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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 대상 지역을 신속하고 경제적으로 관측할 수 있는 저고도촬영 시스템을 개발하여 영상자료를 취득하고, 기하보정과 영상모자이 크 기법을 적용하여 영상지도를 제작하였다. 본 연구를 통하여 도시변화 모니터링이나 신속함이 요구되는 대상지역의 관측에 있어시간.
- 제시하였다. 또한, 저고도 모자이크 생성과정시 발생하는 접합선과 영상흐림현상을 최소화하기 위하여 중복영역 폭을 이용하여 인접 영상을 접합하는 연구를 수행하여 모자이크 영상을 개선할 수 있는 방안을 제시하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 (주)무성항공이 농업방제용으로 활용되던 Yamaha Motor사의 RMAX(Type IIG)를 저고도 촬영을 위한 탑재체로 선정하여 개발하였다. RMAX 는 회전익 무인기로서 이동성과 접근성이 뛰어나고 안전하게 근접 촬영이 가능하기 때문에 가까운 일본에서는 농업 방재용 뿐만 아니라 화산 활동 관측이나 지진 등 자연재해 현황조사 등의 재난관리 업무에도 활용되고 있다.
- 본 연구에서는 국내외에서 농업용으로 주로 활용되던 고정익 무인기를 도입하여 대상 지역을 신속하고 경제적으로 관측할 수 있는 저고도촬영 시스템을 개발하였으며, 취득된 저고도 영상을 전처리하고 기하 보정과 영상모:자 이크 기법을 적용하여 대축척의 영상지도를 제작하는 방안을 제시하였다. 또한, 저고도 모자이크 생성과정시 발생하는 접합선과 영상흐림현상을 최소화하기 위하여 중복영역 폭을 이용하여 인접 영상을 접합하는 연구를 수행하여 모자이크 영상을 개선할 수 있는 방안을 제시하였다.
제안 방법
- 2004년 Istanbul에서 개최된 ISPRS 학술 발표회에서 총 5편의 무인기 관련 논문이 발표되었으며, 주로 GPS와 INS, CCD 카메라, 레이저 스캐너 등의 센서 통합과 소형 무인 헬기를 이용한 촬영 시스템 개발 및 3차원 건물 모형 구축을 위한 연구가 소개되었다. 또한, 2004년 스위스의 Helicam 사는 도시나 건물의 항공영상을 취득하기 위하여 GPS 탈착이 가능한 무인헬기를 개발하였다.
- RMAX 는 회전익 무인기로서 이동성과 접근성이 뛰어나고 안전하게 근접 촬영이 가능하기 때문에 가까운 일본에서는 농업 방재용 뿐만 아니라 화산 활동 관측이나 지진 등 자연재해 현황조사 등의 재난관리 업무에도 활용되고 있다. 또한, 회전익 무인기의 장점인 저속 전후좌우 비행, 정지 비행, 위험시 자동 착륙 등과 같은 안정적인 비행 특성과 타 무인기에 비해 장시간 비행임무 수행이 가능하도록 설계/제작되었다.
- 첫 번째 단계는 저고도 촬영 시스템 개발을 통하여 저고도 영상을 취득하는 단계이며, 두 번째 단계에서는 영상을 전처리하고 지상 기준점 정보를 이용하여 기하 보정하는 단계이다. 마지막으로 기하 보정된 각각의 영상을 이용하여 인접 영상의 중복영역에서 모자이 크 기법을 통하여 대상 지역의 최종적인 영상지도를 제작하게 된다. 그림 2는 본 연구의 흐름도를 보여주고 있다.
- 본 연구에서는 2005년 취득된 마산지역 항공 비디오 촬영 영상과 2005년 전북장수군 계북면 산촌마을 피해지역의 항공저고도영상을 사용하여 영상지도를 제작하였다. 장수군 피해지역 촬영 당시 기상조건이 좋지 않아 일부 영상이 어둡게 촬영되었으며, 모자이크 과정에서 영상 간 밝기 값 차이로 인해 발생할 수 있는 이질감을 해소하기 위하여 히스토그램 분석을 통하여 기준 영상을 선택하고 이 영상을 기준으로 밝기값을 조정하였다.
