드론 매핑(Mapping)이란?
드론은 4차산업의 대표 주자입니다. 드론 공연 및 라이트 쇼, 항공촬영을 비롯해서 드론 배송과 재난 지역 탐색, 드론과 센서를 활용한 스마트 농업등 드론 활용은 이미 우리 생활에 깊숙이 들어와 있습니다. 그중에서 드론과 고해상도 카메라를 활용한 3D 맵핑(Mapping) 기술은 건설현장과 지적재조사 등에서 그 활용가치가 점점 늘고 있습니다. 그중에서 드론 매핑이 무엇인지 알아보겠습니다.
드론 매핑은 드론을 활용해 측량을 하는 것입니다. 측량이 필요한 지역을 드론으로 수백에서 수천장의 사진을 촬영하고, 이 사진들을 전용 소프트웨어를 통해 후처리를 해 하나의 정사영상과 같은 결과물을 얻는 것입니다.
이 과정은 네 단계를 거치게 됩니다.
- 촬영 계획 수립
- 지상기준점 설치
- 비행 및 촬영
- 소프트웨어 후처리
이 네가지 단계를 순서대로 알아보겠습니다.
1. 매핑의 시작 - 비행 승인과촬영허가, 비행 계획 수립
매핑의 첫 단계에서는 비행을 위한 행정적인 절차와 촬영계획 및 사전 준비작업을 진행합니다. 행정적인 절차로 해당 지역에서 비행 및 촬영을 하기 위한 비행승인(비행금지 및 제한 구역에서 비행시)과 촬영허가부터 시작해야 합니다.
비행승인과 촬영 허가는 담당기관이 다르기 때문에 각각 따로 신청해야 합니다. 비행승인 관할기관은 지방항공청이나 김포항공관리사무소, 군부대 등 다양하고 촬영허가 기관은 모두 해당 지역의 군부대 입니다. 담당 기관별로 따로 신청해야하는 번거로움을 줄이기 위해 비행승인과 촬영허가는 모두 '드론 원스톱 민원 포털 서비스(https://drone.onestop.go.kr/)'에서 진행하게 됩니다. 해당 지역의 주소를 입력하면 자동으로 담당 기관이 자동으로 지정되어 편리하게 이용할 수 있습니다.
비행승인과 촬영허가는 처리기간이 4일정도 소요되므로 신청을 마치면 '비행 계획'을 세워야 합니다. 정확한 촬영 구역을 설정하고 비행고도와 효율적인 비행경로, 사진 중첩도(중복도)를 정하고 자동비행 프로그램에 데이터를 입력해 줍니다. 이 설정된 값을 토대로 드론이 정해진 경로로 비행하면서 사진 데이터를 수집하게 됩니다.
이 단계에서는 최종 결과물의 '정밀도'를 중요하게 고려해보아야 합니다. 어느정도의 해상도로 결과물을 만들어 낼지에 따라 비행 고도나 사진 중첩도를 결정해야 합니다. 보통 위성 촬영으로는 1픽셀당 50cm급의 사진을 얻을 수 있지만, 드론 촬영으로는 훨씬 더 정밀한 3~5cm급의 사진을 얻을 수 있습니다. 이런 정밀도를 고려하여 비행계획을 수립해야 합니다.
2. 매핑의 정확도를 올리기 위한 지상기준점(GCP) 설치
보다 정밀하고 정확한 결과물을 얻기 위해 고려해야할 요소는 '지상 기준점(GCP)'가 있습니다. 지상 기준점은 지상에 대공표지를 설치하고 그 대공표지의 정확한 3차원 위치값을 관측한 점을 말합니다. 경우에 따라서는 대공표지판 대신 아스팔트 위 차선이나 맨홀 등 명도차가 확실해 주변의 사물과 명확한 구분이 가능한 사물을 이용하기도 합니다.
이 지상 기준점은 매핑 결과물의 정합정도 및 위치를 보정하는 중요한 역할을 하기 때문에 1km X 1km 기준으로 총 9개 이상의 기준점을 최대한 고르게 배치해야 합니다. 이때 1개의 기준점은 최소 3장의 각각 사진에 촬영되어야 합니다.
