranging) 측량방법은 많은 시간 소요와 제약사항들이 있다. 이에 대한 보완책으로 한국해양과학기술원에서는 효율적인 해안지형 측량을 위한 해상모바일라이다 시스템을 구축하였다. 본 시스템은 선박에 지상라이다(RIEGL LMS-420i), 모션센서(MAGUS Inertial+)와 RTKGNSS(LEICA GS15 GS25)를 함께 고정 설치하여 해안선을 따라 선박을 운항하며 일정한 방향(해안 방향)으로 스캔하면서 탐사한다. 지상라이다로는 침식이 진행된 해안을 측량시, 해안침식에서 중요한 전빈지역에 음영대가 많이 발생하여 관측에 어려움이 있다. 하지만 이 해상모바일라이다 시스템을 활용하면 음영대를 효과적으로 관측할 수 있으며, 선박이 해안선을 따라 이동하며 연속측량 할 수 있어, 비교적 짧은 시간에 넓은 지역을 효율적으로 관측할 수 있다. 본 시스템을 이용하여 강릉항 주변 안목 송정해변에 대하여 실험 측량을 실시하고 검토하였다. 이와 같은 효율적인 시스템 이용하여 침식피해가 심각한 해안을 대상으로 효과적인 정밀 측량 모니터링을 실시하고 그 변화 양상을 파악한다면 연안침식대응기술 개발 및 연안침식통합관리체계 도출에 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.
Coastal areas, used as human utilization areas like leisure space, medical care, ports and power plants, etc., are regions that are continuously changing and interconnected with oceans and land. Regular monitoring of coastal changes is essential at key locations with such volatility. But the survey ...
Coastal areas, used as human utilization areas like leisure space, medical care, ports and power plants, etc., are regions that are continuously changing and interconnected with oceans and land. Regular monitoring of coastal changes is essential at key locations with such volatility. But the survey method of terrestial LiDAR(Light Detection and Ranging) system has much time consuming and many restrictions. For effective monitoring coastal changes, KIOST(Korea Institute of Ocean Science & Technology) has constructed a shipborne mobile LiDAR system. The shipborne mobile LiDAR system, installed in a research vessel, comprised a land based LiDAR(RIEGL LMS-420i), an IMU(MAGUS Inertial+), a RTKGNSS(LEICA GS15 GS25), and a fixed platform. The shipborne mobile LiDAR system is much more effective than a land based LiDAR system in the measuring of fore shore areas without shadow zone. Because the vessel with the shipborne mobile LiDAR system is continuously moved along the shoreline, it is possible to efficiently survey a large area in a relatively short time. We conducted test measurements in the Anmok-Songjung beach around the Gangneung port. Effective monitoring of the changes using the constructed shipborne mobile LiDAR system for seriously eroded coastal areas will be able to contribute to coastal erosion management and response.
Coastal areas, used as human utilization areas like leisure space, medical care, ports and power plants, etc., are regions that are continuously changing and interconnected with oceans and land. Regular monitoring of coastal changes is essential at key locations with such volatility. But the survey method of terrestial LiDAR(Light Detection and Ranging) system has much time consuming and many restrictions. For effective monitoring coastal changes, KIOST(Korea Institute of Ocean Science & Technology) has constructed a shipborne mobile LiDAR system. The shipborne mobile LiDAR system, installed in a research vessel, comprised a land based LiDAR(RIEGL LMS-420i), an IMU(MAGUS Inertial+), a RTKGNSS(LEICA GS15 GS25), and a fixed platform. The shipborne mobile LiDAR system is much more effective than a land based LiDAR system in the measuring of fore shore areas without shadow zone. Because the vessel with the shipborne mobile LiDAR system is continuously moved along the shoreline, it is possible to efficiently survey a large area in a relatively short time. We conducted test measurements in the Anmok-Songjung beach around the Gangneung port. Effective monitoring of the changes using the constructed shipborne mobile LiDAR system for seriously eroded coastal areas will be able to contribute to coastal erosion management and response.
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문제 정의
이와 같은 강릉항 주변 안목 · 송정해변에 대하여 해상 모바일라이다의 실험 측량을 실시하고 그 적용 가능성을 검토하였다.
