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무인항공기 기반 낙동강 하구역 정밀 지형 데이터셋: 진우도와 신자도 중심으로

The Dataset of UAV Based High-resolution Tidal Topography at the Nakdong Estuary: Focusing on Jin-u Island and Shin-ja Island

초록

낙동강 하구역의 갯벌은 2011년 4대강 사업의 일환으로 8개의 보가 설치되어 유수형 하천에서 정수형 하천으로 환경이 바뀌었다. 2022년 낙동강에 설치된 보를 상시 개방함에 따라 하구역 지형 및 생태 환경의 큰 변화가 예상된다. 본 연구에서는 무인항공기를 통해 낙동강 수문이 개방되기 전 환경인 2021년 11월에 낙동강 하구역 갯벌에 대한 사진측량을 진행하였다. 연구지역에 대해 네트워크RTK (Real-Time Kinematic)방식의 측량을 진행하여 Ground Control Point (GCP)를 취득하였으며, 무인항공기를 사용하여 진우도 인근 3.47 ㎢ 넓이의 면적과 신자도 인근 2.75 ㎢의 면적에 대해 정사영상과 수치표고모델을 생성하였다. 공간해상도 1.8 cm의 결과물을 획득하였으며, 검사점을 사용해 결과물에 대한 검증을 진행하였으며, 신자도와 진우도 지역 모두 1 cm를 상회하는 정확도의 결과를 얻었다. 향후 이 지역의 지형변화, 퇴적환경의 변화가 예상되어 다양한 연구와 환경보전관리에 유용한 자료가 될 것이다.

Abstract

In the tidal flats of the Nakdong Estuary, eight weirs were installed as part of the Four Major River Restoration Project in 2011, and the environment changed from a flowing stream to a still water stream. As the Nakdong River’s weir was permanently opened in February 2022, the topography and ecological environment are expected to large change. In this study, Unmanned Aerial Vehicle (UAV) photogrammetry was conducted on the tidal flats of the Nakdong Estuary in November 2021, the environment before the Nakdong River floodgates were opened. The study area was surveyed using the Network-RTK (Real-Time Kinematic) method to obtain Ground Control Point (GCP), and using an UAV, orthographic image and digital elevation model were generated for an area of 3.47 ㎢ near Jin-u island and 2.75 ㎢ near Shin-ja island. A result of spatial resolution of 1.8 cm was obtained, the result was verified using checkpoints, and results with accuracy exceeding 1 cm were obtained in both Sin-u Island and Jin-woo Island. In the future, changes in the topography and sedimentation environment of this area are expected, so it will be useful data for various research and conservation management.

1. 서론

낙동강 하구역은 대표적인 삼각주 지형으로서 낙동강 본류의 환경조건에 따라 하구지역 사주의 퇴적과 소멸로 사주의 모양과 크기가 지속적으로 변화하는 지역이다(Lee et al., 1993). 2011년 우리나라 정부는 수해예방과 수자원 확보를 위해 4대강 사업의 일환으로 낙동강을 포함한 한강, 금강, 영산강에 총 16개의 다기능 보를 건설하였다(MOLIT, 2009). 4대강 중 낙동강에는 가장 많은 8개의 보가 설치되었으며 이로 인하여 유수형 하천 형태에서 정수형 하천 호소로 전환되었다. 이는 낙동강 유역의 수심 및 유량증가, 유속의 감소 등의 특성 변화로 퇴적 환경에까지 영향을 미친 것으로 조사되었다(Ahn et al., 2014). 이에 따라 보 설치 이후 낙동강 수계의 퇴적물을 대상으로 한 시공간적 변화 연구가 매우 활발하게 진행되고 있다(Kim et al.,2015; Ahn et al., 2018).

최근 자연생태계 복원의 일환으로 낙동강 하굿둑의 상시 개방(2022년 2월 18일 이후)이 이루어졌으며, 이에 따른 하구역의 지형 및 생태계 변화에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다. 하구의 자연성 회복은 전세계적인 관심사이며, 미국, 영국, 네덜란드 등 세계 여러 국가들도 하굿둑 개방을 통해 생태계 복원에 힘쓰고 있다. 본 연구에서는 최근 하굿둑 개방으로 지형, 생태계 등 굉장히 많은 변화가 예상되는 낙동강 하구역에 대해 무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)를 이용하여 고해상도 정밀 지형지도와 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM) 자료를 생성하였다. 무인항공기 영상을 이용한 갯벌의 정밀 지형고도 자료를 획득하기 위하여 네트워크RTK (Real-Time Kinematic)를 활용하여 현장 측량을 동시에 수행하였다. 낙동강의 정밀 지형과 DEM 자료는 웹 기반 의 환경 비즈니스 빅데이터 플랫폼을 통해 연구자/국민이 다운로드하여 활용할 수 있게 하였다.

