KCID VOL. 22 No. 1 ISSN 1225-8253 (Print) ISSN 2383-5044 (Online) 이준구 * 김진택 ** 최원우 *** 김진환 **** Spatial Information Acquisition of Reservoir Downstream Areas Using UAV Photogrammetry Lee Joongu * Kim Jintaek ** Choi Wonwoo *** Kim Jinhawn **** Recently, the usability of UAV (unmanned aerial vehicle) have been extended, because the market size of drone is being estimated as 5 billion dollars in 2021. The main issues of the competition are flight time and the weight of payload. When the capacity of battery is enlarged to extend payload, the takeoff weight also becomes magnified. So these two targets are not able to be achieved simultaneously easily. Camera, control sensor and auxiliary equipment are in developing along with the drone. In this research, DSM (digital surface model) and three dimensional image were extracted by adopting GPS survey data to the images to correct the elevation after acquisition of photo with the UAV mounted camera. During extracting the DSM to make the flood inundation map of downstream due to the collapse of Daehwa reservoir at Gimje city Jeonbuk province, the three following results were driven. First, three days of outdoor work and four days of indoor work were taken to get the images which cover the side area of downstream from reservoir to the confluence of Duwol stream and Wonpyeong stream, 1600ha, have the resolution of 10 cm /pixel. Second, error bounds of these spatial informations with X=0.159312m, Y=0.433774m, and Z=0.141577m were satisfied to the principal of photogrammetry work. Third, those were proved to be able to survey the human inaccessible region and to acquire spatial information more quickly, accurately, and economically using e-bee as a kind of fixed wing drones. key words: UAV (unmanned aerial vehicle), flood analysis, reservoir, drone, DSM (digital surface model) Ⅰ. 서론 최근무인비행체 (UAV, Unmanned Aerial Vehicle) 의활용분야가늘고있다. 지금까지는 비행기나헬리콥터가동원되어야항공영상을얻을수있는것으로여겨졌었다. 또한많은비용이소요되는이유로특수한경우에만사용될수있었다. 하지만 UAV의발달로항공영상의활용이다양해지고 * 한국농어촌공사농어촌연구원 (leejk@ekr.or.kr) ** 한국농어촌공사농어촌연구원 (jtkim@ekr.or.kr) *** 한국농어촌공사농어촌연구원 (civil14@ekr.or.kr) **** 한국농어촌공사농어촌연구원 (lusterjin@ekr.or.kr) Copyright c 2015, Korean National Committee on Irrigation and Drainage This is an Open-Access article distributed under the terms of the Commons Attribution Non-Commercial Licence which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
