GPS/INS을 이용한 항공레이저측량은 GPS 이동측위를 기반으로 정밀하고 신속한 3차원 위치좌표를 취득하기 위하여 GPS 지상기준국의 설치 및 운영이 필수적 요건이지만 지상기준국의 정상적인 운영이 어려운 경우가 많다. 따라서 본 연구에서는 지상기준국의 상시관측소 대체 가능성 검토와 더불어 항공기 GPS와 상시관측소와의 기선거리에 따른 Z값에 대한 영향성을 검토하였다. 그 결과 규정거리 이내의 상시관측소 성과를 대체하여도 충분한 정확도를 얻을 수 있어 활용 가능하다고 판단이 된다. 또한 규정거리 이상의 상시관측소도 양호한 성과를 얻을 수 있었다.
GPS/INS을 이용한 항공레이저측량은 GPS 이동측위를 기반으로 정밀하고 신속한 3차원 위치좌표를 취득하기 위하여 GPS 지상기준국의 설치 및 운영이 필수적 요건이지만 지상기준국의 정상적인 운영이 어려운 경우가 많다. 따라서 본 연구에서는 지상기준국의 상시관측소 대체 가능성 검토와 더불어 항공기 GPS와 상시관측소와의 기선거리에 따른 Z값에 대한 영향성을 검토하였다. 그 결과 규정거리 이내의 상시관측소 성과를 대체하여도 충분한 정확도를 얻을 수 있어 활용 가능하다고 판단이 된다. 또한 규정거리 이상의 상시관측소도 양호한 성과를 얻을 수 있었다.
In the airborne laser survey with GPS/INS, based on kinematic, the installation and operation of GPS base stations is necessary to allow three-dimensional location coordinates to be obtained quickly and precisely. However, in many cases, GPS base stations operate under difficult conditions. In this ...
In the airborne laser survey with GPS/INS, based on kinematic, the installation and operation of GPS base stations is necessary to allow three-dimensional location coordinates to be obtained quickly and precisely. However, in many cases, GPS base stations operate under difficult conditions. In this paper, we investigate the substitutability of continuously operating reference stations (CORS) for base stations, and we examine the influence of the distance between aircraft GPS and CORS on the Z-value. The results of our study demonstrate that, if the performance of GPS base stations within regulation distance is replaced with that of CORS, sufficient accuracy is guaranteed. Moreover, the performance of CORS beyond regulation distance is fairly good.
In the airborne laser survey with GPS/INS, based on kinematic, the installation and operation of GPS base stations is necessary to allow three-dimensional location coordinates to be obtained quickly and precisely. However, in many cases, GPS base stations operate under difficult conditions. In this paper, we investigate the substitutability of continuously operating reference stations (CORS) for base stations, and we examine the influence of the distance between aircraft GPS and CORS on the Z-value. The results of our study demonstrate that, if the performance of GPS base stations within regulation distance is replaced with that of CORS, sufficient accuracy is guaranteed. Moreover, the performance of CORS beyond regulation distance is fairly good.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 여타의 문제들로 인하여 지상 기준국의 운영이 불가능할 경우 GPS 신호를 안정적으로 수신할 수 있는 GPS 상시관측소 자료를 이용하여 GPS/INS자료를 처리하는 과정에 사용하는 방법을 검토하고자 한다. 또한 규정된 기선거리 이상의 상시 관측소를 적용하여 얻어지는 항공레이저측량 관측점에 대한 타원체고 및 정표고에 대한 높이 비교를 통하여 항공 GPS와 상시관측소와의 기선거리에 따른 높이성과에 대한 영향성을 검토해 보았다.
한다. 또한 규정된 기선거리 이상의 상시 관측소를 적용하여 얻어지는 항공레이저측량 관측점에 대한 타원체고 및 정표고에 대한 높이 비교를 통하여 항공 GPS와 상시관측소와의 기선거리에 따른 높이성과에 대한 영향성을 검토해 보았다.
