[논문]UAV와 USN 기반의 건설현장관리기법 연구

연상호

doi:10.17703/jcct.2019.5.1.457

UAV와 USN 기반의 건설현장관리기법 연구
A Study on the Technique of Construction Site Management based on UAV and USN 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.5 no.1, 2019년, pp.457 - 467

초록
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최근에는 시각적으로 건설현장을 효율적으로 관리하기 위한 다양한 방법이 시도되고 있으며, 특별히 폭이 좁고 거리가 긴 건설현장의 육상보다는 공중에서 무인항공기(UAV)나 드론(Drone) 등에 의하여 실시간으로 현장의 상황을 시각적으로 촬영하여 기록하거나 분석할 수 있는 방법이 매우 유용하다. 본 연구에서는 현재 진행되고 있는 현장을 대상으로 무인항공사진촬영을 주기적으로 3회 이상 촬영하고 촬영시점에 주요 구조물에 대하여 USN 센서를 동시에 작동시켜서 건설현장에서의 공사 진행정도와 환경상태를 동시에 확인하고 매칭시킴으로서 건설현장의 영상정보와 환경정보를 효율적인 공사관리를 위하여 활용할 수 있도록 하는 것을 연구목표로 하였다. 그 결과, 건설 현장의 전문기술자뿐만 아니라 행정 관리자도 건설현장의 진행과정과 그 준공상황을 원하는 시점에 상세한 현장상황을 시각적으로 확인하고 적절한 예산투입과 적합한 자원의 지원에 있어서의 의사결정을 도울 수 있도록 함으로서 자연적인 환경요인에 의하여 수시로 변할 수 있는 건설현장의 안전관리와 재난예방, 다각적인 변화 요인의 검토를 각 분야의 전문가들이 함께 의논하여 최적의 해답을 도출하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, various methods have been attempted to visually manage the construction site efficiently, and in particular, there has been a tendency to use a UAV or a drone in the air rather than a land on a construction site, Can be visually photographed and recorded or analyzed. In this study, the unmanned aerial photographs were taken at least three times and the USN sensors were simultaneously operated on the main structure at the time of shooting, The goal of this research was to make the image information and environmental information of the construction site available for efficient construction management by matching. As a result, not only professional engineers at construction sites but also administrative managers can visually confirm the detailed situation of the site at the time of the construction site and the completion status, and can help decision making in appropriate budget input and appropriate resource support The experts in each field discussed the safety management of the construction site, the prevention of disaster and various factors of change which can be changed by natural environment factors.

주제어

표/그림 (16)

그림 그림1. 드론에 의한 촬영 및 지도화 처리 흐름도 Fig. 1. Flow chart of Drone Survey
그림 그림2. 최종 특징점 결정 과정 (출처; Lowe, 2004) Fig.2. Extraction Process of Last Signature Point
표 표 1. 항공사진측량과 무인항공사진측량의 장비 비교 Table 1.Comparison Aerial Survey to UAV
그림 그림3. 특징점의 방위 검출 (출처; www.cs.cornell.edu) FIg.3. Bearing Extraction of Signature Point
그림 그림4.드론의 비행궤적 및 프레임 FIG.4. Flying Orbit and Frame of Drone
그림 그림5. 외곽지역의 드론영상보정 Fig.5.. Drone Image Correction for Ourside area
그림 그림6. 교통교차로 지점의 드론영상 Fig.6. Drone Image Correction for Interchange area
그림 그림7. 대학캠퍼스 모자이크 드론영상(해상도 1m이내) Fig.7. Drone Mosaic Image of University Campus
그림 그림8. 개발지역의 모자이크 후의 영상지도 Fig.7. Drone Mosaic Image of Development Area
그림 그림9. 본 연구에 사용한 모듈형 USN 무선 센서 Fig.7. Modular USN Sensor for this Reserch
그림 Fig. 10. 건설현장 환경데이터 측정용 USN 시스템 Fig.10. USN system for Environment Data Correction on the Construction Site
그림 Fig.11. USN에 의한 공사현장의 환경정보 Fig.11. Environment Information on the Construction Site by USN system
그림 그림 12. 고수동굴 출구부의 USN 환경데이터 Fig 12. USN EN Data of GOSU-Cave Exit area
그림 그림 13. 고수동굴 중간부의 환경데이터 Fig 13. USN EN Data of GOSU-Cave Center area
그림 그림 14. USN에 의한 천동동굴의 먼지농도 측정 Fig 14. USN Dust Density Data of CheonDong-Cave
표 표2. USN에 의한 건설현장 환경데이터 관리표 Table2. Environment Management Tabel at Costruction Site by USN

