입체사진측량기법을 이용하면 지하공간 개발 시 발파로 발생하는 여굴 및 미굴을 정확하고 신속하게 조사할 수 있다. 입체사진측량 기술을 소형 무인항공기인 드론과 접목할 경우 조사를 더욱 효율적으로 수행할 수 있으나, 기존의 연구들이 지상에 국한되어 있어 지하 환경에서의 적용은 아직 미비한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 드론 기반 입체사진측량기법을 지하공간으로 확장하기 위해, 지하 갱도의 암반면을 대상으로 드론을 이용한 입체사진측량을 수행하였다. 이를 통해 드론 기반 입체사진측량기법의 정확도를 평가 및 분석하였으며, 그 결과 해당 기법이 지하공간 내에서도 높은 정확도를 갖췄음을 확인할 수 있었다. 더 나아가 정확도 분석 결과를 토대로 드론을 이용한 지하 입체사진측량을 위한 권장 촬영 및 정합 조건을 제시하였다.
입체사진측량기법을 이용하면 지하공간 개발 시 발파로 발생하는 여굴 및 미굴을 정확하고 신속하게 조사할 수 있다. 입체사진측량 기술을 소형 무인항공기인 드론과 접목할 경우 조사를 더욱 효율적으로 수행할 수 있으나, 기존의 연구들이 지상에 국한되어 있어 지하 환경에서의 적용은 아직 미비한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 드론 기반 입체사진측량기법을 지하공간으로 확장하기 위해, 지하 갱도의 암반면을 대상으로 드론을 이용한 입체사진측량을 수행하였다. 이를 통해 드론 기반 입체사진측량기법의 정확도를 평가 및 분석하였으며, 그 결과 해당 기법이 지하공간 내에서도 높은 정확도를 갖췄음을 확인할 수 있었다. 더 나아가 정확도 분석 결과를 토대로 드론을 이용한 지하 입체사진측량을 위한 권장 촬영 및 정합 조건을 제시하였다.
Stereophotogrammetry can be used for accurate and fast investigation of over-break or under-break which may form during the blasting of underground space. When integrated with small unmanned aerial vehicles(UAVs) or drones, stereophotogrammetry can be performed much more efficiently. However, since ...
Stereophotogrammetry can be used for accurate and fast investigation of over-break or under-break which may form during the blasting of underground space. When integrated with small unmanned aerial vehicles(UAVs) or drones, stereophotogrammetry can be performed much more efficiently. However, since previous research are mostly focused on surface environments, underground applications of drone-based stereophotogrammetry are limited and rare. In order to expand the use of drone-based stereophotogrammetry in underground environments, this study investigated a rock surface of a underground mine through drone-based stereophotogrammetry. The accuracy of the investigation was evaluated and analyzed, which proved the method to be accurate in underground environments. Also, recommendations were proposed for the image acquisition and matching conditions for accurate and efficient application of drone-based stereophotogrammetry in underground environments.
Stereophotogrammetry can be used for accurate and fast investigation of over-break or under-break which may form during the blasting of underground space. When integrated with small unmanned aerial vehicles(UAVs) or drones, stereophotogrammetry can be performed much more efficiently. However, since previous research are mostly focused on surface environments, underground applications of drone-based stereophotogrammetry are limited and rare. In order to expand the use of drone-based stereophotogrammetry in underground environments, this study investigated a rock surface of a underground mine through drone-based stereophotogrammetry. The accuracy of the investigation was evaluated and analyzed, which proved the method to be accurate in underground environments. Also, recommendations were proposed for the image acquisition and matching conditions for accurate and efficient application of drone-based stereophotogrammetry in underground environments.
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문제 정의
본 연구에서는 드론 기반 입체사진측량의 지하 환경 적용성을 확인하기 위해 드론을 이용한 지하 갱내 암반면 조사를 수행하였으며, 현장조사를 토대로 입체사진측량으로 생성된 점군자료의 정확도를 평가 및 분석하였다. 그 결과 지하 환경에서 드론을 이용하여 입체사진측량을 상대오차 5% 이내의 정확도로 수행할 수 있음을 확인하였으며, 분석 결과를 바탕으로 지하 환경에서 드론 기반의 입체사진측량을 수행할 시에 다음과 같은 촬영 및 정합조건을 권장하고자 한다.
