원격탐사와 라이다(LiDAR) 시스템

지금까지 다룬 원격탐사시스템 중에서 영상레이더가 유일한 능동형 시스템이었으나, 비교적 최근에 많이 활용되는 라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR)는 또 다른 능동형 원격탐사시스템이다. LiDAR는 레이저를 이용하여 목표물까지 거리를 정밀하게 측정하기 위한 수단으로 출발했다. 항공 LiDAR 시스템은 1980년대 후반에 개발되었지만, 그 이전에도 레이저를 이용한 거리 측정 기구는 있었다. 거리측량 장비인 EDM(electronic distance meter)이나 인공위성에서 지구 형상과 크기를 정확하게 측정하기 위한 고도계(altimeter)에서 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 원리는 동일하다.

EDM이나 고도계는 특정 지점까지의 거리를 측정하는 비영상 시스템이지만, 라이시스템은 레이저를 짧은 간격으로 연속적으로 송신하여 대상 지역에서 반사되는 신호를 수신하는 일종의 영상 시스템이라고 할 수 있다. 라이다는 레이저 점을 규칙적인 간격으로 지표면에 뿌려서 자료를 얻는 일종의 스캐닝 방식이므로, 레이저주사기(laser scanner)라고도 한다. 라이다는 주로 항공기에 탑재하여 작동하므로, 항공 레이저스캐너(Airborne Laser Scanner 불리기도 한다. ALS는 주로 기존의 사진측량이나 간섭 레이더보다 정밀한 수치표고 자료를 얻기 위한 수단으로 활용한다. 능동형 시스템인 항공 라이다는 기상 조건에 관계없이 야간에도 정밀한 지형자료 획득이 가능한 장점을 가지고 있지만, 기존의 항공측량 및 간섭 레이더와 같은 3차원 지형자료 취득 방법보다 상대적으로 촬영 지역이 좁은 단점도 있다.

항공 라이다의 구성 및 원리

항공 라이다는 레이저스캐너, GPS 수신기, 내부 항법장치 등으로 구성되어 있다. 레이저스캐너는 레이저 광선을 매우 짧은 간격으로 지표면에 발사하는 송신기, 지표면에서 반사된 레이저를 감지하는 수신기, 송신기에서 지표면을 거쳐 수신기까지 레이저 광선의 이동시간을 측정하는 시계로 이루어져 있다. 또한 모든 레이저 점의 좌표를 얻기 위한 위성측위시스템(GPS)과 내부 항법장치(IMU)가 구비되어 있다. 항공 라이다에서는 송신기에서 측점까지의 레이저 이동시간을 측정하여 측점의 고도(z)를 얻는데, 이와 함께 각 측점의 정확한 지도좌표(x, y)를 구하는 것도 매우 중요하다. 각 레이저 펄스가 발사된 시점에 센서의 좌표와 자세는 GPS와 IMU에서 측정된 자료로 계산되며, 각 측점의 3차원 좌표의 정확도를 높이기 위하여 지상에 별도로 설치된 GPS를 이용한 차분 측위시스템(Differential Global Positioning System, DGPS)을 함께 운영하기도 한다.

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항공 라이다에서 레이저 펄스를 지표면으로 분산시키는 스캐닝 방식은 반사경을 이용하여 송신하는데, 반사경의 종류와 움직임에 따라 레이저 펄스가 분산되는 형태가 달라진다. 항공 라이다에서 레이저광선이 지표면에 뿌려지는 방식은 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 반사경이 회전하면서 레이저를 지상으로 송신하여, 결과적으로 레이저 측점의 분포는 연속적인 타원형이 되는 방식이다. 타원형 방식은 측점의 분포를 고르게 하는 장점이 있지만, 촬영 폭이 고정적이다.

