A Study on the Application of Drone Based Aeromagnetic Survey System to Iron Mine Site
Dongmin Min and Seokhoon Oh*
Department of Energy and Resources Engineering, Kangwon National University, Gangwon 24341, Korea
Abstract: The system of magnetic exploration with a drone flight was constructed and applied to the iron mine site. The magnetic probe system installed on the drone used a sensor as Bartington's fluxgate type magnetometer, Mag639 and the A/D converter to collect magnetic intensity values on the tablet PC. The drone flight control module is a highly expandable Pixhawk with allowing 15 minutes of flight by loading 3kg. Experiments on the magnetic field interference range were performed to remove the erroneous effect from the drone with applying RTK GPS to obtain the magnetic intensity value at the accurate position. The accurate location information enabled to obtain the gradient measurement of magnetic field by measuring twice at different altitudes. Also, by using the terrain information, we could eliminate the terrain effect by setting the flight path to fly along the terrain. These results are in line with the field experiments using the nuclear proton magnetometer G-858 of Geometrics Co., Ltd, which adds to the reliability of the drone based aeromagnetic survey system we constructed.
Keywords: drone, aeromagnetic survey, magnetic gradient, iron mine
요 약: 드론을 이용한 신뢰성 있는 항공자력탐사 수행을 위해서 자력탐사 시스템과 드론 시스템을 구성하여 철광산 지 역 자력 탐사에 적용하였다. 드론에 실리는 자력탐사 시스템은 Bartington사의 플럭스게이트 자력계 Mag639를 센서로 사용하고, A/D convertor를 이용하여 태블릿PC에 자력값이 저장되도록 구성하였다. 드론의 비행 컨트롤 모듈로는 확장 성이 좋은 Pixhawk를 사용하였고, 적재 중량(Payload) 3 kg, 최대 중량 적재 시 15분 동안 비행이 가능하도록 구성하였 다. 드론의 자기장 간섭 범위 측정 실험을 통해 드론에 의한 자기장 간섭효과를 제거하였고, 정확한 위치 정보 확보를 위해 RTK GPS를 적용하였다. 정확한 위치정보를 토대로 동일한 측선에 대해서 고도를 변경하여 두 번 측정해서 자력 변화율 자료를 확보하였다. 또한 지형 정보를 사용하여 지형을 따라 비행하는 비행경로를 설정함으로써 지형 효과를 없 앨 수 있었다. 드론 기반 항공자력탐사 시스템을 통해 획득된 자력자료는 Geometrics사의 핵자력계 G-858을 이용해 동 일 지역에서 획득한 자료와 양상이 일치함을 확인하였고, 이를 통해 드론 기반 항공자력탐사 시스템을 이용한 탐사 자 료에 대한 신뢰성을 확보할 수 있었다.
주요어: 드론, 항공자력탐사, 자력변화율, 철광산
서 론
드론은 군사 목적으로 개발되어 조종사가 직접 탑 승하지 않기 때문에 조종사의 안전을 보장하면서 군 사 임무를 성공적으로 수행하는데 사용 되어왔고 앞 으로도 기술 개발을 통한 높은 활용성이 기대된다.
드론의 다양한 쓰임새와 높은 활용도는 군사 분야에
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서 민간 분야로의 확장을 가져와 드론 관련 기술이 민간 분야에 급속도로 확산되고 있으며, 드론 상업 시장은 최근 몇 년간 계속해서 높은 성장률을 보이 고 있다. 드론 상업 시장이 커지면서 안전문제 등 높 은 부작용도 수반되었기 때문에 관련법이 제정되었 다. 대한민국 항공법에는 ‘드론’이라는 용어를 명시 적으로 정의하지는 않지만 성질상 항공법 제 2조 제 28호에서 말하는 ‘초경량비행장치 중 무인비행장치’
에 해당한다. 드론을 소유한 자는 대한민국 항공법에 따라 국토교통부에 신고하여야 하지만 예외적으로 드 론 본체 무게가 12 kg 미만일 경우 신고가 면제된다 (시행령 제14조 제5호)(Lee et al., 2016). 신고가 면 제된 운행 가능한 드론이 비행 시 지켜야할 시행규 칙 상, 고도 150 m 이하에서 비행해야하며, 육안으로 관측 가능한 거리에서 비행해야하고, 위험한 낙하물 을 실으면 안 되고, 비행금지구역에서는 비행하면 안 된다. 본 연구에서 탐사 목적으로 사용될 드론의 준 수 사항이기도 하다.
