다양한 스마트 미디어 기기를 이용한 정보처리기술과 GIS 기술이 접목되어 스마트폰을 통한 온라인 지도서비스 기술이 확산되고 있다. GIS 기술은 컴퓨터 그래픽, 증강현실 및 위상기하학 등 다양한 기술과 융합되면서 u-City, 텔레매틱스, LBS, 도시계획/개발, 재난방재, 교통제어 및 환경 등 공공산업의 기반기술로 자리 잡아가고 있다. 

서언

다양한 스마트 미디어 기기를 이용한 정보처리기술과 GIS1) 기술이 접목되어 스마트폰을 통한 온라인 지도서비스 기술이 확산되고 있다. GIS 기술은 컴퓨터 그래픽, 증강현실 및 위상기하학 등 다양한 기술과 융합되면서 u-City, 텔레매틱스, LBS, 도시계획/개발, 재난방재, 교통제어 및 환경 등 공공산업의 기반기술로 자리 잡아가고 있다. 

m-GIS 구축 과정은 입력(Input), 조작(Manipulation), 질의 및 분석(Query and Analysis), 시각화(Visualization) 과정을 거쳐 다양한 스마트폰 플랫폼에 적용된다. 

최근에는 최첨단 측량장비인 LiDAR2)를 통해 영상자료를 획득하여 3D 지도데이터를 구축하고 이를 효과적으로 시각화(visualization)할 수 있는 기술이 m-GIS 기술을 견인하고 있다. 특히 3D-GIS 기술은 3차원 시설물 및 지형에 대한 실감 모델링 및 시각화를 제공하는 단계에 이르렀다. 

최근 들어서는 가상현실(VR) 및 증강현실(AR) 기능이 부각된 3D 입체영상 기술과 접목되면서 더욱 현장감 있는 몰입형 3D-GIS 기술로 발전하고 있다. 스마트폰을 통해 LBS 기반의 GIS 기술이 제공되면서 사용자 위치 중심의 공간정보에 대한 수요 니즈가 증가함에 따라 센서 융합 및 데이터 처리 기술 개발이 본격화되고 있다. 

광학 카메라나 레이저 스캐너와 같은 다양한 센서를 차량이나 유·무인 항공기에 탑재한 센서 융합 시스템이 개발되고 있다. 이에 이러한 센서 데이터를 처리하여 실세계의 3차원 공간 모델을 자동으로 생성할 수 있는 기술개발에 주력할 필요가 있다.

m-GIS 기술의 포지셔닝

첨단 멀티센서를 탑재한 무인항공기(UAV) 시스템과, 센서 데이터의 실시간 수신 및 처리가 가능한 지상시스템을 이용한 실시간 공중 모니터링 시스템이 구축되고 있다. 특히 Virtual mighty_3D 모델과 m-GIS 기술을 연동하여 지형정보시스템 개발을 통해 지형정보 메타데이터를 생성/공유/관리하는 체계가 구축되고 있다. 

이처럼 m-GIS 기술은 첨단 ICT 기술력과 접목되어 급속히 발전하고 있으나, m-GIS 기술 관련 전후방 기술개발 정보가 매우 부족하여 국내 LBS 및 GIS 산업 환경에 맞는 m-GIS 기술을 개발·상용화할 수 있는 플랫폼과 모바일 전용 솔루션 개발이 절실하다. 이를 위해 다음과 같은 핵심기술 개발에 주력할 필요가 있다[1][2].

- ‌2D 지도데이터 입력(Input)기술 및 2D 지도데이터 조작기술 : 종이지도를 입력도구를 이용하여 컴퓨터 파일로 변환하고, 입력된 데이터를 사용자의 목적에 맞게 변환시키거나 조작(Manipulation)하는 작업

- ‌질의 및 분석(Query and Analysis) 기술 : 사용자가 다양한 조건을 부여하여 이에 적합한 결과물을 도출시키는 과정

- GIS/CAD 데이터 통합 및 연계 기술

- ‌다양한 방식의 시각화(Visualization) 기술 : 분석 결과물을 화면상에 지도, 그래프, 문자, 3차원영상 등 다양한 형태로 나타내거나 출력하는 과정

- ‌다양한 스마트폰 플랫폼별 m-GIS 기술의 적용방안

m-GIS 기술개발에 필수적인 3대 핵심기술과 스마트폰 플랫폼별 m-GIS 기술 적용방안 등을 개발하여 국내 m-GIS 기술이 한 단계 도약할 수 있는 기반을 마련할 필요가 있다.

