[논문]드론을 활용한 고정밀 토공량 산출 시스템 개발 및 평가

김세원; 김영석

doi:10.12814/jkgss.2019.18.4.087

[국내논문] 드론을 활용한 고정밀 토공량 산출 시스템 개발 및 평가
Development and Evaluation of High-precision Earth-work Calculating System using Drone Survey 원문보기

한국지반신소재학회논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.18 no.4, 2019년, pp.87 - 95

김세원 (Department of Infrastructure Safety Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology) , 김영석 (Department of Infrastructure Safety Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology)

초록
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토공량 산출은 건설현장에서 최적 공사비 산정을 위한 데이터로 정확한 토공량은 토목 공사의 설계 단계에서 시공단계까지 고려되어야 하는 중요한 요소이다. 토공량 산출을 위해서는 정확한 지형 자료와 정밀한 토공 부피 계산이 필요하다. 본 논문에서는 짧은 시간에 정확한 지형 파악이 가능하고, 경제성 측면에서도 장점을 갖는 드론 측량 기술을 이용하여 고정밀 토공량 산출 시스템을 도출하였다. 시스템의 정확도 검증을 위해 현장 검증시험을 수행하였으며, 드론을 이용한 토공량 산출 결과와 GPS 측량 장비를 이용한 토공량을 비교·분석하였다. 또한, 새롭게 개발한 토공량 부피 계산 알고리즘을 기존 항공사진측량 소프트웨어(Pix4D) 계산 방식과 비교하여 정확도를 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Earth-work calculation is the important data for estimating the optimal construction cost at the construction site. Earth-work calculations require the accurate terrain data and precise soil volume calculations. Drone surveying technology provides accurate topography in a short time and economic advantages. In this paper, a drone surveying technique was used to derive a high precision soil volume calculation system. Field demonstration were performed to verify the accuracy of the volume measurement system. The results of earth-work calculation using drone survey were compared with those of GPS surveying. In addition, the developed earth-work volume calculation algorithm is compared with the existing aerial survey software (Pix4D) to verify the accuracy.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Concept image of x, y cell method for volume estimation
그림 Fig. 2. Concept image of In-situ test for measurement of earth-work
그림 Fig. 3. GCP (Ground Control Point) survey
그림 Fig. 4. Converted drone shooting image of applying GPS survey
그림 Fig. 5. Volume calculation of earth cutting
그림 Fig. 6. Orthomosaic image
그림 Fig. 7. Point cloud image
그림 Fig. 8. Digital surface map
표 Table 1. Measurement value
표 Table 2. Soil conversion factor
그림 Fig. 9. Comparison results of fill earth-work
그림 Fig. 10. Comparison results of error factor with Pix4D and Carta algorism