자력 탐사는 탐사 방법이 비접지이기 때문에 다른 탐사 방법에 비해 비교적 시간 및 비용이 적게 발생 한다. 이에 따라 넓은 탐사지역을 신속하게 탐사할 수 있어 광역적인 지구 내부물질의 특성 정보를 우 선적으로 파악하기 위해 이용되고, 육상 지질구조 해 석 및 해상 광역 지질구조 해석 등에 쓰인다(Park et al., 2008, Kim and Park, 2010). 또한 Park (2014)등 은 몽골의 철-망간 광화대에서 육상자력탐사를 수행 하고 3차원 자력 역산을 통해 광화대의 광체 정보를 분석한바 있다. 이러한 특성은 자원 탐사, 지질구조 조사, 토목 및 환경문제 등에 자력탐사가 효과적으로 적용될 수 있게 한다(Park, 2006).
광역 지역을 신속하게 탐사하기 위해서는 항공기를 이용한 항공 자력탐사를 수행할 수 있는데 조종자 및 탐사장비 운용자의 안전이 보장되지 않다는 단점 이 있다. 특히 해외자원개발을 위해 저개발국을 갈 경우 탐사장비의 이동과 비행기의 임차, 경험 있는 파일럿의 수배 등도 매우 어려운 문제가 된다. 또한 항공기를 이용한 항공탐사는 드론에 비해서 항공기 임차에 따른 소요 비용이 크고, 항공 허가를 받아야 하는 제약이 존재한다. 이러한 이유로 드론을 탐사에 적용하여 연구하는 사례가 늘어나고 있다. 2010년 한 국지질자원연구원에서는 탐사 장비의 이동 편의를 위 해 수화물로 배송이 가능할 수 있도록 헬륨 가스를 주입하여 운용하고, 무인으로 기동하고, 비행 안정성
을 담보할 수 있는 새로운 항공자력 시스템을 개발 하여 항공자력탐사를 수행한바 있다(Cho et al., 2010).
또한 독일의 물리탐사 회사인 Mobile Geophysical Technologies는 무인 항공기를 이용하여 육상탐사가 어려운 지역에서 1-5 m 수준의 낮은 고도로 자력탐 사를 수행한바 있다(Johannes, 2013).
본 연구에서는 상용 제품을 이용하여 경량화된 자 력탐사 시스템을 구성하고, 구성된 자력탐사 시스템 을 드론에 실어 항공자력탐사를 수행하고자 하였다.
드론 기반 항공자력탐사 시스템을 이용해 획득한 자 료는 동일한 연구 지역에 대해 육상탐사를 실시해 자료의 신뢰성을 확보하여 드론 기반 항공자력탐사의 현장 적용성을 확인하고자 하였다.
연구 내용
드론과 자력탐사 시스템 구성
드론을 이용하여 항공 자력탐사를 수행하기 위해서 드론과 드론에 실릴 수 있을 만큼 경량화 된 자력탐 사 장비가 필요하다. 이에 따라 드론과 자력탐사 시 스템을 구성하였다. 드론에는 상용 비행 컨트롤러 (Flight Controller, FC)인 Pixhawk FC를 사용하였다.
Arduino 기반의 Pixhawk FC는 개발 도구 및 환경이 오픈 소스이기 때문에 개발자에게 높은 확장성을 제 공한다. 이러한 확장성을 이용하여 정밀도가 높은 RTK GPS를 추가 적용할 수 있어 정밀한 위치의 자 력값을 획득할 수 있게 한다. RTK GPS는 비행 컨트 롤러와 동일한 Arduino 기반으로 운용되는 Swift Navigation 사의 Piksi 모듈을 사용하여 Mission Planner 프로그램에서 실시간으로 드론의 상태정보와 GPS 로그 기록을 확보하였다. 드론의 최대 적재 중 량은 3 kg, 비행시간은 최소 15분으로 설정하여 구성 하였다. 자력탐사 장비는 경량화가 용이한 플럭스 게 이트 자력계로 선정하였고, 그 중 Bartington 사의 Mag639를 사용하였다. Mag639는 3축 센서가 탑재 되어있어 X, Y, Z 성분을 동시에 측정이 가능하다.
