UAV기반의 무인항공사진측량

수치지도의 수시 수정이나 재난, 재해의 피해조사 및 복구를 위한 지형도 제작 등 신속이 요구되는 지형측량에는 기존의 항공사진측량에 비해 이동성, 사용성, 접근성이 뛰어나고 기상조건에 영향을 덜 받는 UAV(Unmanned Aircraft Vehicle) 기반의 무인항공사진측량이 적합하다. UAV에 GPS 및 INS가 결합된 자동비행장치(Auto pilot)와 카메라를 탑재하여 취득한 영상은 수치사진측량 소프트웨어에 의한 정사영상, *DEM 및 도화작업이 자동 또는 반자동으로 즉시 수행되므로 최단시간 내의 지형도 제작이 가능하다. 무인항공사진측량에서는 렌즈 왜곡이 큰 일반 카메라와 정밀도가 낮은 IMU센서를 사용하므로 기존의 항공사진측량 방법으로는 영상을 처리하기 어렵다. 따라서 컴퓨터 비전 분야의 SfM기술을 바탕으로 영상을 3차원으로 재구성하여 3D 포인트 클라우드를 생성한 다음, 지상기준점 성과를 기준으로 이를 절대좌표로 변환하여 DEM과 정사영상을 생성한다.

*DEM(Digital Elevation Model) : 수치표고모형은 표고데이터의 집합일 뿐만 아니라 임의의 위치에서 표고를 보간할 수 있는 모델을 말한다. 공간상에 나타난 불규칙한 지형의 변화를 수치적으로 표현하는 방법을 수치표고모형이라 하며 DEM은 DTM중에서 표고를 특화한 모델이다.

 

 

무인항공기의 종류

무인항공기는 비행 특성에 따라 고정익과 회전익 무인기로 나눌 수 있다. 고정익은 비행시간이 길고 비행이 용이하여 매핑에는 용이하나 이착륙 공간 확보가 관건이고 회전익은 비행안전성은 높으나 운용시간이 짧고 고정익에 비해 스트립이나 블록 영상을 얻기가 쉽지 않다고 한다. 그래서인지 체공시간을 늘리려면 크기가 커야 하고 그만큼 돈이 많이 들어간다는 단점이 있다. 고정익이나 회전익이라고 하면 일상생활에서 주로 쓰는 말이 아니라서 무슨 말인지 헷갈릴 텐데 비행체의 날개 구조를 말하는 거다. 쉽게 생각하면 고정익은 날개가 고정되어 있는 전투기고 회전익은 프로펠러가 계속 회전하며 나는 헬리콥터라고 보면 될 것 같다.

 

무인항공사진측량의 특징

첫 번째는 렌즈 왜곡이 큰 일반 카메라 사용하여 렌즈 전체 면에 걸쳐 왜곡이 과다하므로 렌즈 캘리브레이션이 무의미하다. 따라서 왜곡이 거의 없는 중심부 영상만 사용이 가능하고 그러므로 중심부 영상을 충분히 확보하기 위하여 80% 이상의 중복도로 촬영해야만 한다. 두 번째는 정밀도가 떨어지는 저가의 MEMS(미세전자기계시스템) IMU(관성 측정장치) 사용해서 취득되는 외부표정요소는 정밀도가 떨어져 직접 사용이 어렵다. 따라서 *SIFT와 *SfM방법으로 영상을 정합하고 3D 포인트 클라우드를 생성한다. 그 포인트 클라우드를 지상기준점을 이용해서 절대좌표로 변환하고 DEM과 정사영상을 생성한다.

*SIFT(Scale Invariant Feature Transform) : 회전, 축척, 명암, 카메라 위치 등에 관계없이 영상데이터를 특정점으로 변환하여 영상정합을 자동으로 수행하는 것을 기술

*SfM(Structure from Motuion) : 다양한 각도로 촬영된 다수의 영상에서 매칭 된 각 특징점의 3차원 좌표와 카메라 위치를 추정하여 3차원으로 영상기하를 재구성하는 기술

 

무인항공사진측량의 시스템 오차

기계적오차 : 배터리, 전파장애, S/W 오류, GPS 수신 불량, 카메라 오차

자연적오차 : 바람, 비 등 기상 및 조류, 태양반사에 의한 오차

인위적과실 : 조정실수, 착오, 비행설계 실수에 의한 오차

이외에도 비행고도에 따른 오차, 지형적 특성에 의한 오차, 지상기준점에 의한 오차 등이 있다.

 

무인항공사진측량의 순서

먼저 구글영상이나 수치지도상에서 촬영 구역을 입력한다. 그리고 촬영 고도와 촬영 중복도를 입력하게 되면 자동으로 계획 항로가 생성이 된다. 본인이 취미로 사진측량을 하지 않는 이상은 발주처에서 원하는 축척의 결과물이 있을 것이다. 거기에 맞춰서 카메라의 초점 길이나 고도, 중복도를 설정하고 입력만 해주면 된다. 그다음 착륙장을 설정해야 한다. 여기서 중요한 것이 착륙장의 위치가 바람이 세다거나 도중에 장애물이 있으면 안 된다. 우리가 평소에 서있을 때 맞는 바람과 하늘에서 맞는 바람은 정말 천지차이다. 드론의 경우 고가는 400만원도 넘으니까 설정 한 번의 실수로 날려버리는 일은 없어야겠다. 비행 자체는 자동비행이기 때문에 따로 해줄 게 없다. 착륙하고 나면 영상을 회수해서 영상 처리해주면 끝이다. 실제 현장에 나가서 드론을 띄우려고 하면 비행시간보다는 현장 확인이나 촬영 계획을 잡는데 시간이 많이 걸린다.

 

무인항공사진측량의 가능성

무인항공기는 저비용으로 소규모지역의 최신 고화질 영상 획득에 효과적인 시스템으로 요구 정확도에 따른 측량의 보조수단으로 활용 가능성을 제시하고 있다. 각종 센서에 의하여 무인항공기 조작의 편리성으로 측량인원 및 시간 절감 효과를 얻을 수 있으며, 다양한 분야로의 진출과 수요 창출이 기대되는 시스템으로 다음과 같은 분야에 적용할 수 있다. UAV 무인 항측은 적은 비용으로 신속하고 정밀한 정사영상을 취득할 수 있는 최신 기술로서 향후 그 적용성이 크게 증가할 것으로 예상된다. 그와 함께 발전하고 있는 것이 드론 산업과 영상자료 편집기술인데 앞으로 이뤄지는 모든 측량은 무인으로 가지 않을까 싶기도 하다.