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문제 정의
- 본 연구에서는 상용 제품을 이용하여 경량화된 자력탐사 시스템을 구성하고, 구성된 자력탐사 시스템을 드론에 실어 항공자력탐사를 수행하고자 하였다. 드론 기반 항공자력탐사 시스템을 이용해 획득한 자료는 동일한 연구 지역에 대해 육상탐사를 실시해 자료의 신뢰성을 확보하여 드론 기반 항공자력탐사의 현장 적용성을 확인하고자 하였다.
- 자기탐사는 포텐셜 탐사의 일종이기 때문에 계산을 통해서 고도 변화에 따른 자력값을 도출 할 수 있다. 본 연구에서 육상 탐사자료는 지표에서, 항공 탐사는 95 m, 100 m 고도에서 이루어 졌기 때문에 두 자료를 동일한 수준에서 비교하기 위해서 육상 탐사 자료를 상향 연속하여 항공 탐사 자료와 동일한 수준에서 비교 분석하고자 하였다. 그 결과는 Fig.
- 본 연구에서는 상용 제품을 이용하여 경량화된 자력탐사 시스템을 구성하고, 구성된 자력탐사 시스템을 드론에 실어 항공자력탐사를 수행하고자 하였다. 드론 기반 항공자력탐사 시스템을 이용해 획득한 자료는 동일한 연구 지역에 대해 육상탐사를 실시해 자료의 신뢰성을 확보하여 드론 기반 항공자력탐사의 현장 적용성을 확인하고자 하였다.
- 드론은 비행 시 드론의 날개 동력부, 배터리, 본체 등에서 자기장이 발생한다. 이는 드론에 설치되는 자력계 센서에 자기장 간섭효과를 발생시켜 결과에 영향을 미치기 때문에 드론에서 발생하는 자기장의 영향범위를 확인하는 실험을 통해 자기장 간섭을 제거하고자 하였다. 자기장 간섭 범위 실험은 동일한 시험지역에서 드론이 격자 중앙에 있을 때와 없을 때 자력값을 획득하여 두 값의 차를 통해 드론의 자기장 발생 범위만 남도록 하였다.
제안 방법
- 한국지질자원연구원에서는 한반도의 항공자력 이상도 데이터베이스를 구축하고 있다. 1:5만 지역별로 측선 간격을 2 km 간격으로 설정한 동-서 측선과 약 6 km 간격으로 설정된 남-북 맺음 측선을 따라 굽이 날기 방법으로 약 150-180 m의 절대 비행 높이와 속도 90-100 km h-1를 유지하면서 1초마다 측정하는 방식으로 이루어졌다. 획득된 탐사자료는 base station 자료를 이용하여 일보정이 이루어졌으며, 순차적으로고도보정, IGRF 보정이 이루어진 자료이다(KIGAM,2014).
- Mag639는 3축 센서가 탑재되어있어 X, Y, Z 성분을 동시에 측정이 가능하다. Bartington 사가 Mag639에 제공하는 자료 수집 장치는 유인 항공 및 육상용으로 고안이 되어 부피가 크고 무게가 많이 나가기 때문에 National Instruments 사의 소형, 휴대용 측정 시스템을 위해 설계된 버스 전원 공급, 1슬롯 USB 섀시인 cDAQ-9171에 아날로그 입력모듈인 NI 9239를 장착하여 A/D 컨버터를 구성하였고 태블릿 PC에 디지털 신호로 변환된 자력 값이 저장되도록 구성하였다. 최종적으로 Fig.
- 4. Magnetic intensity map obtained for verifying the drone based magnetic surveying system. (a) Ground magnetic survey,(b) Aero magnetic survey
- 이러한 확장성을 이용하여 정밀도가 높은 RTK GPS를 추가 적용할 수 있어 정밀한 위치의 자력값을 획득할 수 있게 한다. RTK GPS는 비행 컨트롤러와 동일한 Arduino 기반으로 운용되는 Swift Navigation 사의 Piksi 모듈을 사용하여 Mission Planner 프로그램에서 실시간으로 드론의 상태정보와 GPS 로그 기록을 확보하였다. 드론의 최대 적재 중량은 3 kg, 비행시간은 최소 15분으로 설정하여 구성하였다.
