A Study on the Application of the Army Geographic Information Program (Terra Explorer) in Industrial 3D Mapping Technology

산업용 3D 매핑 기술의 육군 지형정보프로그램(Terra Explorer) 적용에 관한 연구

Abstract

In recent industrial sites, industrial drones and 3D mapping technology (drone, lidar, photographic measurement-based) are used to secure precise survey and spatial information, and the photographic data taken in this way is generated as a three-dimensional high-definition model. The Army uses a geographic information program called Terra Explorer during military operations, but it is impossible to generate data through 3D mapping of the program itself, and since the satellite map screen shown in the program is expressed in two dimensions, altitude information and spatial information cannot be known. For the Army, which operates troops on the ground and operates, this three-dimensional high-definition geospatial information is very important. Therefore, this study aims to supplement the shortcomings of the geographic information program called Terra Explorer used by the Army, and to verify whether the three-dimensional spatial information generated by the three-dimensional mapping of industrial drones can be applied to Terra Explorer, the Army's geographic information program, and to obtain efficient geographic spatial information through this.

최근 산업현장에서는 정밀 측량 및 공간정보 확보를 위해서 산업용 드론과 3D 매핑 기술(드론·라이다·사진측량 기반)을 사용하고 있으며, 이렇게 촬영된 사진데이터는 3차원의 고화질 모델로 생성된다. 육군은 군사작전 시 Terra Explorer이라는 지형정보프로그램을 사용하고 있지만, 프로그램 자체 3D 매핑을 통한 데이터 생성은 불가하며, 프로그램에서 보여지는 위성 지도의 화면은 2차원으로 표현되기 때문에 고도정보와 공간정보를 알 수가 없다. 지상에서 병력을 운용하고, 작전을 수행하는 육군 입장에서는 이러한 3차원의 고화질 지형 공간정보는 상당히 중요하다. 따라서 본 연구에서는 육군이 사용하고 있는 Terra Explorer이라는 지형정보프로그램의 단점을 보완하고, 산업용 드론의 3D 매핑(Three-dimensional Mapping)으로 생성된 3차원 공간정보데이터가 육군의 지형정보 프로그램 Terra Explorer에 적용할 수 있는지를 검증하고, 이를 통해서 효율적인 지형 공간정보 획득을 목적으로 한다.

1. 서론

인공지능(AI), 사물인터넷(IOT), 빅데이터, 모바일 등으로 대표되는 4차 산업혁명의 기술들은 드론의 발전과 활용 범위 확대에 중요한 기반이 되었으며, 더불어서 산업용 드론의 기술발전은 산업현장 전 분야에서 효율성과 능력을 증명하고 있다. 산업용 드론은 고해상도 카메라, 열화상 센서, 라이다(LiDAR) 등이 탑재되어 지상의 3D 공간정보 데이터를 획득하고, 시각화하고, 항공 삼각 측량을 통해서 다양한 3D Tiles(정사 영상, DEM/DSM, 3D Mesh 등) 형식으로 추출한다 [1]. 본 연구는 산업용 드론의 이러한 특화된 기술들을 군사작전에 적용하여 더욱더 효율적이고, 스마트한 육군이 될 수 있기를 기대하면서 연구를 진행하였다. 모든 산업현장은 지상에서 이루어지기 때문에 지형 공간정보의 필요성과 정확성은 절대적이며, 작은 오차 발생은 전체 공사 기간과 품질에 영향을 미친다. 지상에서 병력을 운용하고, 작전을 수행하는 육군의 입장에서도 정확한 지형 공간정보의 필요성은 절대적이며, 이러한 지형 공간정보를 정확하게 획득하고, 활용하는가 문제는 전투의 승패를 결정하는 중요한 요인이 될 수 있다. 이러한 3D 대응 기술은 이미 다양한 현장에서 실효성이 입증되어 활발하게 활용되고 있다. 2015년 네팔 수도 카트만두에 지진으로 붕괴한 다라하라 타워 복원 시 드론 기반의 3D 매핑이 피해 현황을 정밀하게 재현하여 복구계획 수립의 핵심 자료로 활용되었다 [2]. 또한, 2019년 남양주시 학습동아리 ‘Land&Space Info’가 드론을 이용하여 다산신도시에 개발 진행 중인 2청사 인근을 3D 모델링을 통해 실제와 동일하게 구현하였고, 3D 매핑과정을 거쳐서 디지털 입체영상으로 변환하였다. 3D 매핑으로 얻어진 공간정보 데이터는 시설물의 높이, 길이, 면적 등을 산출할 수 있으며, 부피(토공량) 등의 측정이 가능하기 때문에 건설현장의 공정관리, 안점 점검에서 사용되고 있으며, 최초 설계도면과 촬영된 공사 진행 사진을 중첩하면 잘못 시공된 부분을 조기에 탐지할 수 있고, 지적도와 중첩하면 지적조사, 측량조사, 지형정보 수집 등을 할 수 있다 [3]. 2015년 美 버지니아 소재 육군 지리연구소(Geospatial Research Laboratory, GRL)에서 드론을 이용하여 일반항공 영상을 단 몇분 만에 3D 매핑으로 정확한 입체지도 제작이 가능한 자동 사진측량 시스템을 개발하였다. 이 시스템을 검증하기 위해서 美 제101공수여단(101st Airborne Division)이 켄터키주 Fort Campbell의 모의 도시에서 테스트를 진행했으며, 이라크 지역에서도 비전투 목적으로 활용되었고, 특수 작전 부대, 지형전문가, 지리 공간정보를 다루는 사람들이 이 시스템을 이용하고 있다. 이 시스템의 특징은 드론을 이용하여 FMV(Full Motion Video, 드론에 탑재된 센서가 지속적으로 촬영·송신하는 실시간 동영상 스트림, 연속적 영상 프레임과 시간·위치·방향 정보(메타데이터) 전송 가능)를 이미지 파일로 변환하고, 메타데이터를 추출하여 정확한 2차원 및 3차원 지리 공간정보를 실시간으로 생성하는 사진측량 분석방법이며, 이미 실용화된 기술이다 [4]. 호주연방과학원(CSIRO)의 과학자들은 동굴 내부를 탐사할 수 있는 드론인 호버맵(Hover map)을 개발하였다. 동굴이나 광산은 사람이 측량하거나 탐색하기에는 너무 좁고 위험하며 깊은 지하 공간에서는 데이터 수집이 불가능하고 또한 협소한 공간에서 드론을 띄우게 되면 벽에 부딪히거나 추락하게 되는데, 호버맵(Hover map)은 영상촬영이 가능하도록 벽에 부딪히지 않고 GPS 신호 없이 자율주행과 전 방향 충돌방지 센서와 라이다(Lidar) 센서가 탑재되어 어둡고 좁은 환경에서도 지형을 분석하고 실시간 3D 매핑이 가능하도록 설계되었다 [5]. 이렇듯 상업용 드론의 진보된 기술들을 군에서 적용하면 가시선(Line of Sight) 분석, 거리, 표고 분석, 지형분석 등 다양한 지형정보획득이 가능하다. 이에 본 연구에서는 지형분석과 공간분석이라는 측면에서 산업용 드론의 3D 매핑(Mapping, 드론에 장착된 카메라, 센서 등을 이용하여 특정 지역에 대한 3차원 공간정보를 수집하여 입체적인 디지털 지도·모델을 생성으로 추출된 3차원 디지털 입체지도) 기술을 육군이 사용하고 있는 지형 공간정보 프로그램에 적용해 보았다. 본 논문의 구성은 2장에서는 3D 매핑기술과 관련된 연구사례와 기술 동향을 알아보고, 3장에서는 산업용 드론의 군사 목적으로써의 활용 가능성과 한계를, 4장에서는 상업용 3D 매핑을 통한 공간데이터를 군사용 Terra Explorer에 적용방안을 제시하고, 5장에서는 결론을 맺는다.