2. 본론

2.1 조사지역

낙동강 하구역은 부산시 강서구 남단에 위치하며 가덕도와 다대포 해수욕장 사이 눌차도, 진우도, 신자도, 장자도, 백합등, 대마등을 포함한다. Fig. 1에서 지도의 서쪽에 위치한 진우도를 A지역으로, 우측의 신자도와 대마등을 포함한 지역을 B지역으로 표기하였다. 무인항공기 촬영과 지상기준점 측량은 2021년 11월 5일 수행되었으며, 최저조 시간은 14시 41분(조위 7 cm) 이었다. A지역은 부산시 신호동 공단 아래 지역부터 진우도를 포함한 지역으로 촬영면적은 3.47 ㎢이며 네트워크RTK 기법을 사용하여 지상기준점(Ground Control Point, GCP) 7곳을 취득하였다. B지역은 부산시 명지동 아래부터 장자도를 제외한 신자도 좌측과 대마등 일부지역을 포함하고, 총 2.75 ㎢의 면적을 촬영하였고, 4곳의 GCP를 측량하였다.

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Table 1

Data information obtained from the study area

GEODATA-4-1-27_T1.tif
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Figure 1

Map showing studied area (A) Jin-u Island and (B) Shin-ja Island at the Nakdong estuary. The red circles indicated the ground control points (GCPs).

GEODATA-4-1-27_F1.tif

Fig. 1에서 붉은 점은 현장에서 취득된 GCP와 Check Point (CP)의 위치를 나타내며 황색의 박스는 연구지역 A와 B의 위치와 면적을 나타낸다. GCP와 CP의 분포는 전 구역에 고르게 분포되도록 설계하였으나, B지역의 중앙부는 갯벌의 빠짐도가 높거나 수로가 험해 인력이 접근하기 어려운 지역이기 때문에 다수의 GCP와 CP의 취득이 불가하였다.

해당지역에서 GCP와 CP를 수집하기 위해 Leica의 Global Navigation Satellite System (GNSS) 수신기를 사용하여 측량을 진행하였으며, 국토지리정보원 외 7개 기관에서 제공하는 실시간 데이터 보정 서비스(Real-Time Differential Correction Maritime, RTCM)를 사용하여 인근 GNSS 상시관측소의 보정신호를 수신하여 측량의 정확도를 확보하였다. 이동국에서는 WGS84/UTM52N좌표계를 사용하여 각 정점의 좌표와 타원체고(Ellipsoid height)를 수집하였다. 또한 인근 통합기준점(U김해26)에서 지오이드고(Geoid height, 29.3503 m)를 수집하여 연구지역 A와 B의 정표고를 산정하였다.

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Table 2

The location information of GCP and CP

GEODATA-4-1-27_T2.tif

2.2 촬영 경로

무인항공기를 사용한 측량은 그리드형식의 웨이포인트를 사용하여 아래 Fig. 2의 붉은색 실선 경로를 따라 140 m의 고도로 촬영되었다. 갯벌 환경의 특성상 저조환경일 때 최대한 많은 양의 영상을 획득하기 위해 최저조 시간보다 이른 시간부터 GCP취득을 시작하여 갯벌이 최대한 많이 노출되는 시기를 촬영 시기로 정하였으며, 촬영 시간동안 조위가 상승하기 때문에 지대가 낮은 구역부터 촬영을 시작하여 취득영상에 바닷물이 촬영되는 현상을 최대한 방지하였다.

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Figure 2

The red lines indicate the flight path across the Nakdong estuary.

GEODATA-4-1-27_F2.tif

2.3 조사 장비

대상 연구지역은 지역의 특성상 김해공항의 착륙 항로 근처에 위치하고 있기 때문에 주변 항공기와의 거리를 확인할 수 있는 상황인식 시스템을 지녀야 한다. GNSS신호를 기반으로 주변 항공기와 관제탑 등에 무인항공기의 위치를 알리기 위해 ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast) 시스템을 적용하여 안전하게 측량에 사용할 수 있어야 한다. 지역의 특성상 무인항공기 비행 경로의 중앙에 조종기를 위치시킬 수 없는 환경이기에 조종기와 기체 사이의 강한 전파를 사용하여 넓은 조종 반경을 가져야 하며, 긴 비행 거리를 안정적으로 운항할 수 있도록 오랜 비행시간을 유지할 수 있어야 한다. 이러한 조건을 충족하기 위해 본 연구진은 DJI사의 전문가용 드론인 Matrice300-RTK 모델을 사용하여 연구를 진행하였다.

