[논문]디지털 트윈 구현을 위한 3차원 공간정보 구축사례 연구

김승엽; 이호현; 최은수; 고제웅

doi:10.11108/kagis.2020.23.3.146

디지털 트윈 구현을 위한 3차원 공간정보 구축사례 연구
A Case Study on the Construction of 3D Geo-spatial Information for Digital Twin Implementation 원문보기

한국지리정보학회지 = Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, v.23 no.3, 2020년, pp.146 - 160

김승엽 ((주)올포랜드 스마트공간융합연구소) , 이호현 ((주)올포랜드 스마트공간융합연구소) , 최은수 ((주)올포랜드 스마트공간융합연구소) , 고제웅 (송원대학교 방재안전토목학과)

초록
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4차 산업혁명 시대를 맞이하면서 ICT 기술을 활용한 도시문제 해결 연구가 대두되고 있다. 도시문제 해결을 위해 스마트시티에 관한 다양한 실증연구가 수행되고 있고, 스마트시티를 효과적으로 구현하기 위해 물리적 환경과 가상환경을 상호연결하는 디지털 트윈 기반으로 구현하고 있다. 디지털 트윈을 구현하려면 공간의 개념이 필수적이며 실세계를 구성하는 공간정보가 반드시 필요하다. 따라서 본 연구는 디지털 트윈을 구현하기 위해 전주시의 건물, 수자원시설, 교통시설물을 대상으로 국가공간정보 구축규정과 국제표준 CityGML을 기반으로 3차원 공간정보 구축 및 모델화 연구를 수행하였다. 실증지역인 전주시를 대상으로 구축 범위별 세밀도 (LOD)를 정의하고 세밀도 별 데이터 수집, 분석 그리고 구축을 통해 공간정보 기반의 디지털 트윈 가능성을 판단하였다. 본 연구에서는 디지털 트윈 구현을 위한 도시 단위의 공간정보 구축방안을 제시하고, 구축결과를 도시 표준모델로 모델화했다는 의의가 있다. 본 연구 결과는 향후 스마트시티 및 디지털 트윈 구축을 추진하는 정부와 지자체에서 세부적인 구축방안, 표준정립 등의 기초자료로 활용이 가능할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the 4th industrial revolution, research on solving urban problems using ICT technology is emerging. Representatively, research is being conducted mainly focusing on smart cities. 3D geo-spatial. Various case studies on smart cities are being conducted to solve urban problems, and in order to effectively implement smart cities, it is implemented on the basis of a digital twin interconnecting physical and virtual environments. To implement a digital twin, the concept of space is essential, and spatial information that composes the real world is also essential. Therefore, in order to implement the digital twin, this study conducted a study on the construction and modeling of 3D geo-spatial information based on the national spatial information establishment regulations and the international standard CityGML for buildings, water facilities, and transportation facilities in Jeonju. In Jeonju, the research area, the LOD was defined, and the possibility of digital twin based on geo-spatial information was determined through data collection, analysis, and construction for each detail. In this study, it is meaningful that a plan to construct geo-spatial information for the implementation of a digital twin is presented, and the result of the construction is modeled as an urban standard model. The results of study are expected to be used as reference for detailed construction plans and standard establishment by governments and local governments promoting smart city and digital twin construction in the future.

주제어

표/그림 (22)

표 TABLE 1. Related research about 2D/3D geo-spatial information
그림 FIGURE 1. Study area
표 TABLE 2. Research plan
그림 FIGURE 2. Example of indoor geo-spatial information standard
표 TABLE 3. Example of 3D geo-spatial information regulation
그림 FIGURE 3. CityGML Core UML
그림 FIGURE 4. Modeling example by CityGML LOD
그림 FIGURE 5. Process for digital twin implementation
표 TABLE 4. Definition LOD in CityGML
표 TABLE 5. Comparison between 3D data models (Kim et al., 2018)
그림 FIGURE 6. Example of collecting data for LOD 0
표 TABLE 6. Result of LOD 0
그림 FIGURE 7. Example of collecting data for LOD 1
그림 FIGURE 8. Example of collecting data for LOD 2 (Left : 3D model using Digital Drawing, Right : Underground facilities map)
표 TABLE 7. Result of LOD 1
그림 FIGURE 9. Example of collecting data for LOD 3
표 TABLE 8. Result of LOD 2
표 TABLE 9. Result of LOD 3
그림 FIGURE 10. Result of LOD 3 road facility
그림 FIGURE 11. Result of LOD 3 water resource facility
그림 FIGURE 12. Example of collecting data for LOD 4
표 TABLE 10. Result of LOD 4

