KR102254847B1 - 드론을 이용하여 하천을 관리하기 위한 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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이동섭
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Abstract

실시예에 의한 드론을 이용하여 하천을 관리하기 위한 시스템 및 그 방법이 개시된다. 상기 하천 관리 시스템은 라이다, 초분광 센서, 광학 카메라가 장착되고, 조사 대상 영역을 비행하면서 상기 라이다를 이용하여 거리 정보를 획득하고, 상기 초분광 센서와 상기 광학 카메라를 이용하여 초분광 영상과 광학 영상을 획득하는 이동 장치; 및 상기 이동 장치의 이동에 따라 상기 조사 대상 영역을 따라 이동하면서, 상기 거리 정보, 상기 초분광 영상, 상기 광학 영상을 분석하여 상기 조사 대상 영역에 대한 하천 정보 DB를 구축하는 중계 장치를 포함한다.

Description

드론을 이용하여 하천을 관리하기 위한 시스템 및 그 방법{SYSTEM FOR MANAGING RIVER USING DRONE AND METHOD THEREOF}
실시예는 드론을 이용하여 하천을 관리하기 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
현재 하천 조사는 토탈 스테이션, 음향 측심기 등 측량기구와 유속계, 수위계, 수질측정기 등 계측기기를 조사자가 직접 현장에서 운용해 하천 정보를 취득하고 있다.
수위계와 수질 측정기 등 일부 기기는 통신 네트워크를 활용해 현장에 기기를 설치한 후 원격으로 정보를 취득하고 있지만 대부분 하천 조사 작업은 인력 위주의 현장 직접 계측이 주를 이루고 있어, 필요한 인력과 비용이 많이 든다.
또한, 공간적 범위가 넓은 하천 구간 중 계측 기기가 설치된 특정 지점 정보만 확인할 수 있어 하천 조사 및 하천 정보 활용의 효율성이 매우 낮은 상황이다.
실시예는, 드론을 이용하여 하천을 관리하기 위한 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.
실시예에 따른 하천 관리 장치는 라이다, 초분광 센서, 광학 카메라가 장착되고, 조사 대상 영역을 비행하면서 상기 라이다를 이용하여 거리 정보를 획득하고, 상기 초분광 센서와 상기 광학 카메라를 이용하여 초분광 영상과 광학 영상을 획득하는 이동 장치; 및 상기 이동 장치의 이동에 따라 상기 조사 대상 영역을 따라 이동하면서, 상기 거리 정보, 상기 초분광 영상, 상기 광학 영상을 분석하여 상기 조사 대상 영역에 대한 하천 정보 DB를 구축하는 중계 장치를 포함할 수 있다.
상기 이동 장치는 상기 라이다의 파장이 다른 제1 레이저 신호와 제2 레이저 신호를 이용하여 거리 정보를 획득하되, 상기 제1 레이저 신호를 이용하여 하천 주변의 거리 정보를 획득하고, 상기 제2 레이저 신호를 이용하여 하천 바닥의 거리 정보를 획득할 수 있다.
상기 제1 레이저 신호는 근적외선(Near Infrared) 레이저 신호이고, 상기 제2 레이저 신호는 그린(green) 레이저 신호일 수 있다.
상기 중계 장치는 상기 획득된 거리 정보를 포인트 클라우드로 변환하고, 상기 변환된 포인트 클라우드를 이용하여 2차원 면형 하천 지형 정보를 산출할 수 있다.
상기 중계 장치는 상기 초분광 영상으로부터 분광 특성을 추출하고, 상기 광학 영상으로부터 영상 특성을 추출하고, 상기 분광 특성과 상기 영상 특성을 기초로 하천 특성 정보를 산출할 수 있다.
상기 중계 장치는 산출된 상기 하천 지형 정보와 상기 하천 특성 정보를 이용하여 상기 하천 정보 DB를 구축하고, 상기 구축된 하천 정보 DB를 통합 서버에 전송할 수 있다.
