교통부의 니즈를 위한 무인 항공기의 평가 및 개발

 

개요

 

이 프로젝트는 미국 유타주의 교통부 (Utah Department of Transportation: UDOT) 에서 고속도로 관련 문제들에 대한 무인 항공기 (unmanned aerial vehicle: UAV) 의 사용 가능성을 평가하고 성능을 향상시키는데 중점을 두고 있음. 이 프로젝트 동안 두 가지의 임무가 완료되었음. 무인 항공기는 Southern Parkway 고속도로 코리더 프로젝트 이전, 도중, 및 이후에 항공 사진을 찍기 위해 사용되었고, 무인 항공기에 의해 찍혀진 사진들은 유타 호수 (Utah Lake) 의 습지 제방에 있는 습지 식물종들을 분류하기 위해 사용되었음. 무인 항공기에 장착된 카메라에 의해 찍힌 디지탈 사진들은 사후 처리되어, 지리정보화된 사진들은 유타주 교통부의 GIS 데이타베이스에서 식물종 분류 도구로써 정확하게 사용될 수 있었음.

 

Southern Parkway 사진들은 연구자들로 하여금 고속도로 건설 상황, 건설 준비지역, 및 깎아 메우기 (cut and fill) 지역을 시각화할 수 있도록 하였음. 고해상도의 영상은 유타주 교통부의 GIS 데이타베이스, 문서, 도로 표지 및 다른 고속도로 구조물의 목록을 즉시 업데이트 할 수 있으며, 건설의 역사적 자료를 제공함. 무인 항공기는 과거로부터 배울 수 있는 도구일 뿐만 아니라 건설 과정에서 사용할 수 있는 실시간 도구이기도 함. 만약 건설 과정 동안 무인 항공기가 정기적으로 공사현장을 가로지르도록 미래에 허용된다면, 건설 현장을 통한 교통이 안전하게 될 수 있도록 하는 최적의 방법을 결정하는 것과 같은 추가적인 혜택이 실현될 것임.

 

유타 호수 습지 제방 프로젝트 동안, 겨이삭 (Agrostis), 발트 골풀 (Baltic rush), 갈대 (Phragmites), 염생초 (saltgrass) 가 가장 정확하게 분류된 식물종이었고, 사초 (beaked sedge) 와 좁은 잎/넓은 잎 부들 (narrowleaf/broadleaf cattail) 은 가장 낮은 분류 정확성을 보였음. 분류 과정 중에서 보여진 정확도의 잘못은 여러 원인들에 기인했을 수 있음: 불충분한 지상 표본, 불충분한 지상 통제 지점, 항공 사진에서의 더 많은 중첩의 필요성, 사진 화소 크기 (image pixel size) 에 비해 너무 조잡한 GPS 지상 표본 데이타, 많은 지상 다각형 (ground polygons) 에서 여러 식물종의 존재 가능성, 사용된 시딩 도구 (seeding tool) 의 정확성, NIR과 RGB 사진간의 불일치, 그리고 사진이 찍힌 계절의 시간차 등이 그 원인일 수 있음.

 

소개

 

유타주 교통부는 유타주 전역의 수천 마일의 도로를 관리함. 이러한 관리에는, 유지 관리 활동을 결정하기 위한 고속도로 구조물의 상태에 대한 목록 작성, 제안된 고속도로 코리더에 대한 계획, 그리고 진행 중인 도로 건설의 관리 등이 포함됨. 이러한 관리의 목적은, 고속도로 인프라를 가능한 최선의 상태로 유지하고, 제안된 고속도로가 특정 식물종을 쫓아내게 될 때 습지를 적절하게 보호하며, 건설 비용과 공공의 안전을 받아들일 수 있는 수준으로 유지하는 것임. 현재 사용되는 고속도로 평가 방법의 대부분은 값비싸고 많은 시간이 소요되어, 유타주 교통부 인원들은 더 값싸고 시간 효율적인 고속도로 관리 방법을 추구하는 것에 관심이 있음.

 

고속도로 관리에 적용 가능한 하나의 방법은 무인 항공기를 사용하는 것임. 가장 관심이 있는 무인 항공기 시스템은 스마트 글로벌 위치정보 시스템 (Global Positioning Systems: GPS) 를 사용하여 정해진 고도에서 정해진 경로로 날도록 미리 프로그램되고, 사진을 찍도록 명령하여 그 사진이 나중에 업로드되고 서로서로 연결되며 지상의 참조점에 대해 지리정보가 입력되는 것들임. 이 기술의 배후에 있는 과학의 많은 부분은, 유타주 교통부의 GIS 데이타베이스에서 신속하게 사용될 수 있도록 비행기가 착륙 후 사진들이 처리되는 방식에 관한 것임. 무인 항공기를 사용하여 유타주 교통부를 위해 수행된 이전의 유타주립대학 (Utah State University: USU) 의 연구는, 물고기가 통과할 수 있도록 하는 도로 아래의 암거 목록 (inventoried culverts) 에 관한 것이었음.

