첨단기술인 비파괴·비접촉 방식의 초분광 영상을 활용해 국가유산을 훼손 없이 입체적으로 모니터링하고, 이를 기반으로 정확하고 객관적으로 진단할 수 있는 기술 개발이 한창인 가운데 초분광 및 3차원 DB 구축 전문기업인 (주)지오스토리가 참여해 연구의 완성도를 한껏 끌어 올리고 있어 눈길을 끌고 있다.
이 기술은 기존의 육안 관찰 대비 진단 시 누락 발생률 없이 신뢰성을 확보할 수 있는 것은 물론 이상상태 조기 발견과 빠른 조치를 통해 국가유산의 지속가능성을 확보할 수 있는 기술로 평가받고 있다.
누락 발생 없고 ‘이상 상태 조기 발견’ 지속가능성 확보기술 평가
국내 최초로 성곽 식생 등에 초분광 진단기술 접목 연구도 추진
면적이 넓고 규모가 큰 대면적 국가유산은 모니터링과 진단에 많은 비용과 인력이 소모되고, 지형상 또는 규모상 접근이 어려운 구간을 포함해 지상 데이터 취득에 한계가 있다.
또한, 2차원적인 기록과 진단으로 인해 문화유산의 정확한 입체 형상과 상태정보 파악이 쉽지 않고, 기존 육안 관찰의 경우 진단 결과 누락과 신뢰성 저하는 물론 상태 변화에 대한 조기 발견과 파악에도 어려움을 겪고 있는 것으로 알려져 있다.
현재 사용되고 있는 장비나 기술 중 일부는 국가유산에 영향을 줄 수 있는 접촉식 방식이 혼용되고 있어 문화유산의 지속가능성 확보를 위한 대안 마련이 시급히 요청되고 있는 가운데 최근 초분광 센서와 같은 비접촉식·비파괴식 기술을 활용한 입체적 진단 기술이 각광받고 있다.
하지만, 기술적 우수성에도 불구하고, 아직 명승, 천연기념물과 같은 자연유산이나 전통건축물이 집단으로 모여있는 마을 및 읍성과 같은 문화유산 등 국가유산의 진단·분석 분야에서 적용은 매우 저조한 실정이다.
이에 ‘대면적 문화유산의 효율적인 모니터링과 진단 기반 마련’을 목표로 주관연구기관인 한국전통문화대학교 김충식 교수 연구진과 공동연구기관인 (주)지오스토리가 ‘다중플랫폼 초분광 센서를 이용한 대면적 문화유산의 입체적 진단기술 개발’ 연구를 진행하고 있다.
이번 연구의 핵심기술인 초분광(Hyperspectral) 영상은 공간정보가 담긴 2차원 영상에 분광정보를 더하는 기술로, 400~2,500nm 내 수백 개의 분광밴드를 하이퍼큐브 구조로 표현한다. 각 픽셀이 갖는 분광데이터는 물체만이 갖고 있는 고유의 특성을 표현한다.
연구내용
이 연구는 대면적 국가유산 입체적 진단을 위한 3차원 디지털 기록화 및 기법 정립을 비롯해 드론 및 지상 초분광 센서를 활용한 대면적 식생의 건강성 평가지도 제작을 목표로 하고 있다.
또한, 지상 초분광 센서를 활용한 문화유산의 훼손 요인별 분광 분석과 다중플랫폼 분광 영상 기반의 종합적 진단·분석도 포함하고 있다.
이 같은 목표 달성을 위해 드론 초분광 센싱 기법 정립 및 초분광 영상 전처리 자동화 기법 개발 연구와 함께 대면적 식생·수목의 건강성 평가와 종합적 진단, 기와 품질 평가방안 마련, 석조문화유산 훼손 요인별 분광 분석 및 3차원 모델의 융합 분석 등의 연구를 수행하고 있다.
이 연구에서 주목할 점은 차별성이다.