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 무인항공기(UAV 혹은 Drone)을 이용하여 건설현장을 포함하는 공사현장에 대한 무인공중촬영방식으로 조사를 하고 그 현장에 대한 지상의 환경상황에 대한 구체적인 실험 연구를 통하여 현장의 최신정보를 담아낼 수 있는 새로운 현장관리 기법을 개발함으로서 건설현장의 실시간 모니터링과 공사관리와 더불어 USN과의 매칭에 의한 건설현장에서의 새로운 환경인자를 수집하고 실시간으로 전송할 수 있게 함으로서 건설현장관리 및 시설의 안전방재에 서에서 실제로 적용할 수 있는 모델을 개발하는 것을 연구목적으로 한다.
미래의 스마트한 디바이스뿐만 아니라 무선통신이 가능한 USN(Ubiquitous Sensor network) 기술은 주변 현황을 인식하고 필요한 정보를 처리하여 현장건설 등에 피이드백 시킴으로써 보다 나은 건설 진행과정에 관한 파악과 설계변경 및 계획 등에 필요한 정보를 제공할 수 있다. 본 연구는 TinyOS 기반에서 운용되는 무선 통신에 의한 USN 기술과 그래픽 기반의 LabView 프로그래밍 기술을 융합하여 정보를 처리할 수 있는 일련의 인터페이스 방법을 구현하였다. 송수신된 데이터 처리 결과는 TinyOS 기반으로 동작하는 PC에 그래프 등으로 나타나도록 하였으며, 무선통신용 USN 기술과 융합된 그래픽 처리 기반의 마이크로프로세서 시스템의장점과 편리성으로 건설현장의 진행과정 파악 및 변경 등에 필요한 정보를 제공하며 건설현장 정보의 피이드백을 가능하도록 하였다.
본 연구에서는 지역공간에 무선통신이 가능한 환경 센서를 이용하여 각 노드센서(Node Sensor)로부터 싱크센서(Sink Sensor)로 측정된 환경 데이터를 송신하면 싱크센서는 이들 데이터를 수집하여 TinyOS 기반 일반 PC가 이를 처리하고 그 결과를 출력 이미지 및 출력 데이터로 나타내는 시스템을 구성하여 3차원 공간에서의 지역공간의 변화를 확인할 수 있도록 하였다.
효율적인 건설현장을 관리하기 위한 다양한 방법이 시도되고 있으며, 점차로 직접적인 방문보다는 간접적인 도구를 이용하는 추세로 변화해가고 있다. 본 연구에서는 최근 무인항공기(UAV 또는 Drone)과 유비센서 네트웍(USN)을 이용하여 공중에서의 영상정보와 지상에서의 무선센서에 의한 환경정보를 동시에 수집하여 건설현장에 적용할 수 있는 방법을 시도하려고 한다. 도로 및 철도공사 현장에서의 현장은 수백미터에서 수천미터에 이르기까지 하천과 산악지형을 포함하고 있으므로 매일매일 현장의 환경변화를 확인하는 것은 매우 어려운 일이므로 USN과 같은 무선센서를 이용하여 필요한 환경정보와 UAV/Drone으로 접근이 어려운 지역의 영상사진을 획득하여 분석함으로서 좀 더 상세하고 현실적인 현장상황을 이해하고 대처하는 것이 용이할 수 있다.
건설현장의 3차원 분석을 위하여 지형도로부터 등고선을 이용하여 수치표고모델(DEM)을 생성하고 원하는 방향에서의 표고분석, 경사도분석, 구조물의 변화 등을 수시로 확인이 가능하도록 한다. 수시로 작은 드론에 의한 스마트폰의 동영상을 수집하여 USN 센서의 환경인자와 결합하도록 하고, 갑작스러운 기상악화로 인한 지형지물의 손실 및 시설물의 이탈로 인한 피해가 발생하지 않도록 사전에 방재할 수 있는 정보를 제공할 수 있도록 함으로서 건설현장사무실의 상황실에서 실시간 모니터링이 가능하도록 연계가 가능한 기법을 연구하였다.
Ⅱ. 연구방법

