UAV LiDAR 기반 Point Cloud 데이터를 이용한 토지경계 설정 연구 = A Study on Land Boundary Demarcation Using Point Cloud Data Based on UAV LiDAR

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In cadastral surveying, land boundary extraction and establishment is divided into electronic plane table, GNSS, and UAV methods. Currently, the electronic plane table survey method is used for most land boundary establishment, but in the case of forest areas, it is not efficient in terms of manpower and time because it needs to be measured by moving relatively many station mark and short distances due to terrain characteristics such as large elevation differences and the influence of trees. In the case of GNSS survey method, it is still not widely used in the field of cadastral surveying due to the multi-path phenomenon caused by satellite signal disturbance in urban areas where obstacles exist, and satellite signal blocking due to trees in forest areas. The UAV method suffers from various obstacles such as noise, shaky focus, obstacles and shading, depending on weather conditions, causing time and economic losses. For these reasons, there is a need for a land boundary detection method that incorporates other new technologies. In this study, we aimed to acquire the location information of land status boundary points using UAV LiDAR-based point cloud data, which integrate the advantages of UAV, which can acquire rapid spatial information even in inaccessible areas, and LiDAR, which can scan precise terrain even in forest areas and reduce shadowing due to weather and shadows as much as possible, for efficient land boundary setting work.
To achieve the purpose of this study, the basic parts of UAV and LiDAR were researched in advance, and the basic theories and general contents of UAV LiDAR and land boundaries that integrate these two technologies were reviewed. In addition, we identified the laws on land boundary setting, the current status of land boundary setting by existing methods, and the application cases of UAV LiDAR, and tried to derive the limitations of these. To overcome the limitations, we designed an experiment and selected an area for the actual experiment. Then, we conducted an experiment to extract and set land boundaries using UAV LiDAR-based point cloud data.
The experimental area was selected in Iwol-myeon, Jincheon-gun, Chungcheongbuk-do, where agricultural, residential, and forest areas are appropriately distributed and the boundaries between land and forest are clearly visible. For the point cloud image used in the experiment, first, an orthophoto image was created using a fixed-wing UAV, and then a point cloud image was created using UAV LiDAR. For ease of analysis, RGB data was entered into the point cloud in conjunction with the orthophoto image. Then, land boundary extraction was performed using the method prescribed by the current law, and 1,014points were extracted, and 167points that could be verified by overlapping with the existing status map were separately extracted, and the intersection of the existing status map and the connection was compared and verified using the RMSE technique. The results showed X=0.0758m, Y=0.1270m, and connecting intersection=0.1479m, and excluding the overestimation point, the results were X=0.0460m, Y=0.0757m, and connecting intersection=0.0886m. This is equivalent to the accuracy of ±0.07m for the cadastral re-survey and ±0.10m for the digital area. In the case of forest areas, since there was no comparative verification target, direct verification points were obtained by GNSS surveying for ridges, valleys, and the boundary between land and forest, and analysed the number of point clouds located within a 7cm radius around the point. As a result of the analysis, an average of 46 points were located, proving the feasibility of its use in forest areas.
Based on the above experimental results, we proposed an overall improvement plan for the current land boundary extraction and setting process. In order to apply the experimental results of this study to practice, first, legal amendments were required. In order to establish a legal basis for the application of UAV LiDAR, some laws that stipulate the method of cadastral surveying and the method of land boundary extraction were proposed to be amended to allow the use of UAV LiDAR. In addition, amendments to the ⌜UAV cadastral survey regulations⌟ for the use of UAV LiDAR in cadastral survey and cadastral re-survey projects and the preparation of UAV LiDAR work process guidelines were suggested. Secondly, it proposed a plan to overcome the limitations of existing and new technologies by linking the existing land boundary extraction and establishment methods, electronic flat panel survey method and satellite survey method, and presented the necessity of updating the cadastral status map based on this. Third, in order to improve the land boundary extraction method using UAV LiDAR, we proposed a plan to improve the extraction limit area through the integrated use of UAV and LiDAR, a technical improvement plan for the decrease in accuracy due to the shooting altitude, which is the biggest disadvantage of UAV, and a plan to introduce automation technology in conjunction with artificial intelligence technology for consistent land boundary extraction, suggesting the possibility of future development in the cadastral field.
In conclusion, by applying UAV LiDAR to the process of land boundary extraction and establishment, we were able to achieve good results beyond our expectations. In the case of the experimental part of this study, it is judged that it can be applied in practice by linking the current ground survey and cadastral map. UAV LiDAR technology is expected to have many advantages that can be used in the future to create stereoscopic cadastral maps and terrain modelling through 3D cadastral survey.

