[국내논문]수치지형도를 이용한 DEM 자동 생성 기법의 개발 Development of an Automatic Generation Methodology for Digital Elevation Models using a Two-Dimensional Digital Map원문보기
최근 항공측량과 위성정보 기술의 급속한 발전은 방대한 지리정보 데이터의 신속한 취득을 가능케 하고 있다. 취득된 지리정보를 정확하게 표현하고 분석하기 위해서는 대용량 데이터를 실시간으로 시각화하는 기술을 필요로 하며, 실시간 시각화를 위해 LOD(Lovel of Detail) 알고리즘을 핵심 요소로 적용하고 있다. 본 연구는 다양한 지리정보 데이터 중 수치지형도에 포함된 등고선 데이터를 활용하여 정규화된 고도정보를 생성하는 방법으로써 TIN 생성기법을 적용하였고, 정규화 된 고도 정보를 생성하기 위해서 본 연구에서는 2단계의 작업으로 구분하여 생성하였다. 먼저 수치지형도를 활용하여 TIN 데이터를 생성하고, 생성된 TIN 데이터를 이용하여 정규화 된 고도정보를 생성하고자 하는 지역 크기의 2차원적 격자 배열을 생성하고, 격자 배열의 각 점과 생성된 불규칙 삼각망의 교차점을 구하여 정규화 된 고도정보를 생성할 수 있다. 본 연구에서는 각 단계 별로 제한된 딜로니 삼각분할(CDT, Constrained Delaunay Triangulation) 알고리즘과 생성된 TIN 데이터와 2차원적 격자 배열 각 점의 교차점을 구하기 위해 Ray-Triangle Intersection 알고리즘을 선택하였다. 또한, DirectXAPI 라이브러리, Quad-Tree LOD 알고리즘 그리고 프로그램 개발언어인 Microsoft Visual C++ 6.0을 이용하여 정규화된 고도정보를 3차원 지형 실시간 시각화를 통해 3차원 지형 시뮬레이션을 하였다.
최근 항공측량과 위성정보 기술의 급속한 발전은 방대한 지리정보 데이터의 신속한 취득을 가능케 하고 있다. 취득된 지리정보를 정확하게 표현하고 분석하기 위해서는 대용량 데이터를 실시간으로 시각화하는 기술을 필요로 하며, 실시간 시각화를 위해 LOD(Lovel of Detail) 알고리즘을 핵심 요소로 적용하고 있다. 본 연구는 다양한 지리정보 데이터 중 수치지형도에 포함된 등고선 데이터를 활용하여 정규화된 고도정보를 생성하는 방법으로써 TIN 생성기법을 적용하였고, 정규화 된 고도 정보를 생성하기 위해서 본 연구에서는 2단계의 작업으로 구분하여 생성하였다. 먼저 수치지형도를 활용하여 TIN 데이터를 생성하고, 생성된 TIN 데이터를 이용하여 정규화 된 고도정보를 생성하고자 하는 지역 크기의 2차원적 격자 배열을 생성하고, 격자 배열의 각 점과 생성된 불규칙 삼각망의 교차점을 구하여 정규화 된 고도정보를 생성할 수 있다. 본 연구에서는 각 단계 별로 제한된 딜로니 삼각분할(CDT, Constrained Delaunay Triangulation) 알고리즘과 생성된 TIN 데이터와 2차원적 격자 배열 각 점의 교차점을 구하기 위해 Ray-Triangle Intersection 알고리즘을 선택하였다. 또한, DirectX API 라이브러리, Quad-Tree LOD 알고리즘 그리고 프로그램 개발언어인 Microsoft Visual C++ 6.0을 이용하여 정규화된 고도정보를 3차원 지형 실시간 시각화를 통해 3차원 지형 시뮬레이션을 하였다.
The rapid growth of aerial survey and remote sensing technology has enabled the rapid acquisition of very large amounts of geographic data, which should be analyzed using real-time visualization technology. The level of detail(LOD) algorithm is one of the most important elements for realizing real-t...
The rapid growth of aerial survey and remote sensing technology has enabled the rapid acquisition of very large amounts of geographic data, which should be analyzed using real-time visualization technology. The level of detail(LOD) algorithm is one of the most important elements for realizing real-time visualization. We chose the triangulated irregular network (TIN) method to generate normalized digital elevation model(DEM) data. First, we generated TIN data using contour lines obtained from a two-dimensional(2D) digital map and created a 2D grid array fitting the size of the area. Then, we generated normalized DEM data by calculating the intersection points between the TIN data and the points on the 2D grid array. We used constrained Delaunay triangulation(CDT) and ray-triangle intersection algorithms to calculate the intersection points between the TIN data and the points on the 2D grid array in each step. In addition, we simulated a three-dimensional(3D) terrain model based on normalized DEM data with real-time visualization using a Microsoft Visual C++ 6.0 program in the DirectX API library and a quad-tree LOD algorithm.