- 단일 자력계로 구성된 자력탐사 시스템을 이용하여 자력 변화율 자료를 얻기 위해 왕복 비행 시 고도를 변경해 주어 두 가지 고도에서 자력 자료를 획득하였고, 그 차이를 이용해 자력 변화율 자료를 얻을 수 있었다. 자력 변화율 자료는 단일 자력자료 결과와 마찬가지로 잡음이 포함되었지만 두 자료의 차로 인하여 그 잡음이 단일 자료보다 상쇄되었다고 판단한다.
- 5 m의 거리를 둔다. 드론 기반 항공자력탐사는 기존 항공자력탐사보다 탐사 높이가 낮기 때문에 각각 획득되는 두 고도차를 5m로 설정하였다. 자력변화율 측정의 장점은 두 값의 차이를 측정하기 때문에 일변화 보정이 필요 없다.
- 드론은 Arduino 개발환경 기반의 Pixhawk FC를 사용하여 RTK GPS를 추가 확장 할 수 있도록 구성하였다. 드론에 실리는 자력탐사 시스템은 Geometrics사의 핵자력계 G-858을 이용하여 동일한 조건에서 탐사를 실시하여 탐사 장비의 신뢰성을 확인하였고 드론에서 발생하는 자기장 간섭 범위 실험을 통해 자력계를 2.5 m 이격시켜 드론 기반 자력탐사 시스템을 구성하였다.
- 드론은 Arduino 개발환경 기반의 Pixhawk FC를 사용하여 RTK GPS를 추가 확장 할 수 있도록 구성하였다. 드론에 실리는 자력탐사 시스템은 Geometrics사의 핵자력계 G-858을 이용하여 동일한 조건에서 탐사를 실시하여 탐사 장비의 신뢰성을 확인하였고 드론에서 발생하는 자기장 간섭 범위 실험을 통해 자력계를 2.
- 항공 탐사 시 단일 자력계로 탐사를 수행하지만 정밀한 위치기반으로 왕복 비행 시 고도를 달리하여 지면으로부터 100 m, 95 m 높이의 자력값을 각각 획득하여 자력변화율 자료까지 얻고자 하였다. 또한 항공 탐사 측선 설계 시 지형 정보를 참고하여 지형을 따라 고도를 설정하여 지형 효과를 제거해 주었다. 일변화보정은 기준점에서 핵자력계 G-858을 이용하여 5초 간격으로 일변화 자력값을 획득하여 보정하였다.
- 본 연구에서 구성한 드론 기반 항공자력탐사 시스템의 현장 적용성 및 탐사 자료의 신뢰성을 확인하기 위하여 이미 성능이 검증된 핵자력계 G-858을 이용하여 육상 탐사를 수행하고 항공 자력탐사 자료와 비교분석 하였다(Fig. 7). 육상 탐사 결과 Fig.
- 자력 변화율 측정은 멀지 않은 거리만큼 떨어진두 개의 자력계에서 측정한 총 자기장 세기의 차이를 통해 장파장 영향을 줄여 천부 물체에 대한 영향이 강조된 결과를 확인하는 방법이다. 본 연구에서 사용하는 드론 기반 항공자력탐사의 경우 일반적인 자력 변화율 측정 방법처럼 두 개의 자력계를 이용하여 탐사를 수행할 경우 적재 중량 증가와 비행시간 감소 등의 문제가 있어 RTK GPS를 이용해 정확한 위치 정보를 확보하여 왕복 비행 시 고도를 달리하여 두 개의 고도 자력값을 획득하였다. 일반적인 항공 탐사에서 스팅거의 경우 두 자력계 사이의 거리가 2-5 m, 버드의 경우 30 m 이내이다.
