1. 서 론
최근 산업화와 도시화에 따라 기후변화가 급속히 진 행되고 있으며, 이로 인해 우리나라의 경우 극심한 가 뭄으로 인해 댐저수지의 저수량 확보에 많은 어려움을 겪고 있다. 또한 집중호우로 인한 토양침식으로 인해 저수지에 퇴사가 누적되므로 저수량을 주기적으로 관 리하는 것은 용수공급을 비롯하여 수리수문 및 수질관
리 측면에서 매우 중요하다(Jeong et al., 2005; Yang et al., 2003). 저수지를 건설시 담수 전에 항공사진측량 등을 활용하여 수위별 저수면적(area)과 저수량(capacity) 을 정확히 계산하여 곡선식을 산출하여 활용하게 된다.
그러나, 상류에서 유입된 토사가 장기간 저수지로 유입 됨에 따라 저수지의 퇴사가 증가할 경우 저수량이 감소 하여 효율적인 저수지 운영이 어렵게 된다. 따라서 주 기적으로 저수지의 저수면적과 저수량을 모니터링하여
Received: 2016.08.29, revised: 2016.09.06, accepted: 2016.09.19
* 정회원ㆍ전주비전대학교 지적토목학과 조교수(Member, Professor, Department of Cadastre and Civil Engineering, Vision College of Jeonju, [email protected])
** 교신저자ㆍ정회원ㆍ조선이공대학교 토목건설과 부교수(Corrensponding Author, Member, Professor, Department of Civil Construction Engineering, Chosun College of Science and Technology, [email protected])
*** 정회원ㆍ경남과학기술대학교 토목공학과 교수(Member, Professor, Department of Civil Engineering, Gyeongnam National University of Science and Technology, [email protected])
**** 정회원ㆍ㈜공간정보 대표(Member, Representative, Geospatial Information CO.Ltd, [email protected])
무인항공기 사진측량에 의한 저수면적과 저수량 곡선식 산정
Estimation of Reservoir Area and Capacity Curve Equation using
UAV Photogrammetry
1)
이근상*ㆍ최연웅**ㆍ이석배***ㆍ김석구****
Lee, Geun SangㆍChoi, Yun WoongㆍLee, Suk BaeㆍKim, Seok Gu 要 旨
용수공급이나 수질관리 등과 같은 저수지 운영을 위해서는 최신의 수위별 저수면적과 저수량을 평가해야 한다. 본 연구에서는 괴연저수지를 대상으로 UAV 촬영 및 GCP 측량을 통해 정사영상과 DSM 자료를 구축하였으며, 저수 지 영역에 대한 TIN 데이터모델을 구축함으로써 실제 저수구간인 149~156 EL.m에 대한 수위별 저수면적과 저수 량을 계산할 수 있었다. 또한 수위별 저수면적과 저수량 자료에 대해 다양한 함수식을 적용한 결과, 수위별 저수면 적은 4차 다항식을 적용한 곡선식의 결정계수가 0.97로 가장 높게 나타났으며 수위별 저수량은 2차 다항식을 적용 한 곡선식의 결정계수가 0.99로 가장 높게 나타남을 알 수 있었다. 이와 같이 UAV 사진측량을 통해 저수면적과 저수량 곡선식을 산정함으로서 효율적인 저수지 관리가 가능할 것으로 판단된다.
핵심용어 : 무인비행시스템, 저수량, 저수면적, 수치표면모델, 불규칙삼각망
Abstract
Reservoir area and reservoir capacity must be evaluated for reservoir management such a water supply, water-purity control and so on. In this paper, the reservoir area and reservoir capacity according to the level of storage range of water(149～156 El.m) could be calculated by using TIN data model of study area, Gyoyeon reservoir, TIN data model was made of DSM which was created by using UAV and GCP survey. From the results of applying the various functions to reservoir area and capacity, reservoir area and reservoir capacity according to the level of storage range of water showed the highest coefficient of determination of 0.97 in fourth-order polynomial, and 0.99 in second-order polynomial, respectively. Thus, it could be expected the efficient reservoir management by estimating reservoir area and capacity curve equation through UAV photogrammetry.
