LiDAR 자료를 이용한 홍수 시뮬레이션에 관한 연구

심정민(Shim Jung Min),이석배(Lee Suk Bae) 대한공간정보학회 2006 대한공간정보학회지 Vol.14 No.4

본 연구는 LiDAR 측량 데이터를 이용하여 홍수피해 지역을 예측하고자 한 것으로, 이를 위해 고정밀 DEM 데이터를 이용하여 홍수범람도를 제작하였다. 울산시 태화강유역을 연구대상 지역으로 선정하여 LiDAR 데이터와 수치지도를 이용하여 각각 DEM을 작성하였고, 홍수량과 홍수위 결정에 있어서는 HEC 모델 프로그램과 MIKE 프로그램을 이용하여 홍수 시뮬레이션을 실시하였다. 축척 1/5000 수치지도를 이용하여 제작한 DEM과 LiDAR 데이터를 이용한 DEM을 이용하여 동일조건에서 홍수 시뮬레이션을 적용한 결과 상당한 차이가 발생함에 따라 홍수 시뮬레이션은 고정밀 DEM 데이터로 작성된 데이터를 적용하는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다. 홍수지도를 작성하기 위해서는 표고정밀도가 매우 중요한 요소이나, LiDAR 데이터를 이용하기 위하여 모든 지역의 하천지역에 대하여 LiDAR측량을 하는 것은 비경제적이므로 홍수 시뮬레이션이 필요한 중요한 시가화 지역에 대하여 우선적으로 LiDAR 데이터를 적용하여 제작하는 것이 필요하다. 홍수시뮬레이션의 기대효과로는 강우량에 따른 홍수피해지역을 사전에 예측하여 대책을 수립함으로써 재해예방 및 복구예산 절감 등의 효과가 있을 것으로 판단된다. The purpose of this paper is forcasting of flooding area using LiDAR surveying data, and flood map for damage prevention is established for this purpose. Teahwa river at Ulsan city was chosen as test area and the flood simulation was produced in this area. For the flood simulation, each DEM using LiDAR data and digital map was established and then HEC model program and MIKE program was used to decide the amount of flood flowing and flood height. To improve the rainfall-overflow simulation confidence using inspection comparison of LiDAR data this paper analyzed and compared the LiDAR DEM accuracy and 1/5000 digital map DEM. The height accuracy is important factor to make flood map, however, LiDAR survey execution of all river area is not economic so, LiDAR survey execution of only important area is possible to be make high accuracy and economic flood map. The expectation effect of flood simulation is flood damage prevention and economic savings of recovery cost by forcasting of rainfall-overflow area and establishment of counter-measure.

차량용 회전식 다채널 라이다의 정밀 시뮬레이터 개발과 검증

이규석(Lee, Gyu Seok),천장우(Cheon, Jang Wo),이임평(Lee, Im Pyeong) 대한공간정보학회 2021 대한공간정보학회지 Vol.29 No.4

