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문제 정의
- 본 논문에서는 앞에서 언급한 지상기준국 운영의 문제를 극복하기 위하여 전국에 골고루 분포되어 있고 GPS 신호를 안정적으로 수신할 수 있는 GPS 상시관측소 자료를 이용하여 GPS/INS 자료를 처리하여 사용하는 방법을 제시하였다. 2007년 현재 국내에서는 5개의 정부 기관에서 84개의 상시관측소를 운영하고 있고, 전국적인 상시관측소의 분포를 고려할 때 모든 지역에서 20～30 km 범위 내에 있는 상시관측소의 자료를 활용하여 항공 삼각측량은 물론 육상측량 등 정확한 위치정보를 요구하는 다양한 방면에 사용될 수 있다.
- 본 연구에서는 GPS/INS 항공삼각측량에 필요한 GPS 지상기준국의 운영상의 여러 문제점을 해결하기 위해 국내에서 운영하는 상시관측소를 이용하는 방안에 대해서 분석하였다. 그러나 국내에서 운영하는 상시관측소는 30초 간격의 자료만을 서비스하기 때문에 항공기용 GPS 이동측위를 위해서는 1초 간격으로 내삽을 해야 한다.
- 본 연구에서는 지상기준국 운영상의 문제점을 해결하기 위해 상시관측소 자료와 GPS/INS 자료로 결정한 외부표정요소를 항공삼각측량에 적용하여 효율적인 수치 지도 제작이 가능한 지를 고찰하였다. 먼저 상시관측소 자료를 항공기용 GPS/INS 자료와 함께 처리하기 위해서 촬영당시에 수신된 상시관측소 자료를 내삽하여 GPS/INS 자료와 함께 처리하여 외부표정요소를 결정하였다.
- 본 연구의 목적은 항공사진측량을 위한 지상기준국 운영의 곤란함을 해결하기 위해 상시관측소 자료로 지상기준국을 대체하여 사용할 수 있느냐를 검토하는 데 있다. 국내에는 약 84개의 상시관측소가 운영되고 있어 내륙지방에서는 어느 지역에서나 30～40km 범위 내에서 수신한 GPS 자료를 기준국 자료로 활용할 수 있지만 많은 섬들이 산재해 있는 해안 지방에서는 상시관측소와의 일정한 거리에 있는 자료를 사용할 수 있다고 장담할 수 없다.
제안 방법
- 지상기준점 측량은 현재 국토지리정보원의 항공사진 측량작업내규에 의한 배치 방법으로 실시하였다(국토지리정보원, 2006). GPS 측량을 위해 수원, 서산, 청주 상시관측소와 작업지역 부근의 삼각점과 수준점을 연결하여 기선망을 구성하였고, 각 지상기준점은 15초 간격으로 약 30분간 자료를 수신하는 3급 기준점측량 방법으로 결정하였다. 높이기준점 측량은 작업지역이 동서로 약 5km, 남북으로 약 4km이고, 기복이 심하지 않은 평탄한 지역이므로 지오이드에 의한 영향이 심하지 않아 측지학적으로 평지로 고려할 수 있으므로 부근에 있는 수준점과 연결하여 GPS 간접수준측량 방법으로 실시하였다.
- 그리고 2000년 이후로 S/A를 작동하지 않고 상시관측소는 cycle slip의 발생을 최소화하도록 설치운영하고 있다. 그러므로 본 연구에서는 상시관측소 자료 수신의 안정성과 수신간격, 개발의 편리성 등을 고려하여 관측 자료를 이용한 내삽 방법을 사용하였다.
- GPS 측량을 위해 수원, 서산, 청주 상시관측소와 작업지역 부근의 삼각점과 수준점을 연결하여 기선망을 구성하였고, 각 지상기준점은 15초 간격으로 약 30분간 자료를 수신하는 3급 기준점측량 방법으로 결정하였다. 높이기준점 측량은 작업지역이 동서로 약 5km, 남북으로 약 4km이고, 기복이 심하지 않은 평탄한 지역이므로 지오이드에 의한 영향이 심하지 않아 측지학적으로 평지로 고려할 수 있으므로 부근에 있는 수준점과 연결하여 GPS 간접수준측량 방법으로 실시하였다. 평면기준점(X, Y)은 블록의 외곽에 2모델 간격으로 배치하였고, 높이기준점(Z)은 모델당 4점이 되도록 배치하였다(그림 2).
