Forest Fire Response System Using Thermal Imaging Camera

열화상카메라를 이용한 산불 화재 대응시스템 연구

Abstract

This study conducted a study to improve the problems of the existing fire sensor system. In the case of the existing system, it took more than 3 minutes to detect a fire even at a short distance, making it difficult to extinguish the initial fire. In order to improve these problems, in this study, a fire detection system using an infrared thermal imaging camera was studied. The infrared image-based fire detection system is relatively wide and can detect fire over a long distance, so it has the advantage of being applicable to many fire detection systems. As a result of conducting a field test using the fire detection system, a fire that occurred about 2 km ahead was detected within about 10 seconds. Since the fire detection function of this system can detect within 10 seconds from a distance of about 2 km, it was applicable to forest fires that occur frequently in spring and autumn.

1. 서론

강원도, 경상북도 등에서 대규모 산불이 매년 발생되고 있으며, 특히 건조한 봄, 가을에 전국적으로 대규모 산불이 지속적으로 발생되고 있다. 산불의 경우 초기 진화가 매우 중요하며, 초기 진화가 어려운 경우 대형 산불로 이어지는 것이 대부분이다. 바람이 많이 부는 봄, 가을에 집중되기 때문에 산불이 크게 확산되는 경우가 많아 산불에 대한 지속적인 대책이 마련이 필요한 실정이다.

전국토의 70% 이상이 산지인 국내의 경우 지역이 넓고 산지가 험악하여 일반 광학카메라에 의한 산불의 감시에는 한계가 있다. 날씨가 좋지 않은 경우나 미세먼지가 많거나, 야간 등의 환경조건인 경우 CCTV를 통한 산불 감지는 더욱 어려운 실정이다. 최근 정부에서는 1억원 이상의 고가 광학 카메라로 산불을 감시하는 산불감지시스템을 도입하고 있지만, 화재를 감지하지 못해 정부 정책을 전반적으로 수정 보완해야 할 필요한 시점이다.

국내의 경우 산불이 주로 발생되는 시기는 봄, 가을이며, 주요 발생 원인은 입산자 실화 및 소각 행위이다. 봄철 발생 횟수는 49%(207건), 면적의 63%(382ha) 집중되고 있으며, 월별 발생 횟수 3 월이 27%(112건)으로 가장 많고, 최대피해는 4월 34%(206ha)이다. 가을은 발생 횟수의 9%(40건), 면적의 4%(27ha)를 차지한다[1]. 최근 드론을 활용한 산불감시시스템을 도입하고 있지만, 봄, 가을 강풍속에서 발생되는 산불의 경우 드론의 비행이 불가능하여 무용지물이 되는 경우가 대부분이다.

이에 본 연구에서는 열화상카메라를 기반으로 하는 산불화재 감지시스템에 대해 연구하였다. 국내에서 생산, 유통되는 적외선 열화상 카메라의 경우 최대 반경 5km 이상 영역의 열원을 감지할 수 있다. 외산 제품의 경우 동급 해상도 국산 제품과 비교하면, 화질과 열감지 센서의 성능이 낮은 단점이 있다.

특히 요즘 많이 유통되는 저가 외산 제품의 경우 원거리 열원의 감지가 어려워 산불감지 목적에 부합되지 않는 단점이 드러나고 있다. 또 비싼 고사양 외산 열화상 카메라의 경우 국산 열화상카메라와 동일한 스펙의 제품에 비해 약 30%이상 비싼 단점이 있어 외산 제품의 현장 적용은 어려운 실정이다.

따라서 본 연구에서는 국내에서 제조, 판매되는 열화상카메라를 이용하여 화재 감지 능력을 분석 연구를 수행하였다. 화원은 시너와 물을 이용하여 화재 상황을 설정하였으며, 화원과 열화상카메라 와의 거리는 0.5km, 1km, 2km의 거리에서 화재 발생에 따른 감지능력을 분석하였다.

2. 연구 내용 및 현황

2.1 산불 발생 현황

Table 1은 2010년에서 2019년까지 발생된 산불의 현황이다. 2019년 산불 발생건수 653건, 산림피해 3,2554ha 발생되었다. 2020년 4월 발생된 강원도 산불의 경우 고성ㆍ속초지역에서 발생된 대형 산불로 산림 12,277ha, 이재민 7명, 5가구, 주택 피해 17동, 재산피해액 752억원 발생되었다[2].

