재난안전 관리를 위한 커뮤니티매핑과 드론매핑의 연계방안 연구

A Study on System Integration between Community Mapping and Drone Mapping for Disaster Safety Management

Abstract

재난관리에서 담당 공무원(관리자)이 모든 피해 현장을 조사하고 복구 계획을 수립하기에는 인력과 비용 측면에서 한계점이 있다. 이를 극복하기 위해 다수의 지역민이 참여하는 커뮤니티매핑(community mapping) 과정에서 등록되는 현장 정보들을 통하여 효율적인 재난관리 의사결정에 활용할 수 있다. 하지만 여러 피해지역에서 검증되지 않은 다수의 정보가 등록되면 오히려 복구 우선순위 결정 등에 걸림돌이 되기도 한다. 또한 커뮤니티매핑 정보는 사용자가 업로드한 사진이나 사전 분류된 내용 또는 콘텐츠만 업로드할 수 있어 관리자가 현장 상황을 명확히 파악하기 어려운 문제점이 있으므로 이를 개선할 여지가 있다. 따라서 본 연구에서는 커뮤니티매핑에 등록되는 정보와 드론으로 촬영한 3D매핑 정보를 연계하여 재난관리 의사결정을 지원하기 위한 방안을 제시하였다. 이를 통하여 관리자가 피해 상황을 종합적으로 판단할 수 있어 피해복구에 대한 계획수립 시 최종 결정권자의 의사결정을 지원할 수 있을 뿐만 아니라 피해복구 단계에서 시간, 인력, 비용의 절감이 가능할 것으로 기대한다.

There are limitations to the manager's investigation of all damage sites and establishment of management plan in terms of manpower and cost. Community mapping can be used to overcome these problems with the information. However, it is difficult to make decisions when multiple information are registered in multiple areas of damage. Because community mapping information are registered only with pictures and simple contents, it is so difficult for the manager to clearly understand the site situation. This study suggests a methodology to support decision-making processes during disaster management through system integration between the community mapping and the drone mapping. By applying the proposed method, decision makers can make a timely judgment effectively on the damage situation. It is expected that the proposed method will save time, manpower, and cost in the recovery phase.

1. 서론

정부에서 실시한 다양한 생활안전 서비스들은 일상 생활 주변의 소소한 위험요인까지 전부 해결하기 어려운 측면이 있어 안전사각지대가 그대로 방치되는 문제가 발생하기도 한다. 이는 생활에 밀접한 주변의 환경들이 실질적인 위험요인으로 작용하고 있기 때문에 이를 개선하기 위한 대책 마련이 시급하다(Shim, 2015). 이러한 안전사각지대를 최소화하고 시민의 안전역량을 제고하기 위해 시민이 직접 주변의 안전 및 위험요인들을 등록하고 공유할 수 있는 커뮤니티매핑 서비스들이 운영되고 있다. 커뮤니티매핑이란 지리정보체계(GIS: Geographic Information System) 기술을 이용하여 특정 주제에 대한 다양한 정보를 참여(사용)자가 직접 지도 위에 매핑하는 활동을 의미한다. 지역주민이 지역의 정보를 조사하여 지도에 입력하고 이를 인터넷이나 스마트폰 등으로 공유 및 소통하는 과정을 포함한다. 참여자는 커뮤니티매핑을 통해 지역사회가 가지고 있는 다양한 문제점을 발견하고 해결을 위한 대안을 도출할 수 있다(Chung et al., 2014)

커뮤니티매핑을 재난관리에서 활용하면 해당지역 담당 공무원이나 관리자가 전체 피해 지역을 상세하게 조사하고 복구 계획을 수립할 때 인력 및 시간 측면의 한계점을 극복할 수 있다. 하지만 검증되지 않고, 정제되지 않은 피해지역에 대한 다수의 포인트 기반의 관심지역 정보(POI, Point Of Interest)나 SNS 정보가 등록되면 복구 우선순위를 결정하는데 혼선이 발생할 수도 있다. 또한 커뮤니티매핑에 등록되는 정보는 사진과 간단한 내용으로만 작성되고, 스마트폰 사용이 익숙하지 않은 사용자의 부정확한 데이터 등록, 사람이 접근하기 어려운 환경에서는 현장 상황을 명확히 전달할 수 없는 한계 때문에 커뮤니티매핑 정보만으로는 피해규모 파악 및 복구계획 수립 시 관리자의 의사결정에 한계가 있다.