기존 저가형 기체에 사용되는 일반 GNSS수신장비가 아닌 네트워크 RTK를 적용, 네트워크로부터 지상기준점 의 실시간 DGPS (Differential Global Positioning System) 보정신호를 수신해 항공기의 위치정보를 보다 정확하 게 수집할 수 있으며, 3축의 짐벌을 채용해 풍향과 풍속이 빈번히 바뀌는 상공에서의 기체 흔들림에도 안정 적인 영상을 수집할 수 있다. 해당기체는 총중량 6.3 kg, 최대이륙중량 9 kg의 기체로 국내 항공안전법의 적용을 받아 초경량비행장치 조종자 2종 이상의 자격증을 소지하고 운항하여야 한다.

광학센서는 Zenmuse의 P1센서를 사용하였으며 렌즈는 35 mm의 초점거리를 가진 단초점 렌즈를 사용하였다. 8192x5460해상도의 풀프레임 센서를 사용하여 높은 해상도의 영상을 얻을 수 있기에 높은 고도에서 촬영된 영상에서도 GCP등의 타겟 구분이 쉽게 가능하며 고해상도의 정사영상 및 DEM을 확보할 수 있다.

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Figure 3

UAV model (DJI Matrice 300 RTK) with camera (Zenmuse P1-35 mm)

GEODATA-4-1-27_F3.tif
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Table 3

Specification of UAV model and camera for data acquisition

GEODATA-4-1-27_T3.tif

2.4 자료처리

수집된 영상의 번들조정과 정합 및 정사영상, DEM 등의 자료처리는 Pix4D mapper를 사용하여 진행되었다. 현장에서 수집한 GCP로 번들조정을 진행하였으며 CP를 사용하여 해당 영상의 정확도를 판정하는데 사용하였다. A지역의 Ground Sample Distance (GSD)는 1.82 cm이며 B지역의 GSD는 1.84 cm로 계산되었다. 하지만 본 연구에서 업로드하는 정사영상과 DEM은 육상의 일부 지역이 포함되기 때문에 국토교통부 국가공간정보 보안관리규정과 국가정보원 보안업무규정 등의 사유로 GSD는 25cm로 리샘플링하여 공개한다. 번들조정 결과 A지역의 Root Mean Square Error (RMSE)는 수직, 수평방향으로 1 cm이하로 GCP의 분포가 균일하지 못한 B지역은 수평 1 cm, 수직 3 cm로 나타났다. CP를 통한 정확도 평가 결과 A지역과 B지역 모두 1 cm정도를 상회하는 정확도를 보였다.

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Table 4

Accuracy Verification Results

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3. 결과

3.1 정사영상

Fig. 4는 연구지역 A의 정사영상이다. 진우도 전체와 신호공단 아래의 갯벌 영역을 포함하여 정사영상을 생성하였다. A지역의 좌측에는 깊은 수로가 존재하여 낮은 조위환경에서 촬영되었지만 영상에 많은 수계영역을 포함하여 영상 간의 정합이 불가능 하였다. 또한 상단에 깊은 수로가 흐르는 지역을 제외하면 넓은 지역에 대해 데이터를 얻을 수 있었다.

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Figure 4

The ortho-mosaic image of site A (Jin-u Island)

GEODATA-4-1-27_F4.tif

Fig. 5는 연구지역 B의 정사영상이다. 명지동 아래의 갯벌영역과 신자도 좌측, 대마등 일부를 포함하는 지역이 촬영되었으며, 연구지역 A와 비교하여 다양한 형상의 깊은 수로를 가지고 있다. 해당지역의 수로는 주로 좁고 깊은 형상을 띄며 항행이 어려워 주변 어민들의 출입도 잦지 않은 지역이다. 영상의 중앙 신자도와 대마등 사이의 지역에도 수로가 존재하며 명지동 아래와 대마등 사이의 지역에도 깊은 수로가 존재한다. 이 두 지역은 낙동강 본류와 서낙동강 하류가 접하는 복잡한 지역으로 차후 낙동강 하굿둑 개방시 지형과 퇴적상 변화등에 대한 연구가능성이 높은 지역이다.

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Figure 5

The ortho-mosaic image of site B (Shin-ja Island)

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3.2 수치표고모델

연구지역 A는 저조환경에서 조위가 낮게 나타나며 지형이 평탄하여 상단에 위치한 수로를 제외하고 대부분의 갯벌이 노출되어 번들조정이 수월하게 가능한 지역이다. 아래 Fig. 6과 같이 상단과 좌측의 수계지역에 의한 노이즈로 마스킹되어진 영역을 제외하고 대부분의 갯벌 지형이 -1 m ~ 0 m의 표고에 고루 분포하는 지형을 보이며 그 이상의 영역은 진우도 등 상시 노출된 지역에 해당하는 지역이다. Fig. 6의 좌측 황색 원에 표현한 바와 같이 진우도 좌측에 큰 수로가 존재하며 갯벌의 중앙에서 양 끝단으로 흘러가는 조류로의 형상이 눈에 띄게 나타나는 형상을 지닌다.

