KR200429525Y1 - 지아이에스를 이용한 산림관재 시스템 - Google Patents

Abstract

본 고안은 위성항법장치를 이용하여 산불을 감시하거나 산불 발생시 그 위치를 추적하여 적절한 조치를 취할 수 있도록 하기 위한 지아이에스를 이용하여 산불 감시 및 위치추적을 하는 산림관재 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산불을 감시하기 위한 CCTV감시카메라를 설치하고 위성항법장치를 이용한 감시지역의 표준좌표를 설정한 후, 이를 상황판의 전자지도에 표출하여 상황 발생시 위치추적시스템(Position Controller)이 상황 발생지역의 위치를 추적한 후, 감시지역의 상황을 위성 및 유/무선망을 통하여 영상 및 알람데이타로 중앙제어센타에 실시간으로 전송함으로서, 상황실 근무자가 신속하고 정확하게 현지의 상황을 파악하고 가장 효과적인 사태 대처방안을 마련할 수 있도록 하며, 그 판단 결과에 따라 산불 진압계획을 세우고 진압반을 현장에 투입시켜 상황을 조기에 종료시킬 수 있도록 하고자 하는 것으로서, 산불을 사전에 예방하는 것 뿐만 아니라 산불 발생시 예견되는 막대한 인명과 재산상의 손실을 최소화하여 국가 재해방지 대책수립에 일조 할 수 있는 지아이에스를 이용한 산림관재 시스템에 관한 것이다.

Description

지아이에스를 이용한 산림관재 시스템{Forest management system using GIS}

도 1은 종래의 산불감시 시스템의 블록 다이어그램

도 2는 본 고안의 블록 다이어그램

도 3a의 a~c는 3차원 좌표계의 위치와 각도의 관계에 대한 좌표도

도 3b의 a~c는 3차원 좌표계의 위치와 각도의 관계에 대한 좌표도의 변형

도 4의 a~b는 지도상의 x, y 값의 A/D 좌표 변환 설명도

도 5의 a~b는 추적한 A/D 값의 x, y 값 변환 설명도

도 6은 시스템의 동작과정을 나타내는 흐름도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 20: 카메라 11, 50: 제어수신장치

12, 30: 회전기 13, 60: 중앙처리장치

14, 90: 카메라 제어 장치 15, 80:디스플레이 장치

40: 자동제어 위치추적 장치 41: DGPS 수신기

42: 측량용 DGPS 시스템 43:GPS/비콘 통합 안테나

44: 배터리 45: 포지션 컨트롤 시스템

46: 이동 시스템 70: 자동 제어 위치 추적 장치 소프트웨어

81: 모니터 82: 전자지도

83: 전광판 84: 경보장치

85: 방송장치

본 고안은 위성항법장치를 이용하여 산불을 감시하거나 산불 발생시 그 위치를 추적하여 적절한 조치를 취할 수 있도록 하기 위한 산불 감시 및 위치추적 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산불을 감시하기 위한 CCTV감시카메라를 설치하고 위성항법장치를 이용한 감시지역의 표준좌표를 설정한 후, 이를 상황판의 전자지도에 표출하여 상황 발생시 위치추적 시스템(Position Controller)이 상황 발생지역의 위치를 추적한 후, 감시지역의 상황을 위성 및 유/무선망을 통하여 영상 및 알람데이타로 중앙제어센타에 실시간으로 전송함으로서 상황실 근무자가 신속하고 정확하게 현지의 상황을 파악하고 가장 효과적인 사태 대처방안을 마련할 수 있도록 하며, 그 판단 결과에 따라 산불 진압계획을 세우고 진압반을 현장에 투입시켜 조기에 상황을 종료시킬 수 있도록 하고자 하는 것으로서, 산불을 사전에 예방하는 것 뿐만 아니라 산불 발생시 예견되는 막대한 인명과 재산상의 손실을 최소화하여 국가 재해방지 대책수립에 일조 할 수 있는 지아이에스를 이용한 산림관재 시스템에 관한 것이다.

해방이후 거국적인 산림녹화 정책이 적극 추진되면서 우리나라의 70%를 차지하는 산림의 녹화는 성공적으로 이루어졌으며, 70년대 이후 국가의 경제력이 향상 되면서 유휴 시간을 즐기려는 많은 국민들이 휴일이면 도심을 벗어나 산으로 이동하고 있는 것이 오늘날의 현실이다.

이에 따라 휴일이면 산을 찾는 등산객들의 부주의에 의하여 산불이 다발하고 있고, 등산객에 의한 실화뿐만 아니라 그 외 농촌에서의 논두렁 태우기 작업이나 기상 조건에 따라 발생하는 번개 등이 원인이 되어 산불의 발생이 급증하고 있으며, 이러한 산불은 우거진 산림을 매개체로 하여 점점 대형화되어 가고 있고, 일단 한 번 발화되었다 하면 초기에 진압이 되지 않을 경우 아무리 많은 장비와 인원을 투여해도 좀처럼 진압이 되지 않고 많은 인명과 재산을 앗아가고 있으며 그로 인해 지난 수십 년간 공들여 가꾸어 온 산림이 하루아침에 잿더미로 변해버리는 일이 빈번해지고 있다.

그동안 정부의 적극적인 산림정책에 힘입어 대부분의 산에서 산림의 녹화는 성공적으로 이루어진 바 있으나 이를 지키기 위한 산림보호 정책의 개발이나 투자는 거의 이루어지지 않은 상태에서 원시적인 시설과 방법으로 산림을 관리하고 보존하여 옴에 따라 산불이 발생하면 이를 조기에 발견하여 진압하지 못한 채, 대형 산불로 이행되도록 함으로서 과거 수십 년간 기울여 온 산림녹화정책의 결실을 일시에 허사로 돌려 버리는 일이 많았다.

