KR100898616B1 - 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수치표고모델을 구축하는 방법 - Google Patents

육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수치표고모델을 구축하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 항공레이저측량기(LiDAR)를 이용하여 육상부의 수치표고모델 데이터를 구축하고, 다중빔음향측심기(MBES)를 이용하여 수심부의 수치표고모델 데이터를 구축한 후, 각각의 수치표고모델을 통합시킴으로써, 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 정밀한 수치표고모델을 구축하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 방법에 따르면, 보다 적은 인력의 투입으로 보다 신속하고, 정확하게 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수치표고모델을 구축할 수 있다. 따라서 구축된 수치표고모델을 바탕으로 하저부 퇴적물 관리 시스템을 구축함으로써 무분별한 하상준설공사를 예방할 수 있으며, 홍수 예측시스템과 연계하여 홍수방지대책을 수립할 수 있다. 또한, 수치표고모델은 3차원영상을 이용한 지형분석 자료로도 활용할 수 있다.
수치표고모델, 항공레이저측량기, 다중빔음향측심기

Description

육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수치표고모델을 구축하는 방법{Construction Method for Digital Elevation Model of Area Coexisting the Ground and Water}
본 발명은 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수치표고모델을 구축하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 항공레이저측량기(LiDAR)를 이용하여 육상부의 수치표고모델 데이터를 구축하고, 다중빔음향측심기(MBES)를 이용하여 수심부의 수치표고모델 데이터를 구축한 후, 각각의 수치표고모델을 통합시킴으로써, 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 정밀한 수치표고모델을 구축하는 방법에 관한 것이다.
물은 인류를 비롯한 모든 생명체의 탄생·성장·번식·소멸의 전 과정에 걸쳐 결코 없어서는 안 되는 필수불가결의 자원이다. 향후 세계의 많은 나라들이 물 부족 국가가 될 것으로 예상 되는 가운데 현재 세계각국 수자원관리 정책의 실패로 세계인구의 20%(약11억명)가 깨끗한 물을 마시지 못하고 있다. 우리나라의 경우 국 가별 1인당 연간 재생 가능 수자원량은 세계 153개국 중 130위로 수자원관리의 필요성은 더욱 증대되고 있으며, 특히 수자원을 관리하는 주요 인프라가 될 댐과 하천관리의 중요성은 더욱 강조될 것으로 예상된다. 우리나라의 경우 연평균 1인당 총강수량은 2,705㎥로 세계 평균 26,800㎥의 1/10 정도에 불과하다. 특히 강우가 경년별, 계절별, 지역적으로 편중되며, 경사가 급한 산악지형의 특성으로 계절적 하천 유량 변동이 매우 커 수자원관리에 매우 불리한 자연적 조건을 가지고 있다. 평시에는 하천수량 부족으로 물공급에 문제점을 내포하고 있으며, 연중 고른 강수량을 갖는 외국과는 다르게 홍수와 가뭄이 빈발하여 하천관리의 필요성은 지속적으로 증가할 것이다. 따라서 이러한 하천의 역할을 제대로 수행하기 위하여 하천의 정확한 현황 파악 및 관리 기술의 중요성은 증대되고 있으며 하천현황의 기본 자료를 제공할 정밀 하천측량기술은 중요한 사항으로 대두 되고 있다. 향후 하천측량의 기술은 정확성과 신속성 그리고 데이터베이스화를 더욱 요구받게 될 것이며 그 기술은 진보해야 될 것으로 예상된다.
하천측량은 수문학적 분석을 위한 자료구축, 하천의 개수 및 그 밖의 공사등을 하고자 할 때, 그 하천의 상황을 명확히 파악하기 위한 것으로 수준측량, 기준점측량, 현황측량, 수심측량, 유량관측 등의 작업이 포함된다. 오늘날의 하천측량기술은 현장에서 평판과 앨리데이드를 이용하여 도해법에 의하여 작도하던 고전적인 평판측량 단계 이후 토탈스테이션에 의한 기준점측량 및 현황측량 단계를 지나 정밀 GPS(Global Postion System)를 이용한 하상부 기준점측량 및 현황측량, 음향측심기를 이용한 하저부 수심측량 단계가 정착되고 있다.
