The Precise Three Dimensional Phenomenon Modeling of the Cultural Heritage based on UAS Imagery

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(1)pISSN : 2508-3384 eISSN : 2508-3392 https://doi.org/10.22640/lxsiri.2019.49.1.85. Journal of Cadastre & Land InformatiX Vol.49 No.1 (2019) 한국국토정보공사 「지적과 국토정보」 제49권 제1호 2019년 6월 p. 85-101. UAS 영상기반 문화유산물의 정밀 3차원 현상 모델링 The Precise Three Dimensional Phenomenon Modeling of the Cultural Heritage based on UAS Imagery 이용창* ∙ 강준오** Lee, Yong-Chang ∙ Kang, Joon-Oh Abstract Recently, thank to the popularization of light-weight drone through the significant developments in computer technologies as well as the advanced automated procedures in photogrammetry, Unmanned Aircraft Systems have led to a growing interest in industry as a whole. Documentation, maintenance, and restoration projects of large scaled cultural property would required accurate 3D phenomenon modeling and efficient visual inspection methods. The object of this study verify on the accuracies achieved of 3D phenomenon reconstruction as well as on the validity of the preservation, maintenance and restoration of large scaled cultural property by UAS photogrammetry. The test object is cltural heritage(treasure 1324) that is the rock-carved standing Bodhisattva in Soraesan Mountain, Siheung, documented in Goryeo Period(918-1392). This standing Bodhisattva has of particular interests since it's size is largest stone Buddha carved in a rock wall and is wearing a lotus shaped crown that is decorated with arabesque patterns. The positioning accuracy of UAS photogrammetry were compared with non-target total station survey results on the check points after creating 3D phenomenal models in real world coordinates system from photos, and also the quantified informations documented by Culture Heritage Administration were compared with UAS on the bodhisattva image of thin lines. Especially, tests the validity of UAS photogrammetry as a alternative method of visual inspection methods. In particular, we examined the effectiveness of the two techniques as well as the relative fluctuation of rock surface for about 2 years through superposition analysis of 3D points cloud models produced by both UAS image analysis and ground laser scanning techniques. Comparison studies and experimental results prove the accuracy and efficient of UAS photogrammetry in 3D phenomenon modeling, maintenance and restoration for various large-sized Cultural Heritage. Keywords: UAS, Cultural Property, Phenomenon Modeling, Visual Inspection, Laser Scanner, the Rock-Carved Standing Bodhisattva. * 인천대학교 도시과학대학 도시공학과 교수 Professor, Department of Urban Engineering, Incheon National University (first author, corresponding author: [email protected]) ** 인천대학교 도시건설공학과 박사과정 Department of Urban Convergence Engineering, Incheon National University ([email protected]). Journal of Cadastre & Land InformatiX Vol.49 No.1 (2019). 85.

(2) 이용창 ∙ 강준오. 1. 서론 및 연구목적. 모할 수 있을 것이다. 최근 컴퓨터기술의 발달, 영상해 석 기술의 고도화, UAV(Unmanned Aerial Vehicle). 문화유산물의 기록과 보존 및 유지관리 의식의 향. 보급이 확대되면서 ‘UAV와 다양한 첨단센서를 융합. 상 등으로 문화유산물 대상, 정밀 3차원 현상 모델링. 한 UAS(Unmanned Aircraft Systems)’의 응용이 산. 을 위한 자료획득 플랫폼과 해석 기술에 대한 관심이. 업현장 전반으로 확산되고 있다. 본 연구의 목적은 시. 높아지고 있다. 국가지정문화재는 문화재청장이 문화. 흥마애상과 같은 대형 문화유산의 기록조사를 위한. 재보호법에 근거, 문화재위원회의 심의를 거쳐 지정. 현상모델링 및 유지관리를 위한 육안점검의 대체방안. 한 중요문화재로서 국보･보물･국가무형문화재･사적. 으로 UAS 영상 활용법의 효용성을 검증하는 것이다.. ･명승･천연기념물 및 중요민속문화재 등 7개 유형으. 이를 위해 국보･보물 건조물문화재 정밀실측 지침, 대. 로 구분된다. 보물급 이상의 국가문화재의 경우 신규. 형 국가문화유산의 기록물조사와 유지･관리 및 사후. 기록, 유지 및 주기적 관리는 물론, 세월이 흘러 파손. 복구 작업을 위한 현상 모델링 기술에 대한 장･단점을. 시 복구를 위해 고 해상 texture 조합 기반의 정밀한. 검토, UAS 영상기반 해석법과 지상레이저 스캐닝. 현상 모델링과 고 밀도 측점 군 자료 등 효율적인 자료. (TLS, Terrestrial Laser Scanning)기술을 선정하고. 구축이 필요하다. ‘시흥소래산마애보살입상’(이하 ‘시. 문화재의 실적용을 통한 현상모델링의 정확성 및 유. 흥마애상’)은 국가지정문화재(보물 제1324호, 지정일. 지관리를 위한 육안점검 대체 기능의 실효성을 검토. 2001년 9월 21일, 문화재청 2019)로 소래산 중턱에. 하였다.. 위치한 병풍바위(또는 장군바위) 암벽에 선각(음각) 되어 있다.. 2. 연구동향 및 연구방법. 시흥마애상은 국내 유일하게 머리에 덩굴무늬(당초 문)로 장식된 원통형의 화사한 ‘보관(모자)’을 쓰고 있. 시흥마애상에 대한 기록으로는 1988년 서울올림픽. 고 고려전기 시대에 조성된 높이 약 12.3m의 대형 거. 성화 봉송을 기념하여 시흥군지편찬위원회가 명지대. 불로 우리나라 석불조각에서 가장 큰 규모이다. 특히,. 학교 박물관에 의뢰 제작(기간 : 1988년 7월 1일∼7월. 약 5㎜ 정도의 얕은 선각 조각임에도 불구하고, 기법. 31일, 인원 100여명 동원)한 탁본이 있고 단일 문화재. 이 우수하고 회화적인 표현이 뛰어난 세련된 작품으. 의 탁본으로는 국내 최대 규모(가로×세로, 5m×15m). 로 평가되고 있다. 그러나 세월이 흐르면서 자연적인. 이며 2004년 3월부터 시흥시청 향토사료실(시흥시청,. 암벽의 풍화작용으로 인해 마멸이 진행되었고 6.25 전. 2019)에서 소장해 오고 있다. 대형 마애불의 문화유산. 쟁 중 포탄피격에 의한 부분파손과 균열 및 시흥마애. 물 기록을 위한 현상 측정방법으로 초기에는 측량 도. 상의 산 정상부에서 흘러내린 유출수로 인한 벽면 오. 구를 활용한 실측, 탁본 등의 직접적인 방법이 사용되. 염과 풍화작용 가속 등으로 선각의 깊이가 얕아져 현. 었으나 1985년대에는 지상사진측량기술(CRP, Close. 재는 형상 파악이 어려운 부분도 있는 상태이다.. Range Photogrammetry), 2000년 이후에는 TLS 등. 국가문화유산의 기록물 조사와 유지관리 및 세월이. 이 활용되고 있다. 2014년 이후 부터는 UAS의 보급이. 흘러 파손 시 복구를 위한 정밀 현상 모델링 작업과 주. 확산됨에 따라 지구측위위성항법시스템(GNSS, Global. 기적 유지관리를 위한 효율적인 방안이 필요하다. 이. Navigation Satellite System) 및 토털스테이션(TS,. 두 가지를 동시에 충족할 수 있는 신기술을 활용한다. Total Station) 기술을 접목한 피사체의 3차원 재현 모. 면 기존 방식에 비해 효율적인 복원 및 유지관리를 도. 델링이 가능하게 되었다. 그러나 문화유산물이 규모. 86. 「지적과 국토정보」 제49권 제1호. 2019.

