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문제 정의
- 본 연구에서는 in-track 방법으로 촬영한 GeoEye-1 및 WorldView-2 위성의 입체영상쌍에 대해 블록모델링 기법을 적용하여 지상기준점을 사용할 경우와 사용하지 않을 경우의 정확도를 분석하였으며, 다양한 조합의 이종 입체영상 모델의 정확도를 분석하고, 삼중 영상모델과 사중 영상모델의 정확도를 분석하여 동종 및 이종 입체영상 모델 정확도와 비교하였다. 본 연구결과를 통해 고해상도 위성영상을 활용한 비접근 지역의 3차원 위치측정 가능성 및 정확도를 확인하고자 한다.
- 본 연구에서는 고해상도 위성영상의 다양한 종류의 블록조정 모델링 방법을 실험하여 비접근 지역에서 확보가 능한 3차원 위치측정 정확도 수준을 분석하고자 하였다. 국내에서는 거의 수행되지 않은 서로 다른 종류의 센서로 촬영된 GeoEye-1 및 WorldView-2 고해상도 입체위성영상 의 동종 및 이종 입체영상 모델과 다중영상 모델을 구성하고 지상기준점 사용에 따른 정확도를 분석하였다.
제안 방법
- ·센서의 물리적 특성과 관계없이 적용할 수 있는 분수다항식 모델을 이용하여 동종 및 이종 입체영상 모델의 정확도를 비교하였다.
- In-track 촬영방식으로 촬영한 GeoEye-1 및 WorldView-2 고해상도 입체 위성영상의 다양한 영상 조합에 대한 블록 조정 모델을 구성하여 동종/이종 입체영상 모델 및 다중영상 모델과 지상기준점 사용 여부에 따른 정확도 수준을 분석한 실험결과를 다음과 같이 종합하였다.
- 본 연구에서는 고해상도 위성영상의 다양한 종류의 블록조정 모델링 방법을 실험하여 비접근 지역에서 확보가 능한 3차원 위치측정 정확도 수준을 분석하고자 하였다. 국내에서는 거의 수행되지 않은 서로 다른 종류의 센서로 촬영된 GeoEye-1 및 WorldView-2 고해상도 입체위성영상 의 동종 및 이종 입체영상 모델과 다중영상 모델을 구성하고 지상기준점 사용에 따른 정확도를 분석하였다. 본연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 모델의 정확도를 확인하기 위해 GPS 측량 성과를 갖는 검사점(check point)의 초기 지상좌표를 지상좌표의 offset(φo, λo, ho)으로 설정하였다.
- 본 실험에서 RPC 블록조정 모델링 식(8)과 식(9)에서 보는 바와 같이 영상좌표 보정을 위한 변환 방법으로 affine 변환을 고려하였으나, 실험 결과 이동(shift) 변환과 비교하여 정확도에서 차이가 없었으므로 Fraser(2005)와 같은 결과를 확인하였으며, 본 논문에서는 간단하고 계산을 용이하게 하기 위해 a1 = a2 = b1 = b2 = 0로 설정하여 이동변환만을 고려하였다.
- 본 연구에서는 in-track 방법으로 촬영한 GeoEye-1 및 WorldView-2 위성의 입체영상쌍에 대해 블록모델링 기법을 적용하여 지상기준점을 사용할 경우와 사용하지 않을 경우의 정확도를 분석하였으며, 다양한 조합의 이종 입체영상 모델의 정확도를 분석하고, 삼중 영상모델과 사중 영상모델의 정확도를 분석하여 동종 및 이종 입체영상 모델 정확도와 비교하였다. 본 연구결과를 통해 고해상도 위성영상을 활용한 비접근 지역의 3차원 위치측정 가능성 및 정확도를 확인하고자 한다.
- 본 연구에서는 실험 대상 지역인 충남 서해안의 동일지역을 촬영한 GeoEye-1 위성의 in-track 입체영상 및 WorldView-2 위성의in-track 입체영상과 센서 모델링 정확도 확인을 위해 정적(static) DGPS(Differential Global Positioning System) 측량으로 획득한 지상기준점을 사용하였다.
- 영상과 함께 제공되는 분수다항식 모델의 편의를 확인하기 위해, RPC 계수와 지상기준점을 이용하여 분수다항식 모델로 계산한 영상좌표와 지상기준점을 관측한 영상 좌표를 직접 비교하였으며, 결과는 그림 1 및 표 2와 같다. 편의의 양은 영상 및 화소 방향에 따라 적게는 0.