AI 본문요약
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문제 정의

3차원 공간정보구축규정은 자료취득부터 편집에 이르는 3차원 국토공간정보의 구축방법을 규정하고 있다(NGII, 2019). 3차원 공간정보구축규정은 세밀도 별 데이터 제작 기준을 제시함으로써 3차원 공간정보의 일관성을 확보하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 3차원 공간정보 기반의 디지털 트윈 구현을 위해 3차원국토공간정보구축 작업규정을 준수하여 모델링을 진행하였다. 나아가 구축 대상으로 건축물뿐만 아니라 연구 대상인 전주 시내의 수자원, 교통 데이터를 포함하기에 적합한 CityGML 표준을 기반으로 DB를 구축하였으며, 구축 결과 분석을 통해 추후 디지털 트윈 기반의 스마트시티 연구를 위한 시사점을 제시하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 3차원 공간정보 기반의 디지털 트윈 구현을 위해 3차원국토공간정보구축 작업규정을 준수하여 모델링을 진행하였다. 나아가 구축 대상으로 건축물뿐만 아니라 연구 대상인 전주 시내의 수자원, 교통 데이터를 포함하기에 적합한 CityGML 표준을 기반으로 DB를 구축하였으며, 구축 결과 분석을 통해 추후 디지털 트윈 기반의 스마트시티 연구를 위한 시사점을 제시하고자 하였다.
본 연구는 기존 선행연구를 바탕으로 디지털 트윈 구현을 위한 세밀도 기반 2차원 및 3차원 건물기반의 공간정보 구축·활용 방안을 제안한다.
특히 실세계를 가상화하기 위해서 3차원 공간정보는 매우 중요하지만, 아직 국내에는 구축사례 및 모델연구가 미진한 상태이다. 이에 본 연구에서는 도시 단위의 디지털 트윈을 구축하기 위해 도시의 주요 구성요소인 건물, 교통, 수자원 모델들을 선정하여 공간정보구축작업규정 기반으로 데이터를 수집 및 구축을 진행하였고, 향후 정보공유 및 활용을 위해서 데이터 모델 구축 및 활용 방안을 제시하였다.