- 본 연구에서는 대상지역의 지형정보를 고해상 디지털 영상(still digital image)으로 취득하기 위한 Nicon사의 D70 카메라와 동영상 정보를 취득하기 위한 Sony사의 DSR-PD150을 탑재하였다. Nicon사의 D70 카메라는 600만 화소(*23000008 ), Sony사의 DSR-PD150는 약 34만 화소(720x480)의 동영상을 취득할 수 있다.
- 본 연구에서는 대축척의 수치지도와 지상기준점 취득이 대체적으로 용이한 도시지역과 대축척수치지도가 구축되어 있지 않고, 지상기준점을 취득하기가 어려운 비도시지역을 대상으로 저고도에서 항공촬영을 수행하였다. 도시지역은 저층의 주택과 고층의 아파트 지역이 산재하고 있는 마산 월영동 주변지역을, 비도시 지역은 전북장수군 계북면 산촌마을을 연구 대상지로 선정하였다.
- 본 연구에서는 영상을 보간할 때 수직 경계는 수평 방향의 라인을 기준으로, 수평 경계는 수직 방향의 열을 기준으로 접합점으로부터의 거리에 따라 경중률을 부여하였다. 접합점을 중심으로 수평 라인에 대하여 양방향으로 w 만큼의 평탄화 영역을 설정했을 경우 점p에서 조정되는영상값 %는 식(4)와 같이 계산된다.
- 이렇게 취득된 영상들은 수치지도와 GPS 측량으로 얻어진 지상 기준점과 기하학적 위치관계를 정립하여 기하 보정을 수행하여야 한다(그림 3).본 연구에서는 전처리된 영상과 대상 지역 내 지상기준점을 취득하여 Affine 변환식을 사용하여 기하 보정을 수행하였다.
- 연속 촬영된 인접 저고도 영상의 중복 영역에서 두 영상의 밝기 값의 차이가 가장 적은 영상소를 수평 및 수직 방향으로 탐색하여 접합점으로 선택함으로써 인접 영상의 영상 모자이크를 수행할 접합선을 결정한다. Nicon사의카메라(D70)와 Sony사의 비디오카메라(DSR-PD150)로 취득된 디지털 항공영상은 각각의 R, G, B 요소의 밴드조합으로 구성되며, 영상에서 최적의 경계선 추출을 위해 R, G, B 절대 값 차이를 계산하여 접합점을 추출한다.
- 수행하였다. 우선 영상 간의 중복 영역을 추출한 다음, 중복 영역내 밝기값을 이용하는 방법과 중복 영역 내 접합선을 이용하여 모자이크를 수행하는 방법 마지막으로 접합영역의 특정 폭을 이용하여 모자이크를 수행하였다.
- 현장에서의 실제 촬영 과정에서 발생한 촬영시스템의 문제점을 보완하기 위하여 카메라 틸팅과 팬 제어가 가능한 2축 짐벌 및 팬, 틸팅, 롤링제어가 가능한 3축짐벌을 개발 중에 있다. 이짐벌은 최대 하중 6kg을 견딜 수 있게 설계되어짐벌의 지지력을 강화했고, 현장에서 촬영 준비 단계에서 작업 효율을 높이기 위해 카메라 탈착이 용이 한 방식으로 설계해 제작하였다.
- 모자이크 된 영상에서 시각적인 이질감을 제거하기 위해서는 모자이크 전 단계에서 영상들 간의 상호 밝기 값 조절이 이루어져야 한다. 입력된 영상에 대한 전체적인 영상 소값의 밝기를 조정하기 위해서 본 연구에서는 기준 영상의 영상소값 범위에 맞추어 나머지 영상의 영상 소값 범위를 조정하는 방법을 사용하였다. 밝기값을 조정하기 위한 관계식은 식(1)과 같이 표현할 수 있다.
- 장수군 피해지역 촬영 당시 기상조건이 좋지 않아 일부 영상이 어둡게 촬영되었으며, 모자이크 과정에서 영상 간 밝기 값 차이로 인해 발생할 수 있는 이질감을 해소하기 위하여 히스토그램 분석을 통하여 기준 영상을 선택하고 이 영상을 기준으로 밝기값을 조정하였다.