기술개발 동향

(1) 2D 지도데이터 입력 및 조작 기술

m-GIS 기술개발에 필수적인 2D 지도데이터 입력기술 및 2D 지도데이터 조작 기술은 다음과 같은 5단계 방법론을 적용할 수 있다[1][2][3].

■ 1단계(3차원 지형 분석의 2차원적 표현 단계)

- ‌전산기하학적 가시화 기술을 이용하여 다양한 3차원 지형분석 알고리즘 개발 방법

- ‌컴퓨터 그래픽 분석 결과를 3차원적으로 표현할 수 있는 개발 방법

■ 2단계(3차원 지형 가시화 단계)

- ‌컴퓨터 그래픽 기술을 구현할 수 있는 하드웨어 개발 방법

- 지형의 3차원적 가시화 및 애니메이션 개발 방법

- ‌3차원 고도 데이터에 위성영상 등을 입힌 뒤 다양한 관찰자 시점에서 조망할 수 있는 개발 방법(3차원 비행 시뮬레이션 등)

- ‌워크스테이션급 컴퓨터를 기반으로 한 대용량 3차원 지형 가시화 소프트웨 개발 방법(ERDAS의 IMAGINE 등)

■ 3단계(3차원 지형분석 단계)

- ‌컴퓨터 그래픽 분석 결과를 3차원 지형으로 가시화하는 개발 방법

- ‌사용자가 직접 고도 데이터를 생성 또는 편집한 뒤 원하는 지형분석 작업을 수행할 수 있는 개 발방법(3차원 지형의 2차원 단면 구하기, 등고선 생성 및 가시권 분석 등)

■ 4단계(3차원 가상도시 단계)

- 웹 기반 응용 소프트웨어 개발 방법

- ‌컴퓨터 그래픽 및 가상현실 기술을 이용한 다양한 3차원 가상도시 구축 방법

- ‌위상학적인 점들의 집합을 이용한 3차원 개체의 브라우징 기능 개발 방법

- ‌컴퓨터 그래픽 및 가상현실 정보의 검색/분석/편집 기술개발 방법(공간데이터의 편집/분석/가공 등)

■ 5단계(능동적 3차원 가상세계 단계)

- ‌능동적 3차원 가상 GIS 지형과 시설물의 연동 기술개발 방법

- ‌3차원 공간 지리정보의 검색/편집/분석 기술개발 방법

- 사용자 질의처리 및 몰입적 상호작용 기술개발 방법

- ‌현실세계와 가상세계 사이의 3차원 분석작업을 수행할 수 있는 기술개발 방법(컴퓨터 그래픽, 증강현실, 위상기하학 등)

(2) 질의 및 분석 기술

m-GIS 기술개발에 필수적인 질의 및 분석(Query and Analysis) 기술 및 기능 규격을 제정하기 위해서는 최첨단 항공 측량장비인 LiDAR에 의한 영상을 3D 지도데이터로 시각화(visualization)할 수 있는 다음과 같은 첨단 기술이 필요하다[4][5].

- ‌LiDAR 영상을 자동으로 분류한 후 각 분류별 영상정보를 분석하여 3차원 지도데이터로 제작하는 기술

- ‌촬영한 3차원 영상을 기존의 1차원 지도데이터와 융합하여 지도데이터를 가시화 하는 기술

- ‌LiDAR에 의한 3차원 영상을 가상현실과 결합하여 3D-Studio 디자인 영상을 생성할 수 있는 소프트웨어 기술 및 시설물데이터 처리 기술

- ‌DHLoD(Dynamic Height-field Level of Detail)를 이용한 지형처리 알고리즘 및 텍스쳐 압축 기법을 이용한 대용량 이미지처리 알고리즘 기술

시각화가 완료된 3D 지도데이터를 이용하여 3D-GIS 시스템을 효과적으로 구축하기 위해서는 구름/안개/해수면/광원 등에 대한 비쥬얼 이펙트 기능, 3D-Author 및 3D-Scene Builder 기능, 3차원 좌표를 사용한 사용자 인터페이스 기능(키보드, 마우스, 조이스틱 등), 촬영된 개체의 속성정보를 한글 및 영문으로 3차원 화면상에 표시하는 개체 속성정보 표현기술 등 데이터 전처리를 위한 기술이 필요하다. 

