Management of Construction Fields Information Using Low Altitude Close-range Aerial Images

저고도 근접 항공영상을 이용한 현장정보관리

Abstract

Compare to other industrial sites, the civil construction work not only takes longer time but also has made of complicated processes, such as the integrated management, process control, and quality control until the completion. However, it is hard to take control the construction sites, since numerous issues are always emerged. The study purposes on providing the dataset to synthetically manage and monitor the civil construction site, main design, drawings, process, construction cost, and others at real-time by using the low altitude close-range aerial images, based on UAV, and the GPS surveying method for treating the three-dimensional spatial information quickly and accurately. As a result, we could provide the latest information for the quick decision-making following from planning to completion of the construction, and objective site evaluation by the high-resolution three-dimensional spatial information and drawings. Also, the present map, longitudinal map, and cross sectional view are developed to provide various datasets rapidly, such as earthwork volume table, specifications, and transition of ground level.

다른 산업현장에 비해 토목 시공현장은 작업 공정이 길고 복잡하여 준공시까지 종합관리 및 공정관리, 품질관리가 어렵고 많은 문제점이 발생하고 있다. 본 연구는 토목 시공현장의 상황을 종합적으로 관리하고 현장정보를 상시 모니터링하기 위하여 무인항공사진측량, GPS측량 등을 활용하여 3차원 공간정보를 신속, 정확하게 처리하고, 주요설계, 시공도면 및 공정, 공사비 등을 언제, 어디서든 관리 및 분석하며 시공현장을 종합적으로 관리, 파악할 수 있는 자료를 제공하는데 목적이 있다. 토목 시공현장의 계획에서 준공까지 공정관리, 공사진행 확인 등 빠른 의사결정을 위한 최신의 정보를 제공할 수 있고, 고해상도 3차원 공간정보와 설계도면을 중첩하여 객관적으로 현장상황을 판단할 수 있으며, 현황도, 종 횡단면도를 제작하여 토적표, 내역서, 지반고 변화 등 각종 자료를 신속하게 제공하였다.

1. 서 론

토목시공 현장에서는 공사과정동안 예상하지 못한 다양한 문제점들이 발생하며 이를 해결하는 과정을 거치며 진행된다. 토목시공에서 현장관리 및 의사결정은 설계, 계획에서 준공까지 공정관리, 품질유지 등을 위하여 매우 중요하며 신속한 의사결정과 정확한 현장 정보가 제공되어야 한다.

따라서, 최근 BIM(Building Information Modeling) 및 3D GIS 기법 등을 이용하여 토목 시공현장을 종합적으로 관리하고 모니터링하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이와 같은 공간정보시스템을 구축하기 위하여 시시각각 변하는 시공현장의 3차원 공간정보를 쉽고 빠르게 취득, 가공하여 현장관리에 활용할 수 있는 방법이 필요하다.

최근 국내외에서 무인항공기를 이용한 저고도 근접 항공사진을 이용하여 고해상도 공간정보를 취득하는 연구가 진행되고 있다. Wang et al.(2004)는 무인항공기로 취득한 단영상에서 형상 및 속성정보를 추출하여 3차원 도시정보와 변화된 건축물의 복원방법을 연구하였고, Lin(2008)은 무인비행선에 4개의 디지털카메라를 탑재하여 영상을 취득하고 대축척 수치지도를 제작하는 기법을 제시하였다. Masahiko et al.(2008)는 CCD 카메라, 소형 레이저스캐너, GPS, IMU를 탑재한 무인항공기를 이용하여 재난, 환경관리에 필요한 3차원 지형정보를 취득하는 연구를 수행하였다. 국내에서는 Choi et al.(2011)는 근접 항공사진측량에 의해 실시간으로 공중 모니터링하는 시스템을 구축하였으며, Cho et al.(2014)는 무인항공사진측량기법을 이용하여 고해상도 공간정보를 신속, 정확하게 취득하는 기법에 관하여 연구를 수행하였다.

본 연구는 선행 연구(Cho et al., 2014)에서 취득된 고해상도 공간정보를 토목 시공분야에 활용하는 연구로 수행되었으며, 무인항공기를 이용하여 취득된 저고도 근접항공사진을 이용하여 시공현장의 착공부터 준공까지 고해상도 3차원 공간정보를 기간별로 총 4회 제작하고, 현장관리에 필수 자료인 시기별 등고선도, 종단면도, 횡단면도, 지점별 지반고 변화, 토적표, 성토 공사진행율, 절토 공사진행율, 공비투입율 등을 산출함으로써 시공현장 관리와 의사결정을 지원할 수 있는 방안을 제시하는데 목적이 있다.

