포커스 포커스 3 차원 GIS 및지도데이터기술동향 박세환 * 3 차원 GIS 기술은 1980 년대무렵부터 3 차원지형분석기능위주로개발이시작되었다. 오늘날에는컴퓨터그래픽기술, 증강현실기술및위상기하학등다양한신기술과융합되면서미래 u-city, 텔레매틱스, LBS, 도시계획 / 개발, 재난방재, 교통제어및환경등공공분야및관련산업의기반이되는미래유망기술로부각되고있다. u-gis 정보는언제 / 어디서나사용자에게적절한공간정보를효율적으로제공할수있어야한다. 선진국의주요도시에서는효율적인도시개발계획에적용하기위해 3 차원가상도시 (3D-City) 를모델화하여구축을서두르고있다. 이는도시계획이나도시설계과정에서주민의거주적합성을개선하여나가고있다. 본고에서는선진국의 3 차원지도데이터서비스사례와국내 3 차원 GIS 서비스현황을면밀히조사하여 3 차원 GIS 서비스가미칠파급효과와기술개발방향을제시한다. 이를통해 3 차원 GIS 산업분야의기술및서비스개발전략수립에도움이되고자한다. 목 차 I. 3 차원 GIS 기술개요 I. 3 차원 GIS 기술개요 II. 3 차원 GIS 솔루션기술동향 III. 선진국의 3 차원 GIS 기술개발사례 IV. 국내 3 차원 GIS 서비스현황및파급효과 V. 맺음말 * 한국과학기술정보연구원 ReSEAT/ 전문연구위원 3 차원 GIS(Geographic Information System) 의기본기술인 3 차원공간정보기술은 2 차원위치정보에높이 ( 심도 ), 영상및속성정보를추가하여현실세계와유사하게표현한정보기술을의미한다. 이의핵심은 3 차원전자지도를만들어그안에관련되는제반정보를모두포함시켜 u-city, 텔레매틱스, LBS(Location Based Service), 도시계획 / 개발, 재난방재, 교통제어및환경등공공분야및관련산업의기반을마련하는것이다 [1]-[4]. 특히급속히확산되고있는모바일및유비쿼터스환경은아이폰 / 안드로이드폰등스마트폰뿐만아니라일반피처폰에서도온라인지도서비스제공이보편화되는추세로발전하고있다. 아울러증강현실 (Augmented Reality) 기술과모바일기기의각 1
주간기술동향 2011. 5. 27. 종센서기술이접목되면서지도상의정보를카메라영상을통해제공받을수있게되었다 [5]. 미래 u-city 환경에서의 u-gis 정보는언제 / 어디서나사용자에게적절한공간정보를효율적으로제공해야하며, 기존의 GIS 는주로삼각형메시기법 [6] 과 3 차원영상처리시스템 [7] 을활용한실외 (outdoor) 의건물및시설물정보 (2 차원또는 2.5 차원 ) 를제공해왔다. 건축 / 건설분야에서는실내 (indoor) 의 2 차원및 3 차원설계 / 건설 / 관리를위한컨텍스트정보를포함한세밀한건물정보에초점을맞추어정보를제공해왔다. 아울러기존의 2 차원 GIS 는현실세계를점 / 선 / 면의 2 차원객체로일반화하는과정에서데이터손실이발생하여현실세계에대한이해와분석에한계가있었다. 3 차원 GIS 기술은현실세계와유사한입체공간을제공함으로써사용자의현실세계에대한이해도향상과정확한지형분석을지원함으로써미래유망기술로부각되고있다. II. 3 차원 GIS 솔루션기술동향 1. 3 차원 GIS 기술발전추세 3 차원 GIS 기술은 1980 년대무렵부터 3 차원지형분석기능위주로개발되어왔다. 오늘날에는 3 차원시설물및지형에대한실감모델링및가시화를제공하는단계에이르렀다. 