• We emphasize on the connection between smart cities and digital twins by focusing on the technology of three-dimensional visualization and real-time monitoring of underground information.

• Integrate R&D of geology, environment, and information is required to lead the acceleration of the digital economy in Korea and globally.

2020년 7월 정부는 코로나19 사태로 극심한 경기침체 극복 및 디지털·그린 경제로의 구조적 대전환을 위해 한국판 뉴딜 정책을 발표한 바 있다. 이때 정부는 디지털 기반이 취약한 중소제조업체/전통서비스업의 급격한 매출 하락에 대비하여 비대면 수요의 급속한 확대로, 온라인/플랫폼 기업의 매출 증가 등 코로나19로 인해 2년간 일어날 디지털 변화를 2개월 만에 경험한 것으로 제시하였다. 이후 1년이 지나, 2021년 7월 대한민국 정부는 한국판 뉴딜 정책을 더욱 강화한 한국형 뉴딜 2.0 정책을 발표하였다. 한국형 뉴딜 2.0 정책에서는 디지털 초혁신(Hyper Innovation) 프로젝트로 메타버스(metaverse), 지능형 로봇 등의 주요 투자사업을 새로 제시하고 있다. Ahn et al. (2020)은 한국판 뉴딜 정책인 디지털·그린 뉴딜 정책에 대응하여 디지털 트윈(Digital Twin)과 환경 모니터링 분야를 지질자원 유망기술로 제시한 바 있다. 본 연구에서는 Ahn et al. (2020)의 연구 이후, 정부의 메타버스 정책, 6세대 이동통신기술 등 정책 변화를 분석하고 스마트 시티, 3차원 공간 기술 등 지질자원 관련 디지털 트윈 기술개발 동향을 살펴본다. 이를 통하여 포스트 코로나 시대에 대비하여 국내외에서 디지털 경제의 가속화에 따른 지질·환경·정보 분야를 융합한 연구개발 방향을 제시하고자 한다.

Ahn et al. (2020)은 한국판 뉴딜 정책 분석을 통해 5세대 이동통신기술(5G)에 기반한 데이터 전송 속도의 증가로 사물인터넷(Internet of things, IoT), 센서, 로봇 등을 활용한 데이터 수집, 데이터 축적·가공·결합, 데이터 활용 및 혁신 서비스가 가능해졌음을 제시하고, 가상현실/증강현실(Virtual Reality/Augmented Reality, VR/AR)등 실감기술을 적용한 지질자원 교육/전시 디지털 콘텐츠 개발을 제안하였다. Ahn et al. (2020)은 Im and Seo(2018)을 인용하여 가상현실(VR) 기술은 실제 현실의 특정환경, 상황, 시나리오를 컴퓨터 환경에서 구축하여 사용자가 상호작용하게 하는 시스템 및 관련된 기술로 제시하였다. Ahn et al. (2020)은 증강현실(AR) 기술 또한 Im and Seo (2018)을 인용하여 생생한 가상의 물체, 텍스트, 비디오 등을 실제 환경에 컴퓨터 모델링을 통해 겹쳐보이게 하여 공간과 상황에 대한 정보를 제공하는 시스템과 관련 기술로 정의하였다. 그리고 혼합현실(Mixed Reality, MR)에 대해서 Milgram and Kishino (1994)를 인용하여 현실 세계와 디지털화된 가상 세계의 혼합으로 개념을 제시하였다.

2020년 한국판 뉴딜 정책 분석을 통해 Ahn et al. (2020)은 디지털 트윈 기술도 주목하여, 시뮬레이션·종합시스템, 클론/디지털 대상(counterpart), 가상-실제의 정보 연결관계 등으로 제시되는 현실 세계의 디지털 복제품인 디지털 트윈을 지질자원 분야에서도 확대해야 한다고 하였다. 지능정보기술의 진화에 따라 현실 세계의 센서와 액츄에이터(작동기)가 클라우드 혹은 인터넷에 연결되었으며, 5 세대 이동통신기술(5G)의 개발에 따라 거의 실시간으로 현실 세계와 디지털 복제품의 연속적 데이터 교환이 가능하게 되었다.

Ahn et al. (2020)에서는 Joppa (2017)의 AI for Earth, Bakker and Ritts (2018)의 Smart Earth, European Space Agency (ESA)의 2020년 Digital Twin Earth (DTE) 챌린지를 벤치마킹하여, 국내에서도 디지털 트윈 어스(Digital Twin Earth) 구축을 제시하였다. 사물인터넷 등과 결합하여 국내 육상/해저 단층, 백두산 등 위험지역 지하공간의 변동에 대한 모니터링을 실시하고 인공지능 등에 의한 예측 및 대응 정책을 실행하는 모습의 지질정보 기반 디지털 트윈을 구축할 수 있다. Interagency association (2020)의 2020년 한국판 뉴딜 정책을 세부적으로 살펴보면, 정부는 지하구조물에 대한 3차원 통합지도 작성 등 지하공간을 포함한 디지털 트윈을 제시하고 있으며 디지털 트윈은 자율주행차, 지능형 로봇, 드론 뿐 만 아니라 가상 증강현실, 빅데이터, 스마트 시티와도 연계한다(Fig. 1). 본 연구에서는 Ahn et al. (2020)의 연구 이후 지질정보 기반 디지털 트윈의 구체화를 위해, 2020년 한국판 뉴딜정책 이후 지질자원 분야와 관련한 디지털 트윈 기술개발 동향을 분석한다. 그에 앞서 새롭게 발표된 메타버스 정책 등 한국판 뉴딜 2.0 정책, 6세대 이동통신기술 정책, 스마트 시티 정책 등 관련 정책 변화를 분석한다.

