현재, 3차원 도시를 구축하기 위하여 디지털 항측카메라, 레이저스캐너, 다중경사사진 촬영시스템 등이 활용 또는 연구중에 있다. 이와 같은 최신 기법을 이용하여 비교적 넓은 지역의 정밀한 3차원 공간정보를 신속하게 구축할 수 있으며 고품질의 3차원 가상도시를 구축할 수 있다. 또한, 구축된 3차원 공간정보는 최근 빠른 경제발전과 개발에 따른 변화의 요인을 신속하게 반영하여 최신의 공간정보를 제공하여야 한다. 본 연구에서는 변화가 발생한 소규모 지역의 3차원 공간정보의 경제적이며 효율적인 갱신을 위한 근접 항공사진측량을 이용한 3차원 공간정보 수시갱신 체계를 확립하는데 목적을 두고 수행되었다. 연구에서 제안된 무인항공 사진측량기법은 비교적 저가의 무인항공기와 일반 디지털카메라를 이용하여 수행되었으며, 카메라 검정을 통해 내부표정 요소를 취득하고 9개 지점에서 수직 및 경사사진 촬영을 실시하였다. 촬영된 영상중 20매의 영상을 이용하여 기준점 및 건물에 3차원 도화를 실시하고 지상측량자료 및 수치지도와 비교함으로써 제안된 기법의 정확도와 소규모 지역에서 발생하는 3차원 공간정보의 수시갱신에 활용될 수 있는지를 분석하였다.
현재, 3차원 도시를 구축하기 위하여 디지털 항측카메라, 레이저스캐너, 다중경사사진 촬영시스템 등이 활용 또는 연구중에 있다. 이와 같은 최신 기법을 이용하여 비교적 넓은 지역의 정밀한 3차원 공간정보를 신속하게 구축할 수 있으며 고품질의 3차원 가상도시를 구축할 수 있다. 또한, 구축된 3차원 공간정보는 최근 빠른 경제발전과 개발에 따른 변화의 요인을 신속하게 반영하여 최신의 공간정보를 제공하여야 한다. 본 연구에서는 변화가 발생한 소규모 지역의 3차원 공간정보의 경제적이며 효율적인 갱신을 위한 근접 항공사진측량을 이용한 3차원 공간정보 수시갱신 체계를 확립하는데 목적을 두고 수행되었다. 연구에서 제안된 무인항공 사진측량기법은 비교적 저가의 무인항공기와 일반 디지털카메라를 이용하여 수행되었으며, 카메라 검정을 통해 내부표정 요소를 취득하고 9개 지점에서 수직 및 경사사진 촬영을 실시하였다. 촬영된 영상중 20매의 영상을 이용하여 기준점 및 건물에 3차원 도화를 실시하고 지상측량자료 및 수치지도와 비교함으로써 제안된 기법의 정확도와 소규모 지역에서 발생하는 3차원 공간정보의 수시갱신에 활용될 수 있는지를 분석하였다.
For construction of 3D virtual city models, airborne digital cameras, laser scanners, multi-oblique photograph systems and other devices are currently being used. With such advanced techniques, precise 3D spatial information can be collected and high quality 3D city models can be built in a consider...
For construction of 3D virtual city models, airborne digital cameras, laser scanners, multi-oblique photograph systems and other devices are currently being used. With such advanced techniques, precise 3D spatial information can be collected and high quality 3D city models can be built in a considerably large area. The 3D spatial information to be built has to provide the latest information that quickly reflects the causes of any change due to urban development. In this study, a UAV photogrammetric method using low cost UAV and digital camera was proposed to acquire and update 3D spatial information effectively on small areas where information continuously change. In the proposed UAV photogrammetric method, the elements of interior orientation were acquired through camera calibration and the vertical and oblique photographs were taken at 9 points and the 3D drawing of ground control points and buildings was performed using 20 images among the pictured images. This study also analyzed the accuracy of the proposed method comparing with ground survey data and digital map in order to examine whether the method can be used in on-demand 3D spatial information update on relatively small areas.
