Forest Digital Twin Implementation Study for 3D Forest Geospatial Information Service

3차원 산림공간정보 서비스를 위한 산림 디지털트윈 구현 연구

Abstract

Recently, Korea has declared carbon neutrality by 2050. The Korea Forest Service is promoting the precision and high technology of forest resource surveys. As such, the demand for forest resource management is increasing, and the need to build a digital twin of forest space is increasing. However, to date, digital twin has only built and provided virtual city services, which are city and nationwide digital twin environments. Three-dimensional digital twin services targeting forest space are not operated and provided. Therefore, in this study, we aimed to implement a forest digital twin environment to provide 3D forest spatial information services corresponding to vertical information such as tree-level height and thorax diameter. By lightweighting realistic 3D tree models and applying 3D Tiles, we confirmed the feasibility of implementing a forest digital twin environment for 3D forest spatial information services. Through continuous research, we plan to implement a forest digital twin that can deploy and service 3D tree models for trees nationwide, including street trees in urban areas. This is expected to enable the development of forest digital twin services for forest resource management.

최근 우리나라는 2050 탄소중립을 선언하였고, 산림청에서는 첨단 정보통신기술을 접목하여 디지털트윈 기반으로 산림자원 관리, 산림재해 예방 등을 위한 K-포레스트 추진계획을 발표하였으며, 드론, LiDAR 등의 활용으로 산림자원 조사의 정밀화 및 첨단화를 추진하고 있다. 이처럼 산림자원 관리에 대한 요구가 증가하고 있으며 산림공간의 디지털트윈 구축 필요성이 높아지고 있다. 그러나 현재까지 우리나라의 디지털트윈은 도시 및 전국단위 디지털트윈 환경인 가상도시 서비스만을 구축 및 제공하고 있으며, 산림 공간을 대상으로하는 3차원 디지털트윈 서비스는 운영 및 제공되고 있지 않다. 이에 본 연구에서는 수목 단위의 수고, 흉고직경과 같은 수직적 정보에 해당하는 3차원 산림공간정보 서비스 제공을 위한 산림 디지털트윈 환경을 구현하고자 하였으며, 실감형 3D 나무모델의 경량화, 3D Tiles 적용으로 3차원 산림공간정보 서비스를 위한 산림 디지털트윈 환경 구현 가능성을 확인하였다. 지속적인 연구를 통하여 도심지 내의 가로수를 포함해 전국단위 수목을 대상으로 3D 나무모델 배치 및 서비스 가능한 산림 디지털트윈 구현할 예정이며, 이를 통하여 산림자원 관리를 위한 산림 디지털트윈 서비스 개발이 가능할 것으로 기대된다.

1. 서론

최근, 우리나라는 2050년까지 탄소 중립을 선언하였다. 이와 관련하여, 산림청은 K-포레스트 추진계획을 발표하였으며, 산림자원 조사의 정밀화 및 첨단화를 추진하고 있다. 이와 같은 산림자원 관리에 대한 요구를 충족하기 위해 실제 산림 공간을 디지털 공간에 구현함으로써 산림자원의 모니터링, 탄소배출량 산정 등에 대한 시뮬레이션을 수행할 수 있는 디지털트윈 구축의 필요성이 높아지고 있다.

디지털트윈은 현실 세계의 다차원 데이터를 3D 기반으로 하여 직관적으로 시각화된 가상환경이며, 현실 세계와 동일하게 조성된 가상환경을 뜻한다(Hwang et al., 2020). 사용자가 네트워크나 컴퓨터를 의식하지 않고 장소에 상관없이 자유롭게 네트워크에 접속할 수 있는 정보통신 환경을 구현하고자 했던 과거 3차원 U-city (유비쿼터스 도시) 연구에서도 디지털트윈의 필요성이 대두되었으나 당시 기술 및 운영환경 인프라 성능 부족으로 디지털트윈을 구현하기 힘든 환경이었다(Park et al., 2015). 하지만 현재 IoT 센서, 고성능 Graphics Processing Unit (GPU) 등을 기반으로 디지털트윈 구축의 현실화가 재대두되는 현황이다(Rasheed et al., 2020).