제안 방법

그림 5를 통해 디지털 트윈을 위한 공간정보 구축 과정을 확인할 수 있다. 3차원 공간정보구축규정과 실내공간정보 작업규정을 적용하여 CityGML의 LOD 0~4의 형태에 맞게 디지털 트윈을 위한 공간정보를 구축 후, CityGML 표준을 따라 변환하였다.
LOD 3 구축 지역에 대해서는 3차원 공간정보구축규정에 따라 교통과 수자원 공간정보에 대한 데이터를 구축하였다. 교통데이터의 경우 대상 지역의 도로와 교량에 대해 구축하였으며, 드론 영상과 현장조사 자료를 기반으로 모델링을 수행하였다.
건물의 모델링은 수집된 자료를 기반으로 하여 수동 모델링 소프트웨어를 사용하여 건물 외관, 창문, 출입구를 각각 객체화된 형태로 모델링하였다. 표 9를 통해 모델링 결과를 확인할 수 있다.
LOD 3 구축 지역에 대해서는 3차원 공간정보구축규정에 따라 교통과 수자원 공간정보에 대한 데이터를 구축하였다. 교통데이터의 경우 대상 지역의 도로와 교량에 대해 구축하였으며, 드론 영상과 현장조사 자료를 기반으로 모델링을 수행하였다. 도로는 차선, 중앙 분리대, 횡단 보도, 인도를 각각 모델링 하였으며, 이는 3차원 공간정보구축규정의 Level 3과 4에 해당한다.
도로는 차선, 중앙 분리대, 횡단 보도, 인도를 각각 모델링 하였으며, 이는 3차원 공간정보구축규정의 Level 3과 4에 해당한다. 규정에서 제시되지 않은 도로 주변 신호등, 버스정류장, 가로등, 가로수, 소화전 등의 도로시설물을 시범적으로 구축하였다. 그림 10을 통해 도로시설물 모델링 구축 결과를 확인할 수 있다.
LOD 2는 건물의 수치도화를 통해 취득된 높이 값과 옥상 시설물이 표현된 3차원 모델로 구축하며, 건물의 정확한 높이의 표현이 가능하다. 또한, LOD 2에서는 상수도, 하수도와 같은 지하시설물을 구축하였다. LOD 2를 구축하기 위한 수집자료 목록은 3차원 도화성과와 지하시설물 지도로 구성된다.
연구대상의 공간적 범위는 그림 1과 같으며, 시간적 범위는 표 2를 통해 확인할 수 있다. 실증지역 데이터는 건물, 수자원, 교통 데이터를 국제표준인 CityGML에서 제시하는 LOD 수준에 따라 구축하였으며, 건물 데이터의 경우 전주시 전 지역부터 특정 지역까지 차등적으로 구축하였다. 전주시 전체 면적인 205㎢에 대해서는 LOD 0, 전북도청 주변 16㎢는 LOD 1, 효자 5동 4㎢은 LOD 2, 도청중심 0.
이를 위해서 국토교통부의 3차원 국토공간정보구축작업규정과 OGC 표준인 CityGML을 검토하여 실증지역의 디지털 트윈을 위한 단계별 구축 결과를 분석하였으며, 도시를 표현하기 위해 세밀도를 LOD 0~4로 단계적으로 적용한 것을 확인하였다. 기존에 공개된 공간정보를 활용하여 구축 가능한 세밀도와 기존자료의 활용이 어려운 세밀도의 경우 신규 자료수집을 통해 구축하였다.
실증지역 데이터는 건물, 수자원, 교통 데이터를 국제표준인 CityGML에서 제시하는 LOD 수준에 따라 구축하였으며, 건물 데이터의 경우 전주시 전 지역부터 특정 지역까지 차등적으로 구축하였다. 전주시 전체 면적인 205㎢에 대해서는 LOD 0, 전북도청 주변 16㎢는 LOD 1, 효자 5동 4㎢은 LOD 2, 도청중심 0.24㎢는 LOD 3로 구축하였고, 일부 공공기관 건물은 LOD 4로 구축하였다.
본 연구는 기존 선행연구를 바탕으로 디지털 트윈 구현을 위한 세밀도 기반 2차원 및 3차원 건물기반의 공간정보 구축·활용 방안을 제안한다. 특히 실감형, 체감형 공간정보 기반의 디지털 트윈 구현을 위해서 건물뿐만 아니라 도로, 식생, 수자원 데이터 구축방안을 제시하였고, 이를 활용하기 위한 CityGML 표준적용연구를 수행하였다.
표 8은 수집한 자료를 모델링하여 시각화한 결과이며, 배경지도는 LOD 1의 실감정사영상을 적용하였다. LOD 2 건물을 통해 건물의 실제 높이와 동일한 건물에서의 높이차의 확인과 옥상 시설물의 형태 파악이 가능하다.
수자원 데이터는 보, 호안, 하천 면에 대해 드론 영상을 활용하여 구축하였으며, 하천면의 경우 하천 지형에 맞춰 수면 데이터를 적용하였다. 현장조사를 통해 치수시설에 대한 정보를 수집하고 해당 위치에 가상의 모델을 적용하여 구축하였다. 그림 11을 통해 치수시설 모델링 구축 결과를 확인할 수 있다.

