대드론 체계 방어 시스템 구축을 위한 레이저 대공무기 설치 지점 탐색

발표 자료 및 최종 보고서

• 발표 자료: 발표 자료
• 최종 보고서: 최종 보고서

목차

1. 프로젝트 개요
2. 다층 방공 시스템 설계
3. 옥상 면적 탐지 모델 구축
4. 적합 건물 선정
5. 성과 및 전망
6. 출처

---

1. 프로젝트 개요

• 핵심 목표: 무인기 공격에 대비한 레이저 대공무기 천광의 최적 설치 지점 탐색

왜 레이저 무기인가?

1. 낙탄 위험이 없다.
2. 소음이 발생하지 않는다.
3. 정확한 타격이 가능하다.
4. 신속 대응이 가능하다.

천광(天光)

대한민국의 국방과학연구소와 한화에어로스페이스가 개발한 한국형 레이저 대공 무기체계, 공중 위협(무인기)을 실시간으로 탐지, 추적, 무력화할 수 있는 첨단 방어 시스템이다.

1. 타 레이저 대공무기와 비교했을 때, 높은 가격 경쟁력
2. 드론을 격추시키기에 적합한 출력
3. 국내 생산 --> 공급 용이, 국방력 강화 본 프로젝트에서는 현재 개발이 완료된 Block-I(설치형)를 기준으로 함

프로세스 설계

2. 다층 방공 시스템 설계

기존의 미사일 방공체계는 비교적 정교하게 구축되어 있으나, 드론을 활용한 위협에 대응하는 방공체계는 아직 미비한 수준이다. 이에 본 프로젝트에서는 효과적인 드론 방공을 위해 방어 체계를 3단계로 구분하여 설계하였다.

1단계: DMZ 지역 이동형 방공 시스템 배치

DMZ 지역에 이동형(Block-II) 방공 시스템을 배치하여 초기 침투를 차단하고, 북한 드론이 남하하기 전에 신속하게 탐지 및 요격할 수 있도록 한다. 이동형 시스템은 트럭 또는 장갑차에 탐재되어 유동적으로 운용 가능하며, 다양한 지형과 작전 상황에 대응할 수 있도록 설계된다.

2단계: 수도권 접경지역 방공 강화

수도권 접경지역 주요 건물에 설치형(Block-I) 방공 시스템을 구축하여, 1단계에서 완전히 차단하지 못한 드론 위협을 수도권 접근 전에 방어한다. 특히, 본 프로젝트에서는 수도 서울을 최우선 방어 대상으로 설정하고, 서울 인근 접경지역 고층 건물 옥상에 방공 시스템을 설치하여 감시 요격 능력을 극대화하고자 한다.

3단계: 주요 국가시설 방어

주요 국가시설 방어 체계를 구축하여 국가 안보를 최종적으로 보호한다. 국회, 정부청사, 군사 지휘소 등 핵심 인프라를 대상으로 천광 시스템 및 추가적인 방공망의 구축하여, 국가 중요시설이 드론 공격으로부터 안전하게 보호될 수 있도록 한다.

3. 옥상 면적 탐지 모델 구축

개요

• 목표: 항공사진에서 건물을 탐지하고, 해당 건물의 면적을 계산하는 모델
• 환경: Colab Pro

데이터 설명

• 학습 데이터
  • 수집 방법: 다운로드
  • 데이터 출처: AI-Hub 토지 피복지도 항공위성 이미지
  • 범위: 수도권 지역
  • 정보: 0.51m, 1024 * 1024 해상도
• 탐지 데이터
  • 수집 방법: API + Selenium
  • 데이터 출처: KakaoMap
  • 범위: 서울 외곽 3km
  • 정보: 0.51m, 1024 * 1024 해상도

전처리

1. 마스크 생성
   json 형태로 제공된 각 건물의 polygon 좌표를 활용하여 마스크 생성
2. 오버랩 타일링
   객체 누락을 최소화하기 위해 50% 중첩되도록 이미지 타일링
3. 초해상화
   타일링으로 낮아진 이미지 화질을 높이기 위해 Real-ESRGAN 모델 적용

후처리

1. open-close
   이미지의 형태학적 연산인 Opening, Closing을 순차적으로 사용하는 방법이다. Opening(열림) 연산은 침식(Erosion) 후 팽창(Dilation)하고, Closing(닫힘) 연산은 팽창(Dilation) 후 침식(Erosion) 하는 방식이다.
2. 노이즈 제거
   

모델 정보

• 사용 기법: SAM-2 Fine-Tuning
• 주요 라이브러리:
• 성능 평가 지표
  • Pixel Accuracy(PA): 전체 픽셀 중 올바르게 예측된 픽셀 비율
  • Mean Pixel Difference: 실제 객체 영역(Ground Truth)와 예측한 객체의 영역(Prediction)의 픽셀 수 차이
  • Mean Intersection over Union(mIoU): 모든 객체(건물)에 대한 IoU 값을 평균낸 값
  • Mean Success Rate: 실제 객체 영역(Ground Truth) 중 모델이 예측한 객체의 영역(Prediction)의 비율

