무인항공기와 3차원 지표모델의 광해방지사업 모니터링에 대한 효율성 고찰
The Case Study : The Efficiency of Using UAV and 3D-model for Mine Reclamation Work Monitoring
김세영(Seyoung Kim)1⋅유재형(Jaehyung Yu)2,*⋅신지혜(Ji Hye Shin)1⋅이길재(Gilljae Lee)3
1충남대학교 우주⋅지질학과
(Department of Astronomy, Space Science and Geology, Chungnam National University, 99 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34134, S. Korea)
2충남대학교 지질환경과학과
(Department of Geology and Earth Environmental Sciences, Chungnam National University, 99 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34134, S. Korea)
3한국지질자원연구원 광물자원기술연구팀
(Convergence Research Center for Development of Mineral Resources, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 34132, S. Korea)
요약 : 본 연구는 무인항공기를 활용한 원격탐사적 기법을 통해 고해상도 정사영상과 수치표고모델기 반 3차원 지표모델을 구축하여, 광해복구사업의 중간단계 모니터링에 활용하고 그 효율성을 고찰하였 다. 무인항공기를 통한 원격탐사로 3.8 cm의 공간해상도를 갖는 수치표고모델 및 정사영상을 구축하 였으며, 광해복구사업의 중간과정을 모니터링하였다. 또한 고해상도 영상을 통해 사물 및 지형적 구분 이 용이함을 확인하였다. 구축된 수치표고모델을 기반으로 3차원 모델을 구축하였고 토양복구사업의 면적 및 체적 등의 공간정보를 추출하였다. 그 결과 사업 결과모델 형성을 위한 추가적인 토양 적치 총량은 268,672 m3이며 약 71만 톤의 양에 해당하는 것을 확인하였다. 이는 무인항공기의 광해복구사 업 모니터링의 효율성을 증명하는 것으로 추후 보다 많은 활용도를 보일 것으로 사료된다.
주요어 : 무인항공기, 3차원모델, 수치표고모델, 토양복원사업
ABSTRACT : This study investigated the effectiveness of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) and 3D modeling on mine reclamation monitoring. The high spatial resolution of 3.8 cm ortho-mosaic image and Digital Elevation Model (DEM) are constructed based on UAV air survey. The ortho-mosaic image effectively shows mine reclamation activities and recognize objects and topological changes in the image. The comparative analysis of 3D models between UAV based DEM and report based DEM reveals that total amount of 268,672 m3 additional dumping of contaminated soil is equivalent to 710,000 ton. It concludes that a UAV based survey enables high accuracy spatial information extraction for mine reclamation activities with high efficiency. It is expected that UAV survey will be very effectively used for preliminary data acquisition and project monitoring for mine reclamation activities.
Key words : UAV, 3D-model, DEM, Mine reclamation work
*Corresponding author: +82-42-821-6426, E-mail: [email protected]
적인 피해를 발생시킨다(Kwun and Nam, 2007).
이러한 광해의 피해를 최소화하기 위해 국내에서는 법률에 따른 광해방지계획을 수립 및 실시하고 있 다. 광해방지사업의 경우 토지복구를 통한 토지활용 성 증대 및 산림가치 향상 등의 이점을 가지며, 용 역수행의 결과 1원당 약 9.2원의 경제효과가 발생 하는 것으로 분석된바 있다(Ministry of Knowledge Economy, 2011).
기존의 광해피해 복원사업의 경우 복원계획을 현황조사, 현장실태조사, 복원공법선정, 보완측량, 복원설계의 순서로 수행한다. 현장실태 조사 및 복 원 공법의 선정단계는 광해 피해 종류를 파악하고 그 종류에 따라 복원 공법을 선정한다. 특히 복원 설계 단계는 설계도서 작성 및 공사비, 공사기간 산정 등을 과정을 포함한다. 실제 광해복원사업은 복원설계 단계를 통해 구축된 과정을 따라서 이루 어지게 된다. 광해복원사업의 경우 사업의 규모가 큰 경우가 많아 중간단계에서 오류가 있을 경우 상 당한 손실을 야기한다. 그러나 중간단계에서의 모 니터링은 공사기간의 한정성, 중장비운용의 혼잡 성, 공사비용의 한정성으로 인해 상대적으로 어려 움이 많은 실정이다. 따라서 기존의 복원사업의 일 정과 장비운용에 영향을 미치지 않는 중간단계 모 니터링 방법이 절실하다.
