D2000은 상하이 도심의 스마트 시티 건설을 지원하기 위해 D-OP4000 틸트 카메라 모듈을 탑재했습니다.

우리나라의 '디지털 도시'가 '스마트 도시'로 끊임없이 변화하고 발전함에 따라, 2차원 벡터 데이터 기반의 GIS 응용 프로그램으로는 도시의 지능형 관리 요구를 충족하기 어려워지고 있습니다. 제14차 5개년 계획 기간 동안 국가 기본 측량 및 지도 제작 사업의 중요한 과제는 도시 3D 플랫폼 구축입니다. 이 플랫폼은 도시의 자연 자원 종합 관리 및 스마트 도시 관리를 위한 3D 기반을 제공하고, 도시 계획, 관리, 소방, 비상 대응, 생태 환경 모니터링 등의 관리 플랫폼에 필요한 기본 데이터와 정보를 제공할 수 있습니다. 따라서 지리 공간에서 3D 데이터를 신속하고 정확하게 획득하는 것은 중국의 실제 3D 구축에 중요한 기반이 되었습니다. 드론 경사 사진 측량은 효율적이고 유연한 데이터 획득 능력 덕분에 경사 사진 데이터를 얻는 중요한 방법으로 주목받고 있습니다.

그러나 전문 항공 카메라와 비교했을 때, 드론은 무게가 가볍고 카메라 초점 거리가 짧다는 단점이 있습니다. 고층 건물이 많고 건물 높이 차이가 큰 도심 지역에서 고해상도 드론 경사 촬영 이미지를 얻는 것은 도시 드론 경사 사진 측량의 기술적 난제입니다. 본 연구에서는 망원 D-OP4000(하향 촬영 시 초점 거리: 40mm, 측면 촬영 시 초점 거리: 56mm) 경사 촬영 모듈을 장착한 페가수스 D2000 쿼드콥터 드론을 이용하여 대도시 도심 지역에서 드론 경사 사진 측량의 데이터 획득 및 실제 장면 3D 구현을 모델 적용을 통해 탐구하고자 합니다.

연구 영역 범위

연구 지역은 상하이 황푸강 북쪽 강변, 난징로에 인접한 곳에 위치해 있으며, 상하이 국제건축박물관이 자리하고 있습니다. 100미터가 넘는 나머지 건물들은 상대적으로 규모가 작아 고해상도 드론 경사 촬영 이미지를 얻어야 하는데, 이는 매우 어려운 작업입니다.

연구 지역의 고층 건물 사진

기술적 경로는 그림 3에 나타나 있습니다. 상하이 북와이탄 지역의 건물 높이 DSM 데이터를 기반으로 PHOTOMOD 디지털 고도 모델을 사용하여 수동으로 DSM을 편집했습니다. 높이가 320미터와 260미터인 일부 건물에 대해서는 높이 변경 비행을 수행했습니다.

인공 지형

그림 4는 연구 지역의 디지털 표면 모델(DSM)을 보여줍니다. 건물 높이는 3m에서 320m까지 다양하며, 가장 높은 건물인 매그놀리아 빌딩은 320m입니다. PHOTOMOD DEM 편집 모듈을 사용하여 DSM 모델을 수동으로 편집하고, 매그놀리아 빌딩을 중심으로(100m 확장) 계단식 지형의 높이를 80m(빨간색), 50m(연한 노란색), 30m(노란색), 10m(녹색)로 조정합니다.

경로 계획

인공적으로 모의된 지형에 따라 고도 비행을 수행했으며, 경로 계획 비행 고도는 319미터이고, 매그놀리아 플라자의 최고 비행 고도는 400미터입니다. 경로 중복률은 80%, 측면 중복률은 70%입니다.

이미지 제어점 배치 및 측정

조사 지역이 도심 지역에 위치해 있기 때문에, 본 프로젝트에서는 지상 기준점과 검사점을 200~300미터 간격으로 배치하고, 기존의 횡단보도, 계단 모퉁이 등을 영상 기준점으로 활용하며, CORS 네트워크 이동국 모드의 RTK 측정 방식을 사용하여 영상 기준점의 좌표를 측정하였다. 총 50개의 영상 기준점과 검사점이 배치되었다.

