산림분야 디지털 전환
산림분야 디지털 전환
  • 김오윤 기자
  • 승인 2021.05.04 09:00
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목재를 둘러싼 여러가지 모험 111 - 노윤석 우드케어 이사
노윤석 우드케어 이사  우드케어 블로그 운영자
노윤석 우드케어 이사 우드케어 블로그 운영자

최근에 발생한 유례없는 전 세계적인 감염병의 대유행과 진화하는 4차 산업혁명 시대의 도래로 인한 디지털 사회 중요성이 점점 가속화되고 있는 실정이지만, 우리의 산림 및 임업은 노동집약적인 구조적 문제와 저출산, 고령화의 3중고로 디지털 인프라 구축과 조화를 이룰 수 있는 창의적인 해결방안 필요하다. 이런 해결방안 중의 하나가 최근에 부각되고 있는 디지털 전환(Digital Transformation)이다.

디지털전환이란 디지털 기술을 비즈니스의 모든 측면에 통합하는 과정을 말하며, 이를 위해서는 기술, 문화, 운영, 가치 제공에서의 근본적인 변화가 필요로 한다.  디지털 전환의 기술적 요소에는 기술, 데이터, 사물인터넷, 자동화 및 인공지능 등이 있다. 이런 디지털전환의 구성요소들을 유기적으로 결합하여 모든 사업의 영역을 디지털화 하는 것이 디지털 전화의 목표이다.

이에 따라 우리나라 정부에서도 전 산업적으로 한국판 뉴딜을 추진하며, 그 실행방안으로 디지털뉴딜과 그린뉴딜으로 설정하였으며, 산림분야에서도 그에 맞추어 스마트한 디지털 산림을 구축하고자 하는 노력이 계속되고 있다. 산림분야의 디지털 전환을 위한 디지털뉴딜과 그린뉴딜의 사업부분에는 다양한 부분이 있을 수 있으며, 특히 인공위성, 초분광영상, 사진측량 및 라이다, 레이져 기술등을 활용한 원격탐사 기술, 자동 센서를 이용한 산림관측 및 임업 기계화와 빅테이터와 인공지능 기술의 활용 등 다양한 디지털 기술을 이용하여, 최종적으로는 산림분야 디지털 트윈을 구축하기 위한 기반을 만들어 나가야 할 것이다.

최신 LiDAR 기술 및 장비의 도입
LiDAR기술은 자율주행 자동차의 핵심기술 이면서, 건설 및 토목의 BIM, 환경 분야를 비롯한 다양한 산업분야 뿐만아니라 가정용 청소로봇이나 아이폰에 탑재되어 다양한 앱에서 사용되는 등 그 이용범위를 넓혀 가고 있다. 따라서 관리 하드웨어와 소프트웨어의 기술은 혁신적으로 개발되고 발전되어 가고 있는 중이다. 특히 기존의 활용범위에서 보안용, 산업안전용 및 가정용 등으로 활용되고 있는 사례가 늘어나면서 더욱 주목을 받고 있다.

산림분야에서 LiDAR는 점군데이터를 통한 산림조사를 통해 흉고직경 및 수고를 측정하는 것 이외에도 개별수목의 위치 및 수목정보를 자동으로 추출할 수 있도록 기술이 개발되어 있다. 하지만 우리나라의 경우 산지의 지형이 복잡하고, 험난하며, 하층식생이 많이 존재하여   LiDAR를 이용한 산림자원 조사에 어려움이 많은 것이 사실이다. 하지만 최신 LiDAR기술을 통해 장비가 소형화, 경량화되고, 또한 정밀도가 높아지게 되어 보다 정확한 점군데이터가 취득되어 지며, 또한 이를 분석할 수 있는 소프트웨어들도 동시에 개발되어 짐에 따라 더욱 신뢰도가 높이지게 될 것이다.

LiDAR의 종류

최근 산림분야에서는 다양한 플랫폼을 이용한 LiDAR의 활용이 시도되고 있으며, 주로 드론라이다와 지상라이다가 그 주를 이루고 있다. 특히 산림지역의 정밀한 자료 구축을 위해서는 지상라이다 장비의 운용이 꼭 필요하다. 하지만 지상라이다의 경우 작업자가 직접 들고 운용을 하여야 하므로 소형화 경량화가 필요하다. 하지만 데이터의 정확성을 위해 높은 점군밀도가 필요하다. 이에 따라 최근에는 이동성과 성능을 동시에 충족시키는 다양한 형태의 handheld device들이 개발되고 있어 산림분야에 다양한 활용이 가능할 것으로 보인다.

