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연구정보

Korea Institute of Ocean Science & Technology

드론(UAV)의 해양과학조사 활용 국제동향

  • 조회 : 8073
  • 등록일 : 2017-03-31
드론의 해양과학조사 활용 국제동향.pdf 바로보기

『드론(UAV)의 해양과학조사 활용 국제동향                   

 

동해연안침식연구실 정의영 선임연구원

 

 

일반적으로 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)를 지칭하는 드론은 형태에 따라 고정익과 회전익으로 분류가 된다. 고정익의 경우 하나 또는 두 개의 프로펠러를 이용하여 기동하며, 방향타를 이용하여 방향을 바꾼다. 회전익은 3개 이상의 연직방향으로 배열된 프로펠러를 이용하여 기동하며, 각 프로펠러의 강약 조절을 통하여 방향전환이 가능하다. 드론을 해양과학조사에 사용할 때에는 <표 1>에서와 같은 장단점을 고려한 후 목적에 맞추어 사용하여야 한다. 

고정익(Fixed-wing) 장점 : 긴 비행시간(30분 이상), 넓은지역 조사 가능, 바람에 약함  단점 : 이착륙에 넓은공간 필요(반경 30m 이상), 카메라 및 소형장비 탑재 가능, 호버링(정지비행) 불가능 / 회전익(Rotary-wing) 장점 : 이착륙에 좁은공간 필요, 다양한 장비 탑재 가능-호버링(정지비행) 가능 단점 : 짧은 비행시간(30분 이하), 바람에 약함, 이륙시 배터리 소모가 많음

표1. 고정익과 회전익 비교

 

기존의 해양과학연구를 위한 원격탐사 자료는 인공위성 또는 유인항공기를 이용한 영상으로,  넓은 지역의 영상자료를 획득할 수 있지만 고비용 및 고해상도 영상 획득이 어려운 단점이 있다. 이에 비해 소형인 드론은 원하는 시기에 측정이 가능하며, 소형화된 장비를 드론에 장착1)하여 저비용으로 좁은 지역에서 cm급의 고해상도 자료를 획득할 수 있는 장점이 있다. 현재 많은 분야에서 드론의 장점을 이용한 활용이 활발하지만, 국내 해양과학조사에서의 이용은 아직 시작 단계로, KIOST는 무인 해양과학조사 시스템 구축을 위하여 드론 활용 현황을 국제적으로 파악하고 그 적용성을 검토해야 할 필요성이 있다.

 

 

1) 초기에는 드론에 카메라를 장착하여 비디오나 사진 자료를 획득하여 영상을 분석하거나 중복 촬영된 사진들을 이용하여 3차원 지형자료를 얻었다.

     최근 장비들의 소형화로 인하여 열화상 카메라, 초분광 센서, LiDAR(Light Detection and ranging), SAR(Synthetic Aperture Radar) 등을 장착하여 사용되고 있다(Klemas, 2015).
    

■ KIOST 관련 연구사업 소개 

해마다 예측하기 어려운 해안가 건축물 붕괴, 돌발성 해안사면 붕괴, 해안도로 붕괴 등과 같은 국지성 해양재해 및 안전사고의 발생빈도가 증가함에 따라 이에 대응하기 위해 신속한 재해현황 파악 및 피해범위의 정량적 계측이 필요하다. 하지만 해안재해 지역의 특성상 인력의 접근이 어려워 정확한 계측이 불가능하거나, 장시간이 소요되어 해안 지형 및 지물 변동 피해상황을 신속하게 계측, 분석할 수 없는 실정이다. 따라서 KIOST는 드론을 이용한 국지성 해안재해 대응체계를 개발하고자 하였다.  
먼저, 국지성 해안재해 대응에 드론을 활용하는 미래창조과학부의 창조 비타민 프로젝트 사업인 ‘소형 무인항공기를 활용한 국지성 해안재해 대응체계 개발(협업부서: 해양수산부)’을 통하여 해안재해 대응 공간정보관리시스템을 개발하였다. 해안재해 대응 공간정보관리시스템은 크게 한국형 해안 드론사진측량 운용체계와 국지성 해안재해 대응 GIS 솔루션으로 구성되어 있다. 