 

무인 항공기는 매우 고해상도의 사진을 사용하여 여러 고속도로 이슈들을 정확하게 파악하고 모니터링하는데 사용될 수 있음이 증명되었음. 이러한 사진 데이타셋은 유타주 교통부의 인원들을 위한 GIS 데이타베이스 안에서 중요한 도구가 될 수 있음. 사진이 수집될 수 있는 속도, 사진의 해상도 (센티미터 단위), 그리고 사진을 얻는데 드는 상대적으로 작은 비용은 유타주 교통부에 우호적일 것으로 예측됨. 추가로, 사진은 신속하게 값싸게 찍혀질 수 있기 때문에, 시간이 흐름에 따라 도로 위나 근처에서 발생하는 중요한 물리적, 환경적 변화를 정기적으로 문서화하기 위해 사용될 수 있음.

 

무인 항공기 기술

 

유타 수자원 연구소 (Utah Water Research Institute) 의 연구원들은 유타주 교통부의 인프라 및 잠재적인 고속도로 코리더의 고해상도 사진을 인공위성과 미리 결정된 경로로 안내되는 무인 항공기로부터 찍는 기술을 개발해 왔음. 이 기술은 고속도로 구조물의 목록을 만들고, 진행중인 도로 건설을 모니터링하며, 기존의 도로 상태를 평가하고, 미래의 도로 건설로 인해 제거될 수도 있는 식물종을 분류하는데 필요한 많은 정보를 제공할 수 있음. 추가적인 혜택으로는, 항공 사진이 찍히는 순간부터 유타주 교통부의 GIS 데이타베이스에서 가용하게 되는 시점까지의 빠른 처리 시간 (fast turn-around times) 을 들 수 있음. 위성 사진은 보통 유타주 교통부에 수 시간내에 고해상도 항공 사진을 제공할 수 있음. 다른 혜택으로는, 고속도로 구조물, 도로 페인트 반사도, 제방 유실 등의 목록을 작성할 수 있을 뿐만 아니라 고속도로 코리더를 따라 있는 습지와 유해 식물 (noxious weeds) 을 모니터링할 수 있음.

 

항공 센서가 더 작아지고 더 정확해짐에 따라, 처리 시간은 감소하는 반면, 수집되는 데이타의 정확도는 품질과 가용성에 있어서 증가할 것임. 무인 항공기 플랫폼도 개선될 것임. 유타 수자원 연구소의 연구원들은 현재 더 오래 날 수 있고 더 높은 품질의 카메라를 장착하는 다른 무인 항공기 플랫폼을 개발하고 있음. 다른 수직 이착륙 (Vertical Takeoff and Landing: VTOL) 무인 항공기 플랫폼도 개발되고 있음. 이러한 플랫폼은 수직으로 이착륙하고, 제자리에서 맴돌며, 더욱 낮은 고도로 날 수 있는 능력을 가질 것임. 사진에서 생성된 제품도 개선될 것임. 기하학적으로 수정된 모자이크 (orthorectified mosaics) 의 생성 및 사진의 분류에 더하여, 디지탈 고도 모델 (digital elevation models) 을 생산하기 위한 사진 및 3D 사진 측량 (photogrammetry) 에 대한 작업이 완료되고 있음. 추가적인 탑재 장비 (payloads) 도 개발되고 있는데, 여기에는 열 이미지 (thermal imagery), 대기질 센서 (air quality sensors), 및 라디오 물고기 추적 (radio fish tracking) 등이 포함됨.

 

AggieAir

 

AggieAir는 자동의 다중 스펙트럼 원격 센싱 플랫폼임. AggieAir의 목적은 더 많은 사람들에게 값싸고 다양하며 사용하기 편한 항공 사진을 제공하는 것임. AggieAir는 그것을 운영하기 위해 두 사람이 필요하며, 활주로가 필요 없음. 비행기는 번지 (bungee, 고무 밧줄) 를 이용하여 이륙하며, 지상으로 미끄럼 착륙 (skid landing) 을 함.

 

비행기의 앞부분의 배터리 칸에는 12볼트의 배터리 8개가 장착됨. 이 배터리는 비행기가 약 한 시간 동안 날 수 있도록 하는데 충분한 전력을 공급함. 메인 칸에는 탑재 장비와 관성 측정 장치 (inertial measurement unit: IMU) 가 장착됨. 이 경우에, 탑재 장비에는 두 개의 카메라가 포함됨: 하나는 스펙트럼의 가시광선 영역에서 사진을 찍고, 다른 하나는 스펙트럼의 적외선 영역 근처에서 사진을 촬영함. 관성 측정 장치와 GPS 수신기는 비행기의 센서임. 이들은 비행기의 방향과 위치를 각각 측정함. 이들 모듈로부터의 데이타는 처리되어 Gumstix에 의해 자동 조종장치 (autopilot) 으로 보내짐. Gumstix는 비행기에 장착된 컴퓨터로 데이타를 자동 조종장치로 보낼 뿐만 아니라 카메라와 다른 탑재 장비를 통제함.