있으며다양한센서를함께활용함으로서고도측량이가능하여 3차원영상으로변환이가능해졌다. 촬영고도에따라수센티미터오차범위내의해상도를갖는영상을얻을수있다. 특히, 수치표면모델 (DSM, Digital Surface Model) 은건설분야에서기존의측량기를이용한평판, 수준, 하천측량등많은부분을대체할수있는모델로자리잡아갈것으로기대된다. 비행체는유인비행체와무인비행체로대별되며, 조종사가탑승하지않고도비행및조정이가능한무인비행체를드론 (drone, 사전적의미 수벌, 국립국어원다듬말 무인기 ) 이라한다. 비행체는비행형태에따라고정된날개로비행하는고정익 (Fixed-wing aircraft), 회전하는날개로비행하는회전익 (Rotary wing aircraft) 으로구분된다. 회전익의대표적인형식이헬리콥터이다. 드론역시고정익과회전익이있다. 고정익은비행고도에따라 13.7km 이상고도에서촬영이가능한고고도, 13.7~6km 고도범위에서촬영이가능한중고도, 6km 이하범위에서촬영이가능한저고도로구분하며, 대부분이군사용목적으로개발되고사용되어오고있다. 회전익은엔진식과전동식으로구분된다. 엔진식은페이로드 (payload) 를키울수있어대부분군사용이나농업용목적으로사용된다. 전동식은최근상용화추세로개발되는형식으로프로펠러수에따라옥터콥터, 헥사콥터, 쿼드콥터등으로불려진다. 사용목적에따라고정익이나회전익, 혹은두개를함께사용하는경우가있다. 회전익은좁은공간에서이착륙이가능하며감시나관찰을위한호버링 (hovering), 근접촬영, 고정익보다큰페이로드의장점이있다. 반면에회전익은고정익보다복잡한부품의조립으로조작이어렵고, 짧은배터리수명, 넓은지역의촬영에부적합하며, 추락시고정익보다큰손상의부담, 인명사고등의단점이있다. 고정익은회전익의장단점을바꾸어생각하면된다. 즉, 비교적넓은이착륙공간이필요하며, 자동비행과넓은지역촬영이용이하고, 회전익보다페이로드가작아탑재체의제약, 더긴비행시간확보, 호버링이안되며, 추락시비교적가벼운부상의장단점을가지고있다. 무인비행체의가장큰단점은기상에대한제약점이크다는것이다. 강한바람, 우천시비행이어려우며, 구름으로인한흐린날씨에는높은해상도의영상을얻을수없다. 무인기항공영상을취득하기위해서는반드시사전에국방부장관의승인을득해야하며군사보호시설인근지역의촬영영상은셰이딩 (shading) 처리하여야한다. 또한, 촬영된영상은검열을받은후사용이가능한제약사항이있다. 국내에서 UAV 연구사례를살펴보면, 김민규 (2010) 는 풍수해모니터링을위한 UAV 적용성분석 을수행하였다. 이인수 (2013) 등은 초경량고정익무인항공기사진측량기법의정사영상정확도평가 를수행하였다. 박홍기 (2014) 는 무인항공사진을이용한저수지방재모니터링, 정성혁 (2010) 등은 무인항공사진측량을이용한 3D 공간정보취득, 박치영 (2013) 은 고해상도 Korean National Committee on Irrigation and Drainage 61
이준구 김진택 최원우 김진환 항공영상과항공 LiDAR 자료를이용한필지경계설정정확도분석 을다루었다. 또한, 조준희 (2014) 는 UAV를이용한정사영상제작의정확도및경제성분석 에서 UAV를이용한측량결과가허용범위를만족하며, 지상표본거리 (GSD) 8cm, 촬영면적 10km2미만의조건에서는 UAV를통한촬영및정사영상제작이경제성이높은것으로보고하였다. 본연구에서는무인비행체인드론을활용하여영상을획득하고, 획득된영상과보조 GPS측량결과를접목하여수치표면모델이나 3차원영상을추출하여활용하고자하였다. Ⅱ. 재료및연구방법 2.1 연구장비가. 고정익 (e-bee) 고정익 (e-bee) 의촬영지역은대화저수지의붕괴에따른침수영역과구조물위치등을파악하기위하여난봉동두월천인근부터원평천과합류하는지역까지촬영하였다. 고정익 (e-bee) 의세부스펙은 Fig. 1 및 Table 1과같다. 기체는압축스티로폼재질로서가볍고충돌시비교적안전하며, 지정한경로및중첩도에따라자동촬영이가능하다. 고정익 (e-bee) 의장점으로는센서를이용한자동이 착륙, 비행고도에따른영상해상도의조절, 비행제어용 S/W를이용한실시간모니터링및비행체자동제어, 편리한휴대성등을들수있다. 단점으로는우천 강풍 (12m/sec) 안개등기상요건에따라 사용이불가하다. e-bee에탑재가능한센서는무게제한 (500g), 착륙지점의정확도 ( 반경 5m), 강성포장에서의프로펠러파손등을들수있다. e-bee 장비및 GCP 관측용 GNSS수신기의사진은 Fig. 1과같이정리하였으며, e-bee의세부사양은 Table 1과같다 (e-bee sensefly, 2014). 나. GCP 관측용 GNSS 수신기 GCP 관측용 GNSS 수신기의정밀도는정지측량, 신속정지측량 : 수평 ± 2.5mm+1ppm(part per million, 1km 당 1mm 오차 ), 수직 ± 5mm+1ppm, RTK 정밀도 : 수평 ± 10mm+1ppm, 수직 ± 20mm+1ppm이다. 컨트롤러의특징은 AutoCAD 프로그램명령어 95% 이상동일하고측량장비와블루투스를이용한무선연결이가능하다. 2.2 영상처리가. emoton2 emoton2는항공사진촬영전계획수립및촬영중고정익 (e-bee) 의촬영경로, 비행시간, 종 횡중복도, 해상도, 촬영고도등을설정할수있는프로그램으로고정익 (e-bee) 을노트북으로제어할수있는프로그램이다. 구글맵과연동되어촬영전계획수립에용이할뿐만아니라바람의영향, 배터리의비행시간등으로고려하여모의비행을할수있다. 영상촬영시고정익 (e-bee) 의경고상황 ( 추진력부족, 배터리부족, 바람의세기등 ), 현재비행중인 62