Bartington 사가 Mag639에 제공하는 자료 수집 장치 는 유인 항공 및 육상용으로 고안이 되어 부피가 크 고 무게가 많이 나가기 때문에 National Instruments 사의 소형, 휴대용 측정 시스템을 위해 설계된 버스 전원 공급, 1슬롯 USB 섀시인 cDAQ-9171에 아날로 그 입력모듈인 NI 9239를 장착하여 A/D 컨버터를 구성하였고 태블릿 PC에 디지털 신호로 변환된 자력
값이 저장되도록 구성하였다. 최종적으로 Fig. 1과 같이 드론 기반 항공자력탐사 시스템을 구성하였다.
드론의 자기장 간섭 범위 실험
드론은 비행 시 드론의 날개 동력부, 배터리, 본체 등에서 자기장이 발생한다. 이는 드론에 설치되는 자 력계 센서에 자기장 간섭효과를 발생시켜 결과에 영 향을 미치기 때문에 드론에서 발생하는 자기장의 영 향범위를 확인하는 실험을 통해 자기장 간섭을 제거 하고자 하였다. 자기장 간섭 범위 실험은 동일한 시 험지역에서 드론이 격자 중앙에 있을 때와 없을 때 자력값을 획득하여 두 값의 차를 통해 드론의 자기 장 발생 범위만 남도록 하였다. 격자 크기 10 m×
10 m에 측점간격 1 m를 선행 실험하여 대략적인 간 섭 범위가 2 m임을 확인하고 격자 크기를 6 m×6 m 에 측점 간격 0.2 m로 최종 설정하여 Fig. 2 그림을
작성하였다. 실험에는 드론의 날개 동력부가 대각선 으로 위치하여 격자 형태로 자력값을 획득할 경우 자력계 센서와 회전하는 날개에 자력계 센서 및 날 개의 파손이 우려되어 드론을 중심으로 동서, 남북 방향으로 자력값을 획득하여 Fig. 2를 작성하였다.
그 결과 최대 간섭 범위는 1.5 m로 나타났다.
항공자력탐사 자료의 자기장 간섭을 제거하는 방법 에는 일반적으로 두 가지가 있다. 첫 번째로 비자성 막대에 자력계 센서를 달아서 비행기의 전면과 뒷날 개 또는 날개 좌우 끝부분에 부착하는 스팅거 방법 이다. 스팅어 방법에 경우에는 비행기의 자화를 제거 하기 위한 자기보상 장치를 추가하여 사용해야한다.
두 번째는 비행체 하부에 자력계 센서를 매다는 버 드 방법이다. 버드 방법은 자력계 센서를 비행체에서 충분히 멀리 위치시켜 비행체로 인하여 발생하는 자 기장 영향 범위에서 벗어나는 방법으로 간섭을 제거
Fig. 1. Diagram of Drone based aeromagnetic survey system.
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하는 방법이다. 본 연구에서는 버드 형태로 자력계를 설치하였고 그 거리는 드론의 의한 자기장 영향 범 위인 1.5 m 보다 충분히 먼 2.5 m로 설정하여 자기장 간섭을 제거하였다.
현장 적용 전 최종 테스트
본 연구에서 구성한 드론 기반 항공자력탐사 시스 템을 현장에 적용하기 전 강원대학교 교내 운동장에 서 최종 테스트를 수행하였다. 교내 운동장에는 골대 등과 같은 철제 구조물이 위치하고 주변에 건물이 없어 탐사를 수행하기에 적합하다고 판단하였다. 탐 사 측선은 육상 탐사 및 항공 탐사를 각각 Fig. 3a, Fig. 3b와 같이 설계하였다. 육상 탐사는 실제 현장에 적용되는 방법과 동일하게 단일 자력계 센서를 이용 하여 3초 단위로 GPS정보와 자력값을 동시에 측정 하였고, 항공 탐사는 상향 연속 계산을 통해 자료가 변환된 자료보다는 원본 자료로 비교하기 위해서 일 반적인 항공탐사의 고도보다 매우 낮은 15 m에서 수 행하였다. 그 결과는 Fig. 4와 같다.