GPS 측량시스템의 발전으로 GPS을 이용한 실시간 측량 활용(강창모 1995), 3차원 지형해석(신상철 2001) 및 수치지형모형 생성(강길선 2004) 등의 연구가 수행되었으며, GPS와 토탈스테이션을 이용한 하천측량(최보용 2007), GPS와 음향측심기를 이용한 측량(김현호 2005) 등의 GPS와 다른 장비를 함께 이용한 연구도 많이 진행중이다. 2000년도 초 국내로 도입된 항공레이저측량기(LiDAR; Light Detection And Ranging)를 이용한 측량기술의 연구는 항공 LiDAR 측량 방법의 정확성 평가(최윤수 2005, 이창복 2006)부분과 항공 LiDAR 측량의 효율성(위광재 2007) 그리고 항공 LiDAR 측량과 싱글빔 음향측심기를 이용한 성과 취합(오윤석 2005)분야 등 다양한 부분에서 연구가 수행되었다.
또한, 미해군에서 군사용으로 개발되어 해저의 정밀 소해 측량용으로 사용되고 있는 다중빔음향측심기(MBES; Multi Beam Echo Sounder)를 이용한 연구는 오차분석(박요섭 2004)과 정확도 개선(김연수 2005), 해저 구조물 파악(박형근 2007)등 다양한 분야에서 연구가 수행되고 있다.
이러한 신장비의 개발에 따른 새로운 측량기법 및 효율성의 극대화를 위하여 국가기관 및 여러 연구단체, 학교 등에서 연구를 수행하고 있으나, 정밀 측량장비인 GPS, 항공 LiDAR, MBES 등을 함께 이용하여 육상부와 수심부(해상부)가 함께 공존하는 지역인 하천 및 연안지역을 측량한 사례는 없었다.
이에, 본 발명자들은 항공레이저측량기(LiDAR)를 이용하여 육상부의 수치표고모델 데이터를 구축하고, 다중빔음향측심기(MBES)를 이용하여 수심부의 수치표고 모델 데이터를 구축한 후, 각각의 수치표고모델을 통합시키면, 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 정밀한 수치표고모델을 구축할 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수치표고모델을 구축하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 육상부를 대상으로 GPS/INS 및 항공레이저측량기(LiDAR)가 부착된 항공기를 이용하여 좌표 및 고도를 측량하는 단계; (b) 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수심부를 대상으로 DGPS 및 다중빔음향측심기(MBES)가 부착된 선박을 이용하여 좌표 및 수심을 측량하는 단계; (c) 상기 (a) 단계 및 (b) 단계에서 측량된 LiDAR 및 MBES 측량값을 정표고 변환시키는 단계; (d) 상기 (c) 단계에서 정표고 변환된 LiDAR 및 MBES 측량값을 대상으로 각각의 수치표고모델(DEM) 데이터를 구축하는 단계; 및 (e) 상기 구축된 각각의 LiDAR 및 MBES 수치표고모델(DEM) 데이터를 통합하여 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수치표고모델(DEM)을 구축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역 의 수치표고모델을 구축하는 방법을 제공한다.
본 발명의 방법에 따르면, 보다 적은 인력의 투입으로 보다 신속하고, 정확하게 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수치표고모델을 구축할 수 있다. 따라서 구축된 수치표고모델을 바탕으로 하저부 퇴적물 관리 시스템을 구축함으로써 무분별한 하상준설공사를 예방할 수 있으며, 홍수 예측시스템과 연계하여 홍수방지대책을 수립할 수 있다. 또한, 수치표고모델은 3차원영상을 이용한 지형분석 자료로도 활용할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
수치표고모델((DEM))은 지리 정보 시스템(GIS) 구축을 위해 사용되는 3차원 좌표로 나타낸 자료를 의미하며, 그 중 지형을 표현한 수치 지형 모델(DTM:Digital Terrain Model), DTD(Digital Terrain Data), DTED(Digital Terrain Elevation Data) 등이 있다. 수치표고모델은 각종 토목 공사 분야에서 댐, 도로, 철도 건설을 위한 기초 자료로 활용되고, 또한 임의의 위치에서 가시 지역 분석을 통한 전파의 중계를 위한 송신탑의 건설이나 레이더 시설물의 적정 위치 선정을 위한 적지 분석에도 사용된다.
본 발명은 일 관점에서, (a) 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 육상 부를 대상으로 GPS/INS 및 항공레이저측량기(LiDAR)가 부착된 항공기를 이용하여 좌표 및 고도를 측량하는 단계; (b) 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수심부를 대상으로 DGPS 및 다중빔음향측심기(MBES)가 부착된 선박을 이용하여 좌표 및 수심을 측량하는 단계; (c) 상기 (a) 단계 및 (b) 단계에서 측량된 LiDAR 및 MBES 측량값을 정표고 변환시키는 단계; (d) 상기 (c) 단계에서 정표고 변환된 LiDAR 및 MBES 측량값을 대상으로 각각의 수치표고모델(DEM) 데이터를 구축하는 단계; 및 (e) 상기 구축된 각각의 LiDAR 및 MBES 수치표고모델(DEM) 데이터를 통합하여 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수치표고모델(DEM)을 구축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수치표고모델을 구축하는 방법에 관한 것이다.