2. 관련 연구 및 3D 매핑 기술 동향

2.1 관련 연구

3D 매핑과 관련된 연구는 크게 군사작전용 3D 매핑, 기후환경변화 모니터링, 공간정보 구축 등으로 구분되어 연구가 이루어져 왔다. 첫 번째, 군사작전에 활용된 연구를 살펴보면, 도시지역은 군사작전을 하기에는 매우 불리한 조건이며, 이러한 복잡한 도시지역에서 효율적인 군사작전을 수행하기 위해서는 해당 지역에 대한 공간정보와 작전환경에 대한 이해가 절대적으로 필요하다. 군은 싸워야 할 공간분석을 지형 정보프로그램 Terra Explorer를 활용하고 있지만, 이 프로그램은 국가 예산 문제로 수개월∼수년이 지나야 업데이트가 되는 실정이다. 도시지역에서의 전투는 시가지 속에서 진행되고, 건축물 등의 파괴로 수많은 사상자가 발생하기 때문에 도시 속에 숨은 적을 효과적으로 식별하고, 한 번에 제압하기 위해서는 정확한 지형 공간정보가 필요하다. 또한, 우리나라 국토의 70% 이상이 산악지형이며, 지형 특성상 다수의 고지군, 능선, 협곡, 경사, 암석, 절벽, 소로길, 하천 등으로 이루어져 있고, 이러한 산악지역은 위성영상만으로 정밀하게 살피는 것은 제한적이며, 항공기를 이용하면 전체적인 지형데이터 획득은 가능하겠지만, 울창한 수풀로 이루어진 산악지역을 정밀하게 관측하는 것은 불가능하다. 이것을 해결하기 위해서는 지상 고도 150M 이하의 초저공에서 상업용 드론을 이용하여 3D 매핑을 진행한다면 숲속의 복잡한 지형 공간구조를 확인할 수 있으며, 야간, 안개, 미세먼지 등으로 인하여 촬영 제한 시 라이다(LiDAR) 센서(Light Detection And Ranging, 레이저를 목표물에 투사하여 사물과의 거리 및 다양한 지형지물을 감지)를 이용한다면 복잡한 지형지물에 대한 공간데이터 수집이 가능하다 [6]. 또한, 저비용 드론 기반의 항공사진측량이 군사적으로도 충분히 실용적이며, 특히 비행장 피해평가 및 정밀 표적 지정과 같은 응용사례에서 높은 효율성이 입증되었다. 그리고 전통적인 항공, 위성 기반 측량보다 훨씬 신속하고 저렴하게 현장데이터 수집이 가능하며, 전장 환경, 긴급 정찰 등 전술적 상황 등에서 즉각적인 대응 도구로 적합하다. 즉, 상용 소형 드론의 사진측량 기법만으로도 군사작전에서 필요한 3D 지도와 타격 지원 데이터를 빠르고 저비용으로 확보할 수 있다 [7]. 두 번째, 기후환경변화 모니터링 분야의 연구를 살펴 보면, 2018년 여름, 100년 만의 폭염 등 기후변화로 인하여 설악산 국립공원 내 분비나무와 눈잣나무 군락의 일부의 집단 고사가 발생하였다. 소백산 국립공원 비로봉 서북쪽 해발 1200m 이상의 고지대에는 천연기념물 제244호 소백산 주목군락이 33만m²에 달하는 넓은 면적에 분포되어 있었다. 이러한 전체 피해 규모를 측정하기 위해서 인력이 투입될 경우, 약 6개월의 시간이 소요된다는 조사결과가 나왔고, 결국 드론의 3D 매핑을 이용하여 고해상도 정밀지도를 제작하고, 인공지능기술을 접목하여 피해목들의 현황을 파악하였다 [8]. 현재 3D 매핑 등 드론을 기반한 기후환경 모니터링은 환경 변화를 측정하고, 야생동물 보호 노력을 하는데 중요한 도구로 인정받고 있으며, 데이터 수집, 접근성, 효율성 측면에서 많은 이점을 제공한다. 다양한 센서를 갖춘 드론은 고해상도 이미지와 열화상 카메라 및 다중 스펙트럼 데이터를 캡처하여 식생, 토지, 수역의 변화를 평가할 수 있다. 이러한 데이터들은 지구 과학자와 연구자들이 생태계 역학을 이해하고, 모니터링, 탄소 저장량을 평가하는 등 기후 변화가 서식지와 생물 다양성에 미치는 영향을 연구하는 데 많은 도움이 되고 있다 [9]. 또한, 세계 60개 국가의 도심 녹지공간을 인공위성 빅데이터를 이용하여 분석한 결과 녹지와 시민들의 행복 사이의 상관관계가 있는 것으로 나타났으며, 공원·정원·천변 등 도심 속 녹지공간은 미적 즐거움과 신체활동, 사회적 상호작용에 긍정적인 영향을 주는 것으로 분석되었다. 강원도 춘천시에서는 2020년에 춘천시내 19,701,4812m²의 대규모 지역을 드론을 이용한 3D 매핑을 통하여 NDVI(Normalized Difference Vegetation Index : 정규화 식생지수, 녹지율) 지수를 검출하고, 전체 면적대비 녹지율이 얼마인지 분석하였다. NDVI(정규화 식생지수, 녹지율)는 빛의 파장에서 적외선의 반사율이 조금씩 다른 점을 이용하여 적외선 센서를 통해 지수값을 계산하고, 식물에서 근적외선대의 반사율을 이용해 지수화하였다. 