Keywords : UAV, Reservoir Capacity, Reservoir Area, DSM, TIN
93 Vol.24 No.3 September 2016 pp.93-101
연구논문
ISSN: 2287-6693(Online) http://dx.doi.org/10.7319/kogsis.2016.24.3.093
저수면적과 저수량 곡선식을 갱신하는 것이 중요하다 (Lee, 2010).
한국수자원공사나 한국농어촌공사에서 관리하는 비 교적 큰 규모의 저수지는 수위별 저수면적과 저수량 평 가를 위해 물을 모두 방류하기는 쉽지 않다. 따라서 일 반적으로 5~10년을 주기로 음향측심기 등을 활용하여 댐저수지의 지형을 취득하여 저수면적과 저수량 곡선 식을 산정하고 있으며 토사가 저수지에 매우 많이 퇴적 되었다고 판단시 준설을 위한 방류도 일부 시행되고 있 는 것으로 조사되었다. 그러나, 지자체에서 관리하는 소형 저수지는 예산 등의 문제로 적정 저수량 관리 및 댐체 안정을 위한 모니터링도 매우 미흡한 실정이다. 특히 지자체에서 관리하는 소형 저수지는 농경지 용수 공급 등을 목적으로 상류에 위치하고 있기 때문에 상대 적으로 많은 퇴사가 진행되고 있기 때문에 주기적인 관 리가 매우 중요하다(Park and Jeong, 2005; Lee and Choi, 2010).
대형 저수지의 경우는 음향측심기를 이용하여 지형 도를 제작하고 있으나 소형 저수지의 경우는 용수공급 이 상대적으로 적은 가을에 물을 모두 방류 후 준설을 한 후 항공사진측량이나 항공레이저측량 등을 활용하 여 정밀 지형도를 제작하게 된다(Lee, 2010).
최근 지형측량 분야에 무인비행측량시스템(UAV, unmanned aerial vehicle)을 활용한 다양한 연구들이 시도되고 있으며, 특히 UAV 플랫폼 개발, 센서 통합을 위한 검정(calibration) 및 정확도 평가, UAV 취득자료 의 특성을 고려한 자료처리 기법 개발, UAV 취득자료 를 활용한 지도제작 등에 관한 다양한 연구가 수행되어 왔다(Colomina et al., 2008; Everaerts, 2008;
Grenzdörffer, 2008; Nagai et al., 2008; Nebiker et al., 2008).
UAV는 위치정보와 자세정보를 취득하는 GPS (global positioning system)와 INS(inertial navigation system) 센서를 비롯하여 영상을 촬영하는 카메라가 탑재되어 있으며(Everaerts, 2008; Kim, 2014), 최근에 는 VRS(virtual reference station) 측량이 가능한 UAV 장비까지 사업에 활용되면서 보다 신속하게 지형을 모 델링할 수 있게 되었다(Lee et al., 2015a).
UAV를 이용한 공간정보 제작방법 및 정확도와 관련 하여 Choi et al.(2015a)과 Shin et al.(2016)은 UAV를 이용하여 취득한 영상을 이용하여 3차원 공간정보를 제작하고 외부표정요소의 좌표체계 변환여부 및 카메 라 검정 유무에 따른 정확도를 분석하였다. 그리고 Choi et al.(2015b)은 UAV와 비측량용 디지털 카메라 를 이용한 3차원 공간정보 제작가능성을 검토하고 기
존 수치사진측량시스템과의 호환성을 분석하였으며, Lee et al.(2015b)은 UAV 영상취득 방식에 따른 성과 품의 품질을 분석하고 UAV의 측량 및 지형공간정보 분야에서의 활용 가능성을 제시하였다. 또한 Lee and Choi(2016)은 고정익 및 회전익 UAV를 이용하여 노 천광산 현장에 대한 지형측량을 실시하고 결과를 비교 하였다.
