A Study on the Applicability of Unmanned Aerial Vehicles for Underwater Cultural Heritage Survey in Intertidal Zones

조간대에서의 수중문화재 조사를 위한 무인항공기의 적용 가능성에 관한 연구

Abstract

Intertidal zones, akin to tidal flats, are among the potential areas where underwater cultural heritage might be submerged. However, the shallow depths in these regions present challenges for conventional vessel-based survey methods. Moreover, during low tides, intertidal zones transform into tidal flats, limiting the efficiency of survey efforts due to restricted access and potential risks. As a result, proper underwater cultural heritage surveys encounter difficulties in these environments. In recent times, extensive research is underway to address these issues by investigating underwater cultural heritage surveys in intertidal zones, encompassing diverse fields, including equipment-based investigations. This study aimed to explore the feasibility of utilizing unmanned aerial vehicles (UAVs) to conduct intertidal cultural heritage surveys, employing aerial photography and 3D mapping to create detailed orthoimages and 3D models. The study focused on assessing the potential application of these techniques for cultural heritage surveying within intertidal zones. Notably, the survey conducted in Jindo's Naesan-ri demonstrated high-resolution capabilities, enabling the distinction of actual pottery fragments mixed within gravel fields. Similarly, in the survey of Jindo's Byeokpa-hang, it was found that a wooden pillar structure existed in a section about 200m long. The integration of various sensors, including LiDAR, with UAVs allows for diverse investigation possibilities, including bathymetric measurements, and is expected to facilitate the acquisition of varied datasets for further research and assessment.

1. 서 론

우리나라는 삼면이 바다와 접해 있어 과거로부 터 삶에 많은 영향을 받았으며 다양한 활동으로 인해 바다에는 많은 수중문화재가 있을 것으로 보 고 있다. 국내외에서는 이러한 수중문화재를 찾기 위해 탐사 기법을 개발하고 해양 물리탐사 자료를 활용해 시각화하는 등 수중문화재를 찾고 보존하 기 위한 노력은 계속되고 있다[1][2][3][4]. 조간대 지역은 밀물과 썰물에 의해 만들어지는 지역으로 암벽지대, 갯벌, 사구, 만, 강의 하구 등을 포함하 는 지역이다. 특히 갯벌은 해수면 상승, 해수의 유동 및 육성 기원 부유물질의 공급으로 인해 형 성된 지형이며, 외부 물리적 요인과 지형적 특성 (리아스식 해안)의 결과물이라 할 수 있다[5]. 우 리나라의 갯벌의 면적은 2,482 ㎢로 전 국토의 2.5%를 차지하고 있다. 서해안에 전체 갯벌 면적 의 약 83.8%가 분포하고 있으며, 이 중 전남에 약 42.5%, 인천·경기지역에 약 36.1%, 충남지역 에 약 13.7%, 전북지역에 약 4.4% 분포하고 있는 것으로 조사되었다.

갯벌과 같은 조간대에서는 수중문화재가 매장되 어 있을 가능성이 있는 지역 중 하나이지만 수심 이 얕아 선박을 이용한 기기 조사에 어려움이 있 다. 간조 시에는 갯벌로 변해 조사를 위한 인력 투입 시 한정된 조사 시간과 위험성으로 인해 조 사의 효율성이 떨어져 수중문화재 지표조사가 제 대로 수행되지 못하는 실정이라 할 수 있다. 최근 이러한 문제점을 보완하기 위해 조간대의 수중문화재 조사를 위한 연구가 활발하게 진행 중이며, 각종 기기조사를 비롯한 다양한 분야의 연구가 수 행중이다[6][7]. 이러한 현장조사의 어려움을 극복 하기 위해 무인항공기(UAV, Uunmanned Aerial Vehicle)를 활용한 지표조사 방법이 다양하게 연 구되고 있다[8]. 연안 지역, 특히 갯벌 지역에서 무인항공기를 활용한 조사에 대한 활용성이 높을 것으로 판단되어 최근에는 여러 연구가 진행되고 있다[9]. Gil‐Docampo et al.은 스페인과 포르투 갈에서는 해안 또는 얕은 수생 환경의 문화유산을 조사를 위해 무인항공기를 활용해 3D 조사를 수 행하였으며[10], Pydyn et al.은 남발트해에서는 다중빔음향측심기와 탄성파지층탐사기, 수중 사진 측량과 항공사진 비교를 통해 지리정보시스템을 구축하는 연구를 수행했다[11]. 또한 Sailors와 Honda는 하와이에서 무인항공기의 라이다(LiDAR) 를 활용해 대형 석조 문화재를 발견하였으며[12], Prahov et al.은 불가리아 흑해 해안에서 다중빔 음향측심기와 무인항공기를 통해 측정된 수심을 결합하여 고고학적 구조 및 환경을 매핑 하였다 [13]. 이러한 연구를 통해 간조 시 갯벌 지역의 무인항공기를 이용한 항공사진 조사를 비롯하여, 항공 라이다(LiDAR)를 활용한 갯벌 지역의 물리적 특성 파악 등 다양한 연구에 활용될 수 있을 것으 로 보인다. 따라서 본 연구에서는 갯벌 지역에서 무인항공기를 활용하여 항공사진을 이용한 정사영 상, 3D 매핑(Mapping)을 통한 3D 모델을 등을 생성하여 갯벌 지역의 문화재 지표조사 적용 가능 성을 연구하고자 한다.