- 둘째, 1초 간격으로 내삽한 상시관측소 자료를 이용하여 GPS/INS 외부표정요소를 결정하였다. 이를 촬영지역 중앙에 설치한 지상기준국 자료로 결정한 외부표정요소와 비교한 결과 코스별 투영중심의 표준편차는 대부분 1cm 이내(최대 2cm)로 내삽오차와 비슷한 수준이었다.
- 이에 따른 지상기준점의 수와 검사점의 수는 표 2와 같다. 또한 지상기준점을 4모서리에 배치하는 방법과 4모서리 배치 및 cross strip을 동시에 사용하는 방법을 수행하여 cross strip의 영향을 분석하였다.
- 따라서 상시관측소에서 수신한 자료를 이용한 항공삼각 측량의 유용성을 점검하기 위해서는 상시관측소와의 거리에 따른 정확도를 비교해 보아야 한다. 또한, 도서 지역과 같이 접근이 곤란한 지역의 경우에는 정상적인 지상 기준점 측량이 곤란하고, 현장측량 인원의 부족으로 인해 지상기준점의 수를 현재보다 줄여야 하는 불가피한 상황에 대처하기 위해 지상기준점 배치에 따른 정확도도 동시에 점검하였다. 상시관측소 거리에 따른 정확도 분석을 위해 아산(ASAN) 지상기준국과 천안(CHAN), 청주(CNJU), 서울(SOUL) 상시관측소를 이용하여 GPS/INS 항공삼각측량을 수행하였다.
- 본 연구에서는 지상기준국 운영상의 문제점을 해결하기 위해 상시관측소 자료와 GPS/INS 자료로 결정한 외부표정요소를 항공삼각측량에 적용하여 효율적인 수치 지도 제작이 가능한 지를 고찰하였다. 먼저 상시관측소 자료를 항공기용 GPS/INS 자료와 함께 처리하기 위해서 촬영당시에 수신된 상시관측소 자료를 내삽하여 GPS/INS 자료와 함께 처리하여 외부표정요소를 결정하였다. 이를 광속조정법에 의한 항공삼각측량을 수행한 후 지상기준 국에 의한 결과와 비교하여 정확도를 분석하였다.
- 또한, 도서 지역과 같이 접근이 곤란한 지역의 경우에는 정상적인 지상 기준점 측량이 곤란하고, 현장측량 인원의 부족으로 인해 지상기준점의 수를 현재보다 줄여야 하는 불가피한 상황에 대처하기 위해 지상기준점 배치에 따른 정확도도 동시에 점검하였다. 상시관측소 거리에 따른 정확도 분석을 위해 아산(ASAN) 지상기준국과 천안(CHAN), 청주(CNJU), 서울(SOUL) 상시관측소를 이용하여 GPS/INS 항공삼각측량을 수행하였다. 아산 지상기준국으로부터 천안(CHAN), 청주(CNJU), 서울(SOUL) 상시관측소까지의 거리는 각각 15.
- 순수한 내삽오차가 항공삼각측량에 미치는 영향을 분석하기 위해 내삽한 아산기준국 자료를 이용하여 외부표정요소를 결정하였다. 이 결과로 광속조정법을 수행하여 1초 간격 자료에 의한 결과와 비교하였다.
- 아산기준국 자료는 30초 간격으로 변환한 후 다시 1초 간격으로 내삽한 자료(ASAN_I)로 결정한 외부표정요소와 원래 1초 간격으로 수신된 자료(ASAN)로 결정한 외부표정요소를 각 사진별로 비교하였다. 항공기가 코스를 변경하기 위해 회전하는 동안 위성 신호가 끊어지는 현상으로 코스별로 평행이동 및 편류가 발생하는 점을 고려하여 코스별로 평균(평행이동)과 표준편차를 계산하여 표 3에 정리하였다.