LiDAR에 의한 3D 영상은 DEM과 같은 지형데이터와 항공사진 또는 위성영상 등의 이미지데이터 위에 교량/건물/도로 등 주요 시설물을 표현하고 이러한 시설물 데이터를 이용하여 PC상에서 실제 지형과 유사한 모습을 사용자가 인지할 수 있게끔 처리되는 과정이다. (그림 1 참조)

▲ 그림 1. LiDAR에 의한 3차원 영상처리 과정

LiDAR에 의한 3차원 영상을 가시화하여 GIS시스템을 구축하는 데 필요한 소프트웨어는 사용자 조작에 따라 즉각적인 반응을 보여줄 수 있는 실시간 3차원 렌더링 처리 기능을 갖춘 Visual C++ 및 Microsoft DirectX9 등 API 기반의 그래픽 개발 환경이 필요하다. 

이러한 u-GIS 데이터를 통합하여 처리하기 위한 대표적인 플랫폼 기술로서 센서 웹(sensor web)이 있다. 이는 인공물이나 자연물에 컴퓨터 기능을 갖춘 고성능 센서를 설치하고 이를 웹과 연동시켜 시설물 및 환경, 교통상태, 재난재해 등을 모니터링할 수 있는 개념이다. 

향후에는 이러한 센서 웹을 도시 전체에 연결하여 u-City를 구축하거나, 나아가 지구 전체를 커버하는 글로벌 네트워크로 연결하여 USN(Ubiquitous Sensor Network) 형태의 지능적인 지구 공간 환경으로 발전할 것으로 예상된다.

GIS/CAD 데이터 통합 및 연계 기술

m-GIS 기술개발에 필수적인 GIS/CAD 데이터 통합 및 연계 기술은 u-시티 지향의 u-GIS 정보를 언제 어디서나 사용자에게 효율적으로 제공하고자 하는 것이다. 기존의 GIS 기술은 주로 삼각형 메시 기법과 3D 영상처리 시스템을 활용한 건물의 실외(outdoor) 및 시설물 정보(2차원 또는 2.5차원)를 제공해 왔다. 

건축 및 건설 분야의 CAD 및 BIM은 실내(indoor)의 세밀한 건물 정보(2차원 또는 3차원, 설계/건설/관리를 위한 컨텍스트 정보 포함)에 초점을 맞추어 정보를 제공해 왔다[3]. 

이렇게 처리 수준이 다른 두 개의 공간정보를 하나로 통합 처리함으로써 새로운 u-GIS 서비스를 제공할 수 있게 된다. 

먼저, 건축 및 건설 분야의 설계단계에서 해당 건물이 위치하고 있는 주변정보(다른 건물/도로/시설물/환경 등)와 관련한 각종 GIS 데이터를 적극 활용함으로써 주변과 어울리는 건물의 설계가 가능하고 도시 계획 측면에도 유용한 정보를 제공할 수 있다. 특히 건물과 건물 사이에 터널이나 구름다리 등을 설계하는 경우 매우 유용하다.

이러한 정보를 위치기반 서비스와 CAD 데이터를 통합하여 door to door 내비게이션 기능을 갖춘 기능을 웹 서비스를 통해 사용자에게 제공할 수 있을 것이다. 특히, 긴급 환자가 발생한 경우 환자가 위치한 건물을 찾고 해당 건물 안에서 가장 빠른 최적의 경로를 찾아주는 긴급구조 서비스에 응용될 수 있다. 

또한 국가적인 재난이 발생한 경우 도시 내 각 건물의 수용인원 등을 신속히 분석하여 최적의 대비 전략을 수립하는 재난관리서비스에도 응용될 수 있다. 기존의 GIS는 2D 또는 3D의 정적인 공간 데이터를 주로 다루었다.3) 

점차 m-GIS 기술은 u-시티 환경 지향의 확장/시간 개념의 추가, 실내 공간으로 확장, 메인메모리 기반/하이브리드 기반 시스템 등의 기술적인 특성을 반영하여 발전할 것으로 예상된다.

시각화 기술

m-GIS 기술개발에 필수적인 시각화 기술은 GIS/CAD 데이터 분석 결과를 모바일 기기 화면에 지도, 그래프, 문자, 3D 영상 등 다양한 형태로 출력하는 과정이다. GIS/CAD 데이터 시각화 기술을 구현하기 위해서는 다음과 같은 하드웨어 특성과 첨단 기능이 필수적이다[5][6].

- ‌Geotiff DEM/Generic Binary/ASCII 등 지형데이터 포맷 기능 및 메인메모리 1GB 사용 시 30m급 DEM으로 산정하여 200×200km(7200×7200vertex) 영역 처리가 가능한 지형데이터 처리 기능

- ‌Geotiff/RGB Binary/RS 툴 등 상용화 포맷을 이용한 이미지 포맷 및 1m급 IKONOS 위성영상 기준으로 130GB 분량의 이미지를 처리할 수 있는 스와핑 처리 기능을 갖춘 이미지처리 기능

- ‌50~100만Vertex 이상의 오브젝트 처리가 가능한 시설물 데이터 처리 기능

LBS 기술 기반의 m-GIS 시각화 기술개발은 m-GIS 구축을 위한 전체 프로세스에 대한 차별화된 독창성을 확보할 수 있어야 한다.

