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Water for

Future

수자원분야 적용을 위한 드론 활용 기술 검토

1. 서 언

조종사가 탑승하지 않고 지정된 임무를 수행할 수

있도록 제작한 비행체를 UAV(무인 항공기(無人航

空機), Unmanned Aerial Vehicle)로 정의하고 “벌

이 윙윙거린다”는 의미를 가진 ‘드론’(drone)이라 부

르기도 한다. 주로 군사용으로 개발되었던 멀티콥터

형태의 드론은 최근 들어 다양한 분야에서 활약하고

있다.

수자원 관리를 위해서도 시대적 흐름에 따라 드

론과 관련된 많은 연구가 진행되고 있다. 이수임 등

(2015)은 UAV영상을 활용한 수변구조물의 DSM 생

성 및 정확도 연구를 통해 지상 LIDAR와 같은 수준

의 DSM 및 더욱 정확한 GCP 취득의 필요성을 제시

했다. 이용창(2015)은 회전익 UAS 영상기반 고밀도

측점자료의 위치 정확도 평가를 통해 ‘항공레이저측

량 작업규정’제한 기준에는 약간 미흡하지만, 소규

모지역을 대상으로 회전익 무인항공촬영시스템에

의한 정사영상 및 수치표고모델 제작의 가능성을 확

인하였다. 이인수 등(2013)은 초경량 고정익무인항

공기 사진측량기법의 정사영상 정확도 평가를 수행

하였다. 또한 이지훈 등(2012)은 UAV기반 저고도

멀티센서 사진측량 시스템의 캘리브레이션을 위해

서는 총 6개의 스트립으로 구성된 비행경로를 따라

획득된 데이터와 5점 이상의 지상기준점 정보가 필

요함을 확인하였다. 김민규 등(2010)은 풍수해 모니

터링을 위한 UAV 적용성 분석을 실시하였고, 김홍

래 등(2014)은 UAV를 활용한 감시정보정찰 임무분

석 및 설계도구 개발을 위한 연구를 수행하였다. 상

기와 같이 수자원 분야 활용을 위한 많은 연구가 보

고 되고 있으나, 아직까지 드론 활용의 대부분은 항

공영상 취득 및 분석기술 개발에 집중되어 있다.

다음은 드론의 활용성을 좀 더 다양한 분야로 확

대하기 위해 본 연구팀이 수행한 기술개발 사례이

다. 첫째, 최근 우리나라 대하천에 건설된 보 및 시

화호에 건설된 조력발전소 방류구를 통해 인위적인

고유속은 수중으로부터 수면을 향한 연직 방향으로

의 기포 발생을 유발하고 매질변화로 인해 ADCP를

이용한 유속 관측을 어렵게 한다. 이러한 고유속 발

생지점에서의 흐름을 추정하고 환경변화에 의한 수

리특성 변화를 모니터링하기 위해 항공에 드론을 띄

워 고속으로 취득한 영상해석이 수행되고 있으며 구

조물이 없는 ‘연안에서의 기준점 확보 기술’이 필요

하였다. 둘째, 해마다 대하천 및 정체수역에서 발생

하는 녹조는 발생 시기 및 지점을 예측하기가 매우

어렵다. 그러므로 녹조발생에 의한 피해를 최소화하

기 위해서는 수질악화가 우려되는 많은 지점들을 대

상으로 좀 더 간편한 연속 모니터링 및 집중조사를

이 현 석

(주) 에이치큐테크 연구소장leehs@hqtech.kr

이 희 병

S&H 대표이사heliphoto@daum.net

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수자원분야 적용을 위한 드론 활용 기술 검토

수행할 필요가 있었다. 이러한 문제를 개선하기 위

해 기존의 선박이나 보트를 이용한 수질조사 대신

조사자 1인으로 가능한 ‘드론을 이용한 수질조사 방

안’을 검토하였다. 셋째, 우리나라 대하천 및 중·소

하천에서의 유량관측은 평·갈수기에는 사람이 직

접 하천에 들어가서 수행하는 ‘도섭법’이 주를 이루

고, 홍수기에는 하천에 들어가지 않고 전파를 발사

해 수면에 반사하는 전파의 도플러 효과를 이용하

는 ‘비접촉식 유량조사’를 수행한다. 그러나 간혹 유

속은 빠르지 않으나 수심은 깊어 도섭법과 비접촉법

둘 다 적용할 수 없는 지점이 있다. 이때는 부득이하

게 고가의 장비와 다수의 조사자가 필요한 ‘보트법’