Table 1. Fixed wing aircraft (e-bee) specifications Divisions Detail Remarks Model e-bee SensFly TM Dimension With 960 x Length 800 x Height 140 mm Weight 0.7 kg Propeller monoplane Flight height 100m 800m Image resolution 3Cm 30Cm/pixel Flight time 40 min Flight speed 36 57km/h Control distance 3km Battery 11.1V, 2100mAh Camera 16 MP IXUS/ELPH Max. flight range 10km2 Flight mount sensor GPS, IMU, wind gage, ground detecting sensor, optical sensor, digital camera Auto landing and takeoff Auto takeoff and landing with sensors Flight Monitoring Real time monitoring with flight control software e-bee case and accessaries e-bee body radio modem batteries and charger RGB camera G N S S re c e i ve rs fo r G C P survey Fig. 1. e-bee flight and GNSS receivers for GCP survey Korean National Committee on Irrigation and Drainage 63
이준구 김진택 최원우 김진환 경로등모든상황이노트북을통해모니터링되며문제발생시회항여부를결정할수있다. 나. Terra 3D Postflight Terra 3D(2014) 는 e-bee가항공사진촬영을마치고돌아온후에촬영된이미지들을간단한설정을통해영상정합을처리하는프로그램이다. 2D, 3D 정사영상작업과수치표면모델, 품질검사등모든과정에대한작업이가능하다. 높이기위해 GNSS( 위성측위시스템 ) 안테나수신장치를활용하여지상기준점을측량하였다. 정사영상제작순서는다음과같다. 1 시뮬레이션, 2 지상기준점측량 (GCP, Ground Control Point), 3 e-bee 비행, 4 디지털영상정합순으로이루어진다. 정사영상을통해개괄적인토지이용상태와하천및수리구조물의위치등을파악할수있다. Ⅲ. 결과 2.3 연구대상지점및지형자료구축본연구의촬영지역은전북김제시난봉동두월천을따라원평천과합류하는지점까지촬영하였으며총촬영면적은약1600ha이다. 정사영상의정확도를 3.1 시뮬레이션-내업정사영상제작은온라인지도서비스 (NAVER, Daum, Google 등 ) 와무인기컨트롤프로그램 (emotion) 을활용하여촬영지역, 촬영횟수, 고정익 Fig 2. Flight path and GCP survey planning positions 64
Table 2. GCP survey merits and demerits Merits - 직접적인시통이가능하지않은측점간의측량이가능하다. - 방식에따라정밀도를선택할수있다. - 위치뿐아니라높이를구할수있다. - 장거리에서도용이하게측량할수있다. - 야간측량이가능하다. Demerits - 위성에의한전파를이용한방식이므로상공이닫혀있는곳 ( 건물사이, 수중, 지중, 숲속 ) 에서의측량이불가능하다. - 정밀도가높은것은고가이다 - 고정밀도측위에서는별도의기준국이필요하다. (e-bee) 이 착륙지점, 지상기준점측량 (GCP, Ground Control Point) 등을계획하여야한다. Fig. 2는본연구에서수행한김제지역의촬영을위한시뮬레이션사례이다. 3.2 지상기준점측량 (GCP, Ground Control Point) -외업정사영상의정확도를높이기위해서는현장에서지상기준점측량 (GCP, Ground Control Point) 을해야한다. 이때지상기준점은항공사진에서정확하게보이는지점으로선택해야하며적절한지점이없을시대공표지판을활용한다. 지상지준점측량의장 단점은 Table 2와같다. 지상기준점은다음과같은요구조건을충족시켜주는지점으로주로다리, 방파제, 대형도로교차점등무인기영상자료내에서용이하게식별이가능하며지속적인이용이가능한지점이여야한다. 