지상 기준점 측정 및 분포 지도

드론 비행

조사 지역이 상하이 도심에 위치해 있어 전자기 간섭이 비교적 심각했습니다. 드론과 지상 관제소 간의 통신을 유지하기 위해 260m 높이의 래플스 빌딩 옥상에 있는 헬리콥터 도킹 스테이션을 이륙 지점으로 선택했습니다. 옥상 이륙에는 두 가지 이점이 있습니다. (1) 도심에서 지상 드론과 지상 관제소 간의 유효 통신 거리는 약 1km이지만, 래플스 시티 타워 옥상에서는 드론과 지상 관제소 간의 통신이 정상적으로 유지되어 특수 상황 대처가 용이하고 비행 안전이 보장됩니다. (2) D-OP4000의 탑재량이 정사영상 장비 및 D-OP3000보다 무겁기 때문에 260m 높이의 건물 옥상에서 비행하면 상승 단계에서 드론의 전력 소모를 최소화하고 드론의 ​​틸트 촬영 성능을 향상시킬 수 있습니다. 조사 지역의 면적은 약 5.46㎢이며, 총 4회의 비행이 수행되었습니다. 현장 작업 사진들이 나와 있습니다.

무인항공기(UAV) 비행 운용

상하이 북와이탄의 스카이라인 전경

황푸강 수로의 중심선을 따라 북쪽 와이탄의 측면 모습을 순차적으로 촬영한 후, 모든 측면 모습을 이어 붙여 그림 9와 같이 상하이 와이탄 스카이라인 경관도를 제작했습니다. 이 스카이라인 경관도를 통해 상하이 황푸강 북쪽 강변에 위치한 완궈 건축박물관의 아름다운 경관을 잘 보여줄 수 있었습니다. 이는 상하이의 도시 건설 계획 및 역사 건축물 보호와 전시를 위한 훌륭한 자료를 제공합니다.

역사적 건축물의 복원 및 보존

상하이의 와이탄은 국제 건축 박물관으로 알려져 있기 때문에, 이곳을 어떻게 보호하고 보수할지는 상하이 도시 건설에 있어 중요한 과제입니다. 1934년 유명한 영국 건축가 프랑세가 설계한 상하이 빌딩(이전 명칭은 브로드웨이 맨션)을 예로 들어보겠습니다. 드론 항공 사진 측량을 통해 상하이 빌딩의 외관과 설계 치수를 정확하게 얻을 수 있으며, 이를 바탕으로 실물 3D 모델을 제작하여 상하이 빌딩의 보호 및 보수 계획에 대한 시각적인 보수 효과와 보호 공사 계획을 수립할 수 있습니다.

본 연구는 고층 건물이 많고 전자기 환경이 복잡한 상하이 도심을 배경으로 진행되었으며, 이는 전국적으로 스마트 시티 및 경사 사진측량 적용 사례를 잘 보여주는 사례입니다. 본 연구는 지형 변화를 인공적으로 시뮬레이션하는 고고도 비행 방식을 창의적으로 도입하고, D-OP4000 망원(40mm) 풀프레임 카메라의 성능 특성을 활용하여 도심 지역에서의 다중 비행 문제를 해결했습니다. 이를 통해 경사 항공 사진측량의 효율성을 향상시키고 데이터 수집 품질을 확보할 수 있었습니다. 주요 결론은 다음과 같습니다.

(1) 인공적으로 시뮬레이션된 지형 변화 비행: 도시 건물의 높이를 인공적으로 최적화하고 지형으로 시뮬레이션한 다음 UAV 관리자의 고도 변화 경로 계획 및 설계와 결합하여 UAV 도시 모델링의 비행 해상도 불일치 문제를 해결하고 서로 다른 층 높이에 따라 하나의 조사 영역을 여러 번 비행해야 하는 문제를 해결합니다. 이는 데이터 수집 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 데이터 품질도 보장합니다.

(2) 옥상에서의 망원 이륙: 도심 지역은 고층 건물이 많아 일반적인 초점 거리의 카메라로는 고해상도 이미지를 촬영하기 어렵습니다. 예를 들어, 본 연구 지역에서 가장 높은 건물은 320m입니다. 고속 촬영 시 비행 고도는 약 191m에 불과하며, 260m 및 320m 높이의 고층 건물 근처에서는 비행 위험이 발생하기 쉽습니다. 따라서 비행 계획 시 건물 높이에 따라 다른 고도를 설정해야 하는 경우가 많습니다. 그러나 본 연구에서는 장초점 카메라(40mm)를 사용하여 더 높은 비행 고도(319m)에서도 동일한 해상도(3cm)의 데이터를 촬영할 수 있었습니다. 또한, 260m 높이의 건물 옥상을 이륙 지점으로 설정함으로써 도심 지역에서의 드론 비행 시 발생하는 강한 전자기 간섭 문제를 해결할 뿐만 아니라, 드론 배터리 소모량을 줄이고 이륙 시간을 단축할 수 있었습니다.

(3) 실세계 3D 모델의 응용 시나리오 탐색: 본 연구에서는 도시 3D 실세계 모델의 데이터를 통해 황푸강 북쪽 기슭의 스카이라인 경관을 추출하고 상하이 건물 보호 및 수리 계획 수립 시 실세계 3D 모델을 측정 및 계획 설계에 활용하여 실세계 3D 모델의 응용 시나리오를 풍부하게 했습니다.