기계/조선

계측과 제어_2021.10 총론 (p693-696)

측량과 계측 기술의 진화
도쿄대학 대학원 공학계연구과 후세 다카시(布施 孝志) 교수

1. 머리말
측량은 지구 상의 자연 또는 인공물과 같은 지물의 위치∙모양을 측정하고, 지물의 위치 관계를 구해서 수치나 그림으로 표현한다. 그리고 그것들을 바탕으로 분석 처리하는 일련의 기술을 말한다. 그 기원은 고대로까지 거슬러 올라가는 오래되고 전통적인 과학이다. 측량이라는 말도 천문 관측과 토지 측정을 연결한 기술로서, 고대 중국의 ‘측천량지’에서 유래한다고 전한다. 긴 역사를 갖는 측량은 지금까지 항상 최첨단 기술을 받아들이며 혁신을 계속해 왔다.

측량의 기본은 거리나 각도 등을 측정하는 일이다. 일본의 근대 측량에서는 메이지시대 초기부터 전통적으로 삼각측량을 해 왔다. 그러나 60년대 이후의 광파측거리(Electro-Optical Distance Measuring Instrument)의 보급으로 정밀한 거리 측정이 가능해지고, 삼변측량이나 트래버스 측량이 확대되었다. 그 후에 90년대 전반에 GPS 측량이 실용화되면서 위성 측위 시대가 열렸다. GPS 측량은 위성과 수신기 간 거리에 근거하기 때문에 삼변측량이라고 볼 수도 있다. 또한 이미지 등을 통해 지물의 성질이나 상태를 파악하는 기술도 진전되었다.

측량은 평시뿐 아니라 비상시에도 활약해 왔다. 예를 들면, 재해 시의 측량 기록은 지금까지도 중요한 역할을 담당해 왔다. GPS 측량의 재해 초기 이용 사례로서 91년의 운젠후겐다케 분화 때의 관측을 들 수 있다. 실용화 단계로 막 들어선 GPS 측량을 통해 연속 관측이 이루어지고, 부흥 공사에서도 무인화 시공을 실현했다.

그리고 95년의 한신∙아와지 대지진에서도 지각변동 관측과 복구 부흥 측량에 공헌했다. 이 큰 재해를 계기로 일본의 전자 기준점의 설치 수가 대폭 증가해, 현재의 GPS 연속 관측 시스템으로 이어졌다. 본고에서는 적절한 재해 시의 이용 사례에 대해 언급한다.

최근의 측량 기술의 발전을 지원해 온 것은 말할 것도 없이 계측장치나 데이터 처리 기술의 진화다. 예를 들면, 사진 측량에서는 이미지처리 기술과의 융합으로 디지털 사진 측량이 주목을 받게 되었다. 또한 레이저 측거 기술은 이미 80년대에 확립되었지만 레이저 스캐너가 개발되면서 3차원 계측 방법으로서 널리 이용되게 되었다.

이 기술은 LiDAR(Light Detection And Ranging)라고도 불린다. 레이저를 이용한 계측에서는 합성개구레이더(SAR: Synthetic Aperture Radar)가 90년대에 실용화되었고, 현재도 많이 이용되고 있다. 또한 각국에서 위성 측위 시스템이 개발되고, GPS도 포함한 총칭으로서 GNSS(Global Navigation Satellite System)라고 불리게 되었다.

이처럼 다양한 센서나 시스템이 개발되었고, 모두 고분해능화를 실현하며 그 계측 정밀도가 높아졌다. 또한 센서의 다양화를 통해 계측 영역도 확대할 수 있었다.

한편으로 위성이나 항공기 등 센서를 탑재하는 플랫폼의 다양화도 볼 수 있다. 이 다양화로 인해 응용 범위가 확대되었다. 최근에는 드론(UVA: Unmanned Aerial Vehicle)이나 초소형 위성 등의 플랫폼의 소형화로 기동성이 높은 계측이 가능해졌다. 또한 모바일 맴핑 시스템(MMS)처럼 이동 계측 시스템의 발전도 두드러진다.

이들 다종다양한 계측 성과를 정리, 공유, 활용하기 위해 지리정보시스템(GIS)이 공헌해 왔다. GIS는 공간적인 위치와 연관된 데이터를 동일 좌표계 하에 관리∙분석∙표현∙공유하는 시스템이다.

GIS는 90년대부터 널리 보급, 한신∙아와지 대지진에서 그 유용성이 인식되었다. 이를 계기로 국가 프로젝트에 포함되게 되었고, 공간 정보 기반으로서 자리잡게 되었다. 현재는 상세한 3차원 모델도 공유하며, 누구나가 간편하게 액세스할 수 있는 시대가 되었다.