스마트폰 플랫폼별 m-GIS 기술의 적용방안[4][5][8]

2D 지도데이터 입력/조작→질의 및 분석→GIS/CAD 데이터 통합 및 연계→시각화 과장을 거친 m-GIS 기술을 다양한 스마트폰 플랫폼에 적용할 수 있는 방안이 필요하다. 이를 위해 대용량 지형처리 및 이미지처리 알고리즘과, 다양한(in/out door) 시설물 데이터 처리기술이 필요하다. 아울러 알고리즘을 이용한 데이터 전처리를 실행할 수 있는 솔루션이 필요하다.

■ 대용량 지형처리 알고리즘

- ‌DHLoD 지형처리 알고리즘을 이용하여 USGS-DEM(Digital Elevation Model: 수치표고모델) 기반의 64sheet(7200×7200vertex) 규모의 고도데이터를 15분 간격으로 실시간 처리해야 한다.

- ‌이를 통해 대용량 지형데이터 처리 기능으로서 불필요한 고도데이터를 제거하고 보다 넓은 영역을 표현할 수 있어야 한다.

■ 대용량 이미지처리 알고리즘

- 기존의 이미지 압축기법과 다른 텍스처 압축기법을 적용함으로써 압축된 이미지를 복원하는 과정에서 그래픽 하드웨어에 의존하여 보다 작은 메모리 공간을 이용하여 이미지 디스플레이를 가능하게 해준다.

- ‌용량이 큰 이미지 데이터 중에서 현재 화면상에 표현해야 할 이미지 영역을 빠르게 찾아내는 스와핑 처리기술을 적용함으로써 제한적인 PC 리소스만으로 보다 넓은 영역의 이미지를 표현할 수 있게 해준다.

■ 시설물 데이터 처리기술

- ‌3D-Studio와 같은 디자이너용 모델링 소프트웨어 상에서 제작된 데이터를 임포트하여 3D 위성영상 위에 실측값으로 매핑(mapping)할 수 있어야 한다. 이러한 매핑 프로세스를 거쳐 3D 지도데이터 제작이 완성된다.

- ‌시각화(visualization)가 완료된 3D 지도데이터를 이용하여 m-GIS 시스템을 효과적으로 구축하기 위해서는 구름/안개/해수면/광원 등에 대한 비주얼 이펙트 기능, 3D-Author 및 3D-Scene Builder 기능, 3차원 좌표를 사용한 사용자 인터페이스 기능(키보드, 마우스, 조이스틱 등), 촬영된 개체의 속성정보를 한글 및 영문으로 3차원 화면상에 표시하는 개체 속성정보 표현기술 등 데이터 전처리를 위한 기술이 필요하다.

■ 데이터 전처리 솔루션

- 3D 시설물을 이용하여 거시적인 3차원화 표현을 손쉽게 할 수 있도록 하기 위한 지원도구로서 대표적으로 3D-Author 및 3D-Scene Builder가 있다.

- ‌3D-Author: 구체적으로 지형데이터 및 이미지 데이터를 가공하여 3차원 화면에 사용될 수 있도록 가공 및 변환동작을 실행한다.

- ‌3D-SceneBuilder: 3차원 화면상에서 시설물 데이터를 배치할 수 있도록 지원해주는 2차원 편집 시스템이다.

데이터 전처리 솔루션은 구름/안개/해수면/광원 등의 3차원 영상을 보다 자연스러운 3차원 영상으로 표현할 수 있도록 비주얼 이펙트를 제공한다. 예를 들면, 마우스로 원하는 시설물을 선택하면 그 시설물에 대한 속성정보를 조회하여 한글/영문으로 3차원 화면상에 표시해 준다.

m-GIS 기술 적용사례 및 시장성 분석

(1) 3D 지도데이터 적용사례

기존의 정적인 컴퓨터그래픽 기술이 아닌 사용자가 직접 조작이 가능한 3D 지도데이터를 토목이나 건축물 등에 다음과 같이 적용되고 있다.

- ‌건축물이나 각종 시설물의 실시간 조감도 설계와 3D 뷰잉 시스템(viewing system) 등에 적용되고 있다.

- ‌실제 지형상의 시설물이 주변 지역에 미칠 영향을 파악하여 주변 경관을 분석하고 이에 대한 보완을 위한 설계 및 지원시스템에 적용되고 있다.

