최근, 하천의 수질오염 및 악취발생으로 민원이 증가하여 하천환경개선에 큰 관심이 모아지고 있다. 본 연구의 목적은 하수 유입부에 대해 무인항공기(UAV)를 활용하여 RGB 및 적외 열 영상을 획득하고 하천제방 정비 계획 및 하천 오염 현황의 모니터링을 위한 응용성을 검토하였다. 특히, 하천 인근 공장에서 배출되는 폐수를 적외 열 영상으로 검출하여 폐수의 전파를 모니터링하였다. 또한 하천 제방 정비대상 지역과 인근지역에 대한 RGB영상을 SfM(Structure from Motion)기반 영상 해석을 통해 고정밀 3차원 모형을 제작하고 정확성을 검토하였다. 연구결과, UAV영상을 활용, 폐수유입에 따른 하천의 온도변화를 감지하여 수질오염의 유입부 및 전파 현상을 모니터링 할 수 있었다. 또한 고정밀 3차원 모델(수치지형도, 정사영상)을 제작, 정확성을 검토하고 하천의 제방정비를 위한 정밀 3차원 정보 및 식생 피복정보를 도출할 수 있었다.
최근, 하천의 수질오염 및 악취발생으로 민원이 증가하여 하천환경개선에 큰 관심이 모아지고 있다. 본 연구의 목적은 하수 유입부에 대해 무인항공기(UAV)를 활용하여 RGB 및 적외 열 영상을 획득하고 하천제방 정비 계획 및 하천 오염 현황의 모니터링을 위한 응용성을 검토하였다. 특히, 하천 인근 공장에서 배출되는 폐수를 적외 열 영상으로 검출하여 폐수의 전파를 모니터링하였다. 또한 하천 제방 정비대상 지역과 인근지역에 대한 RGB영상을 SfM(Structure from Motion)기반 영상 해석을 통해 고정밀 3차원 모형을 제작하고 정확성을 검토하였다. 연구결과, UAV영상을 활용, 폐수유입에 따른 하천의 온도변화를 감지하여 수질오염의 유입부 및 전파 현상을 모니터링 할 수 있었다. 또한 고정밀 3차원 모델(수치지형도, 정사영상)을 제작, 정확성을 검토하고 하천의 제방정비를 위한 정밀 3차원 정보 및 식생 피복정보를 도출할 수 있었다.
Recently, civil complaints have increased due to water pollution and bad smell in rivers. Therefore, attention is focused on improving the river environment. The purpose of this study is to acquire RGB and thermal infrared images using UAV for sewage outlet and to monitor the status of stream pollut...
Recently, civil complaints have increased due to water pollution and bad smell in rivers. Therefore, attention is focused on improving the river environment. The purpose of this study is to acquire RGB and thermal infrared images using UAV for sewage outlet and to monitor the status of stream pollution and the applicability UAV based images for river embankment maintenance plan was examined. The accuracy of the 3D model was examination by SfM(Structure from Motion) based images analysis on river embankment maintenance area. Especially, The wastewater discharged from the factory near the river was detected as an thermal infrared images and the flow of wastewater was monitored. As a result of the study, we could monitor the cause and flows of wastewater pollution by detecting temperature change caused by wastewater inflow using UAV images. In addition, UAV based a high precision 3D model (DTM, Digital Topographic Map, Orthophoto Mosaic) was produced to obtain precise DSM(Digital Surface Model) and vegetation cover information for river embankment maintenance.
Recently, civil complaints have increased due to water pollution and bad smell in rivers. Therefore, attention is focused on improving the river environment. The purpose of this study is to acquire RGB and thermal infrared images using UAV for sewage outlet and to monitor the status of stream pollution and the applicability UAV based images for river embankment maintenance plan was examined. The accuracy of the 3D model was examination by SfM(Structure from Motion) based images analysis on river embankment maintenance area. Especially, The wastewater discharged from the factory near the river was detected as an thermal infrared images and the flow of wastewater was monitored. As a result of the study, we could monitor the cause and flows of wastewater pollution by detecting temperature change caused by wastewater inflow using UAV images. In addition, UAV based a high precision 3D model (DTM, Digital Topographic Map, Orthophoto Mosaic) was produced to obtain precise DSM(Digital Surface Model) and vegetation cover information for river embankment maintenance.
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문제 정의
본 연구의 목적은 하천의 구조 및 환경의 변화에 대한 유지관리와 모니터링 연구에 UAV의 활용성을 검토하는 것이다. 이를 위해 시흥시에 위치한 옥구천을 연구대상으로 선정, UAV에 RGB 및 적외선 카메라를 탑재, 컬러영상과 적외열 영상을 획득하고 지상기준점에 대한 GNSS 좌표성과를 기준점으로, SfM기반 영상해석을 통해 하천의 3차원 모형을 재현하고 기하학적 정확도를 검토하였다.