최근 무인항공기의 보급이 증가되면서 다양한 분야에서 무인항공기가 활용되고 있다. 무인항공기 를 활용한 원격탐사는 기존의 항공탐사가 갖는 고 비용, 비행허가 및 구름의 방해정도 등의 날씨를 포함한 많은 제한적인 요소를 보완할 수 있는 대안 으로 제시될 수 있다. 무인항공기 원격탐사는 항공 탐사에 비해 높은 해상도의 영상을 보다 저렴한 비 용으로 상대적으로 적은 날씨의 제약성을 갖는 저 비용 고효율 탐사기법이라 할 수 있다(Lee and Choi, 2015). 또한 무인항공기 탐사를 통해 얻어지 는 고해상도 영상은 고해상도 수치표고모델을 제 공하며, 이는 3차원 지표모델에 활용될 수 있는 중
연구지역
무인항공기와 3차원 지질모델링을 광해방지 사 업에의 활용도를 고찰하기 위해, 충청북도 제천시 에 위치한 광산을 대상으로 한 광해방지사업을 모 니터링하였다. 그러나 현재 진행 중인 광해방지사 업의 특성과 연구대상 광산을 밝힐 시 따르는 사회 적인 파급도를 고려하여, 정확한 위치와 광해의 종 류를 기술하지 않았다. 연구 지역의 지질은 오르도 비스기 조선계 대석회암 통 하부의 돌로마이트와 석회암과 주변에 이를 관입한 백악기 흑운모화강 암으로 구성되며, 암회색 및 담회색 돌로마이트를 호상 석회암, 암회색 석회암과 백색 석회암이 정합 으로 덮고 있다. 흑운모화강암은 입상의 중립질 조 직을 보이며, 동부와 동남부에 암주상으로 관입해 있는 화강암 중 동남부 암체는 단층면을 따라 관입 하였다(Fig. 1)(Mine Reclamation Corp, 2014).
본 광산은 1930년대부터 1945년까지 부분적 노 천 및 갱도 채굴이 시행되었고, 해방 이후 과업구 역 일대 넓은 광구에서 노천채굴 및 부분적 갱도 채굴을 시행하였다. 그러나 2010년 오염기준치를 초과하는 오염원이 검출되며 사회적 문제를 유발 하여 2010년 7월 채굴이 중단되었다. 연구지역 내 광해를 유발하는 요인으로는 노천 채굴장을 제외 하고도 과거 채굴이 진행되었던 채광장 4개소가 채굴장 주변으로 분포되어있으나 현재는 복원되었 다. 또한 갱도 채굴지 4개소가 위치하였으나 탐광 갱을 제외한 3개소는 매립되었다. 해당 광해방지사 업은 A광산 주변지역의 오염물질의 분포범위를 파 악하고, 광해오염원 및 주변 오염토양의 효과적인 개량 및 복원을 목적으로 한다. 이를 위해 오염토 양 내 오염물질의 농도를 환경부 고시 오염토양의 정화기준인 0.25% 이하로 저감시키는 것을 목표 로, 오염지역의 경우 40 cm, 25° 이상의 경사지의 경우 25 cm 복원심도를 구축하여 복토 및 환토를
진행하였다. 환토 공법 시 발생하는 오염토의 처리 를 위해 연구지역에 위치한 노천광산을 오염토양 적치장으로 선정하였으며, 오염물질 노출 방지 관련 공법을 적용하였다(Mine Reclamation Corp, 2014).