(3) UAS 영상기반 문화유산물의 정밀 3차원 현상 모델링. 가 크고 관측환경이 여의치 않은 장소인 경우, 많은 인. 기술 간의 비교를 통해 유적지 기록에 최적한 방법을. 력과 시간이 필요하고 위험요소가 내재되어 직접적인. 연구한 바 있다. Bendea et al.(2007) 등은 유적지에. 측정방법은 적합하지 않다. 특히, 대형 마애불은 자연. 대한 공간정보구축을 위해 고정익 UAV 플랫폼을 사. 환경의 암벽을 그대로 활용하므로 협소한 공간이 대. 용하였고 Patias et al.(2007) 등은 고고학 연구에 소형. 부분이며 형상 측정에서 탁본 및 수작업에 의한 실측. 헬리콥터를 사용하였다. Lambers et el.(2007) 등도 항. 과 같은 전통적인 방법을 적용하기에는 장애물과 위. 공사진측량기술과 소형원격 조정 헬리콥터, TLS 기술. 험요소가 많은 편으로 주변 환경 및 작업 여건, 작업. 을 조합, Pinchango Alto 유적지에 대한 3차원 모델링. 기간 등을 감안하여 적합한 방법을 선정해야 한다. 또. 을 수행한 바 있다. Stal et al.(2014) 등은 UAV 항공. 한, 지상사진측량기술의 경우도 피사체면 기준으로. 및 지상영상을 SfM-MVS 기반 조합해석으로 부터 마. 경사 사진을 측정해야 하므로 높이에 제약이 있고 부. 야 유적지의 3차원 모형을 10cm 이하의 정확도로 포. 대시설이 필요하게 되어 측정대상의 규모와 작업환경. 토리얼리즘화한 바 있다. Fernández et al.(2012) 등. 에 제약을 받게 된다. 비교적 발전된 방법인 Lidar. 도 유적지에 대한 UAV 영상을 기반으로 3차원 재현. (Light Detection and Ranging) 측량기술은 영상 센. 의 반자동화가 가능하며 신뢰도가 양호한 저비용의 효. 서를 조합하여 앞서 기술한 2가지 방법에 비해 작업면. 율적인 방법임을 입증하였다. Bolognesi et al.(2015)등. 의 효율성은 있으나 측량여건이 협소하고 피사체가. 은 건축 문화유산물 재현을 위해 초경량 생활용 카메. 대형인 경우, 경사도에 따른 제약이 있고 특히, 장비구. 라를 탑재한 소형 원격제어항공시스템 기반 사진측정. 입비용의 부담이 있다. 따라서, 본 연구에서는 UAS기. 시스템의 잠재성을 TLS 모델링 결과를 기준으로 비교. 반의 사진측정기술과 TLS 기술관련 문헌조사를 수행. 연구를 수행하고 평균오차 2cm 이내의 양호한 성과. 하고 시흥마애상의 기록 및 유지관리 방안을 선정하. 를 확인하였다. 특히, Konstantinos et al.(2016) 등은. 였다.. 그리스 Stavros 유적지의 해석을 위한 정밀 3차원 재. Grussenmeyer et al.(2008) 등은 프랑스 Alsace 지. 현작업에서 TS와 GNSS에 의한 지형측량, 항공사진. 방의 성(Haut-Andlau)을 대상으로 tacheometry,. 및 UAV 기반 영상해석 간의 비교연구를 수행하고. photogrammetry 및 TLS 조합기술을 활용하여 유적. UAV 기반 결과물의 정확도가 전통적인 지형측량 결. 지 주변 장애환경을 극복하고 기록할 수 있는 방안을. 과의 99.6% 수준으로 유적물의 해석에 충족됨을 입증. 연구하였다. Leberl et al.(2010) 등은 지도제작에서. 하였다. 강준묵(2000; 2001) 등은 20세기 초 근대문. Lidar 기술이 전통적인 필름방식에 비해 우월하지만,. 화유산 건축물을 대상으로 디지털 및 필름 카메라를. 3차원 재현작업에서 수치화와 센서 기술의 향상, 센서. 활용한 지상사진측량을 수행하고 도화작업을 수행한. 간 융합, 전 방위 영상정합, GPU 기반의 영상매칭기술. 바 있다. 또한 위프코(주)(2002)는 서울시의 안전진단. 및 자동화 등 신기술 기반의 영상해석이 Lidar에 비해. 용역사업의 일환으로 Cyrax 스캐너를 활용하여 숭례. 효율성이 우수함을 발표하였다. Waas and Zell(2013). 문 내･외부 모두를 3D 스캐닝 하여, 화재이후 복원사. 은 이스라엘의 문화유산을 대상으로 사진측량기술에. 업에 중요한 자료를 제공한 바 있다. 연구사례의 문헌. 의한 기록･보존 및 고고학 분야 응용의 경제성과 유효. 조사결과, 문화유산물의 기록과 유지관리에서 TLS에. 성을 고찰하였다. 또한, Galeazzi et al.(2013) 등은 Las. 비해 센서 향상 및 센서 간 융합, 전 방위 영상정합,. Cuevas site(Belize) 유적지를 대상으로 빛, 표면조도. GPU 기반의 영상매칭 및 자동화 기술의 향상 등으로. 등 다양한 환경 조건에서 laser scanning 및 영상해석. UAS 영상기반 사진측량기술의 선호도가 우위에 있는 Journal of Cadastre & Land InformatiX Vol.49 No.1 (2019). 87.