2. 본 론

2.1 연구 대상 지역

Fig. 1과 같이 본 연구 대상 지역은 전라남도 진도군에 내산리 지역과 벽파항 인근의 조간대 지 역으로 선정하였다. 진도 내산리는 2019년 조간대 에서 수중문화재 발견 신고가 들어와 해안가 주변 에만 육안 조사가 이뤄진 지역이며 진도 벽파항 인근 해역은 2013년부터 발굴조사가 진행되고 있 는 해역 남쪽에 위치하여 유물의 존재 가능성이 높은 지역이다.

2.2 조사 장비

조사에 사용된 무인항공기는 Table 1과 같이 DJI 사의 Matice300 RTK 모델로 최근 항공측량, 조사 목적으로 많이 사용되고 있는 제품이다. 해 상도 높은 데이터 취득을 위해 카메라는 풀 프레 임 센서가 있는 사진측량을 위해 최적화된 Zenmuse P1 모델로 촬영하였다.

2.3 조사방법

최근 무인항공기 산업의 발전으로 무인항공기 운용이 편리해졌다. 무인항공기 운용 프로그램 통 해 비행 계획을 입력하게 되면 무인항공기가 자체 적으로 측선을 비행하며 사진 촬영까지 수행할 수 있다. 무인항공기의 비행 계획은 조사 지역을 지 정하고 비행 속도, 비행고도, 비행경로 등을 설정 하며 이는 카메라의 사양과 조사 현장의 지형이나 날씨 등을 고려하여 계획을 수립해야 한다. 특히 조간대 지역은 물이 빠지는 간조 시간에 맞춰야 해 하루에 조사 가능 시간이 3∼4시간으로 제한적이다. 이와 같은 이유로 조간대 조사에서는 계 획 수립이 무엇보다 중요하다.

Fig. 1 Study area

Table 1. Research equipment specifications

고해상도의 정사영상을 얻기 위해 가장 중요한 부분은 사진 촬영 고도이다. 물론 촬영고도가 낮을 수록 더 좋은 영상을 취득할 수 있겠지만 작업시 간, 데이터 용량, 무인항공기의 안정성 등을 고려 하여 목적에 맞게 가장 효율적인 촬영고도를 찾아 야 한다. 우리는 조간대 지역에서 유물을 확인하기 위해 정밀한 조사가 필요하여 촬영고도를 10m에 서 50m까지 다양한 높이로 수행했으며, 정사영상 을 확인한 결과 15m 촬영한 사진이 가장 효율적 이라 판단하였다. 그리고 항공사진을 취득하여 공 간정보를 생성하기 위해서는 중복도가 필요하다. 사람의 양안이 중복된 시야를 통하여 사물 간 거 리, 높이, 길이를 파악하는 것과 같이 사진 또한 중복된 부분이 있어야 3차원 공간정보 생성이 가 능하다. 이에 본 연구에서는 종 중복도 60%, 횡 중복도 70%로 영상을 취득하였다. 각각의 사진을 정확한 정합을 위해 필요한 사진의 위치정보는 무 인항공기에 장착된 수신기를 통해 네트워크 RTK-VRS(Real-Time Kinematic Virtual Reference System) 방식으로 취득하였다. 또한 조사 지역 주 변에 지형이나 장애물이 있는 경우 상대 고도 비 행을 활용해 해결할 수 있다. 상대 고도 비행은 해 당 지역의 위치정보와 지형정보가 필요해 사전 조 사를 수행해야 한다. 높은 고도에서 전체 지형을 촬영하여 데이터 처리를 통해 DSM(수치표면모델) 또는 DEM(수치지면모델)을 만들고 이를 이용해 지 형에 따라 고도를 실시간으로 변화시키며 안정적인 비행 및 촬영을 할 수 있다.