제안 방법
이렇게 측정된 라이다 자료와 IMU 자료를 이용하여 생성된 프로젝트의 자료기록들은 여러 가지 변수들로 인하여 데이터간의 집합 점 불일치 및 오차를 가지고 있다. 따라서 자료기록들의 조정계산(Scan data adjustment)을 통한 정확한 위치보정을 위하여 X축, Y 축, Z축을 기준으로 최소 경사각도(Minimum plane inclination angle), 최대 평면점 간의 편차(Maximum plane point deviation), 최소 평면 점수(Minimum plane point count)의 검색 값을 설정하고 검색반경 (Search radius), 각도의 허용오차(Angular tolerance), 최대 정규분포(Maximum normal distribution) 범위 안에 각각의 평면 파라미터가 매칭되도록 하여 대표정점 2000개를 측정된 3개의 자료기록(자료기록01 846개, 자료기록02 672개, 자료기록03 482개)에서 선택하였다.
현장에서 측정된 자료기록들은 레이저 스캐너 디바이스(Laser Scanner Devices)를 중심으로 (0, 0, 0)인 상대적인 위치를 가지고 있으며, 측지좌표계(Geodetic reference system) 및 궤도정보(Trajectories)도 입력되지 않은 형태다. 따라서 자료기록에 정확한 측지 좌표계 및 궤도정보를 입력하기 위하여 IMU에 저장된 궤도정보(위치경로와 취득된 모션 값)를 입력해 주고 RiWOLRD 프로그램을 이용하여 스캐너 디바이스의 위치정보와 자료기록의 스캔 데이터 정보, IMU의 궤도정보를 데이터 처리하여 하나의 프로젝트로 생성하였다. 이를 이용하여 측정된 자료들 간의 정합보정을 실시하고 정확한 위치와 방위를 가지는 측지좌표계로 변환해주었다.
또한 해양에서 얻어지는 라이다자료는 기상, 파도, 모래 등 여러 가지 외부 요인들에 의해 수많은 노이즈가 발생되어 포함하고 있으며, 이를 제거하기 위해 RiPROCESS 프로그램을 이용하여 수동적인 에러자료 제거과정을 실시하였다.
이 개선된 시스템을 이용하여 2015년 12월 10일 조사를 실시하였다. 안목해변을 바라보며 측량하도록 해안선과 평행하게 선박을 왕복하면서 라이다의 측량 방향을 변경시키며 총 6번의 측량을 실시하였다. RIEGL사의 LMS-Z420i 라이다 장비를 통해 2015년 12월 10일에 측정된 스캔 데이터는 Record01(90 deg), Record02(270 deg), Record03(45 deg), Record04(135deg), Record05(135deg), Record06(225deg) 총 6개이다.
2015년 5월 28일 1차 조사에서 IMU의 안정화를 실시할 때와 탐사를 할 때의 배의 속력 차이에 의해 오차 값이 크게 발생하는 현상을 보였다. 원인을 분석해본 결과 Heading 값이 일정하지 못하여 발생하는 것으로 파악되어 IMU의 DGNSS 안테나를 1개에서 2개로 추가하여 평행 설치하는 것으로 시스템을 변경하여, 해상 모바일라이다 시스템을 Fig. 5 및 Fig. 6과 같이 라이다, RTKGNSS 안테나, IMU, IMU 듀얼 DGNSS 안테나로 구성하게 되었다. 이 개선된 시스템을 이용하여 2015년 12월 10일 조사를 실시하였다.
따라서 자료기록에 정확한 측지 좌표계 및 궤도정보를 입력하기 위하여 IMU에 저장된 궤도정보(위치경로와 취득된 모션 값)를 입력해 주고 RiWOLRD 프로그램을 이용하여 스캐너 디바이스의 위치정보와 자료기록의 스캔 데이터 정보, IMU의 궤도정보를 데이터 처리하여 하나의 프로젝트로 생성하였다. 이를 이용하여 측정된 자료들 간의 정합보정을 실시하고 정확한 위치와 방위를 가지는 측지좌표계로 변환해주었다.