연구방법
본 연구는 무인항공기를 활용해 연구지역에 대 해 고해상도 모자이크 영상 및 수치표고모델을 구 축하였다. 또한 한국 광해관리공단에서 제공한 설 계도면을 기반으로 사업완료시의 예상결과를 3차 원 모델로 구현하였고, 이를 복원사업이 진행 중인 무인항공기반 수치표고모델의 3차원 모델과 비교 분석하여 복원사업의 공정을 모니터링하였다(Fig. 2).
무인항공기 기반 고해상도 항공영상 및 수치표고 모델
본 연구는 무인항공기를 활용하여 고해상도 항 공영상과 수치표고모델을 구축하기 위해 DJI사의 보급형 무인항공기인 Phantom3 professional을 사 용하였다. Phantom3 professional은 4개의 프로펠 러를 갖는 회전익 무인항공기(Quad-copter)로 관성 제어장치(IMU, Inertial Measurement Unit)와 GPS
(Global Positioning System)가 본체에 내장되어 있어 자동 이착륙 및 정확한 고도 및 위치 유지, 자세제어 등을 가능하게 한다. 본 기체에 관한 기 본적인 성능은 Table 1에 기술하였다. 본 연구에 사용한 항공영상은 2016년 2월 중에 촬영된 영상 으로, 130 m 고도에서 약 2회에 걸쳐 실시하였다.
무인항공기 촬영을 통해 획득한 항공영상은 러 시아 Agisoft사의 Photoscan S/W를 활용하여 수치 표고모델과 모자이크영상을 구축하였다. Photoscan S/W는 연속된 영상자료를 Align Photo, Build Dense cloud, Build Mesh의 과정을 포함하는 다시 점영상 3차원복원기술을 기반으로 한다(Agisoft, 2016). 이를 위해 현장조사에서 측정한 14개소의 지상기준점을 활용하여 기하보정을 실시하였다. 구 축된 모자이크 영상은 약 8개월 간의 광해사업 중 간과정 모니터링을 위해 한국국토 지리정보원이 제공한 2015년 7월의 항공영상과 비교분석 되었 다. 또한 무인항공기반의 고해상도 항공영상을 국 토지리정보원의 공간해상도 25 cm의 항공영상과 비교하여 광해복구사업 모니터링에 있어서의 효율 성을 고찰하였다(Fig. 5).
Fig. 1. Geological map of the study area.
토양복원사업계획 기반 수치표고모델
광해복구사업의 진행상황을 모니터링하기 위해 한국광해관리공단에서 제공한 최종단계 설계도면 (Fig. 3)을 기반으로 수치표고모델을 구축하였다.
오염토양을 적치하는 오염토양 적치지역과 오염지 역의 불안정 사면을 보강하는 사면보강지역으로 구분되는 연구지역의 수치표고 모델은 포인트 구 축, TIN모델 구축, 수치표고모델 구축의 단계를 통
해 ArcGIS 환경에서 구축되었다.
좌표계 변환 및 수치표고모델 보정
본 연구에 사용되는 모든 영상자료는 신뢰도의 향상을 위해 UTM 좌표계로 변환을 실시하였다.
좌표계변환 결과 발생한 설계도 기반 수치표고모 델과 무인항공기반 수치표고모델 간의 약 25 m의 오차를 보정하기 위해, 국립지리연구원에서 제공하 는 수치표고모델을 활용하여 지도대수기법(Map Algebra)을 실시하였다. 보정을 위한 회귀모델은 식 (1)과 같으며 이를 통해 오차범위를 약 5 cm로 최소화하였다.
(1) 3차원 모델 구축
지형적인 특징을 표현하는데 있어 2차원 평면데 이터를 활용하는 것에 반해 3차원 공간데이터를 활 용하는 것이 가시적 측면에서의 그 이해와 해석에 용이하다(Kim, 2009). 본 연구에서는 3차원 모델을 구축하기 위해 Paradigm사의 SKUA-GOCAD S/W 를 활용하였다. 이는 단층 및 습곡 등의 지질학적 특징의 모델링을 위한 다양한 툴을 제공하며, 지질 학 분야 외에 다양한 분야에 활용되고 있다(Kwak Camera
Sensor Sony EXMOR 1/2.3”
Effective pixels : 12.4 M
Lens FOV 94° 20 mm, f/2.8, focus at ∞
ISO Range 100-3200 (video) / 100-1600 (photo)
Shutter Speed 8 s-1/8000 s
Image Max Size 4000 × 3000 pixel
Gimbal Control range Pitch -90° - +30°
Remote controller Maximum distance 2000 m (in open area)
Fig. 2. The flowchart of Methodology.