실시예에 따른 하천 관리 방법은 라이다, 초분광 센서, 광학 카메라가 장착된 이동 장치가 조사 대상 영역을 비행하면서 상기 라이다를 이용하여 거리 정보를 획득하고, 상기 초분광 센서와 상기 광학 카메라를 이용하여 초분광 영상과 광학 영상을 획득하는 단계; 및 중계 장치가 상기 이동 장치의 이동에 따라 상기 조사 대상 영역을 따라 이동하면서, 상기 거리 정보, 상기 초분광 영상, 상기 광학 영상을 분석하여 상기 조사 대상 영역에 대한 하천 정보 DB를 구축하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 드론에 장착된 라이다, 초분광 센서, 광학 카메라를 이용하되, 라이다를 이용하여 하천 지형 정보를 계측하고, 초분광 센서와 광학 카메라를 이용하여 하천 특성 정보를 계측하고 계측된 하천 지형 정보와 하천 특성 정보를 분석하여 제내지와 제외지를 포함하는 조사 대상 영역에 대한 하천 정보 DB를 구축하도록 함으로써, 인력 위주의 현장 직접 계측 방식을 벗어나 효율적인 하천 조사를 수행할 수 있다.
실시예에 따르면, 미계측 지역의 하천 정보 확보가 가능하고, 기존 방식 대비 빠른 시간 안에 낮은 비용으로 보다 정밀한 하천 정보의 계측 및 분석이 가능하다.
실시예에 따르면, 드론과 이동식 기지국을 이용하여 신속하고 정밀한 하천 정보의 계측 및 분석이 가능하기 때문에 구축된 하천 정보 DB의 활용성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하천을 관리하기 위한 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 이동 장치와 중계 장치가 이동하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 이동 장치의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 중계 장치의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하천 지형 계측 과정을 나타내는 제1 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 하천 지형 계측 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 하천 지형 계측 과정을 나타내는 제2 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 하천 지형 정합 과정을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 7에 도시된 하천 지형 계측 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 7에 도시된 하천 지형 정합 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 하천 특성 정보 계측 과정을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 하천 시설 인식 과정을 나타내는 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 하천 시설 인식 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 하천을 관리하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 15a 내지 도 15b는 중계 장치의 운영 여부에 따른 시스템 성능을 비교하는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 임무 시나리오 도출 기법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
실시예에서는, 드론에 장착된 라이다, 초분광 센서, 광학 카메라를 이용하되, 라이다를 이용하여 하천 지형 정보를 계측하고, 초분광 센서와 광학 카메라를 이용하여 하천 특성 정보를 계측하고 계측된 하천 지형 정보와 하천 특성 정보를 분석하여 제내지와 제외지를 포함하는 조사 대상 영역에 대한 하천 정보 DB를 구축하도록 한, 새로운 방안을 제안한다. 여기서 제내지는 하천 제방에 의하여 보호되고 있는 지역, 즉 제방으로부터 보호되고 있는 마을까지를 의미하고, 제외지는 하천 제방으로 둘러싸인 하천측 지역으로 하천수가 흐르는 공간을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하천을 관리하기 위한 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하천을 관리하기 위한 시스템은 이동 장치(100), 중계 장치(200), 통합 서버(300), DB(Database)(400)를 포함할 수 있다.
이동 장치(100)는 하천의 일부 구간 또는 전체 구간인 조사 대상 영역에서 비행이 가능하고, 제1 하천 정보와 제2 하천 정보를 측정하여 전송할 수 있다. 이러한 이동 장치(100)는 예컨대, 자율 주행이 가능한 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)일 수 있다.
여기서, 제1 하천 정보는 수심, 주변 지형 등을 분석하기 위한 비영상 정보일 수 있고, 제2 하천 정보는 수심, 수질, 유속, 부유사 등을 분석하기 위한 영상 정보일 수 있다.
이동 장치(100)는 조사 대상 영역 내에서 미리 정해진 비행 고도, 비행 경로, 비행 속도에 따라 비행하면서 제1 하천 정보와 제2 하천 정보를 측정하여 전송할 수 있다. 이때, 조사 대상 영역은 하나의 영역이거나 다수의 영역으로 분할될 수 있다.
여기서는 하나의 이동 장치(100)가 사용되는 경우를 일 예로 설명하고 있지만 반드시 이에 한정되지 않고 다수의 이동 장치(100)가 사용될 수 있다. 예컨대, 2개의 이동 장치가 사용되어 서로 다른 영역에서 하천 정보를 측정할 수 있다.
중계 장치(200)는 이동 장치(100)와 연동하고, 상기 이동 장치(100)로부터 측정된 제1 하천 정보와 제2 하천 정보를 수신하고 수신된 제1 하천 정보와 제2 하천 정보를 기초로 조사 대상 영역에 대한 하천 정보 DB를 구축할 수 있다.
예컨대, 중계 장치(200)는 제1 하천 정보를 분석하여 조사 대상 영역에 대한 수심, 주변 지형 등을 산출하고, 제2 하천 정보를 분석하여 조사 대상 영역에 대한 수심, 수질, 유속, 부유사 등을 산출하여 하천 정보 DB를 구축할 수 있다.