연구에서도 무인항공촬영기와 USN을 결합하여 필요한 공간정보를 수집하여 적절한 사전작업과정을 거쳐 가치있는 공간정보로서의 역할을 다하도록 함으로써 매일매일 진행되고 있는 건설공사현장의 시각적인 관리가 다차원적으로 이루어지게 하려는 연구이다.

제안 방법

중간단계와 최종단계는 공사 진행의 진도에 맞게 적합한 일자를 잘 선정하여 촬영 및 모자이크 작업을 진행하며, 이렇게 얻어진 사진영상을 두 단계로 중첩하여 공사진행의 과정을 면밀히 비교분석한 다음 달라진 사항을 확인하여 공사계획 및 설계도와 대조하여 시각적인 효과를 확인할 수 있도록 한다. 건설현장의 3차원 분석을 위하여 지형도로부터 등고선을 이용하여 수치표고모델(DEM)을 생성하고 원하는 방향에서의 표고분석, 경사도분석, 구조물의 변화 등을 수시로 확인이 가능하도록 한다. 수시로 작은 드론에 의한 스마트폰의 동영상을 수집하여 USN 센서의 환경인자와 결합하도록 하고, 갑작스러운 기상악화로 인한 지형지물의 손실 및 시설물의 이탈로 인한 피해가 발생하지 않도록 사전에 방재할 수 있는 정보를 제공할 수 있도록 함으로서 건설현장사무실의 상황실에서 실시간 모니터링이 가능하도록 연계가 가능한 기법을 연구하였다.
따라서 건설공사가 진행되고 있는 현장을 선정하고, 관련 지형지물의 정보가 수집되어 있는 디지털지형도와 현장의 계획 및 설계정보를 먼저 확인하고 분석한 후에 공사의 규모와 성격에 적합한 무인항공촬영기 (UAV 또는 Drone)을 선정하여 현장을 포함하는 인근의 지형지물등의 영상자료를 수집한다. 계속적으로 공사가 진행됨에 따라 달라져가는 공사현장의 구조물과 형태를 다시금 공중에서 무인 촬영하여 그 현장의 영상 정보를 중첩시키고 분석하여 시각적으로 공사의 진행과 효율적인 관리방법을 적용하도록 한다. 최종적으로 준공된 공사현장의 구조물과 현장주변의 변화를 3차로 무인공중촬영과 환경인자를 확인함에 의해 그 변화로 인한 구조물의 완성과정과 공사현장을 최종점검할 수 있는 새로운 무인의 공사관리기법을 또한 제시할 수 있도록 하였다.
이를 위한 작업공정표를 다음 그림1. 과 같이 설정하였으며, 이러한 최종 정사영상이 완성된 후에는 건설현장의 지형도 및 기준좌표계와의 정확도를 점검 후 건설공사 지역의 지형변화 및 구조물의 공사진척사항을 3단계로 설정하여 무인항공사진측량을 실시한다. (그림1) 초기단계에서는 대부분 드론의 경우에는 저고도 비행의 작은 사진이 수백장 연속적으로 촬영되어지므로 왜곡이 거의 없는 렌즈 중심부의 영상만을 이용하여 모자이크 방식으로 건설현장이 모두 포함된 사진영상을 제작하여야 한다.
본 연구는 TinyOS 기반에서 운용되는 무선 통신에 의한 USN 기술과 그래픽 기반의 LabView 프로그래밍 기술을 융합하여 정보를 처리할 수 있는 일련의 인터페이스 방법을 구현하였다. 송수신된 데이터 처리 결과는 TinyOS 기반으로 동작하는 PC에 그래프 등으로 나타나도록 하였으며, 무선통신용 USN 기술과 융합된 그래픽 처리 기반의 마이크로프로세서 시스템의장점과 편리성으로 건설현장의 진행과정 파악 및 변경 등에 필요한 정보를 제공하며 건설현장 정보의 피이드백을 가능하도록 하였다. 그 결과, 건설 현장조사 및 관리에서의 USN과 구조물의 정밀진단 및 관리에 매우 유용함을 입증하였다