- 제작된 저고도 영상지도는 대상지역의 1:5,000 수치지형도와 비디오 모자이크 영상을 중첩하여 그 정확도를 평가하였다. 수치지형도와 중첩한 결과, 지형 조건과 건물 높이로 인한 기복 변위와 영상 취득 당시의 인접 영상 간 서로 상이한 촬영기하조건 때문에 일부 지역에서 수치지형도와 불일치하는 오류가 발견되었으나, 대체적으로 잘 일치하고 있음을 확인하였다.
- 중복영역 내의 접합선을 탐색하여 모자이크를 수행했을 때, 발생하는 seamline을 최소화하기 위하여 촬영지역과 영상의 공간 해상도를 고려하여 접합선을 기준으로 접합영역 폭을 픽셀 단위(2pixel, 6pixel)로 접합 영역 폭을 설정하고 영상모자이크 결과를 평가하였다.
- 촬영지역의 보다 다양한 자료를 취득하기 위하여 카메라 틸팅을 제어할 수 있는 짐벌과 지상에서 무인 항법 시스템을 통하여 비행체의 모니터링과 제어가 가능한 기술을 개발하였다.
- 회전익 무인기에 탑재되어 두뇌기능을 담당하며, 비행자세와 GPS 정보 등을 지상관제장비에 전송하는 무인기 탑재 컴퓨터(FCC : Flight Control Computer) 와 비행체의 항로와 고도를 실시간으로 확인하며 계기비행을 수행이 가능한 이동용 지상관제시스템 (GCS : Ground Control System)으로 구성된다.
대상 데이터
- 2005년 8월 2일과 3일에 쏟아진 집중호우로 인한 전북장수군 계북면 산촌口]을의 피해 현황을 조사하기 위해 촬영고도 약 100m에서 Nicon사의 D 70을 탑재하여 3008 ><2000 크기의 항공영상을 취득하였다. 이틀간 쏟아진 폭우로 인하여 하천 제방 및 도로가 유실되고 하천이 범람하면서 발생한 토사가 논으로 유입된 모습을 보여주고 있다(그림 10 (b)).
- 도시지역은 저층의 주택과 고층의 아파트 지역이 산재하고 있는 마산 월영동 주변지역을, 비도시 지역은 전북장수군 계북면 산촌마을을 연구 대상지로 선정하였다.
- 마산월영동 지역 주변은 2005년 3월 촬영고도 500m 에서 SONY DSR-PD150 비디오카메라를 탑재하여 대상 지역을 촬영하고 6mm 디지털비디오 테잎에 저장한 후, 비디오 캡처 보더와 비디오 편집 프로그램을 통하여 720x480 크기의 정지 영상을 추출하였다(그림 10 (a)).
- 영상지도 제작을 위한 영상 모자이크는 마산지역은 기하 보정된 5장의 영상을, 장수지역은 28장의 영상을 활용하여 수행하였다. 우선 영상 간의 중복 영역을 추출한 다음, 중복 영역내 밝기값을 이용하는 방법과 중복 영역 내 접합선을 이용하여 모자이크를 수행하는 방법 마지막으로 접합영역의 특정 폭을 이용하여 모자이크를 수행하였다.
이론/모형
- 기하 보정 영상은 중복영역의 경계에 동일한 지상좌표 값을 가지고 있으며, 이를 폴리곤 형태로 구성하여 폴리곤 클리핑 알고리즘 (Weiler&Atherton, 1977)을 적용함으로써 중복 영역을 추출할 수 있다. 또한 중복 영역을 추출하면서 두 영상의 개략적인 접합선이 결정되고 접합선을 중심으로 좌우 탐색영역이 결정된다.
- 대상지역에 대한 지상기준점은 마산지역은 1:1, 000 수치지형도를, 장수지역은 1:5,000수치지형도를 활용하여 취득하였으며, 전처리된 영상의 영상 좌표와 수치지형도에서 취득한 기준점 좌표를 이용하여 Affine 변환 식으로 기하 모델링을 수행하였다. 그림 12는 Affine 변환 식으로 기하보정된 마산지역 영상과 장수지역 영상을 보여주고 있다.
성능/효과
- 수행했을 때, 그림 17의 (a), (b)처럼 접합선에 가까운 주택지역의 건물 경계가 뭉게지는 오류가 발생하고 있었으며, 도로 등의 나대지에서는 주변의 밝기 값과 잘 조화되는 결과를 보였다. 따라서, 촬영 영상의 특성에 따라 접합 영역의 폭을 조절함으로써 모자이크 효과를 극대화할 수 있을 것으로 판단된다.