AI 본문요약
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문제 정의

새롭게 개발된 부피 계산 알고리즘은 드론 촬영으로 습득된 항공사진을 이용하여 3차원 수치지도를 생성한 후, 정합된 정사영상과 DSM을 이용하여 부피 값을 계산할 수 있다. 또한, 목표 현장에 대한 3차원 모델을 생성 후, 토목 공사 전후 모습의 비교를 통해 토공량을 산정하는 프로그램이다. 개발된 프로그램의 정밀도 검증을 위해 기존 드론 및 항공 측량에 널리 이용되고 있는 항공사진측량 소프트웨어(Pix4D)의 결과와도 비교･분석하였다.
본 연구에서는 GCP를 이용하여 정확한 현장 측량을 실시하였다. GCP 측량은 RTK-VRS 장비를 이용하여 총 23개 지점에 대해 수행하였고, 각 좌표는 X(North), Y(East), Z(Heigh)의 TM 좌표계로 측정되었으며 Fig.
본 연구에서는 드론 촬영을 활용한 고정밀 토공량 산출을 위하여 ㈜카르타(Carta)와 공동 연구를 수행하여 고정밀 부피 계산 알고리즘을 개발하였다. 토공량 부피 계산 알고리즘의 정확도 검증을 위하여 한국건설기술연구원 연천 SOC 실증센터에서 현장 검증시험을 수행하였다.
실제 대규모 토목공사에서는 기성물량 산출측량을 주기적으로 실시하고 있지만, 제한된 시간 내에 정확한 토공작업의 물량을 산출하기에 한계가 있다. 본 연구에서는 정확한 토공량 산출을 위하여 토목공사현장에서 측량, 시공 관리 및 유지･보수 등 다양한 분야에 활발히 적용되고 있는 보급형 회전익 드론을 이용하여 토공량 산출 현장 검증시험을 수행하였다. 드론은 무인 원격조정장치, 무인기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)를 통칭하며, 조사자의 접근이 어려운 지형에 대한 정확한 데이터 확보 또는 현장점검 수준을 고도화하기 위해 이용되고 있다(Lim et al.
본 연구에서는 토공량의 정확한 산출을 위하여 드론 촬영 기술을 활용한 부피 계산 알고리즘을 개발 하였으며, 시스템의 검증 연구를 수행하였다. 드론을 이용한 고정밀 토공량 산출을 위하여 현장 검증시험을 수행하였고, GPS 측량 장비를 이용한 지형 측량과 드론 촬영으로 습득된 항공사진으로 각각 토공량을 산출하여 비교하였다.