국문 초록 (Abstract)

지적측량에서 토지경계 추출 및 설정은 전자평판, GNSS, UAV 방식으로 구분되어 활용되고 있다. 현재 전자평판측량 방식이 대부분의 토지경계 설정에 이용되고 있지만, 임야지역의 경우 많은 고도 차와 수목의 영향 등 지형적 특성으로 비교적 많은 기계점과 짧은 거리를 이동하며 측정하여야 하기 때문에 인력 및 시간적인 측면에서 효율적이지 못한 것으로 나타났다. GNSS 측량 방식의 경우에는 장애물이 존재하는 도심지에서 위성 신호의 교란에 따른 멀티패스(MultiPath) 현상과 임야지역에서는 수목으로 인한 위성신호 차단 등의 이유로 인해 아직까지도 지적측량 분야에서는 폭넓은 활용이 이루어지지 못하고 있다. UAV 기반의 항공사진측량 방식은 기상 상황에 따라서 잡음(Noise), 초점의 흔들림, 장애물 및 음영에 의한 음영폐색 문제 등 다양한 장애 요소가 발생하고 있어 시간적·경제적인 손실을 유발하고 있다. 이러한 이유로 인해 다른 신기술을 접목한 토지경계 설정 방법이 필요한 시점이다. 이에 본 연구에서는 효율적인 토지경계 설정 작업을 위해 접근이 난해한 지역에서도 신속한 공간정보를 취득할 수 있는 UAV와 임야지역에서도 정밀한 지형 스캔이 가능하며, 기상 및 그림자 등으로 인한 음영폐색을 최대한 줄일 수 있는 LiDAR의 장점이 융·복합된 UAV LiDAR 기반의 포인트 클라우드 데이터를 이용해 토지 현황경계점의 위치정보를 취득하고자 하였다.
본 연구의 목적 달성을 위해 UAV와 LiDAR의 기초적인 부분을 선행적으로 조사하였으며, 이 두 기술을 융·복합한 UAV LiDAR와 토지경계에 대한 기초 이론과 일반적인 내용을 검토하였다. 그리고 토지경계 설정에 관한 법률, 기존 방식에 의한 토지경계 설정 현황, UAV LiDAR 적용 사례를 파악하고 이에 대한 한계성을 도출하고자 하였다. 도출된 한계성을 극복하기 위해 실험을 설계하고 실제 실험 대상지역을 선정하였다. 이후 UAV LiDAR 기반의 포인트 클라우드 데이터를 이용한 토지경계 추출 및 설정 실험을 수행하였다.
실험 대상지역은 농경/주거/임야 지역이 적절하게 분배되어 있으며, 대지와 임야의 경계가 뚜렷하게 나타나 있는 충청북도 진천군 이월면 일원을 선정하였다. 실험에서 사용된 포인트 클라우드 영상의 경우 먼저 고정익 UAV를 활용하여 정사영상을 제작하고 이후 UAV LiDAR를 통해 포인트 클라우드 영상을 제작하였다. 또한 분석의 용이성을 위해 정사영상과 연계하여 RGB 데이터를 포인트 클라우드에 입력하였다. 그 다음 현행 법률에서 규정하고 있는 방법을 참고하여 토지경계 추출을 수행한 결과 1,014점을 추출하였으며, 기존의 현황도면과 중첩하여 검증이 가능한 점을 별도로 추출한 167점에 대해 기존의 현황도와 연결교차를 RMSE 기법을 활용하여 비교 검증하였다. 그 결과 X=0.0758m, Y=0.1270m, 연결 교차=0.1479m의 수치를 보였으며, 과대오차 지점을 제외한 결과 X=0.0460m, Y=0.0757m, 연결 교차=0.0886m로 나타났다. 이는 지적재조사측량성과 기준 ±0.07m, 수치지역 기준 ±0.10m에 상응하는 정확도를 확보할 수 있었다. 임야지역의 경우에는 비교검증 대상이 없어 능선, 계곡, 대지와 임야의 경계 등에 대해 GNSS 측량 방식으로 직접 검증 지점을 취득하고 해당 지점을 기준으로 반경 7cm 이내에 위치하고 있는 포인트 클라우드의 개수를 분석하였다. 분석 결과, 평균적으로 46점이 위치하여 임야지역에서도 그 활용 가능성을 입증할 수 있었다.
이상의 실험 결과를 토대로 현재 토지경계 추출 및 설정 과정의 전반적인 개선방안을 제시하였다. 본 연구의 실험 결과를 실무에 적용시키기 위해서는 첫 번째로, 법률적인 개정이 필요하였다. 그 내용으로는 UAV LiDAR의 적용을 위한 법률적 근거 마련을 위해 지적측량의 방법, 토지경계 추출 방법 등을 규정하고 있는 일부 법률을 UAV LiDAR의 활용이 가능하도록 개정(안)을 제시하였다. 그리고 지적측량 및 지적재조사사업에서 UAV LiDAR의 활용을 위한 드론지적측량규정의 개정(안), UAV LiDAR 업무처리 지침 마련을 제시하였다. 두 번째로 기존의 토지경계 추출 및 설정 방식인 전자평판측량방식·위성측량 방식과의 연계를 통해 기존과 신기술의 한계성을 극복할 수 있는 방안을 마련하고 이를 기반으로 지적현황도면의 갱신 사업의 필요성을 제시하였다. 세 번째로, UAV LiDAR를 이용한 토지경계 추출 방식의 개선을 위해 UAV와 LiDAR의 통합활용을 통한 추출 한계 지역 개선방안, UAV의 최대 단점인 촬영 고도에 따른 정확도 저하의 기술적 개선방안, 일관성 있는 토지경계 추출을 위해 인공지능 기법과 연계한 자동화 기법 도입 방안을 제시하여 향후 지적분야의 발전 가능성을 제시하였다.