연구진은 비파괴·비접촉식 국가유산 진단기술 특화를 위해 자연유산 조사·분석·진단을 위한 비파괴·비접촉 기술 다양화는 물론 천공, 시편 채취, 전기자극 등 기존 진단 방식 보완과 현장 활용성 향상, 유·무인항공기를 이용한 초분광 센서 진단기술 접목 등을 추진하고 있다.
문화유산 진단용 초분광 기술 실효성 극대화를 위한 노력도 기울이고 있다. 현재 안료, 회화, 석탑 등에 국한된 초분광 기술의 적용 대상 확대와 함께 문화유산의 종류와 규모, 진단 대상과 항목별 최적의 초분광 진단기술을 적용하고 있다.
특히, 국내 최초로 성곽, 식생 등 대면적 국가유산에 초분광 진단기술 접목을 위한 연구도 시도하고 있다.
이외에도 가시광선, 근적외선 기반 탐지 알고리즘을 활용한 진단기술 적용 연구에도 나서고 있다.
입체적 모니터링 및 진단기술 개발에도 집중하고 있다. 지상 초분광과 드론 초분광의 기술융합을 통한 입체적 모니터링과 진단과 함께 대면적 국가유산에 접목 가능한 타 분야의 진단 항목과 기술 응용, 신규로 적용할 수 있는 진단 항목과 기술 개발 등의 연구를 진행하고 있다.
대면적 자연유산의 효율적인 모니터링 및 일관된 데이터 구축 기반 마련에도 노력을 기울이고 있다.
연구기관별 연구내용을 살펴보면, 한국전통문화대학교에서는 초분광을 활용한 다각적인 진단을 통한 국가유산의 종합적인 진단을 목표로, 국가유산에 영향을 주는 위해식물 탐지, 자연유산으로 지정된 수목의 건강성 평가, 문화유산의 다수를 차지하는 건축물의 기와 품질평가 방안 마련 등의 연구를 수행하고 있다.
특히, 넓은 면적의 산림을 포함하는 명승이나 천연보호구역, 사적으로 지정된 왕릉이나 산성 등을 위해식물로부터 보호하고, 유지·관리하기 위해 초분광 기술을 이용, 위해식물의 분광 라이브러리를 구축하고, 국가유산의 지정구역 내 위해식물을 자동으로 발견하기 위한 방법을 찾고 있다.
특히, 위해식물의 탐지 고도화를 위해 초분광 영상 기반 머신러닝 기법 개발에 나서고 있다. 이 기술은 최근 산림이나 하천의 생태환경에 영향을 주는 칡이나 가시박과 같은 식물의 발견과 제거에 기여할 것으로 예상된다.
천연기념물 등으로 지정된 대형 노거수 건강성 평가 연구도 병행하고 있다. 현재 잎의 광효율 지표와 초분광 특성의 상관성을 분석, 광효율 지표를 대체할 수 있는 초분광 영상 취득과 분석 기술을 개발하고 있다.
또한, 초분광 데이터를 활용, 문화유산을 구성하는 건축물의 기와 품질평가 방안 연구도 이뤄지고 있다. 재사용 부재의 기준 마련과 수리비용 절감을 위해 건축물의 수리현장에 사용되는 노후 기와와 신규 제작 기와의 정량적인 품질평가 방안을 모색하고 있다.
(주)지오스토리에서는 대면적으로 이뤄진 국가유산을 대상으로 초분광 기술을 활용한 데이터 취득과 방법 정립, 데이터에 대한 변환처리 자동화 모듈 개발에 집중하고 있다.
특히, 촬영시간과 촬영 방법 등 최적으로 초분광 영상을 얻을 수 있는 기법 정립에 나서는 한편, 초분광에 대해 이해도가 없는 기술자도 데이터 입력부터 출력까지 한 번에 처리할 수 있는 모듈 개발에도 역량을 집중시키고 있다.