육상 탐사 자료는 일변화 보정만을 수행하여 사용 하였지만, 항공탐사 자료는 드론의 가속 및 감속 또 는 방향 전환으로 인한 자력계 센서의 흔들림이 생 겨 잡음을 유발하기 때문에 드론이 등속으로 이동하 는 부분의 자료로만 편집한 뒤 일변화 보정을 수행
하여 결과 그림을 작성하였다. 육상 탐사 결과인 Fig. 4a는 자력값 변화 경계가 연속적이고 전체적으 로 측점 별 잡음이 포함되지 않은 결과를 확인 할 수 있었다. 항공 탐사 결과인 Fig. 4b는 육상 탐사와 전체적으로 양상이 일치하고 육상 탐사와 자력값의 경계가 일치하는 것을 확인 할 수 있다. 하지만 몇몇 측점에서 잡음의 영향이 커 전반적으로 반점 형태의 효과가 포함된 것을 확인할 수 있다. 이는 드론의 최 대적재중량의 한계 및 드론의 비행성을 고려하여 버 드 형태로 매달린 자력계 센서에 흔들림을 줄이기 위한 장치를 포함시키지 못함으로써 나타나는 잡음으 로 판단된다. 기존 항공자력탐사에서는 항공기의 진 행방향으로의 공기의 흐름을 고려하여 흔들림을 줄이 기 위한 장치 또는 너무 가벼운 무게로 인해 흔들리 는 현상을 감소시키기 위해 장력을 주는 장비가 포 함된다. 하지만 드론 본체에서 2.5m 하부에 있는 자 력계 센서에 대해서 무게를 추가할 경우 비행시간 감소로 인한 탐사 범위 축소 및 드론의 불규칙한 비 행성으로 인한 추락 위험이 증가하기 때문에 본 연 구에서는 결과를 해석할 때 잡음을 고려해서 해석하 는 정도의 정성적인 해결법 밖에 제시하지 못하였다.
추후 연구를 통해 잡음을 줄이는 방법을 고안해야 할 것으로 판단된다.
Fig. 2. Magnetic intensity map describing the influence range by the drone.
현장 탐사
연구 지역
연구 지역은 강원도 태백에 위치한 거도 광산으로 등록광종은 철, 동이고 현재는 휴광중이다(Fig. 5). 서 벽지정 제 53, 62, 63, 72, 73호 광구에 해당하며, 행 정구역 상 강원대 태백시 혈동과 영월시 상동읍에
걸쳐있다. 탐사 지역은 서벽 제 63호 광구에 포함되 는 태백 광체에 대해서 실시하였다. 거도광산 일대의 층서는 Table 1과 같고, 연구 지역의 지질은 Fig. 6 과 같으며, 서벽 제 63호 광구의 대표적인 층서로는 장산층, 묘봉층, 풍촌층이 있다.
장산층은 조선 누층군의 최하부층으로, 고선리층을 부정합으로 피복하며 서벽 63호 광구 남단에 분포하
Fig. 4. Magnetic intensity map obtained for verifying the drone based magnetic surveying system. (a) Ground magnetic survey, (b) Aero magnetic survey.
Fig. 3. Magnetic survey line in Kangwon National University’s athletic field (a) Ground magnetic survey, (b) Aero magnetic
survey.
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고 장산을 중심으로 N70W의 방향으로 발달된다. 일 반적으로 유백-담홍색을 띠는 조립-중립질 규암으로 구성되며, 하부에는 1-3 cm 크기의 석영, 장석, 편암, 화강암역을 함유한 역질규암이 불연속적으로 협재된 다. 주향/경사는 N70W-N70E/20-25N 이며, 층후는 약 250 m 정도이다. 현미경 관찰에 의하면 조립의 석영과 이들 주변부에서 수반되는 세립의 견운모가 주 구성광물이며, 소량-미량의 백운모 각섬석, 저어콘, 스핀등이 수반된다(Park, 1994).