이와 같이 UAV는 비교적 저렴한 비용으로 신속하게 지형을 모델링할 수 있기 때문에 다양한 분야에 응용될 수 있으며, 따라서 댐이나 저수지 건설 후 담수 전에 UAV를 활용할 경우 최신의 정밀 지형자료를 취득할 수 있는 장점이 있다.
본 연구에서는 경북 영천시 괴연저수지를 대상으로 UAV 사진측량방법을 활용하여 저수지 주변에 대한 3 차원 지형모델링을 수행하였으며, 저수지 수위별 저수 면적과 저수량을 계산한 후 다양한 함수식에 의한 곡선 식을 개발함으로서 저수지 업무에 활용토록 하는데 목 적을 두었다.
2. 저수량 계산 방법 2.1 등고선에 의한 저수량 계산
기존에는 저수지나 댐의 저수량을 계산하기 위해 지 형도의 등고선을 이용하여 체적을 산정하였다.
Fig. 1에서 평면도에 등고선을 기입하고 각 등고선에 의해 둘러싸인 면적을 각각
이라 하고 등고선의 간격을 라 하면
～
사이의 체적
는 프리스모이덜 공식을 활용하여 계산할 수 있다(Park, 2000). 그러나 이러한 공식을 이용하여 저수량을 계산 할 경우 연속적인 지형을 효과적으로 반영하기 어렵기Figure 1. Reservoir capacity by contour
때문에 매우 불규칙한 형태의 지형에 대해서는 정확 도가 저하되는 문제가 있다.
프리스모이덜 공식은 각주공식의 일종으로 등고선 각 구간에 대한 체적은 아래와 같다.
․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․
위의 체적을 모두 합산하면,
… …
2.2 TIN 모델에 의한 저수량 평가
기존의 등고선에 의한 방법을 활용하여 저수량을 계 산하기 위해서는 각 등고선에 대한 면적을 각각 계산하 여 적용해야 되며, 또한 등고선으로 계산한 저수량을 수위별로 표시하여 수위별로 적절한 곡선식을 결정하 기 위해서는 변곡점 확인, 회귀분석과 같은 별도의 시 간과 노력이 요구된다. 또한 각 등고선간의 간격이 넓 을 경우 경사면에 대한 지형계산에 많은 오차를 가져오 게 된다.
본 연구에서는 UAV에서 취득한 DSM으로부터 불규 칙삼각망(TIN, triangulated irregular network)을 구축 하여 저수량을 계산하였다. TIN을 이용한 지형모델에 서는 linear와 quintic 보간법이 활용된다. Linear와 quintic 보간법은 모두 삼각형의 꼭지점 위치에 있는 z 값을 사용한다. Linear 보간방식에서는 Fig. 2와 같이 지형이 연속되는 삼각형으로 형성되는 것으로 간주한 다. 지형의 사면에 대해 수직인 성분은 각 삼각형의 범 위에 걸쳐 일정하다. 그러나 두 개의 인접한 삼각형을 구분하는 능선을 지날때는 지형이 급격하게 변화한다.
Linear 보간에서는 보간되는 지형의 값이 점이 내부 에 놓이게 되는 삼각형의 꼭지점에 대한 z값에 대해서 만 계산된다. TIN에 breakline이 있는 경우에는 linear 보간이 인접한 삼각형의 형태에 영향을 받지 않기 때문 에 보간법에는 영향을 주지 않는다.
Figure 2. Linear interpolation
지형의 값은 수직선과 삼각형의 세 꼭지점을 포함하 는 평면이 만나는 곳에서 구해진다. 삼각형에서 한 점(x, y, z)의 linear 보간에 대한 일반화된 Eq. (1)과 같다.
