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[계측 기술-①] 계량과 계측 기술의 진화

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후세 다카시, 도쿄대학 대학원 공학계연구과 사회기반학 전공

 

계량은 지구상의 자연 또는 인공물과 같은 지물의 위치·형상을 측정하고, 또한 지물의 위치 관계를 구해 수치나 그림으로 표현, 그들을 기반으로 분석 처리를 하는 일련의 기술이다. 그 기원은 고대까지 거슬러 올라갈 수 있는 오래되고 전통적인 과학이다. 계량이라는 말도 천문관측과 토지를 측정하는 것을 연결하는 기술로, 고대 중국의 ‘측천량지(測天量地)’에서 유래됐다고 한다. 긴 측량의 역사 속에서 지금까지 항상 최첨단 기술을 도입, 혁신을 계속해 왔다.

 

계량의 기본은 거리나 각도 등의 측정이다. 일본의 근대 측량에서는 메이지 시대(1868년~1912년) 초기부터 삼각측량이 전통적으로 이루어져 왔는데, 1960년대 이후 광파측거의의 보급에 의해 고정도 거리 측정이 가능해져 삼변측량과 트래버스 측량(traverse survey)이 확산됐다. 그 후 1990년대 전반에 GPS(Global Positioning System) 측량이 실용화되어 위성 측위 시대가 막을 열었다. GPS 측량은 위성과 수신기 간의 거리에 기초하기 때문에 삼변측량으로 파악할 수도 있다. 또한 화상 등에 의해 지물의 성질이나 상태를 파악하는 기술도 진전됐다.

 

그런데 측량은 평상시뿐만 아니라, 비상시에도 활약해 왔다. 예를 들면 재해 시의 측량 기록은 지금까지도 중요한 역할을 해왔다. GPS 측량을 재해 초기에 이용한 예로는 1991년의 운젠(雲仙) 후겐다케(普賢岳) 분화의 관측을 들 수 있다. 실용화가 막 시작된 GPS 측량에 의해 연속 관측이 이루어지고, 복구공사에도 무인화 시공을 실현했다.

 

그리고 1995년의 한신(阪神) 아와지(淡路) 대지진에서도 지각변동 관측과 함께 복구·부흥 측량에 공헌했다. 이 대재해를 계기로 일본의 전자기준점 설치 수가 크게 증가해 현재의 GPS 연속 관측 시스템이 이루어졌다. 이 글에서는 이후에도 재해 시에 적절하게 이용한 사례에 대해 다루기로 한다.

 

최근의 측량 기술에 주목하면, 그 발전을 지원해 온 것은 말할 것도 없이 계측장치와 데이터 처리 기술의 진화이다. 예를 들면 사진 계량에서는 화상 처리 기술과 융합해서 디지털 사진 계량이 주목받게 됐다. 또한 레이저 거리측정 기술은 1980년대에 이미 확립되어 있었지만, 레이저 스캐너가 개발됨에 따라 3차원 계측 기법으로 널리 이용되게 됐다. 이 기술은 LiDAR(Light Detection And Ranging)라고도 부른다.

 

레이더에 의한 계측에서는 합성 개구 레이더(SAR : Synthetic Aperture Radar)가 1990년대에는 실용화됐으며, 현재에도 많이 이용되고 있다. 또한, 각국에서 위성 측위 시스템의 개발이 추진되어 GPS도 포함한 총칭으로 GNSS(Global Navigation Satellite System)라고 부르게 됐다. 이와 같이 여러 가지 센서나 시스템이 개발되어 왔는데, 모두 고분해능화가 추진되어 그 계측 정도가 높아졌다. 또한, 센서의 다양화에 의해 계측 영역의 확대가 도모됐다.

 

한편, 위성이나 항공기 등 센서를 탑재하는 플랫폼의 다양화도 볼 수 있다. 이 다양화에 의해 응용 범위가 확대됐다. 최근에는 드론(UAV: Unmanned Aerial Vehicle)이나 초소형 위성 등과 같은 플랫폼의 소형화에 의해 기동성이 높은 계측이 가능해졌다. 또한, 모바일 맵핑 시스템(MMS: Mobile Mapping System)과 같이 이동 계측 시스템의 발전도 현저하다.