Figure 1. Digital Twin Applications. Minor modifications to legend and size from Interagency association (2020).

Ahn et al. (2020)은 디지털 트윈의 요소기술로 ① 센서/로봇/클라우드를 포함한 사물인터넷·산업사물인터넷(Industrial Internet of Things, IIoT), ② 블록체인, ③ 인공지능·기계학습, ④ 증강현실·가상현실·혼합현실, ⑤ 빅데이터(양적 데이터), ⑥ 5세대 이동통신기술(5G)을 제시한 바 있다. 본 연구에서는 디지털 트윈 구현 단계에 따라 2020년 이후 디지털 트윈 기술개발 동향을 분석하고자 한다.

Chang and Jang (2021)에서는 기존의 디지털 트윈 연구를 분석하여 다음의 3 단계의 디지털 트윈 구현 정도를 제시하였다. 디지털 트윈의 첫 단계는 현실 객체의 기본적 속성을 반영한 디지털 객체로, 두 번째 단계는 실세계와 연결되어 모니터링 및 제어가 가능한 수준, 세 번째 단계는 인공지능 등을 적용해 고급 분석과 시뮬레이션, 제어 가능한 수준으로 보았다. Chang and Jang (2021)은 첫 번째 단계인 3차원 시각화 및 사전 시뮬레이션이 가능한 단계에서, 실시간 측정한 데이터를 받으며 속성 매칭 및 모니터링이 되면 두 번째 단계로 진입한 것으로 보았다. 그리고 현실 객체에 대한 예측·분석을 통해 시뮬레이션하고 실제 사물의 제어가 가능해야 마지막 세 번째 단계로 진입한 것으로 보았다. Chang and Jang (2021)에서 3차원 시각화 단계를 디지털 트윈의 첫 번째 단계로 본 것과 같이, 본 연구에서는 지질자원 분야에서 디지털 트윈을 구현하는 첫 번째 단계인 지질·지하정보의 3차원 시각화에 주목하여 최근의 기술개발 동향을 살펴본다. 그리고 Chang and Jang (2021)의 두 번째 단계의 요소 중의 하나로, 지하정보의 실시간 모니터링 기술에 주목하여 2021년 이후 기술개발 동향을 살펴보았다. 디지털 트윈이 구현된 마지막 세 번째 단계인 인공지능 분석 및 시뮬레이션에 기반한 현실 세계에 대한 의사결정 및 제어에 대해서는 인문·사회과학 연계 연구를 포함하여 폭넓은 기술개발 동향 분석이 필요한 연구로 본 연구에서는 제외한다.

3.1. 디지털 경제의 가속화

대한민국 정부는 4차 산업혁명(industry 4.0)으로 제시되는 지능정보사회 전환을 위한 정책으로 2014년 미래창조과학부 미래준비위원회 출범, 2017년 대통령 직속 위원회 4차산업혁명위원회 설치 및 4차 산업혁명 대응계획(I-KOREA 4.0) 등을 발표하였다. 그 이후 코로나19 사태의 발생 및 심화에 따라 정부는 2020년 디지털·그린 뉴딜의 한국형 뉴딜 정책을 발표하고, 2021년 휴먼 뉴딜과 지역균형 뉴딜을 추가한 한국형 뉴딜 2.0 정책을 발표하였다. 대통령 직속 4차산업혁명위원회는 2021년 2월 ‘국가 데이터 컨트롤타워’로 확대 개편되었다.

한국판 뉴딜 2.0 정책에서는 디지털 뉴딜 정책에서 전체 산업의 디지털 융복합 가속화에 대응하여 메타버스 등 초연결 신산업 육성이 추가된 것이 큰 변화이다. Interagency association (2021b)의 한국판 뉴딜 2.0에 따르면 메타버스(metaverse)는 현실·가상이 결합된 ‘초월(meta)세계(verse)’로 5세대 이동통신기술과 가상기술인 가상현실/증강현실(Virtual Reality/Augmented Reality, VR/AR)의 발전으로 나타난 여가와 경제활동을 하는 가상융합공간으로 정의하였다. 메타버스는 국내에서 네이버 제페토, SKT 이프렌드, 직방 메타폴리스, 국외에서는 로블록스, 게더타운 등으로 일컫고 있으며, 커뮤니티 기반 게임이나 아바타 기반 비대면 행사 도구 등으로 사용되고 있다.