 

2. 무인항공 사진측량

무인항공기는 디지털 카메라, 멀티 스펙트럴 카메라 등의 관측센서와 GPS, IMU, FCC(Flight Control Computer), 통신장비 등을 탑재하고 있어 자동, 수동 방식으로 비행이 가능한 비행체를 통칭한다. 무인항공사진촬영시스템은 UAV(Unmanned Aircraft Vehicle) 또는 UVS(Unmanned Vehicle Systems)로 구성되며 무인항공 비행체를 UAV로 비행체와 지상통제소, 원격영상수신기 등을 모두 통합하여 UVS라 한다.

1950년대 말부터 군사 분야에서 정찰용으로 개발되어 회전익 및 고정익 항공기, 비행선 등 다양한 플랫폼으로 연구가 이루어졌으며, 군사 분야뿐만 아니라 방송, 통신, 감시, 조사, 지형관측, 원격탐측, 환경, 지형 모니터링, 수치지형도 갱신 등 많은 분야에서 연구가 진행되고 있다(Fonstad et al., 2013; Harwin et al., 2012; Lee et al., 2013; Turner et al., 2012).

최근 GPS, IMU의 소형화, 정밀화와 고해상도 디지털 카메라의 개발에 따라 무인항공 사진측량의 활용분야는 크게 증가하고 있다. 기존의 유인 항공기로 임무를 수행하기 어려운 협곡, 빙벽, 고압선 및 저고도 항공사진이 요구되는 분야에서 안정성, 신속성, 경제성을 고려한 무인 항공사진 촬영시스템의 도입이 활발히 이루어지고 있다.

무인항공기는 저고도에서 비행하며 근접 항공영상의 취득이 가능하므로 기존 유인 항공영상, 인공위성 영상 등 기존 방식보다 고해상도의 영상을 손쉽게 취득할 수 있다. 또한, 항공영상 취득을 위한 준비시간이 비교적 짧기 때문에 실시간 모니터링이 가능하며, 중소규모의 항공영상 촬영에 경제성을 확보하고 있다(Jung et al., 2010).

 

3. 3차원 공간정보 구축

3.1 연구대상지역

연구 대상지역은 충청북도 청원군 가마리에 위치한 청원 가마지구 도시개발사업 조성공사 현장으로 지형은 완만한 구릉지로 이루어져 있다. 대상지역의 면적은 700m × 400m이며, 위치도는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1.Study area

청원 가마지구 도시개발사업 조성공사는 2013년 3월 시공측량이 수행되었고, 5월부터 토공사가 시작되어 2014년 12월까지 예정되어 있으며, 연구기간동안 대상지역의 지형, 지물의 변화가 발생되는 지역으로 제안된 시공현장 관리에 적합한 지역으로 판단되어 선정하였다.

대상지역의 저고도 근접 항공영상은 멀티콥터형 무인항공기와 캐논 5D MarkII를 이용하여 2013년 7월 6일, 2013년 10월 19일, 2013년 12월 7일, 2014년 6월 28일 총 4차례 촬영을 실시하였다. 취득된 항공영상을 이용하여 대상지역의 시기별 3차원 공간정보와 현황측량자료 및 현장관리를 위한 각종 자료를 제작하였다. 대상지역에 설치한 25점의 기준점 중 21점을 검사점으로 선정하여 무인항공 사진측량기법의 정확도를 분석하여 제시하였다.

3.2 대공표지 및 기준점 측량

대상지역의 3차원 공간정보를 구축하기 위해서는 지상기준점이 필요하므로, Fig. 2와 같이 기준점 측량후 현장에 대공표지를 설치하고 무인항공기를 이용하여 항공사진 촬영을 실시하였다.

Fig. 2.Control points surveying

기준점 측량은 사진측량기법으로 취득된 항공영상을 처리할 때 절대표정과 데이터 처리결과 정확도를 비교하기 위하여 실시하였다(Cho et al., 2014). 기준점 측량은 Network GPS 기법을 이용하여 표정에 필요한 4점과 정확도 분석을 위한 검사점 21점에 대해 총 4회 실시하였다. 4차 측량시 기준점 측량위치는 Fig. 3과 같으며 표정시 이용한 4점의 기준점은 공사진행에 따른 지형변화가 없는 현장인근 도로에 설치하였고 좌표는 Table 1과 같다. 대상지역 내부는 토공사에 따라 기준점 위치가 보존되기 어려운 환경이기 때문에 총 4회에 걸쳐 현장설치후 관측하여 각각 검사점으로 사용하였다.