et al., 2013). 본 연구에서는 무인항공기반 수치표고 모델과 보고서 기반 수치표고모델의 3차원 공간정보 를 ArcGIS S/W를 이용하여 점군데이터로 추출한 후 GOCAD S/W를 통해 3차원 모델을 구축하였다.
결과 및 토의
무인항공기반 고해상도 항공영상 및 수치표고 모델
무인항공기를 활용해 획득한 연구지역의 항공사 진은 총 536장이며, 이 중 525장을 Photoscan S/W 를 활용해 총 7,324,193개의 고밀도 측점자료를 구
축하였다. 고밀도측점자료를 기반으로 구축된 모자 이크영상과 수치표고모델은 약 3.8 cm의 공간해상 도를 가지며, 그 면적은 167,711 m2로 임시 폐석 재 야적장 및 주변 산간지역을 포함한다. 14개소의 지상기준점을 이용하여 기하보정을 실시한 결과 모자이크영상의 오차는 수평방향 약 8.6 cm, 수직 방향 약 5.1 cm의 표준제곱근오차(RMSE, Root Mean Square Error)를 보였다. 획득한 수치표고모 델에 따르면 연구지역의 표고는 약 228 m-328 m 의 범위를 보이며, 100 m의 최대 표고차를 갖는다 (Fig. 4). 구축된 영상 내 연구지역의 위치는 영상 남부에 위치하며 서부에는 약 0-13°의 경사도를 보 이는 평탄지가 있으며, 동부에는 19°-68°의 산악형 지형의 사면이 분포한다. 산악지역의 상부에는 굴 착으로 인한 절벽 지형이 관찰되며, 평탄지로부터 절벽부까지 차량의 이동을 위한 약 5 m 너비의 S 자형 비포장도로가 구축되어 있음을 확인하였다.
또한 경사면 북부의 경우 폐석더미를 적치 해둔 것 을 확인할 수 있다. 평탄한 지형과 산악형 지형의 사이에는 일부 절벽 지형이 존재하며, 황토색-붉은 색을 이루는 3개소의 오염적치장이 약 5,012 m2의 면적으로 분포한다(Fig. 5a). 토양복원사업에 따른 변화를 분석하기 위하여 2015년 07월에 촬영한 항 공영상과 무인항공기반 고해상도 항공영상을 비교 분석한 결과 약 5,012 m2의 지역에 토양의 적치가 (a)
(b)
(c)
Fig. 3. The plan map of the mine reclamation project, (a) simplified blue print map of the mine reclamation project, (b) vertical profile of line B-B’
in the blue print (a), and (c) vertical profile of line A-A’ in the blue print (a).
Fig. 4. Digital elevation model extracted by UAV image processing overlaid with GCP locations (point) and study area boundary (polyline).
확인되었으며(Fig. 5b), 오염토양 적치지역 내 약 1.3 m × 1.3 m × 2.6 m의 건설 자재 더미가 선적 되어 있는 것을 확인하였다(Fig. 5c). 또한 사면보 강지역 북부에 폐석더미가 추가로 선적된 것이 관 찰된다. 무인항공기반 모자이크 영상이 갖는 최대 장점인 고해상도 영상은 항공기 기반 항공영상에 비해 영상 내의 사물 및 지형적 요소의 구분에 용 이하며, 이를 통해 과업의 진행정도, 암반 및 노두 의 상태를 보다 정확히 인지하는 데 효율적임을 확 인하였다(Fig. 5d).