Interagency association (2021a)에 따르면, 정부는 5세대 이동통신기술을 넘어서서 2031년까지 6세대 이동통신기술을 위한 초소형 통신위성 시범망 구축을 제시하고 있다(Fig. 2). Interagency association (2021a)에 따르면 현재 5세대 이동통신기술에서는 고도 120 m까지 100 Mbps 속도로 지상 기지국을 이용하여 통신이 가능하나, 6세대 이동통신기술 개발을 통해 고도 10 km까지 기가 bps급속도로 통신 서비스를 제공할 수 있다. 또한 정부는 2028년부터는 위성통신 이동 기지국을 활용하여 5세대 이동 통신기술 지상망 통신이 불가능한 재난 등의 상황에서 긴급통신 서비스를 실증할 계획이다. Interagency association(2021a)에 따르면 초소형 위성은 복수 관측 및 넓은 관측 면적의 장점으로 산간·섬·해양에서의 통신 음영 지역을 해소시키고 플라잉카 등 공중 이용 기술 실현을 뒷받침한다. Interagency association (2021a)에 따르면 호주 Fleet 사는 위성을 활용한 자원탐사 시장을 창출하고 있으며 미국 SpaceX사는 약 1만 2천기 초소형위성으로 전세계 인터넷 통신망을 구축하며, 미국 Planet Labs사는 약 150 기 초소형위성으로 지구 총 면적의 약 40%를 상시 관측하는 중이다. Planet Labs (2021)는 초소형 군집 위성을 통해 전세계 전체 육지 이미지를 매일 업데이트하여 변화를 모니터링하고 변화의 추세를 파악한다.

Figure 2. Generational evolution in telecommunication technology. Minor modifications to legend from Interagency association (2021a).

Jeong (2020a)은 미래이슈의 첫 번째로 디지털 세상을 제시하고 해당 분야에서 파급효과와 과학기술 대응가능성이 가장 높은 이슈로 ‘가상과 현실공간의 통합’을 선정하였다. 그리고 디지털 세상 다음으로 사회구조의 변화를 제시하고, 해당 분야에서 파급효과가 높은 이슈로 고령화와 저출산 다음으로 ‘초연결 스마트 시티의 가속’을 제시하였다. Jeong (2020b)은 사물인터넷으로 연결된 모든 기기 및 플랫폼에서 수집된 정보를 기반으로 우리의 모든 일상이 디지털 트윈으로 투영될 것으로 보았다. 그리고 Jeong (2020b)은 미래 도시에서 디지털 트윈이 실현되어 도시의 상황의 실시간 파악 및 즉각적 조치가 보편화될 것으로 보았다.

MSIT (2021)는 2023-2027년 적용 대상인 제 5차 과학기술기본계획에 대해 경제·사회 유관부처와 협의하여 디지털 전환 대응을 위한 국가와 사회 현안해결 중심의 성과목표 및 추진방향, 부처별 역할분담을 제시할 예정이다. 국가 차원의 성과목표에 대해서 MSIT (2021)는 ‘R&D 투자 1 억원 당 GDP 10 억원 증가효과 창출’, ‘국내 상장된 기술기업 시가총액 30% 증가’, ‘과학기술 적용을 통한 재난 1 건당 피해규모 30% 절감’ 등 정책의 질적 효과를 중시할 것을 제시하였다.

3.2. 메타버스 등 디지털 초혁신(Hyper Innovation) 프로젝트

Interagency association (2021b)의 한국판 뉴딜 2.0에서는 메타버스, 디지털 트윈, 클라우드 등 디지털 초혁신(Hyper Innovation) 프로젝트의 수행을 통해, 대한민국이 미래 초연결·초지능·초실감 시대를 선도하는 것을 목표로 제시하였다. 해당 프로젝트의 성과지표로 2019년 메타버스 전문기업 21개, 2020년 현재 공공 이용 클라우드 서비스 15개 및 사물인터넷 기업 수 2,500개에서 1) 메타버스 전문기업 2022년 56개, 2025년 150개, 2) 공공 이용 클라우드 서비스 2022년 150개, 2025년 400개, 3) 사물인터넷 기업 수 2022년 2,700개, 2025년 3,100개를 제시하였다.

한국판 뉴딜 2.0의 ‘일상을 바꾸는 뉴딜’ 정책의 일환으로 정부는 메타버스, 지능형로봇 등 디지털 융복합 서비스 산업을 육성하여 디지털 경제의 가속화를 목표로 한다. 한국판 뉴딜 2.0에서는 민간 기업이 새로운 메타버스 서비스 개발에 활용할 수 있도록, 5세대 이동통신기술, 디지털 휴먼, 오감기술, 3차원 영상, 가상자산, 인공지능 엔진에 기반한 개방형 메타버스 플랫폼 생태계 구축을 제시하였다. 한국판 뉴딜 2.0의 개방형 메타버스 플랫폼은 서비스 플랫폼, 서비스 소프트웨어 형태로 증강현실(AR) 내비게이션, 관광·여행, 쇼핑·전자상거래, 건축·부동산, 원격교육·회의, 방송·미디어 등의 메타버스 서비스·콘텐츠를 개발한다.