묘봉층은 장산규암층을 정합으로 피복하며 주 구성 암석은 암회색 내지 암록색 셰일 또는 슬레이트이며 상부에서는 얇은 사암층이나 석회암층이 협재하기도 한다. 묘봉층은 어평화강암의 관입에 의해 단절되어 있으며, 접촉부에서는 열변성 작용을 받아 혼펠스화 되고, 이들 암석 중 일부는 교대 작용을 받아 Fe-Cu
스카른화 되어있다. 층후는 약 140-150 m이며, 주향/
경사는 태백갱 남동부에서 N40-50W/20-25NE-이다 (Park, 1994).
풍촌층은 대석회암층군의 최하위층으로 묘봉층을 정합적으로 피복하고 있으며 화강섬록암의 관입으로 층의 연속이 단절됨이 따라 연구지역 내의 관입암체 의 동, 서부로 분포된다. 층의 최상부는 유백색, 담회 색 내지 담홍색의 결정질 석회암과 백운암질 석회암 으로 구성되며 하부는 회색 내지 암회색의 결정질 석회암으로 구성된다. 화강섬록암의 접촉부에서 열적 영향으로 재결정작용과 광화작용의 징후가 관찰된다.
주향/경사는 N60-65W/30-40NE이며, 층후는 대략 300 m 정도이다(Moon et al., 2003).
광상의 형성은 화강섬록암과 석영몬조섬록암 등 두 시기의 화성암체의 관입에 의한다. 이들 관입시기는
Fig. 5. Map of survey area and survey lines.
Table 1. The stratigraphic sequence of the Geodo mine area (KIGAM, 2014)
지질시대 지층명 대표암상 층후 비고
중생대 Gd
어평화강암 화강섬록암 - 단층방향 관입
Qm 석영몬조다이올라이트 - 층리방향 관입
오르도비스기
Om 막골층 석회암, 백운암질 석회암 200-250 -
Odu 두무골층 셰일, 석회질 셰일 150-270 -
Od 동점층 규암, 규질 석회암 10-15 -
캄브리아기
CEw 화절층 석회질 사암, 사암 300-350 Fe-Cu-Au-Bi, Au, Skarn
CEp 풍촌층 결정질 석회암, 백운암질 석회암 300 미약한 광화장용
CEm 묘봉층 흑색 점판암 140-150 Fe-Cu, Skarn
CEj 장산층 규암 250 -
선캄브리아기 PRy 율리통, 고선리층 편암, 천매암 - -
초기 스카른화 작용 시기를 시간적으로 제한했다. 이 지역의 주 화성암체인 석영몬조섬록암이 퇴적암 지층 을 관입함에 따라 퇴적암은 혼펠스 및 스카른화 되 었다. 이 이후에 대략 NS 방향의 단층 작용이 일어 나서 스카른화된 지층은 변이되었다. 그리고 화강섬 록암이 단층선을 따라서 혹은 그 방향과 다소 평행 하게 관입했다(Ko and Kim, 1982).
태백 광체의 광체 형태는 타원형 파이프 상이고 하부로 내려갈수록 폭이 좁아지는 쐐기 형으로 2000 년대 초반까지 개발이 완료되어 현재는 폐광지 녹화 시험 장소로 쓰이고 있다.
육상 탐사
Geometric사의 핵자력계 G-858은 두 개의 자력계 를 이용하여 자력 변화율 자료를 획득 할 수 있는 장비다. 하지만 광체가 지표면과 맞닿아 있어 천부에 서 채광을 했고, 휴광 후 오랜 시간이 흐른 현재는 지표가 함몰되어 싱크홀이 곳곳에 존재 하고 연구지 역 전체적으로 나무들이 곳곳에 쓰러져 있어 통행을 방해하는 환경이었기 때문에 자력 자료 측정 시 이 동 제약사항이 많아 단일 자력계로 자료를 획득하였 다. 동일한 이유로 탐사 범위 또한 항공 탐사에 비해 서 제한적으로 이루어졌다.