우리나라의 전국 및 도시 단위 디지털트윈 환경인 가상도시 서비스를 살펴보면, 브이월드는 한국형 공간정보 오픈 플랫폼으로 전국단위의 공간정보인 정사영상, Digital Elevation Model (DEM), 3D 건물 모델을 구축하여 2D 및 3D 지도 서비스와 오픈 API를 제공하고 있으며 3차원 실내공간정보는 부분적으로 구축 및 서비스하고 있다. 또한, 인천경제자유구역 Incheon Free Economic Zone (IFEZ)과 대구시는 항공측량 데이터를 활용하여 건물을 자동 추출하는 방식을 통해 저비용으로 3D 건물 모델을 생성하고 가상도시를 구축 및 서비스하고 있다. 특히 실내 공간정보는 로드뷰 방식의 파노라마 이미지를 제공한다. 서울시 버추얼서울은 항공 측량 기반의 2차원 및 3차원 공간정보 데이터인 항공정사영상, DEM, 3D 건물모델과 공공시설의 실내공간정보를 구축하여 서비스하고 있다.

해외의 전국 및 도시 단위 디지털트윈 환경인 가상도시 서비스 사례를 살펴보면 싱가포르 정부가 주도하고 다수의 글로벌 기업들이 참여하여 구축한 버추얼 싱가포르(Virtual Singapore), 런던 전체와 영국 등 25개 해외 도시를 중심으로 가상의 도시모델을 구현한 VU.CITY, 영국의 뉴캐슬시(Newcastle city)를 대상으로 구현한 디지털트윈인 Newcastle이 있다(Chang and Jang, 2021). 이와 같이 도시를 디지털트윈으로 구현하고, 서비스를 제공하고 있는 사례는 다수 존재한다. 그러나 산림 공간을 디지털트윈으로 구현하고 서비스하고 있는 사례는 없으며, 여러 연구에서 산림 공간의 디지털 전환을 강조해 왔으나 여전히 산림분야는 후발 주자이다(Nitoslawski, et al., 2021).

산림과 관련된 공간정보 서비스에는 우리나라 산림청에서 운영하고 있는 산림공간정보서비스가 있다. 산림공간정보서비스는 산림의 위치 및 속성정보를 분석하여 임상도, 임도망도 등 객관적인 산림공간정보를 제공하는 통합시스템으로 국가공간정보포털을 통해 서비스되고 있다(Sung et al., 2019; Seo et al., 2018; Park and Lee, 2021; Park and Choi, 2021). 또한, 산림청에서 구축하고 있는 주요 산림공간정보로는 임도망도, 백두대간보호지역도, 맞춤형조림지도, 산림항공사진, 산림입지토양도, 임상도가 있다(Lee et al., 2019; Hyun, 2022). 해외에서도 우리나라와 같이 주제도 형태로 다양한 산림공간정보를 구축 및 제공하고 있다. 유럽은 Forest Information System for Europe (FISE)을 통해 2D 지도 기반 서비스를 제공하고 있으며, 미국 산림청에서는 FSGeodata Clearinghouse를 통해 산림공간정보 및 각종 공공데이터를 제공하고있다. 하지만 산림 관리에 가장 중요한 요소는 탄소배출량 등을 산정하기 위한 수목 단위의 수고, 흉고직경과 같은 수직적 정보이나 현재 제공되고 있는 산림 서비스는 이미지 위주의 단면적인 주제도로 제공되고 있어 수직적 정보를 분석하기에 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 3차원 산림공간정보를 서비스하기 위한 산림디지털트윈 구현 방안을 도출하고자 하였다.

2. 연구 방법 및 기초자료 수집

2.1. 대상 지역 선정

연구를 위한 대상 지역은 임산물 채취 및 취사를 제한하는 등 훼손에 민감한 국립공원이며, 치악산 부곡지구의 일부 지역으로 선정하였다. 본 연구의 대상지역은 침엽수림과 활엽수림이 혼재하여 수종이 다양한 지역으로 세부 영역은 Fig. 1과 같이 1:5,000 수치지도 1개 범위로 약 8.32 km²의 면적을 대상으로 하였다.

Fig. 1. Research area.