For construction of 3D virtual city models, airborne digital cameras, laser scanners, multi-oblique photograph systems and other devices are currently being used. With such advanced techniques, precise 3D spatial information can be collected and high quality 3D city models can be built in a considerably large area. The 3D spatial information to be built has to provide the latest information that quickly reflects the causes of any change due to urban development. In this study, a UAV photogrammetric method using low cost UAV and digital camera was proposed to acquire and update 3D spatial information effectively on small areas where information continuously change. In the proposed UAV photogrammetric method, the elements of interior orientation were acquired through camera calibration and the vertical and oblique photographs were taken at 9 points and the 3D drawing of ground control points and buildings was performed using 20 images among the pictured images. This study also analyzed the accuracy of the proposed method comparing with ground survey data and digital map in order to examine whether the method can be used in on-demand 3D spatial information update on relatively small areas.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 도시의 3차원 공간정보의 효과 적인 수시갱신을 위하여 무인항공기와 디지털카메라를 이용한 근접 항공사진측량 기법을 제안하고 제안된 기법의 신뢰도를 분석하기 위하여 현지 적용을 통해 정확도를 분석하는데 목적이 있다.
본 연구에서는 변화가 예상되는 소규모 지역의 3차원 공간정보의 경제적이며 효율적인 취득 및 갱신을 위한 무인항공 사진측량기법을 제안하고자 무인항공기와 디지털카메라를 이용하여 데이터 취득시스템을 구축하였으며, 제안된 공정에 따라 데이터를 처리하고 정확도와 소요시간을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
3차원 공간정보의 수시 갱신을 위하여 제안된 무인항공 사진촬영시스템의 정확도를 분석하기 위하여 수치정사영상, 지상기준점 성과 및 1/1,000 수치지도를 이용하여 비교를 하였다.
무인항공 사진측량시스템의 정확도 분석을 위하여 대상지역내에 50개의 기준점을 선정하고 기 설치되어 있는 도시기준점으로부터 토털스테이션을 이용하여 지상 기준점 측량을 실시하였다. 기준점 성과를 촬영된 영상으로부터 표정 및 광속조정을 거쳐 계산된 좌표값과 비교하였으며 건물 도화에 따른 정확도를 비교하기 위하여 대상지역의 1/1,000 수치지도를 이용하여 주요 건물의 모서리점 100개를 임의로 선정하고 그 좌표값을 비교 하였다.
또한, 실험에서 사용된 카메라의 검정을 위하여 Photomodeler Pro 6에서 지원하는 방식으로 검정판을 그림 3과 같이 8방향에서 촬영한 뒤 검정하여 카메라 내부 표정요소를 표 1과 같이 취득하였다.
무인항공 사진측량시스템의 정확도 분석을 위하여 대상지역내에 50개의 기준점을 선정하고 기 설치되어 있는 도시기준점으로부터 토털스테이션을 이용하여 지상 기준점 측량을 실시하였다. 기준점 성과를 촬영된 영상으로부터 표정 및 광속조정을 거쳐 계산된 좌표값과 비교하였으며 건물 도화에 따른 정확도를 비교하기 위하여 대상지역의 1/1,000 수치지도를 이용하여 주요 건물의 모서리점 100개를 임의로 선정하고 그 좌표값을 비교 하였다.
무인항공 촬영시스템은 대상지역의 넓이와 체공시간을 고려하여 표 2와 같이 대상지역 내부 및 외부로 구분하였으며 대상지역 내부 5방향에서 이륙한 무인항공기는 수직사진을 촬영하고, 대상지역 외부 4방향에서는 경사사진을 촬영하도록 하였다.