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연구 4년 차 기술특허 출원 SCI 논문 3건 등 ‘큰 성과’
㈜지오스토리 최기현 전무는 “광범위한 영역에 분포하는 대면적 국가유산 진단을 위해 현재 사용되는 방법은 여러 한계점이 존재한다”며, “이 같은 한계점 극복을 위해 추진된 이번 연구는 비파괴·비접촉 방법인 초분광 기술과 대면적 촬영이 가능한 드론을 적용해 국가유산을 정확히 진단할 수 있는 기술 개발에 초점을 맞추고 있다”고 밝혔다.
이어 “이번 연구의 핵심기술인 초분광 기술은 빛이 물질에서 반사되는 에너지를 취득해 대상에 대한 특징을 식별하고 발견하는 기술”이라며, “초분광 센서를 이용해 취득한 분광 이미지를 분석해 대상 물질이 갖는 고유 특성을 파악할 수 있다”고 소개했다.
이 연구는 초분광 기술을 국가유산 분야에 융합해 국가유산의 보존과 관리, 활용 등 전반적인 데이터를 디지털 대전환을 위한 기초 자원으로 활용할 수 있는 중요한 연구로 더욱 주목받고 있다.
현재 총 5년 동안의 연구 기간 중 4년 차에 접어든 시점에서 연구진은 기술특허 출원 1건과 등록 1건, 비 SCI 논문이 3건, 공동개발기관에서 신규인력에 대해 매년 3인씩 총 12명의 고용창출 성과를 도출했다.
정확도 높은 ’위해 식물‘ 탐지 결과 평가방안 곧 나온다
최 전무는 “현재 머신러닝 기술을 활용한 대면적 국가유산 내 위해 식물인 아까시나무에 대한 탐지와 함께 수목의 건강성 평가 및 기와 품질평가를 위한 분석 연구를 진행하고 있다”며, “이를 기반으로 5년차 연구에서는 각각 높은 탐지 정확도의 위해 식물 탐지 결과와 평가방안이 마련될 것”이라고 말했다.
이어 “이 같은 성과물들은 명승, 천연기념물, 사적 내 위해 식물은 물론 교란식물 등 제거가 필요한 수목 서식지와 제거 계획 수립에 활용 가능하다”며, “또한, 관리가 필요한 노거수, 보호수와 같은 수목에 대한 관리 방안 수립에도 활용 할 수 있다”고 강조했다.
또한, 기와 재사용에 대해 초분광을 활용한 추가적인 평가방법을 제시함으로써 기와 재사용의 효율성을 높이는 또 다른 방안으로도 활용될 전망이다.
최 전무는 기대효과에 대해 “기술적으로는 문화유산에 초분광 기술과 머신러닝기법 적용을 통해 AI 기술의 활용적 측면에서의 토대 마련과 산업 인프라 및 생태계 조성에 기여할 것”이라며, “특히, 국가유산의 미계측 지역에 대한 관련 기술 확대 도입으로 문화유산 안전진단 기술 확산에도 도움을 줄 것”이라고 예상했다.
이어 “경제적으로도 대면적 국가유산에 대해 새로운 고부가가치 일자리 창출에 기여하는 것은 물론 많은 인력과 비용이 투입되던 기존의 직접 조사작업을 원격모니터링으로의 전환을 통해 예산과 비용절감 효과도 거둘 것으로 예상된다”고 밝혔다.
끝으로 최 전무는 “이번 연구를 통해 국가 지자체와 장인들이 고유문화유산의 보존·복원에 대해 보이지 않는 곳에서 무수히 많은 노력을 기울이고 있는 것을 알게 됐고, 그 중요성에 대해 다시 한번 깨우치는 기회가 됐다”고 말했다.
이어 “따라서 이번 연구를 통해 현장에서 즉시 적용 가능한 종합적 문화유산 진단 기술을 마련하고, 나아가 탄소중립과 같은 환경변화에 따른 문화유산 이슈에 즉각 대응할 수 있는 기술력을 보유한 기업으로 발전해 나가겠다”고 덧붙였다.