중계 장치(200)는 이동 장치(100)의 이동에 따라 이동할 수 있다. 예컨대, 중계 장치(200)는 조사 대상 영역이 다수의 영역으로 분할된 경우 이동 장치(100)가 다수의 영역마다 측정이 완료된 후 이동함에 따라 함께 이동시킬 수 있다.
중계 장치(200)는 이동 장치(100)가 하천을 따라 이동함에 따라 소정 거리를 유지하면서 함께 이동하기 위해 차량에 장치되어, 이동식 중계 장치로서 구동될 수 있다.
중계 장치(200)는 사용자의 조작에 따라 이동 장치(100)의 비행 고도, 비행 경로, 비행 속도에 대한 정보를 입력 받고, 입력된 정보를 이동 장치(100)에 제공할 수 있다.
여기서는 중계 장치(200)를 차량에 장착되는 장치를 일 예로 설명하고 있지만 반드시 이에 한정되지 않고 이동 장치와 같이 자율 비행이 가능한 이동체일 수 있다.
도 2는 이동 장치와 중계 장치가 이동하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 이동 장치가 조사 대상 영역 내 제1 영역으로 이동하여 제1 영역에서 하천 정보를 측정하는 경우 중계 장치는 이동 장치를 따라 제1 영역에서 이동할 수 있다.
이때, 중계 장치는 미리 정해진 시간을 기초로 이동 장치를 따라 이동할 수 있다.
통합 서버(300)는 중계 장치(200)와 연동하고, 상기 중계 장치(200)를 통해 하천 정보 DB를 제공받고 제공받은 하천 정보 DB를 관리할 수 있다. 또한, 통합 서버(300)는 중계 장치(200)의 요청에 따라 하천 시설물 DB의 일부 정보를 중계 장치(200)에 제공할 수 있다.
DB(400)는 하천 정보 DB, 하천 시설물 DB를 저장할 수 있다. DB(400)는 물리적으로 결합된 하나의 장치로 구현될 수 있지만 반드시 이에 한정되지 않고 물리적으로 분리된 다수의 장치로 구현될 수 있다. 예컨대, DB(400)는 하천 정보 DB를 저장하는 제1 DB와 하천 시설물 DB를 저장하는 제2 DB를 포함하도록 구현될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 이동 장치의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이동 장치는 통신부(111), GPS 수신기(112), 제어부(113), 저장부(114), 전원부(115), 구동부(116)으로 구성된 이동체(110), 라이다(121), 초분광 센서(122), 광학 카메라(123)로 구성된 센서부(120)를 포함할 수 있다.
통신부(111)는 중계 장치(200)와 무선 연동하고, 각종 정보를 송수신할 수 있다.
GPS 수신기(112)는 GPS 위성으로부터 위치 정보 즉, 좌표값을 수신할 수 있다.
제어부(113)는 중계 장치(200)로부터 제어 명령을 수신하면, 수신된 제어 명령에 따라 소정 위치로 이동하여 제1 하천 정보와 제2 하천 정보를 측정하여 전송하도록 제어할 수 있다.
저장부(114)는 하천 조사와 관련된 각종 정보 예컨대, 좌표값, 측정값을 저장할 수 있다.
전원부(115)는 이동체(110)의 내부에 장착된 모든 전자 부품에 전원을 공급할 수 있다. 이러한 전원부(115)는 예컨대, 충전이 가능한 배터리를 포함할 수 있다.
구동부(116)는 이동체(110)가 비행 고도, 비행 경로, 비행 속도로 비행하도록 구동시킬 수 있다. 이러한 구동부(116)는 예컨대, DC(Direct Current) 모터를 포함할 수 있다.
라이다(121)는 이동체(110)에 장착되고, 조사 대상 영역의 지형 즉, 하천 주변 지형과 하천 바닥 지형까지의 거리를 계측할 수 있다. 라이다(121)는 레이저 신호를 발사하여 지형, 지물로부터 반사되어 돌아오는 레이저 신호를 이용하여 이동체(110)가 위치하는 비행 고도로부터 하천 지형까지의 거리를 계측한다.
