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문제 정의
- 고해상도 영상을 이용한 연구는 정확한 위치정확도 확보가 선행되어야 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있다. 본 고에서는 하천 지역을 대상으로 다중스펙트럼 카메라가 장착되고, 자율비행이 가능한 고정익 타입의 UAV를 적용하여 하천의 클로로필-a 농도 감시를 위한 하천녹조지도 작성 방법을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 세 번째, UAV 영상촬영 단계에서는 사전 정합시 정확한 위치보정을 위한 기준점 측량과 사전계획 수립단계에서 준비된 비행계획에 따라 UAV 영상 촬영을 실시한다. 네 번째, 전처리 및 후처리 단계에서는 불필요한 사진 제거 및 사진 왜곡 보정, 지리부호화 등 전처리 작업을 실시하고, 사진정합, 보안시설 및 개인정보 등 후처리 작업을 실시한다. 마지막으로 자료 분석단계에서는 추출된 UAV 영상 픽셀의 분광값을 NDVI로 전환하고 실측 수질 자료를 매칭하여 클로로필-a 추정식을 산출한다.
- 두 번째는 대상 하천에 대한 수질 조사를 수행하여야 한다. 세 번째, UAV 영상촬영 단계에서는 사전 정합시 정확한 위치보정을 위한 기준점 측량과 사전계획 수립단계에서 준비된 비행계획에 따라 UAV 영상 촬영을 실시한다. 네 번째, 전처리 및 후처리 단계에서는 불필요한 사진 제거 및 사진 왜곡 보정, 지리부호화 등 전처리 작업을 실시하고, 사진정합, 보안시설 및 개인정보 등 후처리 작업을 실시한다.
- 원격탐사는 항공기 또는 인공위성 등과 같은 운반체에 탑재된 센서를 이용하여 자외선, 가시광, 적외선, 마이크로파 영역의 전자기파 자료를 비접촉 탐지·기록하여 다양한 영상처리과정과 해석을 통해 정보를 얻는 것이다.
- 크게, 촬영계획 수립, 현장 수질조사, UAV 영상촬영, 측정된 영상의 전처리 및 후처리, 자료 분석의 단계로 이루어진다. 첫 번째, 촬영계획 수립 단계에서는 UAV 촬영 대상 및 촬영대상지를 선정하고, 촬영지역을 분석하여 UAV 비행계획 등을 수립한다. 두 번째는 대상 하천에 대한 수질 조사를 수행하여야 한다.
- 정사영상 생성을 위해 Computer Vision(CV)에서 Lowe(2004)에 의해 개발된 Scale-Invariant Keypoints(SIFT) 알고리즘이 내재된 AgiSoft사의 Pix4D 프로그램을 이용하였다. 클로로필-a의 농도에 따른 면적 산출은 Auto CAD로 수행하였다. 정사영상에 위치 오차가 발생하는데, 이를 보정하기 위하여 지상기준점(GCP; System Arranging Ground Control Points)을 촬영전에 측량하여 사용하게 된다.
- 지상기준점은 이미지 정합 후 생성되는 포인트 클라우드의 정확성을 높여준다. 현장 수질 측정 시간은 UAV 촬영 후 1시간 이내에 배를 이용해 수심 50 ㎝ 지점의 표층수를 대상으로 온라인 형광강도계(Multiparameter Portable Fluorometer, MODERNWATER AlgaeChek, UK)로 측정하였다. UAV 무인항공기 활용하여 측정대상 영역에 대한 정사영상 편집을 실시한 결과 생성된 영상의 GCP 오차범위는 X(Horizontal) 및 Y(Vertical) 모두 약 1 ㎝ 이하로 나타났다.
대상 데이터
- 2번 구역의 경우 클로로필-a의 농도는 45〜75 ㎎/㎥이고, 대상 하천 면적은 약 39,580 ㎡으로 분석되었다. 3번 대상구역은 인근 하천 지류에서 발생된 녹조가 유입하여 정체된 구역으로 클로로필-a의 농도는 30〜45 ㎎/㎥이고, 대상 하천면적은 약 10,560 ㎡으로 분석되었다.
- 두 모델의 경우는 날개길이 58〜90인치, 무게는 2.5kg˜6 kg, 모터의 경우 미연방항공청(FAA)로부터 사용이 승인된 AXI 2820/10 Max 42 AMP 모터가 장착되어 있고, APC사의 프로펠러, Skycircuits SC2 자동항법장치내장, 장착가능 센서는 RGB 카메라(Sony A6000 미러리스), Twin NDVI 카메라(LUMIX), Multispectral 카메라(Tetracam 또는 Mica Sensor), 실시간 비디오촬영(go pro), 열화상 카메라 등 장착이 가능하다.
- 본 연구팀에서 사용한 UAV는 영국 QUEST사의 DATAhawk과 Q200 Agri Pro 모델을 활용하였다. 두 모델의 경우는 날개길이 58〜90인치, 무게는 2.
- 하천 녹조지도 작성을 위해 K 유역의 A 보 인근 지역을 선정하여 촬영하였다. 정사영상 생성을 위해 Computer Vision(CV)에서 Lowe(2004)에 의해 개발된 Scale-Invariant Keypoints(SIFT) 알고리즘이 내재된 AgiSoft사의 Pix4D 프로그램을 이용하였다.