제안 방법

1, 2 단계 절토는 동일한 폭(2m)으로 깊이가 다른(1.7m, 1m) 일직선 단면으로 총 20m 길이로 절토 작업을 수행하였다(1단계: 8m×2m×1.7m, 2단계: 12m×2m×1m).
7m, 2단계: 12m×2m×1m). 3단계 절토는 2단계 절토와 동일한 깊이(1m)와 폭(2m) 조건으로 측정 부피 지형 변화를 위해 2단계 절토단면과 수직방향으로 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 GCP를 이용하여 정확한 현장 측량을 실시하였다. GCP 측량은 RTK-VRS 장비를 이용하여 총 23개 지점에 대해 수행하였고, 각 좌표는 X(North), Y(East), Z(Heigh)의 TM 좌표계로 측정되었으며 Fig. 3은 GCP 측량전경 및 분포도를 보여주고 있다
5(아래))한 모습을 보여주고 있다. GPS 측량 좌표들을 이용하여 기준면을 설정하고, 기준면 경계점을 포함하는 평면을 구성 후 절토 부위에 대한 삼각망으로 구성 후 셀을 구성하여 부피를 계산하였다. 계산된 절･성토 부피를 이용하여 다음 식 (3)을 이용하여 토량 환산 계수도 계산하였다.
드론 촬영 이미지를 활용하여 정확한 토공량 산정을 위해 3D 모델 부피 추정 알고리즘을 개발하였다(Carta Survey). 3D 모델에서의 부피 추정을 위해 DSM을 이용하였다.
드론 촬영으로 얻어진 항공사진을 이용하여 3차원 수치 지도를 생성한 후, 항공사진측량 소프트웨어(Pix4D)와 토공량 부피 계산 값을 비교하였다. Fig.
본 연구에서는 비행고도 약 20m, 60m, 이동속도 약 7m/s 조건으로 약 20분간의 자동비행으로 약 11,000m2(100m×110m) 지역에 대해 313장의 드론 촬영이 이루어졌다. 드론 촬영으로 얻어진 항공사진을 이용하여 3차원 수치지도 생성 후, 항공사진측량 소프트웨어(Pix4D)와 본 연구에서 개발된 시스템으로 계산한 토량 부피 값을 비교･검증 하였다. Fig.
정확한 토공량 산정 부피 추정 알고리즘 개발을 위해 한국건설기술연구원 연천 SOC 실증센터에서 현장 검증시험을 수행하였다. 드론 촬영을 이용한 토공량 부피 산정을 위해, 총 3단계 절토 및 성토를 수행하였다. 1, 2 단계 절토는 동일한 폭(2m)으로 깊이가 다른(1.
본 연구에서는 토공량의 정확한 산출을 위하여 드론 촬영 기술을 활용한 부피 계산 알고리즘을 개발 하였으며, 시스템의 검증 연구를 수행하였다. 드론을 이용한 고정밀 토공량 산출을 위하여 현장 검증시험을 수행하였고, GPS 측량 장비를 이용한 지형 측량과 드론 촬영으로 습득된 항공사진으로 각각 토공량을 산출하여 비교하였다. 또한, 드론 촬영 사진을 이용한 부피 계산의 경우 정확도 검증을 위하여 기존 드론 측량에서 널리 사용하고 있는 항공사진측량 소프트웨어(Pix4D)와 본 연구에서 개발된 알고리즘을 이용하여 각각의 방식으로 토공량을 산출하였다.
이 보로노이 다이어그램 내부에 포함된 점들을 연결하면 들로네 삼각형을 얻을 수 있고, 이 방식을 들로네 삼각분할이라 한다. 들로네 삼각분할로 생성된 삼각형은 그 삼각형의 외접원이 다른 삼각형의 어떤 꼭짓점도 포함하지 않는 특징을 가지고 있어, 점들로 평면을 만드는 데에 유리하여 3D 모델 부피를 추정하는 기술에 적용하였다. 하지만 이렇게 계산된 들로네 삼각분할은 사용자가 선택한 관심지역의 바깥 부분도 포함하는 단점을 가지고 있다.
드론을 이용한 고정밀 토공량 산출을 위하여 현장 검증시험을 수행하였고, GPS 측량 장비를 이용한 지형 측량과 드론 촬영으로 습득된 항공사진으로 각각 토공량을 산출하여 비교하였다. 또한, 드론 촬영 사진을 이용한 부피 계산의 경우 정확도 검증을 위하여 기존 드론 측량에서 널리 사용하고 있는 항공사진측량 소프트웨어(Pix4D)와 본 연구에서 개발된 알고리즘을 이용하여 각각의 방식으로 토공량을 산출하였다.