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Figure 6

Digital Elevation Model (DEM) output from UAV images for the study site A

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아래 Fig. 7의 연구지역 B의 경우 2개의 큰 수로에 의해 DEM 생성에 많은 영향을 받았으며, 두 수로에 의한 노이즈는 마스킹되었다. 연구지역 B도 -1 m ~ 0 m사이에 대부분의 갯벌지역을 포함하고 있으나, 낙동강 본류와 서낙동강의 하류로 인해 연구지역 A보다 깊고 좁은 수로가 많이 분포하고, 갯벌의 고저차가 보다 심하게 나타나며 조류로의 형상이 복잡한 것을 확인할 수 있다.

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Figure 7

Digital Elevation Model (DEM) output from UAV images for the study site B

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4. 결론 및 토의

본 연구에서는 무인항공기를 이용하여 낙동강 하구역의 고해상도 지형도와 지형고도 자료를 생성하였다. 최근 자연생태계 복원의 일환으로 낙동강 하굿둑의 상시 개방이 이루어졌으며 이는 전 세계적으로 보기 드문 모범적 생태계 복원 사업의 하나로 평가받고 있다. 낙동강 하굿둑 개방은 향후 금강, 영산강 등 하굿둑 개방을 추진하는데 필요한 좋은 사례가 될 것으로 기대되고 있다. 하굿둑 개방으로 인하여 하구역의 지형, 생태계 등이 빠르게 변화될 것으로 예상되며, 이러한 변화를 정확하게 평가하기 위한 현장관측 데이터 확보가 시급하다.

본 연구는 2022년 2월 18일 하굿둑 상시개방 이전인 2021년 11월 5일 조사를 수행하였다. DJI사의 Matrice 300 RTK 무인기를 140 m 고도에서 촬영하였고, A, B 두 지역에 대해 GSD 약 1.8 cm의 영상을 획득하였다. 다만 본 연구에서는 국토교통부 국가공간정보 보안관리규정과 국가정보원 보안업무규정 등을 고려하여 GSD 25 cm로 리샘플링하여 자료를 업로드하였다. 현장에서 수집한 GCP를 활용하여 자료처리 한 결과 무인항공기 영상은 수평 1 cm, 수직 3 cm 이하의 오차를 보여 매우 고정밀의 자료로 생성되었다. 이 자료는 연구기관, 공공기관, 환경단체 등 하구 환경생태계 관련하여 매우 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 생각된다. 본 자료들은 환경 비즈니스 빅데이터 플랫폼인 환경빅데이터 홈페이지(www.bigdata-environment.kr)에서 무료로 다운로드 가능하다.

5. 사사

본 연구는 한국해양과학기술원 주요사업 “원격탐사 시각데이터의 기계학습을 통한 갯벌의 생물/환경 공간정보 구축 기술 개발(PEA0015)” 지원으로 수행되었음.

6. 참고문헌

Ahn JM et al. (2014). A study on Efficiency of Water Supply through Conjunctive Operation of Reservoirs and Multi function Weirs in the Nakdong River J. Korean Soc. Water Environ. 30(2) 138-147 (in Korean with English abstr act) , https://doi.org/10.15681/KSWE.2014.30.2.138.

Ahn JM et al. (2018). Evaluating sediment heavy metal pollution level and monitoring network representativeness at the upstream points of the Gangjeong Goryeong Weir in the Nakdong River. JESI 27(7): 477-488, https://doi.org/10.5322/JESI.2018.27.7.477.

Kim S et al. (2015). Distribution and pollution of heavy metals in sur face sediments from Nakdong River. JESI 24(8): 969-980, https://doi.org/10.5322/JESI.2015.24.8.969.

Lee YD. (1993). A study on the characteristics of submarine geology in Pusan Bay: sedimentation processes in the Nakdong River estuary Journal of Korean Earth Science Society 14(1): 67-74 (in Korean wit h English abstract).

MOLIT. 2009, River maintenance master plan in the Nakdong River Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Sejong, Republic of Korea.

7. 데이터셋에 대한 메타데이터

최종 데이터셋의 파일명은 “년월일-구분-장소-연구지역”을 의미하며 정사영상과 DEM 모두 GeoTiFF의 형식을 가지며, 좌표계는 UTM52N을 사용하여 GSD는 25 cm로 제공된다.


투고일Submission Date
2022-03-18
수정일Revised Date
2022-03-30
게재확정일Accepted Date
2022-03-30

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