- 본 연구에서는 드론을 이용하여 항공자력탐사 시스템을 구축하고 이를 철광산 지역에 적용하였고 육상탐사 자료와 비교를 통해 자료에 대한 신뢰성을 확보하였다.
- 버드 방법은 자력계 센서를 비행체에서 충분히 멀리 위치시켜 비행체로 인하여 발생하는 자기장 영향 범위에서 벗어나는 방법으로 간섭을 제거하는 방법이다. 본 연구에서는 버드 형태로 자력계를 설치하였고 그 거리는 드론의 의한 자기장 영향 범위인 1.5 m 보다 충분히 먼 2.5 m로 설정하여 자기장 간섭을 제거하였다.
- 자력변화율 측정의 장점은 두 값의 차이를 측정하기 때문에 일변화 보정이 필요 없다. 본 연구에서는 서로 떨어진 거리의 자력값을 따로 얻었기 때문에 기준점에서 5초마다 획득되는 자력값을 이용하여 일변화 보정을 수행하였다.
- 2 그림을 작성하였다. 실험에는 드론의 날개 동력부가 대각선으로 위치하여 격자 형태로 자력값을 획득할 경우 자력계 센서와 회전하는 날개에 자력계 센서 및 날개의 파손이 우려되어 드론을 중심으로 동서, 남북방향으로 자력값을 획득하여 Fig. 2를 작성하였다. 그 결과 최대 간섭 범위는 1.
- 3b와 같이 설계하였다. 육상 탐사는 실제 현장에 적용되는 방법과 동일하게 단일 자력계 센서를 이용하여 3초 단위로 GPS정보와 자력값을 동시에 측정하였고, 항공 탐사는 상향 연속 계산을 통해 자료가 변환된 자료보다는 원본 자료로 비교하기 위해서 일반적인 항공탐사의 고도보다 매우 낮은 15 m에서 수행하였다. 그 결과는 Fig.
- 드론을 이용하여 항공 자력탐사를 수행하기 위해서 드론과 드론에 실릴 수 있을 만큼 경량화 된 자력탐사 장비가 필요하다. 이에 따라 드론과 자력탐사 시스템을 구성하였다. 드론에는 상용 비행 컨트롤러(Flight Controller, FC)인 Pixhawk FC를 사용하였다.
- 또한 항공 탐사 측선 설계 시 지형 정보를 참고하여 지형을 따라 고도를 설정하여 지형 효과를 제거해 주었다. 일변화보정은 기준점에서 핵자력계 G-858을 이용하여 5초 간격으로 일변화 자력값을 획득하여 보정하였다.
- 이는 드론에 설치되는 자력계 센서에 자기장 간섭효과를 발생시켜 결과에 영향을 미치기 때문에 드론에서 발생하는 자기장의 영향범위를 확인하는 실험을 통해 자기장 간섭을 제거하고자 하였다. 자기장 간섭 범위 실험은 동일한 시험지역에서 드론이 격자 중앙에 있을 때와 없을 때 자력값을 획득하여 두 값의 차를 통해 드론의 자기장 발생 범위만 남도록 하였다. 격자 크기 10 m×10 m에 측점간격 1m를 선행 실험하여 대략적인 간섭 범위가 2m임을 확인하고 격자 크기를 6 m×6 m에 측점 간격 0.
- 탐사는 두 구역에서 각각 1시간-1시간 반 정도 이루어졌고, 기준점을 정하여 탐사 시작과 끝에 대한자기장 값을 내삽하여 측정 시간 단위로 일변화 보정을 수행하였다. 두 탐사 구역 중 남쪽 구역은 과거 광산이 가행될 때 사용하던 임시도로로 보였고 휴광 10년이 지난 현재는 통로가 끊겨 이동에 제약이 많았다.