이에 따라 산불의 조기 발견과 조기진압은 산림정책을 수립하고 산림을 보존함에 있어서 최우선적으로 고려되어야 사안으로 대두되고 있고, 그를 위한 과감한 투자가 선행되어야 한다는 요구가 점점 높아지고 있는 것이 현실이다.

본 고안은 위와 같은 사회적 요청에 따라 재래의 원시적인 산불감시 및 방재 시스템에서 벗어나 산불을 조기에 발견하고 산화를 조기에 진압할 수 있는 산불방재 시스템을 제공함으로서 대형 재난을 사전에 예방하기 위한 환경조성을 할 필요가 있다는 점에 바탕을 두고 안출된 것이다.

또한 본 고안은 이와 같은 산불 감시 및 위치추적 장치를 단순히 산불을 감시하는 기능에만 국한하지 않고 이 시스템을 등산객의 조난을 감시하거나, 폭우 또는 폭설로 인한 산사태를 감시하고, 해충에 의한 산림의 훼손을 감시하는 한편, 출입금지 구역 내의 등산객의 출입을 감시하기도 하며, 자연상태 보호지역 내의 동식물을 감시하고, 더 나아가서는 Web Site(인터넷)를 이용하여 감시지역의 4계절 풍경 및 그 풍경이 변화하는 과정을 녹화하여 관광상품으로 홍보하는 데 이용하기 위한 필요에 의해서 창안되었다.

종래의 산불감시 시스템은 사람의 출입이 잦은 산의 요소요소에 산림감시 초소를 설치하고 그 초소에 산림감시 요원이 위치하면서 산불의 발생 여부를 육안으로 감시하고 산불 발생시에는 이를 초소에 설치되어 있는 통신수단을 이용하여 중앙통제소에 알리는 형태로 이루어졌다.

이러한 산불감시 시스템은 감시요원이 산림을 감시하고 있는 동안은 그 시각이 미치는 범위내에서는 가장 확실한 감시방법이 될 수 있으나 산불을 감시하는 수단을 육안에 의존하다보니 그 감시 범위에는 일정한 한계가 있을 수밖에 없으며 감시인원의 제한으로 말미암아 감시요원이 감시초소에 상주하지 않는 한 24시간 감시가 불가능한 문제점이 있었다.

위와 같은 문제점을 개선키 위해 종래에는 산의 요소요소에 무인 감시카메라 를 설치하고 중앙통제소에서 이를 집중관리하면서 산불의 발생을 감지하고 이에 대처토록 하는 또 다른 방식이 제안된 바 있다.

그러나 이와 같은 재래식 무인감시시스템은 다음의 구성 및 동작과정에서 설명되는 바와 같이 또 다른 문제점을 안고 있었다.

먼저 종래의 무인감시시스템의 구성 및 동작과정을 도 1을 참조하여 살펴보면,

시스템 운용자가 카메라(10)를 구동시키기 위해 카메라 제어장치(14)를 직접 조작하여 제어명령을 송신하면 제어수신장치(11)는 중앙처리장치(13)를 통해 그 명령을 수신한 후 감시용 카메라(12)를 구동시키는 회전기(12)를 구동시켜 카메라(10)를 원하는 방향으로 구동시킨 후, 카메라로부터 입력되는 현장의 상황 및 관련정보(데이터)를 중앙처리장치(13)를 통해 디스플레이장치(15)에 출력하도록 하는 방식이었다.

하지만 이러한 시스템은 제어신호를 통한 콘트롤 시스템(Control System)과 매트릭스 스위쳐 시스템(Matrix Switcher System)을 이용하여 임의의 가상 위치정보를 입력시키면 운영자가 그 위치를 호출하는 Preset기능과 Key Board를 이용하여 수동으로 카메라 제어장치(14)를 조작하여 산불이 발생한 현장을 추적하는 정도의 기능을 갖는 것으로 초보적인 산불 감지 시스템을 벗어 날 수 없었다.

이러한 시스템에 의하면 카메라 제어장치(14)를 시스템 운용요원이 수동으로 조작하여 산불의 현장을 모니터하여야 하였기 때문에 오랜 기간 숙련된 운용요원이 필요하였으며, 그 경우에도 운용요원의 숙련된 기능과 감각에 의존하는 비율이 높 아짐에 따라 산불의 현장을 추적하는데 긴 시간이 소요될 뿐만 아니라 만일의 사태 발생시 감시요원이 부재할 경우에는 전혀 대처방안을 찾지 못하는 문제점을 안고 있었다.

또한 감시카메라(10)의 조작 전원으로 AC(교류)전원을 사용하여야 하였기 때문에 조작 전원의 조달에 문제가 있었고, AC모터를 사용할 수밖에 없었으므로 시스템의 특성상 정확한 위치추적이 어려워지는 등 산불을 조기에 발견하고 이에 신속히 대처하여 상황을 조기에 진압하기에는 많은 문제점을 안고 있었다.

