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여름철 드론 SfM, LIDAR 영상기반 하천 DTM 생성 최적 알고리즘 개발
고재준 ( Jaejun Gou ),이혁진 ( Hyeokjin Lee ),박진석 ( Jinseok Park ),장성주 ( Seongju Jang ),송인홍 ( Inhong Song ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0
드론을 이용한 하천 3차원 DTM(Digital Terrain Model) 작성은 수문학적 체제 (Hydrologic Regime)를 파악하고 하천의 정확한 수문, 수질, 생태 모의에 필수적이다. 본 연구에서는 여름철 드론의 SfM(Structure from Motion)과 LIDAR(Light Detection and Ranging) 영상기반 하천 3차원 DTM 생성 알고리즘을 개발하였다. 본 연구는 여름철에 촬영된 복하천 수변공원 인근 복하천 폭 200m, 길이 50m인 구간 두 곳을 대상으로 하였으며, Phantom 4 multispectral과 Zenmuse L1으로 각각 SFM과 LIDAR방식으로 5cm/pixcel 해상도의 DSM(Digital Surface Model)을 취득하였다. 이를 식생지수(VI, Vegetation Index)와 형태필터(Morphological Filter)를 결합한 알고리즘을 적용하여 DTM을 생성하였다. 각 구간에서 5~10m 간격으로 수준측량된 임의의 단면과 MAE와 RMSE를 비교하여 정확도를 평가하였다. 여름철 하천단면의 높은 식생 활력도로 인해 식생지수의 정확도가 형태필터보다 높았으며, 각 방법의 장점을 반영한 NDVI+ CSF 복합필터의 정확도가 단일필터의 정확도보다 우수했다. 또한 식생투과율이 높은 LIDAR 방식이 SfM방식에 비해 정확도가 우수했다. 본 연구에서는 LIDAR 기반 드론 영상에 NDVI와 CSF를 복합 적용한 필터를 여름철 하천단면 DTM 생성 최적 알고리즘으로 설정하였다. 본 연구에서 제안된 알고리즘은 하천의 정확한 수리, 수질, 생태모의에 활용될 것으로 기대된다.
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여름철 UAV 기반 LiDAR, SfM을 이용한 하천 DTM 생성 기법 비교 분석
고재준 ( Gou Jaejun ),이혁진 ( Lee Hyeokjin ),박진석 ( Park Jinseok ),장성주 ( Jang Seongju ),이종혁 ( Lee Jonghyuk ),김동우 ( Kim Dongwoo ),송인홍 ( Song Inhong ) 한국농공학회 2024 한국농공학회논문집 Vol.66 No.3
Gaining an accurate 3D stream geometry has become feasible with Unmanned Aerial Vehicle (UAV), which is crucial for better understanding stream hydrodynamic processes. The objective of this study was to investigate series of filters to remove stream vegetation and propose the best method for generating Digital Terrain Models (DTMs) using UAV-based point clouds. A stream reach approximately 500 m of the Bokha stream in Icheon city was selected as the study area. Point clouds were obtained in August 1st, 2023, using Phantom 4 multispectral and Zenmuse L1 for Structure from Motion (SfM) and Light Detection And Ranging (LiDAR) respectively. Three vegetation filters, two morphological filters, and six composite filters which combined vegetation and morphological filters were applied in this study. The Mean Absolute Error (MAE) and Root Mean Square Error (RMSE) were used to assess each filters comparing with the two cross-sections measured by leveling survey. The vegetation filters performed better in SfM, especially for short vegetation areas, while the morphological filters demonstrated superior performance on LiDAR, particularly for taller vegetation areas. Overall, the composite filters combining advantages of two types of filters performed better than single filter application. The best method was the combination of Progressive TIN (PTIN) and Color Indicies of Vegetation Extraction (CIVE) for SfM, showing the smallest MAE of 0.169 m. The proposed method in this study can be utilized for constructing DTMs of stream and thus contribute to improving the accuracy of stream hydrodynamic simulations.
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수문-수체모형을 연계한 수리, 수질기반 하천 생태유량 산정
박진석 ( Jinseok Park ),장성주 ( Seongju Jang ),이혁진 ( Hyeokjin Lee ),고재준 ( Jaejun Gou ),송인홍 ( Inhong Song ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0
지속가능한 발전의 중요성이 대두됨에 따라 하천의 이수, 치수적 기능과 함께 생태적 기능의 고려가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 수문-수체 모형을 연계하여 미계측 하천에서의 수리(수심, 유속), 수질(수온, DO)를 모의하고, 시계열 기반의 가중가용면적 (Weighted usable area, WUA) 분석을 이용해 하천 생태유량을 제안하는 것을 목표로 하였다. 본 연구의 대상 지역은 남한강 유역의 복하천 약 2 km 구간으로, 해당 하천에 우점하며 하천 독성 오염평가 기준 어종으로 주로 사용되어온 피라미를 복하천의 대표 어종으로 설정해 하천 서식처 평가를 수행하였다. 복하천의 유입 유량 및 수질은 SWAT (SWAT2012, rev.688) 모형을 이용해 2013 ~ 2022년의 10년간 일단위로 모의를 수행하였고, 복하천 유역 하류의 유량, 수질 측정망 관측치를 이용해 SWAT 모형을 검보정하였다. 모의된 유량 및 수질자료와 HEC-RAS (ver. 5.0.7)를 이용해 하천구간의 수리, 수질 모의를 수행하고, 모의된 하천 면적에 수리, 수질 인자별 서식 적합도 (Habitat suitability index, HSI)를 가중한 가중가용면적 (WUA)을 산정하여 피라미의 시계열 서식 적합성을 분석하였다. 연속적 하천 서식처를 고려한 Continuous above threshold (CAT) 분석으로 복하천의 하천 생태유량 범위 산정을 수행중에 있다. 본 연구를 통해 제안된 수문-수체모형을 연계한 하천 생태유량 산정법은 미계측 하천을 포함한 전반적 하천의 유지, 관리에 필요한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
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