을 적용한다. 그럼에도 불구하고 수질이 나쁘고 임

의의 장소에서 하천으로의 접근이 쉽지 않은 도심하

천의 일부는 이 방법도 적용하기가 쉽지 않은 경우

가 있다. 이러한 문제점을 해결하기위해 ‘드론을 이

용한 보트법’을 검토하였다. 넷째 기후변화가 진행

됨에 따라 우리나라 대부분의 지역은 과거에 발생한

기록을 뛰어 넘는 거대 규모의 홍수에 노출될 가능

성이 높아지고 있다. 홍수로 인한 피해는 예방이 어

려울 뿐 만 아니라, 지형 및 다양한 구조물 등의 영

향으로 같은 규모의 홍수에도 피해규모는 천차만별

이다. 이에 강풍과 강우가 발생할 때에도 피해지역

으로의 신속한 이동과 실시간 현장상황 관측이 가

능한 ‘수재해 관리용 드론’을 개발하였다. 각 기술에

대한 상세한 소개는 다음과 같다.

2. 드론을 활용한 흐름특성 모니터링

물관리를 위한 가장 일반적인 UAV 활용기술은

디지털카메라를 장착한 드론을 원하는 상공에 띄워,

고해상도 영상을 취득·분석하는 일이다. 조력발전

을 통해 시화로로 유입된 염수는 외해의 조위가 낮

은 시간동안 배출되며 이때 유속은 약 3 m/sec 이

상이고 수체내 거품이 많아 방류 시 보트에 장착한

ADCP로 수행하는 유속조사가 불가능하였다.

2.1 항공촬영

수문방류를 통해 인위적으로 생성된 흐름에는

대부분 많은 기포가 포함되어 있다. 이러한 기포

그림 1. 드론을 이용한 동일 지점에서의 항공촬영 결과

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를 1초 동한 4컷 이상 고해상도 카메라를 이용해

연속 촬영함으로서 기포의 일정시간 동안 거리변

화를 분석해 수체의 흐름특성을 분석하는 방법이

‘LSPIV(Large Scale Particle Image Velocimetry)’

이다. 다음 그림은 2013년과 2015년에 800 m 상공

동일 지점에서 드론을 이용해 연속촬영한 항공사진

의 샘플이다. 하얗게 나타난 기포의 이동거리를 분

석해 2차원적인 수체흐름특성을 해석할 수 있다.

동일 지점에서 시간변화에 따라 연속촬영한 영

상은 다양한 현상해석에 활용될 수 있다. 그림 1은

2013년 겨울과 2015년 가을에 조위차가 가장 큰 대

조기 방류 1시간 후에 촬영한 사진이다. 그림 1의 우

측 사진은 좌측 사진에 비해 수문 약 800 m 전방에

설치되고 있는 ’잠재‘에 의한 흐름변화를 가시적으로

보여준다. 사진에 청색원으로 나타낸바와 같이 잠재

설치가 진행됨에 따라 ‘주 흐름 분산 효과’는 점점 더

뚜렷하게 나타날 것으로 기대한다.

그림 2. 구조물이 없는 외해에서의 정사보정용 기준점 확보를 위한 무선조정 타겟

2.2 주변에 구조물이 없는 외해에서의 기준점

확보를 위한 무선조정타겟 개발

그림 1과 같이 높은 고도에서 약 0.25초 간격으로

연속 촬영한 영상들은 동일 기포를 추출한 후 기포

의 이동 거리를 분석해 유속을 산정한다. 이처럼 각

기 다른 시간대에 촬영된 영상을 해석하기 위해서

는 각 영상에 대한 정사보정이 필요하다. 그림 2는

기준점 확보가 어려운 바다를 대상으로 기준점 확

보를 위해 개발한 무선조정 타겟이다. 기준점이 필

요한 위치에 앵커와 부표를 이용한 ‘기준점 확보용

타겟’을 설치하고 조위의 변화에 따라 상·하, 좌·

우로 변하는 타겟의 위치를 측량장비와 무선조정기

를 이용해 확보하는 방식이다. 즉 육지에 있는 관측

자가 항공촬영과 동시에 측량장비를 이용해 무선조

정으로 자세 제어가 가능한 타겟의 좌표를 확보하

고 동시에 촬영이 이루어지는 개념이다. 물론, 설치

되어 있는 부표의 크기 및 색상을 변화시킴으로서

카메라 해상도를 고려한 맞춤형 기준점 제공도 가

능하다.

