항공 라이다(LiDAR) 측량 시스템을 이용한 송전선로설계용 데이터 제작기술

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항공 라이다(LiDAR) 측량 시스템을 이용한 송전선로설계용 데이터 제작기술

2007년 10월 2일 (화) 16:15:00 | 지면 발행 ( 2007년 9월호 - 전체 보기 )

(주)한진정보통신(02)2166-7114 모종명 과장개요1. 개발배경초고압 전력선은 시설 공사 시 발생할 수 있는 기술적, 환경적 문제를 해결하면서 진행해야 하기 때문에 많은 시간과 비용을 수반한다. 또한 공사 후에도 주변 환경 변화와 전력선 처짐 및 훼손으로 인하여 많은 주의와 관리가 필요하다. 이에 한진정보통신(주)는 최신 측량 기술인 항공 라이다(LiDAR : Light Detection And Ranging) 측량 시스템을 이용하여 얻은 라이다 데이터와 디지털 영상으로 선정된 경과지에 대해 3차원 손전선로 설계를 지원하여, 시간 및 경제적 손실을 최소화하고자 새로운 기술을 개발하게 되었다. ‘항공 라이다 측량 시스템을 이용한 송전선로 설계용 데이터 제작기술’은 경과지 선정 후에 종단·평면 측량 등 현장 측량을 실시하지 않고 항공 라이다 측량 시스템을 이용하여 모든 선로 주변의 지형 정보를 얻을 수 있는 기술이다. 이 기술을 이용하면 철탑위치 및 필요지역에 대한 말목 설치 위치, 철탑의 모양·높이 등을 결정할 수 있는 도면 정보를 제작할 수 있으며, 용지 보상을 위한 소유권 조사 및 설계에 필요한 각종 설계용 데이터를 확보할 수 있다. 또한 디지털 영상을 융합하여 3차원 모델을 효과적으로 보여줌으로써 주변경관을 미리 시뮬레이션하고 조감하는 3차원 설계를 할 수 있다. 특히 선정된 경과지 주변의 지형과 수목높이, 지물현황 및 형상 등을 종합적으로 고려하여 최적 위치 선정 및 설계 유도, 송전탑의 위치결정, 각 송전선별 처짐 정도 및 송전선 노선설계 등을 용이하게 해결할 수 있어 현행 현장측량의 한계점을 해결하고 보완하는 기술이다. 3차원 지형분석을 통해 사회적·환경적·경제적 측면에서 가장 객관적, 합리적, 과학적, 친환경적인 3차원 송전선로 설계용 데이터를 제작할 수 있는 측량 기술 개발을 목적으로 한다.2. 기존 기술의 문제점기존 방법에 의한 송전선로 설계는 일반적으로 위성영상, 수치 지형도(1:5000)를 기본 자료로 사용해 왔다. 간접측량방식의 항공측량에 의해 구축된 수치지형도는 2m(등고선 최대허용오차) 내외의 표고 오차를 포함하고 있다. 또한 5m 간격의 등고선은 수목의 높이를 현실적으로 반영하지 않은 값으로, 송전선로 설계에 가장 중요한 요소를 무시했다는 한계점을 가지고 있다. 선정된 경과지 주변의 인공 구조물이나 도로, 철도 등이 횡단되는 경우를 고려할 수 없으므로 현장 조사를 통한 인력 및 시간 낭비를 초래하는 문제점을 안고 있다. 기존 방법의 지형정보를 이용하여 설계된 송전선은 최근 고압선로의 처짐으로 인한 산불 피해 및 재난 사고에 이르는 사례가 빈번해지면서 고압 선로 주변 식생이나 구조물의 정확한 현황을 반영한 안전하고 정확한 설계의 필요성이 점점 요구되고 있는 실정이다. 기존 전력시설의 설계나 시공 시에 사용된 수치 지형도나 현장 측량의 문제점을 요약하면 다음과 같다.① 수치지형도의 등고선 한계로 정확한 설계에 어려움이 있다.기존에 사용해오던 1:5000 수치 지형도의 허용오차와 등고선 간격은 <표 1>과 같다. 실제 수목 높이 값이 고려되지 않은 등고선 값의 오차는 2m∼5m에 달한다. 주로 산림 지역을 지나는 선로에 대해 수목의 정확한 높이 값을 반영하여야 하며, 또한 5m 간격의 등고선은 낮은 밀도로 인하여 과학적으로 설계에 반영되지 못하고 있는 실정이다.② 선정된 경과지의 현장 측량 비용과 계획 변경에 따른 추가 경제적 손실이 발생한다.송전선로 경과지가 선정이 되면, 중심·종단·검사 측량 등 설계를 위한 현장 측량이 이루어진다. 이러한 측량에서 발생하는 비용은 전체 송전선로 설계 업무의 대부분을 차지한다. 또한 선정된 경과지에 대한 설계측량 및 지적현황 측량 결과, 경과지 또는 지지물의 위치 조정 등이 발생할 경우 모든 자료를 수정해야 하는 기술적, 경제적 손실은 추가공사비용의 상승과 인력 운영의 어려움으로 공기의 연장을 초래하고 있다.③ 과거 자료 사용에 의한 정확한 현황 파악이 어렵다.위성영상 및 수치 지형도는 과거 자료로서, 현재의 송전선로 경과지 설계 시 적용하는 데에는 문제점을 가지고 있다. 도심지의 구조물, 산림지의 수목, 곳곳의 공사현장 등을 과거자료로 파악하는 것은 많은 어려움이 있다. 또한, 저해상도의 위성영상은 정확한 정성적 판단이 어려워 고해상도의 디지털 영상의 필요성은 증가하고 있다.