4차 산업혁명의 아이콘인 소형 상업용 드론의 활용분야가 확대, 대중화되면서 재난 피해조사나 대응 등 신속성과 적시성이 담보되어야 할 재난관리 분야에도 드론의 요구 수요가 늘고 있다. 자율 비행과 다중 센서의 탑재, 고성능 컴퓨팅 기술이 함께 발전하면서 기존의 항공기에서 수행하던 무인항공사진측량 기술수준과 거의 손색이 없는 고해상의 정사영상과 3차원 공간정보를 누구나 쉽게 경제적으로 취득할 수 있게 되었다.

앞서 기술한 커뮤니티매핑의 단편적 정보 제공의 한계를 극복하고자 본 연구에서는 커뮤니티매핑 시스템에 드론매핑의 3차원 지형정보와 고해상의 영상지도를 제공할 수 있도록 시스템간 통합을 통해 입체적이고 개선된 지도서비스를 제공함으로써 유사시 재난안전 의사결정을 지원하는 방안을 제시하였다.

2. 선행연구 및 활용사례

1) 커뮤니티매핑 관련 선행연구 및 활용사례

Jeon(2014)은 지역기념관의 콘텐츠를 커뮤니티매핑에 활용하여 지속가능한 서비스로 이용할 수 있는 방안을 연구하였다. 이를 통해, 지역의 문화자원 공유, 지역기념관의 홍보 등이 가능하다고 분석하였다. Ko et al. (2015)는 환경·생태수업의 방법으로 커뮤니티매핑을 활용하여 반딧불이 생태조사 교육을 진행하였다. 교육결과, 참여를 통한 환경시민의식 함양, 환경·생태 교육에 대한 흥미 유발 등 집단지성으로 여러 주제에 대한 융합적 이해에 효과가 있다고 분석하였다. Choi(2015)는 커뮤니티매핑을 활용하여 중학교 주변 유해환경을 조사하고 실제 교통사고 데이터와 비교, 분석하였다. 매핑으로 등록된 유해환경 정보와 실제 교통사고 지점의 공간적 관련성을 분석하였다. 이처럼 커뮤니티매핑과 관련된 선행연구들은 당면한 사회문제를 해결하기 위한 도구로서 다양한 분야에서 적용된 커뮤니티매핑 결과의 효용성 분석 연구가 주를 이루고 있었으며, 커뮤니티매핑의 한계나 문제 해결에 대한 구체적인 방안 연구는 거의 전무한 것으로 파악되었다.

커뮤니티매핑이 활용된 사례로는 국내 비영리기관인 커뮤니티매핑 센터에서 사회구성원들과 자원봉사자들이 협력하여 진행한 커뮤니티매핑 프로젝트가 있다. 대표적인 사례로는 2016년 ‘장애인이 접근할 수 있는 시설’이라는 주제로 ‘장벽 없는 세상 지도 만들기’ 프로젝트를 진행하여 3일 동안 3,000건 이상의 데이터를 공유하였다(Fig. 1).

Fig. 1. World Without Barriers mapping project (http://www. mapplerk3.com/kookmin).

영국의 Mapping for Change는 커뮤니티매핑을 분석·연구할 수 있는 도구로서 제공되고 있으며, 정부기관이나 상업단체 등 다양한 기관과 연계하여 사업을 추진하고 있다. 시민참여와 더불어 분석 전문가도 구성되어있어 GIS를 활용한 공간 데이터 시각화 및 다양한 분석자료도 제공하고 있다(Fig. 2).

Fig. 2. MappingforChangeproject(http://mappingforchange. org.uk).