, 2019), 터널이나 지하광산과 같은 지하 환경에서는 GPS 신호와 조명이 없는 닫힌 공간이라는 특성 때문에 드론을 이용하여 입체사진측량을 수행한 경우는 거의 없었다. 그러나 드론을 지하 환경에서 활용할 경우, 드론의 기동성을 바탕으로 입체 사진측량의 효율성을 극대화할 수 있으므로 이에 대한 연구가치가 충분하다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는, 드론을 이용한 입체사진측량의 지하 환경 적용성을 확인하고자 하였다.
그러나 드론을 지하 환경에서 활용할 경우, 드론의 기동성을 바탕으로 입체 사진측량의 효율성을 극대화할 수 있으므로 이에 대한 연구가치가 충분하다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는, 드론을 이용한 입체사진측량의 지하 환경 적용성을 확인하고자 하였다. 이를 위해 지하 갱도에서 드론을 이용하여 입체사진측량을 수행하였으며, 입체사진측량의 촬영 및 정합조건에 따른 정확도를 비교⋅분석함으로써 지하 환경에서의 드론 기반 입체사진측량을 위한 최적의 촬영 및 정합조건을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 드론 기반 입체사진측량의 지하 환경 적용성을 확인하기 위해 드론을 이용한 지하 갱내 암반면 조사를 수행하였으며, 현장조사를 토대로 입체사진측량으로 생성된 점군자료의 정확도를 평가 및 분석하였다. 그 결과 지하 환경에서 드론을 이용하여 입체사진측량을 상대오차 5% 이내의 정확도로 수행할 수 있음을 확인하였으며, 분석 결과를 바탕으로 지하 환경에서 드론 기반의 입체사진측량을 수행할 시에 다음과 같은 촬영 및 정합조건을 권장하고자 한다.
제안 방법
5m와 3m로, 2가지 촬영거리에 대해 동영상을 촬영하였다. 1.5m 촬영거리의 경우에는 제한된 화각 때문에 암반면을 상부와 하부로 나눠서 두 번 촬영하였다.
12개 점군자료의 정확도를 비교⋅분석하기 위해, 현장에서 측정한 표식의 가로와 세로 길이 그리고 표식 간의 거리를 점군자료 상에서 동일하게 측정하였다.
Bentley사의 입체사진측량 소프트웨어인 Context Capture 프로그램을 이용하여 드론으로 촬영한 동영상의 영상 프레임을 정합하여 대상 암반면에 대한 점군 자료를 생성하였다. 생성된 점군자료의 예시는 Fig.
대상 암반면에는 입체사진측량 정확도 평가를 위해 일정한 간격으로 십자가 형태의 표식을 표기하였다. Fig. 2에 나타난 바와 같이, 표기한 십자가 표식의 가로와 세로 길이 그리고 십자가 표식 중심 간의 거리를 현장에서 줄자를 이용하여 측정하고 기록하였으며, 표식 간의 거리는 상부와 하부로 각각 나누어 측정하였다. Fig.
광산 바닥면에 설치한 고정식 조명 외에도 드론에 조명을 장착하여, 장착된 조명 장치의 강도를 변화시키면서 영상을 촬영하였다. Table 3은 각 조명강도 단계별로 암반면의 조도값을 측정한 값들이다.
3과 같이 고정식 조명을 광산 바닥면에 설치하였다. 대상 암반면이 고르게 비춰지도록 총 3개의 고정식 조명을 설치하였으며 이때 암반면에서 측정한 조도값은 약 30lux이였다. 고용노동부의 터널공사표준안전작업지침 제 36조(개정 2020.
드론 영상으로부터 생성한 점군자료 상에서의 길이와 거리를 현장 측정값과 비교하여 점군자료 및 입체사진측량의 정확도를 분석하였으며, 분석에 활용된 측정 데이터는 표로 정리하여 부록에 수록하였다. 적절한 촬영조건 및 정합조건 하에 생선된 점군자료의 경우, 측정한 표식의 가로⋅세로 길이는 현장에서 측정한 값과 약 1cm의 차이를 보였다.
마지막 점군자료 정확도의 공간적 경향성을 분석하기 위해 Fig. 8과 같이 위치별로 길이의 상대오차를 비교하였다. 분석에 사용된 점군자료는 0.