(4) 이용창 ∙ 강준오. 것으로 조사되었다. 본 연구에서는 문화유산물 기록. 3. 3D 재현 해석이론. 대상이 자연 암반에 조성된 대형 마애보살입상임을 감안하여 UAS 기반 영상해석법을 주방법으로 선정하. 3.1. 영상기반 3D 재현. 고 TLS 방법과의 적합성을 비교 검토하여 실측이 어 려운 환경에 있는 문화재 기록에 효율적인 방안을 제. SfM 영상해석 기반 피사체의 3D 재현 해석과정은. 시하고자 한다. 또한, 약 2년 기간 전후의 UAS 기반 정. 전처리 단계로 SIFT(Scale Invariant Feature Trans-. 지 및 동영상을 취득하여 문화유산의 유지관리에서. form, Lowe 2004), SURF(Speeded Up Robust Fea-. 주기적 육안점검의 대안 방안도 검토하였다. 이를 위. tures, Herbert et al. 2008) 및 GLOH(Gradient. 해 시흥마애상 주변부에 WGS84 좌표계 상의 지상기. Location and Orientation Histogram, Mikolajczyk. 준점을 GNSS 측량을 스행하여 설치하였고 시흥마애. and Schmid 2005) 알고리즘 등을 활용, 개별 영상단. 상 표면에는 영상해석을 위한 기준점 및 재현모형의. 위로 특징점(features)을 선별･추출한 후, 인접영상. 기하학적 정확도를 검증하기 위한 검사점을 무타켓. 간, 특징점의 정합으로 공액점을 선정한다. 이들 공액. TS를 활용하여 설치하였다. UAS 영상은 2년 간격으. 점 중 영상 간 공액성의 확률이 높은 점만을 매개로. 로 2016년 11월과 2018년 11월에 각각 수동 비행하여. Figure 1(a)의 ‘피사체(m)-카메라 렌즈중심(O)-영상. 시흥마애상의 재현을 위한 정지영상과 유지관리를 위. (m')’ 간의 투영 모델식을 카메라 렌즈의 방사(radial). 한 주변 환경을 포함한 동영상을 취득하였다. SfM. 및 접선(tangential) 방향 왜곡(distortion)보정을 고. (Structure from Motion) 해석(이용창 2017)기반의. 려하여 구성한다. 특히, Figure 1(b)와 같이 피사체 제. 영상해석을 통해 재현한 마애상의 3차원 정확도를 검. 점(m)의 인접 영상 간, 공액기하구속조건이 만족되도. 토한 후, 외형적 형상에 대한 정량적 제원을 취득하여. 록 RANSAC(RANdom Sampling And Consensus,. 문화재청 및 시흥시청의 기존 자료와 비교하였다. 또. Martin et al. 1981) 등의 영상정합(image matching). 한 UAS 영상으로부터 시흥마애상의 정사영상을 구성. 알고리즘을 적용, 번들조정(bundle adjustment) 또. 한 후, 불상의 선각 현상을 도화하여 문화유산물 기록. 는 영상삼각측량(imagel triangulation)과 필터링의. 의 기본 자료를 구축하였다. 특히, 2018년 UAS 촬영. 순환 조정을 통해 모든 영상 내 각 특징점의 영상 간. 시, 레이저 스캐너를 활용하여 취득한 점군 자료를 기. 최적 정합상태를 유도한다. 이 조정에서 산출된 정밀. 본으로 2016년 재현한 마애불상의 점군자료 간 중첩. 내･외부 표정요소와 지상기준점(GCP)를 적용하여 실. 분석 및 2016년과 2018년 UAS 기반 점군자료 간 중. 세계 좌표계상의 고밀도 측점군, Depth map 기반의. 첩 분석을 각각 수행하고 약 2년 기간 중, 시흥마애상. 수치표면모형(DSM), 수치표고모형(DEM) 및 정사영. 이 조각된 암반의 상대적인 변형상태도 고찰하였다.. 상(ortho_photomap) 등을 종합적으로 재현한다(이. 아울러 시흥마애상 주변의 정지 및 동영상 자료를 분. 용창 2017).. 석하여 크랙, 파손, 배수로 상태 등 보존 및 유지관리 를 위한 주변 환경 현황을 고찰하여 UAS 영상 기반 문. 3.2. TOF와 영상융합 재현. 화유산물의 기록과 유지관리 및 육안점검 대안의 적 합성을 종합적으로 검토하였다.. 피사체상 임의 점(P)의 TOF(Time Of Flight) 기반 Laser. Scanner에. 의한. 3차원. 실세계좌표. (      )는 Figure 2에서 TLS 로부터. 88. 「지적과 국토정보」 제49권 제1호. 2019.

