도심지 지상 LiDAR 자료의 Geo-Referencing을 위한 기준점 선정 및 특징점 측량 방안 연구 A Study on Determining Control Points and Surveying Feature Points for Geo-Referencing of Terrestrial LiDAR Data in Urban Areas원문보기
본 연구에서는, 건물이 밀집한 도심지를 대상으로 취득한 지상 LiDAR 자료의 geo-referencing을 위해 필요한 특정정의 절대좌표를 효율적으로 취득할 수 있는 방안을 모색하였다. 도심지에서는 GPS 신호 수신의 문제점, 다각측량 및 수준측량을 통한 원거리 기준점 측량의 비용적 문제점 등이 발생할 수 있으며 이를 극복하기 위하여 건물의 옥상에서 GPS 측량을 통해 기준점을 설치하고 특징점의 절대좌표를 취득하는 방식을 제안하였다. 제안된 방식에서는 옥상에서의 지상 레이저 스캐닝이 가능할 경우 기준점 자체를 특징점으로 사용함으로써 별도의 특징점 선정 및 측량을 필요로 하지 않으며 안정적인 스캐닝도 보장받을 수 있다. 실제 대상지역에 적용한 결과 본 연구에서 제안된 방식이 기존 방식에 비하여 충분히 비용 효율적일 수 있다는 가능성을 확인하였다.
본 연구에서는, 건물이 밀집한 도심지를 대상으로 취득한 지상 LiDAR 자료의 geo-referencing을 위해 필요한 특정정의 절대좌표를 효율적으로 취득할 수 있는 방안을 모색하였다. 도심지에서는 GPS 신호 수신의 문제점, 다각측량 및 수준측량을 통한 원거리 기준점 측량의 비용적 문제점 등이 발생할 수 있으며 이를 극복하기 위하여 건물의 옥상에서 GPS 측량을 통해 기준점을 설치하고 특징점의 절대좌표를 취득하는 방식을 제안하였다. 제안된 방식에서는 옥상에서의 지상 레이저 스캐닝이 가능할 경우 기준점 자체를 특징점으로 사용함으로써 별도의 특징점 선정 및 측량을 필요로 하지 않으며 안정적인 스캐닝도 보장받을 수 있다. 실제 대상지역에 적용한 결과 본 연구에서 제안된 방식이 기존 방식에 비하여 충분히 비용 효율적일 수 있다는 가능성을 확인하였다.
In this research, an effective method for absolute positioning of feature points is proposed, which is applicable to geo-referencing of terrestrial LiDAR data scanned in dense urban areas. GPS positioning, common in absolute positioning, is apt to fail in the presence of signal disturbancein dense u...
In this research, an effective method for absolute positioning of feature points is proposed, which is applicable to geo-referencing of terrestrial LiDAR data scanned in dense urban areas. GPS positioning, common in absolute positioning, is apt to fail in the presence of signal disturbancein dense urban circumstances, while traditional surveying methods, including traversing and leveling, are generally more costly for wider areas. The idea is that reference points, marked on top of buildings, are surveyed by GPS positioning and then feature points are relatively positioned from the reference points. The present method, if laser scanning is accompanied, gets two advantages; one is that less feature points need to be surveyed because they can be substituredby reference points, and the other is that laser scanning can be more stably carried out. The present method was shown, from the experiments, to be cost-effective against traditional ones.
In this research, an effective method for absolute positioning of feature points is proposed, which is applicable to geo-referencing of terrestrial LiDAR data scanned in dense urban areas. GPS positioning, common in absolute positioning, is apt to fail in the presence of signal disturbancein dense urban circumstances, while traditional surveying methods, including traversing and leveling, are generally more costly for wider areas. The idea is that reference points, marked on top of buildings, are surveyed by GPS positioning and then feature points are relatively positioned from the reference points. The present method, if laser scanning is accompanied, gets two advantages; one is that less feature points need to be surveyed because they can be substituredby reference points, and the other is that laser scanning can be more stably carried out. The present method was shown, from the experiments, to be cost-effective against traditional ones.