선정된 20매의 항공사진과 카메라 내부표정 데이터및 기준점 측량성과 중 6개 지점의 기준점 성과를 이용 하여 사진측량 소프트웨어인 Photomodeler Pro 6에서 프로젝트 생성, 내부표정, 외부표정, 광속조정, 3차원 도화 순서로 데이터를 처리하였다.
작업시간은 표 3와 같이 기준점 측량 및 항공사진촬영, 3차원 도화로 구분하여 산정하였다.
항공촬영을 위하여 2,000만 화소의 Canon 5D MarkⅡ카메라를 그림 2와 같이 진동방지 짐벌에 설치하여 촬영시 진동의 영향을 최소화 하도록 하였으며, 카메라 후레쉬 마운트에 촬영에 사용한 EF 24mm 렌즈와 동일한 화각을 갖는 CCD 카메라를 설치함으로써 촬영시 위치와 범위를 지상에서 모니터링 하고 원격으로 촬영이 가능하도록 하였다.
대상 데이터
무인항공기의 연료소비를 감안한 체공시간은 15분으로서 제한된 시간에 대상지역 전체의 수직 및 경사사진을 촬영하기 위하여 이착륙지점을 9개 지점으로 선정하였으며 각 지점에서 촬영고도 500m 전후로 항공사진을 촬영하였다. 촬영된 사진매수는 각 지점별 50∼80여매를 촬영하였으며 촬영된 사진중 자료처리에 사용된 사진은 총 20매를 사용하였다.
본 연구에서는 비교적 저가의 무인항공기인 일본 Hirobo 사의 SST EAGLE FREYA EVOLUTION을 이용하였으며, 형상과 주요 제원은 그림1과 같다.
연구에서 제안한 시스템의 정확도 분석을 위한 대상지역으로 충북 청주시에 위치한 충북대학교를 선정하였다.
촬영된 사진매수는 각 지점별 50∼80여매를 촬영하였으며 촬영된 사진중 자료처리에 사용된 사진은 총 20매를 사용하였다.
성능/효과
1. 무인항공 사진촬영 시스템을 현장에 적용하고 기준점 측량성과와 비교하여 정확도를 분석한 결과 X, Y, Z 방향별 표준편차는 Xstdev = 0.193m, Ystdev = 0.152m, Zstdev = 0.218m이었다.
2. 대상지역내 건물을 3차원 도화하고 1/1,000 수치지 도의 건물과 모서리점의 좌표를 비교한 결과 표준편차는 Xstdev = 0.192m, Ystdev = 0.240m로 계산되었다.
3. 대상지역의 면적 약 1.6㎢를 기준으로 총 작업에 소요된 시간은 기준점측량 6시간, 항공촬영 5시간, 3차원도화에 9시간으로 총 20시간 소요되었으며, 기준점 측량을 제외하면 촬영 및 도화에 14시간이 소요됨을 알수 있었다.
4. 연구결과 비교적 저가의 무인항공기와 디지털 카메라를 이용하여 경제적이며 비교적 신속한 시간에 대상지역의 3차원 건물 데이터를 취득할 수 있었다. 본 연구결과로 소규모 지역의 3차원 공간정보 취득과 구축된 3차원 정보의 수시갱신에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
또한, 도화 정확도를 비교하기 위하여 1/1,000 수치지 도의 건물 모서리 좌표값과 3차원 도화 성과중 100개 점을 임의로 추출하여 비교한 결과 잔차는 그림 12와 같으며 표준편차는 Xstdev = 0.192m, Ystdev = 0.240m로 계산되었다.
보다 정량적인 비교를 위하여 측량된 총 50개 지상기준점 중 수목, 주차차량 등의 원인으로 사진상에 판독이어려운 10개 점을 제외한 40개 기준점으로 X, Y, Z 방향별 위치 정확도를 비교한 결과 잔차는 그림 11과 같으며, 표준편차는 Xstdev = 0.193m, Ystdev = 0.152m, Zstdev = 0.218m로 계산되었다.
