스마트 건설 리더가 선택한, 스마트 건설 리더를 위한 최고의 건설 드론 데이터 솔루션 엔젤스윙입니다.
과연, 드론측량은 얼마나 정확할까요?
드론으로 실제 측량작업을 대체할 수 있을까요?
이러한 질문들을 그동안 아주 많이 받았습니다. 드론을 얼마나 깊이 이해하고 잘 운용하는 가에 따라 이에 대한 답은 달라질 수 있습니다. 드론 측량으로 나아가기 위한 첫 번째 단계는 드론측량 정확도에 영향을 미치는 대표적인 요인들을 이해하는 것입니다. 엔젤스윙은 그 요인을 크게 8가지로 정리했습니다. 엔젤스윙이 정리한 드론 측량 정확도에 영향을 미치는 8가지 요소를 아래에서 알아보도록 하겠습니다.
1. 지상기준해상도 (Ground Sample Distance, GSD)
드론 측량 정확도에 영향을 미치는 첫 번째 요인은, 정사영상의 지상기준해상도 (Ground Sample Distance, 이하 GSD)입니다. GSD란 정사영상 내 픽셀 중심 사이의 거리를 의미합니다. 즉, 1개의 픽셀이 나타내는 x, y의 실제 지상 거리를 의미한다고 할 수 있습니다. (GSD에 관한 자세한 내용은 지난 포스팅에서 더 자세하게 확인하실 수 있습니다.)
지도를 보며 거리를 측정하고 축척을 고려하여 거리를 계산하듯이, 우리는 정사영상 내 픽셀과 픽셀 사이의 거리를 측정함으로써 실제 거리 또는 면적을 측정할 수 있습니다. 따라서 하나의 픽셀이 나타내는 거리가 짧을수록 더 정밀한 거리와 면적을 계산할 수 있지요.
그렇다면 픽셀 간 거리(GSD)를 좌우하는 요소는 무엇일까요? 대표적으로 고도, 카메라 해상도 등이 이에 영향을 미칩니다. 각각의 요소를 잘 조합한다면 측량 오차를 낮출 수도 있지만, 반대로 각 요소가 제대로 갖춰지지 않을 경우 상당한 측량 오차가 발생할 수 있지요.
주의해야 할 점은, 무작정 낮은 고도로 촬영하는 것이 해답이 되지는 않는다는 것입니다. 촬영고도가 낮으면 낮을수록 픽셀 간 거리는 더 짧아질 수 있지만, 그 정확도가 정비례해서 향상되지 않고, 고도가 낮으면 드론 비행시간이 늘어나게 됩니다. 따라서 이에 소요되는 시간, 비용, 현장의 규모 등을 모두 고려하여 적정한 고도를 선정하는 것이 중요합니다.
2. 드론의 카메라 종류
정확도에 영향을 미치는 두 번째 요인은 바로 카메라의 ‘셔터’입니다. 셔터는 크게 기계식 셔터와 전자식 셔터로 나뉘는데요. 다른 조건이 동일하다면 대부분, 기계식 셔터를 가진 카메라가 더 정확한 측량 값을 가집니다.
그 이유에 대해서 이해하려면 각 셔터 방식의 특징과 그 장단점을 먼저 이해해야 합니다. 먼저 기계식 셔터 방식의 경우, 촬영 전에는 센서가 미러와 셔터막에 가려져 있으며, 촬영 시에만 빛에 노출됩니다. 물리적인 작동에 의해 촬영이 이루어지다 보니 오작동 발생률이 가장 낮으며, 안정적인 촬영이 가능한 방식입니다.
다음으로 전자식 셔터는 물리적인 셔터의 작동 없이 트랜지스터, 콘덴서, 저항 등 전기회로와 전자석을 이용하여 셔터의 개방 시간을 조절하는 방식입니다. 전자식 셔터는 전기 신호를 받아들이는 방식에 따라 글로벌 셔터와 롤링 셔터로 구분되는데요. 드론에 장착되는 카메라는 대부분 높은 화소의 모델입니다. 화소가 높은 카메라는 글로벌 셔터를 적용하기 어려워, 대부분 롤링 셔터 방식을 사용하고 있습니다.
롤링 셔터란, 센서가 전기신호를 위에서 아래로 순차적으로 받아들여 촬영이 이루어지는 방식입니다. 그리고 이 원리 때문에 여러가지 문제가 발생하는데요. 그 중에서도 측량 정확도와 연계되는 문제점은 바로 ‘젤로현상’입니다.
젤로현상이란, 고속으로 움직이는 물체를 촬영할 때 피사체가 왜곡되는 현상인데요. 이는 롤링 셔터의 작동원리에 의해 필연적으로 발생하는 현상입니다. 전기신호를 위에서 아래로 순차적으로 받아들이다 보니, 움직이는 물체를 촬영하는 경우이거나 카메라가 이동 중인 경우에는 사진에 왜곡이 발생하게 되는 것이지요.
롤링 셔터가 적용된 Mavic 2 Pro 등을 사용하여 매핑을 진행할 경우, 기체를 강제로 정지시킨 후 촬영하는 옵션(Hover&Capture)을 두어 왜곡을 줄일 수 있으나, 기계식 셔터 수준으로 정확도를 향상시키는 어렵습니다. 따라서 드론 측량의 정확도를 높이고 싶다면, 기계식 셔터 방식의 카메라가 탑재된 드론을 구매하는 것이 좋습니다.
