[논문]무인항공시스템을 활용한 저수지 지형모델 생성 및 정확도 평가

김정면; 박성식; 김재휘; 안승우; 박성용; 김용성

doi:10.5389/ksae.2017.59.2.057

[국내논문] 무인항공시스템을 활용한 저수지 지형모델 생성 및 정확도 평가
Accuracy Evaluation and Terrain Model Automation of Reservoir Using Unmanned Aerial Vehicle System 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.59 no.2, 2017년, pp.57 - 67

김정면 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University) , 박성식 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University) , 김재휘 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University) , 안승우 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University) , 박성용 (National Disaster Management Institute, Ministry of Public Safety and Security) , 김용성 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This study examines methods for creating terrain models of reservoirs and techniques for verifying the accuracy. Such methods and techniques use unmanned aerial vehicles which are capable of capturing high-resolution images repetitively, are highly economic, and capable of surveying wide areas. In addition, this study suggests methods of acquiring data for reservoir safety management, the methods which also employ the unmanned aerial vehicles. Therefore, this study helps solving problems that can arise when National Disaster Management System rebuilds a reservoir management database, such as a shortage of local government manpower. This study also contributes to providing element technology necessary for advancing the database.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 고해상도 영상의 반복취득 및 경제성이 우수하며, 광범위한 지역을 조사할 수 있는 무인항공시스템을 이용하여 저수지의 지형모델 생성 및 정확도 검증 기법에 대해 고찰하고 저수지 안전관리를 위한 데이터 취득 방안을 제시하였다. 본 연구를 통해 국가재난관리정보시스템의 저수지 관리 DB 재구축 시 예상되는 지자체 공무원의 인력부족 등 제반 문제점 해소 및 데이터베이스 고도화 추진 시 필요한 요소 기술을 제공하는데 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서는 무인항공기를 이용하여 제작한 3D실감지적모델을 바탕으로 수치지형도를 제작하였다. 제작된 수치지형도의 등고선의 최소간격은 0.
본 연구에서는 무인항공시스템을 이용한 재해위험저수지의 지형모델 생성 및 정확도 검증 기법에 대해 고찰하고 저수지 안전관리를 위한 데이터베이스 취득 방안을 제시하고자, 경북 영천시에 소재한 사리저수지에 대하여 UAV 기반 정사영상 및 DSM을 이용한 실감지적 3D모델을 제작하고 정확도 검증을 수행하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

제안 방법

무인항공 촬영계획을 수립하기 앞서 촬영대상지에 대한 사전답사를 실시하여 이･착륙 후보지를 선정하고 비행에 지장을 주는 건물 등 주변 현황을 면밀히 파악하여야 하며, 촬영 대상지의 면적을 기준으로 사진중복도, 사진매수, 비행코스, 비행 간격, 고도, 이･착륙 지점 등을 고려하여 비행계획을 수립한다. 또한 촬영면적을 고려한 지상기준점 (Ground control point, GCP)의 간격 및 위치에 대한 사전계획이 수립되어야 한다.
본 연구에서는 senseFly사에서 제공하는 Postflight Terra 3D를 이용하여 UAV 영상 매칭을 수행하였으며, Initial Processing으로 촬영 영상을 입력하게 되면 자동적으로 UAV 촬영 시 관측된 GPS값이 연계 입력되어 진다. 두번째로 촬영영상의 좌표계를 입력하며, 마지막으로 촬영 시 설치해둔 지상기준점이 포함된 영상마다 동일점을 선택하여 준다 (Fig.
Postflight Terra 3D를 이용하여 정사영상과 DSM (Digital Elevation Model)을 제작하기 위해 Initial Processing을 진행한 영상과 Point cloud Densification을 이용하여 DSM and Orthomosaic Generation을 실행한다. 이때 DSM은 GeoTiff 형식의 Raster Date와 입력된 격자간격에 따라 텍스트 형식의 Grid Date를 생성하며, 정사영상은 GeoTiff 파일로 생성한다.
사리 저수지는 저고도 사진 촬영의 방해가 되는 좌우의 산지지형으로 인하여 비행고도는 105 m로 설정하였고, 촬영면적은 약 300 m×700 m의 0.21 km2으로 제체붕괴 시 하류피해영역의 민가지역까지 포함하여 촬영을 진행하였다.
비행계획 수립 전 현장 사전답사를 통하여 비행안전과 원활한 촬영을 위한 비행고도 및 비행경로를 설정하였다. 사리 저수지는 저고도 사진 촬영의 방해가 되는 좌우의 산지지형으로 인하여 비행고도는 105 m로 설정하였고, 촬영면적은 약 300 m×700 m의 0.
정밀 정사영상 및 DSM을 생성하기 위하여 GPS측량을 통하여 총 9개의 지상기준점좌표를 취득하였으며, 8개의 대공 표지판과 1개의 도로표식을 사용 하였다. 9점의 GCP 위치는 Fig.
비행완료 후 취득된 저고도 고해상도 영상데이터를 활용하여 사리저수지에 대한 정사영상 및 DSM을 제작하였다(Fig. 7). 또한 정사영상 및 DSM을 활용하여 Fig.
7). 또한 정사영상 및 DSM을 활용하여 Fig. 8과 같이 실감지적 입체모델을 생성한 후 가상측량프로그램을 이용한 실제 제체의 대한 측량을 실시하여 제원정보 및 단면도, 경사도를 추출하였다 (Table 5).
무인항공시스템을 이용하여 생성된 영상정보의 정확도를 평가하기 위하여 GPS를 이용하여 실측한 지상기준점 (GCP) 좌표와 지상표본거리 (GSD)가 3.41 cm인 저고도 항공 삼각 측량을 실시하여 생성된 정사영상과 DSM을 매칭한 영상에서 GCP 지점과 일치되는 9개의 지상 기준점 좌표를 추출하여 비교･분석 하였다 (Table 6).

