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문제 정의
- 따라서 본 연구는 관측대상 지역의 지면과 비지면 자료원을 지형학적 경사특성에 따라 효과적으로 추출하는 필터링 기법을 제시하였다.
- 본 연구에서는 다중선형 회귀분석에 의한 평면방정식의 필터링 알고리즘을 도출하고, 이를 적용한 필터링 자동화 프로그램을 개발하였으며, 자동화 프로그램에서 처리된 원시자료의 필터링 결과를 분석 및 평가하였다.
제안 방법
- 감독분류자료와 필터링 자료를 비교하여 지면, 비지면(식생)의 평균 정확도를 평가 하였다.
- 관측된 포인트의 높이값과 동일한 위치에서 얻어진 평면방정식의 높이값을 서로 비교하여 임계높이값을 초과하는 포인트를 비지면(식생)으로, 나머지를 지면으로 분류하였다.
- 관측자료원의 필터링에 적용되는 평면방정식은 관측 대상물 형상 및 지형지물의 다양성과 복잡성을 고려하여 2가지 방법에 의하여 산출하였다.
- 따라서 본 연구에서는 가상격자마다 평면방정식을 산출하여 자동으로 적용하였으며, 이 과정에서 가상격자내의 지면과 비지면 자료원이 혼합되어 있는 경우에는 평면방정식의 정도가 저하됨으로 이를 보정하기 위하여 표준오차를 산출하였고, 이 값을 임계높이값으로 자동 적용하여 계산하도록 하였다. 지역필터링은 가상 격자의 사이즈에 따라서 포함되는 관측 자료원 개수 및 필터링 정확도의 차이가 발생될 수 있음으로 본 연구에서는 3cm, 4cm, 5cm 크기의 가상격자를 이용하여 필터링을 수행한 후 평균정확도의 변화를 살펴보았다.
- 또한 지면과 비지면의 불분명한 경계를 정의하는 허용범위 오차는 최소제곱근방법에 의한 표준오차를 산정하여, 이를 허용범위 오차의 기준으로 결정하였다.
- 모형사면의 크기는 가로 1m, 세로 1m이며, 사면의 경사는 전방위 45°를 유지하도록 제작 하였으며, 모형 식생은 사면으로부터 약 10cm의 높이로 모형사면의 전 구역에 걸쳐 배치하였다.
- 본 연구는 지면 데이터셑을 이용하여 다중선형 회귀 분석에 의한 평면방정식을 도출하여 전역필터링 한 것을 기준으로 전체 데이터셑을 이용하여 도출된 평면방정식으로 전역필터링 한 것과 가상격자별로 평면방정식을 도출하여 지역필터링을 수행한 결과를 분석하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 분류정확도의 신뢰도를 높이기 위하여 일정한 경사로 이루어져 있는 지형면 또는 절/성토 사면의 조건과 흡사한 모형사면을 그림 1(a)와 같이 제작하였다.
- 본 연구에서는 지면에 최대한 근접하는 평면방정식을 산출하여 이것을 기준값으로 이용하였다. 전체 데이터셑으로 산출된 평면방정식과의 비교를 위해 관측 자료원 중 지면 데이터셑(지면 포인트)을 연구자가 선택 취득하여 취득된 포인트로부터 최소제곱법에 의한 평면방정식을 도출하였다.
- 본 연구에서는 지상라이다로부터 관측된 대상지역의 3차원 좌표값을 이용하여 최소제곱법에 의한 하나의 평면방정식을 도출하였다.
- 이러한 방법으로 전체 데이터 셋과 가상격자내의 데이터 셋을 기준으로 한 평면방정식을 각각 산출하여 이를 모형사면에 일률적으로 적용하거나, 가상격자별로 적용하여 필터링을 시행하였으며, 이를 나타낸 것이 표 1과 같다. 필터링 처리 및 정확도 평가를 위한 전체적인 연구절차는 그림 2와 같다.
- 본 연구에서는 지면에 최대한 근접하는 평면방정식을 산출하여 이것을 기준값으로 이용하였다. 전체 데이터셑으로 산출된 평면방정식과의 비교를 위해 관측 자료원 중 지면 데이터셑(지면 포인트)을 연구자가 선택 취득하여 취득된 포인트로부터 최소제곱법에 의한 평면방정식을 도출하였다. 도출된 평면방정식은 Z=－0.
- 제작된 모형은 지표면(수평면)에 배치하고, 일반적인 측량환경과 유사하도록 건물 옥상에서 대상물에 대하여 1cm의 스캔정밀도로 촬영하였다. 그림 1(b)와 그림 1(c)는 스캔된 원시자료와 지상라이다의 관측위치를 보여주고 있다.
- 즉, 일정한 경사로 이루어져 있는 지형면 또는 절/성토사면 일 경우 적용할 수 있는 필터링 기법과 불규칙한 지표면을 효과적으로 추출할 수 있도록 한 지점의 라이다 포인트를 중심으로 임의의 가상격자를 생성하고 가상격자내의 라이다 점군데이터를 처리하는 필터링 기법을 제시하여 그에 따른 분류정확도를 평가하였다.