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문제 정의
본 논문에서는 실질적으로 건물 밀집 지역에서 기준점을 설치하기 위한 GPS측량의 어려움과 특징점을 관측하기 위한 일반측량의 비용을 분석하였으며, 결론적으로 GPS를 이용한 기준점의 설치와 특징점의 관측을 효율적으로 수행할 수 있는 방안을 제시하였다. 이를 위하여, 실제로 밀집된 건물들을 대상으로 취득된 LiDAR 자료의 geo-refer- encing을 위한 기준점 설치 및 특징점 관측을 기존 방식으로 수행한 결과를 분석하였으며, 본 연구에서 제시한 방안을 별도의 지역에 적용하며 실효성을 평가하였다.
본 연구에서는 홍익대학교 인근의 건물이 밀집한 상업지역 중 약 9929.92 就의 대상지역 1(그림 2) 에 대하여 기 구축된 LiDAR 자료의 geo-refer-encing을 수행하기 위해 특징점의 절대좌표를 취득하고자 하였다. 대상 지역 건물의 높이는 대부분 5층 이하이나 건물 사이의 통행이 불가능한 경우가맘고 양호한 경우 이면도 로나 골목이 조성되어 있으며 접속도로도 4차선 이하였다.
본 연구에서는, 건물이 밀집한 도심지를 대상으로 취득한 LiDAR 자료의 geo-referecing을 위해 필요한 특징점의 절대좌표를 효율적으로 취득할 수 있는 방법론을 제시하였다. 즉, 초고층 건물이 밀집하였거나 건물간 이격이 좁은 지역, 차량 및 행인의 이동이 빈번한 지역에서 실질적으로 발생할 수 있는 GPS 신호 수신의 어 려움, 다각측량 및 수준측량의 비용적 문제를 극복하고자 건물의 옥상에서 GPS 측량을 통해 기준점을 설치하고 특징점의 절대좌표를 취득하는 방식을 제안하였다.
본 연구의 목적은 건물 밀집 도심지를 대상으로 취득된 지상 LiDAR 자료의 geo-reforencing을 위해 특징점의 절대 좌표를 효율적으로 취득하는 방법을 제시하는데 있다. 본 논문에서는 실질적으로 건물 밀집 지역에서 기준점을 설치하기 위한 GPS측량의 어려움과 특징점을 관측하기 위한 일반측량의 비용을 분석하였으며, 결론적으로 GPS를 이용한 기준점의 설치와 특징점의 관측을 효율적으로 수행할 수 있는 방안을 제시하였다.
가설 설정
방식 1의 경우 GPS 신호 처리상의 문제로 최종 결과물을 얻지 못하여 분석 대상에서 제외하였다. 방식 2의 경우 실제로 GPS 측량은 수행하지 않았지만 2개의 기준점에 대하여 최소 1시간씩 신호를 수신한다고 가정하였으며, 두 방식 모두 지상 레이저 스캐닝 시간은 제외하였다. 아울러 투입 인원 및 시간은 외업에 대해서만 산출했으며 GPS 신호처리, 망조정과 같은 내업은 제외하였다.
제안 방법
GPS 측량을 위한 상공시계가 양호한 대상지역 주변에 1차 기준점을 설치하고 특징점 주변에 2차 기준점을 설치하여 토탈스테이션과 레벨을 이용한 다각측량과 수준측량을 계획하였다. 그러나 대상지역 주변에 존재하는 서울특별시에서 구축한 3급 도시기준점 2점을 기준점으로 선정하고 GPS측량을 생략하였다.
Georeferencing 정밀도를 확인하기 위하여, 옥상에서 취득된 특징점 중 일부를 geo-referencing 에 사용하고 옥상 외에 취득된 특징점들은 검사점으로 사용하였다. 표 4에서 같이 georeforencing 시 사용된 특징점의 개수와 조합에 따라 RMSE 값이 최소 ±7.