Table 1. Status of forest fire damage for 10 years[2]

강릉ㆍ동해지역에서는 산불로 산림 1,260ha, 재산피해액 508억원 발생되었으며, 인명피해는 고성 ㆍ속초지역 사망 2명, 강릉ㆍ동해지역 부상 1명이 발생되었다. 2019년 산불이 발생되는 시기는 봄철 (2월∼5월)에 평균 428건 발생, 산림3,095ha 피해로 건수의 60%, 피해면적의 95% 집중되었으며, 월 별 발생건수 최다 4월 152건(23%), 최대 피해 4월 2,998ha(92%)였다. 산불조심기간 외 산불은 174건 (35%)으로 산불의 연중화ㆍ대형화가 심각하였다[2].

산불의 주요 원인은 입산자 실화(27%), 논밭두렁 및 쓰레기 소각(24%)가 대부분이었다. 지역별로는 건조한 날씨와 강풍으로 경기, 경북, 강원에 산불피해가 집중되었으며, 중부 및 영동지역 건조로 경기(172건), 경북(121건), 강원(78건)의 산불이 발생되었고, 대형 산불 3건이 발생한 강원(3,001ha)와 경북(95.22ha)에 피해가 집중되었다[2].

Table 2와 Table 3은 산림청에서 제시한 지역별 산불 발생 현황과 산불 발생 원인이다. 2020년의 경우 최대 산불 발생지역은 경기도였으며, 다음으로 경북과 강원도가 산불이 많이 발생되었다[3].

Table 2. Current status of forest fires by region[3]

Table 3. Current status of forest fires by region(Korea Forest Service, 2020)

2010년에서 2019년의 경우에도 최대 산불 발생 지역은 경기도와 경상북도, 강원도에 집중되었다. 산불이 많이 발생되는 지역에서는 산불 발생에 대한 적극적인 노력이 필요한 실정이다. 또한 산불 발생 원인은 입산자 실화가 가장 많았으며, 다음은 논밭 두렁 소각, 쓰레기 소각, 담뱃불 실화 등이었다[3].

산불 발생 현황과 산불 발생 원인을 분석한 결과 산불의 경우 산림자원이 풍부한 산악지역에 집중되었으며, 산불발생 원인도 다양하고, 발생지역도 광범위하였다.

산불감시체계에 대한 기존 연구로 Kim(2014)은 산불 발생 현황을 시계열적, 공간적으로 분석하고， GIS 공간 분석 기법을 이용한 다각적인 방법으로 산불위험지역을 도출해 산불 예방을 모색하였다. 산불 발생 다발지역은 강원도와 경상북도 전역에 걸쳐 나타났으며, 이들 지역은 산불 감시체계를 강화하고, 집중적인 관리체계가 필요한 지역으로 분석하였다. 효과적인 산불관리 즉 예방과 진화 활동을 원활하게 수행하기 위해서는 산불 발생과 확산 특성에 대한 사전 이해 연구가 필요한 것으로 제안하였다[4].

Kang et al.(2012)는 삼척시를 중심으로 행정 구역별(읍, 면, 동) 산불 발생 현황과 삼척시 지역에 필요한 산불감시 카메라의 적정대수 산정에 관하여 연구를 수행하였다[5].

연구 결과 이미 설치된 카메라는 중첩되는 곳이 있어 가시권이 확보된 곳으로 이동해야 할 것으로 분석하였다. 또한, 감시가 취약한 지역에 신규로 설치할 경우에는 인접한 기관간의 감시시설과 감시지역 중복 여부, 감시시설 위치의 타당성 등과 어디에 우선하여 설치할 것인지를 광역적이고, 과학적으로 판단하여 설치해야하며, 삼척시의 경우 설치 적정대 수를 산정한 결과 최소한 32대 이상은 되어야 가장 효율적인 산불감시가 가능한 것으로 분석하였다[5].

기존에 국내에서 적용된 산불 감지시스템은 산불감시요원과 광학카메라를 통한 산불 감지가 대부분으로 조기 진화를 위해 산불 감지시스템의 변화와 적극적인 예산의 투입이 필요한 실정이다.

이러한 국내 산불 특성을 고려할 때, 최적 대안은 열화상카메라를 활용한 산불 감시체계이다. 열화상카메라 한 대로 광범위하고, 최대 반경 5km 까지 산불 감지가 가능하기 때문에 열화상카메라를 기본으로 하는 다양한 산불 예측 및 대응시스템 개발이 추가적으로 필요하였다.

2.2 열화상 카메라 적용 분야

열화상카메라는 물체의 열원을 감지하여 영상으로 표현하는 영상장치로 기존의 광학카메라에 비해 24시간 모니터링이 가능한 장점이 있다.