 

고정익과 회전익 비교

표1. 고정익과 회전익 비교

 

해안 드론사진측량 운용체계에는 정확도가 2cm인 RTK-GPS(Real-Time Kinematic GPS)를 탑재한 회전익 드론과 이를 운용하기 위한 매뉴얼로 구성되어 있다. 국지성 해안재해 대응 GIS솔루션은 현장분석용 툴과 정말분석 및 관리 UI로 구성되어 있어 현장에서 드론을 이용하여 획득된 자료를 통해 해안재해 피해규모를 산정할 수 있다. 특히 정밀분석 및 관리 UI에서는 기존에 드론으로 얻은 DSM(Digital Surface Model)자료와 3차원 변화를 비교할 수 있는 기능과 피해액 산정기능 등을 넣어 공간정보자료를 효율적으로 사용할 수 있으며, 연안침식 모니터링 및 난개발 현황 파악 등에도 사용이 가능하다. 드론의 연안침식 모니터링 활용성 평가를 위해 비행고도, 중복도, 지상기준점의 배치 등에 대한 테스트를 수행한 결과, 해안지형측량은 5cm 내외의 정확도를 가져 연안 침식 모니터링에서 활용이 가능한 수준으로 판단되었다. 또한, 연안침식 관심지역 10곳에 대하여 시범측량을 실시하였으며, 경북 울진 봉평해수욕장의 경우 태풍 고니에 의한 피해 전후 영상을 획득하여 비교하였다.  

 

■ 국제동향 
해양과학조사 분야에서 드론은 2000년 대에 들어와서 활용되기 시작하였는데, 2015년 Duke 대학교에서 열린 ‘해양과학과 보호에서의 UAV’ 워크숍에서는 해양과학분야의 활용에 대한 소개와 앞으로의 방향에 대하여 논의된 바 있다. 2005년에는 IOOS(Integrated Ocean Observing System)의 주요 조사항목 중 현재 드론을 이용하여 조사 가능한 항목과 미래에 장착장비 기술발달로 가능한 항목에 대하여 분류하였는데, 다양한 센서를 탑재한 드론의 이용은 서식지 모니터링, 위험대응 및 관리, 자원관리 및 상업적 이용을 위한 연안 특성 연구에 좋은 도구를 제공할 것으로 예측하였다.

 

NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)에서는 드론의 관측능력 향상, 높은 과학적 활용을 위한 드론 개발 등을 목표로 2012년부터 드론을 이용하여 해양쓰레기 모니터링, 오일 확산 연구, 하구역 연구 등을 수행해 오고 있다. 드론은 중복 촬영된 사진측량기법으로 DSM자료와 정사영상을 획득할 수 있어 연안환경 모니터링에 가장 많이 사용되어지고 있기 때문에, 주로 연안지형 및 환경 모니터링을 위한 기존의 지형조사를 대체하기 위한 적용성 평가 및 지형변동 연구를 주로 다루고 있다. 또한, 연안 양식어장 지도화 및 열적외선 카메라를 장착한 드론을 이용하여 연안 지하수 배출량을 추정하는데 활용되었다.
또한, 조사선에서 드론을 이착륙시키는 시스템을 개발하여 대양에서 해양과학조사 시에 드론을 활용하고 있는데, Waugh and Mowlem은 조사선에서 이륙하고 바다에 동체 착륙하여 기체를 회수하는 드론을 사용하였다. 동체 착륙시 파손에 의한 손실을 최소화하고자 저가의 드론을 개발하였으며, 실시간 자료 전송으로 파손에 의한 자료손실을 최소화 하도록 설계하였다. Reineman et al.은 SCRIPPS 해양연구소의 조사선 Revelle에 드론 이착륙 시스템을 설치하여 해양-대기 경계층의 구조와 역학에 대한 연구를 수행하였으며, 이같이 여러 해양관측장비를 설치한 드론에서 얻어진 대기 및 해양환경 자료는 조사선에 장착된 장비와의 자료 동기화에 사용되었다. 