만약, RTKGNSS와 IMU와의 위치정보에 대한 오차가 허용범위 이상일 경우 IMU에서 인식하지 못하기 때문에 정확한 위치정보가 필요하다. 출항 직후에는 IMU의 Roll, Pitch, Yaw, Heading 값을 안정화시키기 위해 약 15 ~ 20분간 10 knots 이상으로 운항하여야 하며, 안정화된 후 라이다와 연결된 노트북의 자료획득 프로그램을 이용하여 현장조사를 실시한다. 일반적인 지상라이다(LMS-Z420i)의 지형 스캔 방식은 고정점에서 360° 회전하며 주변 지형을 측정하는 반면 해상 모바일라이다 시스템에서는 IMU 및 RTKGNSS와 연동되어 해안선을 따라 탐사하면서 시스템이 지정한 해안 방향으로 측량된다.
대상 데이터
2015년 12월 10일 강릉항 주변 안목 · 송정해변에서 해상 모바일라이다 시스템을 선박에 설치하여 실험 측량을 실시하였다.
2015년 12월 10일 강릉항 주변 안목 · 송정해변에서 해상 모바일라이다 시스템을 선박에 설치하여 실험 측량을 실시하였다. 2015년 5월 조사에서 나타난 데이터의 위치적 정확성 오류 문제를 해결하기 위해 IMU DGNSS 안테나를 1개에서 2개로 추가하여 2015년 12월 조사를 실시하였다. 2개 안테나를 사용하여 제작된 시스템으로 IMU를 안정화 시킨 후 현장조사 측정하였는데 그때 IMU의 평균 오차 범위는 Position 0.
해상 모바일라이다 시스템의 주요 구성 부는 3개의 주요장비와 소프트웨어들로 이루어져 있다. 3개의 주요장비 중 레이져 스캔부분은 RIEGL사의 라이다인 LMS-Z420i이고 모션센서(관성 측정 장치)부분은 MAGUS사의 IMU(Inertial Measurement Unit)인 Inertial+이며 위치측정 부분은 Leica사의 RTKGNSS인 G15, G25를 사용하였다.
안목해변을 바라보며 측량하도록 해안선과 평행하게 선박을 왕복하면서 라이다의 측량 방향을 변경시키며 총 6번의 측량을 실시하였다. RIEGL사의 LMS-Z420i 라이다 장비를 통해 2015년 12월 10일에 측정된 스캔 데이터는 Record01(90 deg), Record02(270 deg), Record03(45 deg), Record04(135deg), Record05(135deg), Record06(225deg) 총 6개이다. 그 중 Record04, Record05, Record06은 오류를 포함하고 있거나 스캔이 제대로 이루어지지 않아 데이터처리에서 제외하였다.
구축된 해상 모바일라이다 시스템의 실험 및 강릉항 주변 해변 측량을 위하여 2015년 5월 28일과 12월 10일에 현장 조사를 수행하였다(Fig. 4). 현장조사는 강원도 강릉시에 위치한 강릉항 주변의 안목 · 송정해변을 따라 북측으로 약 2.
9(Upper)와 같이 자료기록들 간의 스캔 데이터 위치가 정확하게 맞아떨어지지 않는 현상을 볼 수 있다. 따라서 자료기록들 간의 스캔 데이터 위치를 보다 정확하게 정합하기 위하여 앞서 이야기한 조정계산을 통해 보정을 실시하여 Fig. 9(Lower)와 같은 보정된 스캔 데이터를 획득하였다.
6과 같이 라이다, RTKGNSS 안테나, IMU, IMU 듀얼 DGNSS 안테나로 구성하게 되었다. 이 개선된 시스템을 이용하여 2015년 12월 10일 조사를 실시하였다. 안목해변을 바라보며 측량하도록 해안선과 평행하게 선박을 왕복하면서 라이다의 측량 방향을 변경시키며 총 6번의 측량을 실시하였다.
2(a))는 근적외선 또는 가시광선 파장대의 레이저를 송신하고 물체에 반사되어 돌아오는 레이저를 수신하여 거리를 측정하고, 거리 측정과 동시에 레이저 빔의 수평, 수직각을 정밀히 측정하여 이를 3차원 좌표로 환산하는 장비이다. 해상 모바일라이다 시스템의 가장 중요한 구성부인 라이다로는 RIEGL사의 LMS-Z420i를 사용하였다.