최종 모델

• 모델 기록
• 최종 하이퍼파라미터
  • model: sam2_hiera_base_plus.pt
  • epoch: 2
  • batch_size: 4
  • learning_rate: 1e-4
  • loss: 0.05
  • post-processing: open-closed
  • weight_decay: 4e-5
• 최종 성능
  • mPA: 0.9502
  • mIoU: 0.7528
  • mPD: 11737.17
  • mSR: 78.6506

데이터 매핑

1. 주소 추출

2. 건물 정보 데이터 매핑

• 건물 면적 데이터
  • image_name: 그리드 번호
  • id: 객체 번호
  • lat/lon: 위도, 경도
  • pixels: 면적
  • road_address: 도로명주소
  • address: 지번주소
  • building_name: 건물 이름
• 건물 정보 데이터
  • 데이터 출처: 건축 허브
  • 시도/시군구/법정동/번/지: 주소
  • 주/기타 구조
  • 주/기타 용도
  • 주/기타 지붕
  • 높이
  • 허가일
  • 사용일
  • 사용승인일

4. 적합 건물 선정

델파이 기법

• 기간: 2/4 ~ 2/12(8일)
• 전문가 패널 구성: 건축 분야 전문가(2명), 방산 분야 전문가(2명), 국방 분야 전문가(1명)

요인 설정

• 건물 특성
  • 건물 높이 및 층수
  • 건물 용도
  • 옥상 면적
  • 건물 노후화 정도
  • 건물 구조
  • 내진 설계
• 주변 환경
  • 주요 시설과의 거리
  • 시야각 확보

상위 건물 도출

데이터 정규화

• 방법: Min-Max 정규화
  

변수	정규화 방법	원본 값(예)	단위
지상층수	값이 클수록 유리(그대로 적용)	11	층
옥상 면적	값이 클수록 유리(그대로 적용)	393	$$m^2$$
노후화일수	값이 작을수록 유리(역변환: X' = 1 - X')	21542	일
시야각	값이 작을수록 유리(역변환: X' = 1 - X')	5	개
주요시설과의 거리	값이 클수록 유리(그대로 적용)	1	개

적합 지점 필터링

가중치 산정

• 가중치 계산식
  $$W'j = \frac{W_j}{\Sigma^n{j=1}W_j}$$

요인	중요 순위	가중치
시야각	1	0.2222
내진설계	2	0.1944
주요 시설	3	0.1667
면적	4	0.1389
노후화	5	0.1111
용도	6	0.0833
구조	7	0.0556
층수	8	0.0278

설치 후보지 점수화

$$S_i = \Sigma^n_{j=1}(W_j \cdot X_{ij})$$

상위 설치 지점 도출

순위	주소	최종점수	참고사항
1	경기도 과천시 과천대로 12길 117 아이티센타워	1.1847	정부과천청사와 1.18km 거리
2	경기도 과천시 별양로 180-1 관문초등학교	1.1349	정부과천청사와 1.29km 거리
3	경기도 김포시 풍무1로 73	1.1282	인천과 서울을 연결하는 중요한 관문
4	경기 남양주시 다산중앙로82번안길 40 다산별빛초등학교	1.1035	수도권 동쪽 주요 침입 경로 방어, 팔당댐 인근
5	경기 하남시 감일백제로 45 감일초등학교	1.1021	수도권 동쪽 주요 침입 경로 방어, 팔당댐 인근

그리드별 최적 설치 지점 선정

5. 성과 및 전망

기대효과

시간 및 비용 절약

다차원 분야의 전문가 그룹의 지식이 시스템에 녹아들어 별도 검증없이 결과를 즉시 활용할 수 있도록 설계하였다.

최소한의 정보로 설치 지점 탐색

항공사진만으로 건물 옥상의 면적을 탐지함으로써 최소한의 정보로 설치 지점 탐색이 가능하다.

객관적/정량적 건물 적합성 평가 모델 도입

델파이 기법을 통해 가중치를 선정하고 점수화하는 평가 기법을 활용하여 객관적이고 정량적인 평가가 가능하다.

한계점

상대적으로 낮은 옥상 탐지 모델의 성능

선행연구와 비교하여 성능면에서 우위를 확보하지 못하였으나, 추가적인 모델 튜닝이나 처리 방법 도입을 통해 성능 향상의 가능성이 충분하다.

옥상 위 필수시설 고려 필요

응급구조 헬기 착륙 공간 등과 같은 옥상 위 필수시설을 고려한다면 시스템의 효과가 극대화될 것으로 예상된다.

직육면체가 아닌 건물 모양 고려 필요

항공사진이기 때문에 직육면체가 아닌 건물 모양이 고려되지 않았다. 다른 각도에서 찍은 항공사진을 추가하여 보완할 필요가 있다.

6. 출처

• Real-ESRGAN: xinntao/Real-ESRGAN
• SAM-2: facebookresearch SAM-2