측량의 계측 기술의 진전은 데이터 처리∙해석 기술에 의한 것도 크다. 이미지 처리, 점군 처리, 주파수 해석, 공간 해석 등 현재도 고도화가 진행되고 있다. 본고에서는 주로 센서(와 일부 처리기술)와 플랫폼에 주목해 계측 기술의 동향을 관측한다.

2. 센서의 고성능화
앞에서 말한 대로 다양한 센서의 기본적인 기술이 확립된 후부터, 그들의 고성능화가 진행되면서 현재에 이르렀다. 센서의 발전은 몇 개의 관점에서 파악할 수 있다. 주로 공간적 특성, 시간적 특성, 스펙트럼 특성으로 분류된다. 고성능화의 하나로서 고분해능화를 들 수 있다. 이미지에서의 고분해능화를 예로 들면 다음을 생각할 수 있다.

・공간 분해능
・시간 분해능 (촬영 간격)
・스펙트럼 분해능 (주파수)
・ 계조(Gradation) 분해능

각각의 고분해능화가 진행되면서 보다 상세한 계측이 가능해졌다. 또한 이미지 처리 방법도 발전하면서 물체 인식 등의 정밀도도 향상되었다. 그 외 센서의 시간 분해능에 대해서는 플랫폼에 의한 부분도 크다. 때문에 여기서는 공간적 특성, 스펙트럼 특성의 시점에서 살펴본다.

3. 공간적 특성
3.1 이미지센서
이미지의 공간 분해능의 고분해능화가 진전되었다. 화소 수의 비약적 증가를 통해 대상물을 고분해능으로 촬영할 수 있게 되었기 때문이다. 컨슈머 타입의 디지털카메라의 화소 수는 90년대 말부터 급격하게 증가, 현재도 그 흐름은 멈추지 않았다. 일안 리플렉스 카메라는 5,000만 화소도 많고, 중에는 1억 화소가 넘는 카메라도 등장했다. 스마트폰에 탑재된 카메라도 대부분의 기종이 1,000만 화소가 넘는다.

디지털 항공 카메라는 라인 방식, 에어리어 방식 등의 타입이 존재한다. 이것들도 고분해능화가 진행되었다. 에어리어 방식에서는 2억 화소를 넘는 것도 존재한다. 예를 들면, 카메라의 CCD 소자 사이즈가 12µm, 초점거리 120mm로 1,000m 상공에서 촬영했을 경우, 10cm의 지상 분해능을 얻을 수 있다.

위성 이미지에 관해서도 많은 고분해능 위성이 발사되었다. 최초의 고분해능 위성으로서 IKONOS가 알려져 있다. 99년에 발사, 지상 분해능 1m(팬크로매틱)를 자랑했다. 14년에 발사된 WorldView-3에서는 지상 분해능 0.31m(팬크로매틱)에 달했다.

또한 디지털 항공 카메라, 고분해능 위성 이미지가 재해 조사에 본격적으로 이용된 사례로서, 04년의 니가타현 추에쓰 지진을 들 수 있다.

이들 고분해능화를 통해 이미지 상의 특징을 보다 상세하게 해석할 수 있게 되었다. 앞에서 말한 대로, 이미지 처리 기술과의 융합에 의한 디지털 사진 측량이다. 기본적인 흐름은 이미지에서 특징점을 추출하고, 복수 이미지 간의 특징점의 대응 관계를 구하고, 카메라의 위치∙자세와 특징점의 3차원 좌표를 추정한다.

특징점의 3차원 좌표 추정은 삼각측량의 원리에 따른다. 즉, 카메라는 각도 측정기라고 볼 수 있고, 이미지의 고분해능화는 그대로 각도 계측의 고분해능화라고 할 수 있다. 이를 통해 3차원 좌표 추정의 정밀도가 크게 향상되었다. 또한 이미지 처리 방법의 고도화에 따라, 특징점의 추출과 맵핑이 자동화되고 효율도 높아졌다.

기존에는 면밀한 촬영 계획을 통한 이미지 취득이 요구되었기 때문에 누구나가 사진 측량을 할 수 있는 것이 아니었다. 현재는 계산 방법 등이 개량된 SfM(Structure from Motion)이라는 방법을 구현한 소프트웨어가 보급되면서 리던던시가 있는 다수의 이미지를 이용함으로써 많은 사람들이 이미지에 의한 3차원 계측을 시행할 수 있는 환경이 정비되었고, 이용 장면도 확대되고 있다.