(정병조, 2009) 가시광선 보다 긴 파장의 적외선을 감지하는 센서를 사용해 비접속 식으로 대상 물체에서 방사된 적외선을 검출한다. 검출된 적외선의 주파수 반응을 감지 전기적 신호로 전환하고, 이를 파장별 열화상 이미지로 재현한다.(FLIR, 2016)
이를 위해 시흥시에 위치한 옥구천을 연구대상으로 선정, UAV에 RGB 및 적외선 카메라를 탑재, 컬러영상과 적외열 영상을 획득하고 지상기준점에 대한 GNSS 좌표성과를 기준점으로, SfM기반 영상해석을 통해 하천의 3차원 모형을 재현하고 기하학적 정확도를 검토하였다. 옥구천에 대한 UAV기반 정사 영상을 국토지리정보원(NGⅡ, National Geographic Information Institute)의 공간정보 오픈 포털에서 제공하는 실감정사영상 및 수치지형도와 중첩 비교하여 2D 및 3D 모델의 완성도를 비교 . 고찰한다.
검토하는 것이다. 이를 위해 시흥시에 위치한 옥구천을 연구대상으로 선정, UAV에 RGB 및 적외선 카메라를 탑재, 컬러영상과 적외열 영상을 획득하고 지상기준점에 대한 GNSS 좌표성과를 기준점으로, SfM기반 영상해석을 통해 하천의 3차원 모형을 재현하고 기하학적 정확도를 검토하였다. 옥구천에 대한 UAV기반 정사 영상을 국토지리정보원(NGⅡ, National Geographic Information Institute)의 공간정보 오픈 포털에서 제공하는 실감정사영상 및 수치지형도와 중첩 비교하여 2D 및 3D 모델의 완성도를 비교 .
특히, 알루미늄 타겟을 식생지역에 설치할 경우와 비 식생지역에 설치할 경우의 식별성을 검토하였다.
고찰한다. 특히, 적외 열 영상의 촬영 시 지상 기준점의 식별이 명확한 인공타겟을 검토하고 획득된 UAV기반 적외 열 영상을 활용하여 하천의 온도변화를 열화상으로 전환, 의사(Pseudo) 공장폐수의 유입 및 전파현상을 감지하여 하천 환경 모니터링의 효용성을 고찰하였다.
하천을 대상으로 UAV로 RGB 및 적외 열 영상을 획득, SfM 해석으로부터 3차원 공간정보와 수면의 수온을 검출하여 다음의 결론을 얻었다.
대상 데이터
식생분포지가 위치한다. 2017년 7월 12일 GNSS측량을 통해 연구대상지 인근 총 34점의 좌표를 획득, 팬텀4 프로 장비로 촬영고도 60, 중복도 85의 자동비행으로 촬영, 총 501장의 데이터를 획득하여 3D모델 구성에 활용하였다.
반면 알루미늄 타겟은 상대적으로 식생 지역보다 명확한 식별성을 나타내었다. 따라서 본연구에서는 적외 열 영상 촬영시 알루미늄 타겟을비식생지역에 설치하였다.
특히, 카메라를 제어하는 짐벌의 요(Yay), 롤(Roll)이 자유롭고 컨트롤러의 마스터(Master), 슬레이브(Slave) 연동 기능으로 기체조작, 카메라 조작의 분업화가 가능하다. 본 연구에서는 Figure 5와 같이 FLIR사와 DJI사의 합작 열 영상 카메라 (Zenmuse XT)를 장착하여 실험지역에 대한 적외열 영상을 획득하였다. 인스파이어 1과 Zenmuse XT 제원을 요약하면 Table 2와 같다.
연구대상은 시흥 옥구천으로 공장 밀집 지역이며 Figure 6과 같이 옥구8교 기준 제방정비지역과 식생분포지가 위치한다. 2017년 7월 12일 GNSS측량을 통해 연구대상지 인근 총 34점의 좌표를 획득, 팬텀4 프로 장비로 촬영고도 60, 중복도 85의 자동비행으로 촬영, 총 501장의 데이터를 획득하여 3D모델 구성에 활용하였다.
한다. 이를 위해 본 연구에서는 열 반사도가 우수한 알루미늄 재질의 0230 은박접시를 인공 타겟(이하, “알루미늄 타겟” )으로 선정하였다.