본 고안은 상기와 같은 종래의 산불감시 시스템의 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 본 고안은 위성항법장치를 이용하여 감시지역의 표준좌표를 설정한 후, 이를 상황판의 전자지도에 표출하여 상황 발생시 위치추적시스템(Position Controller)이 상황 발생지역의 위치를 추적하여 감시지역의 상황을 위성 및 유/무선망을 통하여 영상 및 알람데이타로 중앙제어센타에 실시간으로 전송하게 함으로서, 상황실 근무자로 하여금 신속하고 정확하게 현지의 상황을 파악하게 하고 그에 따라 가장 효과적인 사태 해결방안을 모색하게 한 후, 빠르게 진압반을 현장에 투입시켜 조기에 상황을 종료시킬 수 있도록 함을 목적으로 하고 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 고안은,

Lens를 통하여 전달되는 광학적 신호를 전기적 영상신호로 변환하여 최적의 영상신호로 모니터에 전송시켜 디스플레이 할 수 있게 하며, 최저 5Km 이상 25Km까자의 상황을 감시할 수 있을 뿐만 아니라 주·야로 산림을 감시할 수 있는 감시용 카메라와,

카메라를 감시·관찰하고자 하는 곳으로 상·하·좌·우 이동시킴으로서 광범위한 지역을 효율적으로 감시할 수 있도록 하는 회전기(PAN/TILT)와,

Matrix Switcher에서 작동신호를 입력받아 PAN/TILT와 Zoom, Focus의 Control을 행하는 제어수신장치(Receive)와,

다수(여기서는 16개를 예로 든다)의 카메라의 입력과 다수(여기서는 5개를 예로 든다)의 모니터 출력으로 시스템을 구성하여 작동하는 중앙처리장치(Matrix Switcher)와,

카메라로부터 전달되어진 전기적인 신호를 본래의 영상으로 재현하는 디스플레이장치(Monitor, 전자지도 등)와,

제어수신장치의 모든 기능 및 중앙처리장치를 제어하는 카메라 제어장치(Key Board)와,

장비내에 내장되어 있는 통합식 실시간 미분기능 프로그램을 사용하여 새로운 위치나 이전에 파악한 위치를 찾아 인근 지역의 지도에 정확한 좌표를 측정하여 입력시킨 다음 이를 중앙제어 전광판에 표출시키는 자동제어 위치추적장치와,

상기 자동제어 위치추적장치내에 적재되어 미터단위 미만의 새로운 위치나 이전에 파악한 위치를 쉽게 찾을 수 있도록 좌표를 계산하거나 산출된 좌표를 출력하는 자동제어 위치추적장치 소프트웨어와,

카메라로부터 입력된 각종의 영상정보 및 데이터를 다수의 이용자들이 이용할 수 있도록 가공하여 공급하기 위한 웹서버(Web Server)로 이루어짐을 특징으로 한다.

또한 본 고안은 상기와 같은 산불 감시 및 위치추적 장치의 원리를 이용하여 다양한 방면으로 그 응용범위를 확장해 나갈 것이며, 그 응용의 실시 예를 들면 다음과 같다.

첫째, 등산객의 조난을 감시하고 상황 발생시 조난위치를 추적한다.

둘째, 폭우 또는 폭설로 인한 산사태를 감시하거나 산 복도로의 유실을 감시한다.

셋째, 해충에 의한 산림의 훼손을 감시하고 그 훼손 범위를 측량한다.

넷째, 출입금지 구역 내의 등산객의 출입을 감시하고 그 이동을 추적한다.

다섯째, 자연상태 보호지역 내의 동식물을 감시하고 보호한다.

여섯째, 감시시스템으로서의 한계를 벗어나 Web Site(인터넷)를 이용하여 감시지역의 4계절 풍경 및 그 풍경이 변화하는 과정을 녹화하여 이를 관광상품화 한다.

이와 같이 산림을 관리하는 제 분야에까지 상기 산불 감시 및 위치추적 장치의 이용범위를 확장하는 것은 이 분야의 전문가에게는 장치의 설계변경에 의해 큰 어려움 없이 달성 가능한 일이라 할 수 있다.

이어서 본 고안의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 고안을 구성하는 블록 다이어그램이고, 도 3 내지 도5는 좌표계의 위치와 각도의 관계 및 변화에 대한 설명을 한 그림이며, 도 6은 본 장치의 동작흐름을 나타내는 그림이다.

도 2를 참조하여 본 고안의 구성을 살펴보면, 본 고안은,

Lens를 통하여 전달되는 광학적 신호를 전기적 영상신호로 변환하여 최적의 영상신호로 디스플레이장치(81, 83)에 전송시켜 디스플레이 할 수 있게 하는 것으로서 최소 5Km 이상의 상황을 감시할 수 있을 뿐만 아니라 주·야로 산림을 감시할 수 있는 감시용 카메라(20)와,

상기 카메라(20)를 감시·관찰하고자 하는 곳으로 상·하·좌·우 이동시킴으로서 광범위한 지역을 효율적으로 감시할 수 있도록 하는 회전기(PAN/TILT)(30)와,

Matrix Switcher(60)에서 작동신호를 입력받아 PAN/TILT(30)와 Zoom, Focus의 Control을 행하는 제어수신장치(Receive)(50)와,

다수(여기서는 16개를 예로 든다)의 카메라(20)의 입력과 다수(여기서는 5개를 예로 든다)의 디스플레이(81, 83) 출력으로 시스템을 구성하여 작동하는 중앙처리장치(Matrix Switcher)(60)와,

카메라(20)로부터 전달되어진 전기적인 신호를 본래의 영상으로 재현하는 디스플레이장치(80)와,

제어수신장치(50)의 모든 기능 및 중앙처리장치(60)를 제어하는 카메라 제어장치(Key Board)(90)와,

장비내에 내장되어 있는 통합식 실시간 미분기능 프로그램을 사용하여 새로 운 위치나 이전에 파악한 위치를 찾아 인근 지역의 지도(82)에 정확한 좌표를 측정하여 입력시킨 다음 이를 중앙제어 전광판(83)에 표출시키는 자동제어 위치추적장치(40)와,

상기 자동제어 위치추적장치내(40)에서 적재되어 미터단위 미만의 새로운 위치나 이전에 파악한 위치를 쉽게 찾을 수 있도록 좌표를 계산하거나 산출된 좌표를 출력하는 자동제어 위치추적장치 소프트웨어(70)와,

카메라(20)로부터 입력된 각종의 영상정보 및 데이터를 다수의 이용자들이 이용할 수 있도록 가공하여 공급하기 위한 웹서버(Web Server)(100)로 구성되어져 있다.