이 지상기준점의 배치가 잘못되거나 위치값이 잘못되었다면 결과물의 정밀성이 낮아져 결과물의 품질을 떨어뜨리게 됩니다. 결과물의 품질을 높이기 위해서는 드론이 비행 임무를 수행하기 전에 적절한 지상기준점을 설치하고 그 정확한 위치값을 확보하는 것이 중요합니다.
3. 비행 및 촬영 - 데이터 수집
지상기준점을 설치가 잘 되었다면 이제 드론이 임무를 수행할 차례입니다.
결과물의 품질을 보증하기 위해서는 정확하고 효율적인 촬영이 필요합니다. 이미지 데이터의 품질이 높을수록 결과물의 품질도 높아지는 것은 당연한 결과입니다.
이미지 데이터의 품질을 높이기 위해서는 카메라의 해상도나 이미지센서 등의 성능, 촬영 당시의 기상 조건, 태양의 위치에 따른 그림자의 정도, 촬영 고도, 드론의 비행속도 및 고도, 사진의 '중첩도(중복도)' 등을 고려해야 합니다.
비행계획 단계에서 촬영해야 하는 구체적인 구역을 설정하고 드론의 비행 가능 시간 및 범위를 고려해 비행 구역을 나눕니다. 그리고 각 구역 촬영에 필요한 비행 고도와 카메라 각도, 이미지의 중복도 등을 설정하게됩니다.
중복도는 드론의 속도와 고도 카메라의 촬영 간격등에 따라 결정되는데 매핑 앱을 사용할 때 중복도와 비행고도를 설정하면 나머지는 자동으로 설정되어 추천값을 알아서 계산해 줍니다.
높은 품질의 결과물을 획득하기 위해서는 가로와 세로의 중복도를 80% 이상으로 설정해야 합니다. 이는 어떤 한 지점이 최소 4장 이상의 사진에 찍혀야 한다는 뜻입니다. 사진간의 중복도가 부족하면 정사영상에 왜곡이 일어나게 됩니다.
4. 이미지 데이터의 후처리 - 매핑 소프트웨어
드론이 경로비행으로 촬영해 획득한 이미지 데이터는 후처리 과정을 거치게 됩니다. 이때 사진측량의 원리를 사용하는데 사진측량이란 촬영각도를 다르게 한 2장 이상의 사진을 조합하여 그 좌표 및 형상을 만들어 내는 기술입니다. 후처리 프로그램에서는 경로비행에 따라 다양한 위치에서 촬영한 수백에서 수천장의 평면 사진으로부터 카메라의 위치와 사진의 특징점들을 잡아 삼각 측량하여 촬영된 지역을 입체 구조로 만들어내는 방법입니다.
이렇게 만들어낸 3D 입체 구조는 모두 포인트 클라우드라는 점으로 이루어져 있습니다. 포인트 클라우드에 있는 점 하나하나는 위치와 높이 및 색상 정보를 가지고 있는데 우리는 그 정보를 이용해 지형의 고도나 부피, 거리 등 3차원 정보를 얻을 수 있게 됩니다.
이 후처리 과정에서 수직에서 바라본 왜곡없는 사진, 즉 '정사영상(정사사진)'을 얻을 수 있습니다. 일반적인 사진은 대상의 중심을 촬영하기 때문에 사진의 정가운데를 제외한 가장자리에서는 건물의 측면도 함께 찍힙니다. 이를 후처리 과정에서 어느 위치에서든 수직으로 보이는 사진을 얻게 됩니다. 이 정사사진도 입체구조와 마찬가지로 포인트 클라우드로 구성돼 있지만 수직위치에서 본 상태로 재구성하게 됩니다.
이렇게 얻은 정사영상은 건설분야의 설계나 공사 진행 현황 파악 등에 활용될 수 있고, 지도 제작이나 지적 재조사, 토지 보상 등 토지 관련 실무에 사용할 수 있습니다.
이렇게 드론 매핑이 이루어지는 과정을 살펴보았습니다. 드론 매핑을 이해하는데 도움이 되셨길 바라며, 더 궁금한 내용이 있거나, 실무적으로 드론 매핑이 필요하신분은 드론 활용 서비스 전문, 아이엠드론으로 문의 주시기 바랍니다.
다음 포스트에서는 드론 매핑이 실제 건설 현장에서 어떻게 활용되는지 살펴보도록 하겠습니다.
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