토양복원사업계획 기반 수치표고모델
무인항공기를 활용하여 파악한 현재까지의 광해 과업 진행정도와 완공 시 지형정보를 비교분석하 기 위해 토양복원사업계획을 바탕으로 1 m의 공간
해상도를 갖는 새로운 수치표고모델을 구축하였다 (Fig. 6a). 토양복원사업계획 기반 수치표고모델은 사업완료 이후 연구지역의 지형을 표현하였으며, 사업계획상의 평면계획도(Fig. 3)의 A-A’선과 B-B’
선 상에 기재되어있는 계획고도 값을 반영하여 구 축되었다. 본 수치표고모델에 따르면, 연구지역 서 부에 위치한 사면보강지역은 총 면적 31,552 m2, 고도 264, 279, 294, 309 m의 고도 값을 갖는 4개 소의 소단으로 구성될 것으로 예상된다(Fig. 6b).
소단의 너비는 약 5 m이며, 가장 긴 소단의 길이 는 270 m, 가장 짧은 길이의 소단은 120 m의 규 모를 갖는다. 사면보강지역 내 소단사이의 거리는 수직거리 약 15 m, 수평거리 약 30 m로 구축되었 으며, 사면각도 약 27°, 사면구배 1 : 2.0로 복원계 획과 일치한다. 연구지역 동부에 위치한 오염토양 적치지역의 총 면적은 20,918 m2이며 3개소의 평 탄한 지형과 약 2°의 경사를 갖는 완만한 경사지역 으로 형성되었다. 각 평지의 고도 값은 241, 245, Fig. 5. Comparative analysis between aerial photo-
graph and UAV baded ortho mosaic image for mine reclamation project monitoring. (a) Clipped aerial photograph (left) and UAV image mosaic (right) defining the study area, (b) zoom-in images of aerial photograph (left) and UAV image mosaic (right) illustrating polluted soil dumps, (c) zoom-in images of aerial photograph (left) and UAV image mosaic (right) illustrating piled construction materials, and (d) aerial photograph and high resoution UAV image showing distinctive differences in recognition of rock outcrops and surface features.
(a)
(b)
(c)
Fig. 6. The DEM constructed based on the MIRECO report(a) overlapped a-a’ (b) and b-b’ profile (c) lines.
249 m이며 경사지의 경우 253 m-255 m로 약 2 m의 고도차를 보인다. 또한 각 평지는 너비 약 35, 40, 25, 50 m로 구축되었으며 각 평지 사이에는 너비 약 7 m, 고도 약 3.9 m의 경사면이 형성되었 다(Fig. 6c). 평지사이 경사각은 65.56, 29.12, 29.06, 29.12°로 사면의 구배가 약 1 : 2.4, 1 : 1.8, 1 : 1.8, 1 : 1.8로 구축되어 계획고도 및 계획 사 면구배 값과 일치한다.
수치표고모델 비교 분석 및 3차원 모델 구축 토양복원사업 완료 대비 토양복원사업 진행상황 을 모니터링하기 위해 토양복원사업기반 수치표고 모델과 무인항공기반 수치표고모델을 활용하여 각 각에 대한 3차원 모델을 구축하였고(Fig. 7), 완료 시까지 추가적으로 적치될 오염토양의 양을 산정 하였다. 그 결과 무인항공기 촬영 당시 연구지역의 체적은 기반고도 228 m을 기준으로 2,053,330 m3 이며 복원 완료 후 결과모델의 체적은 기반고도 235
m 기준으로 2,044,330 m3인 것으로 계산되었다.
또한 연구지역 내 구간별 토양의 적치 및 굴착 의 정도를 확인 및 시각적으로 표현하기 위해 두 수치표고모델간의 고도 차이를 보이는 새로운 모 델을 구축하여 그 값을 추출하였고, 복원사업종료 후의 3차원 모델을 교차투영하였다. 그 결과, 추가 적인 토양 적치가 필요한 지역의 면적은 총 45,121 m2이며 연구지역의 대부분에 해당한다. 평방미터 당 10 m 이상의 토양 적치가 필요한 부분은 약 7,437 m2이며 주로 사면보강지역의 남부와 북부에 밀집되어 있다. 평방미터당 20 m 이상의 토양적치 가 필요한 부분의 면적은 약 540 m2이며, 사면보 강지역 남부에 위치하고 있다. 또한 추가적인 토양 적치가 이루어질 공간의 부피는 290,548 m3임을 확인하였다.
