2.1 2차원 준공도면 절대좌표화 및 영상측위용 데이터 취득

GNSS 위치측위가 가능한 지역의 경우 지구상의 위치를 결정하는 위성항법 측위 적용이 가능하나, GNSS 불가능한 지역의 경우 실내공간정보에 대한 정보화 DB구축과 다양한 실내측위 정보와 융·복합을 통한 실내측위 서비스 제공이 필요하다. 실내측위용 공간정보 구축방법은 지상라이다를 활용한 실내정밀측량 방법과 건축물 준공도면을 활용한 방법이 있으며, 건축물 준공도면 구축방안의 경우 지상라이다 측량 방법에 비해 저렴한 장점이 있어 많이 활용되고 있으나, 지상라이다 방법에 비해 정확도 확보가 어렵다는 단점이 있다.

실내측위를 지원하기 위한 실내공간정보 부분은 신호기반측위 지원을 위한 실내공간 가시화(Visualization), 실내지도와 외부와의 연결, 출입구 표시 등 실내 이동가능 경로 실내지도, 그리고 특정 위치에 다양한 측위 정보를 담을 수 있는 격자(셀)정보 등이 필요하다. 이러한 실내공간정보 활용 서비스의 개발을 위해 대전 에트리 13동에 대한 준공도면을 확보하고, 세계측지계 기준의 절대좌표 실측을 통해 제공된 준공도면 절대좌표화를 수행하였다. 준공도면 절대좌표화 수행시 실외에 Network RTK측량 방식 중 VRS측량을 통해 실외 기준점을 설치하고, 실내의 경우 실외 기준점을 활용하여 실내에 보조점을 설치하고 벽면 모서리에 대해 토탈스테이션 측량을 수행하였다. 절대좌표화된 준공도면을 기반으로 음영지역, 격자, 경로 정보 등을 추가로 구축하였다. Fig. 2의 경우 에트리 13동을 대상으로 VRS 기준점측량 작업, 토탈스테이션 및 지상라이다를 활용한 실내측량 그리고 Fig. 3의 경우 실내 지상라이다 작업 결과를 정리하였다.

VRS 장비의 경우 Trimble R8s장비(정밀도 수평 8 mm / 수직 15 mm) 및 토탈스테이션 장비의 경우 Topcon GM-102 장비(측각부 2″정밀도, 프리즘 모드 거리 정밀도(1.5 + 2ppm × D) mm)를 활용하여 측량하였다. 지상라이다 장비의 경우 라이카 RTC 360 장비(데이터 취득속도 초당 2,000,000포인트, 취득거리 130 m, 촬영각도 수평 360도/수직 300도)로 실내 보조점마다 지상라이다를 설치하고 각각 2분 이내 점군, 파노라마 이미지를 취득하였다.

영상측위를 지원하기 위한 랜드마트 정보 구축 등을 위해 지상라이다 측량을 수행하였고, 지상라이다 작업을 위해 실내기준점 작업을 선 수행하여 지상라이다의 영상정합시 활용하였다. 또한, 실시간 자동정합 기능을 통해 지상라이다 데이터 정합을 수행하여 360도 실내 로드뷰 형태의 파노라마 이미지 성과와 밀리미터급의 좌표 및 길이를 측정할 수 있는 3D 측량성과를 취득하였다.

실내에서 수행된 토탈스테이션 3차원 절대좌표 측량성과와 전화부스, 기술상담센터 부스, 간이 회의실 등 총 5지점의 지상라이다 영상좌표간 정확도 비교 결과 최대오차 수평, 수직 50 mm 이내 최대 거리오차 80 mm 이내로 결과가 분석되어 랜드마크 등의 실내정보 및 3차원 모델링 구축시 정확한 실내좌표 참조가 가능하였다.

Fig. 2. Construction of Spatial Information to Support Indoor and Outdoor Continuous Complex Positioning in ETRI 13-dong

Fig. 3. Acquisition of Panoramic Images and High-precision 3D Surveying Results Using Terrestrial Lidar Surveying

2.2 실내측위용 단말 지원을 위한 실내외 2D/3D 데이터 구축

실내측위용 단말 지원을 위한 실내외 2D/3D 데이터 구축시 2D 실내지도의 경우 한국전자통신연구원(ETRI)에서 제공한 층별 준공도면을 활용하여 토탈스테이션 측량을 통해 절대좌표화를 수행하였고, 실내 3D 모델링의 경우 제공된 준공도면을 활용하여 3D MAX 프로그램을 통해 3D 모델링을 수행하였다. 영상기반 측위를 지원하기 위한 Fig. 4와 같은 랜드마크 정보의 경우 실내공간에 위치한 광고판, 자판기, ATM기기 등의 정보로 구축하였고, 라이카 True View 프로그램을 통해 지상라이다에서 취득된 스테레오 영상과 좌표를 활용하여 랜드마크의 네 꼭지점과 중심점 5개점의 절대좌표를 취득하여 랜드마크 3D 모델링을 수행하였다.

