수심측량 라이다

왜 배우는가: 수심측량 라이다(LiDAR)는 연안과 하천, 항만의 수저 지형을 육상 지형과 함께 연속으로 얻을 수 있어 해도 제작과 준설, 연안 관리의 기초 자료를 만든다. 선박 측량이 어려운 천해 구역을 항공으로 조사하는 수단이므로 현장 적용 방안을 묻는 문제가 많다. 시험에서는 원리와 파장 선택, 적용 한계를 함께 묻는 형태로 자주 출제된다.

출제 이력: 제131회 1교시 3번, 제123회 1교시 12번, 제102회 1교시 4번, 제101회 3교시 5번, 제98회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

수심측량 라이다는 물을 투과하는 녹색 레이저 펄스를 항공기에서 쏘아, 수면과 수저에서 되돌아오는 신호의 시간 차로 수심을 구하는 항공 원격탐사 기법이다.

수심측량 라이다는 육상 지형을 측량하는 항공 라이다와 같이 레이저의 왕복 시간으로 거리를 재지만, 수저까지 도달해야 하므로 파장과 신호 처리 방식이 다르다. 육상 라이다는 주로 적외선을 쓰는 반면, 수심측량 라이다는 물속에서 잘 투과하는 녹색 파장을 함께 쓰고 두 신호를 동시에 처리한다. 그 결과 육상 지형과 수저 지형을 한 번의 비행으로 함께 얻을 수 있다. 이 구조를 이해하면 시험에서 묻는 원리와 적용 한계를 하나의 흐름으로 설명할 수 있다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 수심측량 라이다: 항공기나 드론에 탑재하여 수심과 육상 지형을 함께 측정하는 장비이자 기법이다.
• 녹색 레이저: 물에 대한 투과성이 높아 수저까지 도달하는 신호를 만드는 레이저이다.
• 수면 반사 신호: 레이저가 수면에서 먼저 되돌아오는 신호이며, 항공기 고도와 수면 위치의 기준이 된다.
• 수저 반사 신호: 물을 통과해 수저에서 되돌아오는 신호이며, 수심 계산의 대상이 된다.
• 투명도: 빛이 물속을 통과하는 능력을 나타내는 값으로, 측정 가능 수심을 좌우한다.
• 탁도: 부유물이 빛을 산란시키는 정도이며, 탁도가 높을수록 측정 가능 수심이 얕아진다.
• 굴절 보정: 물의 굴절률 때문에 생기는 수심 계산 오차를 바로잡는 절차이다.

2. 개념 풀이

수심측량 라이다는 항공기에서 발사한 레이저 펄스가 수면과 수저에서 각각 반사되어 돌아오는 시간 차를 이용해 수심을 구하는 측량 방법이다. 육상 항공 라이다가 지표면과 수목에서 반사된 신호로 지형을 얻는 것과 달리, 이 기술은 같은 펄스의 일부가 수면을 통과하여 수저에 닿는 신호를 함께 기록한다. 따라서 답안에서는 수면 반사와 수저 반사를 구분하여 설명하는 것이 핵심이다.

원리는 빛이 물속에서 진공보다 느리게 진행한다는 점에 있다. 빛의 속도는 물속에서 진공 광속의 1/n배로 줄어들므로, 시간 차에 진공 광속을 그대로 곱하면 실제 수심보다 크게 나온다. 이 때문에 굴절률로 나누는 보정이 필요하며, 기본식은 다음과 같다.

$d = c(t_b - t_s) ÷ (2n)$

여기서 d는 수심(m), t_b는 수저 반사 신호의 도달 시각(s), t_s는 수면 반사 신호의 도달 시각(s), c는 진공 중 빛의 속도로 약 3×10⁸m/s, n은 물의 굴절률로 약 1.33이다. 레이저 신호는 수면과 수저를 한 번씩 왕복하므로 분모에 2가 들어간다.

수심은 수면 반사와 수저 반사의 시간 차에 굴절률 보정을 적용하여 구한다.

굴절 보정은 레이저가 수면에서 꺾여 물속으로 들어가면 비스듬히 진행한 경로가 수직 깊이보다 길어지는 문제를 바로잡는 절차이다. 직하 방향 펄스는 굴절이 거의 없지만, 주사각이 커질수록 굴절 효과가 커지므로 주사각별로 보정해야 정확한 수심을 얻는다. 보정을 빠뜨리면 경로 길이를 수심으로 잘못 취급하여 수심이 과대 계산된다.

투명도와 탁도는 측정 가능 수심을 결정하는 수질 조건이다. 투명도는 빛이 물속을 통과하는 능력이고 탁도는 부유물이 빛을 흩뜨리는 정도이다. 맑은 연안 해수에서는 맑은 해수 약 7m까지 수저 신호를 얻을 수 있으나, 탁도가 높은 물에서는 탁한 물 약 3m 수준으로 줄어든다. 수저 반사 신호의 강도는 물의 흡수와 산란에 따라 깊이가 커질수록 지수적으로 감소하므로, 이 감쇠가 측정 가능 수심의 상한을 정한다.

파장 선택은 수저 신호를 얻기 위해 녹색 레이저를 쓰는 근거이다. 물은 녹색과 청색 빛을 가장 잘 투과하므로 532nm 녹색 레이저를 쓰고, 육상 신호는 별도의 적외선 레이저로 얻는다. 두 파장을 함께 쓰는 구조에서 육상과 수저 지형을 동시에 얻으며, 수저 신호는 수면 신호보다 약하고 늦게 도달하므로 파형 분석으로 두 신호를 분리하는 처리가 필요하다.

수심측량 라이다는 연안 해역에서 0~10m 수심 범위의 조사에 가장 유용하다. 수면 반사 신호와 수저 신호가 시간상 가까운 얕은 구간은 두 신호를 구분하기 어려워 측정 정밀도가 떨어진다. 따라서 수심이 얕은 구간과 깊은 구간의 측량 목적을 구분하여 장비와 비행 조건을 정하는 것이 필요하다.