 

이러한 여러 종류의 다양한 측량 성과를 정리해 공유·이활용하기 위해 지리 정보 시스템(GIS: Geographic Information System)이 공헌해 왔다. GIS는 공간적인 위치와 관련된 데이터를 동일 좌표계 하에서 관리·분석·표현·공유하는 시스템이다. GIS는 1990년대부터 널리 보급되어 한신 아와지 대지진에서 그 유용성이 확인된 후, 국가 프로젝트로서 대응하게 됐다. 이 움직임에 의해 공간 정보 기반으로 위치매김하게 됐다. 현재는 상세한 3차원 모델도 공유되어, 누구라도 간편하게 액세스할 수 있는 시대가 됐다.

 

측량의 계측 기술 발전은 데이터 처리·해석 기술에 힘입은 바도 크다. 화상 처리, 점군 처리, 주파수 해석, 공간 해석 등 현재에도 고도화가 추진되고 있다.

 

이 글에서는 주로 센서(와 일부 처리 기술)과 플랫폼에 주목해 계측 기술의 동향을 살펴보기로 한다.

 

센서의 고성능화

 

앞에서 말했듯이 여러 가지 센서의 기본적인 기술이 확립된 후, 이들의 고성능화가 추진되어 현재에 이르렀다. 센서의 발전을 생각할 때, 몇 가지 시점에서 파악할 수 있다. 그들은 주로 공간적 특성, 시간적 특성, 스펙트럼적 특성으로 분류된다. 고성능화의 하나로서 고분해능화를 들 수 있다. 화상의 고분해능화를 예로 들면, 다음의 분해능을 생각할 수 있다.

 

· 공간분해능

· 시간분해능 (촬영 간격)

· 스펙트럼 분해능 (주파수)

· 해조(그라데이션)의 분해능

 

각각의 고분해능화가 추진됨에 따라 보다 상세한 계측을 하는 것이 가능해졌다. 또한, 화상 처리 기법의 발전도 동반해 물체 인식 등의 정도 향상도 볼 수 있다. 기타 센서의 시간분해능에 대해서는 플랫폼에 의한 바도 크다. 그렇기 때문에 이하에서는 공간적 특성, 스펙트럼적 특성의 시점에서 살펴보려고 한다.

 

공간적 특성

 

1. 화상 센서

화상 공간분해능의 고분해능화가 추진되고 있다. 화소 수의 비약적인 증가에 의해 대상물을 고분해능으로 촬영할 수 있게 됐기 때문이다. 컨슈머 타입 디지털카메라의 화소 수는 1990년대 말부터 급격하게 증가해 현재도 그 흐름은 멈추지 않고 있다. 일안 리플렉스 카메라에서는 5000만 화소 레벨의 것도 많고, 그 중에는 1억 화소를 넘는 카메라가 등장했다. 스마트폰에 탑재된 카메라의 경우도 대부분의 기종이 1000만 화소를 넘는다.

 

디지털 항공 카메라는 라인형이나 에어리어형 등의 타입이 존재하는데, 이들도 고분해능화가 진행됐다. 에어리어형은 2억 화소를 넘는 것도 존재한다. 예를 들면 카메라의 CCD소자 사이즈가 12μm, 초점 거리 120mm로 1000m 상공에서 촬영한 경우, 10cm의 지상분해능을 얻을 수 있다.

 

위성 화상에 관해서도 많은 고분해능 위성이 발사되어 있다. 최초의 고분해능 위성으로는 IKONOS가 알려져 있다. 1999년에 발사되어 지상분해능 1m(판크로매틱)을 기록했다. 2014년에 발사된 WorldView-3의 경우는 지상 분해능이 0.31m(판크로매틱)나 된다.

 

또한, 디지털 항공 카메라, 고분해능 위성 화상이 재해 조사에 본격적으로 이용된 사례로는 2004년의 니가타현 주에쓰 지진으로 거슬러 올라갈 수 있다.

