대용량 3D 공간정보를
안전하고 빠르게!

우리가 생활하는 실제 세계는 복잡 다단한 도시기반 시설을 바탕으로 돌아간다. 그리고 이러한 도시기반시설 즉, 인프라를 체계적으로 관리하고 효율적으로 운영하는 것은 다름 아닌 ‘정보화’ 덕분이다. 그런데 이러한 인프라는 지상에만 있는 것이 아닌 탓에 정보화의 대상과 범위는 점차 지하공간으로 확장되는 추세다.

실제로 2000년부터 2019년까지 연도별로, 공공 및 민간 시행 주체 별로 국내에서 실시된 공공측량 성과를 심사·분석하여 국내 지하시설물 구축 현황을 확인한 결과, 지하시설물 성과심사의 수는 매년 증가하는 것으로 나타났다. 현재 국토교통부는 굴착 현장의 안전 및 건설환경 증진을 위해, 각종 지하정보(지하시설물 6종, 지하구조물 6종, 지반 3종)가 통합된 지하공간정보로써 지하공간통합지도 구축을 진행 중이며 관련 규정을 정립하고 있다. 특히 2018년 9월부터 구축된 지하공간통합지도는 지하안전영향평가 전문기관에 출력물의 형태로, 행정기관 실무담당자에 국가행정망 기반의 지하정보 활용시스템의 서비스 형태로 제공되고 있다(그림 1).

그러나 공간정보 관련 IT 기술의 발전에도 아직까지 현장에서 3차원 지하공간통합지도를 입체지도로 사용할 수 있는 서비스가 마련되어 있지 않다. 다행히 이를 보완하기 위해 모바일용지하공간통합지도 구축 및 고속 보안 전송에 대한 기반기술 연구개발이 진행 중이지만, 갖추어야 할 것들도 많다. 현장에서 보안성 높은 대용량의 지하시설물 정보를 전송받아 활용하기 위해서는 먼저, 지하시설물 데이터가 경량화되어야 한다. 둘째, 모바일 시스템에서 간편하게 작동될 수 있는 모바일용 지하공간통합지도 데이터셋이 필요하다. 마지막으로 무선망에서 데이터를 빠르게 전송받아서 활용할 수 있는 전송체계가 준비되어야 현장 담당자가 지체 없이 지하공간통합지도를 활용할 수 있다.

일반적으로 웹 2D, 3D GIS 데이터를 성능에 무리 없이 서비스하려면 공간정보 데이터 분할 저장 체계인 타일링이 필수적으로 뒷받침돼야 한다. 국내 공간정보 기술에서는 타일링을 활용해 웹서비스를 하는 다양한 기술이 존재하지만 대용량의 3D 지하공간정보를 고속으로 전송할 수 있는, 특히 타일링 체계의 규약에 맞추어 테이터가 전송되는 프로토콜 기술은 존재하지 않았다. 대용량의 3D 지하공간정보 고속 전송에 필요한 전용 타일링 전송 프로토콜 MUTTP(Mobile Underground Tile Transfer Protocol) 개발에 나서게 된 이유다.

지하공간통합지도를 모바일 기기에 기반해 고속 전송하기 위해서는 모바일 데이터셋을 마련해야 한다. 이후 용도별 타일링 체계를 제시하고 그에 따른 서버와 클라이언트 구간의 데이터 전송 프로토콜 규약을 정의 및 설계하고 프로토콜 클래스를 개발하는 과정도 필수다.

이에 2020년에는 서울 서초구를 대상으로 지하공간통합지도 데이터를 수집하고 구조 및 포맷 분석을 실시한 결과, 지하공간통합지도 데이터의 포맷이 지하시설물, 지하구조물과 같은 분류별로, 3DS, COLLADA, SHP, Excel 등 상이한 포맷으로 구축되어 있다는 사실을 확인할 수 있었다. 그뿐만 아니라 각각의 좌표 체계가 통일되지 않은 탓에 데이터 교환 시에 지하시설물과 지하구조물을 동시에 활용하기가 어려운 실정이었다.

따라서 모바일용 지하공간통합지도의 3D 모델 포맷은 gTIF로, 좌표는 절대좌표로 구성하여 모바일용 지하공간통합지도 생성을 위한 포맷 변환 프로세스를 정립하여 기술 개발을 하고 DRACO 압축 기법을 적용하여 경량화율을 검증했다.

이어 2021년에는 모바일용으로 경량화된 지하공간통합지도의 데이터셋 구성 방안을 마련해 [표1]과 같이 구성했다. 모바일용 지하공간통합지도의 타일링은 OGC의 WMTS(Web Map Tile Service) 쿼드 트리 구조의 디렉터리에 ISAM(Indexed Sequential Access Method) 방식의 파일시스템으로 저장하는 방식을 택하였다. 또한 WMTS를 배치하는 좌표계는 현재 지하공간통합체계의 지하공간통합지도에 정의되어 있는 EPSG 5186으로 하였다.