춘천 시내 전체 면적과 녹지율 면적을 분석한 결과, 식생지수 면적은 1,800,025m² 이고, 춘천 시내 전체 면적의 약 9.136%인 것으로 분석되었다 [10]. 또한 드론(UAV)의 3D 재구성 기술은 산사태 연구에서 대체할 수 없는 역할을 하고 있으며, 산사태 진화의 모든 단계를 지원하고 다차원에서 산사태 조사, 모니터링 및 관리를 포괄적으로 지원한다. 고유한 유연성, 높은 정밀도 및 효율성을 통해 조사부터 모니터링 및 재해 평가에 이르기까지 모든 측면에서 산사태 연구 및 실무를 지원하여 산사태 재해의 예방, 대응 및 복구에 대한 의사결정을 위한 강력한 기술 지원과 신뢰할 수 있는 기반을 제공한다. 요약하자면, 드론(UAV) 기반 3D 재구성 기술은 산사태 조사, 모니터링 및 재해 평가를 위한 필수 도구 역할을 하며, 유연성, 높은 정밀도 및 효율성은 재난 예방, 비상 대응 및 재난 후복구 분야의 의사결정을 위한 강력한 기술 지원과 신뢰할 수 있는 기반을 제공한다 [11]. 세 번째, 공간정보구축 분야의 연구를 살펴보면, 스마트시티, 디지털트윈, 도심 항공교통 등 대내외적으로 3D 공간정보의 수요가 급증함에 따라 국가 주도의 3D 공간정보 구축 방향에 변화를 겪고 있다. 브이월드(V-WORLD)는 한국판 Google Earth를 목표로 GIS 오픈 데이터 서비스를 제공하고 있으며, 최근 3D 공간정보의 필요성은 현실 세계를 가상화하는 디지털 트윈(Digital Twin)과 도심 항공교통(UAM)의 필수요소가 되었다. 서울시는 'S-Map' 사업을 통해서 서울시 전역을 3차원으로 구현한 3차원 공간정보 서비스((https://smap.seoul.go.kr/)를 제공하였으며, 2년마다 서울시 전역에 대한 3차원 공간정보를 제공한다. 하지만 많은 시간과 예산이 필요하기 때문에 신속하고, 빠르게, 저비용으로 건물의 입체모형을 생성할 수 있는 방안은 드론을 이용하여 필요한 지역을 촬영하고 이를 3차원 프로그램으로 생성한 공간정보 DB를 도심 항공교통(UAM)에 활용하는 것이다. 만약, 도시지역에서 UAM 운용 시 항공장애물 정보와 고층건물 등의 도시정보는 항행의 안전과 밀접한 연관이 있으므로 신속한 3차원 공간정보 구축이 필요하며, UAM 기체의 비행 특성상 지상 고도 600M 이하에서 비행하므로 비행장 주변과 회랑지 주변의 장애물 관리를 위해서라도 3D 매핑 기술을 이용한 신속한 3차원 지도 구축이 필요하다 [12]. 또한, 항공사진측량 기술에 의한 3차원 국토 공간정보는 항공촬영, 기준점 측량, 사진 기준점 측량, 건물객체 묘사, 텍스처링 및 실감 정사 영상(True Ortho image) 제작으로 진행된다. 촬영으로부터 얻어진 항공사진을 활용하여 실감 정사 영상과 건물의 텍스처 작업이 이루어짐으로써 고품질의 도시공간 재현이 가능하게 되었고, 무엇보다도 실감 정사 영상에 의해 3차원 건물객체와 배경영상의 건물 외곽 정보가 기하학적으로 일치하게 되어 기존의 발생하던 불일치로 인한 제작요소를 극복하게 되었다. 이후 3차원 국토 공간정보구축을 위한 도시 공간정보는 항공사진측량기술을 중심으로 서울시와 광역지방 단체를 중심으로 확대되었고, 특히 국토교통부에서는 2012년 한국형 구글어스를 지향하며 브이월드(V-World)라는 공간정보 플랫폼 서비스를 시작하였다. [13]. 네 번째, 대규모 지형 측량 분야에 관한 연구를 살펴보면, 드론을 활용한 영상취득과 자동화 처리는 2D 및 3D 디지털 데이터를 생성할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 이는 정밀 지형 측량 분야에 활용될 수 있다. 드론을 이용한 지형 측량은 인공구조물과 자연지형의 객체 위치 및 표고를 결정하기 위해 수행되며, 공학 및 토목에서 중요한 역할을 한다. 위성영상, 항공사진, 지상측량 등 다양한 발전으로 측량 기술과 효율성, 정확성은 높아졌지만, 기존의 방법에는 다음과 같은 한계가 있다. 고해상도 위성 및 항공 센서 장비의 도입과 데이터 처리 비용이 높으며, 전문기술자와 데이터 처리에 많은 시간이 소요되고, 구름, 대기 조건 등에 따라서 정확한 데이터 확보가 불분명하다. 이러한 문제를 극복하기 위해서 드론이 대안으로 활용되고 있으며, 대규모 정밀지형 측량에 적합하다. 드론을 이용하면 고도에서 오차가 있지만, 전체 정확도와 면적, 형태 측정에서 RTK-GNSS와 유사한 수준을 보이며 저비용의 기술로서 충분히 실용적이며, 디지털 모델(DEM/DSM)과 정사 영상제작에 충분히 신뢰할만한 정확도와 데이터를 제공한다 [14].