또한 본 고안의 특징적인 구성요소인 자동제어 위치 추적장치(40)는 도시되지 아니한 위성으로부터 실시간으로 송신되어오는 시각과 좌표 등의 위성데이타를 수신하기 위한 DGPS수신기(41)와,

인근 감시대상지역을 측량하기 위한 측량용 DGPS시스템(42)과,

전방향적 지구 반구형으로 이루어진 GPS/비콘 통합안테나(43)와,

비상시 장비 구동을 위한 재충전이 가능한 배터리(44)와,

상황발생지역의 좌표를 추적하여 신속하게 프리셋(Preset)기능을 이용해서 임의로 설정된 지역으로 카메라(20)를 이동할 수 있도록 하는 포지션 컨트롤 시스템(Position Control System)(45)과,

상기 포지션 컨트롤 시스템(45)의 지시에 의해 카메라(20)를 이동시키기 위한 이동시스템(46)으로 구성되어져 있다.

또 카메라(20)로부터 전달되어진 전기적인 신호를 본래의 영상으로 재현하는 디스플레이장치는 동 영상정보를 화면상으로 출력하여 볼 수 있게 하는 모니터(81)와,

이를 지도상으로 표현하는 전자지도(82)와,

LED로 구성된 전광판(83)과,

상황을 전파하기 위한 경보장치(84) 및 방송장치(85)로 구성된다.

여기에 도시되지 아니한 위성항법장치(Defferential Global Positioning System)(여기서는 인공위성 또는 위성이라고 한다)로부터 24시간 실시간으로 송신되어져 온 시각이나 좌표 등과 같은 각종 위성데이타는 GPS/비콘 통합안테나를 통하여 DGPS수신기(41)에 수신되게 된다.

상기 위성항법장치(DGPS)(여기서는 인공위성 또는 위성이라고 한다)는 미 국방성이 개발하여 현재 사용하고 있는 위성항법기술을 이용한 것으로서, 이 기술은 지상으로부터 20,200Km 상공에서 24개의 위성이 최적의 위치에 배치되어 기상변화에 관계없이 365일 24시간 전세계에 서비스하고 있는 인공위성을 의미하는 것이다.

상기 DGPS수신기(41)는 카메라(20)가 설치된 철탑에 위치하는 것으로서 카메라(20)의 위치, 즉 DGPS수신기(41)의 위치를 기준점으로 설정하고, 인근의 감시 대상지역을 측량용 DGPS로 측량하여 좌표를 산출한 후, 그 결과를 포지션 컨트롤 시스템(45)으로 보낸다.

여기에 허용되는 오차의 한도는 최소 25Cm, 최대 1m 범위 내로 줄일 수 있을 만큼 정밀한 동작제어가 가능해 진다.

또한 카메라(20)로부터 입력된 각종 현장의 정보는 제어수신장치(50)를 거쳐 포지션 컨트롤 시스템(45)으로 전달되며,

DGPS수신기(41)와 카메라(20)로부터 포지션 컨트롤 시스템(45)으로 수신된 상기 정보는 상기 위성으로부터 수신되어진 좌표 정보와 함께 A/D값으로 각각 변환되어 자동제어 위치추적장치 소프트웨어(70)에 의해 좌표와 상·하·좌·우의 각도를 계산하는데 사용되고,

상기 산출된 좌표값과 각도의 값은 각각 제어수신장치(50)를 통하여 전자지도(82)와 카메라(20)의 관찰 위치를 제어하는 회전기(30)로 보내져, 전자지도(82)상에 산불의 현장을 표시하거나 카메라(20)가 산불 현장에 포커스를 맞출 수 있도록 상·하·좌·우의 각도를 변환하는데 활용된다.

본 고안은 상기 DGPS 방식을 이용하여 인공위성에서 제공되는 좌표값을 감시 카메라(20)를 기준으로 만들어 각각의 포인트에 사전에 지표면과 지하 및 지상공간에 존재하고 있는 각종 자연물(산, 강, 토지 등)과 인공물(건물, 도로, 철도 등)에 대한 위치정보와 속성정보를 컴퓨터에 입력한 후, 이를 연계시켜 각종 재해예방을 위한 계획의 수립과 상황대처를 위한 의사결정 등을 효율적으로 지원 할 수 있도록 만든 정보시스템인 GIS(Geographic Information System)를 이용하는 측량 장비로, 각 포인트마다 좌표값을 설정하고 이를 운용 프로그램에 입력시킨 다음 열파장 감시카메라(20)가 감지한 위치를 입력시켜 줌으로써, 감시카메라(20)가 자동으로 상황발생 지역의 좌표를 계산하여 거리를 산출하고 회전하여 그 지점의 상태에 대한 영상과 알람 데이터를 중앙 관제 센터에 송신하도록 구성되어 있다.