본 연구에서는 지역공간에 무선통신이 가능한 환경 센서를 이용하여 각 노드센서(Node Sensor)로부터 싱크센서(Sink Sensor)로 측정된 환경 데이터를 송신하면 싱크센서는 이들 데이터를 수집하여 TinyOS 기반 일반 PC가 이를 처리하고 그 결과를 출력 이미지 및 출력 데이터로 나타내는 시스템을 구성하여 3차원 공간에서의 지역공간의 변화를 확인할 수 있도록 하였다. 우리가 구성한 u-노드센서로부터 온도, 습도, 조도, GPS위치정보 및 CO2 가스, CO 및 먼지농도 등에 관한 측정 데이터를 처리하여 지역공간의 환경변화를 사전에 분석할 수 있도록 하였다.
이 경우 생성된 포인트 클라우드는 대상물과 카메라 간의 상대좌표 체계이므로 지상기준점 좌표를 이용하여 절대좌표로 변환한다. 이를 바탕으로 DEM을 생성하고 정사영상을 제작하게 된다. 무인항공사진측량의 영상정합에는 SIFT기술, 번들조정에는 공선조건식, 초기 포인트 클라우드의 생성과 고밀도화에는 SfM기술과 CMVS/PMVS2 등의 기술이 적용된다.
중간단계와 최종단계는 공사 진행의 진도에 맞게 적합한 일자를 잘 선정하여 촬영 및 모자이크 작업을 진행하며, 이렇게 얻어진 사진영상을 두 단계로 중첩하여 공사진행의 과정을 면밀히 비교분석한 다음 달라진 사항을 확인하여 공사계획 및 설계도와 대조하여 시각적인 효과를 확인할 수 있도록 한다. 건설현장의 3차원 분석을 위하여 지형도로부터 등고선을 이용하여 수치표고모델(DEM)을 생성하고 원하는 방향에서의 표고분석, 경사도분석, 구조물의 변화 등을 수시로 확인이 가능하도록 한다.
계속적으로 공사가 진행됨에 따라 달라져가는 공사현장의 구조물과 형태를 다시금 공중에서 무인 촬영하여 그 현장의 영상 정보를 중첩시키고 분석하여 시각적으로 공사의 진행과 효율적인 관리방법을 적용하도록 한다. 최종적으로 준공된 공사현장의 구조물과 현장주변의 변화를 3차로 무인공중촬영과 환경인자를 확인함에 의해 그 변화로 인한 구조물의 완성과정과 공사현장을 최종점검할 수 있는 새로운 무인의 공사관리기법을 또한 제시할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

따라서 건설공사가 진행되고 있는 현장을 선정하고, 관련 지형지물의 정보가 수집되어 있는 디지털지형도와 현장의 계획 및 설계정보를 먼저 확인하고 분석한 후에 공사의 규모와 성격에 적합한 무인항공촬영기 (UAV 또는 Drone)을 선정하여 현장을 포함하는 인근의 지형지물등의 영상자료를 수집한다. 계속적으로 공사가 진행됨에 따라 달라져가는 공사현장의 구조물과 형태를 다시금 공중에서 무인 촬영하여 그 현장의 영상 정보를 중첩시키고 분석하여 시각적으로 공사의 진행과 효율적인 관리방법을 적용하도록 한다.