(1) A, B, C, D는 삼각형의 세 꼭지점의 좌표에 의해 결 정되는 상수이다. Linear 보간은 수직선과 삼각형의 세 꼭지점을 포함하는 평면이 교차하는 지점의 z값을 계 산한다.Quintic 보간은 linear 방식과 같이 지형모델을 연속 적인 것으로 간주한다. 또한, quintic 보간은 Fig. 3과 같이 지형모델을 부드러운 것, 즉 삼각형의 내부에서 지형이 연속적으로 변화하는 특징이 있다. 이러한 특징 은 TIN 삼각형에서 점들의 z값에 대한 보간을 수행할 때 인접한 삼각형의 기하학적인 형태를 고려하여 만들 어진 것이다.
Quintic 보간에서는 x와 y의 bivariate 오차다항식으 로 된 breakline bivariate quintic 보간 알고리즘이 사 용된다. breakline이 없는 지형에서 점의 z값에 대한 quintic 보간의 일반화된 Eq. (2)와 같다.
(2)Figure 3. Quintic Interpolation
Linear 보간은 계산속도가 빠르고 결과를 쉽게 예측
할 수 있다는 장점이 있으나, 삼각형의 모서리에서 불 연속적인 1차 도함수가 생성되므로, 삼각형 모서리의 사면에서 급격한 변화가 발생하는 단점이 있다. Linear 보간은 가급적 많은 측정치를 포함시키기 위해 체계적 으로 샘플링된 지형을 모델링할 때만 사용해야 한다. Quintic 보간은 지형정보가 임의의 위치에서 구해진 분 산된 샘플링 데이터집합으로부터 생성되므로 실제와 가까운 지형을 생성할 수 있게 되는 장점이 있으나 계 산이 복잡하고 처리시간이 많이 소요된다(Akima, 1978).
3. UAV 지형측량 3.1 연구대상지
본 연구에서는 Fig. 4와 같이 경북 영천시 괴연동에 위치하고 있는 괴연저수지를 대상지로 선정하였다. 괴 연저수지는 1945년 축조되었으며 댐형식은 토언제중심 점토형이고 둑 길이는 약 160m이다. Fig. 5는 붕괴 당 시 촬영한 사진으로서, 2014년 8월 21일 오전 9시 물 넘이(여수토) 및 저수지 둑이 붕괴되었으며 이로 인해 저수지 물이 일시에 하류로 방류되어 본촌, 채신, 괴연 등 3개 마을을 덮치면서 주택 20 여채와 약 100,000㎡
의 농경지가 침수되었다.
3.2 UAV 기반 3차원 지형측량 3.2.1 UAV 촬영계획
괴연저수지가 붕괴되어 물이 모두 방류되었으며, 이 로 인해 저수지 바닥이 모두 노출되어 저수지에 대한
Figure 5. Collapse of Gyoyeon reservoir
지형측량을 수행하기 좋은 조건이 마련되었다. 괴연저 수지의 3차원 지형모델링을 위해 스위스 SenseFly 에 서 제작한 eBee 모델을 이용하였다. eBee 모델은 고정 익 UAV로서 최대 50분까지 비행이 가능하고 단일비 행 시 약 12㎢의 비행이 가능하다. eBee에 탑재한 카메 라는 Sony사의 WX220 모델로써 초점거리는 4∼25㎜
이다. Table 1은 본 연구에서 이용한 UAV의 장비의 제원을 나타낸 것이다(Lee et al., 2015b).
Items Contents
Productor SenseFly
Wing length 0.96 m
Weight 0.69 ㎏
Battery 11.1 V, 2150 mAh
Flight time 50 min
Flight velocity 40-90 ㎞/h Table 1. UAV Specification
Figure 4. Study area
Figure 6. Design of flight plan
비행계획을 수립하기 위해 eBee 전용 소프트웨어인 eMotion을 활용하였다. 괴연저수지 주변은 높은 산지 를 포함하고 있어 UAV 촬영시 충돌의 위험 등을 고려 하여 비행고도 177m에서 해상도 5㎝급으로 촬영하도 록 설계하였다. 또한 종·횡중복도는 각각 85%와 70%
로 설계하였으며 Fig. 6은 eMotion SW를 활용하여 비 행계획을 설계하는 화면이다. 또한 괴연저수지를 촬영 한 낱장 사진에 대해 GPS와 INS 정보를 연결하기 위 해 Fig. 7과 같이 eMotion의 「Flight Data Manager」
기능을 이용하였다.