자율주행 시스템의 안전성 검증과 주행 시험에 시뮬레이터를 적극 활용한다. 자율주행 시뮬레이터를 이용하여 검증하려면 차량 탑재 센서들에 대한 데이터 시뮬레이션이 정확해야 한다. 대표적인 차량 탑재 센서로써 라이다는 이미 현장에서 많이 활용되고 있지만 이에 대한 시뮬레이터는 아직 많은 한계가 있다. 다양한 특성의 중저가 라이다 센서들이 출시되면서 예전에 개발된 단순화된 범용 시뮬레이터가 제대로 지원하지 못하는 경우가 많다. 이에 본 연구는 범용 시뮬레이터가 아닌 실제 차량에 탑재된 특정한 라이다를 정밀하게 모사하는 시뮬레이터를 개발하고자 한다. 라이다의 동작 특성에 대한 센서 모델을 기하 모델과 복사 모델로 구성하고, 각각에 대해 실측 라이다 데이터에 포함되는 오차요소를 고려한 정밀한 모델을 제안하였다. 제안된 모델에 기반하여 유니티 엔진과 환경을 활용하여 효율적인 시뮬레이터를 구현하였다. 통제된 실험 공간에서 취득한 실측 데이터를 개발된 시뮬레이터로 생성한 데이터와 비교하여 시뮬레이터의 성능을 검증하였다. 실측 데이터와 비교한 결과 제안된 정밀 모델에 기반한 시뮬레이션 데이터는 기하와 복사 측면에서 유의미하게 향상된 유사도를 보였다. 본 연구의 실측 기반 검증을 통해 자율주행 시뮬레이터를 위한 신뢰성 있는 라이다 센서 모델을 개발할 수 있을 것으로 기대된다. The autonomous driving simulator is actively used for safety verification and driving tests of autonomous driving systems. To verify using an autonomous driving simulator, data simulation for vehicle sensors must be accurate. As a representative vehicle-mounted sensor, LIDAR is already widely used in the field, but the simulator for LIDAR sensors still has many limitations. As mid-to-low-priced LIDAR sensors with various characteristics are released, the simplified general-purpose simulator developed in the past often fails to properly support it. Therefore, in this study, we aim to develop a simulator that precisely simulates a specific lidar mounted on an actual vehicle, not a general-purpose simulator. The sensor model for the operation characteristics of LIDAR is composed of a geometric model and a radiometric model, and for each, a precise model is proposed considering the error factors included in the real LIDAR data. Based on the proposed model, an efficient simulator was implemented using the Unity engine. The performance of the simulator was verified by comparing the real data acquired in the controlled experimental site with the data generated by the developed simulator. As a result of comparison with the actual data, the simulation data based on the proposed precise model showed significantly improved similarity in terms of geometry and radiation. It is expected that a reliable LIDAR sensor model for an autonomous driving simulator can be developed through the actual measurement-based verification of this study.

Autonomous Driving Simulator Framework base on Low-cost 3D LIDAR

김선민,오은택,구본우 (사)한국컴퓨터게임학회 2022 한국컴퓨터게임학회논문지 Vol.35 No.1

Self-driving simulators have a higher cost-saving effect compared to reality in testing and verifying autonomous driving, but they require a lot of hardware devices due to high computer computation. In some cases, learning data necessary for autonomous driving may be obtained using a game. Games are used as low-cost simulators, but they are limited in simulating specific situations outside the game and obtaining necessary data. As another method, a simulation study of the virtual environment through a game engine is being conducted. However, in game engines, development costs are high because users have to model themselves. In particular, 3D LIDAR requires real-time acquisition of a precise distance of at least 10 Hz by shooting Ray at 360 degrees. Acquiring 3D LIDAR data in real time is a task that consumes a lot of graphics processing unit (GPU), so a low-cost 3D LIDAR simulator requires a low-cost 3D LIDAR simulation. In this paper, we propose a C++-based 3D LIDAR simulation framework using low computer operations. The proposed 3D LIDAR verified its performance in an unpaved map composed of many hills, and introduced a simple local path planning (LPP) generation method with 3D LIDAR generated in this paper by performance verification. We hope that the proposed 3D LIDAR framework will be actively used in autonomous driving fields that require low-cost real-time simulations.