- 아산기준국을 이용한 이동측위는 항공기와의 거리가 충분히 근접해 있고, 위성자료의 수신 상태가 양호하여 전리층 보정을 포함한 모든 과정이 1초 간격으로 정상적으로 처리되었다. 아산기준국에 의한 항공삼각측량을 수행할 때 항공기의 회전경사각(bank angle)으로 20번 위성의 신호 단절로 각 코스별로 투영중심 좌표가 상이한 점을 고려하여 코스별로 평행이동(shift) 및 편류(drift)를 보정하였다.
- 먼저 상시관측소 자료를 항공기용 GPS/INS 자료와 함께 처리하기 위해서 촬영당시에 수신된 상시관측소 자료를 내삽하여 GPS/INS 자료와 함께 처리하여 외부표정요소를 결정하였다. 이를 광속조정법에 의한 항공삼각측량을 수행한 후 지상기준 국에 의한 결과와 비교하여 정확도를 분석하였다.
- 그러나 국내에서 운영하는 상시관측소는 30초 간격의 자료만을 서비스하기 때문에 항공기용 GPS 이동측위를 위해서는 1초 간격으로 내삽을 해야 한다. 이를 위해 GPS 자료 내삽에 따른 오차를 분석하였고, 이를 다양한 거리에 따른 상시관측소 자료를 이용하여 항공삼각측량을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이를 위해 촬영지역 근처에 있는 상시관측소 자료를 이용하여 지상기준국에서 수신한 GPS 자료를 처리하였다. 국토지리정보원에서 성과를 고시한 5개의 상시관측소와 행정자치부에서 운영하는 천안(CHAN)상시관측소 자료를 사용하였다.
- 본 연구에서는 SF-600 항공기에 설치된 RC-20 항공사진기와 캐나다 Applanix사의 GPS/INS(POS AV-510) 장비를 사용하였다(표 1). 장비를 설치한 후 GPS 수신기에 연직으로 추를 설치하여 항공사진의 투영중심과의 이격 거리를 측정하였다. 항공사진 촬영은 2006년 10월 12일 오후 1시부터 오후 3시까지 아산지역에서 실시하였고, 종중복은 60%, 횡중복은 30%로 유지하여 동서방향으로 4개 코스를 축척 1/5,500으로, 남북방향으로 2개 코스를 축척 1/8,000으로 총 74매를 촬영하였다(그림 2).
- 정확도 평가 기준에 따른 분석을 수행하기 위해 지상기준점을 모두 사용하는 경우를 포함하여 2모델, 4모델, 8모델 간격으로 배치하였다. 지상기준점은 모델 간격에 의해 촬영방향에 직각으로 코스가 중복되는 부분에 일렬로 배치된다.
- 여기에서 기준자료는 지상기준점만 사용하는 방법과, 4모델 간격은 GPS/INS를 적용하는 현재의 국내 작업규정과 동일한 방법이다. 지상기준점 배치 간격이 넓어짐에 따라 제외되는 기준점을 점차로 검사점으로 바꾸어 정확도 점검에 사용하였다. 이에 따른 지상기준점의 수와 검사점의 수는 표 2와 같다.
- 아산기준국 자료는 30초 간격으로 변환한 후 다시 1초 간격으로 내삽한 자료(ASAN_I)로 결정한 외부표정요소와 원래 1초 간격으로 수신된 자료(ASAN)로 결정한 외부표정요소를 각 사진별로 비교하였다. 항공기가 코스를 변경하기 위해 회전하는 동안 위성 신호가 끊어지는 현상으로 코스별로 평행이동 및 편류가 발생하는 점을 고려하여 코스별로 평균(평행이동)과 표준편차를 계산하여 표 3에 정리하였다. 표 3에서 투영중심에 대한 평균값은 높이(Z)에서 최대 1.
대상 데이터
- 이를 위해 촬영지역 근처에 있는 상시관측소 자료를 이용하여 지상기준국에서 수신한 GPS 자료를 처리하였다. 국토지리정보원에서 성과를 고시한 5개의 상시관측소와 행정자치부에서 운영하는 천안(CHAN)상시관측소 자료를 사용하였다. 상시관측소 자료는 촬영지역 중앙과 서울에 설치한 지상기준국의 위치를 결정하고, GPS 내삽방법으로 항공사진의 외부표정요소를 결정하여 항공삼각 측량을 수행하는 데에도 사용하였다(그림 3).