드론 촬영 이미지를 이용한 부피 계산 시 항공사진측량 소프트웨어(Pix4D)는 셀 방식이 이용되어졌다. 본 연구에서 개발된 알고리즘은 부피계산 시, 셀 방식과 단면 중첩 방식 모두 적용할 수 있다.
드론 촬영 이미지들은 내장된 GPS(Global Positioning System) 센서에 의해 각각 위도, 경도, 고도, 카메라의 기울기 값 등 기본 정보를 가지고 있지만, 오차를 포함하고 있기 때문에 정확한 현장 측량을 위해서는 GCP(Ground Control Point)를 이용한 보정과정인 3D Reconstruction이 필요하다. 본 연구에서는 이를 구현하기 위하여 Bundle Adjustment를 이용하여 카메라의 내부 파라미터, 카메라의 상세한 위치 등을 계산하였다. Bundle Adjustment는 상공에서 촬영된 이미지의 월드 좌표계 상에서의 정확한 위치를 알아내는 기술로, 서로 다른 시점(View point)을 가지고 있는 여러 장의 사진을 이용하여 카메라의 위치와 각도를 추정하는 기술이다.
3D 모델에서의 부피 추정을 위해 DSM을 이용하였다. 본 연구에서는 정확한 부피 측정을 위해 x, y 셀 방식과 단면 중첩 방식을 모두 도입하였다.
30의 토공량 환산 계수를 갖는다. 절토와 성토의 부피는 Cloud Compare라는 프로그램을 사용하여 가로, 세로로 셀을 나누어 1cm 간격 조건으로 계산하였다.
정확한 절･성토 부피 측정을 위해 GPS 측량 장비를 이용한 지형 측량과 드론을 이용한 항공 촬영을 동시에 수행하였다. 드론을 활용한 항공 측량 토공량 산출은 항공사진측량 소프트웨어(Pix4D)와 본 연구에서 개발된 부피 계산 알고리즘을 이용하여 계산되었다.
정확한 토공량 산정 부피 추정 알고리즘 개발을 위해 한국건설기술연구원 연천 SOC 실증센터에서 현장 검증시험을 수행하였다. 드론 촬영을 이용한 토공량 부피 산정을 위해, 총 3단계 절토 및 성토를 수행하였다.
총 3단계로 수행된 절･성토량 부피 계산은 기존의 공사 현장에서 적용되고 있는 GPS 측량 장비(RTK-VRS)를 이용하여 지형 측량을 수행하여 측정되었다. 1단계 절･성토면은 각각 31개, 21개 지점, 2단계 절･성토면은 각각 57개, 41개 지점에 대해 측량이 이루어졌고, 3단계는 절토면에 대해서만 77개 지점에 대한 측량을 수행하였다.
토공량 부피 계산 알고리즘의 정확도 검증을 위하여 한국건설기술연구원 연천 SOC 실증센터에서 현장 검증시험을 수행하였다. 총 3단계로 절토 및 성토 작업을 수행하였고, 각각의 절･성토량은 GPS 측량 장비를 이용하여 지형 측량 수행 후 부피를 계산하여 표본 값으로 사용하였다. 동일한 절･성토 구간에 대해 드론 촬영을 실시하여 얻어진 이미지를 활용하여 토공량 산출 및 토량 환산 계수를 계산하고 지형 측량 결과와 비교 검증을 수행하였다.
본 연구에서는 드론 촬영을 활용한 고정밀 토공량 산출을 위하여 ㈜카르타(Carta)와 공동 연구를 수행하여 고정밀 부피 계산 알고리즘을 개발하였다. 토공량 부피 계산 알고리즘의 정확도 검증을 위하여 한국건설기술연구원 연천 SOC 실증센터에서 현장 검증시험을 수행하였다. 총 3단계로 절토 및 성토 작업을 수행하였고, 각각의 절･성토량은 GPS 측량 장비를 이용하여 지형 측량 수행 후 부피를 계산하여 표본 값으로 사용하였다.
현장 검증시험을 수행한 지반은 표준관입시험과 탄성파굴절법 탐사를 통해 조사를 이루어졌고, 깊이 5m까지 N값이 20∼30 범위 안에 존재하며, 중간정도 조밀함의 상대밀도를 갖는 암갈색을 띄는 자갈섞인 실트질 모래로 구성되어 있다.