토양적치에 따른 사면안정성 보강을 위해 추가 적으로 토양 굴착이 필요한 부분의 면적은 총 7,952 m2이며, 토양 굴착 총량은 21,876 m3인 것 으로 산정되었다. 추가적인 토양적치공간과 토양 굴 착량을 고려할 때 복원 완료를 위해 필요한 추가적 인 토양의 총량은 268,672 m3이며, 토양 평균비중 2.66 g/m3을 감안하면 약 714,667톤에 해당한다.
이처럼 무인항공기를 활용한 고해상도 항공영상 과 3차원 수치표고모델을 통한 공간정보의 획득은 타 항공측량에 비해 보다 쉽게 물체의 식별을 가능 하게 하며, 공간자료 수집에 효율성이 매우 높다.
이는 단기적 측면으로 사업과정 중 수행되는 중간 점검 단계의 주공정회의의 점검 자료로 활용될 수 있고, 중⋅장기적 측면으로는 지리정보시스템을 통 한 광해방지시설의 관리 및 정기적인 데이터베이 스 갱신에 기여할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 3차원 모델의 광해방지사업에의 활용은 중간단계 모니터링 및 공정진행상황을 시각적으로 구현할 수 있으며, 추가적으로 필요한 공정을 정량적으로 산정하여 자재 및 시간⋅비용적인 측면을 고려한 사업운영에 효율적으로 기여할 것으로 사료된다.
결 론
본 연구는 충청북도 제천시에서 수행 중인 토양 오염 복원사업을 무인항공기를 활용하여 고해상도 정사영상과 수치표고모델기반 3차원 지표모델을 구축하고, 이를 광해복구사업의 중간단계 모니터링 에 활용하고 그 효율성을 고찰하였다.
(1) 무인항공기를 활용해 획득한 연구지역의 항 (a)
(b)
Fig. 7. 3D models employed for the mine recla- mation project monitoring compared the final project plan; (a) 3D surface model extracted from UAV processing representing current stage, and (b) 3D surface model derived from project report presenting the final project plan.
(2) 토양복원사업의 중간공정을 진행상황을 분석 하기 위해 항공영상과 무인항공기반 고해상도 항 공영상을 비교 분석한 결과, 5,012 m2의 지역에 토 양적치가 확인되었으며, 건설자재 및 폐석더미가 추가로 선적됨을 확인하였다. 또한 무인항공기반 모자이크 영상의 고해상도 영상을 통해 사물 및 지 형적 구분이 용이함을 확인하였다.
(3) 토양복원사업 완료 대비 진행상황의 모니터 링을 위해 토양복원사업기반 수치표고모델과 무인 항공기반 수치표고모델을 활용한 3차원 모델을 구 축하였고, 완료시까지 추가적으로 적치될 오염토양 의 양을 산정하였다. 그 결과 추가적인 토양 적치 가 필요한 지역의 면적은 45,121 m2이며 부피는 290,548 m3임을 확인하였고, 사면안전성 보강을 위한 토양 굴착이 필요한 부분의 면적은 7,952 m2 이며 굴착 총량은 21,876 m3인 것으로 산정되었다. 복원 완료를 위해 필요한 추가적인 토양의 총량은 268,672 m3이며, 약 714,667톤에 해당한다.
(4) 결론적으로 본 연구를 통해 무인항공기를 활 용한 고해상도 항공영상과 3차원 수치표고모델은 광해방지사업의 공정상황을 시각적으로 구현하고, 사업과정의 중간점검의 자료로 효율적으로 활용될 수 있음을 확인하였다.
사 사
본 논문을 심사해 주신 심사위원들에게 감사드 린다. 이 연구는 충남대학교 학술 연구비에 의해 지원되었다.
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Received December 2, 2016, Revised March 13, 2017, Accepted March 13, 2017, Associate Editor: Chul-Min Chon