(5) UAS 영상기반 문화유산물의 정밀 3차원 현상 모델링. Figure 1. Illustration scheme of the pinhole camera model (a) and of the epipolar geometry (b) Source : Andrea et al. 2012. 캐너와 카메라 중심 간의 기선거리(B), 카메라의 사진 좌표(xp, yp), 렌즈의 초점거리(f)와 왜곡보정계수 등 을 식 (2)에 적용하면 영상의 p점에 대한 실세계 3차 원 좌표를 산출할 수 있고, TLS로 부터 산출된 피사체 의 측점 군과 영상을 동일 좌표계 상에서 중첩ㆍ재현 할 수 있다(Lichti 2005)..          . Figure 2. Diagrammatic representation of the parameters for triangulation principle of Laser Scanner system with Camera Source : Lichti 2005.    . tan  . (2).       tan          .    . tan  .        관측된 거리(S)와 수평각(  ) 및 수직각(  )를 삼각.  .    . tan  . 법에 근거한 식 (1)에 적용하여 산출할 수 있다. 또한 Figure 2와 같이 피사체 P점의 반사 레이저 광원은 카. 4. 관측 및 자료처리. 메라에 입사되어 사진면상 p점을 형성하게 된다. Figure 3은 GRS80 세계타원체 상에서 문화유산물.   ∙ cos   ∙ cos       ∙ cos    ∙ sin     ∙ sin           .   . . 의 기록을 위해 시흥마애상 주변에 설치한 지상기준. (1). 점의 GNSS 측량, 불상벽면에 부착한 인공기준점과 재 현 영상의 기하학적 정확성 검토를 위해 벽면의 특징 점을 대상으로 선점한 자연점 대상, 무타켓 TS. 따라서, TLS로 부터 광원의 수직각(  ), 레이저 스. (TOPCON GPT-6002C, 3∼25m : ±10mm m.s.e, Journal of Cadastre & Land InformatiX Vol.49 No.1 (2019). 89.

(6) 이용창 ∙ 강준오. (c). (a). (b). (d). Figure 3. (a) GNSS surveying for ground control point's coordinate determination, (b) Non_prism total station surveying for coordinates determination of the natural and artificial points on the rock-carved Bodhisattva, (c) shape of artificial target, and (d) UAS photographing for reconstruction of Bodhisattva.. 25m 이상 : ±5mm m.s.e)에 의한 측량 모습이다.. 또한 시흥마애상 주변 환경에 대한 동영상(4K)을 촬영하여 문화유산물의 육안점검 대안 및 유지관리. 4.1. UAS 사진촬영 UAS 사진촬영은 2016년 12월 2일과 2018년 11월. 상태를 검토하기 위한 자료로 활용하였다.. 4.2. 지상 레이저 스캐닝. 16일에 각각 DJI사의 팬톰 3 Pro. (FC300X, f=4mm, 4000×3000pixels, 779장)와 팬톰 4 Pro.(FC6310,. 국보･보물 건조물문화재 정밀실측 지침(문화재청. f=9mm, 5472×3648 pixels, 284장) UAS를 활용하여. 2014)에 의하면 문화유산물 기록을 위한 기준점은. 중복도가 충분히 확보될 수 있도록 수동 촬영하였다.. GPS측량, 암각화류에 대한 정밀 실측은 탁본 또는 3D. 특히, 취득한 영상은 전처리작업(노출문제, 과다중복,. 스캔 방법으로 진행하게 되어 있다. 특히, 매핑은 3차. 불필요한 부분이 포함된 영상 등을 제외)을 통해 2016. 원 스캐닝 데이터에 2차원 사진데이터를 입히는 작업. 년 12월 2일 획득 영상 중 406매, 2018년 11월 16일. 을 수행한다. TLS 측량은 2018년 11월 16일, RGB영. 획득 영상 중 280매를 각각 선별한 후, SfM 기반의 상. 상 취득(2592×1944 pixels)과 동시에 초당 최대. 업용 영상해석 툴(ContextCapture Master, Bently. 26,600 포인트의 스캔이 가능한 Trimble사의 SX10. 2019) 을 활용하여 해석하였다.. TLS 장비(측각 정밀도 : 1", 측거 정밀도 : 무타켓. Figure 4(a)와 Figure 4(b)는 각각 2016년과 2018. 2.0mm+1.5ppm, 최대 스캔범위 600m, Laser 스폿 크. 년에 획득한 UAS 영상을 불상벽면에 설정한 기준점. 기는 100m에서 14mm)를 시흥마애상 주변 5개소에. (적색 원) 기준, SfM 영상해석으로 재현한 3D 모형과. 이동 설치하면서 진행하였다. Figure 5의 (a), (b) 및. 수정된 UAS 촬영점의 위치를 나타낸 것이다.. (c)는 각각 시흥마애상의 SX10 스캐닝 측량 모습,. 90. 「지적과 국토정보」 제49권 제1호. 2019.