2.2 3D 매핑 프로그램 기술 동향

세계 각국은 다양한 목적을 가지고 3D 매핑 기술을 개발하기 위해서 많은 노력을 하고 있다. 예를 들면 정밀한 3D 지형 공간데이터는 작전계획 수립에 절대적이며, 재난 대응 및 안전관리 측면에서는 홍수, 산불, 지진 등 발생 시 피해 상황을 빠르게 파악할 수 있고, 소방·구조 활동 시에는 건물 내부·외부 진입 경로와 대피 경로 등을 제공한다. 또한, 실제 도시와 동일한 가상공간을 구축하여 교통 혼잡, 인구 분포, 에너지 사용량을 예측할 수 있고, 자율주행과 UAM(Urban Air Mobility, 도심 항공교통)은 3D 매핑데이터가 있어야 안정적으로 운행할 수 있다. 세계 각국에서 사용 중인 3D 매핑 기술의 동향을 분석해 보면 다음과 같다.

2.2.1 DJI Terra

DJI Terra는 중국 DJI에서 개발한 지리 공간 3D 매핑 소프트웨어이며, 드론을 이용한 촬영 데이터를 정밀 3D 모델/입체지도로 변환하기 위해서 개발되었다. 특징은 드론으로 촬영한 항공사진·LiDAR 데이터를 가공하여 포인트 클라우드(Point Cloud, 3차원공간상의 점(Points)들의 데이터 집합), 정사 영상(Orthophoto, 드론이 촬영한 항공사진을 기하학적 왜곡, 기울어짐, 지형 영향, 렌즈 왜곡 등을 보정하여 만든 지도 영상), 3D 메시(Mesh)모델(Point Cloud를 연결해 만든 3차원 표면 모델), 수치 표고 모델(Digital Elevation Model), 수치 표면 모델(Digital Surface Model)을 자동 생성하고, 데이터 처리는 사진 정합(Photogrammetry, 여러 장의 사진을 서로 겹치게 하여 동일 지점을 찾아내고, 3차원 형상으로 복원하는 기술) 알고리즘을 이용하여 촬영 순서대로 자동으로 정렬하고, 지상 기준점(GCP)과 실시간 위치보정 RTK(Real-Time Kinematic), 비행 후 위치보정 PPK(Post-Processing Kinematic) 등 후처리 과정을 거쳐서 3D 메시(Mesh) 모델을 생성한다. 출력형식은 OBJ, B3DM, OSGB, S3MB 등을 추출할 수 있으며, 포인트 클라우드 형식은 LAS, PLY, PCD, DEM, DSM을 생성할 수 있고, 면적·부피 등을 측정할 수 있다. 이 데이터들은 산업현장(건설, 토목, 측량, 도로, 교량, 설계), 도시계획, 농업, 환경관리, 수자원 관리), 군사연구 등 다양한 분야에서 활용되며, 장점은 위도, 경도, 고도정보 값을 제공하고, 실사 100% 구현할 수 있으며, 전 방향(기울기, 회전, 정면, 측면, 후면, 배면)으로 입체적인 그래픽을 제공하고 사실감이 뛰어나며 이질감은 없다.

(그림 1) 포인트 클라우드(Point Cloud) 생성

2.2.2 Skyline Terra Explorer

Skyline Terra Explorer는 미국 Skyline Software Systems 에서 개발한 3D 공간정보분석 소프트웨어이며, 군사·보안·도시계획 등에서 실제 지형기반의 3D 시뮬레이션 및 분석 수요를 충족시키기 위해서 개발되었다. 특징은 3D 공간정보(정사 영상, DSM/DTM, 3D Mesh 등)을 시각화하고, 도시계획, 건설, 군사작전 시뮬레이션 등에서 분석·의사결정을 지원하며, 다양한 3D Tiles 형식(OBJ, B3DM, OSGB, S3MB, GeoTIFF, Shapefile 등) 등과 호환이 가능하고, DJI Terra, Pix4D, Context Capture 등에서 생성한 모델도 불러올 수 있다. 가시선(Line of Sight) 분석, 거리, 면적, 부피 산출, 표고 분석, 비행경로 분석, 도시·산악 지형 기반 군사작전 훈련 모델링, 고층건물 그림자 효과, 조망권 분석 등이 가능하다. 장점은 대규모 3D 데이터 스트리밍 및 실시간 분석이 가능하고, 군사·재난·스마트시티 시뮬레이션에 특화되었으며, 단점은 데이터 생성이 불가하고, 가상공간정보, 그래픽 화소(pixel) 쪼개짐 현상, 질감 표현이 거칠다.

(그림 2) Terra Explorer 구현화면

2.2.3 Agisoft Metashap

Agisoft Metashap는 러시아 Agisoft LLC 사에서 개발한 3D 모델링 소프트웨어이며, 범용 사진측량 소프트웨어, 드론, 카메라, 위성 등 다양한 알고리즘을 이용해 자동으로 3D 모델을 재구성하기 위해서 개발되었다. 특정 드론·센서에 종속되지 않고, DSLR, 드론, 위성영상 등 다양한 입력 데이터를 처리할 수 있도록 설계되었으며, 군사, 연구, 건설, 문화재 등 폭넓은 분야에서 활용이 가능하다. 출력형식은 GeoTIFF, OBJ, FBX, LAS, PLY, COLLADA 이며, 장점은 특정 하드웨어에 종속되지 않기 때문에 호환성과 범용성이 뛰어나며, 연구·문화재 복원·고고학 등 오프라인으로 영상 처리가 가능하다. 단점은 사용자 인터페이스가 복잡하며, 실시간 공유·협업 기능이 부족하다.

