연구내용 및 방법 - 국립공원 등 보호지역 병해충 관리방안 연구

(1) 드론 장비

· 일반적으로 드론(drone)이란 사람이 탑승하지 않고 전파를 이용하여 비행기나 헬리콥터 등의 기체를 조정하는 무인비행장치를 통칭하여 부름.

· [그림 35]에서 보는 바와 같이 다양한 장치들로 구성되어 있으며, 크게 통신부, 제어부, 구동부, 페이로드(payload) 등 4개 부분으로 구분할 수 있음.

[그림 35] 드론의 구조(쿼드로터 드론 예시, 출처: 대전일보)

· 통신부는 지상으로부터 원격조정기(Remote Controller, RC)를 통해 비행명령을 수신하는 수신기, 공중에서 촬영된 사진이나 동영상을 송신하는 비디오 송신기, 비행체의 위치, 비행속도, 배터리 현황 등의 정보를 송신하는 텔레메트리(telemetry) 송신기 등으로 구성됨.

· 제어부는 비행 제어장치(Flight Controller, FC), 특정 시스템을 제어하기 위한 전용 프로세서(Micro Controller Unit, MCU), 그리고 자이로센서(Gyroscope), 가속도센서, 지자기센서, 기압센서, GPS수신기 등 센서들로 구성됨.

· 구동부는 비행체를 구동시키는 각종 모터(motor), 프로펠러(propeller), 변속기(Electronic Speed Controller, ESC), 배터리 등으로 구성됨.

· 페이로드는 통신부, 제어부, 구동부를 제외한 기타 드론의 활용 목적에 따라 탑재되는 카메라나 센서 등을 의미함.

Ⅲ. 소나무재선충병 매개충 유인목의 방제 효과성 분석 2. 연구 방법 및 대상지

│국립공원 생태계서비스 증진을 위한 병해충 관리방안 연구│55

· 또, 드론은 비행 형태에 따라 회전익(rotary wing), 고정익(fixed wing), 그리고 수직 이․착륙(Vertical Take-Off and Landing, VTOL)이 가능하도록 회전익과 고정익을 절충한 틸트로터형(tilt-rotor) 등 3가지로 구분할 수 있음[그림 36].

[그림 36] 비행 형태에 따른 드론 구분(Tk

áč

and M

s

ro

, 2019)

· 회전익 드론은 가장 많이 활용되는 형태로, 각 회전축에 장착되어있는 프로펠러를 구동시켜서 발생되는 양력을 이용하여 비행하는 형태로 멀티콥터(multi-copter)라고도 하며, 프로펠러의 개수에 따라 쿼드콥터(quad-copter), 헥사콥터(hexa-copter), 옥토(octo-copter)로 구분됨.

· 이러한 회전익 드론은 수직 이․착륙이 가능하며 자유로운 방향 전환, 호버링(hovering) 등의 장점이 있으나, 고고도 비행이 불가하며 상대적으로 느린 비행속도, 짧은 비행시간 등의 단점이 있음.

· 고정익 드론은 주날개가 동체에 고정되어 있으며, 추가적으로 엔진이나 프로펠러의 힘으로 전진하면서 양력을 얻어 비행하는 형태로, 주날개의 모양에 따라 직선익, 타원익, 테이퍼익, 델타익, 카나드익 등으로 구분됨.

· 고정익의 장점은 상대적으로 비행속도가 빠르고 긴 비행시간, 고고도 비행이 가능하다는 점이 있으며, 단점으로는 이․착륙에 필요한 넓은 공간이 필요하며 저속비행이 어려움.

· 틸트로터형은 회전익과 고정익의 장점을 결합하여 수직 이․착륙이 가능하고 프로펠러를 통해 비행속도가 향상되며 장거리 고고도 비행이 가능하지만, 복잡한 장치를 장착하기 때문에 상대적으로 가격이 비싸다는 단점이 있음.

· 본 과업에서는 섬지역이라는 촬영대상지역의 특성(이․착륙 지역이 좁음)과 소나무재선충병 감염목을 정밀하게 탐지(호버링 기능 필요)를 목표로 하기 때문에 [표 16]과 같이 회전익 드론을 선정하였음.

Ⅲ. 소나무재선충병 매개충 유인목의 방제 효과성 분석 1. 연구내용

56│

제품명 Matrice 300 RTK Phantom 4 RTK

이미지

이륙중량 약 2.7kg 약 1.4kg

대각선길이 895mm 350mm

최대비행속도 약 83km/h 약 58km/h

최대비행시간 약 55분 약 30분

최대조종거리 15km(NCC

/FCC

^**

) 7km(FCC)

제조사(국) DJI(중국) DJI(중국)

* NCC: 대만 국가방송통신위원회 인증, ** FCC: 미국 연방통신위원회 인증

[표 16] 드론 장비 사양

(2) 센서 및 기타 장비[표 17]

· 소나무재선충병 감염목의 입체적인 관측을 위하여 3cm급 RGB(Red/Green/Blue) 카메라 2기(Zenmuse P1, Phantom 4 RTK 빌트인 카메라)를 이용하였음.