본 연구는 항공레이저측량 시 설치해야 하는 지상 기준국을 대체하여 상시관측소 성과의 적용 가능성에 대한 검토와 기선거리에 따른 높이 정보의 영향성을 분석하고자 하는 것으로, 연구 대상 지역에 대한 취득 데이터의 정확도를 검증하기 위해서는 특징점(Spot Point)에 대한 절대좌표를 얻어야만 한다. 그러나, 항공 레이저 측량을 이용하여 취득되어지는 데이터는 무수한 점군 (PointClouds) 자료이기 때문에 특징점과 일대일로 부합되는 점 성과를 얻을 수가 없으며, 현재 항공 레이저 측량작업 규정에도 평면에 대해 정확도 검증에 대한 규정이 명시되어 있지 않고 표고점에 대해서만 정확도 검증을 명시하였다.
본 연구에서는 여타의 문제들로 인하여 정상적으로 지상 기준국의 운영이 불가능할 경우에 대한 문제를 해결하기 위하여 상시관측소를 대체 적용하는 방안에 대한 가능성 여부와 더불어 규정된 기선거리 이상의 상시 관측소를 적용하여 기선거리에 따른 높이성과의 영향성에 대하여 검토해 보고자 하였다. 이를 위해 항공 레이저 측량작업 규정에 근거하고 규정 성과를 만족하는 지상 기준국을 이용한 항공레이저측량 성과와 동일방법에 따른 상시 관측소를 이용한 항공레이저측량 성과에 대한 타원체고 및 정표고 비교분석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
많은 연구가 이루어지고 있다. MBES(Multi Beam Echo Sounder)와 항공레이저스캐닝을 이용하여 하천 지역 에 대한 DEM(Digital Elevation Model)구축 한 후 MBES와 항공레이저측량의 정확도 평가를 연구하였으며(권오철 등, 2009), 항공레이저측량을 통해 생성된 DEM을 기준으로 특이점을 선점하여 GPS측량 후 정표 고에 대한 정확도를 분석하였다(강준묵 등, 2006). 90년대 중반에 상용으로 개발한 GPS/INS장비와 항공사진을 이용한 연구를 시작하여 2002년 Mader는 30초 간격으로 데이터를 수신하는 국내 상시관측소의 위성자료를 1초 간격으로 보간하여 1/10, 000항공으로 수행한 연구에서 전용 지상기준국을 설치하지 않고 작업지역에서 약 50km 떨어진 상시관측소를 이용하여 외부표정 요소와 지상 기준점을 비교하였더니 RMSE = 40cm이내임을 발표하였다(Mader, 2002).
국토지리정보원에서 제공하는 상시관측소 데이터 수신간격은 30초 간격이기 때문에 선정된 상시관측소 자료는 항공기 GPS와의 동일한 수신간격 인 0.5초 간격으로 내삽하고 GPS/INS 데이터와 함께 처리하여 기준자료와 동일한 방법으로 항공 레이저 측량 데이터를 구축하였다.
본 연구에서는 연구대상지 내에 8점에 대하여 타원 체고와 정표고 성과를 얻기 위하여 GPS측량 및 직접 수준 측량을 시행하였으며, 지상기준국 및 10개의 상시 관측소를 이용하여 취득 된 항공레이저측량 성과에 대하여 국토지리정보원에 고시된 항공레이저 측량 작업 규정에서의 점검방식(제 4장 제 25조 기준점을 이용한 점검 및 조정)과 동일한 Im 반경 이내의 관측점들의 타원 체고와 정표 고의 평균표고를 비교하였다.
선정된 상시관측소 자료를 이용한 항공 레이저 측량 성과를 지상기준국을 적용한 성과와 동일한 방법으로 타원체고와 정표고에 대하여 측량점을 비교하였다. 비교결과 상시관측소 2곳에서의 성과가 모두 항공 레이저 측량작업 규정에 적합한 정확도를 보였으며, 지상 기준국을 적용한 결과값과 매우 유사한 정확도를 보였다.