초분광 센서(122)는 이동체(110)에 장착되고, 조사 대상 영역의 초분광 영상을 획득할 수 있다. 일반적으로 초분광 센서(122)는 기존의 전자광학/적외선 영상장비가 가시광선 또는 특정 적외선 영역의 포괄적인 영상을 획득하는데 비해 특정 파장 영역에서 세분된 파장별 영상을 모두 확보할 수 있는 장비를 말한다. 초분광 센서(122)는 해상도가 약간 낮지만 최대 1,000개 정도의 좁은 스펙트럼 밴드를 촬영할 수 있어 물체의 반사특성을 그대로 기록하여 지형, 지물을 구분할 수 있다.
광학 카메라(123)는 이동체(110)에 장착되고, 조사 대상 영역의 광학 영상을 획득할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 중계 장치의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 중계 장치(200)는 통신부(211), 입력부(212), 제어부(213), 저장부(214), 전원부(215), 표시부(216)를 포함할 수 있다.
통신부(211)는 이동 장치(100), 통합 서버(300)와 무선 연동하고, 각종 정보를 송수신할 수 있다. 통신부(211)는 제1 통신부와 제2 통신부를 포함하도록 구현될 수 있다. 제1 통신부는 이동 장치(100)와 연동하고 제2 통신부는 통합 서버(300)와 연동할 수 있다.
입력부(212)는 사용자의 키 또는 메뉴 조작에 따라 조작 정보를 입력 받을 수 있다.
제어부(213)는 이동 장치(100)로부터 측정된 제1 하천 정보와 제2 하천 정보를 기초로 조사 대상 영역에 대한 하천 정보 DB, 하천 시설 DB를 구축할 수 있다.
저장부(214)는 제1 하천 정보와 제2 하천 정보, 하천 정보 DB, 하천 시설 DB를 저장할 수 있다.
전원부(215)는 중계 장치(200)의 내부에 장착된 모든 전자 부품에 전원을 공급할 수 있다. 이러한 전원부(215)는 예컨대, 충전이 가능한 배터리를 포함할 수 있다.
표시부(216)는 제1 하천 정보와 제2 하천 정보, 하천 정보 DB, 하천 시설 DB를 표시할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하천 지형 계측 과정을 나타내는 제1 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 하천 지형 계측 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이동 장치는 라이다(121)를 구동시켜 파장이 다른 제1 레이저 신호와 제2 레이저 신호를 발신하고, 지형, 지물에 반사되어 돌아온 제1 레이저 신호와 제2 레이저 신호를 수신하여 지형, 지물까지의 거리를 측정하여 제1 하천 정보 즉, 제11 하천 정보와 제12 하천 정보를 획득할 수 있다.
도 6을 참조하면, 이동 장치는 파장이 다른 제1 레이저 신호(S1)와 제2 레이저 신호(S2)를 이용하는데, 제1 레이저 신호(S1)는 근적외선(Near Infrared; NIR) 레이저 신호이고, 제2 레이저 신호(S2)는 그린(green) 레이저 신호일 수 있다.
제1 레이저 신호(S1)는 하천 수면을 투과하지 못하고 반사하기 때문에 제1 레이저 신호(S1)를 이용하면, 하천 주변 지형을 계측할 수 있다. 반면, 제2 레이저 신호(S2)는 수면을 투과할 수 있기 때문에 제2 레이저 신호(S2)를 이용하면 하천 바닥 지형을 계측할 수 있다.
이때, 레이저 신호는 하나 이상의 반송 파장으로 이루어져 있어, 레이저 신호를 이용하여 각 반송 파장마다 강도가 다르기 때문에 이에 따른 표고를 측정할 수 있다.
이때, 이동 장치는 라이다(121)를 이용하여 조사 대사 영역을 계측하되, 라이다(121)를 이용하여 미리 정해진 위치마다 조사 대사 영역을 원형 스캔할 수 있다.
다음으로, 이동 장치는 획득된 제1 하천 정보를 중계 장치에 전송할 수 있다.
다음으로, 중계 장치는 전송된 제1 하천 정보를 이용하여 조사 대상 영역에 대한 2차원 면형 하천 지형 정보를 산출할 수 있다. 즉, 중계 장치는 전송된 제1 하천 정보 중 제11 하천 정보를 이용하여 조사 대상 영역의 하천 주변 지형을 산출하고, 제12 하천 정보를 이용하여 조사 대상 영역의 하천 바닥 지형을 산출함으로써, 하천 주변 지형과 하천 바닥 지형을 기초로 2차원 면형 하천 지형 정보를 산출할 수 있다.