대상 데이터

총 3단계로 수행된 절･성토량 부피 계산은 기존의 공사 현장에서 적용되고 있는 GPS 측량 장비(RTK-VRS)를 이용하여 지형 측량을 수행하여 측정되었다. 1단계 절･성토면은 각각 31개, 21개 지점, 2단계 절･성토면은 각각 57개, 41개 지점에 대해 측량이 이루어졌고, 3단계는 절토면에 대해서만 77개 지점에 대한 측량을 수행하였다. 각 절･성토 단면의 측량 좌표를 Cloud Compare를 사용하여 계산하였다.
본 연구에서는 비행고도 약 20m, 60m, 이동속도 약 7m/s 조건으로 약 20분간의 자동비행으로 약 11,000m2(100m×110m) 지역에 대해 313장의 드론 촬영이 이루어졌다.
현장 검증시험에서는 보급형 회전익 드론인 PHANTOM 4 Pro를 사용하였고, 드론에 설치된 카메라는 4864×3648 크기의 이미지로 셔터 속도 1/320, 초점길이 8.8mm의 사양을 갖는다.

데이터처리

또한, 목표 현장에 대한 3차원 모델을 생성 후, 토목 공사 전후 모습의 비교를 통해 토공량을 산정하는 프로그램이다. 개발된 프로그램의 정밀도 검증을 위해 기존 드론 및 항공 측량에 널리 이용되고 있는 항공사진측량 소프트웨어(Pix4D)의 결과와도 비교･분석하였다.
총 3단계로 절토 및 성토 작업을 수행하였고, 각각의 절･성토량은 GPS 측량 장비를 이용하여 지형 측량 수행 후 부피를 계산하여 표본 값으로 사용하였다. 동일한 절･성토 구간에 대해 드론 촬영을 실시하여 얻어진 이미지를 활용하여 토공량 산출 및 토량 환산 계수를 계산하고 지형 측량 결과와 비교 검증을 수행하였다. 새롭게 개발된 부피 계산 알고리즘은 드론 촬영으로 습득된 항공사진을 이용하여 3차원 수치지도를 생성한 후, 정합된 정사영상과 DSM을 이용하여 부피 값을 계산할 수 있다.

이론/모형

드론 촬영 이미지를 활용하여 정확한 토공량 산정을 위해 3D 모델 부피 추정 알고리즘을 개발하였다(Carta Survey). 3D 모델에서의 부피 추정을 위해 DSM을 이용하였다. 본 연구에서는 정확한 부피 측정을 위해 x, y 셀 방식과 단면 중첩 방식을 모두 도입하였다.
1단계 절･성토면은 각각 31개, 21개 지점, 2단계 절･성토면은 각각 57개, 41개 지점에 대해 측량이 이루어졌고, 3단계는 절토면에 대해서만 77개 지점에 대한 측량을 수행하였다. 각 절･성토 단면의 측량 좌표를 Cloud Compare를 사용하여 계산하였다. Fig.
정확한 절･성토 부피 측정을 위해 GPS 측량 장비를 이용한 지형 측량과 드론을 이용한 항공 촬영을 동시에 수행하였다. 드론을 활용한 항공 측량 토공량 산출은 항공사진측량 소프트웨어(Pix4D)와 본 연구에서 개발된 부피 계산 알고리즘을 이용하여 계산되었다. Table 1은 각각의 방식으로 계산된 절토 및 성토 부피 계산 결과이고, Table 2는 식 (3)을 이용하여 계산된 토량 환산 계수를 나타내고 있다.

성능/효과

9는 본 연구에서 개발된 부피 계산 알고리즘에 셀 방식과 단면 중첩 방식 각각을 적용시켜 지형 측량 방식과 범용소프트웨어(Pix4D)와 각 단계별 절토량을 비교한 결과를 보여주고 있다. 그 결과, 셀 방식을 적용시켰을 경우 기존에 널리 사용되고 있는 소프트웨어(Pix4D)와 유사한 결과를 보여주고 있지만 지형 측량 결과와는 오차가 크게 발생하였다. 하지만, 단면 중첩 방식을 적용한 부피 계산 결과, 지형 측량을 이용한 토공량 산출과 매우 유사한 결과를 보여주고 있다.
따라서 단면도를 자른 방향에 대한 면적에 한해서는 단면 중첩 방식에서 측정된 면적 값이 셀 방식에서 측정된 면적 값보다 정확한 값을 가진다고 볼 수 있다. 두 번째, GPS로 측량한 영역은 일정 간격(수십 cm)을 기준으로 측량된 모형을 기준으로 측정된 부피이기 때문에 단면도를 자른 방향에 수직인 방향에 대해서는 단면 중첩 방식의 Resolution이 이 GPS로 측량한 측량점 사이의 간격과 더 가까운 값이기 때문에 셀 방식과 비교하였을 때 단면 중첩 방식을 적용한 토공량 부피 계산 결과가 유사한 것으로 보인다.
새롭게 개발한 토공량 산출 시스템은 셀 방식과 단면 중첩 방식 모두를 적용할 수 있으며, 셀 방식을 적용하였을 때 항공사진측량 소프트웨어(Pix4D)의 토공량 부피와 유사한 결과를 나타내었다. 또한, 단면중첩방식을 적용하였을 때 지형 측량 토공량 부피 결과와 오차율 5%정도로 정확한 결과를 보여 주었다. 이러한 결과를 종합하였을 때, 새롭게 개발된 시스템(프로그램)은 토공량 산출에 활용 될 수 있을 것으로 판단된다.
LAS는 PLY보다 훨씬 복잡한 포맷으로 좌표계나 원점 정보를 포함하여 다양한 메타 데이터를 추가할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서 개발한 토공량 부피 계산 알고리즘은 LAS와 PLY 포맷을 모두 지원한다.
하지만, 단면 중첩 방식을 적용한 부피 계산 결과, 지형 측량을 이용한 토공량 산출과 매우 유사한 결과를 보여주고 있다. 지형 측량 기준으로 오차율 계산 결과 역시 단면 중첩 방식을 적용한 알고리즘이 약 5%로 셀 방식보다 정확한 값을 보여주고 있다(Fig. 10 참조).
현장 검증시험 결과, 셀 방식 부피계산만이 적용되는 항공사진측량 소프트웨어(Pix4D)의 토공량 부피는 지형 측량 토공량 부피 계산 결과와 약 10∼20%의 큰 오차가 발생하였다.