8krf에 해당하는 비교적 평탄하고 산지와 논밭으로 구성되어 있는 곳으로 선정하였으며, 사용된 장비는Leica Geosystem 사의 ALS50-II를 이용하였다. 안정된 데이터 취득을 목적으로 GPS 초기값 및 INS 누적오차를 제거하기 위한 등속비행 및 S선회 등을 시행하여 초기화 작업을 수행하였고 대상지역에서의 데이터 취득이 끝난 이후에도 GPS 이동측위 해석을 위하여 등속 비행을 유지하였다.
대하여 검토해 보고자 하였다. 이를 위해 항공 레이저 측량작업 규정에 근거하고 규정 성과를 만족하는 지상 기준국을 이용한 항공레이저측량 성과와 동일방법에 따른 상시 관측소를 이용한 항공레이저측량 성과에 대한 타원체고 및 정표고 비교분석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이용하여 타원체고와. 정표고 성과를 취득하기 위해 GPS측량 및 직접수준측량을 수행하였다. 그림 5는 성과 비교를 위해 선정된 수준점에 대한 배치도이며, 표 4 는 수준점 성과이다.
대하여 정확도를 분석하였다. 정표고 조정은 평탄한 지역에 대해 7점을 직접수준측량 하였고, 항공 레이저 측량 원시자료성과에서 각각의 7점을 비교한 뒤 타원체 높이에서 차이만큼 보정하여 정표고 조정을 실시하였다. 비교한 결과로 GPS로 취득한 측량점의 타원 체고와의 비교결과 RMSE가 0.
지상기준국 및 상시관측소 자료를 이용한 항공 레이저 측량 성과에 대한 높이 성과의 영향을 판단하기 위하여 동일점에서의 점 주변 평균 높이성과에 대한 절대 비교를 수행하였다.
지상에서 관측된 GPS자료와 항공기에서 관측된 GPS 자료 및 INS자료를 결합하여. 항공기의 위치좌표가 산출되며, INS자료와 레이저계측의 거리자료를 결합하여 레이저 1점마다 수평위치 및 표고값을 산출하여 점군자료가 산출한다.
취득데이터에 대한 신뢰도와 데이터 처리 결과에 대한 정확도를 확인하기 위해 작업규정을 준수하여 지상 기준국을 적용한 항공레이저측량 성과의 타원체고 및 정표 고에 대하여 정확도를 분석하였다. 정표고 조정은 평탄한 지역에 대해 7점을 직접수준측량 하였고, 항공 레이저 측량 원시자료성과에서 각각의 7점을 비교한 뒤 타원체 높이에서 차이만큼 보정하여 정표고 조정을 실시하였다.
대상 데이터
20m 이상의 결과를 보이는 등 다소 불한정한 경향이 있었다. 30km 이상의 거리를 갖는 상시관측소 중에 400km이상 떨어진 제주 상시관측소는 지상기준국 및 9 개에 대한 상시관측소들과 동일한 위성 6개를 사용하였으며 PDOPe 251이 었다.
대상지 역에 대한 촬영은 비행고도 약 2,000m, 코스 간 중복도는 약 50%, 취득 점밀도는 약 2.5점/m2로 촬영하였으며, 항공기 GPS의 데이터 취득 간격은 0.5초, 데이터 취득 시 관측된 GPS위성 수는 9개, PDOPe 1.기이 었다.
상시관측소 자료의 지상기준국 대체 가능성을 검토하기 위하여 30km이내에 위치한 2곳의 상시관측소를 선정하였다. 선정된 상시관측소 자료를 이용한 항공 레이저 측량 성과를 지상기준국을 적용한 성과와 동일한 방법으로 타원체고와 정표고에 대하여 측량점을 비교하였다.