- ‌신규 선로(도로)망 설계를 위한 토공량 분석 등 선로계획 및 선로 시뮬레이션에 적용되고 있다.

(2) m-GIS 기술의 시장성

국내외 LBS 산업은 스마트폰의 확산과 함께 초기 위치추적 서비스를 시작으로 사람 찾기, LBS 모바일 게임 등 점차 LBS 산업을 활용한 시장이 확대되어 가고 있다. 2010년경부터 대중화되기 시작한 GPS 기능이 내장된 스마트폰의 급속한 증가와 위치측위 시스템 설비투자 확대, 통신망과 플랫폼의 개방화 등에 힘입어 유무선 통신사업자 모두 LBS 연계 기능에 중점을 둔 서비스를 확대해 나가고 있다[6][9][10][11](표 1 참조).

▲ 표 1. 국내외 LBS 시장 매출액 추이

- 고정밀 위치측위시스템 및 LBS 플랫폼 관련 국내 시장 매출액 추이를 보면 2015년 61억 3,000억 원에서 2016년에는 전년 대비 약 57% 성장한 107억 3,000억 원을 기록하였으며, 2021년에는 449억 원의 대규모 시장을 형성할 것으로 예상하고 있다.

- 글로벌 시장의 LBS 기술 관련 매출액 추이를 보면 2015년 900만 달러에서 2016년에는 전년 대비 약 37.5% 성장한 2,400만 달러를 기록하였으며, 2021년에는 1억1,400만 달러의 대규모 시장을 형성할 것으로 예상하고 있다.

- 2015~2019년까지 연평균 시장 성장률로 보면 국내 시장은 48.9%, 글로벌 시장은 76.5%의 매우 높은 시장 성장이 예상된다.

맺음말

스마트폰의 고도 정보처리기술과 m-GIS 기술이 접목된 실시간 위치정보 서비스 기술이 빠르게 확산되고 있다. 첨단 멀티센서(multi sensor)를 탑재한 무인항공기(UAV) 시스템과, 센서 데이터를 이용한 실시간 정보처리 기능을 통한 지상시스템이 구축되면서 최첨단 실시간 모니터링 시스템으로 발전하고 있다. 

이처럼 GIS 기술은 컴퓨터 그래픽, 증강(가상)현실 및 위상기하학 등 다양한 기술과 융합되면서 u-시티, 텔레매틱스, LBS, 도시계획/개발, 재난방재, 교통제어 및 환경 등 공공 및 민간 산업의 기반기술로 자리 잡아가고 있다. 3D-GIS의 핵심기술인 정보의 입력(Input) 및 조작(Manipulation) 기술과 이에 대한 5단계 방법론을 적용하여 m-GIS 플랫폼(솔루션) 설계기술을 향상시킬 수 있을 것이다. 

아울러 시각화를 위한 플랫폼 개발을 통해 고품질의 공간정보를 효율적으로 구축할 수 있는 기반을 마련할 수 있을 것이다. 

나아가 광학 카메라나 레이저 스캐너와 같은 다양한 센서를 차량이나 유·무인 항공기에 탑재한 센서 융합 시스템 개발을 통해 관련 업계의 수익창출 기반을 마련할 수 있을 것이다.

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1) ‌GIS(Geographic information system)는 1980년대 무렵부터 주로 3차원 지형 분석을 위한 기능 위주로 개발되어 왔다. 오늘날에는 3차원 시설물 및 지형에 대한 실감 모델링 및 가시화를 제공하는 단계에 이르렀다. 최근 들어 가상현실 및 증강현실 기능이 부각된 3D 입체영상 기술과 접목되면서 더욱 현장감 있는 몰입형 3차원 GIS 기술로 발전하고 있다.

2) ‌LiDAR(Light Detection And Ranging)는 기존의 LaDAR(Laser Detection and Ranging)보다 짧은(적외선 범위에 가까운 정도) 파장과 전자기 스펙트럼을 이용하여 촬영 대상 개체의 표면과 검출 범위에 레이저 펄스를 조사한 후 반응 신호의 펄스를 이용하여 개체의 속성을 측정하는 신기술이다. LIDAR 기술은 고고학/지리학/지질학/대기물리학 분야 및 원격탐지 분야에 응용되고 있다.

3) ‌2D-GIS의 경우 건물/도로/하천 등 지형지물을 표현하는 데 주로 사용되어 왔으며, 3D-GIS는 시설물들을 3차원으로 표현하여 관리하는 데 주로 사용되었다.

박세환  Ph.D._한국과학기술정보연구원 ReSEAT프로그램 전문연구위원