실시간으로 이동하는 물체의 위치정보를 수cm 오차의 정확도로 유지하기 위해서는 RTKGNSS 첨단 시스템이 요구된다. 해상 모바일라이다 시스템의 정확한 위치측정을 위하여 Leica사의 G15, G25 시스템을 이용하였다.
현장조사는 강원도 강릉시에 위치한 강릉항 주변의 안목 · 송정해변을 따라 북측으로 약 2.8 km 범위에 대하여 수행하였다.
8 km 범위에 대하여 수행하였다. 현장조사에서 사용된 배는 2.99톤으로 연안으로부터 인접한 수심까지 접근할 수 있는 소형선박을 활용하였다.
데이터처리
대표정점들의 표준편차(Standard deviation)를 확인하기 위해 최소 제곱법을 이용하였으며, 1000개의 대응되는 비교치를 획득하여 분석하였다. 대표정점들 간의 표준편차가 0.
또한 스캔 데이터의 정확성을 검증하기 위하여 건물 등 인공구조물에 대한 고정점 RTKGNSS 측량을 통해 고정점과 스캔 데이터의 표고검증을 실시하였다 (Fig. 10). 고정점과 스캔 데이터의 측정 자료를 비교해본 결과 5월 조사에 비해 12월 조사가 전체적으로 정확한 스캔 데이터가 취득되어진 것으로 판단되며 RTKGNSS 고정점과 5월 조사는 평균오차 약 1.
성능/효과
2015년 5월 조사에서 나타난 데이터의 위치적 정확성 오류 문제를 해결하기 위해 IMU DGNSS 안테나를 1개에서 2개로 추가하여 2015년 12월 조사를 실시하였다. 2개 안테나를 사용하여 제작된 시스템으로 IMU를 안정화 시킨 후 현장조사 측정하였는데 그때 IMU의 평균 오차 범위는 Position 0.012 m, Heading 0.1 deg, Roll 0.023 deg, Pitch 0.023 deg, Yaw 0.065 deg의 양호한 오차를 보였다.
10). 고정점과 스캔 데이터의 측정 자료를 비교해본 결과 5월 조사에 비해 12월 조사가 전체적으로 정확한 스캔 데이터가 취득되어진 것으로 판단되며 RTKGNSS 고정점과 5월 조사는 평균오차 약 1.14 m, 12월 조사는 평균오차 약 0.06 m의 차이를 나타냈다. 12월 조사 자료와 RTKGNSS 고정점의 오차 평균이 5월 조사 때보다 훨씬 작은 값을 나타내는 데 12월 조사의 측정치가 RTKGNSS 측정치와 거의 같은 값을 보이며 안정된 것으로 판단할 수 있다.
지상라이다로는 침식이 진행된 해안선을 스캔 시, 해안침식에서 중요한 전빈지역에 음영대가 많이 발생하여 관측에 어려움이 있다. 그러나 해상 모바일라이다 시스템을 이용하면 해빈을 바라보면서 측량하므로 전빈을 음영대 없이 효과적으로 관측할 수 있으며 측량 결과에서도 전빈지역이 효과적으로 잘 표현되었다(Fig. 11, Fig. 12). 조사 지역 남부인 강릉항 방파제 쪽 해빈은 모래사장 보수 공사로 인하여 해빈에 모래를 대량으로 쌓아 놓아 쌓인 모래의 후면에 음영대가 명확하게 나타나고 있다(Fig.
12월 조사 자료와 RTKGNSS 고정점의 오차 평균이 5월 조사 때보다 훨씬 작은 값을 나타내는 데 12월 조사의 측정치가 RTKGNSS 측정치와 거의 같은 값을 보이며 안정된 것으로 판단할 수 있다. 그러므로 2개의 안테나 사용 시 해상 모바일라이다 시스템의 측정 고도값이 안정된 신뢰도로 보완된 것으로 판단된다.
7). 따라서 분석되어진 평면 파라미터 및 표준편차와 스캐너 디바이스의 Orientation 값을 조정계산 해줌으로써 잔차(Residual, 관측된 대응정점 객체사이의 거리)의 제곱의 합을 최소화 하였다. 조정계산으로 인하여 스캐너 디바이스의 Orientation 값이 Roll –0.