무인 이동체를 위한 LiDAR 오차 모델링 및 가혹 환경 시뮬레이터 개발

김학주,김용훈,김영민,강산희,권영서,송진우 제어·로봇·시스템학회 2022 제어·로봇·시스템학회 논문지 Vol.28 No.9

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have received attention as aircrafts that can perform missions on behalf of humans in vulnerable environments, such as for military purposes. Therefore, research on navigation systems, one of the underlying technologies for realizing UAVs, is actively being conducted. However, in an access-vulnerable environment, a global navigation satellite system alone is insufficient for autonomous driving and for ensuring stability. Accordingly, auxiliary sensors have been used as a navigation solution in many studies; for precise navigation using LiDAR, stability and accuracy are verified in relation to the performance analysis of the algorithm and environmental factors. However, data collection is expensive and requires a considerable amount of time, leading to operational difficulties. This problem can be resolved using a LiDAR simulator, but previously proposed simulators have limitations in terms of their development effectiveness owing to the differences between actual data. Therefore, we reviewed literature on the error analysis of the LiDAR measurement value. We integrated the LiDAR error models analyzed in previous research and synthesized and implemented the error parameters of a specific LiDAR model, Ouster OS1-32, through a simulator. .

풀웨이브폼 라이다의 반사파형 시뮬레이션

김성준 ( Seong Joon Kim ),이임평 ( Im Pyeong Lee ) 대한원격탐사학회 2010 大韓遠隔探査學會誌 Vol.26 No.1

지형지물의 표면정보를 신속하게 취득할 수 있는 LIDAR 시스템은 대상에 대한 정교한 3차원 자동 모델링에 효율적이다. 본 연구의 목표는 대상물의 표면에 부딪혀 되돌아오는 레이저빔의 반사파형 (waveform)을 모의 생성하는 것이다. 이를 위해, LIDAR시스템을 구성하는 센서들과 객체의 기하모델링 및 복사 모델링을 수행하였다. 먼저, 다반사 특성의 원인이 되는 레이저빔의 확산(divergence) 효과를 고려하기 위해 레이저빔을 여러 개의 서브빔으로 분할한 후, 각 서브빔의 원점과 방향을 결정한다. 그리고 서브빔이 교차하는 객체의 표면을 탐색한 후, 교차점의 위치를 계산한다. 마지막으로 서브빔의 원점과 소요시간을 기반으로 반사파형을 생성하고 이를 조합하여 전체 레이저빔의 반사파형을 생성한다. 제안한 방법을 적용한 실험을 수행하였으며, 그 결과 빔이 교차하는 표면의 특성을 보여주는 반사파형이 합리적으로 생성됨을 확인할 수 있었다. The LIDAR data can be efficiently utilized for automatic reconstruction of 3D models of objects on the terrain and the terrain itself. In this paper, we attempted to generate simulated waveforms of FW (Full-Waveform) LIDAR (LIght Detection And Ranging). We performed the geometric modeling of the sensor and objects, and the radiometric modeling of the waveform intensity. First, we compute the origins and directions of the sub-beams by considering the divergence effects of a laser beam. We then searched for the locations at which the sub-beams intersected with the objects, such as ground, buildings and trees. Finally, we generate the individual waveforms of the reflected sub-beams and the waveform of the entire beam by summing the individual ones. With the experimental results, we confirmed the waveforms were reasonably generated, showing the characteristics of the surfaces the beam interacted with.

A Study on Virtual LiDAR Sensor Simulation Method for Autonomous Driving Simulator

Dong-Ju Lee,Ji-Ung Im,Jong-Hoon Won 한국ITS학회 2022 한국ITS학회 학술대회 Vol.2022 No.06

This paper presents an interim result of a study on virtual LiDAR sensor modeling for autonomous driving simulators. Based on a basic knowledge on the characteristics of pulsed light beams, which may be dependent on the color and material of the object to be reflected, a simple model of equation for the intensity is used for modeling the reflected power of beams of LiDAR. Experiments using a real LiDAR and a virtual one to distinguish colors reveals that the accessibility to colors of the objects is essential for modeling of LiDAR sensors in autonomous driving simulators.