먼저 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수치표고모델을 구축하기 위해서는 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 육상부를 대상으로 GPS/INS 및 항공레이저측량기(LiDAR)가 부착된 항공기를 이용하여 좌표 및 고도를 측량한다.
항공레이저측량(LiDAR : Light Detection and Ranging)은 레이저 스캐너(Laser Scanner)를 항공기에 장착하여 레이저 펄스를 지표면에 주사하고 반사된 레이저 펄스의 도달 시간을 관측함으로써 반사 지점의 공간 위치 좌표를 계산해 지표면에 대한 정보를 추출하는 측량기법이다.
LiDAR 시스템은 레이저 스캐너(Laser Scanner), GPS, INS로 구성되어 있으며, 레이저 스캐너는 다시 거리측량부와 스캐닝부분으로 분할되고, 이들은 제어부를 통해 통합 운영되고 제어된다. GPS는 센서의 위치를, INS는 센서의 자세를, 레 이저 스캐너는 센서와 지표면과의 거리를 관측하여 지표면상의 표고점에 대한 3차원 X, Y, Z 좌표를 결정하는 것이 LiDAR의 위치결정의 기본원리이다.
LiDAR는 현재 레이저 센서 전면에 부착된 거울이 회전하거나, Palmer스캔, fiber스캐너, 회전 다각형 등의 방식으로 지표면을 스캐닝 하여 보다 넓은 지역을 측정할 수 있으며, 주사각, 스캐닝진동수, 비행고도, 비행속도, 초당레이저 측정회수 등이 측량의 밀도와 특성을 결정한다. 또한 자료통합을 위한 보조 장비로 비디오, 측량용사진기가 탑재될 수도 있다.
상기 레이저 스캐너는 펄스 형태의 일정한 주사폭(swath width)을 갖는 레이저파를 주사함으로서 지표면과 레이저 스캐너 간의 거리를 계산할 수 있으며, 이때 점밀도(points density)의 조정도 가능하다. 레이저 스캐닝 방식에 따라 레이저 스캐너는 oscillating mirrors, rotating mirrors, nutating mirrors(palmer scan), optical fiber방식 등으로 나눌 수 있다. 각각의 방식에 의해 얻어진 scan-line의 일반적인 형태는 oscillating mirrors방식일 경우 zigzag-line 또는 parallel-line, rotating mirrors방식일 경우 parallel-line, nutating mirrors(palmer scan) 방식일 경우 타원형(elliptical)형태를, optical fiber 방식일 경우 parallel-line의 형태를 이룬다. 레이저 스캐닝은 주사각도(scan angle)와 고도에 따른 주사폭(swath width)으로 비행경로의 좌우방향의 데이터 취득을 위하여 사용되며, 지상에서의 스캔라인의 형태는 스캐닝 방식뿐만 아니라 비행방향과 비행속도에도 영향을 받는다.
비행기의 위치 및 레이저의 위치는 DGPS를 이용한 3D 좌표로서 결정된다. 이를 위해 높은 정확도의 GPS 장비가 비행기에 장착되어야 하며, 또한 GPS 지상기준국(GPS Base Station)의 설치가 필요하다.
레이저 장치는 일반적으로 항공기가 수평으로 비행하는 동안에 지표면과 수직이 되도록 고정되어 있다. 그러나 비행하는 동안에 발생할 수 있는 다양한 항공기의 자세(roll, pitch and yaw)변화로 인하여 레이저빔은 항상 수직으로 방출되지 않게 된다. 따라서 고정밀 자이로스코프(Gyroscope)를 이용한 INS은 항공기의 자세측정에 사용되며, 이 자세 데이터는 LiDAR 데이터의 3차원 좌표결정에 이용된다.