예컨대, 중계 장치는 제1 하천 정보인 거리 정보를 포인트 클라우드(point cloud)로 변환하여 변환된 포인트 클라우드를 이용하여 2차원 면형 하천 지형 정보를 산출할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 하천 지형 정보를 획득하기 위하여 라이다를 사용하고 있는데, 라이다의 경우 레이저 신호의 투과와 반사 특성을 이용하는 계측 장비로 1m 이하의 저수심 조건에서는 투과와 반사 구간이 짧아져 불확실성이 높아지는 특성을 갖는다.
이 라이다를 이용한 계측 결과의 단점을 보완하기 위하여 초분광 센서를 이용하고자 한다. 초분광 센서는 빛이 반사되는 분광특성을 분석하여 수심을 계측하기 때문에 빛의 투과가 약해지는 고수심에서는 불확실성이 높아지는 특성을 갖고 있다.
따라서 저수심에서 불확실성이 높아지는 특성을 갖는 라이다와 고수심에서 불확실성이 높아지는 특성을 갖는 초분광 센서를 이용하여 하천 지형 정보를 정합하고자 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 하천 지형 계측 과정을 나타내는 제2 도면이고, 도 8은 도 7에 도시된 하천 지형 정합 과정을 나타내는 도면이고, 도 9는 도 7에 도시된 하천 지형 계측 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 도 7에 도시된 하천 지형 정합 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이동 장치는 라이다(121)를 구동시켜(S710) 파장이 다른 제1 레이저 신호와 제2 레이저 신호를 발신하고, 지형, 지물에 반사되어 돌아온 제1 레이저 신호와 제2 레이저 신호를 수신하여 지형, 지물까지의 거리를 측정하여 거리 정보를 획득할 수 있다(S730).
도 9와 같이, 이동 장치는 라이다(121)를 이용하여 하천 구간을 원형(circle)으로 스캔하여 연속적인 2차원 면형 정보를 획득할 수 있다.
다음으로, 이동 장치는 획득된 거리 정보를 중계 장치에 전송하고(S750), 중계 장치는 전송된 제1 하천 정보를 이용하여 제1 하천 지형 정보를 산출할 수 있다(S770).
다음으로, 이동 장치는 초분광 센서를 구동시켜(S720) 조사 대상 영역의 초분광 영상을 획득할 수 있다(S740).
도 9와 같이, 이동 장치는 초분광 센서를 이용하여 하천 구간을 선형(line)으로 스캔하여 연속적인 2차원 면형 정보를 획득할 수 있다.
다음으로, 이동 장치는 획득된 초분광 영상을 중계 장치에 전송하고(S760), 중계 장치는 전송된 초분광 영상의 분광 특성을 이용하여 제2 하천 지형 정보를 산출할 수 있다(S780).
다음으로, 중계 장치는 제1 하천 지형 정보와 제2 하천 지형 정보를 정합할 수 있다(S790).
이때, 정합 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 즉, 도 8을 참조하면, 중계 장치는 제1 하천 지형 정보로부터 하천 가장 자리를 추출하고(S791), 추출된 하천 가장 자리로부터 제1 정합 기준 예컨대, 특정 곡률, 변곡점 구간 등을 추출할 수 있다(S793).
중계 장치는 제2 하천 지형 정보로부터 하천 가장 자리를 추출하고(S792), 추출된 하천 가장 자리로부터 제2 정합기준 예컨대, 특정 곡률, 변곡점 구간 등을 추출할 수 있다(S794).
다음으로, 중계 장치는 제1 정합 기준과 제2 정합 기준을 기초로 제1 하천 지형 정보와 제2 하천 지형 정보를 정합하되, 고수심 영역에서는 제1 하천 지형 정보를 이용하여, 저수심 영역에는 제2 하천 지형 정보를 이용하고 정합할 수 있다(S795).
부연 설명하면, 도 10과 같이 라이다와 초분광 센서 모두 하천 수면이 시작되는 하천 가장 자리 즉, 물과 지반이 접하는 부분을 정확하게 분석할 수 있다는 사실에 기반해 두 장비의 지형 정보를 정합하는 기준을 하천 가장 자리로 정할 수 있다.
따라서 제1 특징점과 제2 특징점이 일치하도록 제1 하천 지형 정보와 제2 하천 지형 정보를 하천 가장 자리를 기준으로 합치게 되면, 제1 하천 지형 정보에서 오차가 발생하는 저수심 구간은 제2 하천 지형 정보로 보정이 되고, 제2 하천 지형 정보에서 오차가 발생하는 고수심 구간은 제1 하천 지형 정보로 보정이 된다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 하천 특성 정보 계측 과정을 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이동 장치는 초분광 센서를 구동시켜(S1110) 초분광 영상을 획득하고(S1130), 획득된 초분광 영상을 중계 장치에 전송할 수 있다(S1150).
