초록 ▼

연구개발 목표 및 내용
최종 목표 : 다중분광센서 탑재 드론을 활용한 산림탄소 모니터링 기술 개발
전체 내용 :
드론기술 및 머신러닝 기법 등을 활용하여 비용-효과적으로 산림의 산림 탄소흡수량을 모니터링 하는데 필요한 핵심요소기술 및 응용기술 개발

1년차
목표 :
-드론영상 기반 산림탄소 모니터링을 위한 분석모델 정립
-효율적인 드론 모니터링 시스템 운영을 위한 운영방안 검토
내용 :
- 고해상도 드론영상을 활용해 산림탄소 모니터링에 적합한 분석기법 개발을 위하여 선행연구 문헌

연구개발 목표 및 내용
최종 목표 : 다중분광센서 탑재 드론을 활용한 산림탄소 모니터링 기술 개발
전체 내용 :
드론기술 및 머신러닝 기법 등을 활용하여 비용-효과적으로 산림의 산림 탄소흡수량을 모니터링 하는데 필요한 핵심요소기술 및 응용기술 개발

1년차
목표 :
-드론영상 기반 산림탄소 모니터링을 위한 분석모델 정립
-효율적인 드론 모니터링 시스템 운영을 위한 운영방안 검토
내용 :
- 고해상도 드론영상을 활용해 산림탄소 모니터링에 적합한 분석기법 개발을 위하여 선행연구 문헌 조사 등을 통해 기법개발에 필요한 개발 요구사항을 도출함
- 도출된 개발 요구사항과 관련된 기존 분석기법의 측징 및 기능을 검토하여 본 연구과제의 성과달성에 부합하는 분석기법 및 알고리즘을 채택 및 개선함으로써 분석모델 개발을 위한 알고리즘 설계를 진행함
- 고해상도 드론영상을 활용해 산림탄소 모니터링에 적합한 분석기법 개발에 필요한 초고해상도 다분광 드론영상을 취득 및 DB를 구축하기 위하여, 국내외 드론(무인기)를 활용한 산림분야 적용 선진사례 및 기술현황을 조사함

2년차
목표 :
- 산림탄소 모니터링을 위한 분석 알고리즘 구현 및 테스트
- 드론 활용 모니터링 기법 개발에 필요한 테스트베드 구축 및 운영
내용 :
- 1차년도에 도출된 알고리즘을 구현하기 위하여, 필요한 공간정보 자료 수집 및 전처리를 실시하고, 이종데이터 자료의 융합 및 알고리즘 구현 또는 머신러닝 학습에 필요한 학습데이터를 준비함. 각 세부 모듈별로 알고리즘을 구현 및 검증하고 산림탄소 모니터링을 위한 모델을 개발함
- 1차년도에 수립된 드론 모니터링 시스템 구축방안을 기준으로 드론 모니터링 테스트베드를 운영을 통해 모델 개발에서 요구되는 다분광 고해상도 드론영상을 촬영하고 영상 DB를 구축함

3년차
목표 :
- 드론영상 기반 산림탄소 모니터링 프로그램 개발
- 산림탄소 모니터링을 위한 드론 운영 매뉴얼 제작
내용
- 3차년도에 연구의 흐름은 기본적으로 2차년도와 동일하며, 3차 년도 연구에서 추가로 구축되는 드론영상 공간정보를 학습모델에 업데이트하여 개발된 통합모델의 분석정확성 및 성능을 지속적으로 개선 추진하고 검증이 완료된 통합모델은 이용이 용이하도록 프로그램으로 개발함
- 드론 테스트베드 구축 및 운영으로 산림지역에서 드론을 이용한 모니터링 인력운용, 항공촬영, 영상제작에 필요한 운영 노하우 습득하고 이를 기반으로 산림탄소 모니터링을 위한 드론 시스템 구축 및 운영 방안을 마련

연구개발성과
① 고해상도 드론영상 기반 통합모델의 알고리즘(안) 도출
< 3차원 정밀지도 구축 관련 기술 조사 사례 >
< 식생피복 및 판독관련 기술 조사 사례 >
< 탄소저장량 분석 및 산출기술 조사 사례 >
< 머신러닝 활용 영상판독 관련기술 조사 사례 >
⇓ (선행 연구사례 등 검토하여 알고리즘 도출)

② 모델개발에 필요한 공간정보 등 기초자료 구축
(1) 분광센서가 탑재된 드론촬영으로 확보된 드론영상 데이터를 기반으로, 산림탄소 모니터링 모델 개발에 필요한 정사영상, DSM(수치표면모델), DEM(수치표고모델), NDVI(정규식생지수) 등 공간정보를 구축함
⇒ ⇒
다분광 드론영상 3D 모델링 분석 Point Cloud 생성
⇓ (모델제작에 필요한 공간정보 자료구축)
본수 및 위치식별 알고리즘(안) 수고 분석 알고리즘(안) 수종 판독 알고리즘(안)
고해상도 정사영상
DSM
DEM
NDVI