상시관측소의 지상기준국 대체 가능성을 검토하기 위하여 항공기에 탑재되어있는 GPS와의 기선거리 30km 이내 조건을 만족하는 상시관측소 2곳을 선정하였으며, 전국에 분포되어 있는 총 44개의 상시관측소를 대상으로 30km 이상의 기선거리를 갖는 상시관측소들 중에서 거리에 따른 영향성 판단하기 위해 일정 거리를 고려하여 8개의 상시관측소를 선정하였다. 국토지리정보원에서 제공하는 상시관측소 데이터 수신간격은 30초 간격이기 때문에 선정된 상시관측소 자료는 항공기 GPS와의 동일한 수신간격 인 0.
연구 대상지역은 경기도 남부의 일부 지역으로 면적 16.8krf에 해당하는 비교적 평탄하고 산지와 논밭으로 구성되어 있는 곳으로 선정하였으며, 사용된 장비는Leica Geosystem 사의 ALS50-II를 이용하였다. 안정된 데이터 취득을 목적으로 GPS 초기값 및 INS 누적오차를 제거하기 위한 등속비행 및 S선회 등을 시행하여 초기화 작업을 수행하였고 대상지역에서의 데이터 취득이 끝난 이후에도 GPS 이동측위 해석을 위하여 등속 비행을 유지하였다.
항공 GPS의 기선거리에 따른 높이 정확도의 영향성을 검토하기 위하여 대상지역으로부터 30km 이상의 거리를 갖는 8곳의 상시관측소를 선정하였다. 동일 비교 방법을 수행한 결과 각각의 성과에 대한 RMSE가 모두 항공레 이 저측량작업규정의 정확도 기준 RMSE25cm 이내(제 4장 25조 ②항)를 만족함에 따라 상시관측소의 거 리차는높이성과에 대한 영향성이 적은 것으로 판단된다.
데이터처리
LAS(Log ASCII Standard) 포맷으로 변환하여 사용하였다. LAS 데이터 처리를 위해 사용한 소프트웨어는 ALS Post Processor를 이용하였으며 포맷 변환 시, 사전에 수행한 Calibration 조정값을 적용하여 취득 데이터에 대한 정확도와 신뢰도를 확보하였다. 그림 3은 항공레이저측량 작업흐름도이며 표 1은 Calibration 조정량과 조정 후 표준편차를 나타낸다.
이론/모형
산출한 점군자료에 대하여 노이즈 제거를 실시한 후 항공레이저측량의 공통 포맷인 *.LAS(Log ASCII Standard) 포맷으로 변환하여 사용하였다. LAS 데이터 처리를 위해 사용한 소프트웨어는 ALS Post Processor를 이용하였으며 포맷 변환 시, 사전에 수행한 Calibration 조정값을 적용하여 취득 데이터에 대한 정확도와 신뢰도를 확보하였다.
그러나, 항공 레이저 측량을 이용하여 취득되어지는 데이터는 무수한 점군 (PointClouds) 자료이기 때문에 특징점과 일대일로 부합되는 점 성과를 얻을 수가 없으며, 현재 항공 레이저 측량작업 규정에도 평면에 대해 정확도 검증에 대한 규정이 명시되어 있지 않고 표고점에 대해서만 정확도 검증을 명시하였다. 그리하여 평면에 정확도는 본 연구에서 사용되는 ALS50-D 장비 사양에 의존하였다. ALS50-II 장비의 평면에 대한 정확도 사양은 비행고도 1, 000m에서 촬영을 할 경우 수평정확도는 15cm 이며, 비행고도 2,000 m에서 촬영을 할 경우 수평정확도는 24cm이다.
성능/효과
결과에 따라 지상기준국의 정상적인 운영이 불가능한 경우에는 규정거리 이내의 상시관측소 자료를, 활용하는 방안도 가능하다고 판단되어지며, 상시관측소와의 기선 거리는 높이 방향의 오차에 대한 영향성이 상대적으로 적은 것으로 판단된다. 그러나 본 연구내용에서 규정 거리 이상의 상시관측소 자료를 적용한 성과가 작업 규정의 정확도를 만족하기는 하지만 일부 비교결과 중에서 최대값이 0.