LiDAR 자료의 geo-referencing 정밀도를 확인하기 위하여, 특징점 중 일부를 geo-reforencing에 사용하고 나머지 특징점은 검사점으로 사용하였다. 표 2와 같이 geo- reforenciiig시 사용된 특징점의 개수에 따라 RMSE 값이 최소 ± 16.
GPS 신호 수신은 3대의 수신기로 3개의 세션涉1- S2.S5, S3-S4-S5, S5-S&S7)으로 나누어 실시하였으며, 각 세션당 신호 수신은 5초 간격으로 1시간 동안 static 방식으로 진행하였다. 서울, 수원, 인천, 파주의 상시 관측소의 자료와 함께 기선망을 구성하여 TGO vl.
63 프로그램으로 망조정을 실시하였으며, 기준점의 절대좌표는 표3 과 같다. 건물 옥상 외어】, 기존에 취득한 LiDAR 자료에서 인식 가능한 7개의 특징점에 대해서도 토탈스테이션과 레벨을 사용하여 절대좌표를 취득하였다(그림 11).
계획하였다. 그러나 대상지역 주변에 존재하는 서울특별시에서 구축한 3급 도시기준점 2점을 기준점으로 선정하고 GPS측량을 생략하였다. 두 1차 기준점을 시, 종점으로 하여 16개의 2차 기준점들을 연결한 폐합 망에 대하여 다각측량과 수준측량을 실시한 후 망 조정을 수행하였다.
아울러 차량 및 행인의 이동이 빈번하고 수목 및 전신주의 영향 등으로 인해 정밀측량 위한 GPS 수신기의 위치 선정 및 장시간 신호 수신이 어려웠다. 대상지역 1 에 대해서는 방식 1과 방식 2를 적용하여 평가하였다. 본 연구에서 제안된 방식 3의 실효성을 비교, 평가하기 위해서 대상지역 1에 적용하려 하였으나 안전사고, 보안, 유지관리 등의 이유로 건물 옥상 출입이 허가되지 않아 실험을 진행할 수 없었다.
그러나 대상지역 주변에 존재하는 서울특별시에서 구축한 3급 도시기준점 2점을 기준점으로 선정하고 GPS측량을 생략하였다. 두 1차 기준점을 시, 종점으로 하여 16개의 2차 기준점들을 연결한 폐합 망에 대하여 다각측량과 수준측량을 실시한 후 망 조정을 수행하였다. 1, 2차 기준점의 위치 및 폐합다각망 형태는 그림 6과 같으며 1차 기준점(합군 CP01, 합군 CP02) 및 2차 기준점(CP00TVP15)의 3차원 좌표는 표 1과 같다.
먼저, 그림 9와 같이 건물 옥상에서 기준점 및 특징점으로서 사용될 다섯 개의 측점(S1~S5)에 타겟을 설치하고 타겟 중심에 GPS 수신기를 설치하였으며 상공시계가 양호한 S6, S7지점에도 GPS 수신기를 설치하였다(그림 10). GPS 신호 수신은 3대의 수신기로 3개의 세션涉1- S2.
방식 1 적용을 위한 GPS측량은 그림 4와 같이 연구대상 지역 전체를 포함할 수 있도록 총 2개 세션으로 나누어 실시하였다. 중간지역에 위치한2점을 중복기선으로 설정하고 아래쪽 2점, 위쪽 2점을 연결한 2개 세션으로 실시하였으며 신호 수신은 5초 간격으로 1시간 동안 sta- tic방식으로 진행하였다.
본 연구에서 제안하는 방식 3은 그림 1-c와 같이 상공시계가 양호한 건물의 옥상에 기준점을 설치하고 기준점에서 시통이 가능한 특징점에 타겟을 설치하는 방식이다. 기준점 및 특징점의 측량 방식은 방법 1과 동일한방식을 사용한다.