최근들어서는 3D 입체영상기술과접목되면서더욱현장감있는몰입형 3 차원 GIS 기술로발전하고있다 [8]. < 표 1> 3 차원 GIS 기술개발추세 구분발전단계구현기술 1 단계 3 차원지형분석의 2 차원적표현 1980 년대 2 단계 3 차원지형가시화 (Flight Simulation) 1990 년대 3 단계 3 차원지형분석 4 단계 3 차원가상도시 (Browsing) 2000 년대 5 단계능동적 3 차원가상세계 (Analysis) < 자료 >: 사공호상외, 공간정보패러다임변화에대응한국가 GIS 전략연구, 국토연구원, 2007. 12, pp.46-51, 재구성. 2. 3 차원 GIS 기술발전단계별특징 가. 제 1 단계 3 차원지형분석의 2 차원적표현단계로서전산기하학및가시화기술의발달로다양한 3 차원지형분석알고리즘이개발되었으며, 지형분석결과를 3 차원적으로표현하지못하고 2 차 2
포커스 원평면에서표현하는기술수준이다. 나. 제 2 단계 3 차원지형가시화단계로서컴퓨터그래픽기술및그래픽관련하드웨어의성능향상으로인해지형의 3 차원적가시화및애니메이션이가능해졌다. 주로 3 차원고도데이터에위성영상등을입힌뒤다양한관찰자시점에서조망하는기능을제공하였다 (3 차원비행시뮬레이션등 ). 아울러워크스테이션급컴퓨터를기반으로한대용량 3 차원지형가시화소프트웨어가출시되기시작하였다 (ERDAS 의 IMAGINE 등 ). 이소프트웨어들은현재까지도 3 차원 GIS 의표준처럼인식되고있다. 다. 제 3 단계 3 차원지형분석단계로서 3 차원지형의단순한가시화뿐만아니라사용자가직접고도데이터를생성또는편집한뒤원하는지형분석작업을수행할수있게되었다. 대표적인 3 차원지형분석기능으로는 3 차원지형의 2 차원단면구하기, 등고선생성및가시권분석등이있다. 특히모의군사작전시스템은주요한응용분야중하나이다. 라. 제 4 단계 3 차원가상도시구축단계로서 1990 년대중반이후부터웹기반응용소프트웨어의개발이폭발적으로확산되면서컴퓨터그래픽및가상현실기술의발전으로인해다양한 3 차원가상도시가구축되고있다. 이는위상학적관계가전혀없는단순한점들의집합에불과하므로 3 차원개체의브라우징기능만제공되고검색 / 분석 / 편집등 GIS 의핵심적인주요기능은제공하지못하고있다. 현재까지도이러한 3 차원가상도시를 3 차원 GIS 와혼동하고있으나, 3 차원가상도시는엄밀한의미에서 GIS 라고말하기에는무리가있다. 왜냐하면공간데이터의편집 / 분석 / 가공등 GIS 의핵심기능을제공하지못하기때문이다. 일반인에게이러한 3 차원가상도시는깊은인상을주어현재웹상에서다양한가상도시들이구축되고있는실정이다. 3 차원가상도시는비록미리만들어진 3 차원개체에대한브라우징기능만을제공하고있긴하지만능동적인가상세계의모태로써중요한의미를시사하고있다. 마. 제 5 단계 능동적 3 차원가상세계구축단계로서바로미래의 3 차원 GIS 모습이다. 능동적 3 차원가 상 GIS 가 3 차원지형및시설물이연동 / 관리되고, 3 차원공간지리정보가위상학적인자료구 3
주간기술동향 2011. 5. 27. 조에의해유동적이고능동적으로관리되므로 3 차원공간정보의검색 / 편집 / 분석이가능해진다. 아울러사용자질의처리및몰입적상호작용을지원함으로써사용자로하여금가상세계에서더욱빠른현실정보를이해하고의사결정을할수있도록지원할수있게된다. 이단계에서는현실세계와가상세계사이의구분이모호해져서사용자는마치현실공간상을실시간으로이동하며, 원하는 3 차원분석작업을수행할수있고다양한정보를얻을수있게된다. 이는 3 차원 GIS 의핵심기능과컴퓨터그래픽기술, 증강현실기술및위상기하학등다양한신기술이융합되었을때가능한것이다. III. 선진국의 3 차원 GIS 기술개발사례 1. 