- 측선 간격은 동서로 약 35 m, 남북으로 40 m로 설정하였다. 항공 탐사 시 단일 자력계로 탐사를 수행하지만 정밀한 위치기반으로 왕복 비행 시 고도를 달리하여 지면으로부터 100 m, 95 m 높이의 자력값을 각각 획득하여 자력변화율 자료까지 얻고자 하였다. 또한 항공 탐사 측선 설계 시 지형 정보를 참고하여 지형을 따라 고도를 설정하여 지형 효과를 제거해 주었다.
대상 데이터
- 격자 크기 10 m×10 m에 측점간격 1m를 선행 실험하여 대략적인 간섭 범위가 2m임을 확인하고 격자 크기를 6 m×6 m에 측점 간격 0.2 m로 최종 설정하여 Fig. 2 그림을 작성하였다.
- 이에 따라 드론과 자력탐사 시스템을 구성하였다. 드론에는 상용 비행 컨트롤러(Flight Controller, FC)인 Pixhawk FC를 사용하였다. Arduino 기반의 Pixhawk FC는 개발 도구 및 환경이 오픈 소스이기 때문에 개발자에게 높은 확장성을 제공한다.
- 본 연구에서 구성한 드론 기반 항공자력탐사 시스템을 현장에 적용하기 전 강원대학교 교내 운동장에서 최종 테스트를 수행하였다. 교내 운동장에는 골대 등과 같은 철제 구조물이 위치하고 주변에 건물이 없어 탐사를 수행하기에 적합하다고 판단하였다.
- 연구 지역은 강원도 태백에 위치한 거도 광산으로 등록광종은 철, 동이고 현재는 휴광중이다(Fig. 5). 서벽지정 제 53, 62, 63, 72, 73호 광구에 해당하며, 행정구역 상 강원대 태백시 혈동과 영월시 상동읍에 걸쳐있다.
- 드론의 최대 적재 중량은 3 kg, 비행시간은 최소 15분으로 설정하여 구성하였다. 자력탐사 장비는 경량화가 용이한 플럭스 게이트 자력계로 선정하였고, 그 중 Bartington 사의 Mag639를 사용하였다. Mag639는 3축 센서가 탑재되어있어 X, Y, Z 성분을 동시에 측정이 가능하다.
- 5). 측선 간격은 동서로 약 35 m, 남북으로 40 m로 설정하였다. 항공 탐사 시 단일 자력계로 탐사를 수행하지만 정밀한 위치기반으로 왕복 비행 시 고도를 달리하여 지면으로부터 100 m, 95 m 높이의 자력값을 각각 획득하여 자력변화율 자료까지 얻고자 하였다.
- 서벽지정 제 53, 62, 63, 72, 73호 광구에 해당하며, 행정구역 상 강원대 태백시 혈동과 영월시 상동읍에 걸쳐있다. 탐사 지역은 서벽 제 63호 광구에 포함되는 태백 광체에 대해서 실시하였다. 거도광산 일대의층서는 Table 1과 같고, 연구 지역의 지질은 Fig.
- Geometric사의 핵자력계 G-858은 두 개의 자력계를 이용하여 자력 변화율 자료를 획득 할 수 있는 장비다. 하지만 광체가 지표면과 맞닿아 있어 천부에서 채광을 했고, 휴광 후 오랜 시간이 흐른 현재는 지표가 함몰되어 싱크홀이 곳곳에 존재 하고 연구지역 전체적으로 나무들이 곳곳에 쓰러져 있어 통행을 방해하는 환경이었기 때문에 자력 자료 측정 시 이동 제약사항이 많아 단일 자력계로 자료를 획득하였다. 동일한 이유로 탐사 범위 또한 항공 탐사에 비해서 제한적으로 이루어졌다.