김제시대화지하류부의지상기준점측량사례는 Table 3과 같다. 지상기준점은다음조건을충족하는지점을선정하였다. 명확한지점을파악할수있는화소의위치 촬영시기와상관없이파악이가능한지점 시간의변화에따라변하지않는지점항공사진측량작업규정 ( 국토지리정보원고시제2013-2236호 ) 에따르면 Table 4와같이조정계산및오차의한계에대한표준편차와최대값을제시하고있다. 김제시난봉동두월천인근부터원평천과합류하는지점의항공영상은표준편차 X=0.159312m, Y=0.433774, Z=0.141577로항공사진측량작업규정을만족하는것으로나타났다. 3.3 고정익 (e-bee) 비행-외업고정익 (e-bee) 의비행은노트북에연결한라디오모뎀통신을통해제어가이루어진다. 라디오모뎀 Korean National Committee on Irrigation and Drainage 65
이준구 김진택 최원우 김진환 Table 3. Ground Control Points (GCP) Name Error X[m] Error Y[m] Error Z[m] Name Error X[m] Error Y[m] Error Z[m] GCP1-0.002-0.002-0.002 GCP12 0.510 1.346 0.628 GCP2 0.007-0.003-0.002 GCP13 0.006 0.002 0.003 GCP3-0.004-0.004 0.000 GCP14 0.003-0.000-0.004 GCP4 0.002 0.008-0.003 GCP15 0.004-0.000-0.003 GCP5-0.009 0.002-0.004 GCP16-0.008-0.001-0.001 GCP6-0.104-0.136-0.005 GCP17 0.005-0.010-0.002 GCP7-0.000-0.015-0.015 GCP18 0.000 0.001-0.003 GCP8-0.005 0.007 0.008 GCP19 0.001-0.003-0.002 GCP9 0.017 0.010 0.006 GCP20-0.000-0.013-0.008 GCP10-0.000-0.005-0.005 GCP21 0.011 0.018-0.018 GCP11 0.597 1.690 0.316 GCP22-0.018-0.012 0.031 GCP23 0.003 0.002-0.013 Mean 0.044247 0.125332 0.039338 Sigma 0.159312 0.433774 0.141577 RMS Error 0.165342 0.451517 0.146940 수신반경은약 2km이고수신반경을초과하면고정익 (e-bee) 통제가불가능하다. emotion 프로그램을통해촬영경로, 영상해상도, 비행고도, 비행시간, 영상중첩도등을설정하고지상장애물을정확히파악하여이 착륙지점을안전하게설정해야한다. 또한, 비행중비상사태 ( 강풍, 호우, 배터리문제등 ) 가발생하면 emotion 프로그램에서경고방송이나오고, 필요시회항명령에의해미리설정해둔착륙지점으로착륙한다. Fig. 3은비행체를날리는모습과 GCP측량을하는사례를나타내는사진이다. 3.4 영상정합-내업비행촬영을마친후내업으로 GCP입력및디지털영상정합을실시하며본연구에서는 Terra 3D 프로그램을사용하였다. Terra 3D 프로그램은항공영상을통하여정사영상뿐만아니라 DSM (Digtal Surface Model, 수치표면모델 ) 도제작이가능하여촬영지역의개괄적인토지이용상태와하천및수리구조물의위치등을파악할수있다. 뿐만아니라 Virtual Surveyor Tools 프로그램을활용하면 DSM상임의의위치좌표선택으로 66
Table 4. Error limits of each map scale Map scale STD (m) Max (m) 1/500 1/600 0.14 0.28 1/100 1/1,200 0.20 0.40 1/2,500 1/3,000 0.36 0.72 1/5,000 0.72 1.44 1/10,000 0.90 1.80 1/25,000 1.00 2.00 특정지역의좌표를 CAD파일로변환이가능하며, Civil Pro프로그램을활용하면추출된좌표값으로등고선제작이가능하다. 영상정합의일련의과정을설명하기전에활용사례를먼저살펴보면 2014년미래창조과학부비타민연구사업 ( ICT기반농업재해예측 대응기술개발및시범적용, 박종화와박진기, 2014) 으로수행한괴연지의홍수범람해석적용사례를들수있다. Fig. 4는 2014년 8월 21일에붕괴된괴연저수지를항공촬영하고 DSM 을추출한후홍수범람도작성을위해 GIS 기법과연계하여 HEC-GeoRAS의후처리모듈을이용함으로써홍수범람도를작성한사례이다. DSM(Digital Surface Model, 수치표면모델 ) 은지표면의표고값이아니라인공지물 ( 건물등 ) 과지형지물 ( 식생등 ) 의표고값을나타내며거리통신관리, 산림관리, 3D 시뮬레이션등에이용된다. 일정이상의중첩도를갖는항공영상은시차를갖고있으므로입체시가가능하다. 따라서입체영상을만들수있다. 이때공선조건 ( 노출점, 대상점, 영상점이한직선을이룸 ) 및공면조건 Fig. 3 Fixed wing aircraft (e-bee) takeoff and GCP survey Korean National Committee on Irrigation and Drainage 67
