항공 lidar를 이용한 산림측정 -...

항공 LiDAR를 이용한 산림측정

이규성․이창환

머 리 말

21세기는 지식과 정보가 그 국가의 경쟁력을 좌우하는 지식

기반 산업사회로 나아가고 있으며, 최고가 아니면 살아남을

수 없는 무한경쟁시 가 되어가고 있습니다. 이러한 변화 속

에서 각 국가에서는 미래 유망기술(Emerging Technology)을

선정하여 국가 역량을 집 함으로써 차세 국가경쟁력을 확

보하려는 여러 가지 노력을 기울이고 있습니다.

최근 우리나라에서도 미래 유망기술에 한 심이 어느 때

보다도 증 되고 있는 가운데, 한국과학기술정보연구원에서는

과학계량학 인 방법으로 미래 국가 유망기술을 측하기

한 일련의 연구를 수행하고 있습니다.

본 보고서는 과학기술정보데이터베이스(SCIE)에서 최근 6

년간 분야별 피인용도가 높은 핵심논문들을 가지고 정보계량

학 인 분석을 행하여 선정된 핵심 유망 연구 역에 해

련 국내 문가들의 자문을 토 로 작성된 R&D 동향보고서입

니다. 본 보고서가 련 과학기술정보를 국내에 확산시키고,

미래 국가유망기술의 략 육성을 한 연구개발 활동에 작

으나마 도움이 되었으면 합니다.

마지막으로 본 보고서를 집필한 자들의 노고에 감사드리

며, 본고의 내용은 한국과학기술정보연구원의 공식의견이 아

님을 밝 둡니다.

2005년 12월

한국과학기술정보연구원

원 장

ⅰ

목 차

제1장 서론 ··························································································1

1. 연구의 배경 ····························································································1

2. 연구의 방법 ····························································································2

제2장 항공 LiDAR 기술의 개요 ·····················································3

1. LiDAR의 정의 ························································································3

2. 항공 LiDAR 기술의 활용 구분 ·····························································5

가. 정밀 지형자료 구축 ·················································································5

나. 건물 및 인공구조물 자동 추출 ·································································6

다. 산림 정보 획득 ·······················································································7

3. 산림측정을 한 항공 LiDAR의 필요성 ··············································7

제3장 산림측정을 한 항공 LiDAR 기술의 연구개발 동향 ······9

1. 산림측정과 LiDAR ················································································9

2. 산림측정을 한 항공 LiDAR의 국외 연구동향 ································12

가. 원시자료 처리 ·······················································································14

나. 수고 측정 ····························································································16

다. 임목 축적 및 생체량 ··············································································17

3. 산림측정을 한 항공 LiDAR의 국내 연구동향 ······························19

제4장 결론 제언 ·········································································23

1. 국내 기술개발의 방향성 ·······································································23

가. 자료처리 기술 ·······················································································24

나. 활용 기술 ····························································································25

다. 센서 기술 ····························································································26

ⅱ

2. 효과 ································································································27

3. 제도 정책 제언 ············································································28

참고문헌 ····························································································31

ⅲ

표 목차

<표 3-1> 산림측정을 한 항공 LiDAR 연구 분야의 분류 ······················14

<표 3-2> 항공 LiDAR를 이용한 산림측정 인자 근 방법 ·················19

<표 3-3> Optech ALTM 30/70 항공 이 시스템 사양 ·························20

<표 4-1> 산림측정을 한 항공 LiDAR 분야 기술개발의 방향성 ············24

그림 목차

<그림 2-1> GPS 수신기와 IMU를 탑재한 항공 LiDAR ·····························4

<그림 3-1> 수목의 수직 구조에 따른 이 반사신호의 수신형태 ·········10

<그림 3-2> 산림에서 기 수신신호(1st return)와

말기 수신신호(last return)에서 산출된 고도값의 차이는

수고에 해당 ···············································································12

<그림 3-3> 항공 LiDAR 스캐닝에서 얻어진 기 자료의 분포 ··········14

<그림 3-4> 산림에서 last returns(black)과 1st return(grey)에서

지표 과 비지표 의 수직 분포 ···············································15

1

제1장

서 론

1. 연구의 배경

○ 21세기 지식기반사회에서 과학기술경쟁력은 국가경쟁력

의 원천이며, 이에 세계 각국들은 미래의 경쟁에 살아남

기 해 핵심기술과제를 선정하여 연구개발에 박차를

가하고 있음.

○ 우리나라 과학기술부도 2005년 6월 ‘미래국가유망기술

원회’를 구성하여 ‘과학기술 측조사(2005-2030)’ 결과

(2005년 5월, 국가과학기술 원회 보고)에서 도출된 기

술후보군을 바탕으로 『미래 국가유망기술 21』을 선정

하여 발표한 바 있음.

○ 한 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서는 2005년 SCIE

논문데이터베이스를 이용한 정보계량학 분석을 통해

『미래 유망연구 역 선정연구』를 시도하 으며, 본 보고

서는 그 결과에 기 하여 최근 2～3년간 논문의 인용도가

속히 높아지고 있는 유망 연구 역을 심으로 기술논

평 형식으로 풀이한 심층 Expert Review임.