2.2.4 Pix 4D mapper

Pix 4D mapper는 스위스 Pix 4D SA에서 개발한 3D 모델링 소프트웨어이며, 드론 매핑 소프트웨어 분야에서 가장 오래되고 정밀도와 안정성이 뛰어나다. 촬영한 사진을 자동으로 정사 영상(Ortho mosaic), 포인트 클라우드, 3D 메쉬(Mesh) 모델로 변환한다. 2010년대 초반 소형 드론의 보급으로 산업용 드론이 급속히 확산되었고, 3D 모델링 알고리즘을 상용화에 성공 이후, 건설·토목 현장에서 정밀하게 기록·분석이 가능해졌고, 작물 상태 분석, 식생지수(NDVI) 분석, 광산, 채석장에서 부피 계산 등 다양한 산업 분야에서 3D 매핑의 수요가 증가했다. 출력형식은 GeoTIFF, OBJ, SHP 등이 있다. 장점은 측량, 건설, 토목, 광업, 농업 등의 모든 산업 분야에서 폭넓게 사용하고 있으며, 다양한 모듈(Pix 4D mapper, Pix 4D fields, Pix 4D Bim)을 지원하고, 단점은 고가의 라이센스 비용과 오프라인 환경에서는 사용에 제한된다.

2.2.5 Drone Deploy

Drone Deploy는 미국의 Drone Deploy Inc에서 개발한 3D 모델링 소프트웨어이며, 실시간 클라우드 기반으로 빠른 현장 공유를 통한 협업이 가능하며, 건설·에너지 등 대규모 인프라 구축과 플랜트 건설에 특화되어 있으며, 사용방법과 사용자 인터페이스(UI)가 단순하고 심플한 것이 장점이다.

2.2.6 Parrot

Parrot은 프랑스의 Parrot S.A 에서 개발한 3D 모델링 소프트웨어이며, 데이터 보안 강화와 유럽 정부 기관의 요구에 맞춘 데이터 로컬 저장이 특징이며, 소방, 구조, 국방, 환경 모니터링 등 특정 임무에 특화되어 있다. 또한, 자체 보유한 Pix 4D 소프트웨어와 연동하여 3D 매핑, 사진 정합(Photogrammetry), GIS 분석에 강점이 있으며, 정부·군사·특수 산업 분야에서는 높이 평가된다.

3. 산업용 드론기술의 군사 목적으로의 활용 가능성과 한계

3.1 활용 가능성

현재 군은 산업용 드론을 군사작전에 적극적으로 활용하지 않고 있으며, 군의 보안 정책상 기술도입이 쉽지 않을 것으로 보여진다. 하지만 산업용 드론과 관련된 첨단 기술들을 군사작전에서 활용해야 하는 이유는 너무나도 많다. 첫 번째, 산업용 드론은 원래 건설·측량·재난·산림·환경·구조 목적으로 개발되었기 때문에 고해상도 광학 카메라, 열화상 카메라, 라이다(LiDAR) 센서 등을 탑재하고 있어서 원거리의 적의 활동, 규모, 상황, 시설, 장비 등에 대한 정보획득과 실시간 감시 및 추적능력이 뛰어나다. 두 번째, 현장 영상과 정밀한 공간지형 데이터를 기반으로 한 3D 맵핑 데이터는 상황을 빠르게 판단하고, 의사결정 속도를 높이는 데 결정적인 역할을 한다. 세 번째, 기존의 유인 정찰기에 비해서 운용비용과 조종사 안전에 대한 위험부담이 적고, 도시지역과 산악지역과 같은 복잡하고 좁은 공간에서의 저고도 비행이 가능하다. 네번째, 민간 시장에서 대량으로 생산되고 유통되기 때문에 비용이 저렴하고, 위험지역에 투입하더라도 비용 대비 손실을 감수할 수 있다. 다섯 번째, 병력 및 차량이 접근하기 어려운 위험지역, 산악지역의 경우 이륙중량이 높은 드론은 활용하면 탄약·식량·의약품 등을 해당 지역까지 신속하게 투입할 수 있다. 여섯 번째, 산업용 드론들은 통신 릴레이(Communication Relay) 장비를 탑재하고 있어서 통신 중계기 역할 수행이 가능하다.

지금까지 상업용 드론의 활용성에 대해서 언급하였다. 그리고 인공위성에서 수집한 데이터를 공유하는 문제에 대해서 제시하면, 저고도 한국형 다목적 인공 위성(KOMSAT, Korea Multi-Purpose Satellite))에서 획득한 고밀도 축척 데이터를 지상에서 상업용 드론으로 획득한 데이터와의 연동에 관한 연구가 필요하다. 현재 한국형 다목적 인공위성은 아리랑 1호∼5호까지 가동 중이며, 이렇게 획득한 고밀도 데이터를 지상부대의 데이터와 연동시키기 위해서는 좌표계와 기준체계(Datum)가 통일되어야 하는데, 한국의 기준 좌표계는 EPSG:5186(대한민국 중부권역)을 사용하고 있고, 모든 위성은 WGS84 글로벌 좌표를 사용하고 있다. 한국은 수직 기준 DEM/DSM은 한국형 지오이드(Geoid)(KVD2009, 대한민국 수직 기준 체계)와 국토지리정보원(NGII) 모델(KNGoeid 2018)을 사용하고 있다 [15]. 데이터 융합절차는 한국형 인공위성(KOMSAT)에서 획득한 광학 영상을 정사 영상과 수치표고모델 DEM(Digital Elevation Model) [16]과 수치 표면모델 DSM(Digital Surface Model)로 추출하고, 상업용 드론이 촬영한 데이터를 RTK/LiDAR를 활용하여 국지적인 고정밀 데이터를 확보한다. 이후, 위성에서 획득한 DEM/DSM을 EPSG:5186으로 변환하고, 상업용 드론의 RTK 데이터를 기준으로 수직, 수평 값을 보정해준다. 이후, 정합 과정(알고리즘)을 거치면 포인트 클라우드를 생성하고, 품질을 검증한 이후, 생성된 메시(Mesh) 모델(Model)을 3D Tile(B3DM, OSGB)로 변환하여 군사용 소프트웨어에 연동시킨다. 이러한 과정을 거치면 지상에서의 상업용 드론의 고해상도 데이터와 인공위성 획득한 넓은 고밀도 축척 데이터를 융합할 수 있으며, 이를 통해서 영역의 한계를 극복하고 산악지역 및 도시지역에 대한 디지털트윈 구현이 가능하다.