상기 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역은 시간의 흐름에 따라 수량이 변화되는 지역으로서, 강, 하천, 저수지, 댐, 바다 등을 예시할 수 있다. 즉, 강, 하천, 저수지, 댐, 바다 등은 시간의 흐름에 따른 홍수와 가뭄에 영향을 주는 강수량, 계절적 변화, 인위적 요인 등의 영향을 받아 육상부 또는 수심부로 존재하는 구역이 달라 질 수 있다. 바다의 경우 주기적으로 반복되는 밀물과 썰물에 따라 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역을 갖게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 LiDAR 측량은 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수심부의 수위가 평균수위 이하일 때 측정하는 것이 바람직하다. 즉, LiDAR 측량은 육상부를 대상으로 측정하는 것이기 때문에 강수량이 적은 시기, 그리고 LiDAR 펄스의 반사를 유발시키는 풀 등이 존재하지 않는 시기에 측정하는 것이 바람직하다.
다음으로, 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수심부를 대상으로 DGPS 및 다중빔음향측심기(MBES)가 부착된 선박을 이용하여 좌표 및 수심을 측량한다.
상기 MBES 측량은 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수심부의 수위가 평균수위 이상일때 측정하는 것이 바람직하다. 즉, MBES 측량은 수심부를 대상으로 측정하는 것이기 때문에 강수량이 많은 시기에 측정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 다중빔음향측심기(MBES)는 기존에 사용된 단빔음향측심기와 달리 부채꼴 모양의 음파를 발사하여 한꺼번에 수심 3∼5배 폭의 수심을 측정하여 해저면의 형상을 사진 찍듯이 정밀하게 해저면을 그려낼 수 있는 첨단장비이다.
상기 MBES 시스템은 복수개의 소나 트랜스듀서 어레이(array)로 구성되어있다. 각 소나 어레이의 위상 차(Phase)를 조절하여, 지향 각(Pointing Angle)을 가지는 빔을 생성할 수 있다. 통상적으로, 음파를 발사할 때에는 현 방향으로 넓고, 선수 방향으로는 빔 폭이 좁은 부채꼴 모양의 빔을 생성하여 발사하고, 수신할 때에는 그와 직교되는 방향으로 여러개의 빔을 수신하여, 두 빔의 직교되는 시점을 관측하여 경사거리를 측정하게 된다.
천해용 MBES는 100KHz 이상의 중심주파수 특성을 가진 음원발생기(Projector)로 구성된 송신부와 해저면으로부터 반사되어 돌아오는 신호 수신을 위한 하이드로폰(Hydrophon)으로 구성된 수신부(Receiver)와 신호처리를 위한 처리시스템(Processor)의 3부분으로 구성된다. 음원으로 부터의 주사빔의 파형은 조사 선의 진행방향에 대하여 수직방향으로 일정한 주사폭(Swath Angle : 90 ∼ 160°)과 선수와 선미 방향에 대한 얇은폭(Split Beam)빔 특성(0.5 ∼ 3.0°)을 보이도록 송신부와 수신부가 설계되어 있다. 해저면에서 반사되어 돌아오는 신호는 수신부의 하이드로폰 배열에 따라 세밀한 시간간격으로 주사폭의 일정한 면에 대한 중심점의 수심을 동시에 측정한다. 처리시스템은 아날로그신호를 디지털 신호화 하는 DSP(Digital Signal Processor)보드, 컴퓨터 운영장치와 기록장치 등의 하드웨어로 구성되어 있다.
음향측심법에 있어서 해수중의 음파속도는 해수중의 수온, 염분, 압력 등의 상태에 따라 변화한다. 즉, 음속도는 시간과 수괴의 위치에 의하여 일정한 것이 아니라 계절, 해역, 깊이에 따라 변화하는 것이다. 보다 정확한 수심을 얻기 위해서는 수심 측정 시 그 위치에 있어서 음속도의 분포를 보다 자세히 아는 것이 중요하다. 음속도의 측정방법에는 Bar-Check법, 계산법, 음속도 계측법 등이 있다. 수심측량의 실시해역, 측심정도, 사용 기기의 조건, 자료정리나 성과작성의 조건에 의해서 이러한 방법을 선택하여 필요한 정도의 보정자료를 취득하는 것이 필요하다. 음속도 계측법에는 음속도 측정기(SVP)를 수중에 투하하여 계측하여 MBES에 적용하거나, 측량선 선저에 음속측정 센서를 부착하여 실시간으로 음속도를 측정하여 적용하는 방법이 있다.
다음으로 상기 LiDAR 및 MBES 측량값의 오차를 보정하고, 정확도를 향상시키기 위하여 정표고 변환을 실시한다. 상기 정표고는 통상의 방법에 따라 현지 측량 성과를 통해 지오이드 모델을 제작함으로써, 산출할 수 있다.