조정계산으로 인하여 스캐너 디바이스의 Orientation 값이 Roll –0.058 deg, Pitch 0.086 deg, Yaw 0.434 deg로 변경되었으며, 표준편차의 Error 값이 0.2638 m에서 0.0652 m로 스캔 데이터의 위치 정확도가 향상되었으며, 조정계산 후 Fig. 8와 같이 0 m에 대한 정규분포 히스토그램으로 나타났다.
측량된 결과를 이용하여 안목 · 송정해수욕장의 측량된 지역의 해빈 폭을 대략적으로 살펴보면 남쪽 구역(구역 3)은 폭이 상대적으로 좁고 북쪽으로 가면서 중앙부 구역(구역 2)에서는 폭이 상대적으로 두껍고 거의 유사하게 나타나다가 북쪽 구역(구역 1)으로 가면서 폭이 점차 좁아지는 모습을 보인다.
현장조사에서 측량된 도로와 건물 및 해빈 경계펜스 등을 제거하고 난 해빈의 결과를 살펴보면 안목 · 송정 해수욕장 해빈 표고는 약 0 ~ 6 m 사이의 분포 범위를 보이는 것으로 측정되었다(Fig. 11).
후속연구
본 시스템 구축을 통하여 향후 침식피해가 심각한 해안을 대상으로 효과적인 정밀 측량 모니터링을 실시하여 보다 정확한 지형측량성과 자료를 기반으로 그 변화 양상을 파악한다면 연안침식대응기술개발 및 연안침식통합관리체계 도출에 일조함으로써 효과적인 양빈작업, 안전한 해양레저 활동, 연안개발 관리 등 아름답고 쾌적한 연안공간 조성에 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.
지역적으로는 해빈이 볼록하게 나온 지역과 오목하게 들어간 지역이 교차하면서 나타나고 있다. 추후 지속적인 모니터링과 정밀분석을 통하여 해빈의 지형특성 및 변화 양상을 파악할 수 있으리라 판단된다.
선박을 이용한 해상 모바일라이다는 전빈지역의 지형 측량은 잘 이루어지는 것으로 보이지만 대신 후빈지역의 경우 바다 쪽으로의 고도가 높거나 동일한 지역이 나타나면 그 육지 쪽 배후 지역이 음영대로 나타난다. 향후 ATV(All-Terrain Vehicle)를 모바일라이다용으로 설계하여 시스템을 설치하고 측량한다면 이와 같은 후빈지역의 음영대에 대한 관측 보완이 이루어 질 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연안침식 현상은 어떤 문제를 일으키는가?
또한 지구온난화에 의해 1964년부터 2006년까지 43년간 우리나라 해역의 해수면은 약 8 cm(1.9 mm/yr) 증가하였고(KMA, 2012), 이로 인한 연안침식 현상은 해양생태계의 파손 및 관광자원 손실 등의 많은 문제를 야기하고 있다(Fig. 1).
지상라이다 측량방법의 제약사항을 보완하기 위해 어떤 방법을 수행하는가?
또한 항공 라이다는 대규모 측량을 위해 개발되었으며 측량을 위한 소요 비용도 막대하다. 이에 대한 보완책으로 미국, 핀란드 등의 국가에서는 바다와 인접해있는 해안가 절벽, 해빈, 해안지형에 대한 효과적이고 정밀한 측정을 위하여 해상 모바일라이다 구축하고 이를 이용하여 지속적인 정밀 조사를 수행해 오고 있다(Alho et al., 2009; Kaminsky et al.
해안이란 무엇인가?
해안지역은 레저공간, 요양, 항만 및 발전소 건설 등으로 인간의 활용이 용이한 공간으로써 그 이용이 점점 늘어나고 있다. 해안은 해양과 육지가 서로 만나며 지속적으로 변화하는 지역이다. 이렇듯 활발한 변동이 일어나고 있는 해안지형에 대한 정기적인 해안침식 모니터링이 필요하지만, 지상라이다(LiDAR : Light Detection and Ranging) 측량방법은 많은 시간 소요와 제약사항들이 있다.
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