S5, S3-S4-S5, S5-S&S7)으로 나누어 실시하였으며, 각 세션당 신호 수신은 5초 간격으로 1시간 동안 static 방식으로 진행하였다. 서울, 수원, 인천, 파주의 상시 관측소의 자료와 함께 기선망을 구성하여 TGO vl.63 프로그램으로 망조정을 실시하였으며, 기준점의 절대좌표는 표3 과 같다. 건물 옥상 외어】, 기존에 취득한 LiDAR 자료에서 인식 가능한 7개의 특징점에 대해서도 토탈스테이션과 레벨을 사용하여 절대좌표를 취득하였다(그림 11).
연구지역 2에 대하여 기존에 취득한 LiDAR 자료와 옥상에서 신규로 취득한 LiDAR 자료를 정합하였으며 특징 점들을 이용하여 geo-reforencing을 수행하였다. Georeferencing 정밀도를 확인하기 위하여, 옥상에서 취득된 특징점 중 일부를 geo-referencing 에 사용하고 옥상 외에 취득된 특징점들은 검사점으로 사용하였다.
본 논문에서는 실질적으로 건물 밀집 지역에서 기준점을 설치하기 위한 GPS측량의 어려움과 특징점을 관측하기 위한 일반측량의 비용을 분석하였으며, 결론적으로 GPS를 이용한 기준점의 설치와 특징점의 관측을 효율적으로 수행할 수 있는 방안을 제시하였다. 이를 위하여, 실제로 밀집된 건물들을 대상으로 취득된 LiDAR 자료의 geo-refer- encing을 위한 기준점 설치 및 특징점 관측을 기존 방식으로 수행한 결과를 분석하였으며, 본 연구에서 제시한 방안을 별도의 지역에 적용하며 실효성을 평가하였다.
실시하였다. 중간지역에 위치한2점을 중복기선으로 설정하고 아래쪽 2점, 위쪽 2점을 연결한 2개 세션으로 실시하였으며 신호 수신은 5초 간격으로 1시간 동안 sta- tic방식으로 진행하였다.
즉, 초고층 건물이 밀집하였거나 건물간 이격이 좁은 지역, 차량 및 행인의 이동이 빈번한 지역에서 실질적으로 발생할 수 있는 GPS 신호 수신의 어 려움, 다각측량 및 수준측량의 비용적 문제를 극복하고자 건물의 옥상에서 GPS 측량을 통해 기준점을 설치하고 특징점의 절대좌표를 취득하는 방식을 제안하였다. 아울러 옥상에서의 지상 레이저 스캐닝이 가능할 경우 기준점 자체를 특징점으로 사용함으로써 별도의 특징점 선정 및 측량을 필요로 하지 않으며 안정적인 스캐닝을 보장받을 수 있다는 장점이 있다.
대상 데이터
GPS신호 처리를 위해서 국토지리정보원 GPS 기준점 서비스 사이트(http://gps.ngii.go.kr)에서 연구대상 지역 주변 파주, 인천, 서울, 수원의 상시관측소 RINEX파일을 다운 받아 망조정을 실시하였으며 처리 소프트웨어로는 Ttii讪ble사의 TGO(Trimble Geomatics Office) vl.63을 사용하였다. 결과적으로 그림 5와 같이 충분한 정밀도의 기선 도출이 불가능하였으며, 이는 좁은 도로 및 노출된 전력선, 통신선 등으로 인한 상공시계 불량, 밀집한 건물에 의한 multi-path등이 원인이 었던 것으로 판단된다.
본 연구에서 제안된 방식 3의 실효성을 비교, 평가하기 위해서 대상지역 1에 적용하려 하였으나 안전사고, 보안, 유지관리 등의 이유로 건물 옥상 출입이 허가되지 않아 실험을 진행할 수 없었다. 따라서 옥상의 출입 이 허가된 연세대학교 제 1공학관 건물 및 그 일대를 대상 지역 2로 선정하여 방법 3을 적용하였다(그림 3). 대상 지역 2는 대상지역 1에 비하여 건물의 밀도가 낮지만, 공학관 건물 역시 5층 높이로서 대상지역 1에서 섭외 대상이었던 건물들과 유사한 상공시계를 제공하므로 기준점 및 특징점 측설 조건이 크게 다르지는 않다고 판단하였다.