3. 드론을 활용한 수질 관측

저수지 및 대하천에서의 수질관측은 관측장비를

계류시키는 방법과 조사자가 보트를 이용해 직접

주요지점을 조사하는 방법이 일반적이다. 최근 대

댐 저수지에서는 자동수질측정장치를 활용한 연속

수질관측이 이루어지기도 한다. 그러나 이러한 방

법들은 수질변화가 예상이 되거나 위치적으로 정기

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수자원분야 적용을 위한 드론 활용 기술 검토

적인 관리가 가능한 지점에 대한 경우이다. 언제 어

디서 발생할지 예측이 어려운 녹조 조사의 경우 사

전관측을 통한 대처가 매우 어렵다.

3.1 수질조사용 드론

차량을 이용한 현장 접근 후 강변에서 신속하게

원하는 지점의 수질조사가 가능하도록 개발된 드론

은 그림 3과 같다. GPS와 프로그램을 활용해 10개

지점 이상의 장소 이동이 가능하며, 하부에 장착 된

부력체를 이용해 원하는 지점에 착륙한다. 그림 3은

사전에 설정되어있는 다항목수질측정기를 이용해

표층에서의 수질관측을 수행한 후 이륙하는 모습이

다. 최대 4.5 kg까지 센서 장착이 가능하며, 소형센

서에 수심조절이 가능한 전동릴을 부착함으로서 수

심별 수질관측이 가능하도록 개선하고 있다.

3.2 수질조사용 센서 및 현장실험

드론을 이용한 수질관측을 위해 수중계류가 가능

한 YSI사의 ‘adv6600’모델을 사용하였다. 그림 4 좌

측은 현장조사를 위해 수질센서를 설정하는 모습이

며 그림 우측은 현장실험을 통한 적정 부력 설계 및

드론 구조 개선에 참여한 개발자들을 보여준다. 최

초 현장실험 당시에는 드론이 수면에 착륙한 후 수

질관측이 진행되는 동안은 별도의 동력이 없어 물

위를 떠내려가는 문제점이 발견되었으며, 기체 손

상 및 침수로 인한 분실 등의 사고 예방을 위해 인근

하류에 보트로 대기하면서 가까운 곳에서 드론을 관

찰하였다. 현재 현장실험을 통해 파악한 많은 개선

점을 토대로 새로운 형태의 수질조사용 드론 개발이

이루어지고 있다.

그림 3. 수질조사용 드론

그림 4. 다항목수질측정장치 점검 및 현장 적용성 개선

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4. 드론을 활용한 유량조사

도심하천의 많은 지역이 하천정비 및 준설로 인

해 흐름은 0.3 m/sec 이하로 정체되고 수심은 1 m

가 넘어 도섭법에 의한 조사가 어려운 상황이다. 결

국 ADCP를 활용한 보트법이 요구되나 하천 주변에

우거진 잡초나 하상의 철근 콘크리트 잔해 및 악화된

수질로 인해 보트를 이용한 유량조사도 쉽지 않다.

그림 5. 드론을 활용한 도심하천에서의 유량조사 사례

4.1 유량조사용 드론

유량조사를 위해 개조한 드론은 그림 5와 같다.

항공촬영에 사용하는 옥타콥터 형태의 가장 일반적

인 드론으로 로프를 견인하고, 하천을 횡단한 후 로

프를 원격으로 분리함으로서 원하는 단면에서의 유

량자료를 확보할 수 있었다. 유속센서와 유속센서

제어부의 무게를 경량화 함으로서 일반적인 드론의

출력으로도 하천횡단에는 큰 어려움이 없음을 확인

하였다. 1차실험에서는 드론을 이용해 하천을 왕복

으로 조사하였으나, 길게 늘어져 있는 로프로 인해

횡단 후 방향 전환이 원활하지 않아 측정단면이 중

복되는 문제점이 발견되었다. 이에 동일 측선에서

왕복 측정이 필요할 경우에는 일단 착륙 후 로프를

다시 연결하는 방식으로 유량산정의 신뢰도를 확보

할 수 있었다.

