디지털트윈 구현을 통한 토지경계추출에 관한 연구 = A Study on Land Boundary Extraction through Digital Twin Implementation

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 드론 영상을 이용한 토지경계 설정의 활용성 고취를 위해 드론 영상 기반 디지털트윈을 구축하고, 이 가상공간에서 토지경계 추출의 실험 분석·작업을 통해 지적측량에 적용 가능성을 제시해 보고자 하였다. 연구성과는 다음과 같다.
연구를 위한 실험지역은 다양한 지상경계 설정 방법이 존재하는 도해지역으로 선정하였다. 또한, 지적측량의 빈도가 높고 드론 비행이 가능한 지역으로 선정하였다.
3D 모델링 영상을 기반으로 디지털트윈 구현을 위해 우선 실험대상지역의 드론 촬영을 통해 3D 모델링 영상과 DEM을 제작하였다. 데이터 처리는 DJI사의 Terra S/W를 이용하였다. 디지털트윈을 구현하기 위해 Cesium ion을 이용하였고, 제작된 3D 모델링 영상과 DEM 데이터를 각각의 3D Tiles와 Terrain 데이터변환을 진행하였다. 후에 변환된 데이터를 Node.js/express 서버와 CesiumJS를 이용해 3D 모델링 영상 기반의 디지털트윈을 구현하였다.
제작된 3D 모델링 영상과 디지털트윈의 정확도 분석을 위해 지상기준점과 검사점 47점에 대한 RMSE를 산출하였다. 분석결과, 3D 모델링 영상은 RMSE가 X = ±0.015m, Y = ±0.019m, 연결오차는 ±0.024m로 산출되어 디지털트윈 구현에 영상활용이 가능한 것으로 분석되었다. 디지털트윈은 RMSE가 X= ±0.022m, Y = ±0.017m, 연결오차는 ±0.028m로 나타났다. 이는 현행 법률에서 규정하고 있는 성과로 인정하는 범위 내의 결과로 활용이 가능한 것으로 분석되었다.
이상과 같이 구현한 디지털트윈을 활용해 토지경계 설정을 위해 156점에 대해 토지경계점을 추출하였다. 추출한 성과와 토탈스테이션 관측성과와 분석결과 RMSE X= ±0.090m, Y = ±0.134m, 연결오차는 ±0.172m로 산출되어 법률에서 규정하고 있는 허용오차 범위 내의 결과값으로 디지털트윈을 활용해 토지현황경계 추출에 이용이 가능함을 입증하였다. 그러나 3D Tiles 변환 과정에서 생기는 메쉬 재구성 오류로 인한 왜곡 발생 지역과 음영으로 인한 굴곡이나 왜곡이 발생하는 지역에서는 추출의 한계성이 있는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 실험결과를 토대로 디지털트윈을 활용해 토지경계 설정이 이루어질 수 있도록 법령 개정(안), 디지털트윈을 이용한 토지경계점 위치정보 취득 방안, 드론과 디지털트윈을 연계한 추출·설정 방안을 제시하였다.
본 연구에서 제시한 방법을 토지경계 추출에 적용한다면 가상의 공간에서 현장 작업 이전 현황데이터·도면데이터 등을 제작하여 현장 작업시간을 단축시킬 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we aimed to increase the usability of land boundary setting using drone images by constructing a digital twin based on drone images and to suggest the possibility of applying it to cadastral surveying through experimental analysis and work on land boundary extraction in this virtual space. The research outcomes are as follows.
The experimental area for the study was selected as a graphical cadastrl area where various methods for setting ground boundaries exist. It was also chosen as an area with a high frequency of cadastral surveying and where drone flights are possible.
To implement a digital twin based on 3D modeling imagery, we first created 3D modeling imagery and a DEM of the experimental area through drone photography. Data processing was performed using DJI's Terra S/W. Cesium Ion was utilized to implement the digital twin, and the generated 3D modeling imagery and DEM data underwent respective 3D Tiles and Terrain data conversion. Afterwards, the converted data was used to implement a digital twin based on 3D modeling images using Node.js/express server and CesiumJS.