(7) UAS 영상기반 문화유산물의 정밀 3차원 현상 모델링. (a). (b). Figure 4. The location of the UAS shooting points, the 3D reproduction model based on SfM image analysis using both the control points on the rock-carved Bodhisattva and the images acquired on (a) December 2, 2016 and (b) November 16, 2018, respectively.. (a). (b). (c). Figure 5. (a)Terrestrial laser scanning by SX10 TLS surveying, (b)the whole view of the rock around the Bodhisattva with SX10 TLS stations, and (c)detail of points clouds of Bodhisattva.. SX10 장비 설치점 5개소와 Realwork Survey (Trimble. 영상 간에 농담 편차가 크게 나타나 있는데 이는 TLS. 2019)해석 툴을 활용하여 재현한 시흥마애상의 암벽. 에 장착된 카메라로 수직벽체에 조상된 시흥마애상의. 전경 및 시흥마애상이 조상된 암벽부의 확대 모습을. 촬영 시, 역광 및 주변 반사광 등에 기인된 것으로 판. 나타낸 것이다. 세 가지 재현모형의 정합상태는 기기. 단되었다.. 공차범위 이내의 편차로 모델링이 가능하였다. 특히, Figure 5(b)의 측점 군과 영상간의 중첩재현의 경우, Journal of Cadastre & Land InformatiX Vol.49 No.1 (2019). 91.

(8) 이용창 ∙ 강준오. (a) (b) (c) Figure 6. (a) Distribution of the artificial control points and natural check points on the rock-carved Bodhisattva, (b) detail of check points, and (c) comparison of 3D coordinates between the reconstructed Bodhisattva's model and non-prism total station for 3D geometric accuracy verification, (unit : m). 5. 비교분석. 과 Figure 4(b)의 벽면 기준점(적색 원 4점)을 활용하 여 해석한 재현모형에서도 2016년도 재현모형과 유. 문화 유산물 기록을 위한 UAS 영상기반 재현모형 의 정확도를 검토하기 위해 시흥마애상이 조상된 암. 사하게 세 좌표성분에서 평균 2cm 이내의 기하학적 정확도로 재현이 가능하였다.. 석표면의 검사점과 지상 레이저 스캐닝 재현모형을 활용하였다. 또한 문화유산물의 주요부에 대한 근접. 5.2. TLS 및 UAS 기반 측점 군 모형간의 정합성. 정지 및 동영상을 활용하여 유지관리를 위한 UAS 활 용의 효용성을 검토하였다.. Figure 7(a)는 2016년(적색)과 2018년(녹색) UAS 영상기반 측점 군, Figure 7(b)는 2016년 UAS 영상기. 5.1. 검사점에 의한 UAS 재현 모형의 정확도. 반 측점 군(녹색)과 TLS기반 측점 군(적색), Figure 7(c)는 Realwork Survey로 2018년 UAS기반 측점군. Figure 6은 2016년 12월 2일, Figure 4(a)의 벽면. (녹색)과 TLS기반 측점군(적색)을 중첩한 후, 시흥마. 기준점 3점(#5, #10, #11)을 기준으로 재현한 UAS 영. 애상 정면 부를 기준으로 각 중첩부분의 최대편차를. 상기반 3D 재현모형의 기하학적 3차원 정확도를 검토. 나타낸 것이다. Figure 7의 측점군간 중첩비율이. 하기 위해 선정한 16점의 검사점 위치와 상세도, 각 검. 65%, 61% 및 44%로 다른 것은 영상 촬영과 재현 및. 사점의 재현모형 상에서 취득한 좌표 및 무타켓 TS 측. TLS 스캐닝 시 범위가 각 시점마다 다르기 때문이지. 량에 의한 좌표를 비교 정리한 것이다. 두 측량성과. 만, 시흥마애상이 조상된 암벽은 세 경우, 모두 중첩되. 간, 3D 좌표의 절대평균편차는 N, E 및 U성분에서 각. 어 있다. Figure 7(a)의 UAS 영상기반 측점 군 모형 간. 각 1.9cm, 1.3cm 및 1.5cm로 기하학적으로 양호한 모. 중첩부분의 2년 전･후 최대편차는 약 1.9cm, TLS 측. 형으로 재현할 수 있었다. 또한, 2018년 촬영한 영상. 점 군 기준의 2016년 중첩상태인 Figure 7(b)의 최대. 92. 「지적과 국토정보」 제49권 제1호. 2019.

(9) UAS 영상기반 문화유산물의 정밀 3차원 현상 모델링. 2016 UAS(R), 2018 UAS(G). 2016 UAS(G), SX10(R). 2018 UAS(G), SX10(R). Overlap ratio (max deviation) 65% (18.83mm). Overlap ratio (max deviation) 61% (17.37mm). Overlap ratio (max deviation) 44% (18.70mm). (a) (b) (c) Figure 7. Comparison of matching status for overlaid parts between 3D points cloud models of the rock-carved Bodhisattva reconstructed by both UAS photogrammetry surveying and TLS Surveying over about two years ago and after.. 편차도 1.7cm로 나타났다. 또한, 2018년에 수행된. 모형의 기하학적 정확도를 검사점의 TS 좌표와 TLS. UAS 영상기반 측점 군과 TLS 측점군간 중첩상태. 기반 측점 군 모형을 기준으로 비교 고찰하여 UAS 영. (Figure 7(c))의 최대편차도 1.9cm로 세 경우 모두 상. 상해석결과의 정확도를 검증할 수 있었다. 또한, 국보. 대적인 편차의 크기가 유사하므로 최근 약 2년 전･후. ･보물 건조물문화재 정밀실측 지침(문화재청 2014). 기간 동안, 시흥마애상 표면의 상대적 변위는 매우 미. 에 의하면 매핑은 TLS방식에 의한 3차원 스캔데이터. 미한 것으로 검토되었다. 특히, 세 경우의 편차분포도. 에 2차원 사진을 입히는 방식으로 수행되나 UAS 기반. 에서 상대적 편차가 발생된 부분이 Figure 7(a)의 경. 재현의 경우, 영상해석 시, 필요 측점 군 밀도를 사전. 우는 크기는 미소하지만 전면 중･하부에 고루 분포한. 에 선정할 수 있는 유연성은 물론 고 해상 영상의 중첩. 반면, Figure 7(b) 및 Figure 7(c)의 경우 화강암반의. 해석으로 기존 TLS 기반 재현에 비해 작업의 효율과. 특징인 다수의 절리와 균열부에서도 발생되었다.. 매핑품질이 양호한 장점이 있다. 따라서, 시흥마애상. Figure 7(a)의 편차부분은 두 실험 진행 중 UAS 카메. 과 같이 산 지형 내 자연 암반 상에 조상된 대형 문화. 라의 해상도, 촬영매수, 촬영당시 일기, 조명상태 및. 유산물의 기록 작업 시, 기하학적 정확도가 대등하면. 기준점 전개와 장비운용면의 상이함 등이 종합적으로. 서 상대적으로 경제적이며 작업환경에 유연한 UAS. 반영된 결과로 사료된다. Figure 7(b) 및 Figure 7(c). 영상기반의 재현기술을 적용한다면, 문화재 주요 부. 의 경우는 TLS 스캐닝 작업 시 반영된 원인 중에서도. 분의 현상에 대한 정량적 정보화와 3D 재현기록에 효. 특히, 지상 및 경사지에서 TLS 장비를 운용한 관계로. 율성이 높을 것으로 기대된다.. 피사체의 절리부와 균열부에서 편차 발생이 상대적으 로 많이 나타난 것으로 분석된다. UAS 영상기반 재현. Journal of Cadastre & Land InformatiX Vol.49 No.1 (2019). 93.