GeoSLAM의 ZEB Revo RT / Leica사의 BLK2GO / SPAR3D
다양한 형태의 Handheld용 LiDAR Scanner

또한 최근에 발달된 로봇기술과 LiDAR를 결합하여, 로봇을 이용한 LiDAR조사도 가능하게 되었다. 앞으로는 이런 결합을 통해 단순히 산림조사 뿐만 아니라 로봇에 산림작업용 임업기계 및 각종 센서들을 부착하여 산불, 산사태 등의 산림재해예방 및 풀베기, 덩굴제거와 같은 산림작업도 가능하며, 임도 및 작업로 개설에도 많은 역할을 할 수 있을 것으로 보인다.

사족보행형 LiDAR 측정로봇 (FARO社) / LiDAR를 장착한 자율주행 로봇
LiDAR와 로봇의 결합

산림 환경 센서의 활용
센서란 열, 빛, 온도, 압력 및 소리 나 화학물질 등의 물리적이거나 화학적인 양이나 그 변화를 감지하거나 구분 계측하여 일정한 신호로 알려주는 부품이나 기계로, 단독으로 사용되거나, 기계에 부속되어 사용되게 된다. 이러한 센서기술은 자원이용의 좀더 효율화하고, 위험을 미리 인지할 수있으며, 때로는 위험한 작업에 대해 미리 경고를 할 수 있는 등 다양한 용도가 있으며, 현대 IoT, ICT 기술의 가장 기본이 되는 기술이기도 하다.

일반적으로 센서에는 온도센서, 습도센서, 초음파 센서, 가속도 센서, 이미지 센서, 가스센서 등이 있으며, 용도에 따라서는 일반 가정용부터, 공업용, 의료용을 비롯하여 국방, 방제, 자원, 에너지 산업 부분에 다방면으로 사용되고 있으며, 최근에는 대기나 수질 그리고 소음공해와 같은 환경분야에도 많이 사용되고 있다. 특히 산림부분에서는 산불 감시 및 산악기상 데이터와 같은 산림재해, 환경 및 생태 분야에서 적극 활용이 가능하다. 특히 이런 센서기술과 IoT 및 차세대 통신기술과 접목하여 실시간으로 산림의 상황을 전달받고 이를 전용플랫폼을 통해 수집 가공하여 사용자에게 바로 전달할 수 있는 시스템도 구축되어 그 적용가능성은 더욱 확대되어 나가고 있다.

센서(Sensor)의 종류
수목의 생장을 자동 측정해주는 센서 (브라질 Treevia 사)
덴드로미터 산림생장 모니터링 / 산림기상센서 산림내 미세기후 측정
산림용 센서 사례

산림분야 사진측량(Photogrammatry)의 적용
지형 및 사물에 대한 정보를 취득하기 위한 기술은 최근에 연관 기술의 발전에 따라 다양한 형태로 발전해 나가고 있다. 예전에는 사진측량과 지리정보시스템(GPS)를 이용하여 수치표고모델 (digital elevation models(DEMs))를 구축하는 것이 주요 연구 방향이었다면, 최근에 와서는 항공이나 지상 레이져 스캔(airborne and terrestrial laser scanner)을 이용하여 정밀하고 해상도가 높은 품질 좋은 데이터를 얻을 수 있는 방향으로 바뀌어 가고 있다. 하지만 이런 최신의 기술들은 매우 고가의 장비가 필요하고 또한 그 장비를 사용하는 데에도 많은 경험과 기술이 필요하였다. 따라서 산림분야와 같이 넓은 지역을 적은 비용으로 조사할 필요가 있을 경우 적용이 매우 힘든 것이 사실이었다. 반면 사진측량(Photogrammatry)의 한 분야인 Structure from Motion Sf(SfM) 기법은 저비용으로 3차원 데이터를 수집할 수 있고, 사용자의 숙련도나 경험에 그리 많이 의존하지도 않는다. 장비의 경우도 저렴한 디지털 카메라를 이용할 수 있으며, 최근에는 누구나 가지고 있는 스마트폰의 사진기능을 이용하여서도 적용이 가능하여 더욱 접근성이 높아지게 되었다.