다음으로, 이동 장치는 광학 카메라를 구동시켜(S1120) 광학 영상을 획득하고(S1140), 획득된 광학 영상을 중계 장치에 전송할 수 있다(S1160).
다음으로, 중계 장치는 초분광 영상과 광학 영상을 수신하면, 초분광 영상으로부터 분광 특성을 추출하고(S1170), 광학 영상으로부터 영상 특성을 추출할 수 있다(S1180).
이때, 중계 장치는 하천 하폭에 따라 측정된 제21 하천 정보인 초분광 영상의 각 픽셀값과 미리 정의된 초분광 표준지표를 이용하여 하천에 대한 분광 특성을 추출할 수 있다.
또한, 중계 장치는 하천 하폭에 따라 측정된 제22 하천 정보인 광학 영상을 단일 이미지로 정합하고 하천 시설 DB를 활용하여 하천 시설에 대한 영상 특성을 추출할 수 있다.
따라서 중계 장치는 이렇게 추출된 분광 특성과 영상 특성을 이용하여 조사 대상 영역에 대한 하천 특성 정보를 산출할 수 있다(S1190). 하천 특성 정보는 수심, 수질, 부유사 등의 분광 특성과 수심, 유속, 하천 시설 등의 영상 특성을 포함할 수 있다.
실시예에서는 하천 시설 DB를 이용하는 경우를 일 예로 설명하고 있지만 반드시 이에 한정되지 않고 센서를 이용하여 하천 시설을 인식하여 DB화할 수도 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 하천 시설 인식 과정을 나타내는 도면이고, 도 13은 도 12에 도시된 하천 시설 인식 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이동 장치는 광학 카메라를 구동시켜(S1210) 조사 대상 영역의 광학 영상을 획득하고(S1211), 라이다를 구동시켜(S1220) 지형, 지물까지의 거리를 측정하여 거리 정보를 획득하고(S1221), 초분광 센서를 구동시켜(S1230) 조사 대상 영역의 초분광 영상을 획득할 수 있다(S1231).
다음으로, 이동 장치는 획득된 광학 영상, 거리 정보, 초분광 영상을 중계 장치에 전송할 수 있다(S1212, S1222, S1232).
다음으로, 중계 장치는 광학 카메라를 통해 획득된 광학 영상을 기초로 조사 대상 영역 내 보, 제방, 호안과 같은 하천 시설을 인식할 수 있다(S1213).
도 13을 참조하면, 중계 장치는 광학 영상으로부터 개체 즉, 하천 시설을 감지하기 위한 경계 라인을 추출하고(S1213-1), 미리 정해진 필터를 이용하여 경계 라인을 강조할 수 있다(S1213-2).
중계 장치는 미리 구축된 이미지 라이브러리를 이용하여 경계 라인이 강조된 광학 영상으로부터 특징점을 추출하고(S1213-3), 추출된 특징점을 기초로 미리 구축된 데이터베이스 즉, 하천 시설 DB를 이용하여 하천 시설을 인식할 수 있다(S1213-4).
다음으로, 중계 장치는 라이다를 통해 측정된 거리 정보를 기초로 조사 대상 영역 내 하천 시설을 인식하고(S1223), 인식된 하천 시설의 형상과 광학 영상을 기초로 인식된 하천 시설의 형상이 일치하는지를 비교하여 그 비교한 결과로 하천 시설을 1차 검증할 수 있다(S1214).
이때, 중계 장치는 라이다를 통해 측정된 거리 정보를 포인트 클라우드(point cloud)로 변환하여 변환된 포인트 클라우드를 이용하여 하천 시설을 인식할 수 있다.
또한, 중계 장치는 광학 영상을 기초로 인식된 하천 시설의 형상이 광학 영상을 기초로 인식된 하천 시설의 형상과 일치하는 경우 하천 시설로 1차 검증할 수 있다. 여기서 형상이 일치한다는 것은 소정 오차 범위 내에서 일치한다는 것을 의미한다.
다음으로, 중계 장치는 초분광 영상을 기초로 1차 검증된 하천 시설의 구성 재료 예컨대, 콘크리트를 확인하고(S1233), 확인된 구성 재료를 기초로 하천 시설로 2차 검증할 수 있다(S1215).