탐사는 두 구역에서 각각 1시간-1시간 반 정도 이
루어졌고, 기준점을 정하여 탐사 시작과 끝에 대한 자기장 값을 내삽하여 측정 시간 단위로 일변화 보 정을 수행하였다. 두 탐사 구역 중 남쪽 구역은 과거 광산이 가행될 때 사용하던 임시도로로 보였고 휴광 10년이 지난 현재는 통로가 끊겨 이동에 제약이 많 았다. 북쪽 구역은 휴광과 동시에 폐광지 녹화시험을 수행한 지역으로 비교적 이동이 용이하여 탐사 자료 를 비교적 많이 획득할 수 있었다. 두 구역 중 북쪽 구역은 광체의 직상부이며, 항공 탐사 측선과 겹치는 부분이 많기 때문에 항공 탐사 결과와 주요하게 비 교할 자료로 판단된다.
항공 탐사
항공 탐사 측선은 한국지질자원연구원에서 남부태 백산광화대 재개발 및 신규광체 확보의 일환으로 작 성한 3D 수치모델링 자료의 광체 평면도(KIGAM, 2014)를 참고하여 설계하였다(Fig. 5). 측선 간격은 동서로 약 35 m, 남북으로 40 m로 설정하였다. 항공 탐사 시 단일 자력계로 탐사를 수행하지만 정밀한 위치기반으로 왕복 비행 시 고도를 달리하여 지면으 로부터 100 m, 95 m 높이의 자력값을 각각 획득하여 자력변화율 자료까지 얻고자 하였다. 또한 항공 탐사 측선 설계 시 지형 정보를 참고하여 지형을 따라 고 도를 설정하여 지형 효과를 제거해 주었다. 일변화
Fig. 6. Geology of survey area.
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보정은 기준점에서 핵자력계 G-858을 이용하여 5초 간격으로 일변화 자력값을 획득하여 보정하였다.
탐사 결과
육상 탐사와의 비교
본 연구에서 구성한 드론 기반 항공자력탐사 시스 템의 현장 적용성 및 탐사 자료의 신뢰성을 확인하기
위하여 이미 성능이 검증된 핵자력계 G-858을 이용하 여 육상 탐사를 수행하고 항공 자력탐사 자료와 비교 분석 하였다(Fig. 7). 육상 탐사 결과 Fig. 7a에서 북 쪽 탐사 지역에서 약 60,000 nT의 큰 자력 이상대가 나타난다. 이 이상대의 위치는 광체 직상부에 위치하 고 그 값이 한반도 평균 자력값인 49,000-51,000 nT 보다 매우 큰 것으로 미루어보아 지표 근처에 높은 대자율의 잔광체가 존재하는 것으로 추정된다.
Fig. 7. Magnetic intensity maps of ground survey and aero survey. (a) Orignal ground survey data, (b) upward continuous
ground survey data, and (c) original aero magnetic survey data.
육상 탐사와 동일한 지역에서 드론 기반 항공자력 탐사 시스템을 이용하여 탐사를 실시하고 육상 탐사 결과와 비교 분석 하였다. 자기탐사는 포텐셜 탐사의 일종이기 때문에 계산을 통해서 고도 변화에 따른 자력값을 도출 할 수 있다. 본 연구에서 육상 탐사 자료는 지표에서, 항공 탐사는 95 m, 100 m 고도에서 이루어 졌기 때문에 두 자료를 동일한 수준에서 비 교하기 위해서 육상 탐사 자료를 상향 연속하여 항 공 탐사 자료와 동일한 수준에서 비교 분석하고자 하였다. 그 결과는 Fig. 7b와 같다. 육상 탐사 원본 자료에서 나타난 60,000 nT 이상의 자기이상대는 일 반적인 자기이상대에서 나타나는 자력값보다 매우 큰 값으로, 상향 연속 계산을 통해 이상대에 대한 영향
이 충분히 제거되지 않아 항공자력탐사 결과와 동일 한 스케일로 비교하지 못하였다. 드론 기반 항공자력 탐사 결과인 Fig. 7c와 상향 연속을 수행한 육상 탐 사자료 Fig. 7b를 비교하면 전체적인 양상과 이상대 경계가 일치하는 것이 확인된다. 이에 따라 드론 기 반 항공자력탐사 시스템의 현장 적용성을 확인 할 수 있었다.