3 차원 GIS 도시구축사례외국의주요도시에서는효율적인도시관리및시정홍보등을위해 3 차원도시 (3D-City) 를모델화하여구축하고있다. 미국의 Virtual 3D-City 프로젝트 (Virtual LA, Boston Atlas) 에서는카내비게이션, 응급구조관리, 훈련 / 홍보및교육분야에 3 차원공간정보를활용하여도시설계를진행하고있다. 또한 ESC(Environmental Simulation Center) 에서는도시계획이나도시설계과정에서 3 차원공간정보기술적용을통해시민의거주적합성을개선하여나가고있다. 영국의 Virtual London 은효과적인전자정부 (e-government) 실현을위해런던대학의공간분석센터에서추진중인프로젝트를통해관광, 도시계획및대국민홍보등의콘텐츠를적용시켜가고있다. 또한 3 차원예오빌마을 (3D-Yeovil Town) 을구축하고웹 GIS 서비스를통해지역경제활성화및고건축물홍보등지역커뮤니티홍보및관광정보를제공하고있다. 핀란드헬싱키의 Arena 2000 Real Cyber City 프로젝트에서는가상현실도시를구축하여 3 차원 GIS 서비스를통해교통제어, 화재 / 사건 / 사고감시및관광분야등에활용하고있다. 구글과마이크로소프트는 Google Earth, Virtual Earth 등자사의플랫폼을기반으로 3 차원지도데이터서비스를제공하고있으며, 3 차원구축영역을급속히확대시켜나가고있는추세이다. 향후전세계를 3 차원지도데이터로제작하여서비스함으로써새로운비즈니스모델로발전할것을기획하고있다. 아울러국제표준화기구인 ISO/TC 211 에서는 3 차원공간정보데이터모델인 CityGML 을국제표준으로제정중이다. 4
포커스 2. 3 차원지도데이터서비스사례 가. Digital Earth Google 은미국의 NASA( 미국항공우주국 ) 와공동으로진행하고있는 World Wind 프로그램을통해 Digital Earth 를 1) 구현하여교육및과학적연구분야에시각적효과를제공하고있다. 사용자는고해상도위성영상 ( 항공사진 ), 3 차원지도및 3 차원지형등다양한공간정보를무료로다운로드받을수있다. 이는단순한 Geo-Spatial Viewer 가아니라 KML(Keyhole Markup Language) 기반편집기능과다양한레이어부가기능까지갖춘지능적인 3 차원지리공간시각화도구로자리매김되고있다. 다양한주제의레이어를활용하여로컬은물론지구전체의환경 / 자연 / 문화 / 사용자정보를레이어로제공하고있다. 이는 KML 을 2 차원구글맵 (Google map) 에수용하여 2 차원기반장치를통해서도지리공간정보를제공받을수있다는점에서높은가치를지니고있다. 미국의 data.gov 와 USGS 와 2) 같은정부시스템에서도이를기반으로정보제공이이루어지고있는실정이다 [9]. 2005 년구글맵출시이후 Microsoft, Yahoo 등글로벌온라인서비스업체들도경쟁적으로 3 차원지도서비스제공을서두르고있다. Yahoo 는 2 차원지도서비스를제공하고있으며, 특히 Microsoft 는 2 차원과 3 차원이통합된 Bing Map( 구, Virtual Earth) 이라는글로벌지도서비스를제공하고있다. 현재미국지역에대한 Google map 서비스는구글이라이센스를갖고있는지도데이터를통해서비스되고있으며, 수정 / 보완이필요한지리정보는자발적인참가자들의신고를통해개선하여나가는시스템으로운영되고있다. 