암반면을 대상으로 입체사진측량을 수행하기 위해 드론 카메라는 암반면을 향한 채로 드론을 암반면과 평행하게 수평으로 약 1m/s로 이동하면서 동영상을 촬영하였다. Fig.
이를 위해 지하 갱도에서 드론을 이용하여 입체사진측량을 수행하였으며, 입체사진측량의 촬영 및 정합조건에 따른 정확도를 비교⋅분석함으로써 지하 환경에서의 드론 기반 입체사진측량을 위한 최적의 촬영 및 정합조건을 제시하고자 하였다.
4 (a)와 (b)는 각각 3m 촬영거리의 조명강도 0단계와 1단계에 대한 점군자료이며 점군자료의 길이 보정은 대상 암반면 주변에 설치한 35cm의 보정막대를 활용하였다. 이외의 모든 점군자료도 해당보정막대를 활용하여 길이 보정을 수행하였다.
제한된 드론 비행시간 안에 최대한 많은 영상을 획득하기 위해서 입체사진측량용 영상을 사진이 아닌 동영상으로 촬영하였다. 동영상은 4K 해상도로 초당 30 프레임(frame)으로 촬영하였으며 다른 카메라 설정은 자동 모드(auto-mode)에 의해 자동으로 설정되었다.
촬영조건과 정합조건에 따른 정확도를 분석하기 위해, 앞서 생성된 12개의 점군자료를 지엽적인 정확도와 광역적인 정확도로 나눠서 분석하였다. 지엽적인 정확도는 점군자료에서 측정한 표식의 가로와 세로 길이의 상대오차로 평가하였으며, 광역적인 정확도는 점군자료에서 측정한 표식 간의 거리의 상대오차로 평가하였다. 이때 상대오차의 계산은 현장조사에서 측정한 길이 및 거리를 참값으로 하였다.
촬영조건과 정합조건에 따른 정확도를 분석하기 위해, 앞서 생성된 12개의 점군자료를 지엽적인 정확도와 광역적인 정확도로 나눠서 분석하였다. 지엽적인 정확도는 점군자료에서 측정한 표식의 가로와 세로 길이의 상대오차로 평가하였으며, 광역적인 정확도는 점군자료에서 측정한 표식 간의 거리의 상대오차로 평가하였다.
동영상은 4K 해상도로 초당 30 프레임(frame)으로 촬영하였으며 다른 카메라 설정은 자동 모드(auto-mode)에 의해 자동으로 설정되었다. 현장조사의 일차적인 목적이 드론 기반 입체사진 측량의 적용성 확인이라는 점에서 카메라 설정을 모두 특정해야 하는 수동모드(manual-mode)가 부적절하다고 판단하였기 때문에 자동 모드를 사용하였다.
대상 데이터
본 연구의 현장조사는 충청북도 제천시의 석회석 지하 광산에서 수행되었다. 광산 내부 갱도의 암반면을 조사 대상으로 선정하였으며, 대상 암반면의 모습은 Fig. 1과 같다. 대상 암반면의 크기는 10m x 3m이며 절리를 포함하고 있어 표면에 굴곡과 요철을 가지고 있다.
대상 암반면의 크기는 10m x 3m이며 절리를 포함하고 있어 표면에 굴곡과 요철을 가지고 있다. 대상 암반면 주변에는 입체사진측량으로 생성한 점군자료의 보정을 위한 35cm의 보정막대 (calibration bar)를 설치하였다. 보정막대의 모습은 Fig.
3은 드론으로 암반면을 촬영하는 모습을 나타낸다. 대상 암반면으로부터의 촬영거리는 1.5m와 3m로, 2가지 촬영거리에 대해 동영상을 촬영하였다. 1.
1과 같다. 대상 암반면의 크기는 10m x 3m이며 절리를 포함하고 있어 표면에 굴곡과 요철을 가지고 있다. 대상 암반면 주변에는 입체사진측량으로 생성한 점군자료의 보정을 위한 35cm의 보정막대 (calibration bar)를 설치하였다.
