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문제 정의
- 갱신, 3D 건물 모델링, 홍수 및 재해관리, 건설 및 SOC분야, 환경 및 모니터링, 가상현실분야 등 사회 각 분야에 필수적으로 활용하는 공간정보이다. 따라서 본 연구에서는 이러한 활용가치가 풍부한 LiDAR 데이터에 대하여 연구지역을 선정하여 수평과 수직으로 구분하여 정량적으로 위치 정확도를 검증하고자 한다.
- 본 연구는 LiDAR 데이터의 수평과 수직위치를 현지 측량된 검사점을 기준으로 정량적으로 평가하는데 의의가 있다. 따라서 수평과 수직위치 특성상 연구지역을 구분하였으며, 수평위치의 정확도 평가를 위하여 5층 건물을 선정하였다.
제안 방법
- 본 연구는 LiDAR 데이터의 정확도를 수평과 수직으로 구분하여 정량적으로 평가하기 위하여 국토지리정보원에서 수행한 다차원공간정보 구축사업의 현지 측량 점의 성과를 활용하였다. 현지 측량점은 수평위치를 평가하기 위해서는 비교적 넓고 평평한 5층 이상 건물의 옥상 부분을 선정하였으며, 수직위치는 도로노면을 중심으로 31점을 선정하여, 연구지역에 골고루 배치하였다.
- 센서검정은 운동장과 같은 평지나 대형건물과 같은 기준 지역의 상공을 여러 방향에서 비행하여 관측한 자료를 이용하여 수행된다. 그러나 이러한 검정에 대해서는 표준화된 공정이 없으며, 현재까지 장비제조업체에서 각각 독자적인 작업방법에 의해 검정을 수행한다.
- 실험 데이터의 취득은 작업의 효율성, 항공기 운영, 지상 GPS기준국 설치 등을 고려하여 그림 3에서 볼 수 있듯이 전체 실험지역을 8개 구역으로 나누어서 취득하였다 데이터를 취득함에 있어서 원시 LiDAR 포인트의 지상 밀도(해상도)가 가장 중요한 요소이기 때문에 본 연구에서는 일반적으로 1m 수치표고모형(DEM)을 제작하기 위하여 획득하는 LiDAR 포인트 자료의 밀도는 1m2당 5 ~ 6점 정도가 되도록 하였으며, 그 결과는 그림 4와 같다.
- 또한 수직위치 평가를 위한 현지의 측량기준점은 그림 6과 같이 연구지역에 골고루 분포되게 하였으며, GPS 수신이 양호하며, 직접수준측량이 비교적 수월하고 안정적인 지점인 도로 주변을 대상으로 31점을 선정하여 측량하였다 현지의 측량기준점에 대한 측량은 삼각점 2점을 선정하여 기준국으로 이용하였고 측량하는 동안 연속관측을 실시하였으며, 이동국인 현지 검사점은 약 50~60 분씩 수신하였다 또한 수직위치 평가를 수행하기 위하여 수준점을 기준으로 직접수준측량을 수행하여 정표고를 결정하였다
- LiDAR 데이터의 수평위치를 평가하기 위하여 그림 5 와 같이 건물의 모서리 점에 대하여 GPS와 토탈스테이션을 이용하여 현지측량을 실시하여 기준점으 좌표를 산출하였다. 또한 LiDAR 데이터를 이용하여 평면의 방정식을 구성한 후에 각 모서리 점에 대한 교차점의 평면좌표를 추출하였다
- 이용하여 현지측량을 실시하여 기준점으 좌표를 산출하였다. 또한 LiDAR 데이터를 이용하여 평면의 방정식을 구성한 후에 각 모서리 점에 대한 교차점의 평면좌표를 추출하였다
- 수평위치 평가를 위한 현지 측량된 건물의 외곽선 추출은 그림 7과 같이 LiDAR 데이터를 건물(buliding)과 지면(ground) 데이터 등으로 구분하여 실시하였다
- 각 면의 LiDAR 데이터를 이용하여 평면방정식의 계수들에 대한 해를 구하고, 3개의 평면 방정식을 이용하여 건물 모서리 절점의 좌표를 구한다. 건물을 구성하고 있는 3개의 평면을 A, B, 。라 하면 공면조건식은 식 (9) 와같으며, 이와 같은 최소제곱법 행렬식을 이용하여 건물모서리 점의 좌표 X, Y, Z의 해를 구하였다.
- 것은 대단히 어렵다. 따라서 본 연구에서는 현지에서 측량한 점과 같은 특정지점의 높이값 비교를 위해서는 주변에 분포된 레이저 포인트 결과 값들을 통해 불규칙 삼각망(TIN)을 그림 12와 같이 형성하고 현지 측량 점의 높이 값과 불규칙삼각망(TIN) 형성면과의 높이 차이을 구하였다.
- 하였다. 촬영 여건에 따라 대상지역을 몇 개의 블록 단위로 나누어 촬영을 실시하였으므로, 각각의 측량일자별로 수직 위치의 정확도를 평가하여 이를 통해 수직위치의 정확도를 평가하였다.