대상 데이터

수치지형도를 기반으로 추가적인 DB구축 없이 건물의 형태 정보와 높이 값을 활용하여 3차원화 할 수 있고, 실감정사영상을 이용하여 영상기반 배경지도를 구축할 수 있다. LOD 1자료의 수집 형태는 그림 7과 같으며, 전주시에 위치한 전북도청 주변 약 16㎢를 대상으로 자료를 수집하였다.
LOD 2를 구축하기 위한 수집자료 목록은 3차원 도화성과와 지하시설물 지도로 구성된다. LOD 2 자료의 수집 형태는 그림 8과 같으며, 전북도청 주변 실감정사영상 구축 지역을 대상으로 자료를 수집하였다.
드론으로 구축된 정사영상은 기구축 실감정사영상과는 달리 데이터의 최신성 확보할 수 있으며, DSM은 3차원 도화 성과가 없는 지역에 대한 LOD 2 건물 데이터 구축 시 기초자료로 활용할 수 있다. LOD 3 자료의 수집 형태는 그림 9와 같이 드론 장비와 현장조사 장비를 활용하여 구축 대상에 대한 정보를 수집하였다.
LOD 4의 세밀도를 표현하기 위한 수집자료 목록은 건축도면, 현장조사 야장, CAD 도면 및 가시화 자료로 구성된다. LOD 4 자료의 수집 형태는 그림 12와 같으며, 전주시내의 특정건물을 대상으로 건축도면, CAD도면, 현장조사, 가시화 자료를 수집하여 구축했다.
LOD 4는 건물 단위의 서비스에 필요한 세밀도 단계로 건물 내부의 공간정보 및 시설물을 포함해야 한다. LOD 4의 세밀도를 표현하기 위한 수집자료 목록은 건축도면, 현장조사 야장, CAD 도면 및 가시화 자료로 구성된다. LOD 4 자료의 수집 형태는 그림 12와 같으며, 전주시내의 특정건물을 대상으로 건축도면, CAD도면, 현장조사, 가시화 자료를 수집하여 구축했다.
LOD 0 수집자료 목록은 수치지형도 (1/5,000), 연속지적도, 법정경계 및 수치표고모형(5m)으로 구성된다. 그림 6을 통해 수집된 자료의 예시를 확인할 수 있으며, 실제 전주시를 대상으로 자료를 수집하였다.
본 연구는 실증지역인 전주시를 대상으로 진행하였다. 연구대상의 공간적 범위는 그림 1과 같으며, 시간적 범위는 표 2를 통해 확인할 수 있다.
수자원 데이터는 보, 호안, 하천 면에 대해 드론 영상을 활용하여 구축하였으며, 하천면의 경우 하천 지형에 맞춰 수면 데이터를 적용하였다. 현장조사를 통해 치수시설에 대한 정보를 수집하고 해당 위치에 가상의 모델을 적용하여 구축하였다.
LOD 3은 건물을 옥상 시설물, 창문 및 출입문까지 표현된 보다 상세한 모델로 구축해야 한다. 이전 단계의 수집목록과 다르게 디지털 트윈 구축 지역에 대해 드론 및 현장조사 자료를 활용하여 구축하였다. 드론으로 촬영된 이미지를 활용하여 정사영상 제작, 3D 모델 구축 및 LOD 3 건물 가시화 정보 적용할 수 있다.

이론/모형

현재 디지털 트윈 구현을 위한 공간정보표준은 전무하다. 따라서 본 연구는 디지털 트윈 구현을 위한 모델링 작업은 국토교통부에서 규정한 3차원 국토공간정보구축작업규정(이하 3차원 공간정보구축규정)의 세밀도를 따랐으며, 데이터 형식은 국제표준 CityGML을 기반으로 구현하였다.
따라서, 본 연구는 3차원 공간정보구축규정을 따라 모델링을 진행하였고, 건물뿐만 아니라 교통 및 수자원 객체 구현 필요성 때문에 도시를 구성하는 다양한 객체를 포괄적으로 다루는 데이터 형식인 CityGML을 적용하였다.