Fig. 1은 열화상 카메라의 재난/안전 적용분야로 하천이나 강 등의 모니터링, 해안 감시 및 인명구조, 산불 감시, 문화재 감시, 댐 등의 주요 시설물 유지관리 등에 적용이 가능하다. 특히 물체의 열원을 감지하여 영상으로 표현해주는 열화상카메라 의 경우 산불 감시와 문화재 화재 및 경계 감시, 하천이나 강의 홍수통제 등의 방재/안전 분야에 탁월한 성능을 발휘할 수 있다.

Fig. 1 Applications of thermal imaging camera

2.3 산불 감지용 열화상카메라

현재 국내에서는 대규모의 잦은 산불로 산림청에서는 피해 규모를 줄이기 위해 Fig. 2와 같이 산불상황관제시스템을 활용 중이다. 하지만 넒은 지역을 모니터링하기 위한 기술의 부족으로 산불 피해는 줄어들지 않고 있다. 특히 산불감지와 모니터링을 위해 광학카메라를 대당 약 1억원 이상의 설치비용으로 설치, 운영 중이나 화재 감지력 이 떨어지고, 조기 진화가 어려워 지속적으로 문제가 제기되고 있다.

Fig. 2 Status of forest fire control system(Korea Forest Service)[6]

현재 활용이 가능한 산불 감시시스템으로는 열화상카메라를 활용한 시스템이 가장 최적의 대안이다. 하지만 국내에서 유통되고 있는 산불 감시용 열화상 카메라의 경우 화재 감지 능력이 떨어지는 낮은 해상도의 외산 제품이 주로 도입되고 있다.

화재 감지 능력은 해상도로 결정이 되기 때문에 감지력이 우수한 높은 해상도의 열화상카메라 도입은 시급한 실정이다. 국내에서 일반적으로 유통되는 해상도는 320*240과 최고 사양인 1280*720 해상도의 카메라가 있으며, 해상도 성능을 비교하면, Fig. 3과 같다.

Fig. 3 Comparison of screens according to resolution differences

2가지 해상도의 차이는 화재 감지 기능을 하는 온도센서가 약 90만개 이상 더 동작한다는 개념이므로 동일한 지역을 모니터링한다고 가정했을 때, 화재 감지 정확성 및 탐지거리에 있어서 1280*720 해상도 카메라가 약 10배 정도 향상된 성능을 보이는 것이다.

열화상카메라는 해상도 외에 렌즈와 거리에 따라 온도 측정 및 감지 오차가 발생한다. 열화상카메라의 센서와 하드웨어를 자체적으로 개발하지 못하는 외국 열화상카메라를 활용한 화재 감지시 스템은 열화상의 영상을 분석하여 오차를 줄여주는 알고리즘 프로그램을 활용하고 있다.

연구에 적용된 열화상카메라 화재 감지시스템은 센서와 하드웨어를 자체적으로 개발하기 때문에 렌즈와 거리 오차를 카메라 자체적으로 보정할 수 있다. 국산의 경우 하드웨어의 기술력이 뛰어나 외산 제품에 비해 별도의 알고리즘은 필요없다. 열화상 카메라의 온도 수치를 받아 바로 화재탐지 를 하기 때문에 화재 경보 단계를 온도 수치로 빠르고, 정확하게 감지가 가능하다.

또한 국산화 비율이 85% 이상의 열화상카메라 를 활용한 산불 화재시스템 개요도는 Fig. 4와 같다. 열화상카메라를 활용한 산불의 감지는 유/무 선통신을 이용하여 산불종합상황실에 전송되어 시스템 관리자가 원격으로 모니터링하여 산불에 대한 적절한 대응을 유도하도록 설계되었다.

Fig. 4 System configuration diagram

Fig. 5는 열화상카메라를 활용한 화재 감시 및 경계 감시 프로그램 메인화면이다. 광학카메라와 동일한 화면에서 모니터링이 가능하다. 화재와 사람, 동물의 이동 등을 열화상 카메라로 감지하고, 광학카메라로 시스템 관리자가 확인이 가능하여 적극적인 재난/안전 상황에 대응할 수 있다.

Fig. 5 Example of forest fire surveillance system program

Fig. 6은 산불 화재시스템의 구조도이다. 화재/ 경계 감시 등의 이벤트 발생 시 SMS을 관리자에게 전송, 위험 상황 확인이 가능하다. 종합관제소에서 위험 상황에 대해 감지, 대응이 가능하여 재난/안전 상황에서의 적극적인 대응이 가능하다. 국내 재난/안전시스템은 대부분 대응시스템에 맞 추어져 있지만, 열화상카메라를 적용하면, 영상을 통한 예측과 대비가 가능한 시스템으로 활용이 가능하다. 기존 센싱 방식의 시스템에 비해 적극적이고, 확실한 대응이 가능한 것도 장점이다.

