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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 사진측량기법과 레이저측량기법을 이용하여 실세계 지형공간정보를 보다 사실적으로 표현할 수 있는 지형･지물의 3D 영상모형을 구축하고, 구축된 영상모형을 이용하여 적지선정, 경관분석, 일조분석 등과 같은 GIS 공간분석 및 인터넷기반의 3차원 영상지도 서비스를 통해 정량적, 정성적 정보가 요구되는 시설물 관리시스템, 재난관리 방재시스템 등 3D GIS 어플리케이션의 기본 데이터로 활용할 수 있도록 하는데 목적이 있다.
- 본 연구에서는 각종 지형･지물에 대한 3D 영상모형을 제작하기 위하여 레이저측량 및 사진측량으로 취득된 데 이터를 이용하여 정확한 3D 위치정보를 가지고 있고, 실 물과 같은 현실감을 사용자에게 제공할 수 있는 3D 영상 모형을 구축하였다
- 본 연구에서는 각종 지형･지물에 대한 3D 영상모형을 제작하기 위하여 레이저측량 및 사진측량으로 취득된 데이터를 이용하여 정확한 3D 위치정보를 가지고 있고, 실물과 같은 현실감을 사용자에게 제공할 수 있는 3D 영상 모형을 구축하였다.
제안 방법
- 1. 지형･지물별 3D 영상모형을 제작하기 위하여 사진 측량 및 레이저측량기법을 이용하여 정확한 위치정보를 가지고 있고, 실물과 같은 현실감을 사용자에게 제공할 수 있는 3D 영상모형을 구축하였다.
- 2. 인공지물 벽면을 촬영한 영상으로부터 카메라 검정 데이터를 이용하여 영상왜곡을 보정한 후 텍스쳐를 제작 함으로써 보다 사실감 있는 3D 영상모형을 제작하였다.
- 제작된 3D 영상모형은 dxf, 3ds 및 3D 웹 표준인 x3d, vrml 및 kml 형식으로 구축하였다. x3d 플랫폼에서 시뮬 레이션을 위한 클라이언트 소프트웨어는 Bitmanagement Software Contact vrml/x3d를 이용하였으며, Google Earth 환경에서 시뮬레이션을 통해 인터넷 지도서비스에서 활 용 가능성을 분석하였다. 실험 결과 고해상도 고품질의 3D 영상모형을 제공할 수 있었으며, 데이터 로딩 및 회 전, 이동, 확대, 축소 등 모든 조작이 원활하기 이루어짐 을 확인하였다.
- 이와 같이 촬영방향 및 렌즈에 의한 왜곡이 포함되어 있는 영상을 이용하여 텍스쳐를 제작하고 와핑(warping) 에 의해 건물 벽면의 텍스쳐로 사용할 경우 영상모형의 품질을 저하시키는 원인이 된다. 따라서 본 연구에서는 카메라 검정데이터를 이용하여 그림 17과 같이 렌즈 왜곡을 제거한 영상을 텍스쳐로 제작하여 3D 영상모형 제작에 사용하였다.
- 지상레이저 측량데이터는 대상물을 매우 조밀한 점군 데이터를 비교적 빠른 시간에 취득할 수 있으나, 데이터 량이 방대하고, 건물 3D 도화에 필요한 데이터 이외의 불필요한 많은 점으로 이루어져 있기 때문에 취득된 데이터로 부터 3D 모형을 구축하는 과정이 비교적 어려운 현실이다. 또한, 지상에 위치한 스캐너에서 대상물을 측량할경우 건물 옥상부분의 일부 요소들이 사각에 의해 스캐닝 되지 않는 경우가 발생할 수 있으며, 본 연구에서는 항공레이저 측량데이터를 이용하여 지상 레이저측량에서 취 득하지 못한 부분을 보완하였다. 개신문화관과 황소상의 완성된 3D 모형은 그림 12, 그림 13과 같다.
- 대상지역은 충청북도 청주시에 위치한 충북대학교를 선정하였고, 3D 영상모형을 구축하기 위하여 Optech ATLM 30/70 항공 레이저스캐너로 취득한 데이터와 Trimble GX 지상 레이저스캐너로 취득한 데이터를 이용하였다. 또한, 항공사진 및 지상사진측량을 이용하여 시설물 3D 모형, 항공정사영상, 시설물 텍스쳐를 제작하였다.