또한 본 고안은 위성항법장치의 지리정보 시스템의 좌표 측정기술을 이용하여 해당지역의 좌표를 측정한 후, 그 좌표를 디지털 값으로 환산하고 그 값을 74개의 좌표로 미분해서 주제어장치에 입력하는 74 Point to Point 매트릭스 회로 방식을 채택하고 있으며, 각 포인트 간 거리를 500m 단위로 설정하여 좌우 360도 상하 90도를 회전하도록 구성하고 DGPS에서 제공되는 좌표(인공위성에서 보내지는 좌표값)를 감시 카메라(20)를 기준으로 산정하고 각각의 포인트에 사전에 GIS(지리정보시스템)를 이용하는 측량장비로 각 포인트마다 좌표값을 설정하여 운용 프로그램(70)에 입력시킨 후, 감시카메라(20)가 감지한 위치를 입력시켜서 감시카메라(20)가 자동으로 상황발생 지역의 좌표를 계산한 다음 현장까지의 거리를 산출하고 회전하여 목표 지점의 상태에 대한 영상과 알람 데이터를 중앙 관제 센터에 송신하도록 구성되어 있다.

그리고, 산불이나 재해감시용 카메라(20)를 이용하여 산림의 변화 및 4계절 풍경의 변화를 Web site(인터넷)(100)를 이용해서 각 시, 도, 군 및 일반 사용자도 자료를 검색, 관람할 수 있게 함으로서 감시카메라의 이용범위를 단순한 재해감시용 만이 아니라 관광자원으로 활용할 수 있도록 확장하면서 시스템의 이용효율을 대폭 확장하였다.

홈페이지 구축은 관할 부서 및 담당자 등 내부 사용자를 위한 인트라넷 웹(Intranet Web)과 일반 이용자 등 외부 사용자를 위한 인터넷 웹(Internet Web)으로 구분하여 구축하며 정보의 제공을 차별화하고 신속 정확한 정보를 제공하도록 함으로써, 신뢰도 및 대고객 서비스를 향상시킬 수 있도록 하였다.

이어서 도 6의 동작흐름도를 이용하여 본 고안의 동작과정을 설명하면,

카메라 제어장치(KEYBOARD)(90)에 의해 수동 또는 자동 동작명령을 내리면, 중앙처리장치(MATRIX SWITCHER)(60)를 통해 원격 수신장치(RECEIVER)(50)에 동작 명령이 수신되고 이어서 카메라(20)를 구동시키는 회전기(PAN/TILT)(30)가 동작되어 카메라(20)가 상·하·좌·우를 감시한다. 상기 카메라(20)가 관찰 지역을 감시하던 중, 상황이 발생하면, 자동제어 위치추적장치(40)에서 상황 발생지역의 좌표를 자동으로 계산하여 그 결과는 중앙처리장치(MATRIX SWITCHER)(60)를 통해 디스플레이장치(MONITOR)(81)로 전송되며, 이어서 전자지도(82)에 상황 발생지역의 좌표가 표출되게 된다.

본 고안에서는 지도상에 위치한 X, Y값을 A/D 값으로 변환하여 회전기(PAN/TILT)(30)로 하여금 목표물을 찾도록 하는 방법과 추적장치가 추적한 위치 A/D 값을 X, Y 값으로 변환하여 지도상의 위치를 찾는 방법으로 구분이 되며, 동 위치추적방법은 자동제어 위치추적장치에 탑재되어 있는 자동제어 위치추적장치 소프트웨어에 의해서 이루어진다.

여기에서 자동제어 위치 추적을 위한 방법을 관련 도 3 내지 도 5를 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3a에서 3차원 좌표계의 위치와 각도의 관계에 대해 설명한다.

카메라 또는 열추적 센서의 회전기 위치를 O, 목표물의 위치를 P라고 하면 3차원 좌표는 도 3a의 (a)와 같이 표현된다.

상기 도 3a의 (a)에서 회전기 위치에서 목표물까지의 거리 D는 피타고라스 방정식에 의해서 D = sqrt ( x²+ y²+ z²) 의 공식으로 구할 수 있다.

x는 x = D

로 구할 수 있으며, y는 y = D

로 구할 수 있고, z는 z = D

로 구할 수 있다.

여기서,

= tan^-1 ( y / x ) 이며,

= cos^-1 ( z / D) 이다.

상기의 공식에서 각각의

와

, 그리고 거리 D의 관계를 알 수 있으며, 이를 오른손 좌표계를 사용하여 2차원 평면에 투영하여 나타내면 도 3a (b) 또는 도 3a (c)과 같다.

도 3a (b)는 X, Y 면상에 투영된 결과를 나타낸 것이고, 도 3a (c)는 Y, Z 면상에 투영된 결과를 각각 나타낸 것이다.

상기 도 3a을 본 고안과 비교해 몇 가지 제한점을 두어 보기 쉽게 표현하면 그 결과를 도 3b와 같이 나타낼 수 있다.

카메라 또는 열추적 센서의 회전기는 지상의 높은 곳에 설치하므로 설치 높이를 미리 알고 있고, 최종적으로 2차원 좌표로 투영하므로 땅속(지하)은 무시할 수 있으며, 하늘도 고려 대상에서 제외시킬 수 있다.

그리하면, 좌표 원점을 O, 카메라 또는 열추적 센서의 회전기의 위치를 P0, 목표물의 위치를 P라 할 때 도 3b와 같이 표현 될 수 있다.

상기 도 3b에서 좌표 원점 O와 목표물의 위치 P간의 거리 r은 r = sqrt (x²+ y² 의 공식으로 구해질 수 있다.

나머지는 상기 도 3a와 같은 방식으로 구할 수 있다.

