UAV를 이용한 산사태 피해지역 모니터링 방법에 관한 연구
A Study on the Monitoring Method of
Landslide Damage Area Using UAV
김성보
1*
Sung-Bo Kim
1*<Abstract>
In this study, a study was presented on the monitoring technique of landslide area using UAV. In the case of disaster investigation using drone mapping, it can be used at various disaster sites. The mission can be carried out at various disaster sites, including surveys of damage to mountainous areas caused by landslides, building collapses surveys of flood damage, typhoons, earthquakes. The damage investigation plan using drone mapping is expected to be highly utilized at disaster sites where investigators cannot access it like in mountainous areas and where it is difficult to conduct direct damage investigations at the site. Drone mapping technology has many advantages in terms of disaster follow-up, such as recovery. Compared to the existing survey system, which was mainly carried out manually, the investigation time can be drastically reduced, and it can also respond to disaster sites that are difficult to carry out or are difficult to access directly. In addition, it is possible to establish and guide spatial data at the disaster site based on accurate mapping data from the time of the disaster, which has considerable strength in managing the situation of the disaster site, selecting priority areas for recovery, and establishing recovery plans. As such, drone mapping is a technology that can be used in a wide range of sites along with natural disasters and social disasters. If a damage investigation system is established through this, it is believed that it will contribute significantly to the rapid establishment of recovery plans along with the investigation of disaster response time and extent of damage recovery.
Keywords : UAV(Unmanned Aerial Vehicle), Landslide Damage, Drone Mapping, Image Processing
1* 교신저자, 동아대학교 에너지⋅자원공학과, 겸임교수 E-mail: [email protected]
1* Dept. of Energy and Mineral Resources Engineering, Dong-A University, Adjunct Professor
E-mail: [email protected]
1. 서 론
4차 산업혁명은 자율화, 정보화 등을 통한 효율 성 향상과 이에 따른 생산체계의 변혁으로 사회 전반의 혁명적인 변화가 일어남을 의미한다. 이 과정에서 기존의 자동화 과정에서 기계로 대체되 었던 노동 집약적인 단순 작업뿐만 아니라 보다 복잡한 업무까지 기계로 대체됨에 따라 전통적인 산업분야에서의 노동 수요 감소와 새로운 분야의 일자리 창출이 이루어질 것으로 예상된다. 그 중 무인항공기(UAV; Unmanned Aerial Vehicle)를 활용한 다양한 산업이 생겨나고 있으며, 그 규모 도 늘어나고 있다. 무인항공기는 고정익 기체와 회전익 기체로 나누어서 설명할 수 있는데, 최근 에는 무인항공기 전체를 드론으로 총칭하고 있다.
2019년 4월 최초 공포되고 2020년 5월 1일 시행된 일명 “드론법” 뺷드론 활용의 촉진 및 기 반조성에 관한 법률뺸로 인해 무인항공기의 활용 및 연구개발, 전문인력 양성 등 산업 전반에 걸친 지원 근거가 마련되었다고 할 수 있다. 이로 인해 물류배송, 치안⋅환경 관리, 나아가 무인항공 교 통까지 다양한 활용 모델을 실제 현장에서 자유롭 게 실증할 수 있게 되며, 향후 다양한 무인항공 산업 지원 정책들과 결합해 ‘드론 특화도시’를 구 축함으로써 일상 속 무인항공기 활용 시대가 열릴 것으로 기대하고 있다. 이와 같이 무인항공기의 활용에 있어서 규제가 완화되고, 실증실험을 통한 실제 적용성에 관한 연구도 활발하게 진행되고 있 다. 무인항공기를 활용한 연구는 다양한 분야에서 적용하여 진행되고 있으며, 그러한 결과들로 무인 항공기를 활용한 기술들이 점진적인 발전을 이루 고 있다.
Yun은(2020년) 시장에 다양하게 보급되어 있는 저가형 무인비행체를 활용한 정사영상을 정확도 향상에 관하여 연구하여 보급형 드론을 통하여 취
득한 영상의 해상도 증진에 관한 연구를 수행하였 으며, Hwang(2016년)은 저가형 UAV를 이용한 대축척 수치지도 정확도 평가를 실시하여 저가형 드론에 한계를 증명하기도 하였다.
특히 기후 변화로 인하여 우리나라의 여름철은 집중호우가 자주 발생하고 장마 기간도 길어지고 있다. 이에 따라 산지의 사면의 흙의 함수비가 증 가하고 그로 인해 산사태 위험도 높다고 할 수 있 습니다.