전통적인 사진측량과 비슷하게, SfM기법은 사진을 다양한 각도에서 많은 부분이 중첩될 수 있도록 찍는 기술이다. 하지만 SfM기법은 카메라 내부의 지리정보와 위치정보 및 자동 등록 기능을 이용하여, 지상표준점(Ground Control Point, GCP)없이 측량이 가능하다. SfM기법의 핵심은 측량을 위한 쵤영 시 중첩이 많이 하여 물체나 경관의 3차원적 데이터를 취득하는 것이다.

위키백과의 정의에 따르면 Structure from Motion은 이동 신호(local motion signals)를 가진 2차원 이미지를 이용하여 3차원적인 구조를 예측하는 사진 이미지 측량기술(photogrammetric range imaging technique)을 말한다. 주로 컴퓨터 비젼(Computer Vision)이나 시지각(Visual Perception) 분야에서 연구되고 있다.

여기서 컴퓨터 비전(Computer Vision)이란 컴퓨터를 이용하여 정지된 영상 또는 동영상으로 부터 의미 있는 정보를 추출하는 방법을 말한다. 사람의 눈으로 사물을 보는 것 처럼 컴퓨터가 사물을 보고 사람과 같은 기능을 수행할 수 있도록 눈의 역할은 카메라가 대신하고, 뇌가 하는 작업을 알고리즘을 통해 컴퓨터가 유사하게 수행할 수 있도록 만드는 작업을 말한다. 또한 시지각이란 우리의 눈을 통해 주어진 자극이나 정보를 수집하고 조절하여 판단, 해석하여서 적절한 수행을 이끌어 내도록 돕는 것을 말한다. 

사진측량기술을 이용한 산림 3차원 점군데이터 (핀란드 MosaicMill사)

산림분야 가상현실/증강현실 (AR/VR) 구축
최근에 전 산업분야에서 각광을 받고 있는 가상현실 및 증강현실(AR/VR) 역시 산림분야에 적용이 가능하다. 우선 이 두 기술의 의미를 살펴보자면, 가상현실(Virtual Reality, VR)은 가상을 뜻하는 Virtual과 현실을 뜻하는 Reality의 합성어이다. 가상현실의 기본 개념은 '실제와 유사하지만 실제가 아닌 인공 환경'을 의미한다. 또한 증강현실(Augmented Reality)란 사용자가 지각하는 것에 컴퓨터가 만든 정보를 추가하는 것. ‘확장현실’(擴張現實)이라고도 한다.  가상현실은 컴퓨터 안에 또다른 현실을 구축하는 것이지만, 증강현실은 현실 세계를 보완하는 것이다. 쉽게 말해 가상현실이 내가 조작되고 창작된 공간으로 들어가는 것이라면, 증강현실은 사용자가 눈으로 보는 현실세계에 가상 물체를 겹쳐 보여주는 기술인 차이점이 있다.

산림분야의 가상현실/증강현실 기술은 위에서 언급한 Photogrammatry 사진 측량 기술과 더불어 지상 및 항공기반의 LiDAR에서 원격으로 수집한 점군데이터(Point Clouds) 데이터를 사용하여, 3차원적으로 보다 현실적인 가상공간을 만들어 내어 숲 뿐만 아니라 개별 나무들은 시각적으로 특성화하고 측정할 수 있게 한다.

이를 통해 지형파악, 특정 위험 및 토지 특성의 파악, 임도 및 작업로의 배치, 수확으로 인한 환경영향의 평가, 작업자들의 건강과 안전, 작업자와 작업기계의 배치 등의 결정을 내리는데 좋은 도구로 사용할 수 있다.