우선 그림 10과 같이 2008년 항공레이저측량으로 제작된 수치정사영상과 중첩하여 육안 검사를 실시하였으며 그 결과 일부 신축건물을 제외한 모든 건물에서 비교적 정확히 일치하는 것으로 분석되었다.
후속연구
연구결과 비교적 저가의 무인항공기와 디지털 카메라를 이용하여 경제적이며 비교적 신속한 시간에 대상지역의 3차원 건물 데이터를 취득할 수 있었다. 본 연구결과로 소규모 지역의 3차원 공간정보 취득과 구축된 3차원 정보의 수시갱신에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지형공간정보를 효율적으로 취득하기 위하여 어떠한 것이 개발되고 있는가?
지형공간정보를 효율적으로 취득하기 위하여 다양한 관측 센서를 탑재하여 임무를 수행할 수 있는 탑재체 (platform)들이 개발되고 있다. 특히, 유인 항공기로 임무를 수행하기 어려운 지역이나 도심지를 관측할 때, 경제 성과 비행안정성을 고려하여 무인항공기가 도입되고 있다(김성삼, 2007).
3차원 공간정보은 어떻게 구축되고 있는가?
3차원 공간정보는 디지털 항측카메라, 레이져스캐너, 다중경사사진촬영 시스템 등 다양한 기법을 이용하여 구축되고 있으며, 기존 2차원 지도가 가지고 있는 단점을 보완하여 사용자에게 각종 지형공간정보를 정량적ㆍ 정성적으로 제공할 수 있기 때문에 관광정보시스템, 도시정보시스템, 네비게이션 시스템, 생활정보 서비스 등 다양한 콘텐츠로 개발되고 있으며 GIS 분석 및 구축된 공간정보를 활용에 중요한 역할을 한다(정성혁 등, 2008; Deng, 2005).
무인항공 사진측량기법을 분석한 결과는 어떠한가?
1. 무인항공 사진촬영 시스템을 현장에 적용하고 기준점 측량성과와 비교하여 정확도를 분석한 결과 X, Y, Z 방향별 표준편차는 Xstdev = 0.193m, Ystdev = 0.152m, Zstdev = 0.218m이었다.
2. 대상지역내 건물을 3차원 도화하고 1/1,000 수치지 도의 건물과 모서리점의 좌표를 비교한 결과 표준편차는 Xstdev = 0.192m, Ystdev = 0.240m로 계산되었다.
3. 대상지역의 면적 약 1.6㎢를 기준으로 총 작업에 소요된 시간은 기준점측량 6시간, 항공촬영 5시간, 3차원도화에 9시간으로 총 20시간 소요되었으며, 기준점 측량을 제외하면 촬영 및 도화에 14시간이 소요됨을 알수 있었다.
4. 연구결과 비교적 저가의 무인항공기와 디지털 카메라를 이용하여 경제적이며 비교적 신속한 시간에 대상지역의 3차원 건물 데이터를 취득할 수 있었다. 본 연구결과로 소규모 지역의 3차원 공간정보 취득과 구축된 3차원 정보의 수시갱신에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
참고문헌 (7)
김성삼 (2007), 무인헬기기반 영상정보취득체계에 의한 홍수재해 분석, 경상대학교 대학원 박사학위논문
이재기, 이동주, 최석근 (2007), GIS DB 구축을 위한 수시갱신 시스템 개발, 한국측량학회지, 한국측량학회,제 25권, 제 3호, pp. 249-255
Deng, F., Zhang, Z. and Zhang, J. (2005), Construct 3D City Model by Multi-Sensor Data, ISPRS Workshop on Service and Application of Spatial Data Infrastructure, Hangzhou, China, pp. 187-190
Gross, H., Thoennessen, U. and Hansen, W.V. (2005), 3D Modeling of Urban Structures, IAPRS, Vienna, Austria, Vol. XXXVI Part 3/W24, pp. 137-142
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