- 이종 입체영상 모델이 in-track으로 촬영된 동종 입체영상 모델 보다 정확도가 좋은 원인 분석을 위해 Zhu(2008)가 분석한 것과 같이 입체영상의 촬영기하를 확인하였다.
- 입체영상 모델 In-track 방식으로 촬영한 각각 2개의 GeoEye-1과 WorldView-2 영상에 대해 2개의 동종(homogeneous type) 입체영상 모델과 4개의 이종(heterogeneous type) 입체영상 모델에 대해 기준점을 사용한 경우와 사용하지 않은 경우의 모델 정확도를 비교하였다. 그림 4와 표 3에서 보는 바와 같이 지상기준점을 사용하지 않은 경우 GeoEye-1의 입체영상 모델은 CEP(90) 1.
- 지상기준점 측량은 대상지역을 촬영하기 전에 수행하였다. 정적(static) DGPS 방법으로 측량하였으며 해당지점에 약 1m 크기로 마크를 표시하여 영상에서 식별할 수 있도록 하였다. 그림 2는 지상기준점의 표식과 영상에서 식별되는 모습을 보여준다.
대상 데이터
- 5m 해상도의 위성영상에서 식별이 용이하지 않았다. 본 연구에서 사용한 지상기준점은 위성영상에서 식별이 용이한17개의 기준점만을 선택하였으며 사용한 기준점의 배치는 그림 3과 같다.
이론/모형
- 본 연구에서 사용한 RPC 모델은 다중영상의 모형을 구성할 수 있는 블록조정 모델이며 기본적으로 Grodecki(2003)이 제안한 방법을 활용하였으며, 본 연구의 실험자료에 적합하도록 초기값 및 경중률 값을 조정하였다. RPC 모델은 지상좌표(φ, λ, h)와 영상좌표(Line, Sample)의 관계를 설명하는 분수다항식 모델로써 영상좌표 각각에 대해 분수다항식 형태로 구성되어 있으며, 계산 상의 정밀도를 높이기 위해 다음과 같이 지상좌표 및 영상 좌표를(-1, 1)사이의 값으로 정규화한다.
- 그림 2는 지상기준점의 표식과 영상에서 식별되는 모습을 보여준다. 영상좌표 측정은 ERDAS IMAGINE 소프트웨어를 이용하였으며, 기준점 식별을 용이하게 하기 위해 양선형 보간법(Bilinear interpolation)으로 보정하고 영상 히스토그램을 조정하였다.
성능/효과
- ·지상기준점을 사용하지 않을 경우 다중영상 모델을 이용하면 다른 입체영상 모델과 비교해서 정확도가 향상됨을 확인하였다.
- 4개의 이종 입체영상 모델에서 지상기준점을 사용하지 않는 경우 평균 CEP(90) 1.38m, LEP(90) 1.63m이며, 하나의 지상기준점을 사용할 경우 평균 CEP(90) 0.28m, LEP(90) 0.47m의 정확도를 나타냈다. 본 실험 결과 그림 6에서 보듯이 이종 입체영상 모델의 정확도가 동종 입체영상 모델의 정확도 보다 좋게 나타났다.
- 5개의 다중영상모델에서 지상기준점을 사용하지 않는 경우 정확도는 평균 CEP(90) 1.50m LEP(90) 0.93m이며, 하나의 지상기준점을 사용할 경우 평균 CEP(90) 0.22m, LEP(90) 0.37m의 정확도를 나타내었다. 특히 지상기준점을 사용하지 않는 경우 다른 모델들에 비해LEP(90)가 작은 것으로나타났다.
- 5m로 나타났다. 따라서 지상기준점을 사용할 수 없는 비접근 지역에 대해서도 고해상도 입체위성영상을 활용한다면 이와 유사한 수준의 정확도로 3차원위치측정이 가능함을 확인하였다.
- 47m의 정확도를 나타냈다. 본 실험 결과 그림 6에서 보듯이 이종 입체영상 모델의 정확도가 동종 입체영상 모델의 정확도 보다 좋게 나타났다. 이러한 현상의 원인은 분수다항식을 이용한 입체영상 모델이 영상의 해상도 및 촬영방식과 관계없는 각 영상의 분수다항식 모델의 조합으로 구성되므로 물리적 센서 모델과 같은 동종 센서 또는 이종 센서를 구분하지 않기 때문인 것으로 판단된다.
- 이러한 현상의 원인은 분수다항식을 이용한 입체영상 모델이 영상의 해상도 및 촬영방식과 관계없는 각 영상의 분수다항식 모델의 조합으로 구성되므로 물리적 센서 모델과 같은 동종 센서 또는 이종 센서를 구분하지 않기 때문인 것으로 판단된다. 본 실험 결과는 IKONOS와 QuickBird 영상을 이용하여 실험한 이종의 입체영상 모델도 동종 입체영상 모델보다 정도가 좋을 수 있다는 Li(2007)의 연구와 동일한 결과를 보여준다.