KICT (2021)에서는 한국건설기술연구원의 미래스마트 건설 연구분야의 하나로 메타버스 건설 확장현실(XR, eXtended Reality) 시뮬레이션을 제시하고 있으며 기존에도 한국건설기술연구원에서는 Roh (2019)과 같이 확장현실(XR)에 대한 연구를 시행한 바 있다. 확장현실(XR)은 가상현실(VR), 증강현실(AR), 혼합현실(MR)을 모두 포함하는 용어 혹은 인간-기계 상호작용을 포함한 개념으로 제시된다. Min (2021)에 따르면 한국인터넷진흥원/한국보건의료인국가시험원은 네이버가 운영하는 메타버스 플랫폼 제페토를 활용하여 면허증을 신청하고 발급하는 시스템 구축을 추진한다. Ryu (2021)에서는 디지털 트윈은 특정 장비·설비를 가상세계와 연동·동기화한 기술로, 메타버스는 장비·설비를 포함하여 작업자 등 조업 환경전체를 디지털화한 기술로 제시하였다. Woo (2021)은 디지털 트윈에서 메타버스로의 응용을 제시하며, 사용자의 관심·맥락·장소 중심의 3차원 증강기술, 현실-가상 양방향 상호작용과 협력, 참여형 문제해결 플랫폼으로 스마트 증강도시를 제시하였다.

메타버스의 정의에 따라 서울 가상투어를 포함한 3차원 가상회의 플랫폼인 서울관광재단의 버추얼 서울도 메타버스로 포함되고, 민간회사에서 개발한 가상부동산 플랫폼(Earth2 등) 및 Kim (2020a)의 디지털 지구(광의의 플랫폼 경제로 디지털 실험실을 포함)도 메타버스로 포함된다. 이러한 메타버스는 가상의 디지털 세계에 기반한 메타버스가 아니라, 현실의 도시 공간 혹은 실험실, 전 세계의 모습을 포함한 메타버스로도 제시되고 있다. 이러한 경우는 현실 세계의 디지털 복제를 통해 현실의 문제를 해결하는 최적화·제어 실현보다는 단순히 현실의 물리적 제약을 벗어난 풍부한 경험을 위한 것으로 볼 수 있다.

Lee (2019)에 의하면 디지털 트윈은 현실 세계에서 어떠한 변화가 일어났을 때 이것을 실시간에 가깝게 복제하고 변화까지 시뮬레이션하는 것을 포함한다. Chang and Jang (2021) 역시 디지털 트윈을 컴퓨터에 현실 속 사물의 쌍둥이를 만들고, 현실에서 발생할 수 있는 상황을 컴퓨터로 시뮬레이션하여 예측하는 기술로 정의하였다. 한국판 뉴딜 정책 2.0에서 메타버스 정책을 강조하고 있으며, 메타버스가 디지털 트윈을 포괄하고 있으나, 지질자원 분야의 디지털 트윈에 대해서 현실의 도시 및 국가, 전 세계에 걸친 문제의 해결을 위한 현실의 모사, 예측을 강조할 필요가 있다. 앞서 제시한 실시간 단층, 화산 등 위험지역 지하공간의 변동 정보를 담은 디지털 트윈어스(Digital Twin Earth)에 대한 연구개발을 디지털 트윈 기반 스마트 시티 정책의 관점으로 적극 추진이 필요하다. 또한 메타버스 정책에서 강조하는 것과 같이 디지털 복제품의 사용자·활용 관점으로 작업 환경 전체의 3차원 디지털화, 현실-가상 양방향 상호작용, 참여형 정보수집 및 문제해결, 협력 개념의 도입도 요구된다.

3.3. 디지털 트윈 기반 스마트 시티 정책

Jeong (2020b)에 따르면 전 세계 인구 증가와 도시화, 고령화와 시설노후화, 모바일과 사물인터넷, 인공지능 등 기술의 발달로 스마트 시티 수요는 증가할 예정이다. Jeong (2020b)은 유럽 선진국의 경우 노후 도시의 경쟁력 제고, 도시의 지속가능성(에너지·교통) 강화, 시민 참여의 확대를 위해 스마트 시티 수요가 증가할 것으로 보았다. 그리고 인도·중국 등 신흥국은 급속한 도시화로 인한 주택 부족, 환경오염, 에너지/교통 문제 등의 해결 및 국민 삶의 질 개선을 위해 스마트 시티를 추진하고 있다고 한다.

국토연구원의 Seo and Oh (2020)에 의하면 우리나라는 2017년 기존의 유비쿼터스 도시 관련 법률을 스마트 도시 관련으로 개정하였으나, 해당 법률에서 현실 세계를 가상화한 쌍둥이인 디지털 트윈 기반 스마트 시티 구축에 관한 내용은 다루지 않고 있다고 한다. Interagency association (2020)의 한국판 뉴딜 정책에서 인공지능, 디지털 트윈 등 신기술을 활용한 도시문제해결 및 삶의 질 제고를 위해 세종(5-1구역)과 부산(에코델타 스마트 시티)의 스마트 시티 국가시범도시 구축 지원을 제시하였다. Interagency association (2021b)의 한국판 뉴딜 2.0에서는 스마트 빌리지 보급 및 확산, 취약계층 라이프케어 플랫폼 구축 등을 지역균형 뉴딜 정책으로 추진하고, 사회간접자본(SOC) 디지털화에서 스마트 시티 통합플랫폼 기반의 데이터허브 확대 구축을 제시하였다. 스마트 빌리지는 농어촌 생활 전체 분야에 지능정보기술을 접목하여 지역의 현안을 해결하고 주민 생활의 편의를 개선하는 사업이다.