이론/모형
- 88까지 변화를 보임으로써 원격탐사에 의한 하천 수질 모니터링에 대한 타당성을 제시하였다. 기존 연구결과를 바탕으로 본 연구팀에서는 정규식생지수(Normalized Difference Vegetation Index: NDVI)를 클로로필-a 농도를 예측하는데 사용하였다. 정규식생지수는 가시광선(Visible: VIS)의 적색광과 근적외선(Near Infrared: NIR) 파장에서 식물의 반사율 차이를 이용하여 만든 식생지수이다.
- 하천 녹조지도 작성을 위해 K 유역의 A 보 인근 지역을 선정하여 촬영하였다. 정사영상 생성을 위해 Computer Vision(CV)에서 Lowe(2004)에 의해 개발된 Scale-Invariant Keypoints(SIFT) 알고리즘이 내재된 AgiSoft사의 Pix4D 프로그램을 이용하였다. 클로로필-a의 농도에 따른 면적 산출은 Auto CAD로 수행하였다.
성능/효과
- 현장 수질 측정 시간은 UAV 촬영 후 1시간 이내에 배를 이용해 수심 50 ㎝ 지점의 표층수를 대상으로 온라인 형광강도계(Multiparameter Portable Fluorometer, MODERNWATER AlgaeChek, UK)로 측정하였다. UAV 무인항공기 활용하여 측정대상 영역에 대한 정사영상 편집을 실시한 결과 생성된 영상의 GCP 오차범위는 X(Horizontal) 및 Y(Vertical) 모두 약 1 ㎝ 이하로 나타났다. 촬영대상지인 하천의 정사영상 결과(RGB)는 그림 3과 같다.
- 고정익 UAV에 장착된 분광센서를 통해 측정한 정규식생지수(Normalized Difference Vegetation Index: NDVI)는 하천에 녹조의 발생분포의 간접지표로 활용 가능한 클로로필-a와 상관성이 높은 것으로 분석되었다. 상기의방법을 통해 대상 하천의 녹조 발생이 빈번한 녹조우심수역의 클로로필-a의 농도 분포, 위치와 면적을 산출할 수 있고, 국가하천의 하상변동조사 뿐만 아니라 국가하천의 유입하는 지류의 수질감시가 가능하다. 뿐만 아니라, 분석된 녹조 우심지역에 대하여 녹조 제거대책 수립에도 효과적으로 활용 가능할 것이다.
- 경로비행이 가능한 UAV를 이용하여 실측할 경우 고해상도의 정사영상과 함께, 지상부에서는 알기 어려운 경관의 변화를 지속적으로 모니터링 할 수 있다. 특히 GPS좌표를 활용하여 Waypoint를 지정함으로써 조사대상지에 대한 경로비행의 정확성과 안정성이 확보되었으며, 이를 통해 일정한 고도를 유지한 비행 상태에서 정사투영 촬영을 통한 분석이 가능하게 되었다. 고해상도 영상을 이용한 연구는 정확한 위치정확도 확보가 선행되어야 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있다.
후속연구
- 향후 UAV를 활용한 기술은 하천 유지관리에 관한 실무에 유용한 정보를 제공할 것이다. 그러나 측정된 자료의 정확성과 신뢰성을 확보하기 위해서는 장기간 동안 주기적인 UAV 장비 운용과 현장 수질 데이터가 확보되어야 할 것이다.
- 기후변화에 따른 하천녹조 발생분포에 대한 지속적인 감시와 이에 대응하는 정책수립 및 현장에 적합한 녹조제거 대책을 수립하기 위해 본고에서 제시한 바와 같이 UAV를 활용한 지속적인 하천녹조 모니터링 및 하천녹조지도 데이터베이스 구축은 필요하다. UAV를 활용하여 하천녹조지도 작성을 위해서는 넓은 하천 지역 촬영이 가능하고, GPS 기반 자율 비행이 가능하며, 긴 비행시간을 갖으며 고해상도의 정사영상 제작이 가능한 고정익 UAV가 회전익 UAV 보다 더 적합하다.
- 상기의방법을 통해 대상 하천의 녹조 발생이 빈번한 녹조우심수역의 클로로필-a의 농도 분포, 위치와 면적을 산출할 수 있고, 국가하천의 하상변동조사 뿐만 아니라 국가하천의 유입하는 지류의 수질감시가 가능하다. 뿐만 아니라, 분석된 녹조 우심지역에 대하여 녹조 제거대책 수립에도 효과적으로 활용 가능할 것이다. 향후 UAV를 활용한 기술은 하천 유지관리에 관한 실무에 유용한 정보를 제공할 것이다.
- 뿐만 아니라, 분석된 녹조 우심지역에 대하여 녹조 제거대책 수립에도 효과적으로 활용 가능할 것이다. 향후 UAV를 활용한 기술은 하천 유지관리에 관한 실무에 유용한 정보를 제공할 것이다. 그러나 측정된 자료의 정확성과 신뢰성을 확보하기 위해서는 장기간 동안 주기적인 UAV 장비 운용과 현장 수질 데이터가 확보되어야 할 것이다.
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