고품질 지형공간정보를 이용한 홍수 시뮬레이션

이현직(Lee Hyun Jik),홍성환(Hong Sung Hwan) 대한공간정보학회 2010 대한공간정보학회지 Vol.18 No.3

홍수 시뮬레이션에서 중요한 요소는 강우량, 강우강도 등의 수리수문자료와 3차원 지형모델, 수리학적 홍수 계산모형으로 이 중 어느 한 정보의 정확도 및 신뢰성이 낮게 되면 홍수범람 예측 정보의 정확도 및 신뢰성의 확보가 어렵게 된다. 이에 본 연구는 기존 수치지도 및 현황도로 제작한 지형모델과 항공 LiDAR 데이터로 제작된 3차원 지형모델에 대하여 기존의 설계빈도별 홍수위에 따른 침수취약지역을 비교하여 3차원 지형모델의 정확도 차이로 인한 문제점을 분석하여 홍수 시뮬레이션에 대한 LiDAR데이터의 활용성을 제시하고자 하였다. The important factors in a flood simulation are hydrologic data (such as the rainfall and intensity), a three-dimensional terrain model, and the hydrologic inundation calculation matrix. Should any of these factors lack accuracy, flood prediction data becomes unreliable and imprecise. The three-dimensional terrain model is constructed based on existing digital maps, current map updates, and airborne LiDAR data. This research analyzes and offers ways to improve the model’s accuracy by comparing flood weakness areas selected according to the existing data on flood locations and design frequency.

도심지역 DSM을 이용한 고해상도 InSAR 위상 시뮬레이션

윤근원,김상완,이용웅,이동천,원중선 大韓遠隔探査學會 2011 大韓遠隔探査學會誌 Vol.27 No.2

현재 공간해상도 약 1 m 의 고해상도 X-band SAR 위성인 독일의 TerraSAR-X와 TanDEMX, 이탈리아의 COSMO-SkyMed가 성공적으로 발사되어 운용되고 있으며 분석 결과 우수한 성능을 보이고 있다. 국내에서도 최고 공간해상도 약 1 m 의 X-band SAR 위성인 KOMPSAT-5가 향후 발사될 예정이다. 이러한 고해상도 SAR 영상 활용이 가능해짐에 따라 SAR Interferometry(InSAR) 기술을 이용한 도심지역 모니터링이 더욱 관심을 받고 있다. 하지만, 기존의 InSAR 위상 시뮬레이션 알고리즘은 도심지역에 분포하는 빌딩과 같은 인공구조물 객체에 의해 나타나는 layover 현상과 빌딩 벽면에서 산란되는 신호를 충분히 고려하지 못한다. 본 연구에서는 기존 알고리즘의 한계점을 극복하기 위하여 LIDAR DSM을 이용한 정밀 InSAR 위상과 SAR 반사강도 영상 시뮬레이션 알고리즘을 개발하였다. 대전 지역에서 획득된 TerraSAR-X spotlight 영상과 비교 분석을 통해 개발된 알고리즘의 타당성 분석을 수행하였다. 시뮬레이션 결과로 생성된 InSAR 위상과 SAR 반사강도 영상은 실제 TerraSAR-X spotlight SAR 자료로부터 생성된 결과와 매우 유사하였다. 이러한 결과는 향후 고해상도 SAR 영상을 이용한 도심지역 변화 및 변위탐지 모니터링 연구에 활용될 것이다. Since the radar satellite missions such as TerraSAR-X and COSMO-SkyMed were launched in 2007, the spatial resolution of spaceborne SAR(Synthetic Aperture Radar) images reaches about 1 meter at spotlight mode. In 2011, the first Korean SAR satellite, KOMPSAT-5, will be launched, operating at X-band with the highest spatial resolution of 1 m as well. The improved spatial resolution of state-of-the-art SAR sensor suggests expanding InSAR(Interferometric SAR) analysis in urban monitoring. By the way, the shadow and layover phenomena are more prominent in urban areas due to building structure because of inherent side-looking geometry of SAR system. Up to date the most conventional algorithms do not consider the return signals at the frontage of building during InSAR phase and SAR intensity simulation. In this study the new algorithm introducing multiscattering in layover region is proposed for phase and intensity simulation, which is utilized a precise LIDAR DSM(Digital Surface Model) in urban areas. The InSAR phases simulated by the proposed method are compared with TerraSAR-X spotlight data. As a result, both InSAR phases are well matched, even in layover areas. This study will be applied to urban monitoring using high resolution SAR data, in terms of change detection and displacement monitoring at the scale of building unit.