상기 LiDAR 및 MBES 측량값의 정표고 변환이 이루어지면, 상기 정표고 변환된 LiDAR 및 MBES 측량값을 대상으로 각각의 수치표고모델(DEM) 데이터를 구축한다. 상기 수치표고모델(DEM) 데이터의 구축은 시중에서 판매되는 소프트웨어를 이용하여 이루어 질 수 있다. 예를들면 LiDAR 측량 DEM을 구축하기 위하여 Bentley사의 Micro Station Ver8.1, Terrasolid사의 TerraScan, TerraModel 등을 이용할 수 있고, MBES 측량 DEM을 구축하기 위하여 Navipac S/W 등을 이용할 수 있다.
상기 LiDAR 및 MBES 측량값의 수치표고모델(DEM) 데이터의 구축은 LiDAR 또는 MBES 측량 후 독립적으로 각각 수행할 수도 있고, 두가지 측량을 모두 마친 후, 동시에 수행할 수도 있다. 즉, 본 발명에 있어서, LiDAR 및 MBES 측량값의 수치표고모델(DEM) 데이터 구축의 순서는 특별한 제한없이 수치표고모델(DEM) 데이터 통합 전에 이루어지면 된다.
끝으로, 구축된 각각의 LiDAR 및 MBES 수치표고모델(DEM) 데이터를 통합하여 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수치표고모델을 구축한다.
상기 구축된 각각의 LiDAR 및 MBES 수치표고모델(DEM) 데이터의 통합은 LiDAR 측량 및 MBES 측량이 실시된 다수의 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역들중 측량값이 서로 중첩되는 부분의 길이가 가로 50m 이상, 세로 5m 이상인 지역을 대상으로 수행되는 것을 특징으로 한다. 상기 중첩되는 부분의 가로 및 세로의 길이가 기준 미만인 경우, 성과검증을 위한 데이터로는 가치가 없는 것으로 판단하였고, 중첩되는 부분의 면적이 넓을수록 가치가 높은 것으로 판단하였다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
LiDAR 및 MBES를 이용한 하천지역의 하상 및 하저부분 조사측량 연구대상지역으로 충주다목적댐 저수구역 일대를 선정하였다(도 1 참조). 이 지역은 한강 유역은 북위 36°30′∼38°55′, 동경 126°24′∼129°02′에 걸쳐 한반도의 중앙부에 위치하고 있으며, 한강유역 지형을 구분해 보면 남북한강이 합류하는 팔당댐에서 한강과 섬강의 합류점까지 약 160.7㎞ 구간은 표고 200-700m로써 대부분 계곡사이의 평탄한 저지대에 위치하여 약 0.1-0.2m/㎞의 구배를 이루고 있어 연구 대상지로서 매우 양호한 조건을 갖춘 지역으로 판단됨으로서 연구대상지역으로 선정하였다.
실시예 1. 항공LiDAR 데이터 측량
1-1. 항공 LiDAR Calibration
LiDAR Calibration은 시스템이 가지고 있는 자체 오차를 판별, 보정하며 정확한 지형의 3차원 위치 좌표값을 계산하기 위한 필수적인 공정으로 항공기에 장비 를 탑재시킨 후 수행하였다. 장비 설치 후 각 센서(항공LiDAR, GPS수신기, INS장비)간의 이격거리를 토탈 스테이션을 이용하여 측정하고, 미리 마련된 검정장의 실제 비행 데이터를 기지좌표에 맞추어 보정하였다. 또한, 지상에서 측량기를 이용하여 구해진 측정값은 장비의 상수값과의 계산을 통해 이격거리 정보를 구하였다. 도 2는 시스템의 X, Y, Z축 및 이격거리 측정을 가시적 나타낸 사진이며, 도 3은 측정값을 통해 이격거리를 구하는 모니터 화면을 나타낸 사진이다.
산출된 장비의 센서간 이격거리 값은 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
장비 X Y Z
GPS 0.208m 0.002m -1.275m
IMU -0.269m 0.207m -0.004m
시스템 보정을 위해 도 4에 나타낸 바와 같이 충청남도 천안시 불당동 일원 항공레이저측량을 통해 보정작업을 실시하였다. 천안시 지역적 선정조건으로는 대상지역의 상대적으로 평탄한 도심지 및 약간의 구릉지가 있어 지상기준점 측량 및 수준점 측량이 매우 용이하며, 지속적인 촬영이 가능한 지역으로 항공레이저측량 보정작업의 최적의 조건을 갖추었다. 검정장을 통한 시스템 오차를 조정하는 인자는 Pitch, Roll, Scale, Offset이다.