2 항공 LiDAR를 이용한 산림측정

2. 연구의 방법

○ 한국과학기술정보연구원에서는 SCIE 데이터베이스에 등

록된 논문(1999~2005년 상반기까지 발표된 논문) 에

서, 각 연도 각 분야별( 분류 22분야)로 피인용수

가 상 1%인 고인용 논문(HCP; Highly cited papers)

을 추출하고 공인용분석(Co-citation analysis) 동시단

어분석(Co-word analysis) 등의 과학계량학 방법들과

문가 평가(Expert evaluation)를 통해 ‘미래 유망연구

역’을 도출하 음.

○ 상기 도출된 미래 유망연구 역 에서 통계학 방법으

로 최근 논문의 인용도가 격히 상승하는 연구 역을

과학기술 분야별로 추출하여 본 테크이슈 보고서의 주제

로 삼았음.

○ 본 보고서는 항공 LiDAR를 이용한 산림측정 기술에 있

어서 최근 많이 발표되고 있는 논문들을 종합하여 련

분야 연구에 한 기 지식과 함께 세계 인 연구동향

을 개 으로 살펴보고, 미래 핵심기술로 자리 잡기

한 연구개발 략을 제시하 음.

3

제2장

항공 LiDAR 기술의 개요

1. LiDAR 정의

○ LiDAR(Light Detection And Ranging) LADAR

(LAser Detection And Ranging)로 함께 사용되고 있

으며(Wehr and Lohr, 1999), 체로 항공기에 탑재하

여 자료를 획득하므로 ALS(Airborne Laser Scanning,

Scanner)로도 지칭되고 있음.

○ LiDAR는 센서로부터 목표물까지 이 선이 이동하

는 시간을 측정함으로써 목표물까지 거리를 측정하는 원

리로, 이미 지난 1960년 부터 사용되고 있는 거리측

정(electronic distance measurement - EDM)을 한 다

양한 측량기기에 사용된 원리와 동일.

○ 센서에서 목표물까지 이 선이 도달하는 시간을 기

록하는 방법에 따라 pulse ranging 방식과 continuous

wave(CW) ranging 방식으로 분류됨(Baltsavias, 1999).

R = c t

2 (pulse) R =

c4π f

φ (CW)


R: 센서와 목표물사이 거리, c= 빛의 속도, t=센서에서

목표물까지 이 선의 왕복시간, f= 이 의 주

수, φ= 상차

○ 항공 LiDAR센서는 한번에 넓은 지역을 상으로 이

선을 량 방출하여 이 선이 도달한 각 지 의 정확

한 3차원 좌표 값을 얻을 수 있는 주사방식의 센서로 개발

되었음. 이와 같은 항공 이 센서는 센서의 치를 정확

하게 측정할 수 있는 성측 시스템(Differential Global

Position System-DGPS), 센서의 자세(orientation)를 측정

하는 내부항법장치(Inertial Measurement Unit-IMU) 기술

발달로 이루어졌음(그림 2-1).

<그림 2-1> GPS 수신기와 IMU를 탑재한 항공 LiDAR 스캐닝

제2장 항공 LiDAR 기술의 개요 5

○ 항공 LiDAR 시스템의 구성 요소는 이 선을 여러

방향으로 방출하고 지표면에서 반사되어 오는 이

을 수신하는 scanner, 이 펄스의 이동을 시간을 정

확하게 측정할 수 있는 시계, GPS 수신기, IMU, 그리고

이러한 구성 요소를 유기 으로 결합하여 구동하게 하

고, 이 펄스가 도달한 지 의 정확한 좌표 값을 계산

하는 소 트웨어로 구성되어 있음.

○ 항공기로부터 이 펄스를 주사하여 빛의 속도와 지표

면에 펄스가 도달하는 시간을 이용하여 거리를 계산함으

로써 반사되는 지 의 x, y, z 좌표를 데이터로 기록

할 뿐만 아니라, 목표물에서 반사되는 이 선의 반

사 강도(intensity)도 함께 기록됨.

2. 항공 LiDAR 기술의 활용 구분

가. 정밀 지형자료 구축

○ 항공 LiDAR 센서의 주된 개발 목 활용 분야는 보

다 정확한 3차원 지형자료를 구축이라 할 수 있음. 기존

의 지상측량이나 항공사진측량 기술로 정 한 지형자료

를 얻기 어려운 지역에 한 새로운 측량기술로 각 을

받고 있음.

○ 수치사진측량과 비교되는 LiDAR는 능동 센서로서 날


씨와 원에 계없이 자료 획득이 가능.