3.2 한계 및 고려사항

하지만 산업용 드론이 많은 장점이 있음에도 불구하고 군사작전에서 사용되지 못하는 이유는 다음과 같다. 첫 번째, 군사용 드론의 작전 요구성능 ROC(Required Operational Capability, 군이 특정 임무를 수행하기 위해서 반드시 갖추어야 할 성능·기능·조건)(표 1) 관점에서, 산업용 드론은 상업적 목적으로 개발되었기 때문에 혹독한 전장 환경(극한 온도·방수·내풍·보안 모듈·임무 장비 탑재)에서 운용능력이 떨어진다. 하지만 군사작전상황이 아닐지라도 상황과 조건에 따라서는 재난감시 드론, 소방(화재진압)드론, 기후/환경탐사 드론 등 상업용·민수용 드론들의 작전 요구성능이 더 까다로울 필요가 있음을 전제한다.

<표 1> 군사용 드론 작전 요구성능 ROC

출처 : 제2작전사령부, 2023년 육성지원사업 지침

두 번째, 기지국을 이용한 상업용 주파수 ISM 대역(Industrial Scientific Medical, 2.4GHz, 5.8GHz) 대역의 주파수 공통 대역)를 사용하고 있기 때문에 통신 및 데이터가 암호화가 되어있지 않아서 적의 전파 교란·주파수 해킹 등에 취약하다. 세 번째, 비행반경은 수 km, 체공 시간은 30분 수준으로 장시간·장거리 작전에 한계가 있으며, 넓은 작전반경에서는 배터리 교체 소요가 증가한다. 네 번째, 부품·배터리가 군 표준 체계와 호환되지 않기 때문에 별도의 공급망이 필요하고, 장기간 운용 시 유지보수가 어렵다. 다섯 번째, 기종별로 제조사가 다양하며, 상업용 드론 시장을 대표하는 중국의 DJI, 미국의 Autel Robotics, Skydio, 프랑스의 Parrot 등 다수의 업체는 소프트웨어 운용 체계와 데이터 포맷형식이 달라서 호환성 및 범용성이 떨어진다. 여섯 번째, 촬영 영상·3D 매핑 데이터가 한국군 전술 지휘 정보체계(ATCIS), 지휘 통제체계(C4I), 지리정보체계(GIS)와도 연동되지 않는다. 일곱번째, 법적·윤리적 문제로 특정 국가(특히 중국) 드론 사용 시, 정보 유출 및 의도적 보안 취약성에 대한 의혹이 여전히 존재하고 있으며, 국제 무기 수출통제 규정(ITAR, EAR 등)과 충돌할 가능성이 있다. 여덟 번째, 산업용 드론은 소음·적외선 신호에 쉽게 탐지되고, 은밀성이 부족하며, 전술 비행 알고리즘이 탑재되어 있지 않기 때문에 전자전·방공망 환경에서 쉽게 무력화될 수 있다. 따라서 이를 극복하고 상업용 드론을 군사적 목적으로 사용하기 위해서는 기체의 내구성 및 운용성을 군사용 드론의 작전 요구성능 ROC 기준으로 기준을 재설정해야 하고, 군사 목적으로 사용하는 모든 상업용 드론에 한국형 암호화 모듈(KCMPV)을 탑재하여 데이터 보안을 강화해야 한다. 그리고 장시간 체공이 가능한 배터리 개발과 더불어서 연료전지·수소전지·하이브리드 동력원을 개발해서 교체 소요를 최소화하고, 공급망을 개발해야 하며, 한국군 전술 지휘 정보체계(ATCIS), 지휘통제체계(C4I), 지리정보체계(GIS)와 실시간 연동이 가능하도록 데이터 포맷형식을 표준화하고, 민간과 군 공통의 인터페이스(UI)를 개발해야 한다. 또한, 상업용 드론에 대한 운용 교리 및 전술을 개발하고, 군의 무기체계로 활용하기 보다는 정찰·보급·통신 지원 등의 전력지원체계로 활용할 수 있는 방안이 연구되어야 한다. 그리고 상업용 드론기술이 육군에 흡수될 수 있도록 보안정책을 검토하고, 이 기술들을 어떻게 운용하고, 체계화할 것인지에 대한 논의가 필요하다.