신기술의 내용

이 기술은 송전선로 경과지 선정 후, 주변환경의 정확한 3차원 공간 정보를 획득함으로써, 현장 조사 없이 한번의 라이다 측량으로 지형, 수목, 인공 구조물의 위치 정보와 영상 정보를 직접 취득하여 설계용 DB를 제작하는 기술이다. 개발된 신기술의 작업 흐름도는 다음과 같다.

1. 원리 및 장비 항공라이다 측량 시스템은 레이저 스캐너를 항공기에 탑재하여 레이저펄스를 지표면에 주사하고 반사된 레이저 펄스의 도달시간을 관측함으로써 반사 지점의 3차원 위치좌표를 계산해 지표면에 대한 정보를 추출하는 측량기술이다.항공라이다 측량 시스템은 지상의 표고자료를 취득하는 레이저 스캐너와 위치결정 및 비행 기록장치인 GPS(Global Positioning System)와 INS(Inertial Navigator System)로 구성되어 있다. GPS는 미리 계획된 비행경로의 유지와 레이저 펄스가 지상으로 발사되는 시점의 레이저 스캐너의 정확한 3차원 위치를 결정하는 역할을 하며, 일반적으로 지상의 GPS기준국과 연계하여 정확도를 향상 하는 DGPS(Differential GPS)방법을 사용한다. 그리고 INS는 비행중인 항공기의 회전각(Heading, roll, pitch)과 레이저의 발사방향에 대한 정보를 관측하기 위하여 사용된다. 즉 GPS와 INS는 레이저 스캐너의 위치와 자세보정 역할을 한다.라이다 측량 시스템은 초당 70,000Hz의 레이저 반사율로 총 4개의 레이저 펄스를 가지는데, 경과지에 대하여 점 밀도 높은 데이터를 취득하여 m² 당 6∼7 포인트를 유지하도록 설계하였다.수평 및 수직 정확도는 시스템별로 고도에 따른 변수로 제시되는데, 일반적으로 수직 정확도는 비행고도 1,200m에서 15cm, 3,000m일 경우에는 35cm가 확보되어야 하며, 수평 정확도는 비행고도(H)×1/2,000로 제시되고 약 1,000m 측량 시에 약 50cm 이내가 유지되어야한다. 이에 시스템 검정(calibration)은 자체 오차를 판별하여 정확한 3차원 공간정보 취득을 위해 필수적인 공정이다. 시스템 검정을 위해 검정장(calibration site)을 선정하여 자료 취득 전에 실제 비행을 통해 얻어진 보정계수(pitch, roll, scale, offset)를 산출하여 데이터 처리 시에 사용한다.

2. 신기술의 기술적 과제이 기술은 최신 항공 라이다 측량 시스템을 이용하여 선정된 경과지에 대해 3차원 공간정보를 획득하여 설계용 데이터를 과학적으로 제작하는 기술로, 3차원 공간정보에는 라이다 데이터와 디지털 영상 데이터를 포함하며, 라이자 데이터에서 지형, 수목 및 건물에 대해 분류 후 등고선을 제작한다.라이다 데이터에 의한 정밀 등고선 제작 시 본 기술에서는 지능적으로 데이터를 필터링하는 알고리즘을 통해 설계에 사용할 수 있도록 한다.

① 라이다 데이터의 특성에 따른 분류기술② 점 데이터 사이의 수직·수평간 거리에 의한 지능적 필터링 기술③ 필터링 된 지형 데이터에 의한 정밀 등고선 제작 기술3. 기존 기술과의 비교