제품명 Zenmuse P1 Phantom 4 RTK(Built-in) RedEdge-M

이미지

제품무게 약 800g - 약 170g

제품크기 198×166×129mm - 94×63×46mm

관측대역 Red/Green/Blue Red/Green/Blue R/G/B/Red Edge/NIR 해상도(GSD

) 2.72cm at 230m AGL

^**

2.74cm at 100m AGL 8.2cm at 120m AGL

광각(FOV

^***

) 145° 84° 47.2°

* GSD: Ground Sample Distance, * AGL: Above Ground Level, *** FOV: Field Of View

[표 17] 센서 카메라 사양

· 또한, 감염목 탐지 정확도 향상을 위하여 식생의 건강 상태에 더욱 민감한 적색경계(red ddge) 채널(channel)을 탑재한 RedEdge-M 카메라를 활용하였음.

· 그 밖에도 고정밀의 전지구위성항법시스템(Global Navigation Satellite System, GNSS) 수신기(D-RTK2), 조도센서, 풍향센서 등의 장비를 이용하였음.

Ⅲ. 소나무재선충병 매개충 유인목의 방제 효과성 분석 2. 연구 방법 및 대상지

│국립공원 생태계서비스 증진을 위한 병해충 관리방안 연구│57

(3) 영상분석 소프트웨어

· 본 과업에서는 드론으로 촬영된 영상처리 및 분석을 위하여 Pix4D Mapper을 이용하였음.

· 이 소프트웨어는 현재 드론 기반 맵핑(mapping) 시장을 주도하고 있으며, 강점으로는 비교적 간결한 인터페이스(Graphic User Interface, GUI), 다양한 형태의 출력파일(동영상, CAD 등)을 지원하며, 정사영상, 수치표면모델(Digital Surface Model, DSM), 수치지형모델(Digital Terrain Model, DTM), 다중분광영상, 열화상영상 등을 분석하는데 특화되어 있음.

나) 조사 일정 및 방법

(1) 조사 일정

· 시기별 감염목의 변화상을 확인하기 위하여 4월, 5월, 8월, 10월에 걸쳐서 총 4회 드론 촬영을 수행하였으며, 촬영 일정은 기상상황 등을 고려하여 결정하였고 세부 일정은 다음과 같이 [표 18]에 나타내었음.

회차 조사기간 회차 조사기간

1 2022.04.15.(금) ~ 17.(일) 3 2022.08.11.(목) ~ 13.(토) 2 2022.05.13.(금) ~ 15.(일) 4 2022.10.14.(금) ~ 16.(일)

[표 18] 드론 촬영 일정

(2) 조사 방법

· 소나무재선충병 감염목 드론 촬영 대상지역은 한려해상국립공원 내 위치한 화도이며, 이 섬은 경상남도 거제시 둔덕면에 속해 있고, 면적은 약 1.09㎢, 길이는 약 8.1㎞임.

· 화도 내 전체 지역에 대하여 촬영을 수행하였으며, 효율적인 드론 운영을 위하여 [그림 37]과 같이 총 4개 구역으로 구분하여 촬영을 수행하였음.

· 촬영지역 구분은 드론의 특성, 비행체의 이․착륙 환경, 비행경로 및 비행거리, 최대비행시간, 종․횡중복도 등을 고려하여 설정하였음.

· 각 구역의 면적은 순서대로 40.14ha, 45.53ha, 21.33ha, 40.21ha로 구분하였음.

(3) 드론 비행 및 촬영 방법

· 드론의 비행고도는 카메라 사양에 나타난 지상표본거리(Ground Sample Distance, GSD), 렌즈의 초점거리, 제작될 정사영상의 픽셀(pixel) 크기 등을 고려하여 결정됨.

· 드론은 일반적인 항공기와는 달리 기상(일기, 기온, 풍속, 풍향 등)의 영향을 많이 받기 때문에 영상의 품질이 떨어지는 경우가 종종 발생될 수 있음.

Ⅲ. 소나무재선충병 매개충 유인목의 방제 효과성 분석 1. 연구내용

58│

구역1

구역2

구역3

구역4

[그림 37] 거제 화도 내 드론 촬영 구역

· 중복률은 정사영상 제작시 영상정합의 매우 중요한 요소로서, 중복률이 너무 낮을 경우 원하는 품질의 정사영상을 획득할 수 없고 너무 높을 경우 작업량이 급격히 많아짐.