성능/효과

USN 기반의 다양한 센서 기술을 이용하여 지역공간의 다양한 환경정보를 온도, 습도, 조도, GPS의 위치정보 및 CO2 농도, CO 및 먼지농도 등 환경 데이터들을 측정하여 이를 건설현장의 지형과 환경분석 뿐만 아니라 재난 및 재해관리에 필요한 데이터를 필요한 곳에 제공함으로써 임의 지역의 환경오염정도를 쉽게 확인하고 모니터링 함으로써 불필요한 시간과 비용을 줄일 수 있고, 우리가 확인하지 못하는 유해한 가스농도를 USN으로 사전에 실시간으로 확인할 수 있어 지역공간의 환경오염정도의 변화를 추적해 갈 수 있는 유효한 방안을 제시할 수 있었다.
송수신된 데이터 처리 결과는 TinyOS 기반으로 동작하는 PC에 그래프 등으로 나타나도록 하였으며, 무선통신용 USN 기술과 융합된 그래픽 처리 기반의 마이크로프로세서 시스템의장점과 편리성으로 건설현장의 진행과정 파악 및 변경 등에 필요한 정보를 제공하며 건설현장 정보의 피이드백을 가능하도록 하였다. 그 결과, 건설 현장조사 및 관리에서의 USN과 구조물의 정밀진단 및 관리에 매우 유용함을 입증하였다