- 지면과 비지면(식생)의 분류를 위하여 연구자의 경험과 현장상황 등을 종합적으로 판단하여 지상라이다 점군 포인트를 지면과 비지면(식생)으로 감독분류를 하였으며, 감독분류된 결과값를 기준으로 하여 정확도를 산정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 가상격자마다 평면방정식을 산출하여 자동으로 적용하였으며, 이 과정에서 가상격자내의 지면과 비지면 자료원이 혼합되어 있는 경우에는 평면방정식의 정도가 저하됨으로 이를 보정하기 위하여 표준오차를 산출하였고, 이 값을 임계높이값으로 자동 적용하여 계산하도록 하였다. 지역필터링은 가상 격자의 사이즈에 따라서 포함되는 관측 자료원 개수 및 필터링 정확도의 차이가 발생될 수 있음으로 본 연구에서는 3cm, 4cm, 5cm 크기의 가상격자를 이용하여 필터링을 수행한 후 평균정확도의 변화를 살펴보았다. 15 차 까지 필터링을 수행하여 지면과 비지면(식생)의 평균 정확도 변화 추이를 그래프로 나타 낸 것이 그림 13이다.
- 지상라이다의 원시자료 구조 및 형태는 제조업체에 따라 다르며, 특히 필터링처리나 데이터의 가공편집은 라이다 후처리 소프트웨어 또는 전문소프트웨어를 사용해야 하므로 불편함이 많다. 현재 지상라이다 장비활용의 저변확대가 이루어지고 있으며, 다양한 분야에서 3차원 성과를 제작하고 있는 점 등을 감안하여 많은 사용자의 확보와 다양한 분야에서 활용할 수 있는 범용성을 갖춘 Autodesk사의 AutoCAD 기반에서 구동될 수 있도록 필터링 자동화 기능모듈을 개발하였다.
데이터처리
- 다중선형 회귀분석에 의한 평면방정식의 정밀도 (Precision)를 높이기 위하여 관측 높이값과 평면방정식의 높이값에 대한 편차값의 평균편차를 산정한 후 평면방정식을 수정하였으며, 수정된 평면방정식의 정도를 측정하기 위하여 표준오차 및 결정계수를 산출하였다.
- 도출된 평면방정식을 기준으로 하여 각 포인트마다 측정된 Zi값과 평면방정식에서 산출된 # 값의 차이를 계산하여 평균편차값을 산출하였으며, 산출된 평균 편차값은 평면방정식의 절편을 조정하는데 사용하였다.
- 지상라이다의 점군데이터는 지면자료 뿐만 아니라 주변요소(식생, 구조물 등)자료도 포함되어 있음으로 인하여 도출된 평면방정식은 지면과 일정한 간격으로 떨어져 있다. 이때 떨어진 간격(절편)을 보정하기 위하여 평균편차를 산출하여 그 양만큼 보정하였다.
- 표준오차를 임계높이값으로 적용하여 동일한 방법으로 5차까지 필터링을 수행하였으며, 지면과 비지면(식생)의 정확도를 표 6에 나타내었다.
이론/모형
- 이를 위하여 관측지역의 사면경사가 일정한 경우 대상지역의 전체 데이터셑을 이용하여 최소제곱법에 의한 평면방정식 Z=-0.0571X+0.9691Y-35.0346을 구하였다. 이때 평면방정식의 표준오차 0.
- 다중선형 회귀분석은 하나의 종속변수와 독립변수 사이에 선형관계식을 구하는 분석을 말하여 여기서의 종속변수는 지상라이다 포인트의 Z 값을, 독립변수는 X, Y 값을 의미한다. 지면에 대한 경사면을 추정하기 위해서는 평면방정식을 도출하여야 하며, 방정식의 계수는 최소제곱법에 의하여 산출한다.
성능/효과
- 기준자료인 지면 데이터셑을 이용한 전역필터링의 평균 정확도를 기준으로 전체 데이터셑의 전역필터링의 평균 정확도는 약 2∼3% 떨어지고, 가상격자를 이용한 지역필터링의 경우 정확도는 약 2∼4% 떨어지게 나타났다.
- 둘째, 지면 데이터셑을 이용한 전역필터링의 평균정확도를 기준으로 전체 데이터셑을 이용한 전역필터링의 정확도는 약 2∼3% 떨어지고, 가상격자를 이용한 지역필터링의 정확도는 약 2∼4% 떨어지는 것으로 나타났다.
- 따라서 이 표준오차를 임계 높이값으로 정의하여 1차 필터링을 수행한 후, 동일한 방법으로 남아있는 지상라이다 자료원으로부터 수정된 평면방정식 Z=-0.0567X+0.9722Y－35.2824을 재 도출하였다.
- 첫째, 전체 데이터셑을 이용하여 산출된 평면방정식을 적용한 경우 2차 필터링에서 평균정확도가 96.49%로 가장 높았으며, 이때 지면 데이터셑을 이용하여 필터링한 평균정확도에 가장 근접하여 있다.
- 특히 평균정확도는 가상격자가 3∼4cm일 때 기준자료와 비교하여 약 2%정도 밖에 차이가 나지않는 것으로 보아 가상격자 사이즈는 스캔간격의 3∼4배로 하여 필터링하는 것이 바람직 할 것으로 생각된다.
- 특히, 평균정확도는 가상격자가 3∼4cm일 때 기준자료와 비교하여 약 2%정도 밖에 차이가 나지 않는 것으로 보아 가상격자 사이즈를 스캔간격의 3∼4배로 하여 필터링하는 것이 바람직할 것으로 생각된다.
후속연구
- 셋째, 동일한 지역을 대상으로 모형실험을 한 결과 필터링 적용방법에 따라 평균정확도가 2∼4% 차이가 나타나는 것으로 보아 향후 보다 다양한 실제지형을 선정한 필터링 정확도에 대한 연구가 필요할 것으로 생각된다.
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