원격탐사와 지상라이다

항공 라이다와 함께 시작된 지상 라이다(terrestrial LiDAR) 측량은 현재 다양한 분야에서 활용하고 있다. 지상 라이다 스캐너는 주로 삼각대에 거치하여 사방으로 회전이 가능하며 상하로 일정 범위에서 스캐닝한다. 물론 스캐너 내외부 조정 장치를 이용하여 측량 범위를 설정하면 스캐너가 자동으로 좌우상하로 움직이면서 목표물까지의 정밀한 거리 측정이 가능하다. 지상 라이다에서는 목표물까지의 정확한 거리보다 상대적인 거리 측정을 통하여 구조물의 3차원 형상과 크기를 도출할 수 있다.

지상 라이다 측량은 일찍부터 고건축물, 불상, 석탑, 도자기 등 보존 가치가 있는 문화재의 정확한 형상을 영구적인 기록으로 남기기 위한 방법으로 사용했다. 한국에서도 2008년 방화로 소실된 국보 숭례문을 완전하게 복원할 수 있었던 것은, 화재 이전에 지상 라이다 측량을 통하여 얻은 숭례문의 3차원 형상 자료 때문이다. 국가적으로 보존해야 할 건축물을 비롯하여 석탑, 불상 등 주요 유물에 대한 3차원 레이저 측량 자료가 이미 갖춰져 있다.

건축, 시설물 관리, 산림조사 등에 활용된 지상 라이다의 사례를 보여준다. 건설 현장에서 공사 진행 상황을 정량적으로 측정하기 위한 수단으로 지상 라이다를 활용할 수 있다. 단시간에 촬영된 지상 라이다 자료를 분석하여 토공량을 비롯한 공사 현황 자료를 쉽게 산출할 수 있다. 또한 건물, 교량, 댐, 옹벽 등 주요 구조물의 미세한 변위를 주기적으로 모니터링하고 관리하기 위한 방법으로 지상 라이다 측량을 이용한다. 특히 라이다 시스템은 자연광이 필요하지 않은 능동형 시스템이므로, 어두운 터널 내부에 설치된 각종 시설물이나 터널의 상태를 모니터링하기 위한 효과적인 수단이 될 수 있다. 철로 및 도로에서는 지상 라이다를 삼각대가 아닌 차량에 직접 설치하여 차량이 이동하면서 터널 상부 및 좌우 표면이나 도로 면을 스캐닝하여 시설물 관리에 효율적으로 이용하고 있다.

레이저 스캐닝 기술은 자율주행 자동차를 위한 가장 중요한 센서의 하나로 꼽을 수 있다. 주행 중인 차량에서 전후좌우로 접근하는 다른 차량이나 보행자 등을 실시간으로 감지하고 정확한 거리를 측정하기 위한 수단으로 레이저 스캐닝 기술이 적용되고 있다. 수목과 같은 자연물의 정확한 모양과 크기를 측정하는 것은 쉽지 않은 작업이나, 지상 라이다를 사용하여 산림에서 임목의 형상과 수고, 흉고직경, 잎의 분포 등을 정확하게 측정할 수 있다.

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라이다 활용

항공 라이다 기술은 기존의 방법과 차별화된 보다 정밀하고 세밀한 3차원 지형자료 획득을 비롯하여 시설물 관리, 산림조사, 연안 측량, 문화재 보존 등 여러 분야에서 활용되고 있다. 도시지역에서 항공 라이다를 통하여 얻어지는 고도 자료는 지면의 높이가 아니라 건물 및 가로수의 높이를 포함하는 경우가 많다. 지면의 고도를 수치로 표현한 자료는 수치고도 모형(digital elevation model, DEM) 자료이지만, 건물 및 수목 등 지표면을 덮고 있는 3차원 구조체의 높이를 표시한 자료를 수치표면모형(digital surface model, DSM) 자료라고 한다. 도시에서 DSM 자료는 지형을 비롯하여 건축물 및 가로수 등의 형상을 그대로 재현하는 3차원 도시모델링에 필요한 자료다. DSM 자료를 제작하기 위해서는 항공 라이다에서 획득한 모든 레이저 측점에 대한 분류 및 잡음 제거 등의 처리가 선행되어야 한다.

지상 라이다는 유형 문화재 보존을 위한 기초자료로 활용된다. 과거 고건축물, 탑, 불상 등의 문화재의 원형을 정확하게 기록하려면 입면도, 평면도, 정면도 등 정밀지도를 갖추어야 했지만, 지금은 지상 라이다를 이용하여 정확한 측량자료를 얻는다. 지상 라이다를 이용하여 경주 첨성대를 촬영한 점 자료를 이용하여 복원한 영상으로, 건물의 완전하고 정밀한 3차원 형상을 보여주고 있다.