Roll, Pitch, Heading에 대한 보정량 산출을 위하여 overlaping지역에 대한 Tie Point관측을 수행하였으며, Tie Point는 경사지 및 건물외곽이 아닌 도로 및 평탄지에서 라인당 30~50점 관측을 하였다. Roll, Pitch, Heading 보정량 산출결과는 하기 표 2에 나타내었다.
[표 2]
구분 Roll Pitch Heading
기계 Spec(deg) 0.0042 0.0042 0.0194
표준편자(deg) ±0.0018 ±0.0026 ±0.0110
보정값(deg) -0.5458 0.1695 -0.0603
1-2. GPS지상기준국 설치
GPS/INS를 이용하여 항공LiDAR측량시 GPS지상기준국은 기내 탑재된 레이저 스캐너의 정확한 위치파악을 위해 항공기의 이륙에서부터 착륙 전까지 전시간에 걸쳐 GPS데이터 수신을 2Hz간격으로 운영하여, 촬영대상지역 반경 30km내에 사이클 슬립을 최소화 할 수 있는 위치에 기준국 2점을 설치하였으며, 지상기준국의 좌표값은 하기 표 3에 나타내었다.
[표 3]
포인트 위도 경도 타원체고
CH00 36°59'59.51472"N 128°07'45.42431"E 197.454m
CH01 36°59'12.86334"N 127°54'34.68149"E 108.003m
1-3. 항공 LiDAR 측량
GPS/INS 및 항공레이저측량기(LiDAR)가 부착된 항공기를 이용하여 충주댐 지역의(표 5 참조) 좌표 및 고도를 측정하였다.
1-4. 정표고 변환 측량
항공 LiDAR의 정표고를 설정하기 위하여 정표고 변환 측량을 실시하였다. 이때, 지상기준점의 지표면점만을 이용하여 항공LiDAR의 오차를 보정하였다.
산출된 3차원 포인트 데이터는 그 처리의 과정에 있어 GPS/INS 데이터를 이용하기 때문에 WGS84 타원체에 기반한 타원체고로 높이값이 산출된다. 따라서 정표고 값으로 변환을 위해 현지 측량성과를 통해 지오이드 모델을 제작하고 정표고를 산출하였다. GPS 측량 및 기선해석시 원활한 작업을 위해 L1, L2 (2주파) 모두 수신이 가능한 GPS 장비로 지상기준점 측량을 실시하였다.
GPS 측량에 의한 정표고 변환 측량 작업 과정은 각 세션마다 약 30분 이상을 관측하였으며 관측한 GPS 측량데이터는 정밀한 좌표값 산출을 위해 GPS 상시관측소 4곳 (서산, 전주, 상주, 광주)의 관측데이터를 국토지리정보원에서 다운로드 받아 GPS 관측 자료와 조합 후 망조정을 실시하였고 정표고 값은 도 5에 나타낸 바와 같이 타원체고와 표고 편차를 이용하여 정표고를 산출하였다.
정표고 변환 측량 배치도는 도 6에 나타낸 바와 같이 연구 대상 지역에 고루 분포되도록 배치하였다.
1-5. 자료처리
DEM 구축을 위하여, 항공기로 측량된 가장 기초데이터인 GPS/INS원시데이터를 도 7(a)과 같이 GrafNav의 포맷에 맞게 변환을 하였으며, RAW데이터를 LAS데이터로 변화하기 위해 도 7(b)과 같이 ALS PP(ALS Post Processol)로 IMPORT하였다. 그리고, 불러온 RAW 데이터를 도 7(c)와 같이 ALS PP에서 LAS데이터로 변환하였다.
그리고, 추출된 주요점(Model KeyPoint)으로부터 불규칙삼각망(TIN)을 생성하고 TIN으로 동일 높이점들을 찾아가며 B-spline 보간법을 적용하여 1m간격의 등고선을 추출하였다. 도 8은 반사파 추출 및 Ground 분류를 통한 DEM 구축 예를 나타낸 도면이다.
즉, LiDAR 측량값을 전처리 및 후처리 시킨 후, Bentley사의 Micro Station Ver8.1과 Terrasolid사의 TerraScan, TerraModel 등의 프로그램을 통하여 가상격자(Pseudo-Grid), 수치표면모형(DSM) 및 수치표고모형(DEM)으로 제작하였다.
도 9는 LiDAR 측량값의 수치표고모형(DEM) 제작성과를 나타낸 도면이다.