2.4 자료처리 및 결과

자료처리는 정사영상 제작을 위해 Agisoft사의 Merashape 소프트웨어를 이용하였다. 취득된 항공사진을 프로그램에 입력하고 사진 정렬, Dense Cloud, 3D Model, 과정을 거쳐 정사영상을 만들 수 있다.

Fig. 2 Process and results of data processing of Jindo Naesan-ri (a) Flight Track, (b) Dense Cloud, (c) Orthoimage

Fig. 2와 같이 진도 내산리 조사구역의 크기는 약 850m × 290m 정도이며 비행고도 15m에 촬 영된 사진 수는 2,654장으로 자료처리 과정에 많 은 시간이 소요되었다. 제작된 정사영상은 비행고 도 15m로 GSD(Ground Sample Distance) 0.19cm/pixel으로 40GB가 넘는 고용량의 사진이 만들어졌으며 사진 확인 결과 Fig. 3과 같이 연구 를 위해 매몰한 도자기가 확연하게 판독되고, 자 갈밭에 섞여 있는 실제 도자기 파편이 구분될 정 도로 해상도가 높게 나타나 향후 조간대 조사에서 무인항공기의 활용 가능성을 확인하였다.

Fig. 3 Data acquisition results of Jindo Naesan-ri (a) Pottery fragment, (b) Buried sample

Fig. 4와 같이 진도 벽파항 조사구역의 크기는 약 520m×80m 정도로 간조 시 물이 많이 빠지 지 않아 조사구역을 줄였으며 비행고도 15m에서 촬영된 사진 수는 794장으로 비교적 적은 양의 낱장 사진을 이용하였으나, 각 사진당 높은 해상 도인 GSD 0.19cm/ pixel 해상도의 정사영상 제 작하여, 27GB 넘는 고용량의 정사영상이 만들어 졌다. 자료에서 볼 수 있듯이 바닷물이 남아있는 부분은 사진 정합이 이뤄지지 않았다. 이는 조류 와 바람으로 인한 물이 움직임에 따라 사진이 변 하여 사진 정합이 되지 않는 것으로 보인다. 또한 이 지역에서는 Fig. 5와 같이 200m가량 일렬로 길게 뻗어있는 목재가 발견되었다. 상부는 유실되고 갯벌에 묻혀있는 하부만 남아있는데 목재의 형 태가 장도 청해진 유적에서 발견된 목책과 유사한 것으로 보인다. 특히 이 지역은 벽파진이 있었던 곳으로 발견된 목재가 목책이었을 가능성이 있다. 따라서 발견된 목재들의 연구가 필요해 보인다.

Fig. 4 Process and results of data processing of Byeokpa-hang (a) Flight Track, (b) Dense Cloud, (c) Orthoimage

3. 결 론

본 연구에서는 조간대 지역의 매장 문화재 조 사를 위한 무인항공기의 적용성에 대해 확인하였 다. 조간대에 매장되어 있는 수중문화재 중 무인 항공기를 활용한 조사를 수행할 수 있는 지역에서 항공사진 조사를 수행하고 정사영상을 제작하여 영상 자료를 정확도 높은 이미지로 추출할 수 있 었다.

Fig. 5 Data acquisition results of Byeokpa-hang (a) A row of timber pillars, (b) Detailed enlarged image

진도 내산리의 조사에서는 연구를 위해 매몰한 도자기가 확연하게 판독되었으며, 자갈밭에 섞여 있는 실제 도자기 파편이 구분될 정도로 해상도가 높게 나타났다.

진도 벽파항의 조사에서는 200m가량 일렬로 길게 뻗어있는 목재 열이 발견되었다. 상부는 유 실되고 갯벌에 묻혀있는 하부만 남아있는데 목재 의 형태가 청해진 유적에서 발견된 목책과 유사한 것으로 나타났다. 특히 이 지역은 벽파진이 있었 던 곳으로 발견된 목재가 당시 사용하던 목책이었을 가능성이 높은 것으로 보인다.

항공사진 조사뿐만 아니라 무인항공기에 라이다 (LiDAR)와 같은 다양한 센서를 부착하여 수심측량 등 여러 가지 조사가 가능하고, 이를 활용하여 다 양한 자료 획득이 가능할 것으로 판단된다. 현재 수중문화재 지표조사 단계에서 조사 선박이 진입 하기 힘든 장소나 인력의 조사가 위험한 조간대 지역에서는 조사에 많은 어려움을 겪고 있는데 무 인항공기를 이용한 조사가 하나의 방안이 될 수 있음을 보여준다. 이번 연구를 통해 그 가능성을 확인했으며 앞으로 지속적인 연구가 필요할 것으 로 판단된다.