· 따라서, 적절한 중복도 설정을 위해서는 드론의 노선 간격, 노선 개수, 촬영폭 등과 함께 지형기복 등이 동시에 고려되어야 함.

· 본 과업에서는 이러한 요소들을 모두 고려하여 비행계획을 수립하였으며, 비행고도는 150~180m, 종․횡중복도는 80~85%, 비행속도는 12.4m/s로 설정하여 비행 및 촬영을 수행하였음.

· 또한, 드론의 운영에 있어 가장 중요한 요소는 안전이므로, 이를 위해 현장의 상황 및 장비의 상태를 충분히 점검하고 사전 준비를 철저히 하여 과업을 진행하였음.

다) 소나무재선충병 감염목 탐지방법

· 본 과업에서는 화도 지역 소나무재선충 감염현황을 파악하기 위하여 드론의 자동비행기술, 인공지능, 식생지수 등을 적용하였음.

· 먼저 화도 지역 소나무 객체를 추출하기 위하여 드론을 이용하여 촬영된 RGB정사영상과 다중분광영상을 인공지능모델에 적용하였음.

· 그런 다음, 추출된 소나무 객체 서식 지역에 대하여 식생지수를 분석하여 최종 소나무재선충 감염목을 탐지하였음.

Ⅲ. 소나무재선충병 매개충 유인목의 방제 효과성 분석 2. 연구 방법 및 대상지

│국립공원 생태계서비스 증진을 위한 병해충 관리방안 연구│59

· 다음에 제시된 [그림 38]는 본 과업에서 소나무재선충 감염목을 추출하기 위해 수행된 전체 과정을 보여주고 있음.

[그림 38] 인공지능을 이용한 소나무재선충 감염목 추출과정

(1) 영상처리 및 정사영상 제작

· 정사영상은 항공사진, 위성영상, 드론영상 등 영상자료로부터 지형기복에 의한 기하학적 왜곡을 보정하고 지상의 모든 물체를 수직으로 내려다본 모습으로 변환한 영상을 의미하며, 일정한 규격으로 집성하여 좌표 및 주기 등을 기입한 영상지도를 말함.

· 정사영상은 드론영상, 카메라 검정자료, 지상기준점(Ground Control Point, GCP) 정위치, 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM) 등을 이용하여 제작하였음.

(a) 2022년 8월 11일 촬영 (b) 2022년 10월 14일 촬영

[그림 39] 화도 정사영상(RGB) 제작결과

Ⅲ. 소나무재선충병 매개충 유인목의 방제 효과성 분석 1. 연구내용

60│

· 본 과업에서는 Pix4D Mapper를 통해 정사영상을 제작하였으며, 사진 정렬단계, 포인트 클라우드(point cloud) 및 메시(mesh) 생성단계, 수치표고모델 및 정사영상 제작단계, 모자이크(Mosaic) 처리단계 등을 수행하였음.

· [그림 39]는 3회와 4회차 드론 촬영영상으로부터 제작된 정사영상을 나타내며, [그림 40]은 4회차에 촬영된 각 밴드별 다중분광영상을 보여주고 있음.

(a) 적색밴드 (b) 녹색밴드 (c) 청색밴드

(d) 적색경계밴드 (e) 적외선밴드

[그림 40] 화도 정사영상(다중분광) 제작결과

(2) 인공지능기술을 이용한 소나무 분류

· 인공지능기술은 컴퓨터 비전(computer vision), 자연어 처리(natural language processing), 제어, 로보틱스(robotics) 등과 같은 인간의 감각에 해당하는 분야에서 널리 활용되고 있음.

· 본 과업에서는 화도 내 소나무 개체를 탐지하기 위하여 컴퓨터 비전과 드론 자율비행 및 3D 모델링 기술을 이용하여 소나무재선충 등 산림의 병해충 발생을 조기에 진단, 대응, 복원, 예방함으로서 현재 전적으로 인력에 의한 육안검사 및 시료채취, 시험에 의존하는 산림관리 방식을 현대화하고 효율성을 향상시키고자 하였음.

· 컴퓨터 비전이란 컴퓨터 과학의 한 분야로서 디지털 이미지나 동영상을 이해함으로써 인간의 시각적인 능력을 흉내 내도록 하는 것임.

· 객체탐지기술은 컴퓨터 비전의 한 요소로서 수년 전부터 연구가 활발히 진행되어왔으며,

Dalam dokumen 국립공원 등 보호지역 병해충 관리방안 연구 (Halaman 65-78)