프로토콜은 컴퓨터나 원거리 통신 장비 사이에서 주고받는 메시지의 종류, 형식, 교환 절차, 흐름 제어와 같이 미리 정의된 규약을 의미하며, 데이터 전송은 약속된 프로토콜 규약에 따라서 실행된다. 일반적으로 잘 알려진 통신 프로토콜로는 TCP/IP, HTTP(Hyper Text Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol)를 예로 들 수 있다. 그중 TCP/IP 프로토콜은 전 세계에서 가장 많은 데이터전송 및 수신이 이루어지는 프로토콜 세트이다. TCP(Transmission Control Protocol)와 IP(Internet Protocol)가 합쳐진 용어인 TCP/IP에서 가장 널리 사용되는 기능은 메일, 컴퓨터 간 파일 전송, 원격 통신이다. 앞서 언급한 FTP와 HTTP도 TCP/IP 기반의 응용 계층 프로토콜이다. 윈도, 유닉스와 같은 운영체제가 그래픽 UI(User Interface)를 갖추기 이전에 명령줄 프로그램으로 개발된 FTP는 현재 윈도우, 유닉스, 리눅스와 같은 운영체제에서 기본적으로 탑재되어 있다(Wikipedia, 2021). 또한 HTTP는 클라이언트와 서버 사이에서 요청/응답이 이루어지는 웹 프로토콜로, 웹브라우저 클라이언트를 활용하면 http:로 시작하는 인터넷 주소를 입력하여, HTML (Hypertext Markup Language) 문서를 조회할 수 있다(Wikipedia, 2021).

대용량의 지하공간통합지도를 빠르게 전송하기 위한 MUTTP 프로토콜은 TCP/IP 통신을 기반으로 서버와 클라이언트간 접속-전송 요청-전송 응답-접속 종료 순서로 진행된다. 접속 연결은 전송요청 클라이언트에서 서버에 접속을 시도함으로써 이루어지고, 클라이언트에서 요청을 전달하면 MUTTP 서버에서 응답을 전달한다. 응답이 전달되면 서버단과 클라이언트단은 접속을 종료하며, 접속 연결은 요청 및 응답 1회만 수행하고 종료한다. 통신 전문 구조는 [그림 2]와 같다. Header는 Identifier 값과 Total Length로 구성되며, Identifier 값은 보안을 위해 주기적 변경을 전제로 한다. Body는 Part Count, 각 n개의 Part에 대한 Part의 데이터 길이와 데이터로 구성한다.

MUTTP의 데이터 전송 요청은 타일 파일 목록 요청과 타일 데이터 요청 두 가지로 정의하며, 요청 시에는 Part 1개로 구성한다. 각 데이터통신에서 요청 Part는 Json 형식으로 한다. cmd 값은 타일 데이터 목록 요청일 경우에 req_tile_info를 표기하며, 타일 데이터 요청일 경우에는 req_tile_file로 표기한다. MUTTP의 데이터 전송 요청에 대한 응답 전문도 전송 요청과 마찬가지로 타일 파일 목록 요청과 타일 데이터 요청 두 가지로 정의한다. 응답 시에 최초 part로 분류되는 part1은 응답에 대한 유형과 결과를 나타내는 응답 메시지로 한다.

part1에서의 result_code는 성공일 경우 0, 타일 정보가 없을 경우 1, 타일 파일이 없을 경우 2, 전문이 잘못된 경우 3 그리고 그 외 오류일 경우 9로 한다. 비정상 통신으로 분류되어, result_code가 0이 아닌 경우, part 1만 전송하지 않는다.
층 값은 전송 요청된 내용을 따른다.

프로토콜 클래스는 [그림 3]과 같이 통신 데이터 구성을 위한 Header 클래스와 BodyData 클래스, FileMessage 클래스, 데이터전송 및 수신을 담당하는 MessageUtil 클래스, Part 데이터의 Byte 데이터 처리를 위한 ByteControls 클래스로 구성된다.

MUTTP 프로토콜 클래스 및 암복호화 모듈을 탑재하여 윈도 운영체계 기반 모바일용 지하공간통합지도 타일링 데이터전송 서버프로그램을 개발하였다. Fig. 6는 개발된 윈도우즈 환경의 서버프로그램 UI이다. 그림과 같이, Server IP 및 Port를 입력하고, 전송 서비스 대상 타일링 디렉터리 경로를 입력한 뒤, Server Start를 누르면 Server Start 버튼이 Server Stop으로 변경되며, 서버가 시작된다. 서버 실행 중에는 클라이언트에서 서버로 전송 요청이 접수된 경우, UI의 Connection Log 창에 기록하며, 요청 정보를 전송한다.

대용량의 지하공간통합지도를 고속으로 전송할 기술을 개발하기 위해서, 모바일 기기 기반으로 제작된 모바일용 지하공간통합지도를 타일링해 적용하고, 타일링 형식에 따라서 전송 규약을 정의하였다. 그리고 정의한 타일링 전송 규약에 맞추어, 조회 및 전송이 가능한 프로토콜을 개발하였다.

공간정보산업에서 타일링의 주된 목적은 2D, 3D 공간정보 또는 가시화 웹서비스의 성능을 확보하기 위하여 데이터를 분할 배치는 것이었다. 이번 연구를 통해 개발된 프로토콜이 타일링에 맞춰 요청과 입력이 이루어진 전송 프로토콜이라는 점에서 의의가 큰 이유다[그림 4]. 하지만 실제 현장에서 활용하려면 타일링 데이터 구조와 상황에 따른 타일 사이즈 최적화를 통해, 프로토콜의 성능을 검증하고 개선하는 연구가 진행되어야 할 것이다. 더불어 지하 데이터 모바일 기기 보안 활용 정책도 수립되어야 할 것이다.

이러한 과정을 거쳐 굴착현장 담당자가 모바일용 지하공간통합지도를 요청하고 활용한다면 지하시설물 사고 방지는 물론 다양한 건설현장의 지하정보 활용이 한층 원활해질 것으로 기대된다.