The rapid growth of aerial survey and remote sensing technology has enabled the rapid acquisition of very large amounts of geographic data, which should be analyzed using real-time visualization technology. The level of detail(LOD) algorithm is one of the most important elements for realizing real-time visualization. We chose the triangulated irregular network (TIN) method to generate normalized digital elevation model(DEM) data. First, we generated TIN data using contour lines obtained from a two-dimensional(2D) digital map and created a 2D grid array fitting the size of the area. Then, we generated normalized DEM data by calculating the intersection points between the TIN data and the points on the 2D grid array. We used constrained Delaunay triangulation(CDT) and ray-triangle intersection algorithms to calculate the intersection points between the TIN data and the points on the 2D grid array in each step. In addition, we simulated a three-dimensional(3D) terrain model based on normalized DEM data with real-time visualization using a Microsoft Visual C++ 6.0 program in the DirectX API library and a quad-tree LOD algorithm.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 다양한 지리정보 데이터 중수치지형도에 포함된 등고선 데이터를 이용하여 TIN 방법으로 DEM 데이터를 생성하였다. 또한, 단순히 등고선의 점 정보만을 이용하지않고 선분 정보를 더하여 선분을 따라 강제로분할하는 CDT 알고리즘을 채택하여, TIN의생성에 있어 등고선 데이터의 손실을 최소화하고 대용량의 DEM 데이터를 생성하고자 하였다.
제안 방법
그러나 LiDAR 데이터, 고해상도 위성영상을 이용한 DEM 데이터 취득방법은 정확도 높은 데이터를 취득할 수 있으나, 데이터 취득의 어려움과데이터 취득에 따른 고비용 발생으로 인해 넓은 지역을 대상으로 한 3차원 모델화 구현을하기에는 적절한 방법이라고 할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 다양한 지리정보 데이터 중수치지형도에 포함된 등고선 데이터를 이용하여 TIN 방법으로 DEM 데이터를 생성하였다. 또한, 단순히 등고선의 점 정보만을 이용하지않고 선분 정보를 더하여 선분을 따라 강제로분할하는 CDT 알고리즘을 채택하여, TIN의생성에 있어 등고선 데이터의 손실을 최소화하고 대용량의 DEM 데이터를 생성하고자 하였다.
있다. 이 등고선 데이터를 활용해 3차원 DEM 데이터를 생성하기 위해서는 선분으로 이루어진 polyline 각 선분의 X, Y 좌표를 활용해 CDT 알고리즘으로 TIN을 생성하여 3 차원 좌표를 가진 삼각형의 집합을 구성한다. 생성된 삼각형의 집합을 이용하여 DEM 데이터를 생성하고자 하는 영역에 대해 정규화 된 2차원적 배열의 DEM 격자(grid)를 생성하고, 2차원 평면상의 X좌표와 Y좌표를 일정한 간격으로 변형하면서 각 점들을 TIN 방법으로 생성된 3차원 삼각형에 수직 정사하여 Z값을 구함으로써 DEM 격자의 고도값을 생성할 수 있다.
격자 형식의 2차원 배열은 수치지형도의 영역과 동일하고각각의 점들은 고도 값이 없는 3차원 좌표로생성되어 져야 한다. TIN을 이루는 3차원 공간의 삼각형들과 DEM 2차원 격자 배열을 이루는 각각의 점들에서 Z값이 무한대인 점으로이루어진 선분의 교차점을 GRID 3차원 좌표의 표고 값으로 입력하였다. 삼각 분할된 삼각형과 선분의 교차점으로 얻어진 고도 값은 수치지형도의 등고선과 등고선 사이 지형 사면의 DEM 고도 값을 표현하게 된다.
DEM 생성 자동화 시스템에 사용된 대상 수치지형도는 서로 인접한 1:5,000 수치지형도 699개의 도엽을 비메모리 방식의 특정 영역의 DEM으로 변환하여 하나의 DEM으로 통합하는 과정을 거친 후, 프로그램 개발언어인 Microsoft Visual C++ 6.0 환경 하에 DirectX 그래픽 라이브러리, 음영기복도 생성 모듈, Quad-Tree LOD 알고리즘을 이용하여 3차원 지형을 실시간 가시화하였다.
DEM 생성이 끝난 후 DEM 을 이루는 각점 들의 Normal 벡터를 주위 8개의 점들로 8 개의 삼각형을 구성하여 각 면들의 Normal 벡터의 합으로 구하고 와 임의의 태양 각을 입력하여 그림 11과 같이 음영기복도를 생성해 DEM의 정확성을 가시적으로 확인하였다.