지하에서 입체사진측량을 수행하기 위해서는 어두운 환경에서도 밝은 영상을 촬영할 수 있는 드론을 사용해야 한다. 따라서 본 연구에서는 1인치 센서의 카메라를 탑재한 DJI 사의 회전익 무인항공기인 매빅 2 Pro(Mavic 2 Pro)를 사용하였다. 해당 드론에 장착된 카메라의 센서 크기가 1인치이기 때문에 크기가 작은 다른 센서에 비해 어두운 환경에서 더 많은 빛을 입력받을 수 있다.
본 연구에서는 동일한 대상 암반면에 대해 총 12개의 점군자료를 생성하였다. 생성된 점군자료 중 8개는 1.
본 연구의 현장조사는 충청북도 제천시의 석회석 지하 광산에서 수행되었다. 광산 내부 갱도의 암반면을 조사 대상으로 선정하였으며, 대상 암반면의 모습은 Fig.
이론/모형
12개 점군자료의 정확도를 비교⋅분석하기 위해, 현장에서 측정한 표식의 가로와 세로 길이 그리고 표식 간의 거리를 점군자료 상에서 동일하게 측정하였다. Fig. 5는 점군자료 상에서의 길이 및 거리 측정을 나타낸 것으로, 오픈소스 점군자료 처리 소프트웨어인 CloudCompare를 활용하였다.
성능/효과
1) 촬영거리는 점군자료의 정확도에 영향을 미치지 않으나, 근접 촬영할 경우 제한된 화각에 의해 동선이 길어지기 때문에 근접 촬영은 기피하는 것을 권장한다.
2) 조명강도 혹은 조도의 경우, 조사면의 조도가 약 30~110lux의 범위에 있도록 조명을 설치할 것을 권장한다.
표식의 가로⋅세로 길이의 오차와 상부에 위치한 표식의 거리 오차의 경우 유의미한 경향성을 보이지 않았으나 하부에 위치한 표식의 거리 오차는 가장자리에 치우치는 경향이 있었다. 그러나 분석 결과를 종합적으로 고려했을 때 점군자료의 정확도는 공간적 경향성을 띄지 않는 것으로 판단된다.
일반적인 직관과 다르게 조명강도가 강해질수록 상대오차가 증가하는 경향을 보였다. 또한 조명강도가 강해질수록 오차의 공간적 분포가 더 불규칙해진다는 것을 그래프 막대로 표현된 표준편차를 통해 확인할 수 있다. 이와 같은 경향은 조도가 높아짐에 따라 이미지 텍스처(texture)가 소실되어 이미지 정합 시에 오차가 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
6과 같이 나타났다. 먼저 영상 정합의 프레임 간격의 경우, 영상 프레임 간격이 증가할수록 점군자료의 정확도가 낮아짐을 확인할 수 있었다. 이는 드론이 일정한 속도로 이동하면서 동영상을 촬영하여, 영상 프레임 간격이 증가할수록 정합에 사용되는 프레임들 간의 물리적인 거리도 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
이러한 차이는 카메라의 재원 및 촬영조건의 차이에서 기인한 것으로 판단된다. 본 연구에서 사용된 드론의 카메라는 더 밝은 조리개 값을 가지며 센서의 감도 범위 또한 더 넓기 때문에 낮은 조도에서 상대적으로 더 밝은 영상을 촬영할 수 있다.
조도에 따른 정확도 분석 결과, 조도가 약 30~110lux 일 때 입체사진측량의 정확도가 높았다. 이는 이전 연구(한정훈 외, 2009)에서 제시된 암반불연속면의 입체사진측량을 위한 최적 조도 조건인 200~400lux와 차이를 보인다.
이와 같은 경향은 조도가 높아짐에 따라 이미지 텍스처(texture)가 소실되어 이미지 정합 시에 오차가 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 조명강도 증가에 따른 불규칙적인 그림자의 생성이 정확도 감소의 요인이 될 수도 있으나, 드론에 조명을 기체 양쪽에 하나씩 장착하였기 때문에 그림자가 생길 가능성이 적으며 촬영된 영상을 육안으로 확인한 결과, 조명에 의해 불규칙적인 그림자가 생성되지 않았음을 확인하였다.
후속연구
위에서 권장한 촬영 및 정합조건은 연구에서 조사한 범위 내에서 그리고 연구에서 사용한 드론 기종 및 촬영모드에 한해서 권장하는 것으로서 추후 더 포괄적인 분석이 필요할 것으로 판단된다.