- 대상지역의 3D 지형모형은 항공레이저 측량기법을 이용하여 제작하였다. 레이저 측량데이터는 2007년 6월에 취득된 데이터를 이용하였으며, 데이터 처리는 잡음(noise) 및 고립점을 소거하고, 지형, 지물, 식생으로 분류(classification)하였다. 그림 5와 같이 분류된 지형데이터로부터 그림 6과 같이 대상지역의 수치지형모형을 제작하였다.
- 복잡한 형상의 대상물을 스캐닝하기 위하여 대상물 주위에 스캐너의 설치할 위치(station)를 선정하였으며, 장비의 정준과 구심을 맞추고 기준점에 설치한 타겟을 후시 (back sight)하여 스캐너의 기계점을 확보한 뒤 대상물을 스캐닝하였다. 스캐너는 연결된 노트북과 통신하며, 스캐닝 범위, 해상도, 데이터 저장 등의 작업을 실시하였다.
- 수치정사 영상은 Google Earth 등과 같은 인터넷 기반의 영상지도 서비스에서 고해상도 수치정사영상의 다운로딩, 확대, 축소, 이동, 회전 등과 같은 조작시 처리시간을 단축하고, 효율적인 메모리 관리를 위하여 대상지역을 그림 15와같이 12×11개의 영상타일(image tiles)로 로 나누어 제작 하였다.
- 수치정사영상 및 지상사진을 이용하여 지형과 지물의 텍스쳐를 제작하고 수치지형모형 및 시설물 3D 모형에 텍스쳐를 매핑하여 3D 영상모형을 제작하였다. 수치정사 영상은 Google Earth 등과 같은 인터넷 기반의 영상지도 서비스에서 고해상도 수치정사영상의 다운로딩, 확대, 축소, 이동, 회전 등과 같은 조작시 처리시간을 단축하고, 효율적인 메모리 관리를 위하여 대상지역을 그림 15와같이 12×11개의 영상타일(image tiles)로 로 나누어 제작 하였다.
- 복잡한 형상의 대상물을 스캐닝하기 위하여 대상물 주위에 스캐너의 설치할 위치(station)를 선정하였으며, 장비의 정준과 구심을 맞추고 기준점에 설치한 타겟을 후시 (back sight)하여 스캐너의 기계점을 확보한 뒤 대상물을 스캐닝하였다. 스캐너는 연결된 노트북과 통신하며, 스캐닝 범위, 해상도, 데이터 저장 등의 작업을 실시하였다.
- 실험대상지에 위치한 시설물의 3D 영상모형을 구축하기 위하여 지상레이저측량과 지상사진측량을 실시하였다. 지상레이저측량은 충북대학교 개신문화관과 황소상을 실험대상으로 선정하여 실시하였고, 지상사진측량은 충북대학교 대학본부를 선정하여 실험하였다.
- 실험대상지역의 기준점측량은 기 설치된 도시기준점을 이용하여 total station 측량으로 실시하였다. 기준점 측량은 지상 레이저측량시 좌표계산에 절대값으로 이용되고 이 절대값과 여러 번의 스캐닝 작업에 의해 취득된 무수한 점들이 연계, 정합됨에 따라 각각의 점들은 정확한 3 차원 위치 좌표를 가지게 되며 이점들이 모여 생성된 점 군(points cloud)을 분석, 검정하여 대상물의 수치화된 3 차원 모델을 구하게 된다.
- 제작된 3D 영상모형은 dxf, 3ds 및 3D 웹 표준인 x3d, vrml 및 kml 형식으로 구축하였다. x3d 플랫폼에서 시뮬 레이션을 위한 클라이언트 소프트웨어는 Bitmanagement Software Contact vrml/x3d를 이용하였으며, Google Earth 환경에서 시뮬레이션을 통해 인터넷 지도서비스에서 활 용 가능성을 분석하였다.
- 제작된 3D 지형모형과 수치정사영상을 이용하여 지형의 3D 영상모형을 구축하였으며, 시설물 3D 영상모형 제작시 지붕의 텍스쳐로 이용하였다.
- 제작된 수치지형모형에 사실감을 더하기 위하여 수치 정사영상을 제작하였다. 수치정사영상은 항공레이저 측량시 촬영된 디지털 컬러영상을 이용하였으며, 제작된 수치정사영상은 그림 7과 같다.