기존 항공자력탐사와의 비교
한국지질자원연구원에서는 한반도의 항공자력 이상 도 데이터베이스를 구축하고 있다. 1:5만 지역별로 측선 간격을 2 km 간격으로 설정한 동-서 측선과 약 6 km 간격으로 설정된 남-북 맺음 측선을 따라 굽이
Fig. 8. Magnetic intensity map obtained from (a) drone based aeromagnetic survey data, and (b) high altitude aeromagnetic sur-
vey data from aeromagnetic database of KIGAM.
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날기 방법으로 약 150-180 m의 절대 비행 높이와 속 도 90-100 km h-1를 유지하면서 1초마다 측정하는 방 식으로 이루어졌다. 획득된 탐사자료는 base station 자료를 이용하여 일보정이 이루어졌으며, 순차적으로 고도보정, IGRF 보정이 이루어진 자료이다(KIGAM, 2014). 본 연구에서는 이 자료를 내삽한 뒤 연구지역 만 추출하여 Fig. 8b로 작성하였고, 동일한 지역에 대해서 드론 기반 항공자력자료 Fig. 8a와 비교 분석 하였다. Fig. 8b 자료는 측점 간격이 매우 넓어 600 m
×300 m인 연구 지역에 포함되는 측점 자료가 존재하 지 않아 평활화 효과가 크게 나타나는 양상을 보인 다. 두 그림에서 전체적인 양상이 일치하는 것으로 미루어보아 드론 기반 항공자력탐사 결과에 대한 신 뢰성을 확보하였고, 분해능은 드론 기반 항공자력탐 사 자료가 더 좋은 것을 확인 할 수 있다. 이에 따라 드론 기반 항공자력탐사를 이용하면 기존 항공 자력 탐사 보다 좁은 지역에서 분해능 높은 자료를 확보 할 수 있음을 확인하였다. 하지만 드론 기반 항공자 력탐사 자료에서 교차되는 측선 간에 자력값의 차이 로 인해 일부분에서 잡음과 같은 효과가 나타나는 것을 확인하였다. 이러한 양상이 나타나는 이유는 버 드형태로 드론에 설치한 자력계의 흔들림으로 인한 잡음으로 판단된다. 기존 항공자력탐사에서 버드는 자력계에 공기역학적 장치나 무게를 주어 바람에 의 해서 자력계가 흔들리는 것을 최소화 시킨다. 하지만 드론은 초경량비행장치에 속하는 무인비행장치기 때 문에 최대적재중량과 무게중심에 크게 영향을 받는 다. 그래서 본 연구에서 구성한 드론 기반 항공자력
탐사 시스템에는 공기역학적 장치나 무게를 주는 등 의 장비를 설치하지 못하였다. 이에 따라 드론 기반 항공자력탐사 시스템을 통해 획득한 자력자료는 기존 항공자력탐사 자료보다 잡음이 포함되어 해석에 영향 을 줄 수 있다고 판단된다. 하지만 전체적인 양상을 파악하고 그것을 해석하는데 있어서 결정적인 문제 일으키지는 않는다고 판단된다. 따라서 드론 기반 항 공자력탐사 시스템은 육상탐사와 기존 항공자력탐사 사이에서 수행하기 알맞은 탐사 방법으로 판단된다.