실시예 2. MBES 데이터 측량
수심부의 측량을 위하여 사용된 MBES 시스템으로 SeaBat 8125(Reson)을 사용하였고, DGPS 위성측위기로는 Trimble사의 DSM132를 사용하였으며, Gyrocompass 및 Motion Sensor는 OctansⅢ Surface System을 사용하였다
2.1 MBES Setting
정확한 측심데이터 획득을 위해 배의 무게중심을 기준으로 하여 가장 가까운 곳에 Octans, DGPS 안테나 및 트랜스듀서를 설치하였으며, 하기 표 4와 같이 위치 및 보정값을 각각의 고정 Offset(선박의 무게중심을 기준으로한 기본좌표계(X,Y,Z)의 거리)을 Navi-Pac에 대입하였다. MBES System의 기본좌표체계 및 측량선에 설치한 고정 Offset은 도 10에 나타내었다.
[표 4]
구 분 X Y Z
DGPS 0 0 m -2.27 m
Octan 0 0.57 m 0 m
트랜스듀서 0 0 m 0.27 m
2-2. MBES Calibration
측량성과의 오차를 줄이기 위하여 Gyro 및 Motion Sensor와 MBES 트랜스듀서와의 정렬상태에 따른 오차값을 상쇄시키기 위하여 도 11과 같이 선수방향, 현방향, 직하방향간의 보정치를 산정하여 대입하였다.
2-3. 음속보정
음속계측기(Sound Velocity Profiler)는 Reason사의 SVP15를 사용하였고, 수면에서 직접 투하하여 직하수심 0.5m 간격으로 음속이 취득되도록 셋팅하였다. 음속보정은 측량전 음속 취득 후 약 3시간 간격을 두고 취득하였으며 측량 종료시에도 실시하였다.
2-4. 수위보정
충주댐 수심측량 성과 보정을 위한 수위 관측을 위하여 하기 표 5와 같이 충주댐 본댐 입구, 청풍대교 부근, 단양부근 3개소에 조위 차를 파악하여 기초자료로 활용하기 위하여 임시 검조소를 설치하여 관측 자료를 수집·분석하였다.
[표 5]
위치 활용 기준점 관측 기간 조위 기준 관측 기기
본댐입구 본댐 1급기준점 2007.12.28 1급기준점 높이 압력식 검조기
청풍대교 부근 No.1047 2007.12.28 No.1047기준점 높이 압력식 검조기
단양부근 No.1041 2007.12.28 No.1041기준점 높이 압력식 검조기
조위는 검조기(XR-420-TG, RBR사)를 사용하여, 10분 간격으로 데이터를 취득하고, 3개 지점에 대한 동시간대의 수위차를 압력식 방법으로 측정하였다.
2-5. 정표고 변환
MBES 측량의 정표고 변환측량은 댐 수위(한국수자원공사에서 댐수위체크)를 관측한 후, 수행하였다.
2-6. 자료처리
측량한 멀티빔 데이터는 도 12와 같이 Navi-PAC프로그램 및 Navi-Scan을 통하여 *.SBD 포맷의 Raw Data로 저장하였다. 저장된 Raw Data를 Navi-edit 프로그램을 통하여 불러들인 후 수위보정, 음속보정, 수심보정 등 일련의 보정과정을 수행하여, 최종결과물로 변환시켰다. 이때 필요목적에 따라 X, Y, Z 파일 및 NED등의 형식의 파일로 변환하여 저장하였으며, DEM으로의 변환을 위해 Contour 프로그램을 통한 격자성과를 도출하고, 지형의 3차원적 표현을 구현하였다.
즉, MBES 수심측량의 세부 작업과정은 먼저 측심선의 해상위치 결정을 위해 실시간 DGPS 수신기를 이용하여 WGS-84 좌표를 얻은 후, Navipac S/W로 TokyoDatum으로 위치변환(U.T.M도법)을 실시간 보정하고, 직선유도법으로 항주하는 측량선의 위치를 결정하였다. DGPS 위치 정도를 확인하기 위하여 보정작업(Calibration)을 실시하고, DGPS와 MBES 측량값은 Navipac S/W를 이용하여 처리하였다. 측량값은 수면하 음속(Sound Velocity)을 확인하여 실시간 보정하였고, MBES 자동화 시스템으로부터 잡음을 소거하고 디지털 연속출력방식으로 데이터를 자동 처리 하였다. 그리고 현장에 배치된 실시간 조위(수위) 관측에 의해서 얻어진 성과를 취득하여 수위를 보정하였다. 다음으로 후처리 보정된 데이터를 Navipac S/W를 이용하여 수치표고모형(DEM)을 제작하였다.