2) 드론매핑 관련 선행연구 및 활용사례

Joo(2004)는 항공 영상으로 추출한 LiDAR 자료와 디지털카메라 영상을 통합하여 3D GIS 모델을 구축하였으며, 3D 모델 자료의 정확도와 신뢰성을 토대로 도시 및 방재분야 등 활용 분야를 제시하였다. Chung et al. (2014)은 3D WebGIS를 이용하여 급경사지 통합관리 시범시스템을 구축하였다. 연구 대상지 항공영상으로 3차원 공간데이터를 제공하고 계측센서간의 연계를 통한 급경사지 위험 모니터링 연구를 수행하였다. Kim(2016)은 드론을 이용하여 3D 매핑 영상을 제작하는 연구를 진행하였다. 유인 항공기와 드론을 이용한 영상 취득 방식을 비교하여 3D매핑 시스템의 활용 가능성을 실험하였다. 이처럼 3D 관련된 선행연구를 살펴본 결과 기존의 항공영상 촬영에서 최근 드론이 대축척 매핑을 위한 새로운 플랫폼으로서 활용되며 관련 연구가 진행되고 있음을 알 수 있었다.

드론매핑과 관련된 사례로는 2015년 4월 네팔 지진현장 당시 국내 드론업체인 (주)드론프레스에서 항공촬영을 지원한 사례가 있다. 유네스코 지정 세계문화유산인 ‘다라하라 타워’의 붕괴 현장을 드론매핑하여 피해규모 파악과 타워의 복구 작업에 활용하였다(Fig. 3).

Fig. 3. 3D mapping for Darahara Tower (http://www.drone press.co.kr).

미국의 3D Robotics사는 드론을 이용하여 건설현장의 상황을 드론매핑 영상으로 구축하고 있다. 이를 통해 건설현장의 자재, 공사차량 등의 상황을 실시간으로 감시·감독하고, 레이저 스캐닝을 접목하여 실제 건축물과 도면을 비교·검토할 수 있다(Fig. 4).

Fig. 4. 3D model for construction site (http://www.3dr.com)

3. 정부주도 매핑 재난안전 관리 추진 현황

1) 커뮤니티매핑을 활용한 지역안전 관리

(1) 안전신문고 재난정보 신고서비스

행정안전부에서는 국민이 참여하는 커뮤니티매핑형태인 안전신문고 서비스를 2014년 9월부터 시작했다. 안전신문고는 지역 주민이 생활 주변의 위험요소를 발견하게 되면 안전신문고 포털과 앱을 통해 언제 어디서나 손쉽게 신고할 수 있도록 구축한 시스템이다. 2019년 6월 기준으로 이용자수 100만 건, 신고를 통한 안전 개선율은 85% 이상(85만 건)으로 집계되었으며, 매년 신고 건수도 증가하고 있다. 접수된 내용은 행정안전부에서 관할기관을 지정하여 신속히 처리하며 통상 7일 이내에 처리 결과를 확인할 수 있다. 시스템 상의 위험신고 유형은 생활안전, 교통안전, 시설안전, 학교안전, 산업안전, 사회안전, 해양안전, 기타 등의 8개 항목으로 구성된다(Fig. 5).

Fig. 5. Online portal for reporting safety risk (http://www. safetyreport.go.kr).

(2) 안전신문고 신고정보 수집 및 DB 구축

안전신문고에서는 지역사회 주민들이 커뮤니티매핑 활동을 통해 주변의 위험이나 안전요소에 관련된 현장 정보를 수집한다. 지역별 담당 관리자는 커뮤니티매핑에 등록되는 정보를 토대로 신속하고 상세하게 파악하기 어려운 지역의 피해 현황을 확인할 수 있다. 신고 현황은 도로·건물 등의 시설안전 305,641건(30.5%), 불법 주정차 등 교통안전 301,933건(30.1%), 등산로·체육시설 등의 생활안전 206,361건(20.6%) 순으로 파악되었다. 커뮤니티매핑 활동결과로 수집된 정보는 제목, 내용, 사진, 위치데이터(위도, 경도) 등 기본속성이 DB에 구축된다(Fig. 6).