이준구 김진택 최원우 김진환 Fig. 4. Geyeon reservoir collapse simulation: Detailed contour map (left), Inundation region map (middle), Damaged region by inundation (right) Fig. 5. Ortho imagery and DSM of Duwol stream 68
Gimje 3 Fig. 6. 3D image at the confluence of Duwol stream and Wonpyeong streams Fig. 7. Postprocessing steps Korean National Committee on Irrigation and Drainage 69
이준구 김진택 최원우 김진환 ( 입체사진에서두노출점과한대상점, 이에대응하는두영상점이한평면을이룸 ) 을통해각화소들의 X, Y, Z 값이정해지고이를통합하여 DSM이만들어지게된다. 본연구에서조사된대화저수지와두월천하류부의정사영상과 DSM은 Fig. 5와같다. Fig. 6은두월천과원평천의합류부 3차원영상을나타낸이미지이다. Fig. 7은현장에서항공영상촬영후영상정합을위한실내작업과정을도식으로표현한순서도이다. 이상에서설명한영상정합사례는식생상태를고려하여상공에서노지가잘관찰되는겨울철에주로촬영하였으며, 정합된 DSM자료가저수지붕괴에따른하류부피해예측시뮬레이션등에활용될수있을것으로판단되었다. Ⅳ. 결론최근무인비행체의활용분야가늘고있다. 그시장규모가 2021년민간부분 50억달러가될것으로전망하고각국에서개발경쟁이치열하다. 무인비행체의개발은비행시간과페이로드가주관건이다. 이둘을잡기위해서는배터리의용량이커져야하는데그러면이륙중량이커지기때문에이둘을놓치는딜레마에빠지게된다. 따라서알루미늄등경량소재, 고효율베터리활용으로그해법을찾고있다. 또한, 탑재체로서 RGB, NIR카메라, 캠코더, 컨트롤센서, 보조장치등이 IT기술의발전과함께다양하게개발되고있다. 인천의한드론개발업체는회전익농약살포기를개발하여기존의외산엔진식무인헬기를대체하려는연구를수행중이기도하다. 본연구에서는고정익 (e-bee) 에카메라를탑재하여항공영상을획득하고, 획득된영상과보조 GPS측량결과를접목하여수치표면모델과 3D영상등지 지물의공간정보를취득하였다. 연구대상지역인전북김제시대화저수지붕괴시하류하천의홍수범람도를작성하고자 DSM 자료를추출한결과다음과같은결과를얻을수있었다. 첫째, 하류하천인두월천과월평천합류지점까지하천주변의총 1,600ha의면적에대해 10cm /pixel의해상도를갖는영상을취득하는데외업 3일, 내업 4일의기간이소요되었다. 둘째, 획득한항공영상의오차한계는항공사진측량작업규정을만족하는 X=0.159312m, Y=0.433774m, Z=0.141577m로나타났다. 셋째, 고정익 (e-bee) 를활용함으로써사람이접근하기곤란한지역에대해신속 정확하고, 경제적인공간정보취득이가능하여, 주기적인 ( 분기또는반년 ) 촬영을통한공사현장사업관리, 저수지붕괴에따른범람지역예측, 지형 지물변화모니터링등다양한분야에활용될수있을것임을확인하였다. 70
REFERENCES 1. 국토환경정보센터 (http://neins.go.kr) 2. e-bee sensefly, 2014, 사용자매뉴얼. 3. Postflight Terra 3D, 2014, 사용자매뉴얼. 4. 김민규, 정갑용, 김종배, 윤희천. 2010, 풍수해모니터링을위한 UAV 적용성분석한국측량학회지, 제28권제6호 pp.655-662. 5. 정성혁, 임형민, 이재기, 2010, 무인항공사진측량을이용한 3D 공간정보취득, 한국측량학회지, 제28권제1호, pp.161-168. 6. 이인수, 이재원, 김수정, 홍순헌, 2013, 초경량고정익무인항공기사진측량기법의정사영상정확도평가, 대한토목학회논문집, Vol.33 No.6, pp.2593-2600. 7. 박홍기, 2014, 무인항공사진을이용한저수지방재모니터링. 한국지형공간정보학회지, Vol.2 No.4, pp.143-149. 8. 조영선, 임형민, 최석근, 정성혁. 2014, 무인항공사진측량을이용한고해상도공간정보취득. 한국위기관리논집, 제10권제2호, pp.273-87. 9. 조준희. 2014.UAV를이용한정사영상제작의정확도및경제성분석, 서울시립대학교대학원, 공학석사학위논문 10. 박치영. 2014. 고해상도항공영상과항공LiDAR 자료를이용한필지경계설정정확도분석, 동아대학교대학원, 공학박사학위논문 11. 박종화, 박진기. 2015, ICT기반농업재해예측 대응기술개발및시범적용, 미래창조과학부, 별책 4권, pp.68-70. Korean National Committee on Irrigation and Drainage 71