개체목의 가상현실을 보여주는 영화의 한 장면 (영화 아바타)

이 기술은 현재 어느정도 실행되어 있으며, 그 사례로는 캐나다의 UBC(The University of British Columbia) 임업학부, 소프트웨어 기업인 LamaZoo, 캐나다의 임산기업인 Interfor 및 캐나다의 임업관련 연구기관인 FP Innovations와 협력하여 개발하고 현재 운영되고 있는 산림경영계획 및 산림에 대한 의사결정을 높기 위한 몰입형의 시각적 분석 플랫폼인 Timber Ops가 있다. Timber Ops시스템은 방대한 가상 환경에서 다양한 산림 데이터 세트를 통합할 수 있으며 최첨담 가상 및 증강현실을 위한 머리에 착용하는 액정표시장치 (Head-Mounted Displays(HMDs)를 이용하여 가상세계를 시각적으로 느낄수 있게 해준다. 실제로 임산기업인 Interfor사가 소유하고 있는 캐나다 브리티시 컬럼비아주의 밴쿠버섬의 약 500㏊의 산림에 대해 회사가 가지고 있는 데이터를 비롯하여, 지리정보시스템을 이용한 각종 지리정보 및 기타 산림관련 소프트웨어와의 연계를 통해 통합된 시각화된 산림관리 플랫폼을 구축하여 시스템에 실현하였으며, 이를 바탕으로 Timber Ops의 적용범위를 더욱 확장해 가도록 노력하고 있다. Timber Ops의 경우 이런 상업적인 이용뿐만 아니라, 산림 교육적인 측면에서도 학생과 교수들이 직접 산림에 들어가지 않고 이 시스템상에서 실습해보고 다양한 시뮬레이션을 통한 실습 교육이 가능하여 산림작업 교육의 효율성 및 안전성을 획기적으로 증대시킬 수 있다.  

Timber Ops의 실행장면

원격탐사기술(Remote Sensing)의 융합
원격탐사(Remote Sensing)는 조사하고자 하는 대상에 직접 접촉하지 않고 그대상을 조사하는 방식으로 물체 또는 현상에 대한 정보를 획득하는 것이므로 현장조사와 대비되는 용어이다. 원격탐사는 특히 지구에 대한 정보를 수집하는 데 많이 적용되며, 지리학, 토지 측량 및 대부분의 지구 과학 분야(예 : 수문학, 생태학, 기상학, 해양학, 빙하학, 지질학)를 포함한 다양한 분야에서 사용되고 있다. 또한 원격탐사는 센서가 정보를 감지하는 방식에 따라 능동(Active) 원격탐사와 수동(Passive) 원격탐사로 나눌 수 있다. 능동원격탐사의 경우는 위성이나 항공기 등의 플랫폼에서 물체에 신호를 발사한 후, 물체에 의해 반사되는 것을 센서가 감지하여 작동하는 것을 말하며, 수동 원격탐사의 경우는 센서에서 물체에 의해 반사되는 햇빛을 감지하는 경우를 말한다. 원격탐사를 통해 취득되는 데이터의 품질은 해상도를 기준으로 하는데, 여기에는 공간해상도, 분광해상도, 방사해상도 및 시간해상도 등이 있다.

현재 사용되는 원격탐사 기술은 수동 원격탐사로는 인공위성, 초분광영상, 사진측량, 정사영사(정사사진) 등이 있으며, 능동 원격탐사로는 레이다와 LiDAR가 있다. 다만 인공위성에는 다양한 종류의 센서가 부착되어 있어 능동과 수동이 동시에 존재할 수도 있다.

원격탐사기술의 종류 및 특성

위와 같이 다양한 원격탐사 기술이 존재하며, 각각의 기술들은 고유의 특징을 가지고 있어 그 적용방법 및 범위가 어느 정도 다르다. 아래의 표는 각각의 원격탐사 기술이 여러 산림자원 분야에 적용가능성을 정리해 놓은 것이다. 표에서도 알 수 있듯이 어느 특정한 원격탐사 기술 만으로 전체적인 산림에 대한 정보를 취득하는 것 보다. 다양한 원격탐사 기술을 활용하여 보다 정확하고, 신뢰성이 있는 데이터를 구축할 수 있다. 따라서 여러 가지 원격탐사 기술들을 유기적으로 연결하여 융합한다면 보다 신뢰도 높고 신속한 데이터의 획득이 가능할 것이다.