 

Gumstix으로부터 위치 및 방향 데이타를 받아서, 자동 조종장치는 미리 프로그램된 비행 계획에 따라 비행기를 운행함. 자동 조종장치는 엘리본 (elevons: 보조 날개) 과 프로펠러를 사용하여 비행기를 운행함. 작은 날개 (winglets) 는 z축에 대해 추가적인 안정도를 제공함으로써 비행기의 운행을 도움. 위치, 방향 등과 같은 자동 조종장치로부터 수집된 데이타는 무선 모뎀을 통하여 지상 통제소 (ground control station: GCS) 로 전송됨. 이 데이타를 이용하여 지상 통제소의 운영자는 비행기를 감시하고 명령을 전달할 수 있음. 조종사는 라디오 컨트롤 (radio controlled: RC) 전송장치를 사용하여 비행기를 수동으로 조종할 수도 있음.

 

비행기 탑재 장비

 

AggieAir는 여러개의 많은 장비를 탑재하도록 설계되어 있음. 하지만, 현재 AggieAir를 위해 개발된 유일한 탑재 장비는 GhostFoto (GFoto) 임. GFoto는 비행기에 장착된 Gumstix 컴퓨터로부터 USB를 통하여 통제되는 캐논 카메라 (Canon camera) 임. Gumstix는 카메라에게 언제 사진을 찍고, 언제 비행기의 위치 및 방향을 기록할지를 알려줌. GFoto는 또한 지상 통제소로 상태 메시지를 보내서 운영자로 하여금 모든 것이 올바르게 작동하는지 확인할 수 있도록 함. 비행 후에는, 이미지와 데이타 로그가 비행기로부터 지형공간 실시간 항공 사진 디스플레이 (Geo-spatial Real-Time Aerial Image Display: gRAID) 플러그인으로 다운로드될 수 있음. gRAID는 각각의 원격 측정 (telemetry) 데이타로 이미지를 보정함. 이 과정 이후, gRAID는 다른 GIS 소프트웨어에서 사용될 수 있도록 이미지를 저장할 수 있음. 보정의 정확성을 높이고 모자이크를 만들기 위해서 GPS 소프트웨어가 사용될 수 있음. gRAID는 GhostVideo (GVideo) 로 불리는 다른 탑재 장비와 함께 사용될 수도 있음. GVideo는 비디오 전송장치를 통하여 디비오를 지상 통제소로 보내기 위해 저해상도 비디오 카메라를 사용함. 지상에서는, gRAID가 원격 측정 데이타로 비디오 스트림을 보정하고 이미지를 실시간으로 보여주기 위해 사용됨. 그러나, 한가지 문제점은 GVideo의 저해상도와 대비 (contrast) 인데, 이는 저품질의 이미지를 생산함. 또다른 단점으로는, 비행기가 반드시 이미지를 받는 통신 범위 (communication range) 내에 있어야 한다는 것임.

 

지상 통제소 장비

 

지상 통제소 트레일러는 비행기에 대한 작업을 위한 테이블, 장비를 저장하는 캐비넷, 안테나를 위한 마운트, 장비에 전원을 공급하고 배터리를 충전하기 위한 발전기를 가지고 있음. 트레일러는 또한 비행기 및 인원을 위한 냉난방을 제공함.

 

연구 목적

 

이 연구의 목적은, 유타주 교통부가 도로 구조물과 관련 이슈들을 모니터링하고 문서화하는데 도움을 주도록 무인 항공기에서 얻어진 고해상도의 항공 사진을 사용하는 것임. 이 보고서에서 요약된 연구 내용은 다음의 두 가지 목표를 포함함.

 

1.  현재 진행중인 고속도로 건설 프로젝트에 대해서 공사전, 공사중, 공사후를 모니터링하기 위한 고해상도의 사진 이미지를 찍기 위해 무인 항공기를 사용하는 것
2.  습지 식물종을 분류하기 위한 목적으로 RGB와 NIR로 디지탈 사진 이미지를 찍기 위해 무인 항공기를 사용하는 것

 

이 프로젝트로부터의 자금은 이러한 두 가지 목표 하에서 무인 항공기의 적용 가능성을 연구하고 무인 항공기의 기능과 효율성을 개선하기 위한 방법들을 찾는데 사용되었음. 첫번째 목표를 위해서 유타 공항 (Utah airport) 근처의 Southern Parkway 건설 프로젝트에서, 두번째 목표를 위해서 유타 호수의 북동부 쪽에 위치한 습지 제방에서 여러번에 걸쳐 무인 항공기가 비행하였음.