③ 산림탄소 모니터링을 위한 알고리즘 구현 및 테스트
(1) 고해상도 드론영상 기반의 본수 및 개체목 식별 모델 구현 및 분석정확도 테스트
- 1차년도에 도출한 본수 분석모듈을 기반으로 드론영상 등 현장데이터를 활용하여 수목 본수 및 개체목 식별 및 분석정확도에 대한 테스트를 진행하였음
- 본수분석 알고리즘을 기반으로 다음과 같이 현장 적용가능성 검토를 진행하였으며, 입목 본수를 육안으로 판독한 결과와 본 알고리즘을 통해 자동으로 본수를 식별했을 때의 본수의 오차범위는 ±10% 수준을 만족하는 것으로 나타남

(2) 고해상도 드론영상 기반의 수고 분석 모델 구현 및 분석정확도 테스트
- 기존의 선행연구들에서 DSM(수치표면모델)과 DEM(수치표고모델)을 차분하여 제작된 CHM(수관높이모델)을 활용하는 경우 수고에 대하여 ±0.5m ~ 1.0m 수준의 높은 정확도를 달성할 수 있는 것으로 보고되어, 본 연구에서도 CHM 기반의 수고 분석 알고리즘을 채택하되 개체목의 초두부 위치로부터 수고를 추출할 수 있도록 알고리즘을 개선하였음.

(3) 고해상도 드론영상 기반의 수종 판독 모델 개발 및 분석정확도 테스트
- 본 연구에서는 고해상도 드론 정사영상 자료를 기반으로 딥러닝 기법중의 하나인 컨볼루션신경망(CNN)을 통해 이미지 판독에 대한 학습을 통해 수종판독 모델을 개발함
■ STEP 1: 드론 정사영상을 활용한 훈련데이터 제작
■ STEP 2: 케라스 기반의 컨볼루션신경망 모델링
- 본 연구에서는 4개의 컨볼루션 층과 4개의 풀링층으로 구성된 CNN 모델을 수종 판독을 위한 학습모델로 선정함.
■ STEP 3 & 4: CNN 모델 훈련 및 분석정확도 검토
- 모델 훈련결과, 가을철 데이터를 이용해 모델을 학습한 Model 1에서 가장 우수한 분류정확도를 도출한 것으로 나타났다. 또한, 수종분류 모델별로 분류정확도 90% 기준을 충족하는 수준으로 모델 학습이 가능한 것으로 도출되었다.
④ 산림탄소 모니터링을 위한 분석모델 개발 및 평가
QGIS 프로그램을 기반으로 하여 산림탄소 모니터링에 필요한 수종, 본수 및 개체목 위치 그리고 수고 정보에 대한 분석을 지원하기 위한 프로그램을 개발하였다. 또한 본 연구에서 도출한 분석모델을 이용하여 이산화탄소 흡수량을 산정하고, 실제 산림 현장조사를 통해 산정된 결과 값과 비교 분석을 수행하였다.
⑤ 산림탄소 모니터링을 위한 드론 운용방안 정립
임무목적 : 산림탄소 흡수량 모니터링을 위한 드론 촬영 (6~10cm급 고해상도 영상제작)
운용고도 : 120 ~ 150 m
운용거리 : 1회 10 ~ 15ha
비행시간 : 15~30분
내풍성 : 5 ~10 m/s
중복도 : 60~80% (지형기복이 심한 경우 필요에 따라 교차촬영 진행)
임무장비 : 자동항법기술, 충돌회피기술, 근적외선 카메라 및 다중분광센서 탑재
추가 고려사항 : 지리적 위치, 수종 분포, 식생의 계절적 특성

연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
- 2030 국가 중기 온실가스 감축목표 이행을 위해 대규모 면적의 산림에 대한 탄소흡수량을 모니터링 기법을 개발함으로써 산림탄소 배출권 확보 기반 마련
- 비용효과적 산림 모니터링 기술개발로 임목축적 및 산림탄소 측정에 대한 비용을 절감시킴으로써 산림산업의 낮은 수익성을 개선하여, 산림산업 활성화에 기여

(출처 : 요약문 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 최종보고서 ... 4
• 요 약 문 ... 6
• 목차 ... 11
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 12
• 가. 연구개발의 개요 ... 12
• 나. 국내외 연구개발 현황 ... 13
• 다. 연구개발의 필요성 ... 15
• 라. 연구개발의 최종 목표 ... 16
• 마. 연차별 연구개발 목표 및 내용 ... 16
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 18
• 가. 고해상도 드론영상 기반 탄소 모니터링 분석모델 알고리즘 개발 ... 18
• 나. 산림탄소 분석모델 개발을 위한 공간정보 등 기초자료 구축 ... 34
• 다. 산림탄소 모니터링을 위한 알고리즘 구현 및 성능 테스트 ... 47
• 라. 산림탄소 모니터링을 위한 분석 모델 개발 ... 77
• 마. 산림탄소 모니터링을 위한 드론 운영방안 정립 ... 80
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 112
• 1) 연구수행 결과 ... 112
• 2) 목표 달성 수준 ... 115
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 116
• 1) 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 116
• 2) 자체 보완활동 ... 116
• 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 116
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 117
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 117
• 별첨 자료 ... 118
• References ... 119
• 끝페이지 ... 121