○ 임목이나 다른 식물이 자라는 지역은 식물층 아래 지표

면의 정확한 고도 값을 얻거나, 우리나라 갯벌이나 습지

지역과 같이 지형 기복이 매우 미세하고 근이 어려운

지형의 수치표고자료(digital elevation model - DEM)를

얻는데 최 의 기술로 사용되고 있음. DEM자료는 지리

정보시스템(geographic information systems - GIS) 에

서 근간이 되는 기본 인 공간자료로서 매우 높은 정

도를 요구함. 표 DEM자료의 구축은 주로 국가사업에

의하여 제작되고 있으며, 우리나라에서도 항공 이 스

캐닝을 한 정 DEM 자료 구축을 한 사업을 계획

하고 있음.

나. 건물 및 인공구조물 자동 추출

○ 지형자료 구축에 있어서 건물이나 인공구조물은 지표물

을 가리는 장애물로 인식되어 왔으나, 3차원 도시 경

모델링분야에서건물의 외곽선과 높이는 매우 요한 정

보임. 고 도의 항공 이 스캐닝 자료를 이용하여 건

물을 자동 으로 추출하는 기술이 활발히 진행 에 있

으며, 건물 뿐 아니라 도로 등 기타 인공구조물을 자동

추출하는 데에 활용되고 있음.

제2장 항공 LiDAR 기술의 개요 7

다. 산림 정보 획득

○ 이 펄스 신호가 뚜렷한 도로 나지와 달리 산림에

서는 수목의 종류, 수 도, 수고, 하층식생 등에 의하

여 다양하게 나타날 수 있음. 산림지역에서 이러한 항공

이 특성을 역으로 이용하여 수목의 높이, 임목의 울

폐도, 임목 축 생체량 추정 등 다양한 산림정보 추

출에 활용.

3. 산림측정을 위한 항공 LiDAR의 필요성

○ 방 한 면 과 근의 어려움 때문에 산림자원정보 획득

을 한 산림 조사 측정은 항공사진이나 부분 인 표

본조사에 의존하여 왔음. 지조사와 항공사진에 의한

재의 조사방법은 많은 시간과 노력이 요구되며, 보다

정확한 산림자원정보를 획득하기 해서는 새로운 기술

근이 필요함.

○ ‘교토의정서’와 같은 지구환경 약에 따라 이산화탄소와

같은 지구온실 가스의 배출에 한 국가 인 의무이행

이 강조되고 있으며, 이와 련된 임목자원의 생장과 축

에 한 정확한 정보가 시 한 상황임. 국토의

65% 이상을 산림이 차지하고 있는 우리나라뿐만 아니

라 세계 각국에서 임목의 축 과 생장을 악할 수 있

는 정확한 측정 기술은 환경보 측면과 함께 자국의


경제 이익에 직결된 요한 기술로 취 되고 있음.

○ LiDAR 기술은 기상조건에 계없이 산림지역의 정 한

수치지형자료 임목의 특성과 련된 정확한 정보를

얻을 수 있으며, 기존의 항공사진이나 지 표본조사보

다 정확하고 효율 인 산림측정 기술로 인식되고 있음.

항공 LiDAR를 이용한 수목의 높이, 임분의 축 생

장량, 엽면 지수 등을 측정하는 기술은 국가 인 산림

자원조사 사업에 용될 수 있는 기반 기술임.

9

제3장

산림 측정을 위한 항공 LiDAR 기술의

연구 개발 동향

1. 산림측정과 LiDAR

○ 다 분 상을 비롯한 학 원격탐사 기술은 산림의 수

평 분포에 한 정보를 제공하는 반면, 임목의 수직

구조에 한 정보를 추출하는 데 한계가 있음.

○ 항공 LiDAR는 산악지형의 정 한 3D 지형자료를 얻기

하여 시작하 으나, 산림에서 표층을 덮고 있는 임목

의 특성을 정확히 구명해야 정 한 DEM을 얻을 수 있

다는 사실에 착안하여 DEM보다는 임목의 측정 수단으

로 발 할 수 있었음.

○ 항공 LiDAR 시스템은 짧은 시간에 이 pulse 송수신

기술, 자료의 장 기술, 각 이 의 치 정확도 향

상 기술 등으로 인하여 보다 넓은 지역에 하여 고 도

의 3차원 치자료를 얻을 수 있다는 장 을 가지고 산

림측정 분야에 활용이 확 될 망이나, 보다 정확한 산

림정보를 얻기 해서는 이 자료 처리기술의 개선이


요구됨.

○ 산림에서 이용되는 LiDAR 시스템은 자료의 수직 , 수

평 획득 방법에 따라 discrete pulse return system과

full waveform system으로 분류된다. Discrete return

system은 지상으로 방출된 펄스가 지표물로부터 반사되

어 오는 신호(return)를 여러 번 나 어서 기록하는 시

스템이며, full waveform system은 반사되는 신호의 강

도를 연속 으로 기록함(그림 3-1).

<그림 3-1> 산림에서 수목의 수직 구조에 따른 이 반사신호의

수신형태: Waveform LiDAR(L)과 Pulse LiDAR(R)(Lim et al. 2003).