이외에도 2 차원지도제작을위한 Map Maker, 3 차원지도제작을위한 Building Maker, 3 차원모델제작을위한 3D-Warehouse 등지리공간정보생산을위해시민들의참여에기반한시스템을구축하고있다. 나. Neo-Geography/Open-Street-Map Neo-Geography 는미국의공공부문에서지리공간정보의크라우드소싱및독점적생산시스템 의약점을보완하기위해출발하였으나, 현재는 GoodChild 의 Citizen as Sensor 및 Geographic 1) 2004 년 3 차원영상서비스제공하는 Keyhole 사를 Google 이인수한후 2005 년 Google Earth 로개명하여출시하였다. 2) USGS(U.S. Geological Survey: 미국지질조사국 ) : 미국영토내의천연자원이나자연재해상황등을측정한플래시비디오포맷의동영상을모니터링하여지형도및지질도를제작하는기구이다. 5
주간기술동향 2011. 5. 27. Volunteered Information 개념을적용한독자적인지도데이터생태계구축에주력하고있다. Open-Street-Map 은영국 Ordnance Survey 의폐쇄적인라이센스정책과고가격의데이터에대응하여위키피디아의성공사례를밴치마킹하고시민들스스로가지도를만드는프로젝트로시작하여현재는북미와유럽지역에서기존의상용지도서비스를위협할정도로빠르게발전하고있다. 3. Open Data/Open Source/Open API 추세 가. 기존의 NSDI/NGIS 모델의무력화미국의경우, 국가차원의통합데이터시스템모델이데이터와서비스의적극적공개모델로접근하는구글의 Geo 서비스데이터모델에의해크게위협받고있는실정이다. 즉, GEOSS 등국가 / 글로벌 GIS 시스템이구글의 Geo 데이터서비스로대체되고있는상황이다. 영국의경우, 지방자치체단위에서국가 GIS 시스템을외면하거나, 국가적 GIS 시스템에서구글등의상업적모델을활용하는경우가증가하고있는추세이다. 구글의지도서비스와경쟁을시도하였던국가적서비스 ( 예, 영국의 Open-Space, 일본의지도서비스등 ) 의부진과사용자외면이이를더욱가속화하고있다. 기존의핵심적가치로인정되었던지리공간정보에대한메타데이터, 정보포털및상호운용성 (Interoperability) 등의특성이수요니즈와효용성을만족시키지못했다는비판을받고있다. 아울러 Geo-Web 을기반으로하는새로운형태의범용인프라의출현은인터넷을정보전달수단이아닌플랫폼으로활용하고있다. 즉, 지리정보를비롯한모든정보시스템이웹에연계되어있지않으면존재의의를상실하여가고있다. 특히공공부문에서독자적으로구축되었던 NSDI 3) 시스템이민간참여를독려하고상호협업하는방식의 NSDI 2.0 시스템으로변화하고있다. 나. Open Government Data 정책개방된지리정보를기반으로다양한산업생태계활성화를통해사회적자산이라는인식이확산되면서연 4,000% 의 ROI 를 4) 달성하고있는것으로미국정부는평가하고있다. 즉, 경제위기상황에서단시간에최소비용으로최대효과를거둘수있는가장좋은방법은정부의지 3) NSDI(National Spatial Data Infrastructure): 미국내국유지의지형 ( 지리 ) 공간데이터에대한주변지역주민의의사결정사항을조사하는것으로서이인프라의목적은지자체와주민간의지리정보의공유를통해도시개발등중장기정책을결정하는인프라로활용하는것이다. ( 투자수 투자비용) 4) ROI(Return of Investments, 투자효율성, 잠재적인투자수익 ): 투자의효율성을평가하는데사용되는성능측정방식이다 ( ROI ). 투자비용 6