 

R/V Revelle의 드론 이착륙 시스템(SCRIPPS 해양연구소)

그림 2. R/V Revelle의 드론 이착륙 시스템(SCRIPPS 해양연구소)

 

드론과 AVU(Autonomous Underwater Vehicles)를 결합한 해양과학조사도 시도되었다. 조사선에서 조사해역에 여러 대의 AUV와 통신용 부이를 투하한 후, 드론을 이용하여 이들과의 통신을 중계하였고, 같은 시스템으로 실시간으로 여러 해양 동물을 추적하고 각 동물 주변의 수중환경 자료를 수집하였다. 또한 드론을 이용하여 태풍 및 표층 해류 모니터링, 파랑 모델 연구자료를 획득할 수 있는 소형 부이를 설치하기도 하였다.

 

■ KIOST 연구사업에 미치는 영향

드론은 이제 활용이 시작되는 단계로, 고해상도의 자료 획득 및 장착된 장비에 따라 여러 분야에서 적용이 가능하다는 장점으로 해양과학조사에서 많은 가능성을 가지고 있다. 상용화된 드론과 자료처리 프로그램을 이용하여 얻어진 3차원 정밀 지형자료를 분석하면 연안침식 모니터링에 바로 적용할 수 있으며, 드론에 특화된 열화상 카메라, 초분광센서 및 LiDAR 등을 장착하며 표층수온, 온배수 확산, 기름유출 경로 추적 등 다른 연안 해양환경 연구에 활용할 수 있을 것이다. 운용해양예보와 관련해서는 해양환경에 대한 준 실시간 자료획득과 모델자료와의 비교 분석이 가능할 것이며, 해양 구조 및 수색과 관련하여 정확도를 높일 수 있을 것이다. 무인 해양관측 시스템에서는 AUV와 함께 운용되었을 때 공중과 수중에서의 3차원적 자료획득이 가능하며, SCRIPPS 해양연구소와 같이 조사선에서 운용될 수 있는 드론을 개발한다면 조사선 이사부호의 대양 연구분야 확대에 큰 도움이 될 것이다. 이외에도 드론에서 획득된 공간정보는 연안침식 관리, 연안 난개발 감시 및 공유수면 관리 등 연안관리 및 연안정책 결정 자료로도 활용이 될 것이다.  

SCRIPPS 해양연구소 드론에 장착된 센서 및 측정자료(Lenain et al., 2013)

그림 3. SCRIPPS 해양연구소 드론에 장착된 센서 및 측정자료(Lenain et al., 2013)

 

해양 감시를 하는 데 있어 드론은 낮은 가격과 적은 위험, 넓은 적용폭, 뛰어난 모니터링 능력을 갖추고 있어 해상초계, 항해, 조사와 비상대응, 해양 탐색 및 구조, 주운수로 측정, 선박에서 배출되는 오일 및 하수 감시 및 조사에 활용하는 등 해역 모니터링, 바다 불법 사용 현상의 감소 등에 효율적으로 확대 적용될 수 있다.

 

■ 결론 및 정책 제언 

해양과학조사용 드론은 활용성이 증가하고 있지만, 아직 많은 한계가 남아있다. 먼저 기술적인 문제는 배터리의 한계로 인한 짧은 비행시간2)과 단일 주파수 사용에 따른 다른 기기와의 주파수 충돌로 인한 추락의 위험이 그것이다. 국내에서 드론은 다른 해양조사장비와는 달리 추락에 의한 파손이나 망실에 대한 보험가입이 되지 않아 경제적으로 부담이 크다. 또한, 기상조건과 현장상황에 따라 갑작스런 현장조사를 해야만 하는 경우, 국내 항공법상 드론을 이용한 촬영은 국방부의 허가를 받아야만 하며 신청 후 1주일 이상 소요된다. 따라서 이러한 기술적법적 장애물은 해양과학조사 분야에서의 드론 확대 활용에 방해가 될 수 있기 때문에 사생활 및 국가안보의 법적 규제 안에서 드론 사용에 대한 규제완화 및 제도보완이 필요하다. 향후 한국해양과학기술원이 드론을 이용한 해양과학조사 분야의 선도적 역할을 하기 위하여 많은 관심과 지원이 절실히 필요하다.

 

 

2) 비행시간을 늘이기 위하여 배터리를 추가하였을 때 기체 무게가 증가하여 비행시간이 짧아지며, 추가적으로 장비를 장착하였을 때도 비행시간이 짧아지게 된다. 
    

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최종수정일 :
2019-07-08