이와 관련하여 Shin et al.(2020년)은 산악지형 에서의 재난피해조사를 위한 드론 맵핑 활용방안 연구를 통하여 산림지역에서 다양한 조건의 맵핑 기법을 활용하여 재난 피해조사의 적용성을 제시 하였으며, Kim et al.(2020년)은 한반도 재난 관 리를 위한 원격탐사와 공간정보 활용기술 연구를 통하여 다양한 지구관측 플랫폼 기반의 재난 피해 분석 모니터링 기법을 소개한 바 있다.
2020년 한반도는 유례없는 집중호우와 1개월이
넘는 장마기간, 많은 태풍의 내습으로 인하여 산
사태 및 각종 구조물의 붕괴 등 사회재난이 국민
의 안전을 크게 위협하고 있다. 재난사고에는 예
방과 더불어 신속한 피해복구 요구가 절실하며 국
민의 재산과 생명을 지키는 골든타임에 무인항공
기를 활용한다면 시간적 사회적 비용을 크게 절감
할 수 있다는 사실은 최근 많은 선행연구를 통해
그 실효성이 증명되고 있다. 무인항공기를 재난사
고 피해조사 현장에 투입한다면 가장 먼저 시간적
인 비용을 크게 절감할 수 있다, 현장의 특성상
사람의 접근이 어려운 장소에 무인 항공 영상 매
핑 기술을 활용한다면 3 차원적 사실을 통해 재난
지역에 대한 정량적인 해석과 더불어 이를 바탕으
로 한 피해복구 대책과 재난지역 선포 등 다방면
에 걸친 대응방안 수립이 가능하다. 그리고 재난
사고 발생 전의 현황 정보와 재난사고 발생 후에
취득한 재난지역 매핑 정보를 비교⋅분석한다면
재난 대응 및 복구를 위한 우선지역 선정과 더불
어 구체적으로 복구 계획을 수립할 수 있다. 현행 재난사고에 활용되고 있는 무인 항공 맵핑 기술은 재난 현장과 상황에 따라서 그 적용방안이 달라질 것이며 장비 및 소프트웨어를 활용한 기술적인 방 법 등 최적의 방안을 찾기 위한 노력 또한 많은 실증을 통한 검증이 필요할 것이다. 이와 관련하 여 재난 조사 현장에서 무인 항공사진 맵핑을 이 용하여 어떠한 방식으로 피해조사를 실시하는지에 대해 간략히 소개 하고자 한다.
2. 무인 항공 촬영 및 3D 맵핑 및 관련기술
무인항공기는 지루하고, 위험하고, 오염된 환경 에서 인간을 대체하기 위해 개발되어 왔으며, 농 업용 무인기의 시작도 80년대 일본에서 농촌인구 고령화에 따른 노동력 감소에 대한 해결책으로서 정부 주도로 방재용 무인기(RMax)를 개발한 것이 다. 이렇듯 무인항공기의 확산은 필연적으로 많은 부분에서 인력이 무인항공기로 대체될 것을 보인 다. 따라서 무인항공기의 발전과 확산은 4차 산업 혁명의 진행을 가속화 시키는 요소로 볼 수 있다.
한편, 현재 무인항공기의 활용 현황 및 발전 방향 을 살펴보면, 3D 프린터를 활용한 부품 생산뿐만 아니라 자율비행과 이를 가능하게 하는 통신(IoT, 5G), 정보처리(Big DATA, Machine Learning) 및 관제기술, 그리고 무인항공기로 획득한 정보를 다 시 분석하고 관리하는(IoT, Big DATA) 분야에 이 르기까지 전 분야에 걸쳐서 4차 산업혁명의 결과 에 영향을 받고 있다. 따라서 4차 산업혁명의 일 부분으로서 4차 산업혁명을 이끌어가는 한편, 4차 산업혁명의 성과에 힘입어 그 영향력과 활용범위 를 더욱 확대될 것으로 전망된다.