- 제작된 시설물의 3D 모형에 지상사진에서 취득된 텍스쳐를 적용하여 사실감과 현실감을 부여하였다. 그러나 도시의 건물들은 그 규모나 주변 건물과의 밀집 배치 및 건물에 인접한 가로수, 가로등과 같은 각종 시설물 등으로 인하여 건물 벽면을 수직방향으로 촬영하여 텍스쳐를 취득하기 어렵고, 지상에서 광각렌즈를 이용하여 촬영하는 경우가 일반적이며, 촬영된 영상은 경사사진에 따른 불균일한 밝기와 해상도 및 광각렌즈에 의한 왜곡을 포함하고 있다.
- 지상사진측량은 대상물의 3D 모형을 제작하고, 3D 영상모형을 제작하기 위한 시설물 벽면의 텍스쳐를 취득하기 위하여 실시하였으며 Canon 5D 카메라와 대상물의 크기, 촬영거리 등을 고려하여 EF 17‐40mm f/4L USM 광각렌즈를 주로 이용하였다.
- 대상물 촬영은 자유수렴촬영 방식으로 실시하였으며, 충북대학교 대학본부의 3D 영상모형을 제작하기 위하여총 37매 사진을 촬영하였다. 촬영된 사진과 카메라 검정 데이터를 초기값으로 표정, 광속조정, 3D 도화과정을 통해 대상물의 3D 모형을 제작하였으며, 그림 14와 같이 3D 모형을 구축하였다.
대상 데이터
- 개신문화관과 황소상의 정밀한 점군 데이터는최대 350m 거리에서 초당 5,000 points의 3차원 좌표를 취득할 수있는 Trimble GX 3D Scanner를 이용하여 취득하였다.
- 대상물 촬영은 자유수렴촬영 방식으로 실시하였으며, 충북대학교 대학본부의 3D 영상모형을 제작하기 위하여총 37매 사진을 촬영하였다. 촬영된 사진과 카메라 검정 데이터를 초기값으로 표정, 광속조정, 3D 도화과정을 통해 대상물의 3D 모형을 제작하였으며, 그림 14와 같이 3D 모형을 구축하였다.
- 대상지역은 충청북도 청주시에 위치한 충북대학교를 선정하였고, 3D 영상모형을 구축하기 위하여 Optech ATLM 30/70 항공 레이저스캐너로 취득한 데이터와 Trimble GX 지상 레이저스캐너로 취득한 데이터를 이용하였다. 또한, 항공사진 및 지상사진측량을 이용하여 시설물 3D 모형, 항공정사영상, 시설물 텍스쳐를 제작하였다.
- 데이터는 TerraScan, TerraModeler, Image Analyst, SocetSet 5.1 DPW, Photomodeler, ArcGIS, Trimble Realworks survey 등을 이용하여 처리하였다.
- 수치정사 영상은 Google Earth 등과 같은 인터넷 기반의 영상지도 서비스에서 고해상도 수치정사영상의 다운로딩, 확대, 축소, 이동, 회전 등과 같은 조작시 처리시간을 단축하고, 효율적인 메모리 관리를 위하여 대상지역을 그림 15와같이 12×11개의 영상타일(image tiles)로 로 나누어 제작 하였다. 또한, 대상지역은 Google Earth에서 지형･지물의식별이 곤란한 저해상도 영상만을 표시되고 있기 때문에본 연구에서 제작된 공간해상도 20cm의 고해상도 정사 영상을 이용하여 kml 파일로 제작하였으며, Google Earth에 로딩한 결과 그림 16과 같다.
- 본 연구에서 사용한 카메라 검정데이터는 표 2와 같으며, 건물 3D 도화 및 텍스쳐를 제작할 때 사진 왜곡을 보정하기 위한 기초 자료로 이용하였다.
- 본 연구에서는 실험 대상지역 인근의 도시기준점(CJ 60, CJ 61)으로부터 지상 레이저측량 및 사진측량을 위한 대상물 주위에 각 4개의 기준점을 설치하고 total station 측량을 실시하여 성과를 취득하였으며, 그 위치와 성과는 그림 4, 표 1과 같다.