제3장 산림 측정을 위한 항공 LiDAR 기술의 연구 개발 동향 11

○ 산림에서는 수목, 하층 목 본류, 지표 등 수직 구

조를 가지고 있기 때문에 이 선의 반사가 다양하게

나타날 수 있음. 산림지역에서 임목 측정을 한 이

시스템은 주로 discrete return system이 이용되며, 부

분의 항공 LiDAR 시스템은 한번 송신된 이 선에

서 2 ~ 5번의 반사신호(return)를 수신하여 기록함.

○ 지표면에서 반사된 이 의 반사강도를 연속 으로 수

신 기록하는 full waveform LiDAR는 pulse 이 시스

템에 비하여 공간해상도가 낮기 때문에 임목 단 의 측

정보다는 임분(stand) 단 의 산림측정에 합한 것으로

알려져 있음.

○ 항공 LiDAR 센서는 시스템의 종류에 따라 두 가지로

나 수 있으며, Discrete return system으로는 Optech사

의 Airborne Laser Terrain Mapper(ALTM)가 가장 많

이 쓰이고 있으며, Full waveform LiDAR system으로서

는 Scanning LiDAR Imager of Canopies by Echo

Recovery(SLICER)와 Laser Vegetation Imaging

Sensor(LVIS) 있음.

○ 산림에서 반사된 이 선을 여러 번 나 어 기록하

는 데, 수목의 상부 엽층(수 )에서 반사된 이 펄스

를 처음 기록하고, 엽층을 통과한 이 펄스는 간

가지나 하층 식생에서 반사되는 경우가 있고, 마지막으

로 기록된 이 펄스는 주로 지표면에서 반사된 신호

에 가까움. 다 반사된 이 펄스를 함께 이용하여


수고 임목의 수직 인 분포 구조와 같은 산림정보를

추정할 수 있음(그림 3-2).

○ 그러나, 산림에서 1st laser return이 반드시 수 부에서

반사되는 것은 아니며 한 last return이 반드시 지표면

에 해당하는 것은 아님. 각각의 laser return의 특성은

수종, 임목의 도, 잎 가지의 모양, 수 층의 울폐도,

하층식생 구조에 따라 다양하게 나타날 수 있음.

<그림 3-2> 산림에서 기 수신신호(1st return)와 말기 수신신호

(last return)에서 산출된 고도값의 차이는 수고에 해당

620

630

640

650

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28

Distance of horizontal profile(m)

Height(m)

Height of first return Height of last return

2. 산림측정을 위한 항공 LiDAR의 국외 연구동향

○ 임목 측정을 포함한 다양한 산림자원조사에 있어서 항공

LiDAR 기술이 활용될 수 있다는 아이디어를 가지고

1980년 부터 연구가 시작되었음. 물론 이 시기의


LiDAR 시스템은 2차원 공간에서 이 신호를 얻는

게 아닌 하나의 선에서 연속 인 이 신호를 얻는

line profile laser 시스템이었음.

○ 캐나다 산림청에서 1980년 반부터 임목의 수고와 수

울폐도 등을 추정하는 시범 연구를 통하여 항공

LiDAR 시스템의 활용가능성을 제시하 음(Aldred 등,

1985).

○ 항공 LiDAR를 이용한 산림 측정은 지 표본조사나 항

공사진에 비하여 훨씬 효율 이고 정확한 임목정보를 얻

을 수 있다는 실질 인 이 을 가지고 있다는 인식이 확

산되면서, 학문 연구 개발과 함께 산림조사를 담당하

고 있는 실무 기 에서 극 으로 도입하고자 하는 연

구도 함께 진행되었음. 미국 산림청에서도 항공 LiDAR

를 임업분야에 활용하기 한 여러 가지 분야에 한 시

범 연구를 수행하고 있음(Renslow 등, 2000).

○ 산림측정을 한 항공 LiDAR 연구는 다양한 측면에서

구분될 수 있으나, LiDAR 센서에서 수신된 기 자

료에서 오류신호를 제거하는 기본 처리 과정과 기본처

리과정을 마친 후 원하는 임목특성 인자를 추출하는 과

정으로 나 수 있음(표 3-1).


<표 3-1> 산림측정을 한 항공 LiDAR 연구 분야의 분류

구분 특 성

원시자료 처리 기 자료에서 오류신호를 제거하는 기본 처리 과정

산림정보 획득이 펄스 자료로부터 특정 임목 인자(수고, 임분고,

수 유율, 임목 도, 축 , 생체량, 엽면 지수 등)

가. 원시자료 처리

○ 항공 LiDAR 기 자료는 이 펄스가 도달한 지 의

x, y, z좌표를 나타내는 자료(point cloud)다(그림

3-3). 이러한 자료로부터 수고, 수 의 형상, 임목의

도 등의 정보를 추출하기 해서는 무엇보다 먼 센

서의 오류로 발생한 이상 (outlier)을 제거하고, 지표면

에 해당하는 과 수목 하층식생에서 반사된 비지표

면 을 분리하는 과정임.