- 본 연구에서 광각렌즈(초점거리 153mm)를 사용하였고, 촬영높이는 지면으로부터 약 800m이므로 국내 규정에 의한 정확도는 0.2‰Z(0.16m)로 된다.
- 본 연구에서는 SF-600 항공기에 설치된 RC-20 항공사진기와 캐나다 Applanix사의 GPS/INS(POS AV-510) 장비를 사용하였다(표 1). 장비를 설치한 후 GPS 수신기에 연직으로 추를 설치하여 항공사진의 투영중심과의 이격 거리를 측정하였다.
- 국토지리정보원에서 성과를 고시한 5개의 상시관측소와 행정자치부에서 운영하는 천안(CHAN)상시관측소 자료를 사용하였다. 상시관측소 자료는 촬영지역 중앙과 서울에 설치한 지상기준국의 위치를 결정하고, GPS 내삽방법으로 항공사진의 외부표정요소를 결정하여 항공삼각 측량을 수행하는 데에도 사용하였다(그림 3).
- 장비를 설치한 후 GPS 수신기에 연직으로 추를 설치하여 항공사진의 투영중심과의 이격 거리를 측정하였다. 항공사진 촬영은 2006년 10월 12일 오후 1시부터 오후 3시까지 아산지역에서 실시하였고, 종중복은 60%, 횡중복은 30%로 유지하여 동서방향으로 4개 코스를 축척 1/5,500으로, 남북방향으로 2개 코스를 축척 1/8,000으로 총 74매를 촬영하였다(그림 2).
데이터처리
- 순수한 내삽오차가 항공삼각측량에 미치는 영향을 분석하기 위해 내삽한 아산기준국 자료를 이용하여 외부표정요소를 결정하였다. 이 결과로 광속조정법을 수행하여 1초 간격 자료에 의한 결과와 비교하였다.
이론/모형
- 관측 자료를 이용한 대표적인 내삽 방법으로는 Neville 알고리듬과 Chebychev 다항식이 있으며 내삽법 선택을 위해 지상기준국에서 1초 간격으로 수신된 위성신호를 이용하여 분석한 결과 두 방법의 내삽오차는 거의 차이가 없었으나, 잔차의 최소화 및 원래 자료의 복구 측면에서 더 짧은 구간의 자료를 사용하는 Chebychev 다항식을 선택하였다(Press et al., 1992; Wikipedia, 2007).
- 지상기준점 측량은 현재 국토지리정보원의 항공사진 측량작업내규에 의한 배치 방법으로 실시하였다(국토지리정보원, 2006). GPS 측량을 위해 수원, 서산, 청주 상시관측소와 작업지역 부근의 삼각점과 수준점을 연결하여 기선망을 구성하였고, 각 지상기준점은 15초 간격으로 약 30분간 자료를 수신하는 3급 기준점측량 방법으로 결정하였다.
성능/효과
- 첫째, 1초 간격으로 수신한 지상기준국 자료로 수행한 모의실험에 의한 내삽오차는 무시할 수 있는 수준이었다. 내삽한 자료(ASAN_I)로 결정한 외부표정요소와 원래 1초 간격으로 수신된 자료(ASAN)로 결정한 외부표정요소는 투영중심에 대한 평균값은 대부분 1.0cm 이내로 매우 작은 평행이동이 발생했으며, 표준편차도 높이(Z)에서도 최대 1.0cm로 매우 작은 것을 알 수 있었다. GPS/INS 항공삼각측량 결과 역시 지상기준점 배치에 관계없이 오차가 대부분 수mm의 차이를 보였다.
- 동일한 지상기준점 배치에 의한 결과를 비교해 보면 평균제곱근오차, 최대오차 모두 무시할 수 있는 차이를 보이고 있다. 따라서 이동관측에 의한 GPS 자료의 내삽오차의 크기는 항공삼각측량 조정과정에서 무시할 수 있는 잡음 수준임을 알 수 있다.