원격탐사기술의 산림 분야별 적용가능성

산림분야 인공지능 및 빅데이터의 활용
우리나라의 경우 국가산림자원에 대한 정보를 디지털화기 위한 작업은 다양하게 진행되고 있다. 산림분야에서는 제3차 국가GIS기본계획(2006~2010)이 수립됨에 따라, 이와 연동하여 산림분야의 GIS 구축사업을 효과적으로추진하기 위하여 중장기 GIS계획을 수립하였으며, 산림분야 데이터의 중복구축을 방지하고 일관성과 지속성을유지하며, 시스템 또는 데이터의 공동 활용을 촉진하기 위한 종합적인 계획수립 및 추진하였다. 이 결과 임상도, 산림입지토양도, 산지구분도, 임도망도, 백두대간보호지역도, 맞춤형조림지도, 산림항공사진 등이 구축되고 지속적으로 유지관리 있다. 또한 2020년 부터는 산림빅데이터거래소를 개설하여 산림, 임업, 임산업 관련 각종 빅데이터를 제공하고 있다. 산림빅데이터 플랫폼은 임상도, 산림탄소흡수량과 같은 산림자원에 대한 데이터 뿐만 아리나 등산이라 휴양트래킹과 같은 산림휴양 산악기상, 생물종, 산림치유 등 산림관련공 공·민간 데이터를 수집, 융합·분석, 가공하여 연계 서비스 제공 등에 활용된다. 특히 산림빅데이터거래소에서 제공하는 데이터는 거의 무료로 다운로드 받을 수 있어, 학술연구 및 사업적인 목적으로 다양하게 이용할 수 있는 장점이 있다.

산림빅데이터 거래소 홈페이지 (www.bigdata-forest.kr)
산림빅데이터 거래소 홈페이지

산림분야 자동작업기계 및 웨어러블 기계의 활용
현재 산림분야의 가장 큰 문제 중 하나는 인구감소로 인한 산림작업자의 부족과 기존 작업자의 고령화로 인한 작업 효율성의 저하이다.  이를 해결하기 위해서는 임업분야에서도 자동작업기계와 웨어러블 기계 등 첨단화된 임업 기계화가 꼭 필요하다. 

산업 분야에 따라 정도는 다르지만 모든 산업분야에서 기계화, 자동화는 거스를 수 없는 대세가 되었다. 임업도 여기에 포함된다. 가장 간단하고 많이 쓰이는 전기톱(Chain Saw)에서부터, 우드그랩, 산림용 트랙터 및 트럭와 같은 전통적인 임업기계에서부터 벌채부터 조재, 집재까지 전 자동이로 이루어지는 전자동 수확기계 (Autonomous Harvester)까지 임업의 기계화도 어느 정도까지 이루어져 있다. 하지만 우리나라의 경우 임업기계화 분야에서 다른 나라와 다른 몇 가지 특성이 있다. 가장 영향이 큰 것이 지형과 경영규모의 문제이다. 우리나라의 산악지형은 매우 험하여 평지산림을 기반으로 만든 임업기계들이 적용되기 힘들다. 또한 사유림의 대부분이 2㏊미만으로 경영되고 있으며, 전문적인 임업경영체 또한 부족한 현실이다. 이로 인해 우리나라의 임업기계화는 그 발전 속도가 매우 더딘 편이었다.

산업이 기계화가 이루어지는 이유는 여러가지가 있다. 일단 사람이 하기 힘든 일이나, 단순 반복작업과 같은 노동에 관한 이유도 있을 것이고, 대량생산이나 표준화 그리고 원가절감과 같은 경제적인 이유도 있을 수 있다. 하지만 산림과 임업은 경우 기계화 자동화 없이는 그 미래가 매우 어둡다고 볼 수 밖에 없을 것이다. 이에 따라 최근에 새롭게 개발이 되고 있는 여러 과학기술 및 인공지능 등이 적용된 새로운 임업기계들이 속속 등장하고 있다. 여기에는 조림작업을 기계화해주는 조림기계에서부터, 풀베기, 가지치기, 덩굴제거 등의 숲가꾸기 작업에 쓰이는 기계를 포함하여 벌채, 수확 등의 기계도 포함된다. 특히 최근의 수확기계는 임지나 기존 생태계에 최소한의 영향을 미치도록 하는 기술(아례 예 : 나무들을 의지하여 나무를 벌목하는 기계 등)들도 속속 계발되고 있다. 그 밖에도 산림토목이나 임도, 방제시설등을 기획, 설계, 시공하는 기계와 소프트웨어들고 개발되고 있다.