음영지역 정보의 경우 실외에서 실내로 진입하기 위해서 GNSS측위 및 비 GNSS측위(신호 및 영상기반 측위 등)의 사전 전환을 지원하기 위한 정보로 음영지역에 도달하더라도 몇 초간은 인지하지 못할 수 있어 건물 외곽선을 기준으로 설정하였다.

Fig. 5의 격자와 경로 정보 제작시 격자 정보의 경우 어느 특정한 격자에 그 격자만의 특성 정보를 담을 수 있도록 특정 절대좌표 위치를 기준으로 세 가지 크기 형태의 격자를 제작하였고, 경로정보의 경우 복도 중심선을 기준으로 노드와 링크 형태로 제작하여 시뮬레이터 개발에 활용하였다.

Fig. 4. Construction of Landmark Information for Image Positioning

Fig. 5. 2D Construction Drawing of the 1st Basement Floor (Based on the World Geodetic System), Grid and Route Information (Example)

3.1 실내측위용 시뮬레이터 개발

본 연구에서 사용되는 신호기반 실내측위 기술의 경우 무선통신(WiFi, BLE, UWB 등) 신호의 세기를 통해 위치를 추정하는 방법으로 Fingerprinting 기법을 통해 신호의 특징을 저장된 DB와 대조하여 모바일 단말의 실내위치를 결정하는 방법이 사용된다. 영상기반 측위의 경우 모바일 단말사진과 가상의 텍스쳐 영상과의 매칭을 통해 위치를 결정하며 연구에서 제작된 랜드마크 정보의 네 꼭지점과 중심점의 절대좌료를 활용하여 실내위치를 결정하는 방법이 사용된다. 실험을 위해 한국전자통신연구원 13동의 공간정보 데이터에서 음영지역, 건물정보, 층, 관심지점, 노드, 링크, 그리드템플릿, 랜드마크, 셀 정보를 제작하였다. 이 중 노드, 링크의 경로정보와 주소, 위도, 경도 등과 같은 위치정보를 관리하고 활용할 수 있는 셀 정보, 특정장소를 대표하는 상징적인 특징이나 주요한 표시물 정보인 랜드마크 정보를 제공할 수 있는 실내측위 데이터 API 기능을 개발하였다. 개발한 시뮬레이터의 경우 모바일 단말에서 요구되는 음영지역, 경로 및 셀 정보, 랜드마크 정보를 검색하고 제공할 수 있으며 신호 및 영상기반측위에서 요구되는 다양한 공간정보를 실내측위 데이터 API를 통해 신속히 제공 가능하다. 실내측위 시뮬레이터는 웹 환경에서 사용자가 접속하여 임의의 실내측위 경로를 설정하고, 각 측위점에서 공간연산을 통하여 주변 공간데이터들을 취득할 수 있도록 Fig. 6과 같이 구성하였다. 한국전자통신연구원(ETRI) 13동 건물을 대상으로 구축한 레이어 들을 가시화하고 제어할 수 있으며 가상의 경로를 설정할 수 있도록 하였다.

Fig. 7의 실내측위 시뮬레이터는 Business Logic, 실내측위 데이터 API, 전자정부프레임워크, GIS Engine, Spatial DBMS로 구성된다. 전자정부프레임워크, GIS Engine, Spatial DBMS는 오픈소스를 활용하였다.

Business Logic은 사용자가 지정하는 특정 위치(X, Y, Z)에 존재하는 실내 공간정보를 단말에서 요구하는 형태로 변환하는 역할을 담당하고 있다. 실내측위 데이터 API는 다양한 단말에서 요구하는 실내측위 데이터를 제공하기 위한 함수들의 집합을 말하며, 이에 대한 자세한 내용은 3.2에 기술하였다. 전자정부 프레임워크는 정부에서 제공하는 오픈소스 프레임워크로서 실내측위 시뮬레이터를 웹에서 구동시키기 위한 개발환경이다. GIS Engine은 시뮬레이터가 요청하는 실내 공간정보를 처리하여 단말에 전달하는 역할을 담당하고 있으며, Spatial DBMS는 2장을 통하여 구축한 실내 공간정보를 저장 및 검색한다.