대상 데이터

본 연구에 사용된 UAV는 스위스 senseFly사의 고정익 eBee (Fig. 1 참조)로서 1회 비행으로 10 km²의 영역을 최대 50분을 비행할 수 있으며, 1600만 화소의 카메라를 탑재하고 있다. 최대 3 cm/pixel의 해상도로 항공사진을 촬영할 수 있고, 5 cm의 정밀도의 모델을 만들 수 있다 (Table 1).
촬영이 완료된 UAV로부터 컴퓨터를 링크시켜 무인비행자료 GPS/IMU 데이터를 다운로드 받고, 디지털카메라로 수집한 수치영상자료도 함께 다운로드 받는다. 영상처리를 위한 영상자료가 컴퓨터로 완료되면 무인비행 항공자료 수집과정은 완료된다 (Kim, 2014).
무인항공시스템을 이용한 재해위험저수지의 지형모델 및 수치지형도 수집을 위하여 경상북도 영천시 대창읍 사리리에 위치한 사리저수지를 선정하였다. 사리저수지는 1945년도에 준공된 저수지로 제체와 인접하여 농경지와 축사 등이 위치하고 있으며, 2014년 9월에 실시한 정밀안전진단 결과에 따르면 D등급 저수지이다.
21 km²으로 제체붕괴 시 하류피해영역의 민가지역까지 포함하여 촬영을 진행하였다. 촬영을 통하여 획득한 사진자료는 총 225장의 사진과 비행모션 데이터인 Log데이터도 함께 취득하였으며, 비행계획 및 획득데이터 상세 내용은 Fig. 5와 Table 3과 같다.

이론/모형

본 연구에서 사용한 UAVS 데이터 처리 소프트웨어는 촬영계획 수립 및 조정을 위한 eMotion2와 사진측량 영상자료 생성을 위한 Postflight Terra 3D을 사용하였다.
본 연구에서는 여러 지리정보 데이터 중 무인항공시스템을 이용하여 생성된 정밀 수치지형도를 이용하여 DEM을 제작하였으며, 이를 위하여 다양한 공간 분석과 표현기능을 갖고 있어 토목, 건축 등과 같은 공학 분야의 지리정보 분석을 위해 널리 활용되고 있는 Arc GIS 프로그램을 활용하였다.