Jeong (2020b)는 스마트 시티 기술에 대해 자율운행자동차 등 미래 교통수단, 재생에너지 등의 스마트 시티 기술 외에도 사물인터넷을 이용한 상하수도 인프라 유지관리기술 등 적용가능한 기술이 다양하게 존재한다고 하였다. 2020년 한국판 뉴딜 정책에서도 스마트 시티 정책으로 제시하지는 않았지만 깨끗하고 안전한 물 관리 체계 구축에서 정보통신기술/인공지능 기반 스마트 상·하수도 관리체계 및 통합 물관리 시스템을 제시하였다. 그 세부내용은 기후변화에 따른 가뭄/홍수 재해관리, 깨끗한 수질/수생태계 조성, 균형적 용수 공급으로, 홍수피해 발생 가능성이 높은 100개 지류에 실시간 수위ㆍ강수량 측정센서를 활용하여 인공지능 홍수예보 시스템을 구축하는 목표를 제시하였다. 그리고 국가하천·저수지의 실시간 모니터링 등 취수원 실시간 수량·수질감시를 통해 원격제어가 가능한 수돗물 공급 전과정 스마트 관리체계 구축을 제시하였다.

Interagency association (2021b)과 같이 한국판 뉴딜 2.0 정책의 메타버스 등 초연결 신산업 육성에서도 정부의 3차원 공간정보/도시정보, 지방자치단체의 지역 공간정보, 기업의 산업용 자산·데이터에 대해서 중요성을 인식하고 해당 데이터의 개방에 기반한 플랫폼 생태계를 제시하였다. 그리고 사회간접자원(SOC) 트윈, 기상 트윈, 건물 트윈, 의료 트윈, 교통 트윈 등 스마트 도시의 안전을 위한 연합 디지털 트윈을 제시하기도 하였다(Fig. 3). Shin (2021)에서도 스마트 시티 정책에서 공공안전의 재해재난 예측 및 대응, 시설물 통합관리, 가스/폐열 연계 스마트그리드, 상수 수질 및 수량 관리, 대기오염 예측, 폐기물 관리, 친환경 수자원 이용 및 관리 분야가 지질자원 기술과 관련이 있음을 제시하고 시민 체감이 높은 웨어러블 기기, 사물인터넷 플랫폼, 스마트 미터링, 커넥티드 홈, 지능형 재난관리, 데이터 허브 등과 지질자원의 융합을 강조하였다. Shin (2021)은 지질자원 연구분야에서도 국내 도시의 신규 개발, 노후도심 및 기존 도시 등 성장단계별 차별화된 스마트 시티에 대한 전략적 접근을 위해 지방자치단체와의 협력 및 인문·사회과학 분야의 연구기관과 협력이 필요함을 제시하였다.

Figure 3. Digital Twin for the Safety of Smart Cities. Minor modifications to legend, highlighting and size from Interagency association (2021b).

4.1. 지질·지하정보 3차원 시각화 기술 동향

Han (2021)에 따르면 한국지질자원연구원에서는 지오빅데이터 오픈플랫폼을 통해 해당 연구원이 구축한 야외조사·탐사, 지질시료 및 분석자료 등 1천 9백건이 넘는 디지털 연구데이터를 개방하고 있다. 해당 플랫폼에서는 지질도와 해저지질도, 지구물리이상도 등 지질주제도에 대해 디지털 지도로 서비스하며, 3차원 기반 통합검색 및 3차원 시각화 수준으로 지질도/지질주제도 정보를 외부에 제공한다(Fig. 4). 한국지질자원연구원에서는 지질자원 데이터와 인공지능의 연계 및 2028년 국가데이터센터를 목표로 지오빅데이터 오픈플랫폼을 개발하고 있으며, 디지털 트윈에 대한 내용을 제시하지는 않고 있다.

Figure 4. KIGAM Geo-Big Data Open Platform. Minor modifications to size from Han (2021).