수치표면모델(DSM: Digital Surface Model)과
정사영상은 무인항공기를 활용한 항공 사진 맵핑 의 산출물로서, 3차원 포인트 클라우드 자료를 통 해 생성되는 고해상의 지형공간 정보이다. 이 자 료들은 재난 상황이 발생하였을 때, 재난 대응의 초기단계부터 재난현장의 지형공간 정보를 정확하 게 수집할 수 있기 때문에 지상, 또는 항공 사진 이나 영상 자료만으로는 놓치기 쉬운 초기 재난 현장상황을 그대로 가상의 형태로 재현 할 수 있 다. 특히 재난 발생 현장과 더불어 주변의 다양한 지형이나 지물까지 모두 보존할 수 있다는 강점 때문에 재난 대응과 함께 피해조사에 있어서도 활 용이 가능하다. 예를 들어 태풍으로 인한 피해, 혹은 시설물 붕괴 현장에서는 피해 시점에서의 정 확한 현장 보존이 중요하므로 피해 시점에 조사한 내용을 통하여 분석하면, 신뢰도 확보와 과학적인 재난 피해조사가 가능하다.
현재 재난사고 피해조사에 적용 가능한 상업용
무인항공기와 소프트웨어는 많은 종류가 있다. 그
중 가장 많이 활용되고 있는 무인항공기와 사용
소프트웨어는 Table 1.과 같다 무인항공기는 설
계, 제작 및 운용의 단계로 간략히 정리할 수 있
다. 현재 회전익 무인항공기의 경우 설계 및 제작
은 중국의 DJI社 가 시장점유율 70%에 달할 정
도로 성장해 있다. 이는 민간 상업용 무인항공기
시장을 준독점하고 있는 상황이라고 할 수 있는
데, 중국의 관련 기술 연구/개발도 활발히 진행되
고 있어 대한민국을 비롯한 타 국가와 격차를 벌
리고 있다. 대한민국이 단지 기술이 부족하여 DJI
社와 같이 큰 기업이 성장할 수 없었던 것은 아
니라 각종 규제에 발목 잡혀 적용할 수 있는 부
분이 많지 않은 환경적 요인이 컸기 때문에 무인
항공기를 활용한 사업의 규모가 적었으며, 수요가
없으면 공급이 없어진 결과라 할 수 있다. 국내의
기술적 성장은 규제의 완화를 통하여 지속적으로
향상되고 있으며, 각종 연구결과를 통하여 확인되
고 있다.
3. 재해지역 무인항공 사진 조사 흐름도
3.1 비행 계획 수립
무인항공기를 활용한 항공 영상을 촬영하기 전 에는 촬영 지역의 현장 답사 등을 통해 비행 계획 을 수립해야 하지만, 재난현장에 대한 조사를 위 하여 긴급하게 임무를 수행해야 할 경우에는 GoogleEarth처럼 빠르게 접근할 수 있는 3D 맵 등을 이용하여 이착륙 후보지를 선정한 후, 주변 의 지형⋅지물 등을 사전에 확인하고 촬영 영역 및 고도, 비행경로, 중복도 등 구체적인 비행 계 획을 수립한다.
3.2 항공사진 조사 허가
｢항공안전법｣ 제127조에 따라 비행제한공역에
서 비행하려는 경우 또는 150m 이상의 고도에서 비행하는 경우 등에는 국방부, 혹은 관할지역 부 대의 ‘항공촬영 승인’이 필요하며 지방항공청의
‘비행허가승인’절차를 거쳐야 한다. 일반적으로 항 공 촬영 승인 처리기간은 7일, 비행허가 승인 처 리기간은 3일이 소요되지만 재난 발생 등 긴급촬 영을 요하는 경우 협의과정에서 즉시 허가나 사후 승인도 받을 수 있다.
3.3 현장조사
Fig. 1과 같이 사전 설정된 비행 계획에 따라 항공촬영을 실시하되, 인접 사진 간 중복도를 고 려하여 영상 정합의 정확도를 높일 수 있도록 촬 영한다. 중복도는 종⋅횡으로 나누어, 종방향으로 70∼80%, 횡방향으로 50∼60%으로 설정하여 촬 영한다. 피해 조사 지역이 산사태로 인한 산악지 역이거나, 붕괴 등으로 인한 고층 빌딩이 밀접한
Type Model Specification
Vehicle System
Rotary Wing
DJI Phantom
4 Pro
Weight 1,288g
Size 350㎜
Battery Life 30Minutes
Max Speed 45mph
Satellite Positioning Systems GPS/GLONASS
DJI Inspire 2
Weight 3,440g
Size 605㎜
Battery Life 27Minutes
Max Speed 94km/h
Satellite Positioning Systems GPS/GLONASS Fixed
Wing SenseFly eBee
Weight 0.69 kg
link range 3km
Software Pix4D Mapper
- Capture RGB, thermal, or multispectral images with camera.
