이 연구의 주요 목적은 LiDAR 기술의 다양한 사용처를 탐색하고 노스캐롤라이나 교통부(North Carolina Department of Transportation, NCDOT)의 사례에 적용가능성을 평가하는 것임. NCDOT는 LiDAR가 어떻게 그리고 언제 가장 효과적으로 사용될 수 있는지 결정하는데 있어 이 정보를 사용할 수 있음. 시간과 인적 자원을 절약하는 것에 더하여, LiDAR는 안전의 향상, 효율성의 증대, 상세함과 같은 추가적인 가치를 제공함. 이 보고서에서 상세하게 기술된 적용사례는 NCDOT로 하여금 LiDAR의 적용을 통하여 아래에서 명시된 NCDOT의 목표를 달성하는데 유용한 정보를 제공함:

ㅇ 시야 거리, 포장 교차 경사, 암반사면 평가, 공항 장애물 조사, 충돌 재건설과 같은 적용르 통하여 교통 네트워크를 더 안전하게 만듦.
ㅇ 새로운 교통 개선 건설 프로젝트, 교통 흐름 추정, 주차 효율화를 통하여 교통 네트워크가 사람과 화물을 더 효율적으로 이동하도록 만듦.
ㅇ 구조적 건강 분석, 도로포장 평가, 암반 사면 평가, 사면 안정과 같은 적용을 통하여 인프라를 더 오래 지속하도록 만듦.
ㅇ 특정 적용사례에서 더 효율적이고 더 생산적인 기술을 활용함으로써 조직을 더 일 잘하는 곳으로 만듦.
ㅇ 위험한 교통 상황과 다른 위험 환경에 대한 노출을 최소화함으로써 직원을 보호하는 기술을 활용함으로써 조직을 더 일하기 좋은 곳으로 만듦.

이 연구 프로젝트의 결과는 NCDOT에 유용할 다음의 연구 결과를 문서화하였음: 미국 및 전세계에 걸쳐 현재의 LiDAR 상태에 대한 문헌 검토; 다양한 교통 적용사례에 대한 한 페이지의 요약; NCDOT 부서와 LiDAR에 대한 논의 요약; 그리고 LiDAR의 사용에 있어 주 교통기관들에 대한 설문조사 결과.

광 탐지 및 거리 측정(LiDAR, light detection and ranging)은 미국에서 점차 인기를 얻고 있으며, 주 교통기관들은 교통 관련 적용을 위해 이 기술의 실제적인 사용을 채택하고 있음. 이는 LiDAR 스캐너를 획득하고 LiDAR 서비스에 대한 계약을 체결하는 기관들의 수가 증가하는 것을 볼 때 이러한 추세는 자명함. 이 추세의 기저에 있는 주요 요소들로는: (1) 측량가, 공학자, 및 기술자는 LiDAR와 그 적용에 대해 더 많은 교육을 받고 있음; 그리고 (2) LiDAR는 기존의 측량 기술보다 종종 비용 대비 더 효과적임. 경제성뿐만 아니라, LiDAR은 안전의 향상, 효율성의 증가, 상세함과 같은 추가적인 가치를 제공함.

이 기술이 지속적으로 향상되고 더 가용하게 됨에 따라, 주 정부기관들은 다양한 교통 개선 프로젝트에 LiDAR의 능력을 적용하고 있음. 따라서, 이 연구는 LiDAR의 가장 유망한 교통분야에의 적용사례가 무엇인지 파악하고, 공학자들과 측량가들에게 언제, 어떻게 LiDAR를 활용지에 대한 지침을 제공함.
 

LiDAR는 레이저(lasers), 센서(sensors), 전지구적 위치시스템(global positioning systems, GPS), 관성 항로시스템(Inertial Navigation Systems, INS)을 범위 기반의 이미징 도구로써 통합함. LiDAR 스캐너는 개별 레이저 주파수의 초기 이송과 반사된 신호가 돌아오는 것을 탐지하는 것 사이의 시간차를 계산함으로써 물체나 표면까지의 거리를 측정함. 이는 레이다(radar)나 초음파 탐지(sonar) 기술과 비슷함.

스캐너는 자신의 위치에 대해 주변 환경을 파악하기 위해 방출된 레이저가 돌아오는 횟수, 비행시간(time-of-flight)을 계산함. 표면에 충돌하고 되돌아오는 각 레이저의 주파수는 디지털 3차원 공간에 기뢱되는 XYZ 좌표를 가짐. 디지털 공간의 점을 통합하면 점 구름(point cloud)으로 알려진 것을 구성하게 됨. 점 구름은 수백 만개의 점으로 구성될 수 있고, 레이저 방출의 밀도와 스캔된 표면까지의 거리에 대한 스캐너의 설정에 달려있음.

대안적으로, 단계 기반의(phase-based) 스캐너는 단계 상쇄 기술(phase-offset technology)로 거리를 계산함. 이 기술은 레이저 방출 강도를 측정하기 위해 일정한 레이저 주파수를 내보냄. 크기가 변조된 연속파 레이저가 보내지고; 빔(beam)이 표면과 접촉하게 되면 신호에서의 변경이 탐지되고 공간에 점으로 기록됨. 그 강도는 각 레이저가 충돌하는 표면의 반사도(reflectivity)에 달려있음. 일반적으로, 더 밝은 색상을 가진 더 가까운 표면은, 더 멀리 떨어진 더 어두운 표면보다 더 높은 반사도를 끌어냄. 비행시간 센서와 비교할 때, 단계 기반의 시스템은 1초에 더 많은 점을 얻을 수 있음. 그러나, 단계 기반의 스캐너는 일반적으로 옥내나 짧은 거리의 적용에 활용되고, 비행시간 스캐너는 훨씬 더 긴 거리에서 적용됨. 더 긴 거리는 비행시간 시스템을 교통 사례에 더욱 적용가능하도록 만듦.
 