Fig. 6. Safety report map service of MOIS(www.safetyreport. go.kr)

2) 드론매핑을 활용한 재난안전 관리

(1) 드론을 활용한 자연재난 피해조사

행정안전부 국립재난안전연구원에서는 2018년 6월말부터 7월 초까지 제 7호 태풍 쁘라삐룬으로 피해를 입은 전남 보성군의 재난 피해현장을 조사하였다. 태풍 피해로 인해 지역침수, 하천 제방 붕괴, 농경지 유실, 농경지 매몰, 산사태 피해 등이 발생하였다. 국립재난안전연구원에서는 보성군 관내 피해지역 5개소(산사태 피해 2, 하천 침수 2, 저수지 붕괴 1)를 대상으로 단기간 내에 드론 항공 촬영과 영상 후처리를 통해 피해조사를 실시하고 재난 피해규모를 분석하였다(Fig. 7)(Kim et al., 2019).

Fig. 7. Drone photographing for disaster damage sites: (a) reservoir collapse site, (b) landslide site, and (c) river flood site.

(2) 드론매핑 과정 및 재난 피해분석

피해지역의 항공사진 처리는 드론매핑 전용SW인 Pix4D Mapper, Agisoft사 PhotoScan을 활용하여 피해지역의 3차원 지형자료(점군 자료(Point Cloud), Digital Surface Model (DSM), Digital Terrain Model(DTM)), 정사영상(Orthoimage) 등 위치기반의 GIS 자료를 생성하였다. 일반적인 드론매핑 처리과정은 촬영고도, 인접영상 중복도, 촬영 경로 등을 고려한 촬영계획 수립, 항공사진에서 카메라 모델을 생성하기 위한 관심점 추출과 영상정합, 지상기준점 선정을 통한 모델 정확도 향상, 3차원 점군 생성 및 필터링, 3차원 지형모델 생성, 정사영상 생성 순으로 진행된다(Fig. 8). 이러한 과정을 통하여 고정밀 재난 공간정보를 구축한 후 입체적인 재난 피해정보를 분석하였다.

Fig. 8. Drone mapping procedure for disaster investigation.

① 산사태 피해분석

산사태로 인한 토사가 유출되어 산림 훼손과 토사 유출된 문덕지구의 약 89,497.29 m2에 대해 항공사진 촬영과 드론매핑을 통해 3차원 지형모형과 공간해상도 3 cm급의 영상지도를 제작하였다. 드론매핑으로 구축된 정밀한 3차원 점군 모델 자료를 활용하여 수목에 의해 차폐 지역에 대한 정확한 산사태 쇄굴 폭, 연장 길이 등 산사태 피해 면적을 보다 상세하게 조사할 수 있었다.

② 저수지 붕괴 피해분석

모원제가 붕괴되면서 주변 농경지내 토사 유출 피해가 발생한 약 1.5 km² 지역을 드론으로 항공사진을 촬영하여 공간해상도 4 cm급의 영상지도를 제작하였다. 드론매핑을 통해 3차원 지형모델과 정사영상 지도 상에 서 측정한 제방 유실 거리는 약 1.3 km, 영상지도상 유출 흔적을 토대로 산정된 토사유출 면적은 약 24,248.8 m²로 분석되었다. 3차원 지형모델 상에서 모원제 제방 상 단부간 붕괴거리는 약 23.9 m, 전체 제방 거리는 약 129 m로 조사되었다.

③ 하천 홍수 피해분석

미력천이 범람하면서 제방·하천 시설물이 유실되고, 주변 농경지로 토사가 유입되는 피해가 발생하였다. 드론 매핑 구간은 미력천 총 4.5 km 중 호안 유실 및 제내지 농지 침수 피해가 많았던 약 452.7 m 구간으로 전체 촬영면적은 약 90,778.1 m²였다. 총 250여 장의 드론 항공사진을 촬영하여 공간해상도 2 cm급의 영상지도를 생성하였다. 3차원 지형자료와 정사영상 지도 내 토사 유출 흔적을 토대로 매핑 지역 내 농경지 토사 유출량은 약 4,390.6 m²로 분석되었다(Fig. 9).

Fig. 9. Disaster damage analysis through drone mapping: (a) 3D point cloud generation, (b) Landslide damage analysis on the 3D model, and (c) Flood damage analysis.