후속연구

이 경우 일반적인 드론보다는 해당 서비스 영역에 적합한 특화된 드론들 시장이 형성될 수 있기 때문에, 다양한 드론 기업들이 독특한 비즈니스 모델들을 만들어갈 수 있을 것이다. 그러므로 본 연구결과의 구체적인 활용으로는 건설공사현장의 모니터링과 효율적인 관리를 토목 및 건축의 건설현장에 곧바로 활용할수 있을 것이며, 건설구조물의 안전관리 및 방재모니터 링에서도 GIS/GNSS 및 원격탐사 기술과의 융합으로 재난방재를 위한 환경요인분석과 정밀진단에서의 적용을 기대할 수 있을 것이다.
환경 등을 모니터링 하는 수요가 늘면서 다양한 센서들에 대한 관심도 커지고 있는데, 방사선을 측정할 수 있는 센서나 초음파 센서, 심지어는 무인자동차에 이용되던 레이저레이더(LIDAR)와 유사한 기능을 하는 소형레이더를 소비자 드론에 장착시킬 수 있도록 하는 에코다인(Echodyne) 등의 스타트업에 대한 관심도 높아졌다. 또한 비행시간에 가장 큰 영향을 미치는 고성능 배터리에 대한 수요도 크게 증가할 것으로 보여, 드론에 사용하기 적합하도록 가벼우면서도 용량이 큰 배터리를 생산하는 기업들에게도 많은 기회가 있을 것이다. 드론에 의한 부정적인 여론이나 문제점에 대응하는 기술을 가진 기업들도 눈여겨봐야한다.
농업과 재해현장에 투입되는 드론은 그 수가 점점 증가하고 있으며, 공사감독과 지도측량 등의 특수목적을 수행하는 드론들도 머지않은 시기에 큰 활약을 할 것으로 보인다. 또한, 집단으로 하늘에서 영상을 보여주거나, 예술작품을 만들고, 엔터테인먼트 용도로 가상의 서바이벌게임이나 스포츠 드론 등의 시장도 발달할 것으로 예측된다. 이 경우 일반적인 드론보다는 해당 서비스 영역에 적합한 특화된 드론들 시장이 형성될 수 있기 때문에, 다양한 드론 기업들이 독특한 비즈니스 모델들을 만들어갈 수 있을 것이다.
다만 대형시설물을 건설하고 관리해야 하는 공기업 및 관리주체의 입장에서는 최신의 정확한 공간정보를 유지하는데에는 한계가 있으므로 이를 자유롭게 오픈하거나 공개하지 못하고 있는 실정이다. 방재를 위하여 요구되는 공간정보의 생성은 우선적으로 공개된 데이터를 이용할 수 있으나고 해상도의 공간정보의 필요에 따라서 원격탐사위성 영상이나 항공사진 및 무인항공촬영기(UAV)를 이용하여 최신의 정확한 정보를 획득하여 수치정보로 재생성하여 이용할 수 있을 것이다. 좁은 지역의 경우에는 드론 등을 이용하여 즉성에서 공간정보의 구성이 가능한 시대에 살고 있는 것이다.
본 연구가 새로운 건설현장관리기법을 시도한 것으로 면 전국적으로 산재되어 있는 대형구조물의 현황파악을 위하여 수시로 UAV 또는 드론에 의하여 다양한 사진영상을 수집하여 시계열분석과 더불어 각종 재난으로부터의 방재시스템의 주요한 자원으로서의 역할을 다할 것이다. 이러한 드론은 측량, 환경, 법률조사, 토지 개발, 도시개발, 국유지불법점유, 건설, 게임, 해양조사, 안전관리 등의 분야에서 엄청난 속도로 융합되고 있기에 우리 사회와 산업전반에서 손쉽게 고품질의 정보를 고유할 수 있게 되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인항공사진측량(UAV)와 전통적인 항공사진측량과 비교하여 영상을 처리하는 원리의 차이점은?	무인항공사진측량(UAV)은 기존의 전통적인 항공사진측량과 비교하여 영상을 처리하는 원리는 거의 유사 하나 작업을 수행하는 방법에 있어서는 많은 차이가 있다. 우선 사용되는 장비의 성능에 차이가 크다. 표 1.과 같이 항공사진측량(항공사진측량 작업규정, 2013)에서는 정밀도가 매우 높은 고가의 장비를 사용하는 반면, 무인항공사진측량에서는 정밀도가 낮은 저가의 장비를 사용한다.
	모서리에 위치한 특징점 제가하는 방법은?	모서리에 위치한 특징점은 Harris corner detection 방법으로 제거한다. 이 방법은 한 점에 대해서 주변으 로의 변화량을 계산하여 한쪽으로는 0, 또 한쪽으로는큰 변화가 일어나는 현상을 통해 모서리를 구별하는 방법이다.
	유비쿼터스 센서란?	유비쿼터스 센서는 USN (Ubiquitous Sensor Network)에 의하여 사용되는 센서로 진동 센서, 화재 센서, 유량 센서, 환경 센서, 혈압센서 등의 센서를 사용하여 여러 분야에서 해당 위치 또는 부위에 측정센서 (노드 센서)를 부착하고 센서로 부터 얻어진 정보를 무선 통신을 이용하여 데이터 수집센서(싱크 센서)에 데이터를 송신하고 컴퓨터로 하여금 수신토록 함으로써 진동, 화재 등 방재에 필요한 정보뿐만 아니라 온도, 습도, 먼지 농도, CO2 가스농도 등의 환경정보 및 생태정보 등의 필요한 정보를 획득, 처리 및 판단하여 필요한 정보를 활용할 수 있게 하는 미래 기술 중의 하나이다. USN 센서는 위에서 언급한 바와 같이 신호선이 필요 없고 센서 보드에 내장된 무선통신 장치에 의하여 대개 30m에서 장애물이 없는 경우에는 100m까지 데이터 송 •수신이 가능하고 필요한 데이터 획득이 가능한 첨기술이다.

참고문헌 (19)

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저자의 다른 논문 :

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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