3.2.2 지상기준점 측량
UAV를 통해 정확도 높은 정사영상(orthomosaic)과 수치표면모델(DSM, digital surface model)을 얻기 위
해 지상기준점(GCP, ground control point) 측량을 수 행하였다. GCP 측량은 Fig. 8과 같이 총 5점에 대해 가상기준망을 활용하여 측위가 가능한 Trimble VRS 장비를 이용하였다. Table 2는 VRS 측량을 통해 취득 한 GCP 측량결과를 보여주고 있다.
No East North EL.m
1 367900.833 368252.197 157.59 2 377156.758 368183.444 180.90 3 376924.265 368109.148 156.78 4 377026.342 367978.407 155.12 5 377190.252 367984.437 154.50 Table 2. Survey value of GCP
Figure 8. VRS survey
Figure 7. Link of picture, GPS and INS
3.2.3 3차원 지형측량
UAV로 촬영한 사진과 GCP 측량성과를 활용하여 영상접합을 수행하였다. 영상접합은 Pix4D SW를 이용 하여 수행하였으며 이를 통해 Fig. 9와 같이 정사영상 과 DSM 자료를 구축하였다.
Fig. 10은 정사영상과 DSM 자료를 이용하여 구현한 3차원 모델링 화면이다. 저수지 둑과 물넘이(여수토) 일부가 붕괴된 모습을 확인할 수 있으며, 물이 모두 방 류되어 저수지 바닥에 대한 지형을 세부적으로 파악할 수 있었다.
Figure 10. 3D terrain modeling of Gyoyeon reservoir
4. 저수면적과 저수량 곡선식 산정 본 연구에서는 UAV를 통해 취득된 3차원 지형자료 에 대해 저수지 영역을 기준으로 절취하여 Fig. 11과 같은 저수지 DSM을 구축하였으며, 이를 이용하여 저 수량 산정에 필요한 TIN을 구축하였다. 대상지내의 표 고는 댐 정상부나 주변 도로 제방을 포함하고 있어 최
Figure 11. DSM of Gyoyeon reservoir
(a) (b)
Figure 9. (a) Orthomosaic and (b) DSM
Figure 12. Reservoir capacity by TIN
대 170.5 EL.m 까지 분포하고 있으나, 실제 담수되는 영역은 156 EL.m 까지이다.
Fig. 12는 TIN 데이터모델 기반의 저수량 산정 모식 도이며, 저수량 산정은 Eq. (3)과 같이 대상지를 구성하 고 있는 불규칙삼각망의 체적을 합산하여 계산하면 된다.
(3)여기서, 는 삼각형을 구성하는 꼭지점의 표 고값이며
는 에 투영된 삼각형의 면적이다 (Helio, 2000).본 연구에서는 TIN 모델을 기반으로 ArcGIS 툴을 이용하여 실제 담수되는 구간인 149~156 EL.m에 대해 저수면적(area)과 저수량(capacity)을 Table 3과 같이 계산할 수 있었다. Fig. 10의 ｢A｣지역은 유속에 의해 저수지 바닥이 침식되어 움푹 패인 지역으로서 수위 149~151 EL.m 구간에서 해당된다. 따라서 149~151 EL.m 수위 구간에서 저수면적과 저수량은 상대적으로 작게 나타났으며, 수위가 151 EL.m 보다 높아지면서 저수면적과 저수량이 급속히 증가하는 것으로 나타났 다.
