[국내논문]3D Point Cloud 기반 4D map 생성을 통한 노후화 시설물 유지 관리 방안 The Maintenance and Management Method of Deteriorated Facilities Using 4D map Based on UAV and 3D Point Cloud원문보기
국내 시설물의 노후화가 급속히 진행되고 있음에 따라 정부는 노후화 시설물의 안정성 검측과 유지관리에 대한 관심을 높이고 있다. 이에 본 연구는 대구광역시 서구 비산 4동/내당 2, 3동의 노후화 지역일대를 조사하고, 비행촬영을 통해 노후화 시설물에 대한 데이터를 획득하여 3D 지도를 구현하였다. 또한 3D 지도에 객관적/주관적 데이터를 추가적으로 기입함으로써 주민들이 쉽게 이해할 수 있으며, 관리자가 노후화 시설물에 대한 유지 보수 관리를 보다 수월하게 진행할 수 있는 4D 지도 생성 방안을 제시하였다.
국내 시설물의 노후화가 급속히 진행되고 있음에 따라 정부는 노후화 시설물의 안정성 검측과 유지관리에 대한 관심을 높이고 있다. 이에 본 연구는 대구광역시 서구 비산 4동/내당 2, 3동의 노후화 지역일대를 조사하고, 비행촬영을 통해 노후화 시설물에 대한 데이터를 획득하여 3D 지도를 구현하였다. 또한 3D 지도에 객관적/주관적 데이터를 추가적으로 기입함으로써 주민들이 쉽게 이해할 수 있으며, 관리자가 노후화 시설물에 대한 유지 보수 관리를 보다 수월하게 진행할 수 있는 4D 지도 생성 방안을 제시하였다.
According to the survey on the status of aged buildings in Korea, A number of concrete buildings deterioration such as houses and apartment buildings has been increased rapidly. To solve this problem, the research related to the facility management, that is one of the importance factor, for monitori...
According to the survey on the status of aged buildings in Korea, A number of concrete buildings deterioration such as houses and apartment buildings has been increased rapidly. To solve this problem, the research related to the facility management, that is one of the importance factor, for monitoring buildings has been increased. The research is divided into Survey-based and Technique-based. However, the problem is that Survey-based research is required a lot of time, money and manpower for management. Also, safety cannot be guaranteed in the case of high-rise buildings. Technique-based research has limitations to applying to the current facility maintenance system, as detailed information of deteriorated facilities is difficult to grasp and errors in accuracy are feared. Therefore, this paper contribute to improve the environment of facility management by 4D maps using UAV, camera and Pix4D mapper program to make 3D model. In addition, it is expected to suggest that residents will be offered easy verification to their buildings deterioration.
According to the survey on the status of aged buildings in Korea, A number of concrete buildings deterioration such as houses and apartment buildings has been increased rapidly. To solve this problem, the research related to the facility management, that is one of the importance factor, for monitoring buildings has been increased. The research is divided into Survey-based and Technique-based. However, the problem is that Survey-based research is required a lot of time, money and manpower for management. Also, safety cannot be guaranteed in the case of high-rise buildings. Technique-based research has limitations to applying to the current facility maintenance system, as detailed information of deteriorated facilities is difficult to grasp and errors in accuracy are feared. Therefore, this paper contribute to improve the environment of facility management by 4D maps using UAV, camera and Pix4D mapper program to make 3D model. In addition, it is expected to suggest that residents will be offered easy verification to their buildings deterioration.
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문제 정의
따라서 본 논문은 기존의 제한적인 UAV 촬영기법을 보완하기 위해서 해당지역의 광역 3D Model 생성을 위한 자동화 UAV 비행촬영기법과 4D map의 시설물 상세내용을 추가하기 위한 소형 UAV 및 카메라의 국부촬영기법을 도입하였다. 이는 노후화 시설물에 대한 상세 내용을 파악 할 수 있어 현 유지관리 시스템에 적용할 수 있으며 접근성이 용이해 결과적으로 주민들이 쉽게 이해할 수 있는 기술 기반의 노후화 시설물 유지관리 방안을 제안한다.