앞서 제시한 바와 같이 2020년 한국판 뉴딜 정책에서 정부는 지하공간의 지능형 관리시스템 구축을 위한 지하구조물에 대한 3차원 통합지도 마련을 제시했다. 정부는 상수관·하수관·가스·열수송·통신·전력의 지하시설물(6종), 공동구·지하철·지하보도·차도·상가·주차장의 지하구조물(6종), 시추·관정·지질의 지반(3종)에 대해서 3차원 시각화한 지도를 구축할 계획이다. LX (2021)에 의하면 국토교통부 산하 공기관인 한국국토정보공사는 스마트 국토정보 플랫폼(LX)을 목표로 3차원 기반 지하공간통합지도 구축을 통해 지하안전관리 업무지원 및 재난·안전사고 요인을 선제적으로 탐지·분석한다(Fig. 5). Jo (2020)에 따르면 한국국토정보공사는 지하시설물 정보 통합시스템과 3차원 지하공간통합지도의 활용성 제고를 위해 MPL 장비를 이용한 전자유도 탐사와 지표투과레이더(GPR)를 이용하는 지중 레이터 탐사로 지하시설물을 직접 측량하여 위치 정확도를 높인다. 국토교통부 산하 국토지리정보원 또한 국토위성센터, 우주측지관측센터를 보유하고 있는 정부 기관으로, NGII (2021)에서 3차원 공간정보/실내공간정보 구축 등의 실행과제와 디지털 트윈 구축을 도전적 과제로 제시하고 있다. Kim (2020b)에 의하면 국립공원공단은 재난안전관리시스템으로 급경사지/산사태 위험지역 등록·관리 시스템, 경사 센서 데이터 수집 및 낙석 모니터링·경보 시스템을 포함하여 구축하고있다. 2020년 한국판 뉴딜 정책 이후로 Kim (2020b)는 무선통신(VHF)과 위성을 활용한 통신 음영 지역 개선을 제시하고 있다.

Figure 5. Integrated map of underground space. Minor modifications to legend and size from LX (2021).

본 연구에서 한국판 뉴딜 정책에 따른 3차원 지질·지하공간 정보가 필요한 심도를 살펴보면 다음과 같다(Fig. 6). 우리나라에서 2021년부터 현재 시행되고 있는 도로법 시행령에서 전기통신관의 매설은 노면에서 0.8 m보다 깊게 시행해야 하며 가스관·전기관은 1 m, 수도관 1.2 m로 송유관 또한 원칙적으로 1.2 m ~ 1.5 m의 깊이를 제시하고 있다. Ministry of Environment (2019)의 하수도 설계 기준에서 하수도의 매설 깊이 또한 원칙적으로 최소 1 m의 흙 두께를 제시하고 있다. 따라서 전선, 상/하수관 등은 지하 1 m 수준의 자료로 구축될 것으로 보인다. Seoul Metropolitan Government (2021)의 2020년 기준 역사 심도 정보에서 지하철 중 얕은 심도는 6 m 수준이며 최대 심도 역사의 깊이는 55 m 수준이다. Busan Metropolitan City (2014)에서 부산 지하철의 경우 가장 깊은 심도로 66 m를 제시한 바 있다. 사람들이 일반적으로 이용하는 지하주차장, 지하철의 경우 향후에도 50 m 심도 내외의 자료가 쓰일 것으로 보인다. Park et al. (2018)과 같이 3차원 지하공간통합지도에서 구축하는 지하수 관정 정보는 한국수자원공사 및 한국농어촌공사에서 관리하는 국가/보조 지하수관측정, 농촌지하수관리관측정, 해수침투 조사관측정이 해당된다. 그리고 시추 정보는 한국건설기술연구원에서 관리하는 건설공사 지반조사결과인 국토지반정보 포털에 기반하며, 지질 정보는 한국지질자원연구원의 지질도를 이용한다고 한다. 실제로 지하수의 이용은 K-water (2021)의 정호심도(지표면에서 우물바닥까지의 깊이)에서 100 m를 초과한 지하수시설 비율이 서울 20%, 부산·울산·제주 40%에 달하며 KISTEP (2019)에서 방사성 폐기물의 처분에서 지하 깊은 곳은 100 m 이상 혹은 500 m 이상으로 제시하고 있어, 향후 지하수 및 지층처분 등의 활용을 위해 100 m 수준 및 더 깊은 심도의 3차원 자료가 요구될 것으로 보인다.

Figure 6. Image of underground utilization.

IMARC (2021)에 따르면 전 세계 3차원 지도 제작 및 모델링 시장은 2020년 약 48억 달러 수준으로 연평균 약 18%의 성장률로 2026년 126억 달러에 달할 것으로 예상하였다. Markets and Markets (2020)는 3차원 이미징 센서, 3차원 모델링/시각화/변환 소프트웨어에 대한 다양한 산업의 수요 증가에 따라 아시아 태평양 지역의 3차원 지도 시장 증가율이 가장 높고 북미에서는 정부, 중소기업에서 사실적인 가상화에 대한 수요 증가로 가장 큰 시장 규모를 유지할 것으로 보았다. 인터넷, 클라우드 및 사물인터넷의 사용 증가에 따라 유럽에서도 3차원 지도가 증가할 것으로 보았다. Markets and Markets (2020)에 의하면 인공지능 및 머신러닝 기술의 발전으로 3차원 공간 정보의 정확도가 높아지고 있으며, 3차원 지원 디스플레이 장치 및 스캐너, 3차원 이미징 센서 및 기타 정보 수집 장치의 기술 발전에 따라 3차원 지도 제작 및 모델링 시장이 성장하고 있다. IMARC (2021)는 3차원 지도 제작 기술에서 수평 방향에서 사진측량이 갖는 효율성과 수직 방향에서 레이저스캐닝이 갖는 정밀도를 주목하였다. Markets and Markets (2020)는 3차원 지도 제작의 세부 기술로 ① 측정 등 정보 수집, ② 수집 정보의 재구성(개체 인식/재구성, 투영, 변환), ③ 정보의 가상화·영상화·시뮬레이션, ④ 지하시설 관리 및 재해 대응 등 특정 목적 기술 등을 제시하였다.