성능/효과

사리 저수지의 정사영상 생성 결과 주택, 시설물, 농경지 이용 현황 등 저수지 주변 현황을 상세하게 파악할 수 있을 정도로 나타나 고해상도 영상 취득이 가능한 것으로 확인되었다.
본 연구에서는 무인항공기를 이용하여 제작한 3D실감지적모델을 바탕으로 수치지형도를 제작하였다. 제작된 수치지형도의 등고선의 최소간격은 0.5 m이며, 국토정보플랫폼에서 제공되는 1:5,000의 수치지형도와 비교해 보았을 때 보다 약 2.5배 세밀하게 지형정보를 나타낼 수 있었다 (Fig. 10).
DEM을 생성하기 전 수치지형도에 TIN의 이용 유무에 따른 수치지형도를 비교한 결과 TIN의 생성과정을 거치지 않은 즉, 등고선에서 직접 DEM을 추출한 수치지형도의 경우 일부 지점에서 지형 왜곡현상이 발생하였으나, TIN의 생성과정을 거친 수치지형도의 경우에는 왜곡된 지형이 없이 자연스럽게 지형을 표현할 수 있었다 (Fig. 11).
무인항공시스템을 이용하여 수집된 정밀 수치지형도를 TIN 생성과정을 거쳐 DEM을 Fig. 12 (a)와 같이 생성하였으며, DEM을 활용한 사리저수지 수계분석 결과 당초현장조사 시 유입부로 추정된 지점과 일치됨을 확인 할 수 있었다 (Fig. 12(b)).
또한 3차원 가시화 작업을 거친 DEM과 DSM을 비교･분석한 결과 (Fig. 13) DSM의 경우 개략적인 지형･지물을 3차원적으로 파악하기에는 적합하나, 정밀도에 크게 영향을 받는 재해위험저수지와 같은 수리시설물의 안정도 해석에서는 DEM이 적합할 것으로 판단된다.
1. 무인항공시스템을 이용한 저수지 지형모델의 정확도는 GPS 실측측량과 비교한 결과 국토지리정보원에서 제시한 오차범위내에 포함되어 매우 높은 것으로 평가되었다.
2. 실감지적 3D 지형모델은 저수지를 관리하는 사용자가 저수지 주변 현황 및 제체 상태를 신속･정확하게 파악하는데 보조적 수단을 활용할 수 있을 것으로 판단되며, 재해위험저수지의 공간분석, 보수･보강 계획 및 방재대책 수립 시 유용하게 활용될 것으로 사료된다.
3. 무인항공시스템을 이용한 수치지형도는 기존의 축척1:5,000 수치지형도 보다 약 2.5배 세밀한 지형정보를 나타낼 수 있는 정밀 수치지형도 제작이 가능한 것으로 판단된다.
4. 불규칙 삼각망(TIN)을 이용한 수치지형도는 지형의 왜곡현상을 보정하여 지형도를 생성할 수 있고, 이를 이용하여 제작된 DEM은 정밀도에 의존하는 소규모 재해위험저수지의 수계분석 및 안정도 해석에 적합할 것으로 판단된다.

후속연구

따라서 본 연구에서는 고해상도 영상의 반복취득 및 경제성이 우수하며, 광범위한 지역을 조사할 수 있는 무인항공시스템을 이용하여 저수지의 지형모델 생성 및 정확도 검증 기법에 대해 고찰하고 저수지 안전관리를 위한 데이터 취득 방안을 제시하였다. 본 연구를 통해 국가재난관리정보시스템의 저수지 관리 DB 재구축 시 예상되는 지자체 공무원의 인력부족 등 제반 문제점 해소 및 데이터베이스 고도화 추진 시 필요한 요소 기술을 제공하는데 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인항공시스템이란?	무인항공시스템은 조종사가 비행체에 직접 탑승하지 않고 지상에서 원격조정, 사전 프로그램된 경로에 따라 자동 또는 반자동 형식으로 자율비행하거나 인공지능을 탑재하여 자체 환경판단에 따라 임무를 수행하는 비행체와 지상통제장비 (Ground Control Station/System) 및 통신장비, 지원 장비 등의 전체 시스템을 칭하고 있다 (Korea Land and Geospatial InformatiX Corporation, 2013).
	무인항공시스템의 활용도는?	이와 같이 무인항공시스템은 운용비용이 저렴하고 고해상도 영상을 신속 정확하게 반복취득이 가능한 장점을 바탕으로 공간 정보 분야 적용을 위한 많은 연구가 국내･외적으로 수행되고 있으며, 최근에는 디지털카메라의 성능향상과 GPS/IMU 등 항법장치의 경량화 및 정밀도 향상으로 농업분야, 어업분야, 기상관측 및 통신 분야 등 광범위하게 사용되고 있다 (Kim et al., 2014).
	과반수의 자치단체 소관 저수지가 60년 이상 경과되어 노후화로 결함이 발생에 대해 국민안전처의 대응은?	이러한 재해위험 저수지에 대한 체계적인 관리를 위해 국민안전처에서는 국가재난관리정보시스템 (National Disaster Management System, NDMS)에 저수지 관리용 데이터베이스 (DB)를 구축하여 운영하고 있으나, 이는 과거의 경험적 자료를 바탕으로 작성된 저수지의 준공년도, 저수용량, 제체 형식 등 일반적인 사항으로 재해위험저수지의 구체적이고 효율적인 안전관리를 위한 데이터베이스로는 부족한 상황이다.

참고문헌 (11)

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Cho, J. H., 2014. Accuracy and Economic Feasibility Study of Orthoimage Map Production using UAV. M.S. diss., University of Seoul (in Korea).
Kim, S. G., 2014. A Study on Construction and Application of Spatial Information Utilizing Unmanned Aerial Vehicle System. Ph.D. diss., Mokpo national university (in Korea).
Chi, C. H., 2014. The sturdy for Realistic Cadastral Contents Development and Cadastral Resurvey Application of High Quality Image-based Content, NGII2013-27. Jeonju, Jeobuk (in Korean).

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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