포커스 리 ( 지형 / 지도 ) 데이터를국민에게공개하고이를기반으로도시계획을수립함으로써시행착오를줄이고예산을절감할수있다는것이다. 이러한지리공간데이터의오픈추세는 2009 년 5 월에시작되어 2009 년말현재미국내 data.gov 2.0 추진을위한운영지침이발표된상황이다. 아울러이를구현함으로써구조화된데이터지향의오픈데이터정책을오픈소스기반의지리공간정보플랫폼으로확산시켜백악관홈페이지도 Drupal 이라는오픈소스웹시스템을개편하였으며, 이에발맞추어 USGS 도 Map Server 기반의지도서비스를제공하고있다 [10]. IV. 국내 3 차원 GIS 서비스현황및파급효과 1. GIS 서비스현황포털사이트 (Daum, Yahoo, Naver 등 ) 에서비교적일찍부터대도시중심의 3 차원지도데이터를 GPS 가장착된 PDA 및휴대폰을통해서비스하면서카내비게이션등위치정보기반산업분야에서관련시장을주도하고있다 [11]. 이러한지도서비스는공개 API 를통해지리정보외에도각종사진및동영상, 특정장소에대한상세정보, 교통정보, 기상정보등다양한부가서비스를지도데이터를통해제공하는방향으로발전하고있다. 아울러 3 차원가상도시인 화성동탄 u-city, GPS 가장착된 PDA 를통해등산코스와위험지역안내및다양한주변관광정보를제공하는 괴산군명산지킴이텔레매틱스, 전라남도위치기반웹블로그시스템인 전라남도위성영상참여마당 J-GIS, 서울의모습을 3 차원 GIS 로보여주는 서울시 GIS 포털시스템 등이상용서비스중이다. 국내 3 차원 GIS 기술은최근건설된신도시를중심으로도시환경분야, 도시행정전산화, 도시계획분야, 도로교통분야, 재해 / 재난분야, 공공서비스분야및지하매설물관리분야등다양한분야에서응용이점차가시화되고있다 [12]. 2. GIS 서비스파급효과 가. 3 차원 GIS 구축관련소요기술 3 차원 GIS 기술의전단계인 3 차원지도데이터를구축하고이를사용자편의를위해효과 적으로가시화하기위해서는다음과같은기술개발이선행되어야한다. 7
주간기술동향 2011. 5. 27. - 최첨단측량장비인 LiDAR 에 5) 의한영상자료획득및자동분류기술 [13]-[15] - LiDAR 영상을분석한 3 차원지도데이터제작기술 [16] - 3 차원 /1 차원지도데이터융합을통한지도데이터의가시화 (visualization) 기술 - 3 차원 GIS 관련소프트웨어기술 [17],[18] - 가상현실및증강현실과 GIS 의결합에의한자료생성기술 나. 3 차원 GIS 구축파급효과 3 차원지도데이터가제작되고가시화작업이완료되어완전한 3 차원 GIS 시스템이구축되면다음과같은파급효과를기대할수있다. - LiDAR 영상의자동분류, 지도데이터화, 3 차원 /1 차원지도데이터융합기술정보의파급효과를기대할수있다. - LiDAR 영상의자동화생성프로그램에의한자동분류정확도및속도를개선할수있다. - 3 차원지도데이터구축용소프트웨어개발에필요한기술적파라미터를제공할수있다. - 자동화프로그램이용후에도계속되는수작업으로인한지도데이터화의지연을줄일수있어 LiDAR 영상기술을개선할수있다. V. 맺음말 3 차원지도데이터는전통적인 2 차원종이지도에표출할수있는지형정보외에도특정지형 ( 지역 ) 사진및동영상, 여행수기 ( 체험정보 ), 개인제작지도등자발적인참여자의다양한온라인정보가지도데이터와연계되어지리공간정보의지능화를가속시키고있다. 사진공유서비스인플리커 / 피카사 / 파노라미오등개인이등록한사진과유튜브등에올려진동영상등도지도와결합하여지리공간정보의품질향상에기여하고있다. 