결론적으로 UAV LiDAR를 토지경계 추출 및 설정 과정에 적용함으로써 양호한 성과를 도출할 수 있었다. 본 연구의 실험에서 토지경계를 정확히 추출하기 어려운 지역에 대해서는 현행의 지상측량과 지적도면을 연계한다면 실무에 충분히 적용할 수 있을 것으로 판단된다. UAV LiDAR 기술은 향후 3차원 지적측량을 통한 입체지적도면의 작성과 지형 모델링 등을 활용하고자 하는 많은 장점이 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구의 배경 및 목적 1
• 1. 연구의 배경 1
• 2. 연구의 목적 3
• 제2절 연구의 범위 및 방법 4
• 1. 연구의 범위 4
• 2. 연구의 방법 6
• 제2장 UAV LiDAR 및 토지경계 설정 9
• 제1절 UAV 9
• 1. UAV의 개념 및 유형 9
• 2. UAV의 센서 및 활용 16
• 3. UAV 기반의 위치결정을 위한 측량 기법 22
• 제2절 LiDAR(Light Detection And Ranging) 27
• 1. LiDAR의 개념 및 구성 27
• 2. LiDAR의 유형 및 Point Cloud 31
• 3. UAV LiDAR 및 토지경계 36
• 제3절 선행연구 검토 및 본 연구의 차별성 43
• 1. 선행연구 검토 43
• 2. 본 연구의 차별성 56
• 3. 연구의 접근 틀 57
• 제3장 토지경계 설정의 현황 및 한계 59
• 제1절 토지경계 설정 현황 59
• 1. 관련 법령 현황 59
• 2. 지상·위성측량에 의한 토지경계 설정 현황 63
• 3. UAV에 의한 토지경계 설정 현황 67
• 제2절 UAV LiDAR의 기술발전 현황 및 적용 사례 74
• 1. 기술발전 현황 74
• 2. 적용 사례 76
• 3. UAV LiDAR를 활용한 토지경계 설정 가능성 80
• 제3절 토지경계 설정의 한계 85
• 1. 법률적 한계 85
• 2. 지상·위성측량에 의한 토지경계 추출 및 설정의 한계 89
• 3. UAV에 의한 토지경계 추출의 한계 91
• 제4장 UAV LiDAR를 활용한 토지경계 설정 실험 및 분석 95
• 제1절 토지경계 설정 실험 95
• 1. 실험 설계 95
• 2. 실험 대상지역 선정 및 관련 자료취득 98
• 3. UAV LiDAR 촬영 및 데이터 취득 100
• 제2절 토지경계 설정 및 분석 107
• 1. 데이터 처리 및 영상 제작 107
• 2. 영상의 정확도 검증 114
• 3. 실험 대상지역의 토지경계 추출 118
• 제3절 토지경계 설정 정확도 분석 127
• 1. 정확도 분석 127
• 2. 제약사항 및 한계성 143
• 3. UAV LiDAR의 토지경계 설정 적용 가능성 검토 145
• 제5장 UAV LiDAR 적용을 위한 개선방안 149
• 제1절 관련 법규의 개정 149
• 1. 법률적 근거 마련 149
• 2. 드론지적측량규정의 개정 156
• 3. UAV LiDAR 업무처리 지침 마련 159
• 제2절 지상 및 위성측량과 연계한 토지경계 설정 165
• 1. 전자평판과 연계를 통한 토지경계 설정의 효율성 확보 166
• 2. 위성측량과 연계를 통한 수신제약 문제 해소 167
• 3. 지상 및 위성측량과 연계한 지적현황도면 작성 170
• 제3절 UAV LiDAR를 이용한 토지경계 설정 방식의 개선 174
• 1. UAV와 LiDAR의 통합활용을 통한 개선방안 174
• 2. 촬영 고도에 따른 정확도 저하의 기술적 개선 177
• 3. 토지경계 추출 방식의 자동화 기법 도입 180
• 제6장 결 론 183
• 제1절 연구 성과 요약 183
• 제2절 연구의 한계 및 향후 연구과제 186
• 참고문헌 188
• ABSTRACT 200
• 부록 204