- 1:5만 지역별로 측선 간격을 2 km 간격으로 설정한 동-서 측선과 약 6 km 간격으로 설정된 남-북 맺음 측선을 따라 굽이 날기 방법으로 약 150-180 m의 절대 비행 높이와 속도 90-100 km h-1를 유지하면서 1초마다 측정하는 방식으로 이루어졌다. 획득된 탐사자료는 base station 자료를 이용하여 일보정이 이루어졌으며, 순차적으로고도보정, IGRF 보정이 이루어진 자료이다(KIGAM,2014). 본 연구에서는 이 자료를 내삽한 뒤 연구지역만 추출하여 Fig.
데이터처리
- 육상 탐사와 동일한 지역에서 드론 기반 항공자력 탐사 시스템을 이용하여 탐사를 실시하고 육상 탐사 결과와 비교 분석 하였다. 자기탐사는 포텐셜 탐사의 일종이기 때문에 계산을 통해서 고도 변화에 따른 자력값을 도출 할 수 있다.
이론/모형
- 항공 탐사 측선은 한국지질자원연구원에서 남부태백산광화대 재개발 및 신규광체 확보의 일환으로 작성한 3D 수치모델링 자료의 광체 평면도(KIGAM, 2014)를 참고하여 설계하였다(Fig. 5). 측선 간격은 동서로 약 35 m, 남북으로 40 m로 설정하였다.
성능/효과
- 드론 자력탐사 시스템을 이용한 자료 획득은 육상탐사보다 넓은 지역을 빠르게 탐사할 수 있는 장점을 갖지만, 최대 비행시간이 15분에 불과하기 때문에 기존 항공 자력탐사에 비하면 탐사 범위가 매우 좁다. 그러므로 드론을 이용한 항공자력탐사는 육상탐사와 기존의 항공자력탐사 중간단계에서 수행하는 탐사 방법으로 적절하고, 그 중에서도 육상탐사를 보완하는 수준의 탐사 방법으로 적절하다고 판단한다.
- 8b 자료는 측점 간격이 매우 넓어 600 m×300 m인 연구 지역에 포함되는 측점 자료가 존재하지 않아 평활화 효과가 크게 나타나는 양상을 보인다. 두 그림에서 전체적인 양상이 일치하는 것으로 미루어보아 드론 기반 항공자력탐사 결과에 대한 신뢰성을 확보하였고, 분해능은 드론 기반 항공자력탐사 자료가 더 좋은 것을 확인 할 수 있다. 이에 따라 드론 기반 항공자력탐사를 이용하면 기존 항공 자력 탐사 보다 좁은 지역에서 분해능 높은 자료를 확보할 수 있음을 확인하였다.
- 드론 기반 항공자력탐사 시스템으로 획득한 자료를 기존 항공자력탐사 자료와 비교하였을 때 전체적인 양상이 일치하면서 분해능이 향상된 결과를 확인하였다. 하지만 드론 특성상 최대적재중량과 무게중심의 문제로 인해 자력계 흔들림을 줄이기 위한 장치의 부재로 인하여 결과값에 잡음이 포함되어 기존 항공 탐사보다 자료의 질이 떨어진다.
- 두 그림에서 전체적인 양상이 일치하는 것으로 미루어보아 드론 기반 항공자력탐사 결과에 대한 신뢰성을 확보하였고, 분해능은 드론 기반 항공자력탐사 자료가 더 좋은 것을 확인 할 수 있다. 이에 따라 드론 기반 항공자력탐사를 이용하면 기존 항공 자력 탐사 보다 좁은 지역에서 분해능 높은 자료를 확보할 수 있음을 확인하였다. 하지만 드론 기반 항공자력탐사 자료에서 교차되는 측선 간에 자력값의 차이로 인해 일부분에서 잡음과 같은 효과가 나타나는 것을 확인하였다.