LiDAR는 1990년대 이후로 상업적으로 가용하였음. 이 기술은 데이터 처리뿐만 아니라 표면과 물체 감지에 있어서 계속해서 급속한 개발을 경험하고 있음. 예를 들어, 10년 안에 스캐너 측정률은 초 당 10만 개의 점에서 50만 개의 점으로 증가해왔음. 또한 센서 속도는 50 Hz에서 200 Hz로 증가하였음. 전체 시스템의 비용은 거의 똑같고, 구매자나 사용자들은 기술이 진보함에 따라 더 낮은 비용으로 더 나은 성능을 가질 것으로 예상함. 따라서, 현재의 시스템 능력을 언급하기 보다는, 유용하고 고품질의 LiDAR 시행과 관련된 원리들을 정의하는 것이 더 이로울 수 있음.

일반적으로, LiDAR는 세 가지의 적용 타입이 있음: (1) 스캐너가 정지해 있는 측량대에 올려져 있는 고정식 지상 시스템(fixed-terrestrial system); (2) 차량, 열차나 배에 장착된 이동식 지상 시스템(mobile-terrestrial system); 그리고 (3) 비행기나 헬리콥터에서 스캔하는 공중 시스템(airborne system). 각 플랫폼은 적용, 시간 요구사항, 비용 및 정확도에 따라 다름.
 

LiDAR는 원격 센싱기술로, 기하학적, 지리적 정보의 수집을 위해 점 구름의 형태로 3차원의 모델을 생성하기 위해 여러 센서를 통합함. LiDAR의 타입에는 주로 세 가지 플랫폼이 있는데, 고정식 지상시스템, 이동식 지상시스템, 그리고 공중 시스템이 그것임. 각 플랫폼은 비용, 정확도, 데이터 수집시간에 따라 다르며, 여러 다양한 사례에 시행될 수 있음.

<표 1>에서처럼, 레이다 차트(radar chart)는 그들의 적용가능성, 비용 대비 효과성, 데이터 수집 생산성, 사용의 용의성, 상세한 정도, 처리후 효율성, 안전성에 대해 세 가지 플랫폼을 비교하였음. 각각의 분야에 대해 5점 기준이 적용되었는데, 5점은 가장 높은 점수이고 1점은 가장 낮은 점수이며 3점은 보통 점수임. 이 비교차트는 모든 교통 관련 적용사례에 대한 LiDAR의 활용도에 근거하고 있음. 성능 분류 및 상대적인 플랫폼 평가는 더 자세히 논의됨. 특정한 적용사례를 다룰 때, 각 플랫폼의 평가는 프로젝트의 연구범위에 따라 달라질 수 있음. 이 차트는 LiDAR을 채택하는 의사결정 과정에서 도움이 되도록 사용될 수 있음.

<그림 1>LiDAR 플랫폼의 비교

ㅇ 적용가능성(applicability)은 각 플랫폼이 교통 관련 프로젝트에서 가지고 있는 유용한 적용사례의 수로 결정됨. 지금까지 고정식 지상 시스템이 많이 사용되었지만, 이동식 지상 시스템에 대한 미래의 추세가 분명함. 이는 스캐너 기술의 발달 때문인데, 이동식 지상 시스템은 고속도로의 속도로 이동하면서 측량/공학적 데이터를 획득하는 능력에서 상당히 이점이 있을 것임. 따라서, 이동식 시스템은 넓은 프로젝트 지역을 담당하면서 가장 정확한 점 구름을 생산할 수 있음. 공중 LiDAR는 걸어서 또는 차량으로 접근할 수 없는 지역에서 사용될 수 있지만, 제한적인 사진/항공 능력과 정확도로 인해 중간 점수를 받았음.

ㅇ 비용 대비 효과성(cost effectiveness)은 한 시스템이 다른 시스템에 대해 가지는 시행상의 경쟁력을 나타냄.

ㅇ 데이터 수집 생산성(data collection productivity)은 이동식 및 공중 LiDAR가 고정식보다 더 높음. 왜냐하면, 전자는 후자보다 한번의 스캔에서 훨씬 더 많은 지상을 담당할 수 있기 때문임.

ㅇ 사용의 용이성(ease of use)에 있어서, 고정식 지상 시스템은 훈련받은 기술자가 스캔 사이클을 활성화하기만 하면 되지만, 이동식 지상과 공중 LiDAR는 GPS 및 INS 장치에 대한 지식을 필요로 함.

ㅇ 상세함의 정도(level of detail)에 있어서, 고정식 지상 시스템은 가장 높은 절대적 정확성과 상대적 정밀도는 가짐.

ㅇ 처리후 효율성(post processing efficiency)는 지상 스캐너에 대해 상대적으로 낮음. LiDAR는 데이터 수집 생산성에서 이점이 있지만 처리 후 효율성에서는 낮음.

ㅇ 안전도(safety)는 데이터 수집과 관련한 현장의 인원과 이동하는 대중들에 대한 잠재적 위험의 감소를 말함.