To analyze the accuracy of the fabricated 3D modeling images and digital twins, we calculated RMSE for 47 ground reference points and inspection points. As a result of the analysis, the 3D modeling images yielded an RMSE of X = ±0.015m, Y = ±0.019m, and a connection error of ±0.024m, indicating that the images are suitable for use in implementing a digital twin. The digital twin showed RMSE of X = ±0.022m, Y = ±0.017m, and connection error of ±0.028m. This was analyzed as being usable within the scope of results recognized as achievements under current law.
Using the digital twin implemented as above, we extracted the land boundary points for 156 points to set the land boundary. The extracted results and total station observation data analysis yielded an RMSE of X = ±0.090m, Y = ±0.134m, and a connection error of ±0.172m. These values fall within the permissible error range stipulated by law, proving that digital twins can be utilized for extracting land boundary conditions. However, it was found that there were limitations in extraction in areas where distortion occurred due to mesh reconstruction errors that occurred during the 3D Tiles conversion process and areas where bending or distortion occurred due to shading.
Based on experimental results, this study proposed a draft amendment to legislation enabling land boundary setting using digital twins, a method for acquiring location information of land boundary points using digital twins, and an extraction and setting method linking drones and digital twins.
If the method proposed in this study is applied to land boundary extraction, it is expected that preparing existing land status data and map data in a virtual space prior to fieldwork will reduce fieldwork time.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구배경 및 목적 1
• 1. 연구배경 1
• 2. 연구목적 2
• 제2절 연구범위 및 방법 3
• 1. 연구범위 3
• 2. 연구방법 4
• 제2장 디지털트윈 및 토지경계 7
• 제1절 디지털트윈 7
• 1. 디지털트윈의 개념 7
• 2. 디지털트윈의 기술 요소 11
• 3. 디지털트윈의 활용 16
• 제2절 토지경계 23
• 1. 토지경계의 개념 23
• 2. 토지경계의 유형 24
• 3. 토지경계와 디지털트윈과의 관계 26
• 제3절 선행연구 검토 및 본 연구와의 차별성 27
• 1. 선행연구 검토 28
• 2. 본 연구와의 차별성 33
• 제3장 토지경계 설정 현황 및 한계 35
• 제1절 토지경계 설정 현황 35
• 1. 토지경계 설정 관련 법률 35
• 2. 토지경계 측량 방법 36
• 3. 토지경계 설정 방식 39
• 제2절 고정밀 영상 기반 토지경계 설정 사례 41
• 1. 정사영상 기반의 추출 사례 41
• 2. 3D 모델링 영상 기반의 추출 사례 43
• 3. 디지털트윈 기반 토지경계 설정의 가능성 모색 45
• 제3절 토지경계 설정의 한계 47
• 1. 토지경계 설정의 법률적 한계 47
• 2. 토지경계 측량 방법의 한계 48
• 3. 토지경계 설정 방식의 한계 49
• 제4장 디지털트윈 구현 및 토지경계 추출 분석 51
• 제1절 디지털트윈 구현 51
• 1. 실험 설계 및 연구대상지역 선정 51
• 2. 3D 모델링 영상 제작 54
• 3. 디지털트윈 설계 및 구현 61
• 제2절 토지경계 추출 및 정확도 분석 69
• 1. 3D 모델링 영상 및 디지털트윈 정확도 분석 69
• 2. 디지털트윈 기반 토지경계 추출의 정확도 분석 74
• 3. 디지털트윈 기반 토지경계 추출의 활용성 검토 80
• 제3절 디지털트윈 기반 토지경계 설정 적용 방안 84
• 1. 토지경계 설정 관련 법령 개정 84
• 2. 디지털트윈을 이용한 토지경계점의 위치정보 취득 86
• 3. 드론과 디지털트윈을 연계한 토지경계 설정 87
• 제5장 결 론 88
• 제1절 연구성과 요약 88
• 제2절 연구의 한계 및 향후 연구과제 91
• 참 고 문 헌 92
• ABSTRACT 98