- 이상대가 3D 수치모델링에서 나타나는광체위치와 동일하고, 항공자력자료와 자력변화율 자료를 비교하였을 때 이상대가 강조된 것으로 미루어보아 천부에 좁은 범위로 잔광체가 존재한다고 추정된다. 이에 따라 본 연구에서 구성한 드론 기반 항공 자력탐사를 이용해 획득한 자력 변화율 자료를 신뢰성 있는 육상 탐사 자료와 비교한 결과 드론 기반 항공자력탐사 시스템의 현장 적용성 및 결과자료에 대한 신뢰성을 확인하였다.
- 이에 따라 드론 기반 항공자력탐사를 이용하면 기존 항공 자력 탐사 보다 좁은 지역에서 분해능 높은 자료를 확보할 수 있음을 확인하였다. 하지만 드론 기반 항공자력탐사 자료에서 교차되는 측선 간에 자력값의 차이로 인해 일부분에서 잡음과 같은 효과가 나타나는 것을 확인하였다. 이러한 양상이 나타나는 이유는 버드형태로 드론에 설치한 자력계의 흔들림으로 인한 잡음으로 판단된다.
후속연구
- 추후 연구로는 탐사 결과에 포함되는 잡음을 줄이기 위한 연구가 필요할 것으로 보인다. 드론의 움직임으로 인한 자력계의 흔들림과 바람에 의한 흔들림을 줄이는 방법을 고안하여 결과값의 질을 높이는 연구가 필요하다고 판단된다.
- 자력 변화율 자료는 단일 자력자료 결과와 마찬가지로 잡음이 포함되었지만 두 자료의 차로 인하여 그 잡음이 단일 자료보다 상쇄되었다고 판단한다. 실제 탐사에는 드론 기반 항공자력탐사 시스템으로 탐사를 수행한 뒤 이상대가 나타나는 유력 후보를 추려 육상 탐사를 수행하면 효율적인 탐사가 가능할 것으로 판단된다.
- 드론은 군사 목적으로 개발되어 조fig.종사가 직접 탑승하지 않기 때문에 조종사의 안전을 보장하면서 군사 임무를 성공적으로 수행하는데 사용 되어왔고 앞으로도 기술 개발을 통한 높은 활용성이 기대된다. 드론의 다양한 쓰임새와 높은 활용도는 군사 분야에서 민간 분야로의 확장을 가져와 드론 관련 기술이 민간 분야에 급속도로 확산되고 있으며, 드론 상업 시장은 최근 몇 년간 계속해서 높은 성장률을 보이고 있다.
- 추후 연구로는 탐사 결과에 포함되는 잡음을 줄이기 위한 연구가 필요할 것으로 보인다. 드론의 움직임으로 인한 자력계의 흔들림과 바람에 의한 흔들림을 줄이는 방법을 고안하여 결과값의 질을 높이는 연구가 필요하다고 판단된다.
- 5m 하부에 있는 자력계 센서에 대해서 무게를 추가할 경우 비행시간 감소로 인한 탐사 범위 축소 및 드론의 불규칙한 비행성으로 인한 추락 위험이 증가하기 때문에 본 연구에서는 결과를 해석할 때 잡음을 고려해서 해석하는 정도의 정성적인 해결법 밖에 제시하지 못하였다. 추후 연구를 통해 잡음을 줄이는 방법을 고안해야 할 것으로 판단된다.
- 기존 항공자력탐사에서는 항공기의 진행방향으로의 공기의 흐름을 고려하여 흔들림을 줄이기 위한 장치 또는 너무 가벼운 무게로 인해 흔들리는 현상을 감소시키기 위해 장력을 주는 장비가 포함된다. 하지만 드론 본체에서 2.5m 하부에 있는 자력계 센서에 대해서 무게를 추가할 경우 비행시간 감소로 인한 탐사 범위 축소 및 드론의 불규칙한 비행성으로 인한 추락 위험이 증가하기 때문에 본 연구에서는 결과를 해석할 때 잡음을 고려해서 해석하는 정도의 정성적인 해결법 밖에 제시하지 못하였다. 추후 연구를 통해 잡음을 줄이는 방법을 고안해야 할 것으로 판단된다.
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