자력 변화율
자력 변화율 측정은 멀지 않은 거리만큼 떨어진 두 개의 자력계에서 측정한 총 자기장 세기의 차이 를 통해 장파장 영향을 줄여 천부 물체에 대한 영향 이 강조된 결과를 확인하는 방법이다. 본 연구에서 사용하는 드론 기반 항공자력탐사의 경우 일반적인 자력 변화율 측정 방법처럼 두 개의 자력계를 이용 하여 탐사를 수행할 경우 적재 중량 증가와 비행시 간 감소 등의 문제가 있어 RTK GPS를 이용해 정확 한 위치 정보를 확보하여 왕복 비행 시 고도를 달리 하여 두 개의 고도 자력값을 획득하였다. 일반적인 항공 탐사에서 스팅거의 경우 두 자력계 사이의 거 리가 2-5 m, 버드의 경우 30 m 이내이다. 육상 탐사 에서는 보통 0.5 m의 거리를 둔다. 드론 기반 항공자 력탐사는 기존 항공자력탐사보다 탐사 높이가 낮기 때문에 각각 획득되는 두 고도차를 5 m로 설정하였 다. 자력변화율 측정의 장점은 두 값의 차이를 측정 하기 때문에 일변화 보정이 필요 없다. 본 연구에서
Fig. 9. Magnetic gradient map calculated from two different altitude flights (5 m) of drone surveying system based on RTK
control.
광체위치와 동일하고, 항공자력자료와 자력변화율 자 료를 비교하였을 때 이상대가 강조된 것으로 미루어 보아 천부에 좁은 범위로 잔광체가 존재한다고 추정 된다. 이에 따라 본 연구에서 구성한 드론 기반 항공 자력탐사를 이용해 획득한 자력 변화율 자료를 신뢰 성 있는 육상 탐사 자료와 비교한 결과 드론 기반 항공자력탐사 시스템의 현장 적용성 및 결과자료에 대한 신뢰성을 확인하였다.
결 론
본 연구에서는 드론을 이용하여 항공자력탐사 시스 템을 구축하고 이를 철광산 지역에 적용하였고 육상 탐사 자료와 비교를 통해 자료에 대한 신뢰성을 확 보하였다.
드론은 Arduino 개발환경 기반의 Pixhawk FC를 사용하여 RTK GPS를 추가 확장 할 수 있도록 구성 하였다. 드론에 실리는 자력탐사 시스템은 Geometrics 사의 핵자력계 G-858을 이용하여 동일한 조건에서 탐사를 실시하여 탐사 장비의 신뢰성을 확인하였고 드론에서 발생하는 자기장 간섭 범위 실험을 통해 자력계를 2.5 m 이격시켜 드론 기반 자력탐사 시스템 을 구성하였다.
드론 기반 항공자력탐사 시스템으로 획득한 자료를 기존 항공자력탐사 자료와 비교하였을 때 전체적인 양상이 일치하면서 분해능이 향상된 결과를 확인하였 다. 하지만 드론 특성상 최대적재중량과 무게중심의 문제로 인해 자력계 흔들림을 줄이기 위한 장치의 부재로 인하여 결과값에 잡음이 포함되어 기존 항공 탐사보다 자료의 질이 떨어진다. 하지만 육상 탐사 결과와 함께 잡음을 고려하여 해석하여 잔광체의 위 치를 추정할 수 있었다. 드론 자력탐사 시스템을 이 용한 자료 획득은 육상탐사보다 넓은 지역을 빠르게 탐사할 수 있는 장점을 갖지만, 최대 비행시간이 15 분에 불과하기 때문에 기존 항공 자력탐사에 비하면 탐사 범위가 매우 좁다. 그러므로 드론을 이용한 항
였고, 그 차이를 이용해 자력 변화율 자료를 얻을 수 있었다. 자력 변화율 자료는 단일 자력자료 결과와 마찬가지로 잡음이 포함되었지만 두 자료의 차로 인 하여 그 잡음이 단일 자료보다 상쇄되었다고 판단한 다. 실제 탐사에는 드론 기반 항공자력탐사 시스템으 로 탐사를 수행한 뒤 이상대가 나타나는 유력 후보 를 추려 육상 탐사를 수행하면 효율적인 탐사가 가 능할 것으로 판단된다.
추후 연구로는 탐사 결과에 포함되는 잡음을 줄이 기 위한 연구가 필요할 것으로 보인다. 드론의 움직 임으로 인한 자력계의 흔들림과 바람에 의한 흔들림 을 줄이는 방법을 고안하여 결과값의 질을 높이는 연구가 필요하다고 판단된다.
사 사
본 연구는 산업통상자원부의 자원개발특성화대학사 업 산학협력연구단(연구과제: 광물자원탐사·개발)의 지원으로 수행되었으며 이에 깊은 감사드립니다.