 

이들의 고분해능화에 동반해 화상 상의 특징을 보다 상세하게 해석할 수 있게 됐다. 앞에서 말했듯이 화상 처리 기술과 융합한 디지털 사진 측량이다. 기본적인 흐름은 화상에서 특징점을 추출, 복수 화상 간의 특징점 대응 관계를 구하고 카메라의 위치·자세와 특징점의 3차원 좌표를 추정한다. 특징점의 3차원 좌표 추정은 삼각측량의 원리를 따른다. 즉, 카메라는 각도측정기로 파악할 수도 있고, 화상의 고분해능화는 그대로 각도 계측의 고분해능화라고 할 수 있다. 이것에 의해 3차원 좌표 추정의 정도가 크게 향상됐다.

 

또한, 화상 처리 기법의 고도화에 동반해 특징점의 추출과 대응이 자동화되어 효율도 높아졌다. 기존에는 치밀한 촬영 계획에 의해 화상을 취득하는 것이 요구됐기 때문에 누구나 사진 측량을 할 수 있는 것은 아니었다. 현재는 계산 기법 등이 개량된 SfM(Structure from Motion)이라고 부르는 기법을 실장한 소프트웨어가 보급되어 용장성 있는 매우 많은 화상을 이용함으로써 많은 사람들이 화상에 의한 3차원 계측을 할 수 있는 환경이 갖추어져 이용도 확산되고 있다.

 

또한, SAR 화상의 공간분해능도 향상되고 있는데, 이용하는 주파수대에도 의존하기 때문에 스펙트럼적 특성에서 다루기로 한다.

 

당연하지만 공간분해능 향상과 함께, 화상 인식 기법의 발전에 의해 물체 인식이나 지물의 상태 인식 등의 정도도 큰 향상을 이루었다. 이것에 의해 여러 가지 응용에 대응할 수 있게 되어 화상의 이활용 예가 상당히 증가하고 있다.

 

2. LiDAR

LiDAR는 고정도의 거리 계측에 의해 3차원 점군을 취득하는 것이 가능하다. 항공 레이저 측량의 예로서 2000년의 우스잔(有珠山) 분화의 관측에 의한 공헌을 들 수 있다.

 

측량에서 이용되는 주된 방식으로는 레이저광의 왕복 시간을 계측해 거리를 산출하는 타임 오브 플라이트 방식과 여러 개의 변조시킨 레이저광의 위상차로부터 거리를 산출하는 페이즈 시프트 방식이 존재한다. 일반적으로는 타임 오브 플라이트 방식은 장거리 계측, 페이즈 시프트 방식은 근거리의 대량 점군 데이터 취득에 적합하다.

 

LiDAR에서는 공간분해능에 대응하는 점군의 고밀도화가 더욱 추진되고 있다. 예를 들면 타임 오브 플라이트 방식에서는 레이저광을 1초간에 여러 개의 펄스로 발진시켜(펄스 반복 레이트) 조사하고 있는데, 이 레이트의 향상에 의해 유효 측정 레이트(1초간에 취득할 수 있는 점군수)를 높일 수 있다.

 

항공 레이저의 경우에는 이 조사수 외에도 주사 각도, 비행 속도, 대지고도, 지형 조건 등에 따라 점군 밀도가 변화하기 때문에 일률적으로 말할 수 없지만, 점군 밀도가 높다고 하는 지상거치형 LiDAR로 100만점/초의 계측이 가능해진다.

 

앞에서 말했듯이 고밀도의 점군 데이터를 취득할 수 있게 됐지만, 동시에 대규모 점군 데이터 처리 기술도 발전해 효율적인 데이터 핸들링이 가능해졌다.

 

3. 각도 센서

사진 측량이나 항공 레이저 측량에서는 센서의 위치와 자세가 필요하다(사진 측량에서는 표정이론에 기초해 지상 기준점을 이용함으로써 추정이 가능하다). 이들로부터 사진 측량의 삼각 측량이나 레이저 측량의 거리 계측이 가능해진다. 앞에서 말한 GNSS의 이용이 추진됨으로써 직접 위치 특정을 할 수 있게 됐다.