후속연구

또한, 단면중첩방식을 적용하였을 때 지형 측량 토공량 부피 결과와 오차율 5%정도로 정확한 결과를 보여 주었다. 이러한 결과를 종합하였을 때, 새롭게 개발된 시스템(프로그램)은 토공량 산출에 활용 될 수 있을 것으로 판단된다.
프로그램의 오차 역시 드론 촬영 이미지를 이용하여 수치지형도를 제작하는 과정에서 GSD(Ground Sampling Distance)를 더 세밀하게 조정한다면, x, y셀 방식, 단면중첩 방식 모두 정밀한 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 다양한 지반조건, 광범위한 지형 등을 대상으로 검증 연구를 수행하여 시스템의 완성도를 향상시킬 예정이다.
프로그램의 오차 역시 드론 촬영 이미지를 이용하여 수치지형도를 제작하는 과정에서 GSD(Ground Sampling Distance)를 더 세밀하게 조정한다면, x, y셀 방식, 단면중첩 방식 모두 정밀한 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 다양한 지반조건, 광범위한 지형 등을 대상으로 검증 연구를 수행하여 시스템의 완성도를 향상시킬 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	토공량 산출의 특성은?	토공량 산출은 건설현장에서 최적 공사비 산정을 위한 데이터로 정확한 토공량은 토목 공사의 설계 단계에서 시공단계까지 고려되어야 하는 중요한 요소이다. 토공량 산출을 위해서는 정확한 지형 자료와 정밀한 토공 부피 계산이 필요하다.
	토공량 산출을 위해서 무엇이 요구되나?	토공량 산출은 건설현장에서 최적 공사비 산정을 위한 데이터로 정확한 토공량은 토목 공사의 설계 단계에서 시공단계까지 고려되어야 하는 중요한 요소이다. 토공량 산출을 위해서는 정확한 지형 자료와 정밀한 토공 부피 계산이 필요하다. 본 논문에서는 짧은 시간에 정확한 지형 파악이 가능하고, 경제성 측면에서도 장점을 갖는 드론 측량 기술을 이용하여 고정밀 토공량 산출 시스템을 도출하였다.
	최적 공사비 산정을 위한 데이터로 정확한 토공량 계산에 무엇을 필요로 하는가?	토공량 산출은 건설현장에서 최적 공사비 산정을 위한 데이터로 정확한 토공량은 토목 공사의 설계 단계에서 시공단계까지 고려되어야 하는 중요한 요소이다. 토공량 산출을 위해서는 정확한 지형 자료와 정밀한 토공 부피 계산이 필요하다. 본 논문에서는 짧은 시간에 정확한 지형 파악이 가능하고, 경제성 측면에서도 장점을 갖는 드론 측량 기술을 이용하여 고정밀 토공량 산출 시스템을 도출하였다.

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상세보기
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상세보기
Park, J. W., Kim. S., and Yun, W. G. (2018), "Work Progress Analysis in Earth-work Site using Drone", Korean Society of Automotive Engineers Conference (2018), pp.1299-1301. (in Korean)

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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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