4.2. 지질·지하정보의 실시간 모니터링 기술 동향

360iResearch(2021)에 의하면 세계 시장에서 도시화와 스마트 시티 기술 발전은 실시간 지하시설 지도 제작의 필요성을 높이고 있다. 실시간 모니터링에 기반한 지하정보 지도의 제작은 앞서 제시한 디지털 트윈의 구현 정도에서 두 번째 단계의 요소기술로 볼 수 있다. 대심도를 포함한 실시간 지질·지하정보의 모니터링에 따라, 향후 진행에 대한 시뮬레이션 및 현실 세계의 지질재해에 대한 대응, 지하수 관리 등 도시 문제에 대한 제어가 가능하다. 360iResearch (2021)에 의하면 실시간 지도 제작에 대한 수요 증가, 실시간 지하시설 지도에 대한 활용증가, 지하시설의 안전에 대한 우려의 증가에 따라 지하시설 지도 제작 시장이 전 세계적으로 성장하고 있다. 영국의 National Underground Asset Register (2020)와 Hunt(2021)에 따르면 영국에서는 도로 공사로 매년 43억 파운드의 비용을 지출하고 있으며, 매설 배관과 전선의 잘못된 위치 등의 지하 자산의 우발적 문제로 연간 12억 파운드의 피해를 보고하였다. 사회기반시설 건설사업에서 지상 조사와 굴착 작업에서 전선, 상수도, 하수도 등과 같은 지하시설에 대한 정보를 제공받는 것이 중요하기 때문에, 지하시설의 정확한 데이터를 보고하고 공유하는 중립적이고 상호운용가능한 플랫폼이 요구된다. 영국 National Underground Asset Register (2020)와 Hunt (2021)에 따르면 영국 지리공간위원회(Geospatial Commission)의 자금 지원으로 위와 같은 플랫폼을 구축하는 2개 시범사업이 Ordnance Survey(영국 북동부)와 Greater London Authority(런던)에서 2019년 발표·진행되고 있다.

UK Research and Innovation (UKRI) (2019)에 따르면 영국지질조사소의 OneGeology 4.0이 지구 시스템에 대한 디지털 트윈으로 개발되고 있다(Fig. 7). 위 자료에 따르면 캐나다, 호주, 네덜란드, 일본, 한국, 브라질 등의 지질자원 연구기관과 협력하는 OneGeology Strategic Steering Committee (OSSC)이 구축되어, 실제 환경에서 모니터링 되는 센서 네트워크와 분석/예측 모델, 시각화 등의 결합으로 실시간 4차원 지리공간 데이터 플랫폼을 개발한다. 캐나다와 호주의 지질조사소의 경우 지각 수준의 광물시스템, 네덜란드 지질자원 기관은 도시 지질 및 상호작용, 브라질/네덜란드/영국 협동으로 아마존 등 유역의 디지털 트윈 구축을 주관한다. 그리고 영국지질조사소는 고해상도 에너지 정보(센서 약 2,700개로 125개의 시추공의 자료 수집), 일본은 해안 위험, 한국지질자원연구원은 활화산을 주제로 백두산의 디지털 트윈 구축을 주관한다.BGS Press (2021)과 같이 영국의 국가 차원의 디지털 트윈 프로그램에 영국지질조사소도 기여하고 있으며, 영국지질조사소는 지속가능한 도시 성장을 위해서 육지-수자원 통합 디지털 트윈의 기반이 되는 웹 기반 가상 의사결정 및 디지털 도구를 구축하는 물관리 디지털 서비스 연구도 수행한다.

Figure 7. OneGeology 4.0 Digital twins for the next generation of geoscience prediction and understanding (UK Research and Innovation, 2019).

국토교통부에서는 Yun (2021)과 같이 전 국토를 3차원 공간정보로 디지털화하는 디지털 트윈 국토를 구축하여 도시·교통·건설·안전 등 다양한 분야의 국토·도시 문제를 해결하고, 다양하고 편리한 정부 서비스를 제공하고자 한다. 디지털 트윈 국토 구축을 수행하고 있는 하드웨어 관련 국내 업체로 MOLIT (2021)는 드론 솔루션, 라이다 및 초분광 원격탐사 기술, 3차원 모바일 지도 제작, 3차원 스캐너, 모니터링 자동화, 고정밀 공간정보 구축 솔루션 업체 등을 제시하고 있다. 디지털 복제물 국토 데이터 활용(소프트웨어) 업체로 MOLIT (2021)는 위성 영상, GIS 통합솔루션, 지능형 로봇, 확장현실(XR) 실시간 원격 협업 시스템, 지하시설물 탐지 불가 구간 해소 등의 업체를 제시하였다. MOLIT (2021)는 플랫폼서비스에 대해서는 사물인터넷, 센서, 스마트 시티 솔루션, 초기 진압 모바일 로봇 등의 업체를 제시하고, 공공서비스에 대해서는 서울시의 스마트서울플랫폼, 울주군/한국국토정보공사의 공간다듬이, 공간정보산업진흥원의 3차원 공간정보 오픈플랫폼(브이월드) 등을 제시하였다. 마지막으로 국외업체로는 구글 지도 플랫폼, 3차원 측정 솔루션, 스마트 시티 솔루션, 실시간 모니터링 시스템 등의 업체를 제시하였다.