따라서 본 연구는 4차 산업혁명의 핵심 기술인 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)의 효과적인 데이터 수집 방식과 3D Point Cloud를 기반으로 생성되는 3D map에 세부적인 내용을 추가하여 4D map 시설물 유지관리 방안을 제안하고자 한다. UAV는 무인한공기의 약자로 최근 건설 산업(인프라 점검 및 시공) 중에서 향후 10년간 세계적으로 상업화될 가능성이 가장 높은 분야로 전망하고 있다[6].
앞선 문제를 해결하기 위해서는 노후화 시설 보수 및 유지・관리 방안에 대한 시스템 구축이 절실하다. 따라서 본 연구는 주민들의 안전을 위해 현실적 방안을 제시하고 검토하여 문제를 해결하고자 한다.
Pix4D capture는 POLYGON, GRID, DOUBLE GRID 등의 비행경로를 선택하여 지역 일대 및 건물을 다양한 방법으로 비행 및 촬영 할 수 있다. 본 연구에서는 3D models로 이루어진 mapping 작업이 필요하므로 DOUBLE GRID의 비행촬영 경로로 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 효과적인 시설물 유지관리 방안을 제안하기 위하여 4차 산업혁명의 핵심 기술인 UAV의 효과적인 데이터 수집 방식과 3D Point Cloud를 기반으로 생성되는3D map에 세부적인 내용을 추가하여 4D map을 생성하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
따라서 본 논문은 기존의 제한적인 UAV 촬영기법을 보완하기 위해서 해당지역의 광역 3D Model 생성을 위한 자동화 UAV 비행촬영기법과 4D map의 시설물 상세내용을 추가하기 위한 소형 UAV 및 카메라의 국부촬영기법을 도입하였다. 이는 노후화 시설물에 대한 상세 내용을 파악 할 수 있어 현 유지관리 시스템에 적용할 수 있으며 접근성이 용이해 결과적으로 주민들이 쉽게 이해할 수 있는 기술 기반의 노후화 시설물 유지관리 방안을 제안한다.
국내 시설물의 노후화가 급속히 진행되고 있음에 따라 정부는 노후화 시설물의 안정성 검측과 유지관리에 대한 관심을 높이고 있다. 이에 본 연구는 대구광역시 서구 비산 4동/내당 2, 3동의 노후화 지역일대를 조사하고, 비행촬영을 통해 노후화 시설물에 대한 데이터를 획득하여 3D 지도를 구현하였다. 또한 3D 지도에 객관적/주관적 데이터를 추가적으로 기입함으로써 주민들이 쉽게 이해할 수 있으며, 관리자가 노후화 시설물에 대한 유지·보수 관리를 보다 수월하게 진행할 수 있는 4D 지도 생성 방안을 제시하였다.
제안 방법
비산 4동과 내당 2, 3동 중 시설물의 노후화가 극심하고 기타 여러 문제점을 지니고 있는 지역일대를 비행촬영 영역으로 설정하였다. UAV는 DJI사의 Inspire 2가 이용되었고 비행촬영 시간은 1회에 약 15~20분 소요되며, 비행촬영 횟수는 총 6번에 걸쳐 진행하였다. 비산 4동과 내당 2, 3동은 경사가 있는 비탈면의 지형이므로 UAV의 수평비행작업 중 건물에 부딪힐 우려가 발생할 수 있다.
첫째, 현장답사를 통해 선정된 낙후지역을 조사하여 UAV 영상촬영을 위한 비행경로를 설정한다. 둘째, 선정한 지역의 3D Point Cloud 생성을 위한 시설물의 이미지를 획득한다. 이는 3D model map을 형성하기 위한 기본 데이터로 이용된다.