4. 커뮤니티매핑과 드론매핑의 연계방안

1) 커뮤니티매핑-드론매핑 연계시스템 설계안

공공 참여형 매핑 서비스 플랫폼(PPGIS)은 GeoWeb 2.0과 오픈소스(open source)를 활용하여 커뮤니티매핑 과정에서 참여자들이 업로드한 위치기반 콘텐츠들을 손쉽게 시스템 공간자료 DB와 통합할 수 있는 GIS 서비스 플랫폼으로, 클라이언트-서버 아키텍츠(Client-Server Architecture), 서비스 지향 아키텍츠(Service Oriented Architecture), 클라우드 소싱(cloud sourcing)을 활용하는 클라우드 컴퓨팅 시스템 형태로 개발된다. 이 때, 시스템 아키텍처 설계, 클라이언트-서버단 구성(웹 애플리케이션 클라이언트-매핑 API 등 웹 서버-DBMS·자료 모델링·공간자료 처리용 맵 서버), 데이터 표준 및 상호 호환성, 재사용성, 사회 관계망 서비스(SNS, Social Network Service) 기능, 실시간 웹기반 분석·평가, 시스템 보안 등이 고려되어야 한다. 이러한 서비스 플랫폼은 매핑 참여자간 다방향 소통 창구로서의 역할과 거리·면적 측정 등의 기본적인 공간분석, 매핑 활동의 표출과 가시화를 통해 시스템 관리자나 의사 결정자 등 모든 사용자들이 쉽고 편리하게 정보에 접근하여 평가하고 피드백 할 수 있다. 뿐만 아니라 Web 2.0의 SNS 기능을 통해 다양한 커뮤니티매핑 이해 당사자들 상호간에 위험·안전관련 콘텐츠나 정보를 주고 받을 수 있다. 기존의 커뮤너티매핑 서비스 플랫폼 내에서 드론매핑 자료처리 과정은 다음 Fig. 10과 같다. 자료처리 서버 내에 상용이나 자체 개발된 자료처리 SW를 설치하여 드론매핑 기능과 다양한 공간분석 도구들과 함께 연계·수행되는 시스템 구조로 구축하여, 자료처리 서비스(Web Map Processing Service(WPS), JavaScript Object Notation (JSON)) 호출을 통해서 두 시스템간 자료처리 과정과 그 결과가 공유될 수 있도록 설계한다. 드론매핑으로 생성된 3차원 점군자료와 3차원 지형모델(DSM/DEM), 정사영상지도 등은 공간DB 서버에 저장되어 클라이언트가 웹 애플리케이션을 통해 지도 서비스와 공간정보를 요청할 경우에 클라이언트단의 웹 브라우저를 활용하여 맵 서버 내에서의 맵 엔진과 맵 타일 서비스(Web Map Tile Service)에서 처리하며, 최종적으로 도출된 지도와 정보들은 웹서버를 거쳐 사용자의 웹 브라우저에 전달되어 지도 서비스를 볼 수 있게 처리된다.

Fig. 10. Architecture design for integrating community mapping and drone mapping.

2) 커뮤니티매핑-드론 3D매핑 연계

커뮤니티매핑은 실시간으로 업로드 되는 사용자의 POI 콘텐츠를 토대로 지역 사회의 상세한 안전관련 현황을 파악하는 강점이 있다. 2차원적인 POI 정보의 한계를 넘어 신속하게 실시간 현장 정보 수집과 다각적인 분석을 통해 정확한 현장 상황을 파악하기 위해 드론 3D 매핑 간의 연계 검토가 필요하다. 재난 현장에서 3차원 점군 자료와 DTM/DSM 정보, 고해상의 정사영상 지도 등 정밀한 공간정보를 적시적으로 수집할 수 있는 드론매핑과 커뮤니티매핑 플랫폼을 접목함으로써 지 도와 같은 공간정보 서비스 현행화와 3차원 분석 기능을 구현할 수 있다. 특히, 현장에서 위치 기반으로 직접 POI 콘텐츠를 표출·가시화하는 커뮤니티매핑에서는 지도 서비스의 최신성 확보가 중요하지만, API 서비스인 구글이나 오픈스트리트맵, 네이버, 다음지도 등 상용 지도 서비스에서는 지도 현행화가 쉽지 않다. 따라서, 드론매핑과 연계를 통해 커뮤니티매핑 서비스에 핵심이 되는 배경지도(basemap)의 현행화와 실시간에 가까운 입체적인 3차원 지형분석 서비스를 제공할 수 있을 것이다. 다만, 대부분 150 m 이하의 저고도에서 촬영되는 드론매핑의 산출물 중 cm급 Ground Sampling Distance (GSD)을 갖는 고해상의 정사영상은 공간정보 보안관리 규정상 공개제한 자료로 분류될 가능성이 있으므로 리사이징이나 다운스케일링 등의 전처리 과정을 통해 저해상도로 변환하여 웹 서비스하는 방안도 고려해야한다.