Fig. 6 Total system flow chart

2.4 실험 내용 및 조건

본 연구에서는 실외에서 화재 실험을 실시하고, 열화상카메라를 이용하여 화재 감지 능력을 분석하는 연구를 실시하였다. 화재 실험의 조건은 Table 4, Fig. 7과 같다. 테스트 장비의 경우 국내에서 생산된 TPV_IHD 모델, 60mm 렌즈를 사용하였다. 화조는 0.6m*0.7m, 화원은 물 2L와 시너 5L를 이용하여 실험하였다. 열화상카메라와의 이격거리는 0.5km, 1km, 2km의 거리로 나누어 실험하였다.

Table 4. Tests condition

Fig. 7 Distance from test location

3. 실험 결과

본 연구에서는 열화상카메라를 이용하여 0.5km, 1km, 2km 거리에서 현장 화재 실험을 실시하였다. 열화상카메라와 촬영된 영상분석을 위해 개발된 프로그램 성능을 분석하였으며, 결과는 다음과 같다.

3.1 실험 결과

Table 5와 Fig. 8은 화재 사고를 모사한 실험 결과이다. 실험 결과 이격거리 0.5km의 경우 점화 직후 감지 시간은 약 2초 이내로 분석되었다. 이격거리 1km의 경우 점화 직후 화재 감지 시간은 약 5초 이내로 분석되었으며, 2km 이상의 경우는 화재 발생지점에서 점화 직후 약 10초 이내에 화재를 감지되었다. 이 결과는 산불 화재의 조기 화재 감지가 가능한 결과로 판된된다.

Table 5. Tests result

Fig. 8 Video c apture result

또한, Fig. 8과 같이 광학카메라 영상의 경우 화원에서 점화가 발생되어도 육안으로 점화된 불이 판독이 불가능하기 때문에 화재 감지는 불가능하였다. 하지만 열화상카메라는 화재 발생지점의 온도가 다른 지점에 비해 높아 영상만으로도 화재 감지가 가능한 것이 특징이다.

실험 데이터를 분석한 결과 광학카메라 영상을 이용하여 산불 화재를 감시하는 국내 화재 감지용 감지시스템은 화재 감지 능력이 떨어져 대형 화재로 확대되기 전에는 화재 감지가 불가능한 것으로 분석되었다. 따라서 현재 운영되고 있는 산불 감지시스템은 조기 대응이 불가능한 문제점이 있다.

산악지역에 주로 발생되는 산불의 경우 한 대의 카메라로 넓은 지역의 산불을 조기에 감지가 필요하다. 이러한 목적과 기능을 고려하면 일반 광학카메라를 통한 영상분석으로 화재를 감지하는 것보다 별다른 영상분석 없이 운영되는 열화상카 메라에 비해 화재 감지능력이 떨어지는 단점이 있어 재난/안전에 적극적인 대비와 대응을 위해서는 열화상카메라 기반의 시스템이 필요하였다.

4. 결론

본 연구에서는 열화상카메라를 이용한 산불 화재 감지시스템에 대해 연구하였다. 산불 화재 감시능력을 분석하기 위해 이격거리별 화재 감지 시간을 분석한 결과는 다음과 같다.

1. 국내에서 발생되는 대부분의 산불은 지역이 광범위하고, 산불 진화가 어려운 산악지역에서 주로 발생되어 신속한 산불 감시와 조기 진화의 어려움으로 많은 피해를 야기하는 산불이 주로 발생되었다.

2. 기존 광학카메라를 활용한 산불 감시시스템 의 경우 영상 분석만으로 화재 감지가 어려워 초기 화재 감시와 조기 진화의 어려움으로 대형 산불로 이어지는 특징이 있어 현장에서 도입, 운영되고 있는 시스템의 정책적 수정 보완이 필요하였다.

3. 이러한 문제점 해결을 위한 대책 방안으로 열화상카메라를 활용한 산불 화재 감시시스템을 적용하는 경우 열을 감지하여 화재의 발생을 감지하므로 초기 대응이 가능한 장점이 있었다.

4. 열화상카메라를 이용한 이격거리별 화재 감지 실험을 분석한 결과 감지 시간은 0.5km 의 경우 2초 이내, 1km의 경우 5초 이내, 2km의 경우 10초 이내에 화재를 감지하여 기존 산불 화재 감지시스템에 비해 화재 감지능력이 뛰어났다.

5. 따라서 전 국토의 70%가 산악지형인 국내의 경우 광범위한 영역의 산불 감시를 위해서는 열화상카메라기반 산불 감지시스템도입이 필요하였다. 다만 현장 적용을 위해서는 24시간 가동이 필요하기 때문에 내구성과 유지관리, 성능을 고려한 열화상 카메라의 도입도 필요하였다.