Possible detection of atmospheric bioaerosol via LiDAR: a wavelength-based simulation study

신주선,노영민 한국대기환경학회 2024 Asian Journal of Atmospheric Environment (AJAE) Vol.18 No.1

This study explores potential of LiDAR technology to rapidly detect aerosolized biological terror agents in the atmosphere. It assesses the application by simulating extinction coefficients and the Ångström exponent at various wavelengths (266, 1064, 1571, and 2000 nm), focusing on differentiating bioaerosols from typical atmospheric particles. The simulation analysis evaluates changes in aerosol distributions and related extinction coefficient and Ångström exponent shifts under clean, normal, and bad atmospheric conditions. The findings indicate that the 1064 nm wavelength effectively detects bioaerosol presence, with a combination of 1064 nm and 1571 nm providing optimal Ångström exponent use for particle size differentiation. This dual-wavelength approach is highlighted as a practical method for bioaerosol detection, showcasing a significant sensitivity to variations in particle quantity and size, which are critical in biological threat scenarios. In conclusion, the study offers guidance for selecting LiDAR wavelengths for biological agent detection systems. While providing a theoretical framework for practical applications, it also underlines the need for further experimental work to confirm findings and fine-tune technology for real-world monitoring and threat management. This research contributes to the development of effective monitoring strategies against the backdrop of biological terror threats.

MORAI 시뮬레이터를 이용한 자율주행 농업용 로봇의 LiDAR 기반 장애물 인식 및 회피 알고리즘 기초 연구

황예빈 ( Ye Been Hwang ),전찬우 ( Chan-woo Jeon ),윤창호 ( Changho Yun ),김학진 ( Hak-jin Kim ),박승진 ( Seung-jin Park ),강경민 ( Kang Kyeong-min ),최동석 ( Choi Dong-seok ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

다양한 센서를 활용한 위험 상황의 인식은 안전한 무인 자율주행 농기계에 필수적인 요소이며 이에 따라 각 위험 상황에 대응하는 알고리즘 개발이 필요하다. 자율주행 농기계를 위한 알고리즘 개발은 실험과 평가를 위해서 시공간적 환경에 많은 제약을 받기 때문에 차량과 외부 환경을 모사한 시뮬레이터를 통한 알고리즘 개발 환경 구성을 통해 개발 효율을 높일 수 있다. 본 연구의 목적은 자율주행 농기계의 장애물 검출 및 회피 알고리즘 개발을 위한 기초 단계로서 시뮬레이터를 활용하는 방향을 제시하고 개발한 알고리즘을 실제 환경에서 적용하여 평가하는데 있다. MORAI Simulator는 가상으로 구현된 테스트 시나리오를 전달하는 혼합 현실(Mixed Reality) 테스트 방식인 VILS(Vehicle-in-the-Simulator)로서, 차량의 동역학적 모델 뿐만 아니라, 다양한 센서 시뮬레이션을 제공한다. 본 연구에서는 시뮬레이터의 가상 환경에서 구성된 자율주행 로봇플랫폼과 LiDAR센서 시뮬레이션을 통해 둑 형태로 배치된 장애물 검출 및 회피를 GPS 경로점 변경을 통해 구현하는 알고리즘을 개발하고자 하였다. 이를 위해, 실제 환경에서 가상 환경과 동일한 플랫폼과 환경 그리고 알고리즘을 적용하여 시뮬레이션에서 설계한 알고리즘의 성능을 평가하였다. 그 결과 시뮬레이션 환경은 실제 환경 모사가 가능한 것으로 나타났으며 가상 환경에서 개발한 알고리즘을 평가하는 데 유용하게 사용될 수 있음을 확인하였다.