4. 산업용 3D 매핑 데이터의 Terra Explorer 적용방안

4.1 데이터 변환 및 처리 절차

현대 군사작전은 도심지·산악지 등 복잡한 지형을 배경으로 수행되는 경우가 증가하고 있으며, 이에 따라 고해상도 공간정보의 신속한 구축과 활용은 전술적 의사결정의 핵심 요소이다. 상업용 드론기술의 한계가 분명히 존재하지만 그럼에도 불구하고 드론은 접근이 어려운 지역의 지형·지물 정보를 빠르게 확보할 수 있는 장점이 있으며, 이를 군사적 맥락에서 효과적으로 적용하기 위해서는 상용 소프트웨어에서 생성된 데이터를 군사 시뮬레이션 체계로 전환하는 연구가 필요하며 이러한 배경 속에서 상업용 DJI Terra에서 생산된 3D 공간데이터를 군사용 Terra Explorer에 적용하는 절차와 방법을 제시한다. 우선, DJI Terra는 드론으로 취득한 영상자료를 기반으로 포인트 클라우드, DSM/DTM, 메시 모델(OSGB, OBJ, B3DM 등)을 생성하는 상용 공간정보 처리 플랫폼이다. 본 연구에서는 DJI Terra에서 생성된 3차원 공간 데이터를 군사 시뮬레이션 체계인 Terra Explorer에 적용하기 위한 변환과정은 다음과 같다. (1) DJI Terra에서 생성된 OSGB 파일을 3D Tiles(B3DM) 형식으로 변환 (2) Python 기반 HTTP 서버를 통한 tileset.json 스트리밍 환경 구축 (3) Terra Explorer에서 3D Tile URL 불러오기 (4) OBJ 파일 추출 후 해당 위치에서 입력하기 등의 방법들이 있다. DJI Terra는 앞에서 언급한 것처럼 지리 공간분석 및 생성형 3D 매핑 소프트웨어이며, 드론 영상을 이용하여 현장데이터를 빠르게 3D 입체지도로 제작하기 위해서 개발되었으며, Terra Explorer는 군사·보안·도시계획 등에서 실제 지형기반의 3D 시뮬레이션 및 정밀분석을 하기 위해서 개발되었고, 전술 시뮬레이션과 작전계획 수립에 특화되어 있으며, 외부에서 생성한 다양한 데이터(OBJ, B3DM, OSGB, S3MB, GeoTIFF, Shapefile)들에 대한 가시선(Line of Sight) 분석, 거리, 면적, 부피 산출, 표고 분석, 비행경로 분석, 도시·산악 지형기반 모델링 등을 수행한다. 2가지 체계를 연동하기 위해서 본 연구에서는 DJI 산업용 드론인 Matrice 4 E와 DJI Terra 3D 매핑 프로그램을 사용하였고, 생성된 3D 메시(Mesh) 모델(OBJ, B3DM, OSGB, S3MB)들을 Terra Explorer에 적용 결과, 3D 전장 시뮬레이션 기능과 고도·가시선(Line of Sight)·조망권(View Shed)·레이더 커버리지 분석, 저격수 위치 선정, 레이더 사각지대, 포병 사거리 등을 계산할 수 있었다. 또한 ATCIS(한국군 전술 지휘 정보체계), 미군 C4ISR 시스템 등과 연동이 가능하며, Terra Explorer는 폐쇄망 서버에서만 작동하기 때문에 군 내부망에서 안전하게 사용할 수 있고, 다양한 3D Tiles 형식 등과 호환이 가능하다는 장점이 있다. 따라서 상업용 3D 매핑기술의 공간데이터를 Terra Explorer에 적용하는 방법 중 데이터 처리 시간이 가장 빠르고 용량이 가벼운 2가지의 방법을 제시하면 다음과 같다. 첫 번째 방법은, 3D Tile 형식으로의 B3DM 파일 변환인데, 추출된 공간 데이터 파일을 3D Tile 형식의 B3DM 파일로 변환하기 위해서는 ‘Python’ 이란 코딩 명령어를 이용해서 공간데이터 파일을(tileset.json) [python–m http.server 8000] 가상의 웹서버 주소(URL) 형식으로 변경해주고, Terra Explorer에서 3D Tile URL로 불러들이면, 지형 공간데이터가 Terra Explorer에 연동된다. 연동 이후에 2차원의 평면데이터와 3차원의 공간데이터가 동시에 구현되며, 공간데이터가 입혀진 지역과 그렇지 않은 지역은 (그림 3)처럼 완전하게 구분된다. 이처럼 군사용 Terra Explorer에 3D 매핑데이터를 입히면 복잡한 지형과 공간구조를 시각적으로 분석할 수 있다. 두 번째 방법은, 추출된 공간데이터 파일 중 OBJ 파일을 이용하는 방법인데, 이 파일은 각 구역별(Block) 공간정보데이터를 포함하고 있는데, 이 OBJ 파일을 Terra Explorer에서 원하는 공간좌표를 찾아서 입력시키면 공간정보데이터는 WGS 84(World Geodetic System) 좌표값를 기반으로 하고 있기 때문에 (그림 3)처럼 해당 위치를 찾아서 이동하게 된다.

(그림 3) DJI Terra 3D 매핑 후 추출된 Tileset.json 파일이 Terra Explorer 프로그램에 병합된 모습

4.2 적용 결과 및 기술적 이슈

이러한 과정을 거치면 해당 지역에 3차원 공간정보 데이터가 입혀지게 되며, 지휘소 요원들은 Terra Explorer를 이용하여 작전지역에 대한 정밀한 분석과 판단을 할 수 있다. 이러한 변환과정을 거치는 이유는 DJI Terra 매핑 소프트웨어는 상업용 장비이기 때문에 군사지역으로의 반입과 활용이 제한된다. 그렇기 때문에 외부에서 다양한 데이터(OBJ, B3DM, OSGB, S3MB, GeoTIFF, Shapefile)들을 추출한 이후에 이 데이터를 Terra Explorer에서 불러들여서 가시선분석, 거리, 지형 및 공간분석, 면적, 부피 산출, 표고 분석, 비행경로 분석 등 다양한 작업을 할 수 있다. 특히 군사작전의 특성상 임의지역에서 수행할 가능성이 크기 때문에 해당 지역에 대한 공간정보를 확보하고, 정밀한 분석작업은 작전의 성패를 좌우하는 핵심 요소이다.