(10) 이용창 ∙ 강준오. (a). (b). (c). (d). Figure 8. The reconstruction of the rock-carved Bodhisattva by Rubbing, TLS, and UAS image, and UAS-based drawing reproduction of the intaglio line. 5.3. UAS 영상기반 시흥마애불상의 재현 및 주요부 제원. 재현할 수 있었다. 시흥마애상은 제작년도와 제작자 관련 기록이 없지만, 문화재청에서는 시흥마애상의 특징 상 제작시기를 고려시대로 추정하고 있다. 본 연. Figure 8(a)는 1988년 7월 시흥군지편찬위원회의. 구에서도 고려시대 제작된 마애불상의 사료조사(국립. 주관으로 명지대학교 박물관에 의뢰하여 1달 동안. 문화재연구소 2018)로부터 천연 암벽에 얼굴은 양각. 100여 명이 참여하여 제작한 시흥마애상의 탁본,. 기법, 몸체는 시흥마애상과 같이 선각기법으로 제작. Figure 8(b)와 Figure 8(c)는 각각 2018년 11월과. 된 제천 덕주사 마애여래입상(높이 13m, 11세기 고려. 2016년 12월에 수행한 TLS와 UAS 영상기반의 재현. 시대 초기, 보물 406호 지정, 지정일 1964년 9월 3일). 모형을 비교하여 나타낸 것이다. 특히, Figure 8(d)는. 의 구조(입상)와 규모, 조각기법 및 오른손 수인 등이. UAS 영상기반 시흥마애상의 선각(음각) 상태를. 매우 유사함을 확인하였다. 따라서, 산중의 천연암벽. Realwork의 정면투시영상 기능을 활용하여 도화한. 에 조상된 대형 마애불상을 대상으로 UAS 영상기반. 것이다. 약 30년 전의 탁본 상태와 비교할 때 사람의. 의 3D 재현모형을 통해 불교문화유산물의 고증자료. 손길이 닿기 쉬운 시흥마애상 하단 부, 천의(옷고름). 제공 및 관련 학술연구에 효율적인 활용이 기대된다.. 부분과 얕은 음각선으로 조상된 연화대좌의 꽃무늬. Table 1은 Figure 8(c)의 UAS 영상기반 재현 모형. 부분은 음각선의 풍화에 따른 마모와 인위적 훼손 등. 의 실세계 좌표를 기반으로 시흥마애상 주요 현상부. 으로 재현에 어려운 부분도 있었지만, 절리 및 균열 부. 에 대한 정량적 정보를 도출하고 탁본자료와 역사기. 를 제외한 다른 부분의 현상 상태는 대체로 양호하게. 록을 근간으로 기 발표된 자료(문화재청, 2019; 시흥. 94. 「지적과 국토정보」 제49권 제1호. 2019.