갖는 8곳의 상시관측소를 선정하였다. 동일 비교 방법을 수행한 결과 각각의 성과에 대한 RMSE가 모두 항공레 이 저측량작업규정의 정확도 기준 RMSE25cm 이내(제 4장 25조 ②항)를 만족함에 따라 상시관측소의 거 리차는높이성과에 대한 영향성이 적은 것으로 판단된다. 그러나, 일부 상시관측소의 비교결과 중에서 최대편차가 0.
둘째, 규정거리 이상의 상시관측소 자료를 적용한 성과에 대한 비교결과 타원체고에 대한 RMSE는 7~12cm, 정표고에 대한 RMSE는 2~7cm로 항공 레이저 측량 작업 규정 정확도 규정을 만족하는 결과를 얻었다.
선정된 상시관측소 자료를 이용한 항공 레이저 측량 성과를 지상기준국을 적용한 성과와 동일한 방법으로 타원체고와 정표고에 대하여 측량점을 비교하였다. 비교결과 상시관측소 2곳에서의 성과가 모두 항공 레이저 측량작업 규정에 적합한 정확도를 보였으며, 지상 기준국을 적용한 결과값과 매우 유사한 정확도를 보였다.
정표고 조정은 평탄한 지역에 대해 7점을 직접수준측량 하였고, 항공 레이저 측량 원시자료성과에서 각각의 7점을 비교한 뒤 타원체 높이에서 차이만큼 보정하여 정표고 조정을 실시하였다. 비교한 결과로 GPS로 취득한 측량점의 타원 체고와의 비교결과 RMSE가 0.075m, 직접 수준 측량성과의 정표고 비교결과 0.052m 로 항공레이저측량작업 규정에서의 RMSE의 한계(제 4장 제 25조 ②항) 25cm 이내 안으로 높은 정확도의 성과를 얻을 수 있었다.
첫째, 규정거리(30km)이내의 상시관측소(양평, 수원) 자료를 적용한 성과와 측량점곽의 타원체고 및 정표고 비교 결과, 타원체고의 RMSE가 0.078m, 0.068m 정표 고의 RMSE는 0.017m, 0.05Im로 항공 레이저 측량작업 규정의 정확도 규정에 적합한 결과를 얻었으며, 지상 기준국성과와도 매우 유사한 정확도의 성과를 얻었다.
후속연구
따라서, 데이터 취득의 안정성과 균질한 정확도의 항공 레이저 측량 성과의 제작을 위해서 가급적 지상 기준국을 설치 운영하고 부득이 상시관측소 자료를 적용할 경우 규정거리 이내의 상시관측소 자료를 적용이 가능 할 것으로 판단된다. 향후에는 장거리 상시관측소를 이용했을 경우 대기조건 및 여러가지 변수조건에 대한 영향을 자세하게 분석하여 항공레이저측량에 대한 사용 여부를 판단할 필요가 있다고 사료된다.
판단된다. 향후에는 장거리 상시관측소를 이용했을 경우 대기조건 및 여러가지 변수조건에 대한 영향을 자세하게 분석하여 항공레이저측량에 대한 사용 여부를 판단할 필요가 있다고 사료된다.
John R and Jensen (2006), Remote Sensing of the Environment: an earth resource.
Mostafa, M. R., 2002, Precision Aircraft GPS Positioning Using CORS, Direct Georeferencing, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, ASPRS, Vol. 68, No. 11, pp. 1125-1126.
Gerrald L. Mader and Michael L. Morrison, 2002, Using Interpolation and Extrapolation Techniques to Yield high Data Rates and Ionosphere Delay Estimates from Continuously Operating GPS Networks, Proceedings of the 15th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation ION GPS, pp. 2342-2348.
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