본 시스템에서는 Quad-Tree LOD 알고리즘과 Microsoft DirectX 그래픽 API를 사용하여자동 생성된 DEM을 3차원 지형으로 실시간가시화 하였다.
본 연구는 단순히 수치지형도에서 추출한 등고선의 점만을 이용하는 것이 아니라, 등고선의 선분 정보도 함께 이용하는 제한적 딜로니 삼각분할 알고리즘을 이용하여 TIN을 생성하고, 생성된 불규칙 삼각망(TIN)과 2차원적 격자 배열 각 점의 교차점을 구하는 RayTriangle Intersection 알고리즘으로 계산된 고도값을 이용하여 DEM을 자동 생성하였다.
대상 데이터
기본 지형 데이터는 1: 5,000 수치지형도 데이터를 사용하였다. 수치지형도는 표1과 같이 등고선 정보뿐만 아니라 다양한 지형정보를 포함하고 있다.
DEM생성에 사용된 수치지도는 2001년도정사영상지도 1:5,000(GRS)으로 그림 9와같이 보령지역 일대 신온, 홍성, 예산, 고남, 보령, 청양, 연도, 서천, 한산, 지역 총 699도엽을 사용하였고, DEM 간격은 5미터를기준으로 가로 67, 010m, 세로 83, 330m 영역을 DEM 격자 가로 13, 402개, 세로 16, 666개의 DEM 격자수를 가지는 DEM을 생성하였다.
이론/모형
3차원 선분과 삼각형의 교차점을 계산하기 위해서 Ray-Triangle Intersection 알고리즘(MCller 등, 1997)을 이용하였다. 여기에서, 3차원 선분은 DEM 각 점의 X, Y좌표와 Z값이 무한대인 점으로 이루어진 선분(ray)을 나타내고 있다.
DEM 고도데이터를 생성하기 위해 그림 7과 같이 TIN 영역에 DEM 격자의 크기에 맞는 2차원적 가상의 격자 배열을 생성하였다. 그림 8과 같이 2차원 격자 배열의 각 점들을 포함하는 TIN 데이터 상의 3차원 삼각형에 Ray-Triangle Intersection 알고리즘을 적용하여 그리드 각 셀의 고도 값을 구한다. 이러한 작업은 1: 5,000 수치지형도 한 도엽을작업하는데 수십 초의 시간이 소요된다.
중요한 기술로 부각 되고 있다. 위에서 자동 생성된 DEM을 실시간으로 가시화하기 위해서 기존에 연구된 4진 트리 방식인 QuadTree 알고리즘을 채택하였다. Rottger et al.
성능/효과
본 논문에서 사용된 TIN 생성을 위한 CDT 알고리즘은 단순히 등고선의 표고 데이터를이용하여 삼각분할 하는 방법보다, polyline을이루는 각각의 선분을 강제로 분할하여 등고선의 원시정보를 최대한 보장하게 되므로 DEM의 정확도를 높일 수 있다.
따라서, 수치지형도 각각의 영역에 해당하는인덱스들만 메모리에 상주시키며 일정한 영역에 포함되는 인덱스의 등고선을 메모리에 상주 시키고 이미 사용된 수치지도의 인덱스 내에 포함되는 등고선의 ployline 데이터는 메모리에서 제거 하는 방식을 사용함으로 메모리의 효율성을 최대화 하였다. 그림 10 에서 DEM을 자동생성하기 전에 자동 생성에 DEM 을 생성하고자 하는 영역을 지정하고, DEM의격자크기를 조절 하며, 시스템을 사용하는 컴퓨터의 사양에 따라 메모리 상주 량을 조절할 수 있는 메모리 CUT_SIZE를 입력하여 DEM의 생성 조건을 요구에 따라 설정하였다.
그러나 제한적 딜로니 삼각분할과 Ray-Triangle Intersection 알고리즘을 이용한 DEM 생성방법은 고가의 측량장비 없이 저비용으로 경제적이면서 빠르게 DEM 데이터를추출할 수 있다. 또한 본 연구에서 개발한 DEM 생성 자동화 소프트웨어는 DEM 데이터생성 절차를 단축하여 기존에 소요된 시간과비용을 절감할 뿐만 아니라, 넓은 지역의 대용량 지형 데이터를 생성하는데 보다 효율적이고 경제적으로 DEM 데이터를 생성할 수 있었다.
후속연구
목적, 도시계획.단지설계 및 폐기물처리, 온라인 게임 등 지형 데이터를 활용하는 모든 분야에서 광범위하게 적용되어 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 婆
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