한국지질자원연구원에서 2017~2019년에 수행한 3차원 모델링 기반 광물자원 예측연구는 Kim (2021b)에 의하면 현재 디지털 트윈 수준으로 제시하고 있다. 그리고 Kim (2021a)은 지하수의 지속가능한 이용을 위해 지하수 기초데이터에 기반하여 센서 등 사물인터넷, 인공지능, 모델링 기술을 접목하여 대수층을 디지털 환경에서 재현하는 대수층 디지털 트윈을 제시한 바 있다. Heo et al. (2021)에 의하면, 한반도 주변 관할해역의 탄성파 자료의 수평과 수직 분해능을 결합하여 고해상도 지질구조도를 신속하게 구축할 수 있어 향후 2차원과 3차원 데이터를 실시간으로 볼 수 있는 디지털 트윈 시각화가 가능하다고 한다. Kim et al. (2021) 또한 현재 개발한 폐기물 심부 지층 처분 부지 모델에 지중 센서로 실시간 데이터 수집, 거동 예측 모델 등을 연결하면 디지털 트윈이 가능하다고 보았다. 그리고 Kim et al. (2021)은 심부의 디지털 트윈을 실현하기 위해서는 실시간으로 현재 상태를 감지할 수 있는 지중 센서의 운용이 필수적이며 현재는 지중 센서의 개발·설치와 전원 공급, 통신 문제가 해결되지 않았다고 하였다.

코로나19 사태로 디지털 경제화가 급속히 진행됨에 따라 대한민국 정부는 2020년, 2021년 발표한 한국형 뉴딜정책으로 글로벌 경쟁에서 한국의 선도적 역할을 지속하고자 한다. 2021년 한국형 뉴딜 2.0 정책에서는 디지털초혁신(Hyper Innovation) 프로젝트로 메타버스, 지능형로봇 등의 주요 투자사업을 새로 제시하였다. 한국판 뉴딜 2.0 정책의 메타버스 등 초연결 신산업 육성에서도 정부의 3차원 공간정보/도시정보, 지방자치단체의 지역 공간정보, 기업의 산업용 자산·데이터에 대해서 중요성을 인식하고 해당 데이터의 개방에 기반한 플랫폼 생태계를 제시하였다. 그리고 사회간접자원 트윈, 기상 트윈, 건물트윈, 의료 트윈, 교통 트윈 등 스마트 도시 안전 연합 디지털 트윈을 제시하였다. 한국판 뉴딜 정책의 3차원 지하공간통합지도의 구축과 연계하여 향후 지질자원 분야의 더욱 정확하고 더 깊은 심도의 지질환경 정보 제공 및 산업계와 지방자치단체, 정부가 활용가능한 수준의 실시간에 가까운 분석 및 예측이 요구될 것이다. 지질자원관련 기관의 국토정보 구축 관련 기관과 협업으로 도시지질 및 지하수, 육상/해저 단층, 백두산 등 위험지역 지하공간의 변동 등의 연구에 대한 활용성을 증대시켜야 할 것이다.

메타버스 정책에서는 인간-기계의 상호작용이 핵심으로 인간친화적인 인공지능, 기술의 사회적 서비스가 강조되고 있다. 미래이슈 분석에서도 ‘가상과 현실공간의 통합’과 ‘초연결 스마트 시티의 가속’이 파급효과가 높으며, 2023-2027년 적용 대상인 제 5차 과학기술기본계획에 대해 정부는 국가 차원의 디지털전환 정책목표·방향의 설정 및 정책의 질적 효과를 중시하는 수립방향을 제시하였다. 정부에서는 초소형 위성을 활용한 6세대 이동통신기술 개발을 통해 산간·섬·해양에서의 통신 음영 지역을 해소시키고 고도 10 km까지 기가 bps급 속도로 통신 서비스를 제공하여 공중 이용 기술 실현을 뒷받침할 계획이다. 지질자원 분야에서도 지질도/심부지하특성 등 국토지질정보, 지하수 등 지질환경, Geo-AI/지오데이터플랫폼 등 지능정보 연구개발 분야를 모두 포괄하여, 참여형 가상현실, 6세대 이동통신 기술개발 등과 함께 지질 자원 관련 산업 및 국민에 대한 서비스로의 연구개발 목표를 설정해야 할 것이다. 이러한 연구개발은 포스트 코로나 시대의 디지털 경제의 가속화에 따라 국가 디지털 트윈 정책과 스마트 시티 정책을 이끌어 나가는 방향으로 추진이 필요하다.

이 논문은 한국지질자원연구원 기본사업 ‘지질자원 표본·기초학술연구와 선도형 R&D 정책/성과확산 연구(GP2020-020)’에 의해 지원되었습니다.