2.2. 연구 방법

본 연구는 연구대상 지역의 산림공간정보를 수집하고, 브이월드 3D 지도상에 시각화하여 산림 디지털트윈 환경을 구현하고자 하였다. 이를 위해 산림공간정보데이터를 브이월드 3D 지도와 연계하여 시각화하는 방법과 수목 위치별로 실감형 3D 나무모델을 배치하여 시각화하는 방법을 각각 적용하고 비교 분석함으로써 산림 디지털트윈 환경 구현에 적합한 방법을 도출하고자 하였다(Fig. 2).

Fig. 2. Research flow.

2.3. 기초자료 수집

본 연구를 위하여 연구대상 지역의 항공 Ground Sample Distance (GSD)가 약 0.10 m인 RGB 정사영상(Fig. 3a)과 0.10 m의 정규격자 DEM (Fig. 3b) 그리고 산림공간정보 데이터(Fig. 3c)를 수집하였다. 본 연구를 위하여 수집된 자료는 치악산 국립공원공단으로부터 제공받은 자료로 2022년 4월에 취득된 데이터를 가공 및 분석을 통해 생성된 자료이다.

Fig. 3. Research area data collected for this research. (a) Ortho image. (b) LiDAR DEM. (c) Forest-spatial information.

산림공간정보 데이터는 CityMapper 센서로 취득된 항공 LiDAR를 이용해 분석된 point 형태의 벡터 데이터로, 756,415개 수목의 위치정보와 수고, 흉고직경, 수종 등의 속성정보를 포함하고 있다. 본 연구에서는 산림 디지털트윈 환경을 구현하기 위해 산림공간데이터의 수목별 위치정보, 수고 및 수종(활엽수 및 칩엽수) 정보를 활용하였다.

3. 산림 디지털트윈 구현

본 연구에서는 현실 세계의 산림 공간을 가상환경에 3차원으로 산림 디지털트윈을 구현하고자 하였다. 이를 위해 국토교통부에서 운영하고 있으며 저비용으로 매쉬업(Mash-up) 서비스 개발이 가능한 공간정보 오픈플랫폼인 브이월드를 활용하였다. 브이월드는 다양한 2D 및 3D 지도 기반 웹 서비스 기능을 오픈API 형태로 제공하는 것이 특징이다. 따라서 본 연구에서는 브이월드에서 제공하는 전국단위 항공정사영상 및 DEM을 오픈 API를 통해 제공 받아 디지털트윈 환경을 구현하였다.

3.1. 개발환경 구성

브이월드 웹 3D 지도 기반의 디지털트윈 환경을 구현하기 위하여 Table 1과 같이 개발환경을 구성하였다. 개발 PC 성능은 Intel i7 CPU, NVIDIA RTX3060 GPU, 16GB RAM과 같으며 Apach, Tomcat, Geoserver, PostGIS, 그리고 브이월드로 개발 환경을 구성하였다.

Table 1. Development environment

3.2. 산림공간정보 데이터 시각화

본 연구를 위하여 수집한 산림공간정보는 point 형태의 벡터 데이터이며 X, Y에 대한 위치 좌표와 수목별 수고 정보가 속성정보로 포함되어 있다. 본 연구에서는 수고 정보가 반영된 수목 위치 정보를 시각화하기 위하여 GIS 서버를 통해 10 cm의 버퍼로 point를 polygon으로 변환하였고, 수고 정보에 해당하는 속성값을 이용해 높이 정보가 반영된 단순 막대 형태로 시각화하였다(Fig. 4).

Fig. 4. Result of visualizing individual tree information based on forest spatial information data.

3.3 실감형 3D 나무모델 시각화

단순 막대 형태는 실제 산림의 형상을 반영하기에 한계가 있다. 산림의 형상을 실제와 동일하게 표현하기 위해 Fig. 5와 같은 활엽수, 침엽수 실감형 3D 모델을 이용하여 브이월드 3D 지도 상에 시각화하는 방안을 적용하였다.

Fig. 5. This is a tree 3D model. (a) Broad leaved tree. (b) Needle leaved tree.

실감형 3D 모델을 브이월드 3D 지도 상에 시각화한 결과는 Fig. 6과 같다. 수목의 형상을 실제와 유사한 모습으로 표현하였으나, 고용량 3D 모델로 인해 약 50개 이상의 데이터를 표현할 경우 시각화 및 화면 제어 반응 속도 성능이 저하되는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 6. Result of visualization of realistic 3D tree model.