한국에서 산림의 대부분은 평지가 아닌 산악지형에 분포하고 있다. 기본 지형도에 표시된 산악지의 고도는 산림의 바닥인 지표면 높이를 나타내지만, 항공사진에서 산림의 지표면은 수관에 의하여 대부분 차단되므로, 사진측량에 의한 지표면 고도는 오차를 포함하고 있다. 항공 라이다 측량은 수관층을 투과하여 얻어지는 레이저 반사를 이용하기 때문에 수목 아래 지표면의 정확한 3차원 지형정보를 얻을 수 있다. 항공 라이다 촬영에서 얻어진 산림의 레이저 측점을 지면점(검은색)과 비지면점(회색)으로 분류한 결과를 보여준다. 지면점은 임목에서 반사된 신호를 제외하고 지표면에서 최종 반사된 신호를 처리하여 얻은 고도를 나타내는데, 이를 이용하여 제작한 DEM 자료는 나무 아래 지표면의 자세한 지형 기복을 보여준다. 항공 라이다 측량은 3차원 지형정보 획득을 위한 기존의 사진측량 또는 간섭 레이더 방법보다 정밀하고 세부적인 지형정보를 얻을 수 있다.

산림에 입사하는 고밀도 레이저 펄스는 나무의 잎, 가지, 줄기, 하층식생, 지표면 등 여러 부분에서 반사되며, 이러한 다중반사 신호를 시간순으로 분리하여 수신할 수 있기 때문에 임목의 공간적 분포 특성과 수직적 구조와 관련된 정보를 추출할 수 있다. 비지면점은 레이저 다중반사가 발생하는 산림에서 임목의 상층부 수관에서 최초반사 신호를 처리하여 얻은 고도를 보여준다. 비지면점의 고도를 이용하여 생성한 DSM 자료와 지면점을 처리하여 얻은 DEM 자료를 비교하면 임목의 분포와 높이를 산출할 수 있다. 수고는 지역적인 산림자원조사에 있어서 가장 중요한 측정 인자일 뿐만 아니라, 임목의 생체량과 재적 등을 추정하는 데 반드시 필요하다.

항공 라이다는 기상 조건에 영향을 받지 않고 촬영이 가능한 능동형 시스템이므로, 재해 발생할 때 쉽게 촬영이 가능하므로 신속하고 정확한 정보를 얻을 수 있다. 산사태로 인한 붕괴 및 토사 이동량의 규모와 복구 작업량 산정 등에서 항공 라이다 자료는 신속하고 정확한 정보를 제공한다. 또한 홍수기에 하천의 수위 변화를 빠르고 정확하게 파악할 수 있으며, 침수 피해지의 범위 및 피해 정보를 얻을 수 있다. 라이다 시스템은 정밀한 지형정보를 획득하기 위한 수단으로 출발했지만, 최근에는 다양한 분야로 활용이 확장되고 있다. 라이다 기술은 기존의 방법보다 보다 세부적이고 정확한 3차원 위치 정보를 추출하고 이를 응용하여 다양한 정보를 제공할 수 있는 원격탐사 방법으로 발전하고 있다.

위성 레이저 센서

레이저 원격탐사는 주로 무인기를 포함한 항공 레이저 및 지상 레이저시스템을 기반으로 발달했으나, 최근에는 레이저 센서를 탑재한 지구관측위성이 증가하고 있다. 위성 레이저 원격탐사는 항공 라이다와 성격이 다른 분야에서 활용하는데, 주로 극지방 빙하의 표면 상태 변화와 대기의 수직적 분포 특성을 파악하기 위한 목적으로 이용되고 있다. 2003년과 2018년에 발사된 ICESat은 레이저 고도계(laser altimeter)를 탑재하여 극지방 얼음의 표고 변화를 관측하여 지구 해수면의 미세한 수위 변화를 모니터링하고 있다. 또한 레이저 고도계 자료를 이용하여 구름과 에어로졸의 수직적 구조를 밝히고, 더 나아가 식생 지역에서 식물의 높이를 측정하고 있다. CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations) 위성은 레이저 고도계를 이용하여 에어로졸과 구름 입자의 수직적 구조와 크기를 관측하여, 기존의 기상위성 및 대기관측 위성에서 얻기 어려운 정확한 대기 정보를 얻고 있다. 위성 레이저 자료는 아직까지 항공 라이다처럼 영상자료의 형태가 아니지만, 다른 위성 원격탐사자료에서 얻을 수 없는 정밀한 자료를 제공하고 있다.