4.2 드론 접목을 위한 유량조사 기술

드론으로 견인하기위한 유속관측 장비는 SonTek

사의 ADCP S5를 사용하였다. 또한 센서를 장착하

기 위한 부력체는 물에서의 저항을 최소화하고 비

용절감을 위해 시중에서 판매되는 원형의 구명환을

사용하였다. 부력체와 센서는 로프를 이용하여 최

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수자원분야 적용을 위한 드론 활용 기술 검토

대한 가볍고 튼튼하게 고정하였으며 구명튜브위에

센서제어용 노트북, 배터리 및 통신장비를 장착하였

다. 그림 6은 유량조사 장비 및 개발자들의 현장조

사 후 파이팅을 외치는 모습이다.

5. 드론을 활용한 재해 관리

홍수, 가뭄 및 산사태 등 물과 관련된 재해는 생

각보다 그 종류가 다양하다. 최근에는 홍수에 의한

피해 빈도는 많이 줄어들었으나, 예측을 벗어나는

돌발홍수로 피해규모 및 두려움은 확대되고 있다.

변화하는 환경에 대응하기 위해 신속하게 현장으로

이동하고 다양한 수재해 상황을 기록하고 전송할

수 있는 재해관리용 드론을 고안하였다.

5.1 재해관리용 드론

그림 7은 강풍에 대한 저항과 신속한 이동을 고

려하여 개발한 ‘재해관리용 드론’이다. 기존의 연구

조사를 바탕으로 그림 7의 우측에 나타낸바와 같이

‘Hexa-rotor Y Type’을 선정하였다. 6개의 모터를

상·하로 배치하여 3축에 모터가 고정된 형태이다.

그림 6. 드론 장착을 위한 유량조사 장비 개발

그림 7. 재해관리용 드론 개발

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5.2 성능 확인

그림 8은 재해관리용 드론의 속도 실험 결과이다.

GPS를 이용 이동속도가 화면에 표시되도록 설정한

후, 일정한 간격으로 화면을 캡처하였으며, 이륙 후

좌측으로부터 7.3, 13.7, 21.6, 25.1 m/sec 순으로

속도증가를 확인하였다. 드론 하부에 장착될 센서와

무게를 고려할 경우 약 5 m/sec에서 10 m/sec까지

의 속도 저하가 예상되나 그럼에도 불구하고 15 m/

sec 이상의 이동속도는 확보될 것으로 예상한다.

그림 8. 재해관리용 드론 개발

6. 맺음말

2002년 겨울, 하구에서의 사주변화를 파악하기

위해 산 정상에서 한 달에 한 번씩 촬영해 축적해

놓은 사진을 다양한 영상처리 기술을 이용해 분석

한 기억이 있다. 그리고 2006년부터 2007년까지는

약 2년에 걸쳐 ‘한국항공우주연구원’ 과제에 참여,

자연하천에서의 수온과 서식지와의 상관성 파악을

위해 무인헬리콥터에 디지털 카메라와 열화상 카메

라를 부착하여 막대한 비용과 시간을 들여 현장조

사를 수행하기도 하였다. 그리고 어느덧 세월이 흘

러 이제는 원하는 목적에 맞게 드론을 제작하고 현

장이 요구하는 기술을 반영하는 연구를 수행할 수

있게 되었다. 우리의 땀과 노력으로, 내일 우리가

제시하는 드론이, 우리나라 수자원 관리에 기여할

수 있는 좋은 작품이 되기를 기대한다.

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수자원분야 적용을 위한 드론 활용 기술 검토

1. 김민규, 정갑용, 김종배, 윤희천 (2010). 풍수해 모니터링을 위한 UAV 적용성 분석, 한국

측량학회지, 제 28권 제 6호, pp. 655-662.

2. 이수암, 김태정, 김재인, 김민철, 장휘정 (2015). UAV 영상을 활용한 수변구조물의 DSM

생성 및 정확도 분석, 대한원격탐사학회지, Vol. 31, No. 2, pp. 183-191.

3. 이용창 (2015). 회전익 UAS 영상기반 고밀도 측점자료의 위치 정확도 평가, Vol. 23,

No. 2, pp. 39-48.

4. 이인수, 이재원, 김수정, 홍순헌 (2013). 초경량 고정익무인항공기 사진측량기법의 정사

영상 정확도 평가. Vol. 33, No. 6, pp. 2593-2600.

5. 이지훈, 최경아, 이임평 (2012). UAV기반 저고도 멀티센서 사진측량 시스템의 캘리브레

이션, 한국측량학회지, 제 30권, 제 1호, pp. 31-38.

참고문헌