이때, 중계 장치는 초분광 영상으로부터 분광 특성을 추출하여 구성 재료를 확인할 수 있다.
또한, 중계 장치는 확인된 구성 재료가 1차 검증된 하천 시설의 미리 구축된 구성 재료와 일치하는지를 비교하여 그 비교한 결과로 하천 시설을 2차 검증할 수 있다.
다음으로, 중계 장치는 제공받은 하천 시설에 대한 정보를 기초로 하천 시설 DB를 갱신할 수 있다(S1216). 이때, 중계 장치는 제공 받은 하천 시설에 대한 정보가 하천 시설 DB에 존재하는 경우 하천 시설 DB를 갱신하거나 존재하지 않는 경우 추가할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 하천을 관리하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이동 장치는 하천 조사를 지시하는 이동 명령을 수신하면, 수신된 이동 명령에 따라 해당하는 조사 대상 영역의 위치로 이동할 수 있다(S1410).
다음으로, 이동 장치는 라이다를 구동시켜(S1420) 지형, 지물까지의 거리를 측정하고(S1330), 광학 카메라를 구동시켜(S1421) 조사 대상 영역의 광학 영상을 획득하고(S1331), 초분광 센서를 구동시켜(S1422) 조사 대상 영역의 초분광 영상을 획득할 수 있다(S1432).
다음으로, 이동 장치는 거리 정보, 광학 영상, 초분광 영상을 중계 장치에 제공할 수 있다(S1440, S1441, S1442).
다음으로, 중계 장치는 거리 정보를 이용하여 하천 지형 정보를 산출하고(S1450), 광학 영상과 초분광 영상을 이용하여 하천 특성 정보를 산출할 수 있다(S1451).
다음으로, 중계 장치는 산출된 하천 지형 정보와 하천 특성 정보를 분석하여 조사 대상 영역에 대한 하천 정보 DB를 구축하고(S1460), 하천 지형 정보, 하천 특성 정보, 하천 정보 DB 중 적어도 일부를 선택적으로 통합 서버에 제공할 수 있다(S1470).
도 15a 내지 도 15b는 중계 장치의 운영 여부에 따른 시스템 성능을 비교하는 도면이다.
도 15a를 참조하면, 중계 장치를 운영하지 않고, 이동 장치와 통합 서버로 시스템이 구성되는 경우, 드론 및 임무 장비(라이다, 초분광 센서, 광학 카메라)의 자체 연산 성능 제한, 자료 용량 및 네트워크 속도 제한, 물리적 거리 제한으로 실시간 송수신이 어렵다.
도 15b를 참조하면, 중계 장치를 운영하여, 이동 장치와 통합 서버로 시스템이 구성되는 경우, 이동 장치와 중계 장치 및 중계 장치와 통합 서버 간 실시간 송수신이 가능하고, 중계 장치가 자체적으로 하천 정보 영상 변환 및 분석, 하천 정보 DB 구축, 디지털트윈 모듈 적용, 하천 시설 DB 연계 필요 정보 송수신이 가능하게 된다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 임무 시나리오 도출 기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 16을 참조하면, 임무 시나리오는 하천 조사에 특화된 드론과 드론에 장착이 가능한 임무 장비 즉, 라이다, 초분광 센서, 광학 카메라를 활용해 가장 효율적인 하천 조사가 수행될 수 있도록 드론과 임무 장비를 운영하는 최적 방안을 제시할 수 있다.