또한 SAR 이미지의 공간 분해능도 향상하고 있지만 이용하는 주파수대에 따라 다르기 때문에 스펙트럼 특성에서 언급하기로 한다.

당연한 이야기지만 공간 분해능의 향상과 함께 이미지 인식 방법의 발전으로 물체 인식이나 지물의 상태 인식 등의 정밀도도 현격하게 향상되었다. 이를 통해 다양한 응용에 대응하는 것을 볼 수 있게 되었고, 이미지의 활용 사례가 상당히 증가한 상황이다.

3.2 LiDAR
LiDAR는 고정밀도 거리 계측에 의해 3차원 점군을 취득하는 것이 가능하다. 항공 레이저 측량의 예로서, 2000년의 우스산 분화의 관측을 통한 공헌을 들 수 있다.

측량에서 이용되는 주요 방식은, 레이저광의 왕복 시간을 계측해서 거리를 산출하는 타임 오브 플라이트 방식과, 복수의 변조시킨 레이저광의 위상 차이로 거리를 산출하는 페이즈 시프트 방식이다. 일반적으로는 타임 오브 플라이트 방식은 장거리 계측에 적합하고, 페이즈 시프트 방식은 근거리 대량 점군 데이터의 취득에 적합하다.

LiDAR에서는 공간 분해능에 대응하는 점군의 고밀도화가 더욱 진행되었다. 예를 들면, 타임 오브 플라이트 방식에서는 레이저광을 1초 동안에 다수의 펄스로 발진시켜(펄스 반복률) 조사(照射)하고 있으며, 이 비율의 향상으로 유효 측정율(1초 동안에 취득 가능한 점군 수)을 높일 수 있다.

항공 레이저의 경우에는 이 조사 수 외에 주사 각도, 비행 속도, 대지 고도, 지형 조건 등에 따라 점군 밀도가 변화하기 때문에 일괄적으로 말하기는 어렵지만 점군 밀도가 높은 지상 거치형의 LiDAR에서 100만점/초의 계측이 가능해졌다.

위에서 말한 대로 고밀도 점군 데이터를 취득할 수 있게 되었다. 동시에 대규모 점군 데이터 처리 기술도 발전하며 효율적인 데이터 핸들링이 가능해졌다.

3.3 각도 센서
사진 측량이나 항공 레이저 측량에서는 센서의 위치와 자세가 필요하다(사진 측량에서는 표정(標定) 이론에 근거하여 지상 기준점을 이용해 추정할 수 있다). 이들 자료를 이용해 사진 측량에서의 삼각측량이나 레이저 측량에서의 거리 계측이 가능해진다. 앞에서 말한 GNSS의 이용이 진전되면서 직접 위치 특정이 가능해졌다.

한편 자세 계측에는 관성 계측 장치(IMU: Inertial Measurement Unit)가 이용된다. IMU는 각속도와 가속도를 검출하는 센서다. IMU에 의한 각도 계측도, 각도 분해능의 고분해능화를 볼 수 있다. 또한 정밀도나 안정성이 향상되었기 때문에 IMU를 다양한 센서와 조합해서 이용할 수 있게 되었다.

GNSS와 IMU를 조합해, 거리 계측 센서 등과 병용함으로써 3차원 계측의 응용이 확대되었다고 할 수 있다. 특히, 이동체 플랫폼 등에 탑재함으로써 다양한 플랫폼에서의 3차원 계측을 가능하게 한다. 또한 계측의 기동성을 현격하게 향상시킴과 동시에 그 응용 범위가 넓어졌다.

4. 스펙트럼 특성
이용 주파수(파장)에서도 고분해능화는 진행되고 있다. 또한 스펙트럼 특성으로서는 고분해능화뿐 아니라 이용하는 주파수의 다양화도 들 수 있다. 또한 센서에 따라 파장이라는 단어를 이용하는 경우도 있지만 여기서는 주파수로 통일해서 사용한다.

4.1 이미지 센서
4.2 LiDAR
4.3 GNSS
4.4 SAR
4.5 계조의 고분해능화

5. 플랫폼의 다양화

6. 맺음말
본고에서는 공간적 특성, 스팩트럼 특성에 기초하는 센서의 고성능화 및 플랫폼의 다양화의 시점에서 계측 기술의 동향을 개관했다. 이번에는 해석 기술을 언급하지는 못했지만 다음 기회에 양보하겠다. 앞으로도 지금까지 이상으로 센서∙플랫폼이 진전될 것으로 예상된다. 양자의 조합 방법도 확대되면서 가일층의 진화를 이룰 것으로 기대된다.

 -- 끝 --