4.3 해외 군사 사례 비교 및 시사점

해외 선행사례와의 비교를 통해 본 연구의 위치를 명확히 할 수 있다. (표 2)처럼 미 육군의 One World Terrain(OWT) 프로그램은 상용·군용 데이터를 융합하여 전 세계 지형을 고충실도로 3D 화하여 훈련 및 작전계획에 활용하고 있다. 이는 공통의 3D 지형을 기반으로 훈련에서 임무까지 단계를 일원화 할 수 있으며, 부대마다 다른 지형 DB를 쓰던 문제(비용·일관성·갱신 속도)를 해소하고, 전군 공용의 현실적·공통·자동화된 3D 지형을 생성하여 배포한다. 즉, One World Terrain(OWT)은 전장환경을 정확하고, 사실적으로 재현하여 훈련이 기회를 제공함으로써 전투준비를 향상시키는 훈련방법으로 적용하고 있으며, 미국 전투능력개발사령부(Combat Capabilities Development Command Soldier Center)는 민간 연구소와 협력하여 디지털을 기반한 가상의 합성환경 속에서 세계 각국의 작전지역에서 실질적인 훈련을 하고 있다. [15]. NATO는 차세대 기동성 모델(NG-NRMM)을 통해 GIS 기반 지형정보를 기동성 분석에 활용하고 있는데, 이 기동성 모델(NRMM)은 차량과 지면의 상호작용을 물리적으로 모델링한 프로그램이며, 지면의 상태·경사·거칠기·장애물 등과 차량(중량, 현가, 구동)의 상호작용을 모델링해 해당 차량의 기동성 및 도로의 통행 가능성을 예측할 수 있으며, OWT/Maxar의 3D 지형데이터를 기반으로 GO/NO-GO와 통행속도 및 에너지 소모를 예측할 수 있다 [16]. 또한, 호주 국방부는 Maxar 위성 기반의 상업용 3D 데이터를 도입하여 작전계획 및 교육 훈련에 적용한다. 이는 국가 차원에서 전 지역의 3D 지형데이터를 빠르게 확보하고 갱신하여 군사훈련, 지형정보에 반영하고 있다 [17]. 미군은 군사 작전지역을 정확한 지도로 신속하게 생성하기 위해서 다수의 드론으로 실시간 3D 지도를 생성할 수 있는 매핑 소프트웨어를 개발하였다 [18]. 이러한 사례들은 상업용 데이터와 군 전용 체계를 연계하는 흐름이 이미 국제적으로 확산되고 있음을 보여 주고 있으며, 본 연구의 적용 가능성을 뒷받침한다. 본 장은 상업용 DJI Terra 데이터를 적절한 변환 및 보정 절차를 거칠 경우 Terra Explorer와 같은 군사 플랫폼에 효과적으로 적용될 수 있음이 증명하였다.

<표 2> 해외 군사훈련 프로그램 모델별 비교

(그림 4) DJI Terra 3D 매핑 후 추출된 Block****.obj 파일이 Terra Explorer에 병합된 모습

5. 결론

현재 드론은 다양한 산업 분야에서 혁신적인 변화를 일으키고 있으며, 그 활용 범위와 소요는 점차 확장되고 있다. 또한, 최근 러-우크라이나 전쟁에서 드론은 절대적인 영향력을 행사하고 있고, 새로운 무기체계로 자리를 잡았다. 하지만 본 연구에는 드론을 공격무기가 아닌 지형 공간정보를 획득하는 물리적인 수단으로 정의하였다. 서론 부문에서는 지형 공간의 중요성과 드론의 3D 매핑기술이 적용된 사례를 제시하였으며, 본론에서는 관련 연구와 해외의 3D 매핑 프로그램의 기술 동향, 산업용 드론의 군사적 활용 가능성과 한계를 언급하였고, 4장에서는 DJI Terra에서 생성된 공간데이터를 군사용 지형정보프로그램 Terra Explorer에 병합하는 방법을 제시하였는데, 이 방법은 아직까지 군에서는 시도한 적이 없기 때문에 적용하기까지는 다소 시간이 걸릴 것으로 보인다. 그리고 DJI Terra는 WGS84 글로벌 좌표계를 하고 있고, Terra Explorer는 미군 군사 좌표계(UTM-K, EPSG:5179 등)을 기준으로 사용하고 있기 때문에 좌표 변환과정에서 오차가 발생할 수 있고, 고도정보의 정확성 문제는 추가적인 연구가 필요하다. 그리고 한국형 인공위성(KOMSAT)에서 획득한 고밀도 축척 데이터를 정사 영상과 DEM(Digital Elevation Model)/DSM(Digital Surface Model)로 추출하고, 상업용 드론과의 연동 과정을 설명하였다. 하지만 이것 역시도 아직까지 시도되지 않은 영역이라는 한계점을 남겨둔다. 그리고 지금까지는 지상에서 획득한 공간데이터를 군사용 지형정보프로그램에 적용하였지만, 데이터를 획득하는 원천을 지상이 아닌 지구궤도 상의 인공위성의 데이터를 활용할 수 있다면 그 확장성과 활용성은 또 다른 차원의 연구과제일 수 있다. 이를 위해서는 공통 표준, 형식 통일, 데이터 소스 결합, 좌표체계·기준면(Datum/CRS)에 대한 연구가 필요하며, 인공위성, 항공기, 상업용 드론 등 대표적인 상업용 데이터와 군의 지형정보체계를 융합하여 군사용 지형정보프로그램을 더욱 효과적으로 사용할 수 있도록 데이터 변환 및 표준절차에 관한 연구가 필요하다. 또한, 미 육군의 One World Terrain(OWT) 프로그램처럼 디지털을 기반한 가상의 합성환경 프로그램에 관한 개념연구와 이를 통해서 전 세계를 무대로 한 가상의 공간 안에서 실질적인 모의 전투 훈련 기술개발이 필요하다. 지금까지의 상업용 기술과 군사용 기술은 철저하게 각자의 영역 안에서만 의미가 부여되는 왔기 때문에 두 영역의 기술을 융합시키는 것은 상당히 이질감이 있고, 낯선 모습이다. 하지만 이제는 분야와 영역을 넘어서 더 나은 결과물을 생성할 수 있다면 모든 데이터는 융합되고, 어우러져야 한다. 본 연구는 산업용 드론의 3D 매핑 기술을 이용하면 더욱 선명하고 구체적인 지형 공간정보 획득이 가능하다는 것을 보여 주었으며, 또한 군사작전에서 요구되는 신속성과 경제성을 동시에 충족할 수 있다는 점에서 큰 의미를 가진다. 결론적으로 DJI Terra 기반의 상업용 공간데이터를 Terra Explorer로 전환하여 활용하는 시도는 한국군의 디지털 트윈 기반 전장 환경 구축 및 전술적 의사결정 지원체계 발전에 기여할 수 있는 중요한 사례라 할 수 있으며, 이에 따른 보안대책을 잘 수립하고, 산업용 드론의 특화된 기술과 장점들을 적극적으로 이용한다면 군사작전 시 정밀한지형공간 정보획득에 많은 도움이 될 것으로 판단된다.

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