상기 도 3b의 하단의 도면은 2차원 평면에 투영된 것을 오른손 좌표계로 나타낸 것이며 X, Y 면에서는 좌표 원점과 목표물의 위치에 대해 나타냈고 X, Z 면에서는 회전기의 위치와 목표물의 위치에 대해 나타내었다.

본 고안에서 지도상에 위치한 x, y 값을 A/D 값으로 변환해 회전기(PAN/TILT)(30)로 하여금 목표물을 찾도록 하는 방법은 수동 또는 자동으로 카메라(20) 또는 열추적 센서 회전기가 특정 목표물을 가르키도록 위치시키면, 목표물의 상·하·좌·우에 해당하는 아날로그값을 위치제어장치가 계산하게 되는데, 이것은 카메라 또는 열추적 센서의 회전기에서 나오는 전류 또는 전압값을 A/D 변환회로를 거쳐 x, y 위치에 해당되는 A/D 값으로 Gain 하는 것이다.

이 때, 목표물을 지적할 때의 현재 좌우 AD 값을 TargetAD_LR_Value 로 나타내고, 목표물을 지적할 때의 현재 상하 AD 값은TargetAD_UD_Value 로 나타낸다.

상기 과정이 끝나면 목표물의 거리와 상·하·좌·우의 각도를 위치 제어장치가 구하게 되는데, 전 단계에서 구한 AD 값을 기본 설정 및 상수 값을 이용하여 상하좌우 2개의 각도를 구할 수 있다.

여기서, 아날로그 gain에 따른 좌우 기울기 상수값을 AD_LR_SLOPE라 하고 아날로그 gain에 따른 좌우 옵셋 상수값을 AD_LR_OFFSET라 하며, 아날로그 gain에 따른 상하 기울기 상수값을 AD_UD_SLOPE라 하고, 아날로그 gain에 따른 상하 옵셋 상 수값을 AD_UD_OFFSET이라 한다면

좌우 각도 Angle LR는

Angle LR = {Target AD_LR_Value (목표물을 지적할 때의 현재 좌우 AD값) + AD_LR_OFFSET (아날로그 gain에 따른 좌우 옵셋 상수값)} / AD_LR_SLOPE (아날로그 gain에 따른 좌우 기울기 상수값)의 공식으로 구할 수 있으며,

상하 각도 Angle UD는

Angle UD = {Target AD_UD_Value (목표물을 지적할 때의 현재 상하 AD값) + AD_UD_OFFSET (아날로그 gain에 따른 상하 옵셋 상수값)} / AD_UD_SLOPE (아날로그 gain에 따른 상하 기울기 상수값) 의 공식으로 구할 수 있다.

상기 단계에서 구한 상하좌우 각도의 지리좌표를 직각좌표의 도 단위로 변환하는데 기준점과의 거리 및 dx, dy를 좌우를 먼저 계산하면 모두 미지수가 되므로 상하를 먼저 계산하면 거리를 구할 수 있다.

이 거리를 좌우에 적용하면 각도와 거리를 알 수 있으므로 좌표를 계산할 수 있다.

이를 도 4를 통해 설명하자면, 미지수인 기준점과 목표물과의 거리를 Range 라 하고, 미지수인 기준점과 목표물과의 바닥 수평 거리를 Zx라 하며, 미지수인 기준점과 목표물과의 x축 거리를 Dx라 하고, 미지수인 기준점과 목표물과의 y축 거리를 Dy라고 한다.

여기서, Angle UD는 상하 각도, 즉

를 나타내며, 이것은 AD 값으로부터 계산되었다. 그리고, Angle LR은 좌우 각도, 즉

를 나타내며 이것도 AD 값으로부터 계산된 것이다.

상기 기준점과 목표물과의 바닥 수평 거리 Zx는 Zx = {tan(Angle UD) * BASE_H (기준점의 높이를 해발 또는 특정한 지역을 기준으로 구한 것)}의 식으로 구할 수 있고, 여기서 tan(Angle UD) = Zx / BASE_H 의 식으로 구할 수 있다.

기준점과 목표물과의 x축 거리인 Dx = {Cos(Angle UD) * Zx} 의 식으로 구할 수 있고, 여기서 Cos(Angle UD) = Dx / Zx 의 식으로 구할 수 있다.

기준점과 목표물과의 y축 거리인 Dy = {Sin(Angle UD) * Zx} 의 식으로 구할 수 있고, 여기서 Sin(Angle UD) = Dy / Zx 의 식으로 구할 수 있다.

상기 공식에 의거해서 피타고라스 방정식의 원리를 적용하면 기준점과 목표물과의 거리인 Range = sqrt(Dx²+ Dy²)의 공식을 얻을 수 있다.

여기서 계산한 Dx, Dy 는 목표물과의 x축 및 y축 거리이고 경위도별 1도에 해당하는 거리로 나누면 x축, y축의 상대 도 좌표가 나온다.

상기 공식에서 계산된 좌표를 위치판독 또는 제어장치가 지도상에 표시되도록 함으로 해서, 지도상의 x, y 값을 A/D 값으로 변환해서 목표물을 찾게 되는 것이다.

그리고, 본 고안에서 추적장치가 추적한 위치 A/D 값을 x, y 값으로 변환하여 지도상의 위치를 찾는 방법에 대해 설명하자면,

지도상에서 마우스로 특정 목표물을 선택하면 포지션 컨트롤러로 좌표가 전 송되고 감시장치는 목표물을 가르키는데, 이 과정은 상기 지도상의 x, y 값을 A/D 값으로 변환하는 과정의 역순의 과정을 거치면 된다.

