드론 수치지도 제작

왜 배우는가: 드론 수치지도는 공간정보 제작 실무에서 촬영 비용과 갱신 속도를 줄이는 방식으로 쓰이고 있다. 시험에서는 촬영부터 수치지도 편집까지의 공정과 적용 방안을 설명하는 형태로 출제된다.

출제 이력: 제131회 2교시 3번, 제114회 4교시 1번, 제98회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

드론 수치지도 제작은 무인항공기 영상을 사진측량으로 처리해 좌표를 가진 디지털 지도 데이터를 만드는 공정이다.

드론 수치지도는 무인항공기(UAV)에 탑재한 디지털 카메라로 대상 지역을 중복되게 촬영하고, 그 영상에서 지형지물의 위치와 형상을 측정하여 수치지도 데이터베이스로 구축한 결과물이다. 종이 지도의 도형을 그대로 옮기는 것이 아니라 수치값으로 저장된 공간 자료를 만든다는 점이 핵심이다. 이 절에서 쓰는 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 무인항공기(UAV): 사람이 탑승하지 않고 원격 조종 또는 자동 비행으로 운용하는 항공 플랫폼이다.
• 사진측량: 사진에 기록된 상의 위치 관계로부터 좌표, 거리, 면적 등을 구하는 측량 기법이다.
• 중복촬영: 인접한 사진끼리 일정 비율로 겹치도록 촬영하여 입체 모형을 얻는 촬영 방식이다.
• 표정: 사진과 지상 좌표계의 관계를 맞추어 입체 모형을 복원하는 과정이다.
• 항공삼각측량: 소수의 기준점으로 많은 사진의 위치와 자세를 한꺼번에 구하는 과정이다.
• 정사영상: 기복변위를 제거하여 지도 투영법에 맞춘 영상이다.
• 수치표고모형(DEM): 지표의 고도를 격자 값으로 나타낸 모형이다.
• 수치지도: 좌표와 속성을 디지털 형식으로 저장한 지도 데이터이다.

2. 개념 풀이

드론 수치지도 제작의 정식 정의는 무인항공기에 장착한 카메라로 중복 촬영한 영상을 사진측량 원리로 처리하여, 지형지물의 위치와 형상을 좌표로 결정하고 그 결과를 수치지도 데이터로 편집하는 일련의 작업이다. 여기서 사진측량은 대상물에서 반사된 빛이 렌즈를 통해 기록된 영상을 기하학적으로 해석하여 정량적 정보를 얻는 측량 기술이다.

원리는 같은 지점이 서로 다른 위치에서 찍힌 두 장 이상의 사진에 나타나는 시차에 있다. 시차를 이용하면 입체 모형이 만들어지고, 이 모형을 기준점 좌표계에 맞추면 지형지물의 3차원 좌표를 얻는다. 사진측량의 입체 좌표는 중복 사진의 시차에서 얻는다.

드론은 저고도에서 촬영하므로 지상표본거리(GSD)가 작아져 지형 묘사가 정밀하다. 지상표본거리는 영상의 한 화소가 지상에서 차지하는 크기이다. 한편 기체가 가볍고 이륙 장소가 좁아도 되므로 소규모 지역을 짧은 시간에 반복 촬영할 수 있다. 다만 기체 흔들림과 바람의 영향을 받으므로 촬영 계획 단계에서 비행 고도, 속도, 중복도를 함께 정해야 한다.

드론 영상은 촬영 순간의 카메라 위치와 자세를 GNSS와 관성측정장치(IMU)로 함께 기록한다. 이 값은 외부표정요소의 초기값으로 쓰이며, 이를 정밀하게 맞추는 과정이 항공삼각측량과 광속조정법이다. 정확도는 기준점의 수와 배치, 영상의 질, 중복도에 따라 달라진다. 기준점을 지형 전체에 고르게 배치하면 조정 결과가 안정되어 절대표정 오차가 줄어든다.

중복도는 인접 사진이 겹치는 비율이다. 진행 방향으로 겹치는 비율을 종중복도, 인접 촬영 경로 사이로 겹치는 비율을 횡중복도라 한다. 일반 항공사진측량에서 표준으로 쓰이는 값은 종중복 60%, 횡중복 30%이며, 드론 작업에서는 바람과 기체 자세 변화를 고려해 이보다 높게 잡는 경우가 많다. 중복도가 낮으면 입체 모형이 끊기고 자동 정합이 실패하는 지점이 늘어난다.

내부표정은 사진 좌표를 카메라의 초점거리와 주점 위치 같은 내부 기하에 맞추는 과정이다. 렌즈 왜곡을 보정하는 작업도 이 단계에 포함된다.

상호표정은 두 사진의 상대 위치와 자세를 맞추어 입체 모형을 만드는 과정이다. 상호표정이 끝나야 모형 안의 상대 좌표가 정해진다.

절대표정은 입체 모형을 기준점의 실제 좌표계에 맞추어 축척, 위치, 회전을 정하는 과정이다. 기준점 좌표는 좌표계와 기준 시점이 함께 정해진 값을 사용한다.

3. 등장 배경과 필요성

사진측량은 1839년 사진술이 발명된 이후 지도 제작에 쓰이기 시작한 측량 기법이다. 사진측량은 기계식, 해석식, 수치사진측량 순서로 발달하였다. 수치사진측량 단계에서는 디지털 영상을 컴퓨터로 직접 처리하므로 대량의 영상을 자동으로 처리할 수 있게 되었고, 이것이 드론 영상 처리의 기반이 되었다.

오늘날 지형도 작성의 대부분은 사진측량에 의존한다. 대축척 지형도는 항공사진을 이용하여 제작되는 경우가 많고, 항공사진측량은 촬영 장비를 공중에 띄우는 방식으로 넓은 지역을 한 번에 기록한다.

전통적인 항공사진측량은 유인항공기를 띄워 촬영하므로 비행 준비와 운용 비용이 크고, 촬영 시기를 원하는 대로 정하기 어렵다. 소규모 지역이나 접근이 어려운 산지, 해안, 재난 현장은 촬영 기회가 제한되어 자료를 제때 얻기 어렵다. 무인항공기는 이륙 장소가 좁아도 되고 저고도 비행이 가능하여 이러한 한계를 보완한다. 그 결과 촬영 주기를 짧게 가져갈 수 있다.