Fig. 6. Composition of Simulator Screen for Indoor Positioning

Fig. 7. Simulator System Components for Indoor Positioning

3.2 실내측위 데이터 API 개발

실내측위 데이터 API는 Fig. 8과 같이 핸드폰, 태블릿, PC 등과 같은 다양한 단말 기기에서 현재 위치에서의 실내 공간정보를 DBMS에 요청하고 그 결과를 되돌려 주는 역할을 담당한다. 시뮬레이터 시스템에 API 기능을 탑재할 수 있지만 이렇게 시뮬레이터와 API를 분리함으로서 향후 시뮬레이터뿐만 아니라 실내 공간정보를 요청하는 다양한 기기에 데이터를 제공해 줄 수 있는 체계를 구축할 수 있다.

실내측위 데이터 API는 Table 1과 같이 총 16종으로 구성하였다. 실내측위 데이터 API는 현재 위치를 전송하면 해당 위치의 실내공간정보를 제공하는 기능을 제공한다.

실내측위 데이터 API는 웹 환경을 통하여 데이터를 주고받기 위하여 REST(Representational State Transfer) API로 구성하였다. REST API는 두 컴퓨터 시스템이 인터넷을 통해 정보를 안전하게 교환하기 위해 사용하는 인터페이스로 REST 웹 서비스는 완전한 클라이언트-서버 분리를 지원하기 때문에 기능의 확장성, 유연성, 독립성이 뛰어난 장점을 가지고 있다.

Fig. 9와 같이 API가 호출되면 각 API에서 필요로 하는 파라미터를 검사한 후 공간연산을 진행한다. 공간연산은 원, 라인, 폴리곤 버퍼연산을 수행하며, 버퍼 연산으로 조회 된 결과는 GeoJSON, GML, Shape 파일로 응답결과를 생성한다.

실내 측위 시뮬레이터를 통해 개발 및 향상시킬 수 있는 실내측위 기술로는 신호 및 영상기반측위에서 요구되는 공간정보인 음영지역 정보, 경로 및 셀 정보, 랜드마크 정보 등을 실내측위 데이터 API를 통해 다양한 단말에 신속히 제공할 수 있으며, 제공된 공간정보에 대한 가시화와 분석을 수행할 수 있다. 즉, 신호 및 영상기반측위 등 여러 기술을 혼합해서 사용하는 실내위치 측위에 필요한 공간정보를 다양한 단말에 제공할 수 있는 장점이 있다.

Fig. 8. Indoor Positioning API Conceptual Diagram

Fig. 9. Conceptual Diagram for API Calls

3.3 실내 측위 테스트 시나리오 방안

웹 환경에서 손쉽게 가상으로 실내측위를 해 볼 수 있는 시뮬레이터의 경우 기본적으로 세계측지계 기준의 절대좌표 2D 기반 실내도면, 영상측위 지원을 위한 랜드마크 좌표정보 및 로드, 링크의 경로정보 등에 대해 측위 단말에서 요청시 실시간으로 공간정보를 검색 및 제공하며 테스트 시나리오의 경우 Fig. 10과 같이 실외①에서 실내②~⑦로 진입하고 다시 실외⑧로 이동하는 순서와 방법을 고려하여 수행하였다.

다음의 순서를 고려한 실내측위 테스트 시나리오 흐름을 고려하여 실내측위용 시뮬레이터 개발에 참조하였다.