(11) UAS 영상기반 문화유산물의 정밀 3차원 현상 모델링. Table 1. Comparison of quantitative size for the major parts of the rock-carved Bodhisattva between UAS Image based reconstruction model and existing presentation materials (unit : m) Source. Siheung local data room. Cultural Heritage Administration. UAS image based reconstruction. Full body height. 12.3. 14. 12.38. Hat height. 1.42. 1.8. 1.82. Foot lebgth. 1.24. 1.24. 1.20. Nail length. ·. ·. 0.17. Claw length. 0.15. 0.15. 0.17. Main parts. Ear length. 1.27. 1.27. 1.23. Eye length. 0.5. 0.5. 0.48. Mouth length. 0.43. 0.43. 0.44. Head height. 3.5. 3.5. 3.43. Shoulder width. 3.75. 3.75. 3.60. 시 사이버 역사관 2019; 시흥문화원 2019)와의 정량. Figure 9로부터 불상이 조상된 암벽은 목 주변을 변. 적 수치를 비교･정리한 것이다. 시흥마애상 주요부분. 곡점으로 상부･하부 방향 암벽면의 기울기가 변화함. 에 대한 수치는 좌우 대칭 형상인 경우 각 주요부의 최. 을 확인할 수 있다. 목 부분 위치에서 보관 최 상부 방. 대치를 기록한 것이다. 불상의 규모･크기의 경우 문화. 향의 연직각은 3°53′25″, 연화대좌 최 하부 위치에서. 재청에서는 14m로 기록하고 있으나 이는 불상이 조. 목 부분 및 보관 최 상부까지의 연직각은 각각 10°20′. 상된 암벽의 상단과 하단까지의 길이로 확인되었다.. 24″ 및 8°28′28″으로 재현모형에서 측정할 수 있었다.. 또한 불상의 보관(모자) 높이를 시흥시 향토자료실. 2단 기울기를 고려한 시흥마애상의 최상부와 목 주변. (시흥시 사이버 역사관 2019)에서는 1.42m로 발표하. 까지의 사거리와 수직거리는 각각 3.39m 및 3.38m,. 였으나 측정결과 1.8m로 확인되었다. UAS 영상기반. 목 주변에서 연화대좌 최하단부까지의 사거리와 수직. 의 시흥마애상 주요부에 대한 정량적 수치는 기존 발. 거리 또한 8.97m 및 8.82m로 불상 전신에 대한 사거. 표된 자료와 매우 근사한 값으로 산출되어 문화유산. 리와 수직거리는 각각 12.36m 및 12.21m로 측정되어. 물의 정량적 기록 작업에 UAS 영상의 효율적 활용이. 약 15cm의 거리편차를 나타내었다. 또한 불상 중심부. 기대된다.. 의 암벽 최상단과 최하단간 사거리와 수직거리는 각 각 14.21m 및 14.05m로 최하단점에서 연직각은 8°3. 5.4. UAS 영상기반 불상 암벽의 유지관리. 7′15″로 거의 수직에 가까운 천연암벽에 시흥마애상 이 조상되었음을 확인할 수 있었다.. Figure 9는 각각 UAS 영상기반 시흥마애상의 정면. 2017년 국가지정 건조물문화재 정기조사 보고서에. 부, 우측면부, 목 부분을 변곡점으로 한 상･하 2단 경. 의하면 시흥마애상은 주변이 문화재보호구역으로 지. 사면 및 변곡점에서 보관의 최상부와 연화대좌 최 하. 정(시흥시 공고 : 2006. 9. 7)된 이후 2012 ∼ 2013년. 부를 잇는 경사선의 법선(최대거리편차)을 확대하여. 기간 중, 건･습식 세척, 방수 경화처리, 균열부 수리 처. 나타낸 것이다.. 리, 상부 유수로 설치, 주변정비 및 펜스설치 등의 보. Journal of Cadastre & Land InformatiX Vol.49 No.1 (2019). 95.

(12) 이용창 ∙ 강준오. Figure 9. The UAS image-based front and right sides of the rock-carved Bodhisattva. In addition, The magnification image of the normal line (the maximum distance deviation) constructed at the inflection point by the slope line connecting the top of the hat and the bottom of the pedestal.. 존처리가 진행되었다. 불두와 불신부의 균열 등이 확. 보수공사 전까지 토사가 유수에 실려 흘러내리면서. 인되나 구조적 문제는 없으며, 보존관리 상태는 전반. 변색된 부분으로 세척작업이 진행되었으나 잔여 퇴색. 적으로 양호한 상태(A)로 조사된 바 있다. 또한, 2013. 부와 백태 및 표면 박리 현상이 전신에서 관찰되고 있. ∼2017 (재)경기문화재단의 문화재 돌봄사업이 수행. 다. Figure 10(d)는 UAS 영상을 분석하여 시흥마애상. 된바 있다. 시흥시청 문화재 과에서는 현재 CCTV를. 의 보존을 위한 주변시설현황을 종합적으로 고찰한. 설치 유지관리를 수행하고 있는 상태이다(국립문화재. 것이다. 시흥마애상의 상부에는 배수로가 삼중으로. 연구소 2018). Figure 10(a) ∼ 10(f)는 UAS 영상기반. 설치된 상태이나 3번째 배수로 일부에서 Figure. 재현 모형을 중심으로 검토한 시흥마애상의 표면 상. 10(e)와 같이 암벽 우측면의 균열이 연속되어 발전되. 태와 구조적 특징 및 불상 상부의 배수로 부분과 문화. 고 있는 것이 확인되었다. 또한 Figure 10(f)는 시흥마. 재 주변 유지관리 시설의 현황이다. 동영상과 확대영. 애상 상부에 설치된 배수로의 확대 영상으로 배수로. 상에서 분석한 결과, 시흥마애상이 조상된 암벽 면은. 좌측단부의 유수 출로에 다량의 낙엽 잎이 쌓여 있는. 화강암 재질로 표면에는 다수의 상하, 좌우 및 경사방. 모습이 관찰되었다. 이외에도 등산객의 접근을 방지. 향으로 깊고 굵은 절리와 균열이 관찰되며 특히, 6.25. 하기 위한 펜스가 암벽주변에 설치되어 있다. 문화재. 동란 중, 피탄에 의한 직경 2m의 함몰부(A, B)와 1m. 청에서는 2006년 이후부터, 국가지정 검조물문화재. 의 함몰부(C)가 불상 주변에 분포되어 있는데 B 위치. 에 대한 정기조사를 3년마다 실시하고 있고 문화재 보. 의 경우 대각선방향 및 좌우방향의 절리와 균열이 교. 호법 시행규칙 제28조에 해당하는 경우 5년마다 실시. 차하고 있는 상태이다. 또한, Figure 10(a)에서 D 부분. 하고 있다(법제처 2018). 시흥마애상은 2017년 정기. 은 보관 및 불상의 머리 부분으로 암벽 상부의 배수로. 조사를 통해 암벽 및 유지관리 부문에서 A등급 판정. 96. 「지적과 국토정보」 제49권 제1호. 2019.