성능/효과

기존에 공개된 공간정보를 활용하여 구축 가능한 세밀도와 기존자료의 활용이 어려운 세밀도의 경우 신규 자료수집을 통해 구축하였다. 높은 단계의 세밀도일수록 건물 및 시설물을 정밀하게 표현할 수 있는 데이터 수집과 별도의 구축 과정의 필요성을 확인할 수 있었다.
첫 번째, 국토공간정보구축작업규정과 CityGML의 구축 및 모델화 방안을 제시하였지만, 각 방안 간의 세밀도 적용성 연구는 제시하지 않았다. 두 번째, 작업규정을 통해 디지털 트윈 도시의 형상정보의 구축방안은 제시하였으나, 속성정보 (행정데이터 포함) 표준방안은 고려되지 않았다. 세 번째, 디지털 트윈을 구현하기 위해서는 센서데이터와 같은 동적 데이터 구축 및 연계방안이 필요하지만 이에 대해 고려되지 않았다.
본 연구는 디지털 트윈을 위한 도시 단위의 공간정보 구축방안을 제시하고, 구축결과를 도시 표준모델로 모델화했다는 의의가 있다. 도시 단위의 디지털 트윈을 구현한 연구 사례가 없으며, 디지털 트윈 구현을 위해 LOD 3 수준의 도로, 식생, 수자원 데이터를 CityGML 표준으로 구축한 사례 또한 없다.
두 번째, 작업규정을 통해 디지털 트윈 도시의 형상정보의 구축방안은 제시하였으나, 속성정보 (행정데이터 포함) 표준방안은 고려되지 않았다. 세 번째, 디지털 트윈을 구현하기 위해서는 센서데이터와 같은 동적 데이터 구축 및 연계방안이 필요하지만 이에 대해 고려되지 않았다.

후속연구

연구결과는 ‘3D 버추얼 전주 시범사업’의 디지털 트윈 DB구축에 적극 활용되었으며, 향후 ‘2025 버추얼 전주’플랫폼의 디지털 트윈데이터 설계와 스마트도시 국가시범도시인 에코델타시티와 세종 5-1 생활권의 디지털 트윈 구축전략 수립에 기여할 것으로 사료된다. 더 나아가 국내의 스마트시티 및 디지털 트윈 구축을 위한 표준연구, 구축방안, 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
연구결과는 ‘3D 버추얼 전주 시범사업’의 디지털 트윈 DB구축에 적극 활용되었으며, 향후 ‘2025 버추얼 전주’플랫폼의 디지털 트윈데이터 설계와 스마트도시 국가시범도시인 에코델타시티와 세종 5-1 생활권의 디지털 트윈 구축전략 수립에 기여할 것으로 사료된다.
분석 결과 다음과 같은 문제를 해결하기 위한 지속적인 후속 연구가 필요하다고 판단된다. 첫 번째, 국토공간정보구축작업규정과 CityGML의 구축 및 모델화 방안을 제시하였지만, 각 방안 간의 세밀도 적용성 연구는 제시하지 않았다. 두 번째, 작업규정을 통해 디지털 트윈 도시의 형상정보의 구축방안은 제시하였으나, 속성정보 (행정데이터 포함) 표준방안은 고려되지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디지털 트윈이란 무엇인가?	또한, 스마트시티를 통해 효과적으로 모니터링하고 통계기반 분석 모델과 인공지능기반의 예측 모델을 활용하기 위해서는 디지털 트윈(Digital Twin) 도입이 필요하다. 디지털 트윈은 현실 세계의 다차원 데이터를 직관적으로 3D 기반으로 시각화된 가상환경으로, 현실 세계와 동일하게 조성된 가상환경을 뜻한다(Hwang et al., 2020).
	3차원 국토공간 정보 구축 및 서비스 연구의 사례는 무엇인가?	과거 U-city부터 다양한 도시문제 해결을 위해서 중앙정부, 지자체 중심의 3차원 국토공간 정보 구축 및 서비스 연구가 수행되었다. 표 1처럼 국토교통부의 브이월드(V-World), 인천시 IFEZ 3D 공간정보, 대구 3D지도 그리고 서울시 버추얼 서울(S-Map)이 대표적인 사례이다.
	스마트시티란 무엇인가?	, 2014). 스마트시티는 교통, 환경, 에너지 및 도시기반시설 등 관련된 다양한 도시문제를 시민, 민간 그리고 공공기관과 같이 서로 다른 이해관계자가 ICT(Information and Communication Technology) 기술을 활용하여 문제를 해결할 뿐만 아니라 새로운 성장동력을 발굴하고 발전시킬 수 있는 지역혁신플랫폼을 뜻한다(TTA, 2018).

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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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