방식 3의 적용을 위하여 대상지역 1의 건물들을 대상으로 옥상 출입을 요청하였으나 안전사고, 보안등의 이유로 불허되어 연세대학교 제 1공학관 및 주변 지역으로 구성된 대상지역 2를 대상으로 실험을 수행하였다 대상 지역 2의 경우 기존에 취득한 지상 LiDAR 자료가 존재하며, GPS, 토탈스테이션, 레벨 등의 측량장비뿐만 아니라 지상 레이저스캐너의 반입이 가능하여 신규 LiDAR 자료도 함께 취득할 수 있었다.
성능/효과
63을 사용하였다. 결과적으로 그림 5와 같이 충분한 정밀도의 기선 도출이 불가능하였으며, 이는 좁은 도로 및 노출된 전력선, 통신선 등으로 인한 상공시계 불량, 밀집한 건물에 의한 multi-path등이 원인이 었던 것으로 판단된다.
방식 2와 방식 3을 적용한 대상 지역이 서로 다르고 측량된 특징점의 개수도 방식 2의 경우 20개, 방식 3의 경우 12개(옥상 GPS측량 5개, 일반측량 7개)로 상이하여 정확한 비교는 어렵다. 그러나, 특징점 하나당 측량 비용은 일정하다고 가정할 경우 방식 2의 경우 149/20=7.45(man/h) 임에 비하여 방식 3의 경우 30/12=2.5(maM)로서 약 3배 정도 경제적이며, 이러한 차이는 조건상의 차이를 감안하더라도 본 연구에서 제안된 방식이 기존 방식에 비해 경제적이라고 판단내릴 수 있는 근거가 된다.
아울러 옥상에서의 지상 레이저 스캐닝이 가능할 경우 기준점 자체를 특징점으로 사용함으로써 별도의 특징점 선정 및 측량을 필요로 하지 않으며 안정적인 스캐닝을 보장받을 수 있다는 장점이 있다. 실제 대상지 역에 적용한 결과 본 연구에서 제안된 방식이 기존 방식에 비하여 경제적임을 확인할 수 있었다. 그러나 정밀도 면에서는 기존 방식에 비해 다소 떨어지는 결과를 나타내어 이에 대한 원인 분석 및 정밀도 향상에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
만일 옥상에서 지상 레이저 스캐닝이 가능한 경우에는 기준점 자체를 특징점으로 사용하여 스캐닝을 수행함으로써 별도의 특징점을 관측하는 과정을 배제할 수 있다. 제안된 방식은 주변 건물 및 이동체에 의한 영향이 비교적 적어, 안정적인 GPS 신호 수신 및 일반측량이 가능하므로 정밀한 절대좌표 취득이 가능하다. 아울러 옥상에서 레이저 스캐닝을 수행할 경우 지상에서 수행하는 경우보다 넓은 스캔 각도와 양호한 작업 환경을 보장받을 수 있다는 장점이 있다.
후속연구
실제 대상지 역에 적용한 결과 본 연구에서 제안된 방식이 기존 방식에 비하여 경제적임을 확인할 수 있었다. 그러나 정밀도 면에서는 기존 방식에 비해 다소 떨어지는 결과를 나타내어 이에 대한 원인 분석 및 정밀도 향상에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
6cm로 나타났다. 이는 방식 2에 비하면 다소 떨어지는 정밀도로서, 기구축된 LiDAR 자료의 정합상태 및 GPS 신호 처리 등의 영향을 받았을 것으로 추정되나 원인 분석 및 정밀도 향상에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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