저수지 관리를 위해서는 연속적으로 변화하는 수위 별 저수면적과 저수량을 추정해야 하며, 이를 위해 수 위별로 저수면적과 저수량 곡선식을 산정하여 업무에 활용하게 된다. 본 연구에서는 수위별 저수면적과 저수 량 곡선식을 추정하기 위해 선형식, 지수식, 로그식, 다 항식 등을 각각 적용하여 결정계수(
)가 가장 높게 나타나는 곡선식을 선정하였다.저수면적은 Eq. (4)와 같이 4차 다항식을 적용한 곡 선식의 결정계수가 0.97로 가장 높게 나타났으며, Fig.
13은 수위별 저수면적과 4차 다항식 그래프를 함께 나 타낸 것이다.
EL.m Area(㎡) Capacity(㎥)
149.0 31 8
149.5 55 26
150.0 77 53
150.5 97 85
151.0 173 128
151.5 3,368 911
152.0 15,105 5,658
152.5 28,856 17,097
153.0 33,098 32,353
153.5 36,144 49,395
154.0 37,662 67,258
154.5 38,936 85,728
155.0 39,998 104,659
155.5 40,993 123,972
156.0 41,896 143,615
Table 3. Reservoir area and capacity to water level
Figure 13. Reservoir area to water level
(4) 또한 저수량은 Eq. (5)와 같이 2차 다항식을 적용한 곡선식의 결정계수가 0.99로 가장 높게 나타났으며, Fig. 14는 수위별 저수량과 2차 다항식 그래프를 함께
Figure 14. Reservoir capacity to water level
나타낸 것이다.
(5) 5. 결 론본 연구에서는 괴연저수지를 대상으로 UAV 사진측 량방법을 이용하여 수위별 저수면적과 저수량 곡선식 을 산정하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
먼저 저수지 지형측량을 위해 괴연저수지의 물이 모 두 방류된 시점에 고정익 UAV를 이용하여 비행고도 177m에서 해상도 5㎝급으로 사진촬영을 실시하였으 며, 3차원 자료 취득을 위한 종·횡중복도는 각각 85%
와 70%로 설계하였다. 사진파일에 GPS와 INS 정보를 링크한 후 Pix4D SW를 이용하여 GCP 측량자료와 연 결함으로서 정사영상과 DSM 자료를 구축할 수 있었 다. 또한 괴연저수지에 대한 저수면적과 저수량 곡선식 을 산정하기 위해, 저수지 영역에 대한 DSM 자료를 별도로 추출한 후 TIN 데이터모델을 구축함으로서 실 제 저수구간인 149~156 EL.m에 대한 수위별 저수면적 과 저수량을 계산할 수 있었다.
댐 운영관리 업무에서는 연속적인 수위변화를 반영 한 저수면적과 저수량 곡선식을 계산하여 활용하게 된 다. 이를 위해 수위별 저수면적과 저수량 자료에 대해 다양한 함수식을 적용하였으며, 분석 결과 수위별 저수 면적은 4차 다항식을 적용한 곡선식의 결정계수가 0.97 로 가장 높게 나타났다. 또한 수위별 저수량은 2차 다 항식을 적용한 곡선식의 결정계수가 0.99로 가장 높게 나타남을 알 수 있었다.
이와 같이 본 연구에서는 UAV를 활용하여 괴연저수 지에 대한 3차원 지형모델링을 통해 수위별 저수면적 과 저수량을 계산할 수 있었고 이를 통해 곡선식도 추 정할 수 있었다. 따라서 UAV를 저수지나 댐유역에 활 용할 경우 매우 신속하고 정확하게 3차원 지형자료 취 득이 가능해지고 수위별 저수면적과 저수량 평가 업무 를 효과적으로 지원할 수 있을 것으로 판단된다.
감사의 글
이 논문은 2014년도 "특성화 전문대학 육성사업"에 서 지원받아 수행되었습니다.
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