 

한편의 자세 계측에는 관성계측장치(IMU: Inertial Measurement Unit)가 이용된다. IMU는 각속도와 가속도를 검출하는 센서이다. IMU에 의한 각도 계측도 각도분해능의 고분해능화를 볼 수 있다. 또한, 정도나 안정성이 향상되어 IMU를 여러 가지 센서와 조합해 이용할 수 있게 됐다. GNSS나 IMU를 조합해 거리 계측 센서 등과 병용함으로써 3차원 계측의 응용이 확산됐다고 할 수 있다. 특히 이동체 플랫폼 등에 탑재해 다양한 플랫폼의 3차원 계측을 가능하게 하고, 계측의 기동성을 크게 향상시키는 동시에 그 응용 범위가 확대됐다.

 

스펙트럼적 특성

 

이용 주파수(파장)에서도 고분해능화는 추진되고 있다. 또한, 스펙트럼적 특성으로는 고분해능화뿐만 아니라, 이용하는 주파수의 다양화도 들 수 있다. 더구나 센서에 따라서는 파장이라는 단어를 많이 이용하는 경우도 있지만, 여기서는 주파수로 통일해서 사용한다.

 

1. 화상 센서

화상 센서로는 하이퍼 스펙트럼 센서(Hyperspectral Imager SUIte, HISUI)가 그 대표적인 예이다. 일반적인 카메라에서는 필터에 의해 3원색인 RGB에 해당하는 주파수대(밴드)의 빛을 검지한다.

 

멀티 스펙트럼 센서에서는 프리즘에 의해 분광해 그 밴드 수를 증가시키는데, 십 수 밴드 정도인 경우가 많다. 하이퍼 스펙트럼 센서는 매우 작은 주파수대로 고분해능으로 분광하고, 밴드 수를 200 정도까지 향상시켰다. 화상으로부터 지물의 상태 관측이나 식별을 하는 경우, 분광특성에 기초하는 경우가 많다.

 

분광특성이란 물체가 반사 혹은 방사하는 전자파의 강도가 주파수에 따라 다른 성질이다. 물체 식별에는 다밴드화에 의해 매우 작은 정보를 이용할 수 있고, 지금까지 식별이 어려웠던 물체의 판별에도 유용해진다. 상태 추정이나 식별을 화상 인식 기법에 의해 실현하려고 하면, 밴드마다의 관측값을 특징 벡터로 한다. 지금까지 십 수 차원으로 해석하고 있던 문제를 200 정도의 차원 수로 해석하는 것이 가능해졌다는 것을 의미한다.

 

2. LiDAR

LiDAR에서도 스펙트럼 분해능을 고분해능화한 센서를 볼 수 있다. 기존에는 물체의 반사파를 반사 강도가 강한 부분을 이산적으로 몇 개 정도 기록하는 펄스 기록식 레이저 스캐너가 이용되고 있었다. 수신된 반사파의 스펙트럼 분해능을 매우 높혀 거의 연속 값에 가까운 반사파를 기록하는 파형 기록식 레이저 스캐너가 등장했다. 예를 들면 삼림 계측에서는 지금까지는 수관과 지상의 반사만을 주로 계측하고 있었지만, 그 사이에 존재하는 가지의 반사파도 파악할 수 있게 되어 삼림 구조 해석 등에 크게 도움이 됐다.

 

다음으로 LiDAR의 주파수 다양화에 대해서도 다루어 보기로 한다. 계측용 레이저 스캐너에서는 적색으로부터 근적외 영역의 주파수를 이용하는 경우가 많다. 그러나 주파수대는 수면에서 반사해 버리기 때문에 수면 아래의 측정이 과제였다. 수면 아래의 측정에는 음파에 의한 측심이 주된 방식이었는데, 천심부 등 측량 선박이 들어갈 수 없는 장소의 측정에 과제가 있었다.