① 기존 측량 기술답사 또는 GIS 분석에 의해 선정된 경과지는 <그림 6>과 같은 측량 업무 흐름에 따라 설계가 이루어진다. 선로에 대한 지형 고도와 수목 높이를 직접 조사하고, 붕괴지나 지도와 다른 지형에 대해서 보완 측량을 실시해야 한다. 또한 철탑 형상 및 높이 검토를 위해 종단 설계와 지지물 부지측량을 하고, 송전선의 횡진범위를 종단도에서 검토하여 벌목 범위도를 작성한다. 그리고 철탑위치의 지적경계 측량, 철탑위치 및 선하지의 편입면적 조사와 소유권 조사를 실시한다. 마지막으로 각 작업마다 거리, 고저차, 방향(수평각, 위치), 측정범위 등에 대해서 검측하고 허용오차가 과도할 경우, 재 측량하여 도면 등을 수정해야 한다. 이와 같이 많은 현지 측량 업무는 시간적, 경제적으로 비효율적이며, 작업자의 접근성 한계로 정확한 조사, 검토에 어려움이 발생한다.② 항공 라이다 측량 시스템이 기술은 항공 라이다측량 시스템을 이용하여 선정된 경과지에 대해 기존 기술에서 실시하였던 현지 측량 업무를 모두 포함하여 과학적인 3차원 공간정보로 설계에 최적화된 데이터를 취득· 처리· 가공하는 기술이다. 한 번의 항공 라이다 측량을 통하여 획득된 3차원 공간 정보 데이터와 고 해상도 디지털 영상을 이용하여 각종 설계와 현지 측량을 간소화 할 수 있으며, 수목의 정확한 높이 추출로 인하여 기존 측량의 한계를 극복할 수 있다.4. 신기술의 범위

- 항공 라이다(LiDAR) 측량 시스템을 이용한 송전선로 설계용 등고선 제작 기술현장 적용을 위하여 경기도 가평군 유명산 일대로 산림지와 가옥이 포함되어 있는 약 20km² 면적의 지역을 측량하였다. 획득된 라이다 데이터를 처리하는 과정은 전처리와 후처리로 나뉜다. 전처리는 GPS와 INS 및 레이저(Laser) 데이터의 통합 처리로 3차원 공간 정보를 추출하는 과정을 말한다. 후처리에서는 특성에 따른 지형, 수목, 건물 등의 분류 후 수치표고자료(DEM:Digital Elevation Model)를 제작한다. 수치표고자료를 제작하는 절차는 데이터 검정, 비행설계 및 촬영, 데이터 처리, 검증 및 제작 순으로 이루어진다. 취득된 라이다 데이터는 1m² 당 6 points 내외로 정밀 지형자료 제작에 효과적이며, 수목의 높이 정보도 현지 측량없이 각각 개체목에 대한 높이 값 추출이 가능하다. 따라서 송전선로 설계를 위해서 취득된 라이다 데이터는 지형, 수목, 건물 분류가 선행 되어야 한다.

지형 데이터의 분류 목적은 수치표고자료를 제작하는 것으로, 취득된 데이터의 최대 건물 크기 내에 존재하는 가장 낮은 점들을 초기점(Initial Points)으로 반복처리 각과 거리에 의해 지형 데이터를 분류해 나간다. <그림 13>에서 보는 바와 같이 변수 값이 부여된 것은 항공 라이다 데이터 처리 시, 적용하여 추출한 경험치로, 국내 지형 특성상 최적의 지형 분류를 할 수 있도록 하였다. 지형 데이터가 분류되면 수목 데이터를 지형으로부터의 높이 값에 의해 3가지로 분류한다. 통계적으로 0.25m 이하는 낮은 수목으로 2m이상은 높은 수목으로 구분한다. 이때 특별히 낮은 건물을 제외하고 대부분의 건물(인공구조물)이 높은 수목에 포함된다. 이렇게 분류된 높은 수목 데이터에서 면을 형성하는 포인트를 추출하여 건물 데이터로 분류한다. 건물 데이터를 분류할 때 사용되는 변수는 건물 최소 크기(Minimum size), 건물 지붕의 최대 경사각(Maximum angle), 이웃하는 건물간의 최대 간격(Maximum gap)이다. 불규칙하게 배열된 수목 라이다 데이터에 비해 건물은 시각적으로도 건물의 지붕면이 쉽게 판단된다. 더불어 디지털 영상을 중첩하면 건물을 명확하게 추출할 수 있다.

이 기술로 등고선을 제작하기 위해서는 지반 고에 해당하는 지형 데이터를 적절히 필터링 하는 것은 중요한 문제이다. 고밀도의 라이다 데이터를 그대로 설계에 적용하면 처리시간이 비효율적이며, 사용자가 쉽게 다룰 수가 없다. 따라서 지형의 굴곡에 따라 포인트를 적절히 줄여가는 필터링 기법을 개발하여 적용하였다. 초기의 원시 라이다 데이터를 특성에 따라 각각 분류하면 설계에 적용하기에 편리하다. 또한 설계 프로그램을 위해 여러 가지 포맷으로 변환하기 유용하다. 라이다 데이터는 초보자도 육안으로 봤을 때 판단하기가 쉬워서 파급효과가 클 것으로 기대된다. 등고선을 제작하기 위해서는 포인트 데이터에 의한 TIN 모델을 먼저 구성해야 한다. 신기술의 필터링 기술은 TIN 모델과 근접한 포인트 간의 상하 최대거리를 계산하여 허용치 이내에 들어오는 포인트를 삭제해 가는 반복 루틴에 의해 포인트 양을 감소시킨다. 불규칙한 라이다 포인트 데이터의 필터링 기법으로 과학적이고, 지능적인 프로세스 결과를 얻을 수 있으며, 필터링 적용 횟수에 따라 사용자가 원하는 정밀의 데이터를 설계에 적용할 수 있다.