가장 일반적인 형태의 스캐닝 방식은 전자광학센서의 횡주사와 비슷한 방법으로 비행 방향에 직각으로 좌우로 레이저 펄스를 송신한다. 횡주사기에서와 같이 레이저 발생기에서 발사된 펄스가 일정한 각도로 좌우 진동하는 거울을 통하여 지그재그형으로 뿌려진다. 지그재그형은 가장 널리 사용하는 레이저 스캐닝 방식이지만, 레이저 측점의 분포 밀도가 비행 방향의 중심선에서 멀어질수록 낮아지기 때문에, 측점의 밀도가 균일하도록 비행선을 달리하여 동일 지역을 중복으로 촬영하는 경우가 많다. 세 번째 스캐닝 방식은 전자광학센서의 종주사 방식과 동일하게 여러 개의 레이저 펄스를 선형으로 배열하여 비행 방향에 따라서 뿌려주는 형태다. 타원형 또는 지그재그형 방식은 한 번에 하나의 레이저 펄스가 지표면으로 뿌려지지만, 선형 방식은 레이저 광선을 유리섬유(fiber glass)를 이용하여 한 번에 여러 개의 펄스를 지표면으로 송신하여 측점의 위치 정확도를 높일 수 있다. 그러나 한 줄에 포함할 수 있는 레이저 펄스의 숫자가 한정되므로 촬영 폭이 좁다는 단점이 있다.

레이저 스캐닝 방식과 관계없이 레이저 펄스는 대상 지역의 모든 표면을 덮지 않고 점의 형태로 분포된다. 지금까지 다룬 모든 영상센서는 대상 지역의 모든 표면을 일정 간격의 해상공간으로 나누어 신호를 취득하여 영상 자료를 얻는다. 반면에 항공 라이다는 대상 지역에 분산된 점 자료의 형태로 촬영되므로, 영상센서로 분류하기에는 다소 모호한 점이 있다. 그러나 라이다에서 얻어진 점 자료는 후처리를 통하여 격자 형태의 영상자료로 변환되어 사용하는 경우가 많기 때문에, 영상센서로 구분해도 큰 무리는 없다. 라이다 점 자료를 격자형 자료로 변환하는 과정에서 격자의 크기는 레이저 측점의 밀도(laser point density)에 따라서 결정한다.

레이저는 가시광선 또는 적외선의 특정 파장의 전자기파 진폭을 강화하여 생성한 인공광선으로, 광원으로부터 퍼지지 않고 한 줄기 가는 빔의 형태로 직진한다. 레이저 빔은 한줄기 직선이 아니라, 아주 작은 내각을 갖는 원추형으로써 발생기에서 멀어질수록 확산한다. 레이저 발자국(footprint)은 레이저 빔이 지표면에 닿는 원의 면적이므로 직경으로 표시한다. 항공 라이다의 footprint는 비행고도가 높을수록 커지므로, 레이저 점 밀도와 footprint에 따라 지표면을 덮는 면적이 결정된다. 가령 항공 라이다 촬영에서 레이저 점 밀도가 5점/m㎡되도록 스캐닝하고 footprint가 30cm인 경우, 실제 레이저 빔이 접촉하는 지표면의 면적은 1m㎡에서 5××0.15㎡=0.353㎡㎡이 된다. 이는 1회 비행에서 얻은 점유 면적 비율이며, 점 밀도를 높이기 위하여 동일 지역을 반복 촬영하면 레이저 측점의 접촉 면적은 증가한다.

라이시스템에서 사용하는 레이저는 크게 펄스와 연속파(CW)로 구분한다. 펄스 레이저를 이용하는 라이다는 송신기에서 지표면을 거쳐 수신기에 도달하는 레이저 펄스의 이동시간(t)을 측정하여 측점까지 거리를 구한다. 연속파 레이저는 센서에서 측점까지의 거리를 레이저의 이동시간이 아닌 송수신 레이저파의 위상각(phase angle)을 이용하여 측정한다. 송신된 레이저파의 위상각과 수신된 레이저파의 위상각의 차이를 이용하여 측점까지 거리를 측정한다. 연속파 레이저는 주로 목표물이 상대적으로 가까이 있는 경우에 사용되어 세밀한 측정이 가능하지만, 레이저파를 긴 시간 동안 지속적으로 발생시키기 때문에 전기소모량이 많은 단점이 있다. 따라서 항공 라이다의 대부분은 전력 소모가 작고 수신 신호에 잡음 비율이 낮은 펄스 레이저 방식을 채택하고 있다. 레이저가 도달한 각 지점까지 정확한 거리가 산출되면, 이를 토대로 GPS 및 IMU에서 얻어진 센서의 정확한 위치와 자세 자료를 결합하여 각 지점의 3차원 좌표를 얻는다.