성능/효과
양호한 것으로 검토되었다. Ⅱ는 실감 정사 영상(B)과 수치지도(C)의 중첩영상으로 두 정보 간의 편차는 평균 약 40cm로 분석되였다. 특히, Ⅲe UAV기반 정사영상(A)의 투명도 조절하여 실감정사영상(B)의 중첩분석한 것으로 지형 편차는 미소한 것으로 검토되었고 부분적인 지형변화는 NGⅡ의 촬영주기가 2016년의 결과에기인된다.
넷째, UAV기반 적외 열 영상을 통해 하천 수면의 수온을 검출하여 공장주변 폐수의 하천 유입과 전파상태를 검출할 수 있었다.
분석결과, 재현된 3D모델의 제방과 지면에 설치한 점검점의 3차원 위치정확도 ZX, ZY, ZZ 의 절대편차평균(Avedev)은 각각 0.02m, 0.03m 및 0.02m로 높은 정확도를 나타내었다. 특히, 도로 및 제방의 3차원 재현은 우수하였지만 수면 부의 공백을 확인, 수면에 발생하는 자연광의 반사 및 투과, 굴절 등의 영향으로 영상정합이 불안정해 제외된 것으로 판단된다.
셋째, 적외 열 영상의 지상기준점으로 은박접시를 활용하여 인공타겟의 효율성을 확인할 수 있었다. 특히, 은박접시의 경우 비 식생 지역에 설치할 경우 높은 효율성이 확인되었다.
첫째, UAV기반 SfM 영상해석으로부터 정밀한 수치 표면모형을 구성, 하천환경정비를 위한 정밀 3차원 공간정보를 구축할 수 있었다. 특히, DSM 으로부터 식생피복정보를 도출하여 하천의 유지관리에 효율적인 활용이 기대된다.
특히, 은박접시의 경우 비 식생 지역에 설치할 경우 높은 효율성이 확인되었다.
후속연구
특히, Ⅲe UAV기반 정사영상(A)의 투명도 조절하여 실감정사영상(B)의 중첩분석한 것으로 지형 편차는 미소한 것으로 검토되었고 부분적인 지형변화는 NGⅡ의 촬영주기가 2016년의 결과에기인된다. W는 UAV기반 정사영상(A)과 수치 지도(C)의 중첩영상으로 분석결과 UAV기반 정사 영상과 수치지형도 간에는 약 77cm의 편차를 확인할 수 있었으므로 기존 제작된 수치지도의 수정보완에 활용할 수 있을 것이다.
둘째, UAV기반 2차원 공간정보(정사영상, 수치지형도)를 제작, 국토지리정보원의 실감 정사 영상 및 수치지형도와 비교한 결과 높은 정합성을 확인할 수 있었으므로 기존 수치지형도의 보완 주기 단축과 소규모 공간정보 구축의 효율성이 기대된다.
특히, B-I의 적외열 영상(좌 사진)의 경우 하류부분에 정체된 의사 공장폐수의 모습을 확인할 수 있었다. 따라서, UAV에 적외 열 영상 카메라를 탑재하여 열화상을 획득할 경우 의사 공장폐수의 검출이 용이하여 하천 환경개선의 유지관리에 효율적인 활용이 기대된다.
공간정보를 구축할 수 있었다. 특히, DSM 으로부터 식생피복정보를 도출하여 하천의 유지관리에 효율적인 활용이 기대된다.
참고문헌 (9)
정병조, 장성환 (2009), 열적외선 이미지를 이용한 영상 처리, 한국산학기술학회 논문지, 제10권, 제7호, pp.1503-1508.
송승현, 이언석, 오장석, 이경채, 김민기 (2012), 다중영상 기반의 불완전 데이터 행렬에 의한 3차원 정량화를 위한 기반 연구, 한국공학예술학회 논문지, 제4권, 제1호, pp.17-21.
조용진 (2017), 열화상 시스템에 의한 유빙의 탐지특성에 관한 실험적 연구, 한국산학기술학회 논문지, 제18권, 제5호, pp.302-307.
Bruce Averill and Patricia Eldredge (2011), General Chemistry : Principles, Patterns, and Applications, v. 1.0 (2 Volume Set), pp.687-693.
정용택 (2014), 적외선 센서의 최신 기술 동향, pp. 180-195.
이용창 (2015), UAV를 활용한 사진지도제작, pp.61-81.
이용창 (2017), UAS 영상기반 공간정보해석, pp.169-217.
FLIR Systems Korea (2016), R&D 전문가를 위한 적외선 열화상 핸드북, pp.4-21.
Philippe Esperanca (2017), La Photogammetrie en Morphoanalyse de tares de sang - Photogrametry for BPA, https://www.linkedin.com.
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