(13) UAS 영상기반 문화유산물의 정밀 3차원 현상 모델링. Figure 10. Structural characteristics of rock wall surface, reinforcement facility of drainage at the upper rock wall, and facilities around rock wall for maintenance of the rock-carved Bodhisattva.. 을 받아 5년 뒤인 2022년에 재조사가 진행될 예정이. 증한 결과 다음의 결론을 얻을 수 있었다.. 다. 따라서, 중･소형 석조문화유산물은 물론 시흥마애. 첫째, UAS 영상기반 보물 제1324호, 시흥소래산마. 상과 같은 대형 문화유산물의 신규기록, 육안점검 및. 애보살입상을 대상으로 재현한 3D 모형의 기하학적. 정밀외관점검의 대안으로 UAS 영상기반 재현･점검. 정확도를 무타켓 TS로 사전 결정된 검사점 좌표를 기. 기술을 적용한다면, 국가지정 문화재의 유지관리방안. 준으로 비교･고찰한 결과, 3차원 좌표성분의 절대평. 에 효율적 활용이 기대된다.. 균편차는 각각 ΔN=1.9cm, ΔE=1.3cm 및 ΔU=1.5cm 로 측량기기와 현장여건을 반영한 공차 대비 기하학. 6. 결 론. 적으로 양호한 모형을 재현할 수 있었다. 둘째, 산중, 천연 수직암벽에 조상된 대형마애불상. 시흥소래산마애보살입상과 같은 대형 문화유산의. 문화재의 문화유산물 기록을 위해 TLS 및 약 2년 전･. 기록조사를 위한 현상모델링과 유지관리를 위한 육안. 후의 UAS 영상기반 3D 재현 모형, 3종을 각각 중첩 비. 점검 및 정기점검의 대체방안으로 UAS 기반 영상 활. 교･고찰한 결과 3차원 좌표의 최대편차는 1.7cm~. 용법의 정확도와 활용성을 검사점과 TLS에 의한 재현. 1.9cm로 3D 재현모형의 검사점 편차와 유사한 정확. 모형 및 기존 실측자료를 기준으로 비교･고찰하고 검. 도를 확인할 수 있었다. 특히 TLS에 의한 재현모형 기. Journal of Cadastre & Land InformatiX Vol.49 No.1 (2019). 97.

(14) 이용창 ∙ 강준오. 준, 약 2년 기간 중 시흥소래산마애보살입상 표면의. 참고문헌. 상대적 변동은 미미한 것으로 검토되었다.. References. 셋째, UAS 영상기반, 보물 제1324호 시흥소래산마 애보살입상의 주요부에 대한 정량적 제원을 산출하고 전통적인 기록 방법인 2차원 탁본자료를 근거로 한 문 화재청 및 시흥시 사료와 비교･고찰한 결과, 매우 근 접한 제원을 획득할 수 있었고 특히, 시흥마애불상의 선각도면 및 3차원 재현정보를 기록할 수 있었다. 넷째, 시흥소래산마애보살입상의 유지 및 보존관리 를 위한 육안점검 및 정밀외관점검의 대안으로 UAS 영상기반 3D 재현모형 및 고 해상 영상 자료를 활용하 여 기울기 등 구조부문, 암벽면의 풍화, 절리, 균열과 백태 상태 파악은 물론 주변 환경의 종합적인 유지관 리 등에서 UAS 영상기반 문화 유산물의 신규기록, 재 현･점검 기술로서의 효용성을 입증할 수 있었다. 2018년 10월 16일 기준, 국내 건조물 문화재의 정기 조사 대상은 목조문화재는 184건, 석조문화재 567건 이며 신규 등록 물이 계속 추가되고 있다. 국가 건조물 문화재는 목조와 석조 로 규모와 환경이 다양하여 신 규 등록은 물론 유지보존 등 정기적인 재조사에 많은 예산을 필요로 한다. 따라서, UAS 영상기반 신규기록 및 유지관리 방법을 기존 방법과 병용 또는 대체한다 면 보다 효율적인 문화유산물의 관리는 물론 훼손된 기존 문화유산물의 복원과 재현 등 다양한 기대효과 가 예상된다.. 감사의 글. 국립문화재연구소. 2018. 2017 국가지정 건조물문화 재 정기조사 국보･보물, ISBN 978-89-2991357-1 94600. National Research Institute of Cultural Heritage. 2017. The Periodic Survey of the State-. Designated Architectural Structures Heritage. National Treasure and Treasure, ISBN 97889-299-1357-1 94600. 강준묵. 2000. 20세기 초 건축물 사진실측 조사보고 서, 충남대학교 지역개발연구소. 간행물 발간등록 번호 11-1550000-000017-01. Kang JM. 2000. A Photogrammetry and Investi-. gation for the Beginning of 20th Century Archtectures. Regional Development Institute of Chungnam National University. Report No. 11-1550000-000017-01. 강준묵. 2001. 근대문화유산 건축물 사진실측 조사 보 고서, 충남대학교 공과대학 부설 산업기술연구소. 간행물 발간등록번호 11-1550000-000048-10. Kang JM. 2001. The Photogrammetric Measure-. ment and Investigation for the Cultural Properties of Architectures in Modern Ages. Industrial Technology Eesearch Institute of Chunnam National University. Report No. 11-1550000-000048-10. 문화재청. 2014. 국보보물 건조물문화재 정밀실측 지. 본 연구는 2017년 인천대학교 자체연구지원비에 의해 이루어진 연구내용으로 인천대학교의 지원에 감 사드립니다.. 침, ISBN 978-89-299-0614-6, 2014, 12. Cultural Heritage Administration. 2014. Guidance. of the Precise Surveying of National Cultural and Heritage. ISBN 978-89-299-0614-6. 문화재청. 2019. 보물 제1324호 시흥 소래산 마애보살 입상 [인터넷]. [http://www.heritage.go.kr/he. 98. 「지적과 국토정보」 제49권 제1호. 2019.

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