- 상시관측소 별로 나타난 평행이동 및 편류 요소들은 항공삼각 측량 과정에서 조정 변수로 제거되어 항공삼각측량 결과는 GPS 자료 내삽오차보다 작은 차이를 보였다. 따라서 상시관측소 자료의 내삽오차는 항공삼각측량 조정과정에서 발생하는 잡음 수준임을 확인할 수 있었다. 그러므로 상시관측소 자료는 지상기준국 운영상의 문제점을 해결할 수 있는 대안으로 사용할 수 있고, 지상기준국을 운영하기 곤란한 도서 지역에 대한 항공삼각측량에도 적용할 수 있다.
- 셋째, 상시관측소 내삽 자료로 결정한 외부표정요소를 적용한 항공삼각측량 성과는 촬영지역 지상기준국 자료에 의한 성과와 거의 비슷한 결과를 나타내었다. 상시관측소 별로 나타난 평행이동 및 편류 요소들은 항공삼각 측량 과정에서 조정 변수로 제거되어 항공삼각측량 결과는 GPS 자료 내삽오차보다 작은 차이를 보였다. 따라서 상시관측소 자료의 내삽오차는 항공삼각측량 조정과정에서 발생하는 잡음 수준임을 확인할 수 있었다.
- 셋째, 상시관측소 내삽 자료로 결정한 외부표정요소를 적용한 항공삼각측량 성과는 촬영지역 지상기준국 자료에 의한 성과와 거의 비슷한 결과를 나타내었다. 상시관측소 별로 나타난 평행이동 및 편류 요소들은 항공삼각 측량 과정에서 조정 변수로 제거되어 항공삼각측량 결과는 GPS 자료 내삽오차보다 작은 차이를 보였다.
- 첫째, 1초 간격으로 수신한 지상기준국 자료로 수행한 모의실험에 의한 내삽오차는 무시할 수 있는 수준이었다. 내삽한 자료(ASAN_I)로 결정한 외부표정요소와 원래 1초 간격으로 수신된 자료(ASAN)로 결정한 외부표정요소는 투영중심에 대한 평균값은 대부분 1.
- 이러한 현상이 일어나면 코스간의 촬영위치의 변이가 발생하기 때문에 항공삼각측량 조정과정에서 코스별로 GPS의 편류(drift)와 평행이동(shift) 변수를 따로 설정하여 사용하여야 한다(Ackermann, 1992). 청주상시관측소 자료의 처리결과에서 서울에 있는 상시관측소보다 촬영 지역에서 가까이 있지만 평균제곱근오차가 큰 것을 알 수 있다. 이는 청주상시관측소의 자료 수신 상태가 다른 기준국보다 좋지 않기 때문에 나타나는 현상이다.
- 모든 자료에 대해서 촬영 지역을 비행하는 동안 정수형으로 모호정수가 결정되었다. 총 비행시간은 10:05～12:27 중에서 항공사진 촬영 시간인 10:45～11:25(GPS 시간 1:45～2:25)의 자료처리 결과로부터 상시관측소 및 지상기준국과 항공기와의 거리, 중간에는 정방향/역방향 위치 차이, 아래에는 위치 오차 및 표준편차를 분석하였으며, 그 결과 각 기준국에 대해 GPS로 계산한 정방향과 역방향의 위치의 차이 및 평균제곱근오차(RMS)를 보면 거리에 따라 미미한 차이가 발생한다. 그러나 그 차이는 1cm 이하로 무시할 만한 수준이었다.
후속연구
- 또한, 현재 상시관측소는 내륙지역에서는 충분한 밀도로 분포되어 있지만 도서지역에 대한 항공사진을 촬영할 때는 기선거리가 내륙에서보다도 멀어지게 되므로, 우리나라 전역에 대한 본 연구 결과의 적용 가능성을 검토하기 위해서는 기선거리에 따른 정확도 분석이 필요하다.
- 하지만, 국내 상시관측소들은 30초 간격으로 위성신호를 제공하므로 1초 이하의 간격으로 수신하는 항공기용 GPS/INS를 지원하기 위해서는 1초 간격으로 내삽을 하여야 하므로. 상시관측소 자료를 내삽할 때 발생하는 오차가 GPS/INS로 결정한 외부표정요소에 미치는 영향과 그에 따라 항공삼각측량의 결과에 미치는 영향을 분석하여 적용 가능성을 판단하여야 한다.
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