- 제작된 수치지형모형에 사실감을 더하기 위하여 수치 정사영상을 제작하였다. 수치정사영상은 항공레이저 측량시 촬영된 디지털 컬러영상을 이용하였으며, 제작된 수치정사영상은 그림 7과 같다.
- 점군 데이터는 18,628,253개의 점으로서 대상물을 약 1cm 간격의 점으로 표현하는 매우 조밀한 데이터를 취득 하였다. 데이터 처리는 Trimble Realworks Survey소프트웨어를 이용하여 그림 11과 같은 과정으로 실시하였다 (Trimble).
- 실험대상지에 위치한 시설물의 3D 영상모형을 구축하기 위하여 지상레이저측량과 지상사진측량을 실시하였다. 지상레이저측량은 충북대학교 개신문화관과 황소상을 실험대상으로 선정하여 실시하였고, 지상사진측량은 충북대학교 대학본부를 선정하여 실험하였다.
이론/모형
- 대상지역의 3D 지형모형은 항공레이저 측량기법을 이용하여 제작하였다. 레이저 측량데이터는 2007년 6월에 취득된 데이터를 이용하였으며, 데이터 처리는 잡음(noise) 및 고립점을 소거하고, 지형, 지물, 식생으로 분류(classification)하였다.
- 본 연구에서 사실적 3D 영상모형을 구축하기 위하여 레이저 측량기법과 사진측량기법을 이용하였으며, 그 결 과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
성능/효과
- 3. 3D 영상모형은 VRML, X3D, KML 형식으로 구축 하였으며, 인터넷 기반의 3D 영상지도 서비스를 통해 사실 감 있는 지형･지물데이터로 시설물 관리, 경관분석, 일조분 석, 적지분석 등과 같은 3D GIS 분야에 활용할 수 있다.
- x3d 플랫폼에서 시뮬 레이션을 위한 클라이언트 소프트웨어는 Bitmanagement Software Contact vrml/x3d를 이용하였으며, Google Earth 환경에서 시뮬레이션을 통해 인터넷 지도서비스에서 활 용 가능성을 분석하였다. 실험 결과 고해상도 고품질의 3D 영상모형을 제공할 수 있었으며, 데이터 로딩 및 회 전, 이동, 확대, 축소 등 모든 조작이 원활하기 이루어짐 을 확인하였다.
- 이상과 같이 지형･지물에 대한 3D 영상모형을 구축한결과 시설물의 3D 영상모형의 경우 지상레이저측량기법은 세밀한 점군 데이터를 취득할 수 있는 장점을 갖고 있기 때문에 황소상과 같은 복잡한 형상을 3D 모형으로 제작할 경우 적합하지만 단순한 형태의 건물의 3D 모형을 제작할 경우 현장 측량시간 및 3D 모형제작 시간이 많이 소요되었다. 또한, 3D 영상모형을 제작하기 위하여 지상 레이저 스캐너 자체에서 촬영된 사진은 해상도가 낮기 때문에 건물 벽면의 텍스쳐를 제작하기 위하여 추가 사진촬영이 필요하였다.
후속연구
- 본 연구에서 구축한 지형･지물의 3D 영상모형은 대상 물의 정량적 정보뿐만 아니라 정성적 정보를 가지고 있으므로 시설물 관리뿐만 아니라 경관 분석, 일조권 분석, 조망권 분석, 방재 및 재난 관리시스템, 문화재 관리시스템, 도시 계획 및 관리 시스템, 건설관리시스템, 내비게이션 시스템, 기존 3D GIS의 공간정보 갱신, 종횡단면도 제작 등과 같은 각종 분야에서 활용될 수 있다.
- 지형･지물의 3D 영상모형은 그림 21과 같이 실제 대상 지역의 고해상도 항공정사영상과 건물의 3D 영상모형을함께 디스플레이 함으로써 경관분석을 위한 3D GIS 공간분석에 활용될 수 있으며, 시설물의 3D 영상모형은 기존 2D 도면과 달리 3D 자료로서 그림 22와 같이 대상물의 정량적 정보 뿐만 아니라 세밀한 정성적 정보까지 제공하기 때문에 유비쿼터스 기반의 시설물 관리를 위한 기초자료로 활용될 수 있다. 또한, 시설물 외부뿐 만아니라 내부까지 모델링이 가능하기 때문에 소방, 방재 관련 자료로 활용될 수 있다(Gross et al.
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