Fig. 3.Position of control points(4th)

Table 1.Result of control points surveying

3.3 저고도 항공영상 취득

본 연구에서 항공영상 취득에 이용한 무인항공기는 경로설정에 따른 자율비행이 가능하고 DSLR 방식의 카메라를 진동방지를 위한 짐벌에 장착하여 안정적으로 촬영할 수 있는 회전익 멀티콥터를 이용하였다. 항공영상 촬영은 Canon 5D MarkII와 Canon EF 24mm 렌즈를 이용하였으며, 카메라 검정을 통해 산출된 내부표정요소를 자료처리에 이용하였다.

대상지역의 넓이와 체공시간, 종중복도, 횡중복도, 촬영고도, 영상 해상도 등을 고려하여 촬영계획을 수립하고 Ground Station에서 촬영경로를 설정하여 자율비행 방식으로 항공영상을 촬영하였다. 촬영시 카메라의 기울기와 흔들림을 줄이기 위하여 비행속도는 7~8km/hr로 하였으며 대상지역 전체를 총 3회 비행에 의해 촬영하였다.

항공영상은 평균고도 100m로 종중복도 70％, 횡중복도 40％ 이상 확보되도록 하였으며, 1차 촬영시(2013. 7. 6) 285매, 2차 촬영시(2013. 10. 19) 255매, 3차 촬영시(2013. 12. 7) 217매, 4차 촬영시(2014. 6. 28) 209매를 촬영하였다.

3.4 고해상도 공간정보 제작

촬영된 항공영상은 카메라 내부표정요소와 무인항공기에 설치된 GPS에서 취득된 촬영위치의 근사값을 초기값으로 표정을 실시하였다. 중복사진에서 특징점을 추출하고 스테레오 매칭에 의해 초기 포인트 클라우드 데이터(point cloud data)를 추출하였다. 또한, 절대표정을 위하여 기준점 측량 성과중 4개의 기준점 좌표값을 이용하여 광속조정을 실시하였다. 광속조정결과 대상지역의 3차원 포인트 클라우드 데이터의 점밀도는 총 평균 50points/㎡로 매우 조밀한 데이터가 취득되었다.

3차원 포인트 클라우드 데이터를 이용하여 Fig. 4와 같이 시기별 수치정사영상 및 수치표면모형(DSM)을 제작하여 시공현장 관리를 위한 자료 산출에 이용하였다.

Fig. 4.Orthoimage and DSM

3.5 정확도 분석

본 연구에서 공간정보 제작에 따른 정확도를 분석하기 위하여 21점의 검사점을 이용하여 현장에서 실시한 기준점측량결과와 사진측량기법에 의해 취득된 3차원 좌표를 비교하였다.

비교결과 21개 검사점에 대한 편차는 Table 2와 같이 나타났으며, Fig. 5와 같이 1~4차 측정결과 평균 X 방향으로 2.49cm, Y 방향으로 2.65cm, Z 방향으로 5.19cm의 오차가 발생하였다.

Table 2.Coordinates differences by photogrammetry method and GPS

Fig. 5.Accuracy of check points

 

4. 시공현장 정보 구축

대상지역에 대한 4차례에 걸쳐 취득된 저고도 근접 항공영상을 이용하여 제작된 수치표면모형, 수치정사영상을 이용하여 현장관리 업무분석을 통해 필수 자료로 선정된 등고선도, 종단면도, 횡단면도, 토적표, 공사 진행율(성토), 공사 진행율(절토), 공사비 투입내역 등의 자료를 구축하였다. 구축된 자료형식은 레스터 자료는 Geo-TIFF, 벡터 자료는 Shape, DXF 형식으로 하여 시공현장관리를 위한 공간정보시스템에서 활용할 수 있도록 하였다.

4.1 등고선

대상지역의 등고선도는 무인항공 사진측량기법에 의해 취득된 1~4차 측정결과인 포인트 클라우드 데이터를 이용하여 수치표고모형을 제작하고 50cm 간격으로 등고선도를 제작하였다.

등고선도 및 수치정사영상 중첩도는 Fig. 6과 같다.

Fig. 6.Contour map and overlay orthoimage

4.2 단면도

초기 현장 측정결과를 이용하여 Fig. 7과 같이 계획평면도를 작성하고 수치표고모형을 이용하여 종·횡단면도를 Fig. 8~11과 같이 제작하였다.