지도상에서 한 위치 (이동체 또는 고정물체)를 마우스로 클릭해서 포지션 컨트롤러로 지리좌표를 전송하면, 이 지리 좌표를 직각좌표의 도 단위로 변환한다.

여기서 지리좌표는 60분법이므로 도 단위로 변환을 하기 위해서 C Language를 이용해 변환 프로그램을 아래와 같이 작성한다.

float DMS2DEG(int nDeg, int nMin, float fSec)

{

int iSign;

iSign = (nDeg<0)?-1:1;

return iSign * ((float)nDeg + (float)nMin/60+fSec/3600);

}

상기 프로그램에서 예를 들어 Latitude(위도): 37°34′2512″라 하고 Longitude(경도): 126°58′1234″라 하면, 변환된 값은 Latitude(위도)는 37. 57361°이고 Longitude(경도)는 126. 97°가 된다.

상기와 같이 변환된 자료로 목표물의 거리와 상하좌우 각도를 구한다.

이 설명을 위해 상기 도 단위로 변환된 Latitude(위도) = 37. 57361°를 Y라 하고, Longitude(경도) = 126. 97°를 X라 가정한다.

도 5에서 Dx는 기준점과 목표와의 x축의 거리이며, Dy는 기준점과 목표와의 y축의 거리이며, Range는 기준점과 목표와의 거리이고, AngleLR 은 좌우 각도이며, Angle UD 는 상하 각도이다.

여기서, 기준점과 목표와의 x축 거리인 Dx는 {X (상기 가정한 Latitude) - BASE_X (기준점의 위도를 도 단위로 변환한 값)} * UNIT_X (경도별 1도의 거리) 의 식으로 구할 수 있고, 기준점과 목표와의 y축 거리인 Dy는 {Y (상기 가정한 Longitude) - BASE_Y (기준점의 위도를 도 단위로 변환한 값)} * UNIT_Y (위도별 1도의 거리)의 식으로 구할 수 있다.

상기 식에서, 기준점과 목표와의 거리인 Range는 피타고라스 방정식을 이용해서, sqrt(Dx²+ Dy²)의 식으로 구할 수 있다.

좌우각도인 Angle LR을 알기 위해서 Arc tangent (y / x)를 구한 후 호도(radian) 단위에서 각도(degree) 단위로 변환한다.

만약, Dx와 Dy 중에서 어느 하나라도 '0' 이 되면 좌우 각도 Angle LR은 0°가 된다. 그런데, Dx와 Dy 중 어느 하나라도 값을 가지면, 좌우 각도가 생기므로, 이것을 f0 = atan (dx, dy) 로 정의하고, 지도 상에서 남쪽을 '0'도로 잡게되므로 좌우 각도 Angle LR = {(f0 * 180) /

(3.141592) + 180.0 의 식으로 구해진다.

상하 각도인 Angle UD를 구하기 위해서 Arc tangent (y / x)를 구한 후 호도(radian) 단위에서 각도(degree) 단위로 변환하면 된다.

여기서 만약에 Range (기준점과 목표와의 거리)나 BASE_H (기준점의 높이를 해발 또는 특정한 지역을 기준으로 구한 것)의 둘 중 하나라도, '0'이 되면 상하각 도 Angle UD는 0°가 된다.

그런데, Range (기준점과 목표와의 거리)나 BASE_H (기준점의 높이를 해발 또는 특정한 지역을 기준으로 구한 것) 중 어느 하나라도 값을 가지면 상하 각도가 생기므로 이것을 f0 = atan2 ( Range, BASE_Y ) 정의하면, 상하각도 Angle UD = {(f0 * 180) /

(3.141592)} 의 식으로 구해진다.

상기의 식으로 구해진 상하좌우 각도를 목표물의 상하좌우에 해당하는 아날로그 값으로 계산하고 목표물에 근접할 때까지 A/D gain을 계속하면서 상하 및 좌우로 이동시키며 목표 Target AD_LR_Value (목표물을 지적할 때의 최종 좌우 AD 값) 및 Target AD_UD_Value (목표물을 지적할 때의 최종 상하 AD 값)이 나올 때까지 카메라 또는 열추적 센서의 회전기를 구동 및 추적한다.

이상이 본 고안에서 지도상에 위치한 x, y 값을 A/D 값으로 변환하여 회전기 (PAN/TILT)로 하여금 목표물을 찾도록 하는 방법과, 추적 장치가 추적한 위치 A/D 값을 X, Y 값으로 변환하여 지도상의 위치를 찾는 방법에 대한 설명이다.

도 6은 본 고안에 의한 산림관재 시스템의 운용방법을 나타내는 것으로서, 이를 단계별로 나누어 설명하면, 시스템 구동을 시작하는 단계(A1)와, 운용자가 키보드 조작에 의해 감시 지역을 선택해서 신호를 송출하면 리시버로 수신하는 단계(A2)와, 리시버에서 출력된 신호가 회전기에 입력되면 이를 카메라 제어명령으로 변경하는 단계(A3)와, 상기 회전기로부터 카메라의 제어명령이 들어오면 감시 지역 목표물을 위치 제어장치가 아날로그 값으로 계산하는 단계(A4)와, 상기 계산된 아날로그 값을 다시 상·하·좌·우 각도로 계산하는 단계(A5)와, 상기 상·하·좌· 우 각도로 계산된 것을 도 단위의 지리좌표로 계산하는 단계(A6)와, 상기 산출된 지리좌표 지도 상에 출력시키는 단계(A7)로 이루어 짐을 특징으로 한다.