 

이러한 과제에 대해, 보다 높은 주파수인 녹색의 주파수를 이용해 항공 레이저 측심을 하는 ALB(Airborne Laser Bathymetry)가 개발됐다. 녹색의 주파수는 적색의 주파수보다 훨씬 적은 감쇠로 물에 침투하기 때문에 양쪽 주파수의 레이저를 병용하면 수면 및 물밑까지의 거리를 측정할 수 있고, 하천 바닥이나 얕은 여울 등의 물밑 지형을 효율적으로 계측할 수 있다. 유용성이 좋아 현재도 상당히 많은 이용 예를 볼 수 있다.

 

3. GNSS

GNSS는 위성에서 송신되는 전자파를 수신기에서 수신해 위성과 수신기 간의 거리를 계산하고, 수신기의 3차원 위치를 측위하는 것이다. GNSS에서는 반송파라고 불리는 데이터 송신을 위한 전자파를 여러 개 이용하고 있다. 실시간 측위를 실현해 GPS의 이용 범위를 확대시킨 리얼 타임 키네마틱(RTK: Real Time Kinematic) 측위에서는 2주파의 반송파를 병용, 해를 효율적으로 구하고 그 실시간성을 확보하고 있다. 최근의 측위 위성에서는 다양한 주파수의 이용이 추진되고 있다.

 

새롭게 추가된 주파수대는 멀티 GNSS 측량이나 보강 신호의 송신에 이용된다. GNSS 측량에서는 전파 경로에 있는 전리층이나 대류권에서 지연에 의해 오차가 생기는데, 전자기준점에서 연속 관측해 산출된 보정 데이터(보강 신호)를 송신해 정도를 향상시키고 있다. 일본의 측위 위성인 준천정위성(QZS: Quasi-Zenith Satellites)에서도 서브미터급(SLAS: Submeter Level Augmentation Service)이나 센티미터급(CLAS: Centimeter Level Augmentation Service)의 고정도 측위 서비스가 제공되고 있다.

 

4. SAR

일반적인 화상 센서는 태양광 등의 반사파를 감지하는 패시브 센서이다. 한편, SAR은 가시광 등 보다 주파수가 낮은 마이크로파를 스스로 조사, 그 반사파를 수신하는 액티브 센서이다. 그 마이크로파의 주파수 종류도 증가했다. 또한, 앞에서 말한 공간적 특성에서 SAR 화상의 공간 분해능이 이용하는 주파수에 의존한다는 것을 다루었다.

 

일반적으로 SAR 화상에서는 플랫폼의 진행 방향에 대해 측면 방향에 해당되는 크로스 트랙 방향의 공간분해능은 그 펄스 폭에 의해 결정된다. 펄스 압축 기술에 의해 분해능의 개선이 가능하지만, 펄스 압축 시에 이용되는 주파수에 의존한다. 고주파수가 될수록 높은 공간분해능을 얻을 수 있다. 최근에는 X밴드(8~12GHz)라는 비교적 높은 주파수대를 이용해 1m 정도의 높은 공간분해능 화상을 얻을 수 있게 됐다.

 

또한, 주파수대에 따라 투과성이 다르다. 낮은 주파수대 일수록 그 투과성이 높다는 것이 알려져 있다. 밴드의 다양화로, 목적별로 이용하는 주파수대를 선택할 수 있게 되어 이용 범위가 확대되고 있다.

 

SAR은 반사파의 강도뿐만 아니라, 위상 정보도 취득하고 있다. 두 개의 반사파를 간섭시켜 차분을 취하면 센티미터급의 거리 계측이 가능하다. 위상차에 의해 거리를 계측하기 때문에 여기서도 주파수에 의한 영향을 받는다. 더구나 합성 개구 레이더의 이용 확산은 한신 아와지 대지진의 지각 변동 해석에 활약한 것으로 발단됐다.