이에 본 연구는 대구광역시 서구 비산 4동/내당 2, 3동의 노후화 지역일대를 조사하고, 비행촬영을 통해 노후화 시설물에 대한 데이터를 획득하여 3D 지도를 구현하였다. 또한 3D 지도에 객관적/주관적 데이터를 추가적으로 기입함으로써 주민들이 쉽게 이해할 수 있으며, 관리자가 노후화 시설물에 대한 유지·보수 관리를 보다 수월하게 진행할 수 있는 4D 지도 생성 방안을 제시하였다.
Figure 4는 UAV 비행촬영 영역과 UAV가 이륙·착륙 하는 장소이다. 비산 4동과 내당 2, 3동 중 시설물의 노후화가 극심하고 기타 여러 문제점을 지니고 있는 지역일대를 비행촬영 영역으로 설정하였다. UAV는 DJI사의 Inspire 2가 이용되었고 비행촬영 시간은 1회에 약 15~20분 소요되며, 비행촬영 횟수는 총 6번에 걸쳐 진행하였다.
이는 3D model map을 형성하기 위한 기본 데이터로 이용된다. 셋째, 획득한 이미지의 3D Point Cloud data를 바탕으로 시설물을 3D modeling 한다. 넷째, 3D model map에 관련 노후화 데이터를 기입하여 4D 지도를 생성한다.
이러한 4D map을 생성하기 위해 Autodesk ReCap 프로그램을 사용하였고 노후화 시설물에 대한 추가 데이터는 카메라와 DJI사의 Spark(소형 UAV)를 이용하여 촬영하였다.
본 연구의 절차는 Figure 1과 같다. 첫째, 현장답사를 통해 선정된 낙후지역을 조사하여 UAV 영상촬영을 위한 비행경로를 설정한다. 둘째, 선정한 지역의 3D Point Cloud 생성을 위한 시설물의 이미지를 획득한다.
대상 데이터
비산 4동과 내당 2, 3동은 경사가 있는 비탈면의 지형이므로 UAV의 수평비행작업 중 건물에 부딪힐 우려가 발생할 수 있다. 그러므로 비상시 UAV를 수동으로 제어하기 위해서 지역 일대가 잘 보이는 곳을 UAV의 이・착륙 장소로 선정하게 되었다.
본 연구는 Pix4D mapper를 이용하여 총 822장의 사진을 3D Modeling 하였다(Figure 5-a). 촬영영역은 황색의 선으로 표시된 비산・내당동 내 시설물이며 촬영지점은 적색의 원으로 표시되어 있다 (Figure 5-b).
촬영영역은 황색의 선으로 표시된 비산・내당동 내 시설물이며 촬영지점은 적색의 원으로 표시되어 있다 (Figure 5-b). 프로젝트의 단계는 총 3단계로 (1) 초기처리, (2) 포인트 클라우드와 메쉬, (3) DSM, 오쏘모자이크, 인덱스로 구성되어있다(Figure 5-c). 1단계는 키포인트 이미지 스케일의 크기를 조절할 수 있으며, 품질 보고를 위한 프리뷰를 생성할 수 있다.
성능/효과
1) UAV의 비행촬영 중 인접건물 및 주변시설(가로등, 나무, 전봇대, 전선 등)은 시설물의 데이터 취득 시 촬영 불가능 영역을 형성하게 되며, UAV는 이런 환경에서의 충돌을 방지하기 위해서 비행고도를 적정 높이 이상으로 설정해야한다. 이는 3D Modeling 과정에서 생성되는 Mesh의 표면을 불명확하게 나타내는 것에 대한 원인이 된다.
1) 노후화 시설물에 대한 객관적・주관적 데이터를 기반으로 4D 지도를 생성하여 노후화된 시설물의 데이터를 축적시킴으로써 건물 보수 공사에 대한 명백한 데이터가 될 수 있으며, 이를 기반으로 시설물 붕괴 사고로 인한 인명피해를 사전에 예방할 수 있다.
2) 드론을 이용한 지속적인 노후화 시설물 유지관리방안은 광범위한 범위의 데이터를 인력 및 비용적 손실 없이 빠른 시간 내에 획득할 수 있으며, 사각지대에 놓여 검측할 수 없는 시설물의 노후화 데이터 또한 획득할 수 있다.