<테스트 시나리오 흐름>

1) 보행자가 스마트폰의 연속복합측위 서비스를 활성화 시킴

2) 연속복합측위의 길안내 서비스를 구동시키며, 공간정보 서버는 실내외 진출입 부근 도달시 음영지역 외곽정보 제공 및 연속복합측위 서비스는 측위 단말의 현재 위치를 서버에 주기적으로 전송함

3~5) 측위 단말은 추적주기에 맞춰 절대측위값을 측정(추정)하여 상태메시지(측위단말 식별자 및 절대좌표값)를 공간정보 제공 서버(실내측위용 시뮬레이터 기능 포함)에 전송하고, 공간정보 서버는 측위단말 위치에 실내외 2D 공간정보와 더불어 실내측위용 2D 공간정보, 영상정보, 랜드마크 정보, 경로정보, 격자정보 등 제공

6~7) 공간정보 서버는 계단 및 엘리베이터에 2D 실내정보, 랜드마크 및 영상정보 지원 및 기압계 정보를 활용하여 층간 이동감지를 지원함. 또한, 층별 경로, 영상 공간 정보 제공 그리고 신호기반측위 영역 도착 후 신호기반 측위로 전환 후 경로정보, 랜드마크 정보 제공

8) 목표지점 도착

실외에서 실내로 진입할 경우 음영지역을 인식하게 되며 실내측위용 시뮬레이터는 건물 외곽 정보를 음영지역 정보로 제공하게 된다. 실내에서 노드 및 링크의 경로 정보를 통해 이동할 경우 층별로 구축된 배경지도(층에 존재하는 정보로 건물 또는 구조물 내부에 해당하는 지도)와 관심지점 정보(특정 관심을 가지는 현실 세계 또는 지도나 도면상의 특정 위치)를 동시에 제공하게 된다. 이와 더불어 그리드템플릿(층에 존재하는 정보로 지도상에서 격자로 나누는 레이아웃 기법)과 셀 정보(셀은 지도상의 특정 위치를 표현하며 주소, 위도, 경도 등과 같은 위치 정보를 관리하는데 활용) 그리고 랜드마크(영상측위를 통해 사용자가 장소를 찾는데 도움을 줌) 정보 등 신호 및 영상기반 측위에서 요구되는 다양한 공간정보를 해당 기술별로 신속히 제공하여 연속복합측위를 지원 할 수 있다.

Fig. 10. Indoor Positioning Test Scenario Plan

3.4 실내측위 경로 시뮬레이션

실내측위 시뮬레이터는 웹 환경에서 사용자가 접속하여 임의의 실내측위 경로를 설정하고, 각 측위점에서 실내공간정보를 조회하거나 데이터를 다운로드 받을 수 있는 기능을 제공한다. Fig. 11과 같이 사용자가 지정하는 경로를 선택하고 경로보기를 실행하면 해당 실내측위 경로와 조회된 데이터가 표시되도록 개발하였다.

실내측위 시뮬레이션 결과와 측위경로는 Fig. 12와 같이 GeoJSON 파일, GML 파일, ESRI Shape 파일의 벡터(X, Y)로 저장할 수 있도록 하여 다양한 단말기에서 결과를 가시화할 수 있도록 하였다. 저장된 파일을 이용하여 다양한 단말기에서 저장경로를 설정하여 실내측위 경로를 가시화 할 수 있도록 하였다.

Fig. 12 버퍼 수치 의미의 경우 이동체(단말) 기준으로 반경을 의미한다.

복잡한 구조를 가지는 실내공간 측위를 위해서는 측위 경로 계획수립과 이에 따른 사전 측위 테스트가 매우 중요한 요소라 할 수 있다. 이를 위해서는 미리 측위경로를 설정하고 테스트를 해 볼 수 있는 환경이 필요하다. 이를 위하여 본 연구에서는 실내측위 경로를 지상·지하로 구별하고 이동 층까지 상세하게 설정해 볼 수 있는 기능을 간편한 UI를 통해 제공하는 시뮬레이터를 개발하고, 실내 측위에 필요한 이동경로 및 이동경로에 속해있는 다양한 공간데이터를 단말기에 제공하는 실내측위 데이터 제공 API를 포함하는 실내측위 공간정보 프레임워크를 구성하였다.

본 연구를 통해서 구축한 실내측위 공간정보 프레임워크는 오픈소스 기반으로 구축하여 실내측위와 관련된 새로운 시스템 구축 시 별도의 공간정보 데이터 제공 시스템을 구축할 필요가 없도록 개발하였다. 또한, 신호 및 영상측위 등 여러 측위기술에 필요한 공간정보를 구축하고 다양한 공간정보를 해당 기술별로 신속히 제공이 가능한 실내측위 데이터 API를 개발하여 복잡하고 대형화된 실내지역에서 연속복합측위를 지원할 수 있는 공간정보 지원 기반을 마련하였다.

Fig. 11. Simulation for Indoor Positioning

Fig. 12. Saving Simulation Results for Indoor Positioning