<그림 3-3> 항공 LiDAR 스캐닝에서 얻어진 기 자료의 분포


○ 지표 과 비지표 을 분리하는 과정을 filtering이라고 하

는데, 인 한 끼리의 계를 재구성하여 3차원 형상에

의하여 지표 과 비지표 을 구분하는 morphological

filtering 방법과 각 의 수직분포를 이용하는 통계학

filtering방법이 있으나, 산림지역에서 어느 방법이 정확

한지 명확하지 않은 상태임(Kraus and Pfeifer, 1998).

○ 아래 <그림 3-4>는 수 울폐도가 높은 우리나라 산림지

역에서 획득된 1st return자료와 last return자료의 수직

분포를 보여주고 있는 데, 1st return 자료는 부분

나무에서 반사된 비지표 을 보여주고 있으나 last

return 자료는 지표 과 비지표 이 혼재되어 있음. 임목

도가 높은 산림에서 마지막 반사된 이 펄스에서

조차 약 30-40%는 비지표 에 해당하는 것을 볼 수 있

음. 외국의 사례에서는 LiDAR가 산림 지역에 수직으로

입사될 때, 침엽수와 활엽수 지역은 20-40%를 투과시키

고, 겨울철 활엽수 지역에서는 70%가 투과되는 경우도

있음(Ackermann, 1999).

<그림 3-4> 산림에서 last return(black)과 1st return(grey)에서

지표 과 비지표 의 수직 분포.


○ Filtering은 원시 자료를 그 로 이용하거나 자료

를 보간하여 격자형태로 변환 후 처리하는 방법이 있으

나 후자는 보간에 의한 정확도가 떨어짐(Wehr and

Lohr, 1999).

○ 산림측정을 한 LiDAR 자료처리에서 지표 을 정확히

분리하는 과정은 가장 요한 처리과정임에도 불구하고,

아직 연구 개발이 불충분한 상태임. 도시지역에서는 지

표면이 균일하고 고도값의 변화 상 으로 낮으므로 지

표 구분이 용이하나, 산림에서는 지형 변이와 하층

식생 등으로 인한 불규칙 인 지표면으로 지표 과 비지

표 의 분리가 쉽지 않음.

나. 수고 측정

○ LiDAR 자료를 이용한 산림측정의 기 연구는 산림지

형의 정확한 지표면의 고도값을 추출하는 과정에서 임

목이 이 펄스에 미치는 향이 밝 지며 시작됨

(Flood and Gutelius, 1997; Kraus and Pfeifer, 1998).

○ 산림지역에서 정 한 수치표고자료를 얻으려면 임목의

향을 고려해야 한다는 근 방법을 거꾸로 이용하여,

표고정보 보다는 수고를 추정하는 방법이 고안되었음.

즉, 이 펄스의 기 반사와 말기 반사의 시간차를

이용하여 임목의 수고를 추출하는 방법이 많이 용

(Magnussen and Boudewyn, 1998; Cowen 등, 2000). 개


개목의 수고뿐만 아니라, 임분의 평균 수고를 추정하는 방

법까지 확장되고 있음(St-Onge와 Achaichia, 2001).

○ LiDAR에서 측정되어진 침엽수의 수고가 실제 수고보다

낮은 값으로 나오는 사실을 발견하 으나, 지에서 측

정과정에서의 오류 원인과 복잡한 수 형태로 인하여 측

정의 오차가 있을 수 있으므로 LiDAR에서 측정한 수고

가 더 정확할 수 있다는 가능성이 제시되기도 하 음

(Lim 등, 2003b).

○ 침엽수는 수 모양이 원뿔 형태이므로, 침엽수림에서

이루어진 부분의 수고 측정은 이 펄스가 원뿔의

정 에서 반사 될 가능성이 은 이유로 실제 수고보다

작게 측정될 수 있음.

다. 임목 축적 및 생체량(Volume and Biomass)

○ 통 인 산림자원조사에서 가장 요한 산림측정 인자

는 궁극 으로 임목의 축 (timber volume)이라 할 수

있다. 임목의 재 은 흉고직경(diameter at breast height -

DBH)과 수고(ht)로 계산된다. 한 환경생태학 측면

에서는 산림의 생산력과 탄소 장량에 직 으로 연

된 생체량(biomass)이 요한 측정 상이지만 이 한

수고와 흉고직경을 가지고 추정되고 있음.


Volume = f (ht, DBH)

Biomass = f (ht, DBH)

○ 수고는 이 펄스에서 지표 과 비지표 을 정확히 분

류한다면 항공 LiDAR 기술로 얻을 수 있는 직 인

측정인자이지만, 흉고직경은 LiDAR 자료에서 직 측정

이 어려운 인자임.

○ 흉고직경은 수 (tree crown)의 크기와 상 계가 높으

므로, 항공 LiDAR 자료에서 수 의 크기를 추정한다면

수 과 흉고직경과의 계식을 이용하여 흉고직경을 간

추정할 수 있고, 더 나아가 임목의 재 과 생체량 추

정이 가능함.