 

5. 해조의 고분해능화

디지털 화상에서 화소의 농담값을 이산화하는데, 이 해조의 고분해능 화상도 많이 취득되고 있다. 이것은 스펙트럼적 특성과는 다른 내용인데, 여기서 간단히 다루어 보기로 한다. 일반적인 디지털 화상에서는 각 색깔의 농담값을 8bit의 256레벨로 이산화하고 있다. 위성 화상이나 항공 사진에서 높은 분해능으로 이산화된 화상이 얻어진다. 예를 들면 위성 화상에서는 14bit(16384레벨) 화상의 것도 존재한다. 이것에 의해 예를 들면 지금까지 눈으로 보기 힘들거나 혹은 해석이 어려웠던 그림자 영역의 물체인식 기법의 개발이 진행됐다.

 

플랫폼의 다양화

 

지금까지 봐왔듯이 센서의 고성능화에 의해 계측 정도 자체가 향상됐다. 한편, 이러한 센서를 탑재한 플랫폼이 다양화됨에 따라 이활용 범위가 넓어졌다. 예전부터 지상거치형, 항공기·헬리콥터·비행선, 위성 등이 이용되어왔다. 센서의 소형화와 GNSS·IMU의 보급이 진행됐기 때문에 최근에는 보다 기동성이 높은 플랫폼이 이용되고 있다.

 

위성에 대해서는 중량이 100kg 이하인 초소형 위성 발사가 전 세계에서 이어지고 있다. 일본도 초소형 위성 개발에 있어 세계에 뒤지지 않는 실력을 가지고 있다. 초소형 위성은 저코스트(대형 위성의 1/100 정도)로 개발 기간도 짧다. 그렇기 때문에 여러 개의 위성을 발사할 수 있다. 기존의 위성은 그 궤도특성 때문에 촬영 간격이 한정적이었다. 여러 개의 위성 궤도에 많은 위성을 발사해 고빈도의 계측이 가능하다. 카메라나 SAR 등의 센서가 등재되어 지구 관측에 대한 기대가 높아지고 있다.

 

UAV는 이미 세계적으로 큰 화제가 되어 측량 분야에서도 이활용이 추진되고 있다. UAV의 매력은 신속한 이륙 준비에 있으며, 적시 관측을 가능하게 했다. UAV에는 멀티로터식과 보다 항속 거리가 긴 고정날개식이 존재한다.

 

예를 들면 멀티로터식은 2014년의 일본 히로시마 호우 재해나 2016년의 구마모토 지진의 관측이 주목받아, 그 후에도 널리 이용되고 있다. 또한 2014년부터 고정날개식으로 니시노시마의 화산 활동을 관측하고 있다. 그 외에 인프라 구조물의 메인틴넌스나 i-Construction의 활용 등 응용 분야가 확대되고 있다. 카메라나 LiDAR이 탑재되어 보다 간편한 관측에 공헌하고 있다. UAV로 얻은 화상에 대해서는 앞에서 말한 SfM 소프트웨어의 보급에 의해 여러 가지 이활용 예가 증가하고 있다.

 

또한, 차량에 카메라, LiDAR, GNSS·IMU 등을 탑재한 통합형 측량 시스템인 MSS도 실적을 쌓고 있다. 차량을 달리게 할 뿐만 아니라, 도로 공간의 3차원 데이터를 취득할 수 있어 자동 운전차용 고정도 3차원 지도 데이터 작성에도 활용되고 있다. 특히 도로 공간의 관측이 가능하기 때문에 도로관리자에 의한 인프라의 메인티넌스에도 활약하고 있다.

 

그 외에 핸드헬드용 LiDAR이나 로봇을 이용한 지하 매설물 계측 시스템도 등장하고 있으며, 플랫폼의 다양화가 점점 추진되고 있다.

 

맺음말

 

이 글에서는 공간적·스펙트럼적 특성에 기초한 센서의 고성능화 및 플랫폼의 다양화 시점에서 계측 기술의 동향을 살펴봤다. 이번에는 해석 기술을 다루지 않았는데, 다음에 기회가 되면 다루기로 한다. 앞으로도 지금까지 이상으로 센서·플랫폼의 진화가 추진될 것으로 예상된다. 양자의 조합 방법도 확대되고 있고, 더욱 진화를 이루어갈 것으로 기대된다.



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