Tree-to-Tree 벌목기계 / BARBRO-전자동 목재수확기계 / Tree-planting Robot
혁신적인 임업기계의 사례

최근엔 로봇산업의 최신 경향으로 웨어러블 로봇(Wearable Robot)과 스마트 헬멧(Smart helmet)기술이 각광을 받고 있는데, 웨어러블 로봇이란 인간의 신체로부터 의도신호를 측정하여 구동부를 제어하며, 이로써 착용자의 신체능력을 향상시키고자 하는 장치를 의미한다. 또한 스마트 헬멧이란 헬멧 최적화 설계 및 디자인 기술에 IoT센서 및 측정기술을 접목한 고기능 다목적 첨단장비를 의미한다. 산림은 지형이 험하고 또한 현재 대부분의 산림작업자들이 노령화 되어 있어 효율적이고 집약적인 산림작업이 매우 힘든 상황에서 이러한 웨어러블 로봇과 스마트 헬멧 기술은 작업자의 육체적 부담을 낮추어 줄뿐만 아니라 작업의 효율성 및 작업시 발생할 수 있는 안전사고를 줄여줄 수 있는 좋은 대안이 될 것이다.

웨어러블 로봇 / 스마트 헬멧
웨어러블 로봇과 스마트 헬멧

산림분야 디지털 트윈(Digital Twin) 구축
디지털 트윈(digital twin)이란, 컴퓨터에 현실 속 사물의 쌍둥이를 만들고, 현실에서 발생할 수 있는 상황을 컴퓨터로 시뮬레이션함으로써 결과를 미리 예측하는 기술이다. 디지털 트윈은 제조업뿐 아니라 다양한 산업·사회 문제를 해결할 수 있는 기술로 주목 받고 있다. 4차 산업혁명 요소기술인 디지털트윈은 미래 유망 10대 기술로 주목받으며, 글로벌 선도 기업들을 중심으로 빠르게 확대되고 있는 실정이다.  따라서 지속가능한 산림경영과 사회적 가치를 실현하기 위해 선도 기술을 도입하여 산림분야 디지털트윈 기반 마련을 위한 준비 필요한 시점이다.

디지털 트윈을 통해 사회적으로는 전통적인 임업에 미래 기술을 접목한 새로운 일자리를 창출하고 경제적으로는 노동집약에서 스마트 임업환경구현으로 비용절감 극대화를 이루고, 정책적으로 의사결정지원을 위한 체계 마련을 임업분야 전방위적으로 대응 할 수 있게 한다.

산림분야의 디지털 트윈은 실제의 산림을 가상의 디지털 공간에 전산화하여 재생산한 공간을 말한다. 이런 가상공간에서 우리는 산림에 대한 정확한 정보를 바탕으로 산림의 가치를 평가(경제적 가치 및 공익적 가치)하고, 산림생장 모델을 기반으로 하여 산림경영계획을 실행하여 보고, 목재의 생산, 수확, 운송에 관한 모델링을 함으로서 산림의 경제적 가치를 더욱 향상시킬 수 있다. 결국 산림부분의 디지털트윈을 통해 산림의 생장과 건강에 대한 모델을 구축하여, 탄소저장량의 변화를 예측하며, 다양한 기후변화 시나리오의 적용을 통해 미래의 산림의 변화를 예측하여 이에 대한 대비를 할 수 있게 될 것이다.

하지만 처음부터 우리나라의 전 산림에 대한 디지털 트윈의 구축은 많이 비용과 더불어 초기에 많은 시행착오를 가져올 수 있는 위험성이 있다. 따라서 우선적으로 일정 구역의 산림을 정하여 이에 대한 디지털 트윈을 우선적으로 구축한 후 점차 확대해 나가는 방향이 바람직 할 것이다.   

가상 산림공간 (AR/VR) / 개별 수목 관리 / 산림경영 전산화
산림부분 디지털트윈의 주요 구성요성
쉽고 빠른 산림관리 관리하는 산림에 언제, 어디서나 접근해서 관리가 가능 / 효율성 향상 산림측정의 정확도 및 효율성의 향상 최적의 산림경영계획 작성가능 / 새로운 시장 접근 다양한 사업기회에 대한 시뮬레이션을 통해 사업 다각화 가능
산림부분 디지털트윈의 효과

<필자주 : 본 원고는 산림청의 연구개발지원으로 작성한 원고입니다.>