- Pix4D mapper’s photogrammetry algorithms transform ground or aerial images in digital maps and 3D models.
- Measure distances, areas, and volumes.
Table 1. Type of UAV and Software specification for Mapping
시가지 등일 경우 지형지물에 가려서 폐색이 발 생하는 지역을 감안하여 10% 이상 중복도를 높 여 촬영한다. 해당 촬영의 경우 피해조사 지역에 서 긴급하게 운용되어야 하는 부분으로 빠른 대 응 및 촬영을 요하기 때문에 피해지역으로 이동 하는 동안 빠르게 비행 계획을 수립한 뒤 현장 도착 즉시 촬영을 하여 후처리 맵핑 작업까지 끝 마쳐야 한다.
재난현장에 대한 정보를 얻기 위한 맵핑 촬영 이외에도 재난 지역에 대한 실시간 재난정보를 획 득하기 위하여 일반적인 현장 동영상을 추가적으 로 촬영할 필요가 있는데, 항공촬영에 소요되는 시간은 일반적으로 고도를 150m로 했을 때, 500
㎡당 5분이 소요되며, 피해조사를 위한 맵핑 촬영 의 경우 고도 100m로 500㎡당 10분 가량 소요 된다.
Fig. 1 The flight path settings screen
3.4 자료처리
맵핑 촬영을 통해 얻은 다양한 데이터는 여러 장의 이미지를 이용해 촬영 영상을 해석하는 알고 리즘을 지닌 SfM 기법(Structure from Motion, 카메라 이동 추적을 통한 3차원 모델링)을 사용하 는 후처리 소프트웨어를 통해 정합 과정을 거치게 된다.
SfM 기법은(Fig. 2)와 같이 카메라와 영상 간의 기하학적 관계를 고려하여 여러 장의 촬영 영상에 서 추출한 관심점들을 서로 정합하고, 중첩 촬영 된 영상 들을 접합하여 촬영 대상물의 3차원 좌 표 값을 획득 하는 방법이다.
Fig. 2 The principle of multi-imaging junction
지상의 약 500㎡의 면적을 촬영하였을 경우 영 상 간 중복도에 따라 차이가 있으나 평균적으로 150∼250장의 촬영 영상이 취득된다. 이때, 맵핑 SW를 통해 해당 면적을 기준으로 후처리하여 피 해 면적을 산출하는 데 자료처리 수준에 따라 30 분∼1시간이 소요되며, 노트북이나 컴퓨터 등 현 장에서 바로 사용할 수 있는 장비가 있다면 현장 에서 즉시, 또는 차량 이동 중에도 작업이 가능하 다. 피해 면적이 넓을수록 전 지역에 대한 처리 시간이 다소 늘어질 수 있으나, 수작업으로 일일 이 재해 면적을 산출하는 과정에 비하여 시간을 상당히 줄일 수 있는 강점이 있어, 긴급을 요하는 재난 피해 현장에 대한 신속한 파악과 분석이 가 능하다.
3.5 피해 물량 산정 및 재해대장 작성
무인항공사진 맵핑 결과물을 토대로 사진 대지
를 추출하여 피해 시설⋅규모 등을 산정한 후 재
해대장을 작성하고, 산출된 피해 물량 및 피해 금 액 등을 비교 분석함 으로써 최종 피해 조사결과 를 확정한다.
4. 영상처리 기법
무인항공사진측량용 S/W는 영상 매칭, 항공삼 각측량, 고밀도 포인트 클라우드 생성, DSM 및 정사영상 제작의 순서로 이루어진다. 이때, 영상 매칭은 SIFT 기법을 이용하여 특징점을 추출하며 SfM을 이용하여 항공삼각측량 및 포인트 클라우 드를 생성한다. 영상 매칭은 중복도를 가지는 영 상에서 한 영상의 특정점이 다른 영상에서 어디에 있는가를 확인하는 작업으로 과거에는 영역기준, 형상기준, 관계형 매칭 등으로 수행되어 왔으나.
현재는 2004년 Lowe에 의해서 개발된 SIFT를 기 반으로 특징점을 추출하여 영상매칭을 수행한다.