○ 임목 재 생체량을 간 으로 추정하기 한 새로

운 시도는 항공 LiDAR자료를 처리하여 도출된 자료 최

수고, 평균수고, 이 반사강도(intensity)와 지에

서 조사된 임목 측정 인자와의 계식을 이용한 근이

다. 즉 LiDAR 자료에서 도출된 자료와 임분 내 흉고단

면 합(basal area), 임목축 , 생체량, 수 울폐도, 평균

흉고직경, 엽면 지수, 임목 도 등 인자와의 계식을

통하여 간 추정하는 방법이나, 해당 지역에 국한된 실

험 방법이므로 보다 객 검증이 필요한 부분임.

○ 항공 LiDAR 기술을 이용하여 측정할 수 있는 개개 입

목 임분의 구조 특성과 련된 인자들은 여러 가지

가 있으며, 근 방법 역시 수고와 같이 LiDAR 자료로


부터 직 으로 측정할 수 있는 방법에서부터 산림생체

량과 같은 인자는 항공사진을 비롯한 다른 원격탐사 기

술과의 융합을 통한 추정에 의하여 얻어질 수 있음(표

3-2).

<표 3-2> 항공 LiDAR를 이용한 산림측정 인자 근 방법

3. 산림측정을 위한 항공 LiDAR의 국내 연구동향

○ 국내에서도 항공 LiDAR 스캐닝에 의한 정 3D 지형자

료 구축에 한 심이 꾸 히 제기되어 왔음.

측정 방법 산림 인자

직 측정

� 수고, 수 고(Canopy Height)

� 지표면 지형(Subcanopy Topography )

� 평균 임분고

� 임분의 수직구조(Vertical distribution)

모델링에 의한 추정

는

다른 자료와의 융합

� 지상 생체량(Aboveground Biomass)

� 흉고단면 합계(Basal Area)

� 흉고직경

� 임목 재

� 수 울폐도

� 임목 도

� 산림 탄소 장량

� 종 다양성

� 엽면 지수(leaf area index)


○ 2000년에 외국 회사로부터 항공 LiDAR 센서를 여하

여 국내에서 처음 시범 촬 을 실시하 으며, 주로 3차

원 도시모델링을 한 목 으로 고층 아 트와 층

층건물이 혼재되어 있는 수도권 신도시 지역을 상으

로 자료를 획득하여 분석하 음.

○ 2004년 에 국내 항공측량회사에서 캐나다 Optech사의

ALTM 30/70 항공 이 시스템을 도입하 음. 이 시

스템은 최 3,000m 비행고도에서 약 35cm의 오차 범

로 고도측량을 할 수 있으며, 최 4회까지 반사 이

를 펄스를 기록할 수 있는 시스템임(표 2-3).

<표 3-3> Optech ALTM 30/70 항공 이 시스템 사양

(http://www.optech.ca/altmfeatbens.htm)

구 분 사 양

일반 비행고도(H) 200 - 3,000m

수평 치 정확도 비행고도 x 1/2,000

수직고도 정확도 15cm(H=1,200m)

35cm(H=3,000m)

거리측정(range capture) 각 이 펄스에서 4회 측정

이 반사강도 12 bits dynamic range

주사각도(scan angle - FOV) 0 - 25o, 50o

주사폭(swath width) FOV와 비행고도에 따라 다름

빔폭(beam divergence) 0.2mrad 는 0.7mrad

이 주사율

(repetition rate) 33kHz, 50kHz, 70kHz


○ 이 시스템이 도입된 주요 목 은 국가지리정보체계

(National Geographic Information System - NGIS) 사

업과 연계된 3차원 GIS, cypber 도시모델링, 도시방재

재해 리, 해안선조사 측량, 구조물 사면변

모니터링, 문화재 보존 복원 등 다양한 분야에서 요

구되는 정 지형자료를 획득을 겨냥하고 있으나, 산림

측정과 련된 활용 계획은 미흡한 실정임.

○ 비록 도입된지 얼마 되지 않았으나, 항공 이 측량 기

술을 이용한 정 3D 지형자료 구축을 한 국가사업이

시범 시행되고 있음. 를 들면 독도지역에 한 항공

LiDAR 측량을 실시하여 고정 수치지형자료를 획득하

고, 역시 일원을 상으로 3차원 도시모델링을

한 다차원 공간정보구축사업을 수행 임.

○ 국내 도입된 항공 LiDAR 자료를 이용하여 정 DEM

자료 제작, 도로 건물 외곽선 추출, 홍수지도 제작,

해안선 측량 등의 공간자료 획득과 련된 연구가 활발

히 진행되고 있으나, 산림분야에서의 근은 미흡한 상

태임.

○ 국내에서 촬 된 산림지역의 항공 LiDAR 자료를 이용

하여 국내 산림의 임목 특성에 따른 이 펄스의 신

호 특성을 분석하고자 하는 기 연구들이 몇몇 학에

서 연구되기 시작.

○ 인하 , 고려 , 서울 등에서 산림지역 항공 LiDAR를


분석한 기 연구가 진행 에 있음. 임목의 수고 추정

정확도는 침엽수림과 활엽수림에서 차이가 있으며, 이는

수종 임분구조가 다양하고 수 울폐도가 상 으로

높은 국내 산림의 특성을 나타낸 것으로 단되며 향후

이러한 특성을 고려한 자료 분석이 필요함(Park 등,

2004; Woo 등, 2005). 수 의 형상을 추출하여 수종을

구분하고자 하는 시도가 있었음(Kwak 등, 2005).