지하공간을 화약 발파로 개발할 시에 암반 조건과 발파 조건에 따라 여굴 또는 미굴이 발생할 수 있는데, 여굴 및 미굴의 발생여부 그리고 발생정도는 지하 공간 개발의 안전성과 경제성에 영향을 미치기 때문에 이에 대한 분석이 필히 요구된다. 발파면을 육안으로 관찰하여 여굴 및 미굴의 발생을 정성적으로 판단할 수도 있으나, 최근에는 정확하고 정량적인 분석을 위해 입체사진측량(stereophotogrammetry) 혹은 3차원 레이저 스캐너(LiDAR, Light Detection And Ranging)를 이용한 조사기법이 연구 및 적용되고 있다(이승중 외, 2016; 김병렬 외, 2018).
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
입체사진측량이란?
입체사진측량은 서로 다른 위치에서 촬영한 스테레오 영상(stereo-image)을 정합하여 발파면의 공간 정보를 분석하고 점군자료(point cloud)를 생성하는 조사기법으로, 발파면의 사진 촬영만으로 현장조사가 이뤄지기 때문에 신속하고 안전하게 조사를 수행할 수 있다는 장점이 있다. 최근에는 소형 무인항공기인 드론(drone)과 접목되어 입체사진측량의 활용 분야가 더욱 넓어지고 있다(이수암 외, 2013; 김유종 외, 2017).
본 연구를 수행함에 있어서 매빅 2 Pro의 장점은 무엇인가?
따라서 본 연구에서는 1인치 센서의 카메라를 탑재한 DJI 사의 회전익 무인항공기인 매빅 2 Pro(Mavic 2 Pro)를 사용하였다. 해당 드론에 장착된 카메라의 센서 크기가 1인치이기 때문에 크기가 작은 다른 센서에 비해 어두운 환경에서 더 많은 빛을 입력받을 수 있다. 이외에도 드론 기체에 전방위 장애물 감지 기능이 있어 지하 공간에서 안정적인 비행이 가능하다는 장점이 있다. Table 1과 Table 2는 각각 드론에 장착된 카메라와 드론 기체의 재원을 나타낸다.
여굴 및 미굴의 발생여부 그리고 발생정도에 대한 분석이 요구되는 이유는 무엇 때문인가?
지하공간을 화약 발파로 개발할 시에 암반 조건과 발파 조건에 따라 여굴 또는 미굴이 발생할 수 있는데, 여굴 및 미굴의 발생여부 그리고 발생정도는 지하 공간 개발의 안전성과 경제성에 영향을 미치기 때문에 이에 대한 분석이 필히 요구된다. 발파면을 육안으로 관찰하여 여굴 및 미굴의 발생을 정성적으로 판단할 수도 있으나, 최근에는 정확하고 정량적인 분석을 위해 입체사진측량(stereophotogrammetry) 혹은 3차원 레이저 스캐너(LiDAR, Light Detection And Ranging)를 이용한 조사기법이 연구 및 적용되고 있다(이승중 외, 2016; 김병렬 외, 2018).
참고문헌 (10)
김병렬, 정민수, 진연호, 최성웅, 2018, 여굴 제어를 위한 입체사진측량기법 분석, 화약.발파(대한화약발파공학회지), Vol.36, No. 1, pp. 12-19
김유종, 오재홍, 이창노, 2017, 드론 기반 사진측량기법을 활용한 고압 송전선의 처짐량 측정, 한국측량학회지, Vol. 35, No. 6, pp. 453-460
Becker, R.E., Galayda, L.J., MacLaughlin, M.M., 2018, Digital Photogrammetry Software Comparison for Rock Mass Characterization, Proc. 52nd US Rock Mechanics/Geomechanics Symp, Seattle, pp. 1204-1211
Vollgger, S. A. and Cruden, A. R., 2016, Mapping folds and fractures in basement and cover rocks using UAV photogrammetry, Cape Liptrap and Cape Paterson, Victoria, Australia, Jonrnal of Structural Geology, Vol. 85, pp. 168-187
Zhang, Y., Yue, P., Zhang, G., Guan, T., Lv, M., Zhong, D., 2019, Augmented reality mapping of rock mass discontinuities and rockfall susceptibility based on unmanned aerial vehicle photogrammetry, Remote Sensing, Vol. 11, No. 11, pp. 1311
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