4.1 SIFT
SIFT 기법은 항공영상에서 특징점을 추출하는 기법으로 추출된 특징점은 포인트 클라우드 형태 로 생성된다. 생성된 포인트 클라우드는 이후 영
상의 자동정합에 사용되며 영상의 축척, 회전, 명 암 변화에도 불변하는 장점이 있어 무인항공기와 같이 거동의 변화가 큰 기체로 촬영한 영상에 적 합하다. 특징점 추출 과정은 스케일 공간 극값 검 출(Scale-space extrema detection), 특징점 위치 결정(Keypoint localization), 방향부여(Orientation assignment), 특징점 서술(Keypoint descriptor) 총 4단계로 진행된다. SIFT 기법의 자료처리 순서 는 Fig. 3.과 같다. 스케일 공간 극값 검출에서는 영상을 확대 또는 축소하여 모아놓은 스케일 공간 을 생성하여 특징점 후보를 만드는 과정이며 이렇 게 생성된 특징점 후보를 두 번째 단계에서 정확 한 위치를 결정해 준다. 이후 세 번째 단계에서 특징점들의 방향성을 할당해 준 다음 네 번째 단 계에서 최종적으로 서술자를 생성하여 최종 특징 점을 추출한다.
4.2 SfT
SfM은 SIFT 기법으로 특징점을 찾은 후 CMVS (Clustering view for Multi-View Stereo)/PMVS2 (Patch-based Multi-View Stereo2)를 통해 포인 트 클라우드를 확장하여 고밀도 포인트 클라우드 를 생성한다. Fig. 4는 SfM의 처리과정을 나타낸 것이다. SIFT이후 영상 정합방법은 주로 Track 방
(a) (b)
Fig. 3 SIFT process (a) feature candidate extraction, (b) directional assignment operator식을 사용한다. Track 방식은 최소 3개 이상의 중첩영상, 2개 이상의 특징점이 존재해야 포인트 클라우드 생성이 가능하다. 이후 고밀도 포인트 클 라우드 생성 시에는 CMVS/PMVS2를 적용하는데 CMVS는 중복영상을 cluster로 분해하고 PMVS2는 각 cluster로부터 3 차원 자료를 재구성하여 고밀 도 포인트 클라우드를 생성한다.
Fig. 4 The flow chart of SfM method.
5. 자연재해 피해조사 사례
무인 항공 사진 맵핑을 이용한 재난사고 피해 조사의 경우 다양한 재난 현장에서 활용될 수 있 다. 산사태로 인한 산악지역 피해조사, 하천이나 강의 범람 등 홍수로 인한 침수 피해조사, 태풍으 로 인한 해안 지역 피해조사, 건물 붕괴 등 지진 으로 인한 피해 조사 등 다양한 재난사고 현장에 서 임무를 수행할 수 있다.
Fig. 5.는 산사태로 인한 피해지역에 대한 항공 사진 맵핑 조사 사례로서, 3차원 지형자료를 분석 하고 해당 피해지역에서 발생한 산사태의 길이 및 면적 등을 분석하여 피해조사를 실시하였다. 무인 항공기를 활용한 항공사진 맵핑을 이용한 피해조사 방안은 산악지역과 같이 조사자의 접근이 불가능하 고, 현장에서의 직접 피해조사를 수행 하기 힘든 재난 현장에서 더욱 빛을 발할 것으로 기대된다.
Fig. 5 A Case on the Damage of UAV Mapping at the Slope Damage Site.
6. 결 론
무인 항공 사진을 활용한 맵핑 기술은 복구와 같은 재난 사후대응의 관점에서 많은 장점을 가지 고 있다. 주로 수작업으로 수행되던 기존의 조사 체계에 비해 획기적으로 조사 시간 단축이 가능하 며, 직접 수행하기 어렵거나 접근이 어려운 재난 현장에도 대응이 가능하다. 또한 재난발생 시점부 터 정확한 맵핑 데이터를 근거로 하여 재난현장 공간정보 구축과 지도 작업이 가능하여 재난현장 상황관리와 복구 우선지역 선정, 복구 계획을 수 립하는 데 상당한 강점을 지닌다. 이처럼 무인 항 공 사진 맵핑은 자연재난과 사회재난을 아울러 광 범위한 현장에서 활용할 수 있는 기술로서, 이를 통한 피해조사 체계가 확립된다면 재난대응 시간 및 피해복구 범위 조사와 더불어 신속하게 복구 계획을 수립하는 데에 상당하게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
참고문헌