- 조화되는 결과를 보였다. 따라서, 촬영 영상의 특성에 따라 접합 영역의 폭을 조절함으로써 모자이크 효과를 극대화할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구를 통하여 제작된 영상지도를 1/5,000 수치지형도와 중첩하여 정확도를 평가한 결과 일부 지역에서 수치지형도와 불일치하는 오류가 발견되었으나 대체적으로 잘 일치함으로써, 저고도 촬영 영상을 이용하여 1/5,000 축척의 영상지도 제작이 가능함을 알 수 있었다.
- 수치지형도와 중첩한 결과, 지형 조건과 건물 높이로 인한 기복 변위와 영상 취득 당시의 인접 영상 간 서로 상이한 촬영기하조건 때문에 일부 지역에서 수치지형도와 불일치하는 오류가 발견되었으나, 대체적으로 잘 일치하고 있음을 확인하였다. 그림 19는 저고도 모자이크 영상과 Quickbird 영상을 수치지형도에 중첩 시켜 정확도를 비교한 그림이다.
- 접합 영역폭을 골목길 정도의 소폭(2pixel)으로 주었을 때, 접합선 탐색에 의한 방법보다는 seamline0] 적게 발생하였으나 그림 16에서 보는 바와 같이 주택가나 넓은 나대지에서 희미하게나마 seamline이 발생하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 그러나 장수지역에 대한 모자익영상은 해당 지역의 수치 지도가 저고도 영상을 촬영할 당시와 매우 상이하여 수치지도를 이용한 정확도 검증이 불가능하였다. 해당 지역이 산간 계곡 지역으로서 수치 지도에 나타난 지형의 모양과 많이 상이한 상태로서 이들과 같은 지역에 대한 재해 피해조사를 할 경우 별도의 지상측량이 필요함을 알 수 있었다.
후속연구
- 대상지역에 대한 영상자료를 취득 과정에서 여러 가지 원인(구름에 의한 그림자, 폐색 영역 등)에 의하여 지표의 밝기 값 변화나 잡음이 발생하며, 이는 인접 영상을 모자익할 때 접합 오류나 전체 영상에 시각적인 이질감을 발생시키므로 밝기값 조정이나 잡음제거와 같은 영상개선 (image enhancement)기법을 적용해야 한다. 모자이크 된 영상에서 시각적인 이질감을 제거하기 위해서는 모자이크 전 단계에서 영상들 간의 상호 밝기 값 조절이 이루어져야 한다.
- 비용적인 측면에서 절감 효과와 기존의 위성이나 항공관측시스템을 보완. 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
- 따라서, 테스트비행과 촬영을 통하여 현재 시스템의 문제점을 도출하고 추가적인 연구개발을 수행하고 있다. 현장에서의 실제 촬영 과정에서 발생한 촬영시스템의 문제점을 보완하기 위하여 카메라 틸팅과 팬 제어가 가능한 2축 짐벌 및 팬, 틸팅, 롤링제어가 가능한 3축짐벌을 개발 중에 있다.
- 성능 개선이 필요하다. 또한, 영상지도 제작 연구에 있어서는 보다 자연스러운 모자이크 영상을 생성하기 위한 연구와 회전익 무인기의 특성을 고려한 기하 모 형식 개발 산악지역이나 하천 유역 등 지상기준점을 취득하기 어려운 지역에 대한 효과적인 영상지도 제작 방안 등도 추가적으로 연구되어야 할 것이다.
- 향후 보다 안정되고 정확한 지형정보를 취득하기 위하여 회전익 기체진동을 최소화하기 위한 특수짐벌 개발과 현재보다 정확한 비행 및 촬영 정보를 제공하기 위한 시스템의 성능 개선이 필요하다. 또한, 영상지도 제작 연구에 있어서는 보다 자연스러운 모자이크 영상을 생성하기 위한 연구와 회전익 무인기의 특성을 고려한 기하 모 형식 개발 산악지역이나 하천 유역 등 지상기준점을 취득하기 어려운 지역에 대한 효과적인 영상지도 제작 방안 등도 추가적으로 연구되어야 할 것이다.
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