○ 최근 국내에 항공 LiDAR 기술이 도입되고 있으나, 산림

측정과 련된 LiDAR 자료 처리 활용은 미미한 형

편임. 미국, 캐나다, 유럽 각국에서는 이미 항공

LiDAR 기술을 이용한 임목측정을 방법을 개발해 나가

고 있으며 더 나아가 국가 인 산림자원조사 사업을

한 항공 LiDAR 기술을 용하고 있는 단계임.

23

제4장

결론 및 제언

1. 국내 기술개발의 방향성

○ 이산화탄소 흡수, 수자원 함양, 휴양 공간 제공, 생물다양

성 제고 등 산림의 공익 환경 기능이 새삼 강조되고

있는 추세에 따라 정확하고 효율 인 산림측정 기술은 산

림자원 리에 있어서 가장 요한 기술로 두되고 있음.

○ 지난 50여 년 동안 표본조사와 항공사진을 기반으로 실

시되어온 산림측정 기술은 항공 LiDAR 기술의 발달로

측정 자료의 정확도 효율성 측면에서 가히 명 인

새로운 측정 기술로 두되고 있음. 우리나라에도 항공

LiDAR 기술이 도입되고 있으나, 부분 정 지형자료

구축이나 3차원 도시모델링 등 공학 인 측면에서 활용

이 강조 될 뿐 산림측정과 련된 활용은 미흡한 실임.

○ 항공 LiDAR 기술을 이용한 산림측정이 이루어지기

해서는 무엇보다 항공 LiDAR 자료 획득에 한 기

인 연구부터 자료처리 활용과 련된 연구가 폭 넓

게 진행되어야 함. 아래 <표 4-1>은 산림측정을 한 항

공 LiDAR 기술의 연구 개발 분야를 요약하 음.


<표 4-1> 산림측정을 한 항공 LiDAR 분야 기술개발의 방향성

구분 해당 기술

자료처리 기술

� noise filtering

� 지표 /비지표 분리

� data fusion

� intensity 자료처리

활용 기술

� 개개목 수고, 수 형상, 수종 측정

� 임분 평균 수고 임분 재

� 생태 련 인자 추출(생체량, 엽면 지수,

crown closure 등)

� 수직구조(단층림, 복층림), 하층식생

� 산림자원조사와 연계 방안

센서 기술� 항공 LiDAR(pulse, waveform)

� 지상 LiDAR

가. 자료처리 기술

○ 항공 LiDAR 촬 과 함께 얻어지는 원시자료로부터 오

류 을 제거하고, 산림지역에서 지표면에 해당하는 신호

와 수 부 하층식생에서 반사되는 비지표 신호를

분리하는 방법은 가장 우선 으로 연구 개발되어야 할

처리 기술임. 국내 산림의 수종 구성 임분 특성에 따

른 지표 /비지표 의 분포 패턴에 한 특성을 구명하

고 그에 따른 한 분리 기법 개발이 요구됨.

○ 기존의 항공사진, 다 분 상, 분 상, 이다 상

등 다양한 공간자료기술을 융합하여 보다 다양한 형태의

제4장 결론 및 제언 25

산림정보를 추출하고자 하는 연구가 필요함. 즉, 3차원

LiDAR 자료를 2차원 디지털 상자료나 사진측량 기술

과 함께 이용할 때 산림지역에서의 얻을 수 있는 정보의

종류와 가치가 커질 망임.

○ 다양한 종류의 상/비 상 자료를 함께 이용하는 data

fusion(자료 융합)은 이미 원격탐사를 비롯한 다양한 분

야에서 활발하게 용되는 추세이며, 산림 분야 LiDAR

에서도 항공사진이나 다 분 성 상과의 융합을 통

하여 보다 다양하고 정확한 산림정보 획득이 가능하다고

보고됨(Hudak 등, 2002).

○ 항공 LiDAR자료는 각 이 펄스 지 의 3차원 치

정보와 함께 이 반사강도(intensity)를 제공하나 산

림 지역에 한 반사강도의 연구가 거의 이루어지지 않

고 있음. 수종, 수 층의 형태, 잎의 도, 하층식생 여

부, 지표면의 토양 조건 등에 따라 이 반사강도는

매우 다양하게 나타날 수 있으므로 치 자료와 함께

반사강도에 한 연구 개발도 병행해야 할 필요성이 제

시 됨.

나. 활용기술

○ 우리나라는 지난 1970년 반부터 국가 산림자원조사

사업을 주기 으로 시행해 오고 있음. 국가 산림자원조

사 사업을 통하여 산림의 임상, , 경 , 도와 련


된 분포 면 과 임목 축 에 한 자료를 수집하여 왔으

나, 최근 산림자원 리의 목표가 환경 공익 기능을

강조하는 방향으로 확 됨에 따라 산림자원조사 사업의

체계가 개편되었음. 국가 인 산림자원조사에 있어서 기

존의 표본조사와 항공사진 기술에 추가하여 항공

LiDAR 기술을 연계하기 한 근 방법의 개발이 필요함.