또한 상기 과정을 (A7)단계로부터 (A1)단계로 역으로 추적하면 지리 좌표상의 지점을 추적하여 감시 지역의 목표물을 모니터 할 수도 있게 된다.

이상과 같이 본 고안은, 수동으로 조작하던 종래의 산불감시 장치를 자동화한 것으로, 종래의 산불감시 장치를 위성항법 장치의 지리정보 시스템의 좌표 측정 기술과 결합하여 해당 지역의 좌표를 자동으로 산출하고 그 좌표를 디지털 값으로 환산하여 주제어장치에 입력하면 입력된 좌표를 통신으로 전송하여 카메라를 구동하는 회전기(PAN/TILT)에 전송하여 제어를 하게 함으로서, 카메라가 정확한 위치를 모니터할 수 있도록 하였으며, 해당 지역에 상황이 발생시 열파장 감지 카메라로부터 입력되는 좌표 값에 따라 자동으로 모니터가 가능하도록 하여 평상시 실시간으로 감시지역을 자동으로 상·하·좌·우 회전하면서 감시할 수 있도록 한 후, 그 결과를 모니터에 출력시키도록 함으로써 상황이 발생되면 이를 검색해 알람을 발함으로서 운영요원에게 경고를 발령토록 해서, 조기에 적절한 조치를 내려 국가 재산 보호 및 재해 대책에 만전을 기하도록 하는 효과가 있는 것이다.

또한 이와 같은 산림관재 시스템을 단순히 산불을 감시하는 기능에만 국한하지 않고 이 시스템을 등산객의 조난을 감시하거나, 폭우 또는 폭설로 인한 산사태를 감시하고, 해충에 의한 산림의 훼손을 감시하는 한편, 출입금지 구역 내의 등산객의 출입을 감시하기도 하며, 자연상태 보호지역 내의 동식물을 감시하고, 더 나 아가서는 Web Site(인터넷)를 이용하여 감시지역의 4계절 풍경 및 그 풍경이 변화하는 과정을 녹화하여 관광상품으로 홍보하는 데 이용함으로서 국가 재난 방지의 범위를 확장하고 동 설비를 관광상품 개발에 이용하는 효과를 기대할 수 있게 된다.

Claims (1)

1. Lens를 통하여 전달되는 광학적 신호를 전기적 영상신호로 변환하여 최적의 영상신호로 디스플레이장치(81, 83)에 전송시켜 디스플레이 할 수 있게 하는 것으로서 최소 5Km 이상의 상황을 감시할 수 있을 뿐만 아니라 주·야로 산림을 감시할 수 있는 감시용 카메라(20)와,

   상기 카메라(20)를 감시·관찰하고자 하는 곳으로 상·하·좌·우 이동시킴으로서 광범위한 지역을 효율적으로 감시할 수 있도록 하는 회전기(PAN/TILT)(30)와,

   Matrix Switcher(60)에서 작동신호를 입력받아 PAN/TILT(30)와 Zoom, Focus의 Control을 행하는 제어수신장치(Receive)(50)와,

   다수의 카메라(20)의 입력과 다수의 디스플레이(81, 83) 출력으로 시스템을 구성하여 작동하는 중앙처리장치(Matrix Switcher)(60)와,

   상기 영상정보를 화면상으로 출력하여 볼 수 있게 하는 모니터(81)와, 이를 지도상으로 표현하는 전자지도(82)와, LED로 구성된 전광판(83)과, 상황을 전파하기 위한 경보장치(84) 및 방송장치(85)로 구성되어 카메라(50)로부터 전달되어진 전기적인 신호를 본래의 영상으로 재현하는 디스플레이장치(80)와,

   제어수신장치(50)의 모든 기능 및 중앙처리장치(60)를 제어하는 카메라 제어장치(Key Board)(90)와,

   도시되지 아니한 위성으로부터 실시간으로 송신되어오는 시각과 좌표 등의 위성데이타를 수신하기 위한 DGPS수신기(41)와, 인근 감시대상지역을 측량하기 위한 측량용 DGPS시스템(42)과, 전방향적 지구 반구형으로 이루어진 GPS/비콘 통합안테나(43)와, 비상시 장비 구동을 위한 재충전이 가능한 배터리(44)와, 상황발생지역의 좌표를 추적하여 신속하게 프리셋(Preset)기능을 이용해서 임의로 설정된 지역으로 카메라(20)를 이동할 수 있도록 하는 포지션 컨트롤 시스템(Position Control System)(45)과, 상기 포지션 컨트롤 시스템(45)의 지시에 의해 카메라(20)를 이동시키기 위한 이동시스템(46)으로 장비를 구성하고, 장비내에 내장되어 있는 통합식 실시간 미분기능 프로그램을 사용하여 새로운 위치나 이전에 파악한 위치를 찾아 인근 지역의 지도(82)에 정확한 좌표를 측정하여 입력시킨 다음 이를 중앙제어 전광판(83)에 표출시키는 자동제어 위치추적장치(40)와,

   상기 자동제어 위치추적 장치내(40)에서 적재되어 미터단위 미만의 새로운 위치나 이전에 파악한 위치를 쉽게 찾을 수 있도록 좌표를 계산하거나 산출된 좌표를 출력하는 자동제어 위치추적장치 소프트웨어(70)와,

   카메라(20)로부터 입력된 각종의 영상정보 및 데이터를 다수의 이용자들이 이용할 수 있도록 가공하여 공급하기 위한 웹서버(Web Server)(100)로 구성됨을 특징으로 하는 지아이에스를 이용한 산림관재 시스템.

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