온라인사용자가개인적으로제작한 KML 파일이나구글마이맵, 구글맵 API 를사용하여제작한지도서비스등이인터넷에서검색가능하고재활용될수있는지리공간정보로사용되고있다. 아울러교통정보수집이나환경정보측정등지리공간을탐색한센서에서생산되는대량의정보들이지도데이터와결합하여제공되고있는추세이다. 5) LiDAR(Light Detection And Ranging): 기존의 LaDAR(Laser Detection and Ranging) 보다짧은 ( 적외선범위에가까운정도 ) 파장과전자기스펙트럼을이용하여촬영대상개체의표면과검출범위에레이저펄스를조사한후반응신호의펄스를이용하여개체의속성을측정하는신기술이다. LiDAR 기술은고고학 / 지리학 / 지질학 / 대기물리학분야및원격탐지분야에응용되고있다. 8
포커스 초고속정보통신기술과유비쿼터스기술이발전하면서 3 차원공간정보에대한사회적관심과수요가증가함에따라고품질의공간정보를보다효율적으로구축하기위해센서융합및데이터처리기술개발이본격화되고있다. 광학카메라나레이저스캐너와같은고성능센서를차량이나유 / 무인항공기에탑재한센서융합시스템을개발하고, 이를이용하여획득한센서데이터를처리하여실제세계의 3 차원공간모델을자동으로생성하는기술개발이진행되고있다. 첨단멀티센서를탑재한무인항공기 (UAV) 기반의항공시스템과센서데이터의실시간수신및처리가가능한지상시스템구축을통한실시간공중모니터링시스템이개발되고있다. 이러한신기술들은도시개발및계획에있어효율성증대를위한지형정보메타데이터의생성 / 공유 / 관리체계의구축, Virtual mighty_3d 모델과 GIS 연동기술, 지형정보시스템개발등을통해차세대가상건설분야의새로운비즈니스모델을창출하고있다. 이처럼 3 차원 GIS 기술은원격탐사 (RS) 및지형위치정보 (GPS) 와접목되어미래 u-city 건설에필요한기반기술로자리매김되고있다. 사용자에게보다사실적이고현실감있는지리 ( 지형 ) 정보제공은물론, 다종다양한생활편의서비스로발전하고있다. 이에개발기술에대한오차나시행착오를줄이기위한 Test-bed 구축도필요하다. 아울러 3 차원지도데이터구축및가시화관련첨단기술과글로벌기업의기술개발동향을밴치마킹하여이에대한충분한이해가선행될때애로기술에대한기술격차를줄이는데도움이될수있을것이다. 단일기업이단독으로기반기술을개발하기보다는관련기업과의공동개발을통해개발기술의노하우를공유함으로써세계기술시장및표준을주도할수있는개발전략이필요하다. < 참고문헌 > [1] 이충호외, u-gis 공간정보기술동향, ETRI, 전자통신동향분석제 22 권제 3 호, 2007. 6. [2] 손맥외, 스마트사회구현을위한공간정보서비스활용전략, 한국정보화진흥원, CIO REPORT Vol.29, 2010. 12. [3] 지능형국토정보기술, 신성장동력으로키운다, 국토해양부보도자료, 2009. 5. 13. [4] 윤미영, 김선아, Safeguard of u-society, LBS, 한국정보사회진흥원, 2007. 6. [5] 내비게이션과 LBS 서비스, 휴대전화중심으로전환, 정보통신산업진흥원, 주간기술동향, 최신 IT 동향, 2010. 8. 4. [6] 박세환, 3D 개체의삼각형메쉬기법, 한국과학기술정보연구원모니터링분석보고서, 2008. 7. [7] 박세환, 3 차원영상처리시스템, 한국과학기술정보연구원모니터링분석보고서, 2008. 9. [8] 사공호상외, 공간정보패러다임변화에대응한국가 GIS 전략연구, 국토연구원, 2007. 12. 9
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