○ 산림분야의 항공 LiDAR 기술은 통 인 임목자원 측

정과 련되어 있음. 이미 외국에서의 수많은 연구를 통

하여 개개목의 수고, 흉고직경, 임분의 평균수고, 임목재

등 기존의 인자에 한 추정 방법이 많이 개발되어

왔음. 이와 같은 통 인 임목 측정인자에서 벗어나 환

경생태와 련된 인자까지 추정하고자 하는 방향으로

항공 LiDAR 자료 활용기술이 확장되고 있음.

○ 산림의 생태 련 인자(엽면 지수, 산림생체량, 순생장

량, 탄소 장량, 천이단계 등)를 추정하기 한 항공

LiDAR 측정 기술의 개발이 새롭게 요구됨. 특히 산림의

이산화탄소 흡수 기능과 같은 환경 생태 기능을 정량

화하기 한 시도로서 이미 산림의 이산화탄소 장량을

추정하고자 하는 연구가 시도되기도 하 음(Patenaude

등, 2004).

다. 센서 기술

○ LiDAR 센서의 개발은 수요 정도에 따라 좌우되나, 재


우리나라에서 정 지형측량 는 3D 도시모델링 분야

에서 조차 LiDAR 자료의 이용이 기 단계이므로, 자체

인 센서 개발은 거의 진행이 되지 않고 있는 상태임.

그러나 향후 LiDAR 측량 기술의 확 와 함께 활용 분

야에 합한 LiDAR 센서의 개발 한 고려해야 함. 특

히 유럽 일부 국가에서는 항공 LiDAR 뿐만 아니라, 지

상 LiDAR 스캐닝 장비를 개발하여 입목을 측정하는 기

술이 소개되기도 하 음. LiDAR 활용 기술의 확 와 함

께 센서 개발을 유도할 수 있는 경우도 있으므로, 우선

활용 기술 개발에 역 을 두어야 함.

2. 파급 효과

○ LiDAR 자료를 이용한 산림측정 기술은 지구온난화 방

지를 한 국제환경 약에 효율 으로 처하기 한

수단의 하나로 우리나라 산림의 환경 기능을 보다 신

속 정확하게 해석하기 한 정확하고 효율 인 측정 기

술이 될 수 있음. 더 나아가 보다 효율 이고 과학 인

산림자원 리를 한 새로운 정보획득 방법으로 제시할

수 있음.

○ 3차원의 정보를 가진 고 도의 LiDAR 자료를 극 으

로 활용함으로써 기존의 상자료에서 얻을 수 없었던

산림의 구조 인 특성과 련된 정보를 추출할 수 있으

며, 이러한 정보는 새로운 산림 리 경 을 한 새


로운 수단으로 활용될 수 있음.

3. 제도적 정책적 제언

○ 항공 LiDAR 자료를 이용한 산림측정 기술은 무엇보다

먼 국내 산림자원조사를 담당하고 있는 정부 기 에

서 그 필요성이 인식되어야 한다. 국가 인 산림자원조

사는 구미 선진국에서 모두 앙정부에 의하여 시행되

고 있으며, 이들 국가에서는 이미 항공 LiDAR 측정기

술이 산림자원조사에서 요한 부분을 담당할 수 있다

는 연구결과를 토 로 실무에 목하려는 노력을 하고

있음.

○ 따라서 항공 LiDAR를 이용한 산림측정의 연구 개발 사

업의 주체는 국가 기 에서 추가 되어야 함. 산림측정

의 결과는 국가 산림자원조사를 비롯하여 공공 목 에

부합되는 자료이므로 민간에서 직 으로 참여하는 데

에는 여러 제한이 있음.

○ 세계 으로 산림자원조사의 요도와 필요성은 나날

이 증가하고 있음. 특히 국제환경 약에 따른 산림의 이

산화탄소 장기능 등 환경 가치를 정량화하는 문제는

각국의 첨 한 이익이 걸린 문제이므로 정확한 산림측정

기술의 필요성은 나날이 높아가고 있음. 지 근이 어

렵고 기상조건에 따라 항공사진 등 기타 상자료의 획

득이 쉽지 않은 열 림 지역에서 항공 LiDAR를 이용한


산림측정 기술은 정책 으로 지원할 가치가 있는 유망

기술 분야라 할 수 있음(Clark 등, 2004).

31

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저자소개

이 규 성

․박사

․ , 인하 학교 공과 학 교수

․국립산림과학원 연구원, 겸임연구

․미국 코넬 학교 환경원격탐사연구소 연구원

이 창 환

․공학박사 수료

․ , 한국과학기술정보연구원 선임연구원

․ 서: 산업용 로 , 자동차 연료장치 등

BB114 이규성․이창환

항공 LiDAR를 이용한 산림측정

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 : 3299-6114

등록: 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

항공 lidar를 이용한 산림측정 -...

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