Fig. 7.Profile plan map

Fig. 8.Longitudinal profile map(result of 1st~4th)

Fig. 9.Drawing of cross section

Fig. 10.Cross sectional detail view(A point)

Fig. 11.Cross sectional detail view(B point)

4.3 지반고 분석

횡단면도에 대하여 특정 지점에 대한 지반고의 변화를 세부적으로 분석하기 위하여 상세 단면도는 제작하였으며 No. 6 단면의 지점 A, B에 대한 지반고 변화량은 Table 3과 같이 산출하였다. 지점 A의 경우 초기 지반고는 66.00m이고, 설계고는 62.72m로 1차 측정시 65.60m, 2차 측정시 64.47m, 3차 측정시 63.87m, 4차 측정시 63.27m로 토공사 진행상황을 지반고를 통해 쉽게 파악할 수 있다.

Table 3.Point of ground level transition(No. 6)

4.4 토적표

종·횡단면도를 이용하여 현장의 토량현황을 분석하기 위한 토적표를 작성하였다. 계획고, 1~4차 측정에 따른 토적표(절토) 및 토적표(성토)는 Table 4, Table 5와 같다. 토적표를 통해 계획고에 따른 절성토 면적 및 토량과 1차~4차 측정결과에 따른 절성토 면적 및 토량을 산출함으로써 정확한 공정율 분석이 가능하다.

Table 4.Table of earthwork(C.A)

Table 5.Table of earthwork(B.A)

4.5 공정율 분석

토적표를 이용하여 계획대비 공정율을 분석하였으며 절토에 따른 공정율은 Table 6, Fig. 12와 같이 산출되었다. 분석을 통해 절토의 경우 계획대비 진행율은 1, 2차 측정시기에는 계획공정율에 미치지 못한 28.0％, 20.9％를 보이고 있으나 3차 측정시기 이후에는 125.6％, 93.8％를 나타내고 있어 공사진행이 원활하게 진행되고 있음을 알 수 있다.

Table 6.Progress against plan(C.A)

Fig. 12.Ratio of plan preparation process (cutting the ground)

또한, 토적표를 이용하여 계획대비 성토 공정율을 분석하였으며 Table 7, Fig. 13과 같이 산출되었다. 성토 공정율 분석을 통해 계획대비 진행율은 1~4차 측정시기 모두 계획공정율과 큰 차이를 보이고 있지 않으며 이를 통해 성토 공정이 원활하게 이루어지고 있음을 알 수 있다.

Table 7.Progress against plan(B.A)

Fig. 13.Ratio of plan preparation process (banking the ground)

4.6 토공 내역서 산출

토적표를 이용하여 토공 내역서를 산출하였다. 내역서는 잡비 등을 제외한 노무비, 재료비, 경비 의 합계인 순공사비로 산출하였으며, Table 8과 같이 제시하였다.

Table 8.Earthwork calculation statement(D.P : Dump truck, B.H : Backhoe)

4.7 공정율(공사비) 분석

시기별 계획 공사비와 투입 공사비를 파악하기 위하여 공사비 내역을 기초로 Table 9, Fig. 14와 같이 계획대비 공정율(공사비)을 산출하였다. 공사비 투입현황을 기초로 공정율을 분석한 결과 1차~3차 시기에는 계획대비 공정율이 125.3％, 112.3％, 107.2％로 계획에 비해 다소 많은 공사비가 투입되었으나 4차 시기에는 95.7％의 공사비가 투입되었음을 알 수 있으며 그래프를 통해 계획 공정율과 시기별 진행율을 쉽게 파악할 수 있도록 하였다.

Table 9.Progress analysis(construction expenses)

Fig. 14.Ratio of plan preparation process (construction expenses)

 

5. 결 론

본 연구에서는 객관적이며 효율적인 시공 현장관리, 신속한 현장 모니터링 및 의사결정 지원 등을 위하여 저고도 근접 항공영상을 이용하여 제작된 고해상도 공간정보를 시공현장관리에 적용한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

첫째, 공사 시작부터 준공까지 대상지역의 저고도 근접 항공영상을 총 4회 취득하였으며 항공영상과 GPS 기준점 측량 성과를 이용하여 자료를 처리한 결과 포인트 클라우드 데이터의 점밀도는 평균 50points/㎡로 매우 조밀한 3차원 데이터를 취득하였다.

둘째, 포인트 클라우드 데이터와 항공영상을 이용하여 고해상도 수치표고모형과 수치정사영상을 제작함으로써 공정관리, 품질유지, 현장상황 파악 등 다양한 분야에 빠른 의사결정을 위한 최신의 공간정보를 제공할 수 있었다.

셋째, 설계도면 및 3차원 공간정보를 이용하여 현황도, 종단면도, 횡단면도를 제작하고, 지반고 변화, 토적표, 내역서 등 현장관리에 필요한 정량적 자료를 신속하게 구축하여 제공할 수 있었으며, 공정율 분석을 통해 시공현장의 계획 공정율과 시기별 진행율을 쉽게 파악할 수 있었다.