- 항공 LiDAR 데이터의 수평위치의 정확도를 평가하하기 위하여 현지 측량기준점은 주변환경과 확연히 구분이 되는 건물을 선정하여, 건물의 모서리 16점에 대하여 현지 측량을 실시하였다 또한 수직위치를 평가하기 위하여 총 31점의 현지 측량 기준점을 선정하였다 이로부터 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 둘째, 본 연구결과를 통하여 국토지리정보원에서 수행하고 있는 다차원공간정보구축 사업의 성과품인 LiDAR 데이터의 정확도를 현지 측량값으로 정확히 규명함으로써 국내 사용자들이 수치지형도 수정 . 갱신 건물 3D 모델링 등 다양한 분야에 활용할 수 있는 기준을 제공하였다 셋째, 수치지형도의 한계로 지적되고 있는 지물들에의 높이 값 산출에 항공 LiDAR 측량 기술이 효과적으로 사용될 것으로 기대되며, 특히 수치지형도와 함께 이용될 경우 높은 정확도와 빠른 결과를 산출할 수 있어 도시지역의 건물에 대한 3차원 모델링 제작에 효과적으로 사용될 것으로 기대된다.
대상 데이터
- 활용하였다. 현지 측량점은 수평위치를 평가하기 위해서는 비교적 넓고 평평한 5층 이상 건물의 옥상 부분을 선정하였으며, 수직위치는 도로노면을 중심으로 31점을 선정하여, 연구지역에 골고루 배치하였다.
- 있다. 따라서 수평과 수직위치 특성상 연구지역을 구분하였으며, 수평위치의 정확도 평가를 위하여 5층 건물을 선정하였다. 수직위치는 넓고 평평한 도로노면 등을 선정하되 연구지역에 골고루 분포되게 선정하였다.
- 실험지역에 대한 LiDAR 측량은 2005년 2월~4월간 총 13회의 비행으로 137개 스트립에서 약 234GB의 항공 레이저 데이터를 취득하였다. 항공기 운항과 데이터 취득에 양호한 기상 및 GPS환경 조건에서 이루어졌으며, 센서탑재에 이용된 항공기는 Cessna 208로서 한진정보통신 (주)이 보유하고 있는 항공사진촬영용 경비행기이다.
- 데이터를 취득하였다. 항공기 운항과 데이터 취득에 양호한 기상 및 GPS환경 조건에서 이루어졌으며, 센서탑재에 이용된 항공기는 Cessna 208로서 한진정보통신 (주)이 보유하고 있는 항공사진촬영용 경비행기이다.
- 항공 LiDAR 측량을 통하여 실험지역에 취득된 고정밀 포인트 데이터의 정확도를 평가하기 위하여 앞서 제시하였듯이 수평과 수직위치 평가를 구분하여 수행하였다 본 연구에서는 주변과 확연히 구분되는 일정 높이를 가지는 OO대학교 내의 공학관 건물을 선정하였으며, 아래 그림 5와 같이 모서리 점과 외곽선을 옥상위에 설치한 기준점에 근거하여 토탈스텐이션(Total-Station)으로 측량을 수행하였다
- 비교대상이 되는 주변의 LiDAR 포인트들은 이미 지형 (ground)으로 분류가 이루어진 점들을 대상으로 하였다. 촬영 여건에 따라 대상지역을 몇 개의 블록 단위로 나누어 촬영을 실시하였으므로, 각각의 측량일자별로 수직 위치의 정확도를 평가하여 이를 통해 수직위치의 정확도를 평가하였다.
이론/모형
- 이용하는 방법이 있다. 위상차를 이용하는 방법에서는 연속적으로 발사되는 레이저 광선 CW(Continuous Wave)를 이용하여 발사된 위상과 반사된 위상의 차를 관측하여 거리를 계산한다. 현재 사용되고 있는 대부분의 항공 레이저 측량 장비에서는 펄스 레이저를 사용한다.
성능/효과
- 표 2에서 보는 것과 같이 총16점의 현지 측량점과 LiDAR 데이터에서 평면방정식으로 추출한 건물 외곽선과의 평균 차이는 19cm, 표준편차는 21cm로 나타났다. 또한 그림 11과 같이 거리 차이의 분포에서는 15 ~20cm 의 분포대가 가장 많은 걸로 나타났다.
- 31 개의 현지 측량기준점과 비교한 결과가 그림 13과 같이 차이가 15cm이내에 속하는 점이 75%였으며, LiDAR 데이터의 현지측량값과의 차이는 평균 0.11m, RMSE는 0.14m로 나타났다. 표 3은 31개의 현지 측량점에 대한 기준점의 좌표와 오차를 나타낸 것이다.
- 첫째, 항공 LiDAR 데이터의 수평위치에 대한 정확도는 현지 측량기준점을 기준으로 하여 평균 0.19m, RMSE 는 0.21m의 결과를 얻었다 또한 수직위치 정확도는 평균 0.11m, RMSE는 0.14m로 나타났다.
후속연구
- 국내 사용자들이 수치지형도 수정 . 갱신 건물 3D 모델링 등 다양한 분야에 활용할 수 있는 기준을 제공하였다 셋째, 수치지형도의 한계로 지적되고 있는 지물들에의 높이 값 산출에 항공 LiDAR 측량 기술이 효과적으로 사용될 것으로 기대되며, 특히 수치지형도와 함께 이용될 경우 높은 정확도와 빠른 결과를 산출할 수 있어 도시지역의 건물에 대한 3차원 모델링 제작에 효과적으로 사용될 것으로 기대된다.
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