3. 그림자
우리는 눈으로 받아들이는 다양한 정보로 사물과의 거리, 사물의 깊이, 크기 등에 대한 정보를 얻습니다. 하지만 때때로 우리 눈을 교란시키는 ‘착시현상’이 발생해 정확한 정보를 파악하기 어려운 상황이 발생하곤 합니다.
드론측량에도 이 원리가 적용됩니다. 우리가 드론측량이라 부르는 것은 더 정확하게는 사진측량이라고 할 수 있는데요. 드론에 장착된 카메라로 사진을 촬영하고, 사진에 담기는 정보를 기반으로 데이터를 처리하기 때문에 정보가 가려져 있거나 명확하게 식별이 불가능하다면 오차가 발생하게 됩니다.
드론의 ‘눈’을 속이는 가장 대표적인 요소가 바로 그림자입니다. 현장에 그늘이 많이 져 있다면 그림자에서 오차가 발생할 확률이 높아지는 것이지요. 따라서 그림자의 영향을 최소화해 측량의 정확도를 높이고 싶다면, 오전 11시~오후 2시 사이(그림자가 최소화되는 시간)에 촬영하는 것이 좋습니다.
4. 물, 반사되는 표면, 눈
앞서 드론 측량 기술은 사진측량의 원리에 근거한다고 설명해 드렸는데요. 사진측량 기술은 중복도를 70~80% 수준으로 두고 촬영한 여러 장의 사진을 통해 ‘특징점’을 추출해 대상을 3차원으로 재건하는 기술입니다.
따라서 물과 눈, 빛이 반사되는 표면들을 매핑하게 되면 특징점을 추출하기가 어려워 해당 부분에 큰 오차가 발생할 수 있습니다.
5. 수목 및 식생
사진측량 기술은 ‘눈’으로 보이지 않는, 즉 사진에 담기지 않는 땅을 생성할 수 없습니다. 따라서 수목과 식생이 많은 지역은 그 아래의 지표면을 식별하기가 어려워 지형의 오차가 커질 수 밖에 없습니다.
이는 ‘시각적인 정보’에 기반하는 사진 측량의 한계라고 할 수 있습니다. 수목과 식생이 많은 지역을 정밀하게 측량하고 싶다면 라이다 측량을 진행하거나, 벌목작업 후 드론측량을 진행하는 등의 방법으로 문제를 해결할 수 있습니다.
6. GCP(지상기준점) 의 개수와 위치
GCP의 개수와 위치는 정확도에 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 요소입니다. 잘 놓은 GCP는 정밀하고 정확한 결과물을 생성하는 데 기여하는데요. GCP는 1km2를 기준으로 2~300m 간격으로 총 10점 이상을 내리는 것이 보통이며, 대상지의 면적과 주변 환경, 측량 목적 등에 따라 그 개수가 달라질 수 있습니다.
7. 드론에 장착된 GPS
드론에 장착된 GPS는 드론이 비행플랜에 따라 현장을 촬영하는 동안, 사진에 위치정보를 기록하는 역할을 담당합니다. 이러한 프로세스를 지오태깅(Geo-tagging)이라고 부르는데요. GPS가 더 정확한 정보를 수집할수록 지상기준점(GCP)을 많이 설치하지 않고도 높은 정확도를 유지할 수 있습니다.
따라서 촬영 시 실시간으로 위치정보를 보정하는 RTK GPS가 장착된 드론을 사용한다면, 더 빠르고 쉽게 정밀한 측량 데이터를 취득할 수 있습니다.
8. 사진 측량학 엔진 및 사진 측량학 전문 엔지니어
앞서 언급한 조건들을 고려했다면, 마지막으로 고려되어야 하는 것이 바로 ‘어떤 엔진을 활용하여 어떻게 데이터를 처리하는 가’입니다.
모든 조건이 충족되더라도, 처리 엔진의 성능이 좋지 않다면 좋은 결과물을 기대하기는 어렵겠지요. 따라서 안정적으로 높은 수준의 결과물을 산출해내는 엔진을 사용하는 것이 드론 측량의 정확도를 높이는 마지막 관문이라고 할 수 있습니다.
다만 이러한 엔진 기반의 소프트웨어들은 전문적인 지식을 요구하는 경우가 많아, 담당자가 사진측량 지식과 데이터 처리 및 활용에 필요한 지식을 잘 갖추고 있어야 정확도 높은 데이터를 생성하고 활용할 수 있습니다.
전문 지식을 갖추기 어려운 경우, 자동 데이터 처리를 지원하는 소프트웨어를 활용하여 엔지니어 의존도를 낮추고, 보다 안정적으로 정확도 높은 데이터를 취득할 수 있습니다.
여기까지 드론 측량 정확도에 영향을 미치는 요소를 살펴보았는데요. 드론측량의 정확도에 대한 궁금증을 해소하는 데 도움이 되셨나요? 각 요소에 대한 명확한 이해를 기반으로 드론을 운용한다면, 드론측량이 더욱 빠르게 국내에 정착하고, 그 성과를 인정받을 수 있을 것입니다.
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