도 13은 NaviScan S/W를 사용한 DEM 생성과정을 나타낸 도면이고, 도 14는 MBES 측량값의 DEM 제작성과를 나타낸 도면이다.
실시예 3. LiDAR 및 MBES의 수치표고모델(DEM) 통합
LiDAR 측량 및 MBES 측량이 실시된 다수의 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역들의 측량값 중첩부분의 길이를 확인하였다. 그 결과 충주댐 본댐 입구는 가로 약 110m, 세로 약 10m 부분의 측량값들이 중첩하였고, 청풍대교 부근은 가로 약 80m, 세로 약 10m 부분의 측량값들이 중첩하였으며, 단양부근은 측량값이 거의 중첩되지 않은 것으로 확인되었다.
도 15에 나타난 바와 같이, 실시예 1 및 실시예 2에서 구축된 충주댐 본댐 입구와 청풍대교 부근의 LiDAR DEM 구축 성과와 MBES DEM 구축 성과를 통합하였다.
지금까지 실시예를 통하여 본 발명에 따른 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수치표고모델을 구축하는 방법에 대하여 설명하였다. 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수치표고모델 측정을 위한 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역(충주다목적댐 저수구역 일대)의 사진이다.
도 2는 본 발명의시스템의 X, Y, Z축 및 GPS 안테나와 LiDAR 이격거리 측정을 가시적 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정값을 통해 이격거리를 구하는 모니터 화면을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 항공레이저측량 보정(Calibration)을 위해 선정된 지역(충청남도 천안시 불당동 일원)을 나타낸 지도이다.
도 5는 타원체고와 표고 편차를 이용하여 정표고를 산출하는 설명도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정표고 변환 측량 배치도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LiDAR 측량 데이터의 자료처리 과정을 나타낸 사진이다(a: GPS/INS 원시데이터의 GrafNav포맷으로의 변환, b: RAW데이터의 ALS PP(ALS Post Processol) 데이터로의 변환, c: ALS PP에서 LAS데이터로의 변환).
도 8은 반사파 추출 및 Ground 분류를 통한 DEM 구축 예를 나타낸 도면이다(a: Terrascan LAS데이터 lead, b: 분류전 LAS데이터, c: 첫번째 반사파, d: 두번째 반사파, e: Ground 분류).
도 9는 LiDAR 측량값의 수치표고모형(DEM) 제작성과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 MBES 각 장비별 위치 및 보정치를 나타 낸 설명도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 MBES System의 Calibration을 나타낸 설명도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 MBES 측량 데이터의 자료처리 과정을 나타낸 사진이다(a: Navi-PAC프로그램, b: Navi-Scan프로그램, c: Navi-Scan프로그램).
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 NaviScan S/W를 사용한 DEM 생성과정을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 MBES 측량값의 DEM 제작성과를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 LiDAR DEM 구축 성과와 MBES DEM 구축 성과를 통합시킨 DEM 제작성과를 나타낸 도면이다.

Claims (6)

  1. 다음의 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수치표고모델을 구축하는 방법:
    (a) 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수심부의 수위가 평균수위 이하일때 육상부를 대상으로 GPS/INS 및 항공레이저측량기(LiDAR)가 부착된 항공기를 이용하여 좌표 및 고도를 측량하는 단계;
    (b) 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수심부의 수위가 평균수위 이상일때 수심부를 대상으로 DGPS 및 다중빔음향측심기(MBES)가 부착된 선박을 이용하여 좌표 및 수심을 측량하는 단계;
    (c) 상기 (a) 단계 및 (b) 단계에서 측량된 LiDAR 및 MBES 측량값을 정표고 변환시키는 단계;
    (d) 상기 (c) 단계에서 정표고 변환된 LiDAR 및 MBES 측량값을 대상으로 각각의 수치표고모델(DEM) 데이터를 구축하는 단계; 및
    (e) 상기 LiDAR 측량 및 MBES 측량이 실시된 다수의 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역들중 LiDAR 측량 및 MBES 측량이 모두 이루어져, LiDAR 측량 값 및 MBES 측량값을 모두 가지는 부분의 길이가 가로 50m 이상, 세로 5m 이상인 지역을 대상으로 상기 구축된 각각의 LiDAR 및 MBES 수치표고모델(DEM) 데이터를 통합하여 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역의 수치표고모델(DEM)을 구축하는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역은 시간의 흐름에 따라 수량이 변화되는 지역인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 육상부와 수심부가 함께 공존하는 지역은 강, 하천, 저수지, 댐 및 바다로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
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