커뮤니티매핑과 드론매핑간의 연계시스템 내 자료 처리 흐름은 Fig. 11과 같다. 4.1절이 시스템 연계 설계에서 기술했듯이 참가자의 웹 브라우저에서 3차원 공간 정보 가시화를 위해 공간정보 오픈 플랫폼(V-WORLD)이나 Skyline Globe Viewer와 같은 3D 맵 뷰어를 탑재한 후, 웹 서버로 지도 서비스를 요청하면 기존의 2D 기본도와 매핑 참가자의 현장 POI, 드론매핑 및 공간분석 산출물을 맵 서버에서 다시 클라이언트 서버 단으로 전송하는 형태로 시스템 연계가 구현된다.

Fig. 11. Data processing on system integration between community mapping and drone mapping.

시스템 연계를 통하여 커뮤니티매핑에 참여하는 사용자는 앱이나 웹 브라우저 상에서 드론매핑 3D 지도를 가시화(Fig. 12)하여 현장 상황을 보다 직관적이고 입체적으로 이해할 수 있을 뿐만 아니라, 커뮤니티매핑의 POI 콘텐츠를 보다 현실에 가깝게 시각화 할 수 있다 (Fig. 13). 아울러, 3D 지도를 통해 커뮤니티매핑에서 업로드 된 POI 현황을 관리자가 실제와 유사한 환경에서피해 상황을 입체적으로 판단할 수 있다. 만약, 지진피해 지역에서 담벼락 붕괴의 정보가 등록되었다면 해당 위치의 3D영상을 확인하여 붕괴 시설의 규모나 정도, 신고된 사진에 누락된 주변 여건과 추가 붕괴 요인 파악, 주변 지반 침하 여부와 인근 피해 발생 유무 등 현장상황을 보다 명확히 파악함으로써 정량적인 피해액 산정과 재난원인 규명을 통한 정확한 복구계획 수립에 활용할 수 있다.

Fig. 12. 3D map visualization on community mapping

Fig. 13. POI visualization on 3D model based community mapping.

5. 결론

본 연구는 재난안전 관리 분야의 커뮤니티매핑 시 발생할 수 있는 여러 한계들을 개선하기 위해 최근에 대축척 지도 제작 시 많이 활용하고 있는 드론매핑을 연계하는 방안을 제시하였다. 커뮤니티매핑에 등록되는 정보는 단편적인 정보 전달이나 사람이 입체적으로 접근하기 어려운 환경 등으로 인해 관리자가 현장의 상황을 명확하게 판단하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 피해지역 내에서 다수의 정보가 등록되어 피해복구의 우선순위를 결정, 피해규모 파악 및 복구계획 수립 시 관리자의 의사결정에 한계가 발생한다.

본 연구에서는 커뮤니티매핑 정보와 드론매핑 지도를 연계를 통해 관리자에게 재난 피해지역 현장의 다양하고 상세한 정보를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 여러 피해 지역의 복구 우선순위 결정, 피해규모 파악 및 복구비용 산정 등 재난 복구단계에서 의사결정을 효율적으로 지원할 수 있을 것으로 판단된다. 아울러, 관리자가 현장 상황을 직관적으로 파악하고 재난 피해 정보의 수집 및 복구를 위해 소요되는 시간, 인력, 비용 절감 등 업무측면에서의 효율성과 사용자 안전성을 확보하는 효과가 있을 것으로 기대된다.