이를 해결하기 위해 경량화 기법을 적용하여 실감형 3D 모델의 용량을 줄이고, 데이터 서비스 성능을 개선하기 위하여 3D Tiles를 적용하였다. 모델 경량화 기법은 Fig. 7과 같이 불필요한 버텍스(vertices)를 제거하고 원본의 품질은 유지한 상태로 최적화하는 기법이다.

Fig. 7. Lightweighting comparison example for 3D models. (a) Original 3D model. (b) Lightweight 3D model.

3D Tiles는 Fig. 8과 같이 대규모 3D 지형 공간 데이터를 축척에 따른 계층적 데이터 구조로 나누어 타일 형태로 데이터를 분할한 기법이다. 3D Tiles는 대량의 이 기종 3D 공간 데이터를 스트리밍 하기 위하여 사용되는 기술로 건물, 나무, 벡터 데이터를 비롯한 3차원 모델을 스트리밍 하는데 사용 가능하다(Oliveira et al., 2013; Patrick, 2015).

Fig. 8. Data structure for 3D tiles.

Fig. 9는 실감형 3D 모델을 경량화하고, 3D Tiles를 적용하여 시각화한 결과이다.

Fig. 9. Result of application of 3D tiles and visualization.

경량화 및 3D Tiles 기법을 통한 실감형 3D 모델 시각화 성능에 대한 분석을 수행하였다. 실감형 3D 모델의 경량화를 통해 85,652 KB에서 275 KB로 기존 용량 대비 약 213배 용량을 감소할 수 있었다. 50개의 수목이 화면에 표출되는 시간으로 성능을 비교한 결과 경량화 전 모델을 적용한 경우 약 7초가 소요되었으나, 경량화된 모델을 적용한 결과 약 1초로 단축되었다. 3D Tiles를 통한 시각화 성능에 대한 분석 결과, 실감형 3D 모델 시각화 최대 표현 개수를 기존 50개의 모델에서 756,451개의 모델로 약 15,000배 증가할 수 있었다(Fig. 10).

Fig. 10. Comparison of visualization performance of realistic 3D models according to the application of 3D tiles.

5. 결론

본 연구에서는 3차원으로 생성되는 산림공간정보를 브이월드 기반의 3D 지도 환경에서 시각화하여 산림 디지털트윈을 구현하고자 하였다. 이를 위해 연구 대상 지역의 정사영상, DEM, 산림공간정보를 활용하여 다양한 방법으로 3D 지도에 시각화하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

첫째, 수집한 산림공간정보의 위치정보와 속성정보 중 수고 정보를 융합하여 3D 단순 막대형태로 시각화할 수 있었다. 기존 2D 기반의 단면적인 산림정보에 비해 수고 정보의 직관적인 분석이 가능하였으나, 현실세계의 수목의 형상을 반영하기엔 한계가 있어 가상공간에 실체를 동일하게 구현하는 디지털트윈과는 거리감이 있었다.

둘째, 산림 디지털트윈 구현을 위해 침엽수, 활엽수 등 수종별 실감형 3D 모델을 적용하는 방안을 제시하였으나, 실감형 3D 모델의 경우 고용량으로 인해 시각화 성능 저하의 문제가 발생하는 것을 확인하였다. 이를 해결하기 위해 3D 모델 경량화 및 3D Tiles 기법을 적용하였으며 총 756,451개의 실감형 3D 모델을 시각화함으로써 산림 디지털트윈 구현이 가능함을 확인하였다.

본 연구에서는 연구대상 지역 내 수목의 모든 위치에 실감형 3D 모델을 배치하고, 성능의 저하 없이 시각화가 가능함을 확인하였다. 지속적인 연구를 통하여 도심지 내의 가로수를 포함하여 전국단위 수목을 시각화할 예정이다. 이를 위하여 웹 캐시(cache)를 적용하고, 사용자가 설정한 시야각에 포함되는 데이터만 표출하도록 추진하고자 한다. 추가적으로 바람길, 산불피해도 등 다양한 공공데이터를 연계하여 시뮬레이션 기능을 구현한다면 산림자원 관리를 위한 산림 디지털트윈 서비스 개발이 가능할 것으로 기대된다.