- 61에서 정확도가 좋다는 연구결과(Büyüksalih, 2005)와 CA는 30°~ 60°가 이상적이며, AA는 20°보다 작아야 좋다(GEOIMAGE, 2010)는 연구결과로부터, 동종 입체영상 모델들에 비해 정확도가 나쁘지 않은 “GE02 WV01”모델을 제외하고, 본 연구에서 사용한 입체영상 모델은 대부분 좋은 입체기하를 갖고 있다고 판단된다. 본 연구에 사용한 동종 및 이종의 입체영상 모델이 유사한 영상 촬영기하를 나타내어 다양한 촬영기하에 대한 정확도와의 관계를 분석할 수는 없었으나, 이종의 입체영상 모델도 동종 입체영상 모델보다 정확도가 좋을 수 있다는 Li(2007)의 연구결과를 확인할 수 있었다.
- 위성영상의 촬영기하에 대한 기존의 연구 중 SPOT-5 입체영상의 경우 B/H 비율이 0.61에서 정확도가 좋다는 연구결과(Büyüksalih, 2005)와 CA는 30°~ 60°가 이상적이며, AA는 20°보다 작아야 좋다(GEOIMAGE, 2010)는 연구결과로부터, 동종 입체영상 모델들에 비해 정확도가 나쁘지 않은 “GE02 WV01”모델을 제외하고, 본 연구에서 사용한 입체영상 모델은 대부분 좋은 입체기하를 갖고 있다고 판단된다.
- 13m를 확인하였다. 지상기준점을 사용하였을 경우 각 입체영상 모델에 대해 사용한 지상기준점수에 따른 정확도의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 이는 그림 1에서 보는 바와 같이 각 영상의 분수다항식 모델에서 편의의 크기 및 방향이 거의 일정하여 하나의 기준점만으로도 영상좌표의 편의를 보정할 수 있음을 나타낸다.
- 그림 5와 표 5는 5개의 다중영상 모델에 대한 오차벡터와 모델정확도를 보여준다. 지상기준점을 사용하였을 경우 입체영상 모델과 같이 기준점수에 따른 정확도 차이는 거의 없으며, 입체영상 모델의 정확도와도 유사하게 나타났다. 지상기준점을 사용하지 않을 경우“GE01 GE02 WV01”모델을 제외하면 표 3의 입체영상 모델에 비해 정확도가 향상된 것을 확인할 수 있다.
- 지상기준점을 사용하지 않은 경우 이종 입체영상 모델의 정확도가 동종 입체영상 모델의 정확도와 거의 유사하게 나타났으나“, GE02 WV02”이종 입체영상 모델의 경우 다른 in-track 동종 입체영상 모델에 비해 약 40% 정도 좋은 정확도를 나타냈다.
후속연구
- 이종 입체영상 모델과 동종 입체영상 모델의 정확도를 분석한 실험결과에서 보듯이 각각의 정확도가 유사한 것은 영상기하가 유사한 것에 기인한다고 예상되나 실험 자료의 부족으로 이에 대한 충분한 분석을 수행하지 못하였다. 3차원 위치측정을 위해 이종 영상 모델을 활용하기 위해서는 촬영기하와 정확도의 관계에 대한 다양한 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- ·센서의 물리적 특성과 관계없이 적용할 수 있는 분수다항식 모델을 이용하여 동종 및 이종 입체영상 모델의 정확도를 비교하였다. 동종 및 이종 입체영상 모델의 정확도가 유사하게 나타났으며, 이러한 결과는 이종 입체영상 모델이 in-track 동종 입체영상 모델만큼 정확할 수 있음을 확인한 것으로, 향후 고해상도 위성영상이 보다 다양하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 사용한 4개의 이종 입체영상 모델의 기하가 in-track 입체영상 모델의 기하와 유사하였다. 이종 입체영상 모델과 동종 입체영상 모델의 정확도를 분석한 실험결과에서 보듯이 각각의 정확도가 유사한 것은 영상기하가 유사한 것에 기인한다고 예상되나 실험 자료의 부족으로 이에 대한 충분한 분석을 수행하지 못하였다. 3차원 위치측정을 위해 이종 영상 모델을 활용하기 위해서는 촬영기하와 정확도의 관계에 대한 다양한 분석이 필요할 것으로 판단된다.
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