3) 4D map의 시설물 노후화 척도를 바탕으로 인명대피 및 통제, 구조 등의 우선순위를 매길 수 있다면 급작스러운 기후변화(태풍, 지진 및 홍수 등)가 발생했을 경우 지도에 표시된 우선순위를 기반으로 자연재해에 대하여 즉각적이고 탄력적인 대응이 가능하다. 따라서 4D map을 인명 대피 및 통제, 구조와 관련하여 활용할 수 있도록 본 연구의 추가적인 연구방안이 필요하다.
결과적으로 4D map은 3D mapping 과정에서 사각지대로 인해 생성되지 않은 데이터를 획득할 수 있으며 해당 건물에 대한 노후화 위치 및 정도를 한눈에 파악할 수 있다. 또한 시설물에 대한 상세한 데이터를 사진과 글로 기록할 수 있어 시설물 유지관리 전문가와 해당지역 주민들의 노후화 시설물 현황 분석과 이해에 도움을 준다.
후속연구
따라서 생성되는 3DModeling의 질적 향상을 위해 UAV를 이용한 국부 촬영 및 카메라 촬영과 같은 수동적인 촬영 기법이 필요하지만 많은 시간과 인력이 소모된다. 그러므로 근접 촬영을 자동화할 수 있는 구체적인 연구방안이 필요하며 다각도의 촬영 영상을 추가적으로 획득하여 데이터를 누적시킴으로써 Mesh의 표면을 명확하게 할 수 있는 지속적인 데이터 수집이 필요하다.
3) 4D map의 시설물 노후화 척도를 바탕으로 인명대피 및 통제, 구조 등의 우선순위를 매길 수 있다면 급작스러운 기후변화(태풍, 지진 및 홍수 등)가 발생했을 경우 지도에 표시된 우선순위를 기반으로 자연재해에 대하여 즉각적이고 탄력적인 대응이 가능하다. 따라서 4D map을 인명 대피 및 통제, 구조와 관련하여 활용할 수 있도록 본 연구의 추가적인 연구방안이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
4D map이란 무엇인가?
따라서 노후화 시설물에 대한 데이터의 정확성을 높이기 위해 Figure 7과 같은 4D map 생성 과정이 필요하다. 4D map은 3D mapping 과정에서 특정 요인으로 인해 생성되지 않은 부분과 3D map에서 시설물에 대한 정보를 확인하기 어려운 부분을 추가적으로 보충하기 위해 만들어진 시설물 유지관리 지도이다. Figure 7은 콘크리트의 균열, 박리, 손상 등을 지도상 으로 한눈에 파악할 수 있을뿐더러 화재의 위험성이 있는 건물 등과 같은 건물의 특이사항을 기입할 수 있다.
시설물의 노후화가 초래하는 문제점은?
시설물의 노후화는 우리 사회에 다음과 같은 문제를 초래한다. 먼저 미관상 시설물의 아름다움을 저해시킬뿐더러 시설물의 내구력을 약화시킨다. 또한 열교현상을 야기 시켜 건축물의 에너지 손실량을 증가시키는 대표적인 요인 중 하나이다[3]. 앞선 문제를 해결하기 위해 진행되는 시설물 유지관리 작업은 대부분 검측자가 균열 스케일, 균열 현미경 등의 도구를 이용하여 수작업으로 이루어지고 있다.
조사 기반의 유지관리의 단점은?
조사 기반의 유지관리는 건물을 세분화하여 각 파트별 노후화 척도를 관리자가 직접 수집해야하므로 오랜 시간이 소모되며 유지관리를 위한 인력과 시간이 증가함에 따라 비용 또한 증가하게 된다. 이를 해결하기 위한 기술 기반의 유지관리는 광범위한 노후화 시설물 유지관리 영역을 특정기술을 통해 단시간에 획득할 수 있으며 추가적인 비용이 발생하지 않는다.
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