본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 이동 장치
200: 중계 장치
300: 통합 서버
400: DB

Claims (12)

  1. 라이다, 초분광 센서, 광학 카메라가 장착되고, 조사 대상 영역을 비행하면서 상기 라이다를 이용하여 거리 정보를 획득하고, 상기 초분광 센서와 상기 광학 카메라를 이용하여 초분광 영상과 광학 영상을 획득하는 이동 장치; 및
    상기 이동 장치의 이동에 따라 상기 조사 대상 영역을 따라 이동하면서, 상기 거리 정보, 상기 초분광 영상, 상기 광학 영상을 분석하여 상기 조사 대상 영역에 대한 하천 지형 정보와 하천 특성 정보를 포함하는 하천 정보 DB를 구축하는 중계 장치를 포함하고,
    상기 이동 장치는,
    상기 라이다의 파장이 다른 제1 레이저 신호와 제2 레이저 신호를 이용하여 거리 정보를 획득하되,
    하천 수면을 투과하지 못하는 상기 제1 레이저 신호를 이용하여 하천 주변의 거리 정보를 획득하고, 하천 수면을 투과하는 상기 제2 레이저 신호를 이용하여 하천 바닥의 거리 정보를 획득하는, 하천 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중계 장치는,
    상기 거리 정보를 이용하여 제1 하천 지형 정보를 산출하고, 상기 제1 하천 지형 정보로부터 제1 정합 기준을 추출하고,
    상기 초분광 영상을 이용하여 제2 하천 지형 정보를 산출하고, 상기 제2 하천 지형 정보로부터 제2 정합 기준을 추출하고,
    추출된 상기 제1 정합 기준과 상기 제2 정합 기준이 서로 일치하도록 상기 제1 하천 지형 정보와 상기 제2 하천 지형 정보를 정합하여 상기 하천 지형 정보를 산출하는, 하천 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 신호는 근적외선(Near Infrared) 레이저 신호이고,
    상기 제2 레이저 신호는 그린(green) 레이저 신호인, 하천 관리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중계 장치는,
    상기 획득된 거리 정보를 포인트 클라우드로 변환하고, 상기 변환된 포인트 클라우드를 이용하여 2차원 면형 하천 지형 정보를 산출하는, 하천 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 중계 장치는,
    상기 초분광 영상으로부터 분광 특성을 추출하고,
    상기 광학 영상으로부터 영상 특성을 추출하고,
    상기 분광 특성과 상기 영상 특성을 기초로 하천 특성 정보를 산출하는, 하천 관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 중계 장치는,
    산출된 상기 하천 지형 정보와 상기 하천 특성 정보를 이용하여 상기 하천 정보 DB를 구축하고, 상기 구축된 하천 정보 DB를 통합 서버에 전송하는, 하천 관리 시스템.
  7. 라이다, 초분광 센서, 광학 카메라가 장착된 이동 장치가 조사 대상 영역을 비행하면서 상기 라이다를 이용하여 거리 정보를 획득하고, 상기 초분광 센서와 상기 광학 카메라를 이용하여 초분광 영상과 광학 영상을 획득하는 단계; 및
    중계 장치가 상기 이동 장치의 이동에 따라 상기 조사 대상 영역을 따라 이동하면서, 상기 거리 정보, 상기 초분광 영상, 상기 광학 영상을 분석하여 상기 조사 대상 영역에 대한 하천 지형 정보와 하천 특성 정보를 포함하는 하천 정보 DB를 구축하는 단계를 포함하고,
    상기 획득하는 단계에서는,
    상기 라이다의 파장이 다른 제1 레이저 신호와 제2 레이저 신호를 이용하여 거리 정보를 획득하되,
    하천 수면을 투과하지 못하는 상기 제1 레이저 신호를 이용하여 하천 주변의 거리 정보를 획득하고, 하천 수면을 투과하는 상기 제2 레이저 신호를 이용하여 하천 바닥의 거리 정보를 획득하는, 하천 관리 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 구축하는 단계에서는,
    상기 거리 정보를 이용하여 제1 하천 지형 정보를 산출하고, 상기 제1 하천 지형 정보로부터 제1 정합 기준을 추출하고,
    상기 초분광 영상을 이용하여 제2 하천 지형 정보를 산출하고, 상기 제2 하천 지형 정보로부터 제2 정합 기준을 추출하고,
    추출된 상기 제1 정합 기준과 상기 제2 정합 기준이 서로 일치하도록 상기 제1 하천 지형 정보와 상기 제2 하천 지형 정보를 정합하여 상기 하천 지형 정보를 산출하는, 하천 관리 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 레이저 신호는 근적외선(Near Infrared) 레이저 신호이고,
    상기 제2 레이저 신호는 그린(green) 레이저 신호인, 하천 관리 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 구축하는 단계에서는,
    상기 획득된 거리 정보를 포인트 클라우드로 변환하고 상기 변환된 포인트 클라우드를 이용하여 2차원 면형 하천 지형 정보를 산출하는, 하천 관리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 구축하는 단계에서는,
    상기 초분광 영상으로부터 분광 특성을 추출하고,
    상기 광학 영상으로부터 영상 특성을 추출하고,
    상기 분광 특성과 상기 영상 특성을 기초로 하천 특성 정보를 산출하는, 하천 관리 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 구축하는 단계에서는,
    산출된 상기 하천 지형 정보와 상기 하천 특성 정보를 이용하여 상기 하천 정보 DB를 구축하고, 상기 구축된 하천 정보 DB를 통합 서버에 전송하는, 하천 관리 방법.
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