이 논문에서는 스테레오 위성자료의 효율적 활용을 위한 위성 기하요소간 상관성 분석결과를 제시한다. 정밀한 위치 정보 취득을 위해서는 스테레오 자료가 적정 범위의 수렴각과 이등분선고도각을 형성해야 하며, 이러한 기하요소는 개별 센서의 방위각과 고도각에 의해 큰 영향을 받는다. 논문에서는 스테레오를 구성하는 두 센서의 고도각과 센서간 방위각 차이에 따른 수렴각과 이등분선고도각 변이를 추정하였다. 이러한 분석을 통해 복잡한 에피폴라 기하구조 분석이나 수식적용 없이 두 센서의 방위각 및 고도각 정보 확인만으로 스테레오 기하요소를 추정할 수 있는 근거를 제시하였다. 실험 결과 수렴각과 이등분선고도각이 적정 범위 내로 형성되기 위해서는 두 센서의 고도각이 50° 일 때는 방위각 차이가 150° 이상, 60° 일 때는 방위각 차이가 130° 이상, 고도각이 70° 일 때는 100° 이상이어야 함을 각각 보여주었다. 실험결과는 향후 스테레오 위성자료를 이용한 다양한 분야에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
이 논문에서는 스테레오 위성자료의 효율적 활용을 위한 위성 기하요소간 상관성 분석결과를 제시한다. 정밀한 위치 정보 취득을 위해서는 스테레오 자료가 적정 범위의 수렴각과 이등분선고도각을 형성해야 하며, 이러한 기하요소는 개별 센서의 방위각과 고도각에 의해 큰 영향을 받는다. 논문에서는 스테레오를 구성하는 두 센서의 고도각과 센서간 방위각 차이에 따른 수렴각과 이등분선고도각 변이를 추정하였다. 이러한 분석을 통해 복잡한 에피폴라 기하구조 분석이나 수식적용 없이 두 센서의 방위각 및 고도각 정보 확인만으로 스테레오 기하요소를 추정할 수 있는 근거를 제시하였다. 실험 결과 수렴각과 이등분선고도각이 적정 범위 내로 형성되기 위해서는 두 센서의 고도각이 50° 일 때는 방위각 차이가 150° 이상, 60° 일 때는 방위각 차이가 130° 이상, 고도각이 70° 일 때는 100° 이상이어야 함을 각각 보여주었다. 실험결과는 향후 스테레오 위성자료를 이용한 다양한 분야에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
This paper proposes the results of analysis of correlation between satellite geometry elements for an effective use of satellite images. To achieve accurate positional information, stereo images have normal range of convergence and BIE (BIsector Elevation) angles which are greatly influenced by azim...
This paper proposes the results of analysis of correlation between satellite geometry elements for an effective use of satellite images. To achieve accurate positional information, stereo images have normal range of convergence and BIE (BIsector Elevation) angles which are greatly influenced by azimuth and elevation angle of individual image. In this paper, the variations of convergence and BIE angles are estimated according to azimuth angle differences between two images and each elevation angle. The analysis provided strong support for predicting stereo geometry without complex analysis of epiploar geometry or mathematics. The experiment results showed that more than 150°, 130°, and 100° azimuth angle differences need to be constructed when elevation angle of two images is 50°, 60°, and 70°, respectively, in order to make the convergence and BIE angle within normal range. The results are expected to be fully used for various application using stereo images.
This paper proposes the results of analysis of correlation between satellite geometry elements for an effective use of satellite images. To achieve accurate positional information, stereo images have normal range of convergence and BIE (BIsector Elevation) angles which are greatly influenced by azimuth and elevation angle of individual image. In this paper, the variations of convergence and BIE angles are estimated according to azimuth angle differences between two images and each elevation angle. The analysis provided strong support for predicting stereo geometry without complex analysis of epiploar geometry or mathematics. The experiment results showed that more than 150°, 130°, and 100° azimuth angle differences need to be constructed when elevation angle of two images is 50°, 60°, and 70°, respectively, in order to make the convergence and BIE angle within normal range. The results are expected to be fully used for various application using stereo images.
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문제 정의
이 논문에서는 스테레오 기하구조에 대한 분석이나 복잡한 수식 없이 개별 센서의 방위각 및 고도각 정보 확인만으로 스테레오 기하요소를 예측할 수 있는 분석결과를 제시하고자 한다. 스테레오 기하요소 결정에 가장 큰 영향을 미치는 요인이 두 센서의 방위각 차이와 고도각 정보임을 이용하여, 이러한 개별 센서의 기하요소와 스테레오 기하요소간에 상관성을 분석하였다.
이 논문에서는 스테레오 위성영상의 기하요소간 상관성 분석을 통해 스테레오를 구성하는 개별 영상의 방위각과 고도각을 확인하여 실시간으로 스테레오 기하요소를 예측할 수 있는 실험결과를 제시하고자 하였다. 실험을 통해 기존에 센서의 위치정보를 이용한 에피폴라 평면의 기하구조 분석이나 수식적용 없이 센서간 방위각 차이와 고도각 정보 확인만으로 수렴각 및 이등분선고도각 예측이 가능함을 확인하였다.
가설 설정
예측한 결과를 보면, 스테레오 기하요소가 적정 범위를 형성하기 위해서는 두 센서의 고도각이 50° 일 때는 방위각 차이가 150° 이상, 고도각이 60° 일 때는 방위각 차이가 130° 이상, 70° 일 때는 100° 이상이어야 함을 보여주었다. 단, 논문에서 제시한 실험 결과의 경우 두 센서의 고도각이 같다고 가정하였다. 이는 대부분의 위성영상이 적어도 60° 내외의 고도각, 많아도 80° 이내의 고도각을 가지고 촬영되기 때문에 실제로 위성간 고도각 차이는 크지 않은 경우가 대부분이기 때문이다.
따른 기하요소 변이를 분석하였다. 일반적으로 위성영상 촬영 시 센서 고도각의 경우 최소 50° 이상을 가지며 최대 75° 이상은 거의 넘어가지 않는 것을 감안하여, 50°, 60°, 70°, 세 고도각을 가정하여 실험하였다. 센서간 방위각 차이의 경우 최소 0° 부터 최대 180° 까지 형성될 수 있으므로 0° 부터 180° 까지 10° 간격에 해당하는 모든 방위각 차이에 대한 실험결과를 산출하였다.
제안 방법
Digital Globe사의 stereo image 제품군에서 제시하는 스테레오 기하요소 범위(30°~60° convergency, 60°~90° BIE, 0°~20° asymmetry)도 참고자료로 활용할 수 있겠으나, 대부분의 상용위성에서 스테레오 영상 촬영 시 30° 이상의 수렴 각, 75° 이상의 이등분선고도각을 갖도록 촬영되고 있으며, 그미만의 각도가 산출되는 경우 위치 정확도 저하가 발생할 수 있음을 실험적으로 확인했던 것(Jeong and Km, 2014; Jeong and Kim, 2015)을 근거로 본 연구에서는 수렴각의 경우 30° 이상 (최대 70° 미만), 이등분선고도각의 경우 75° 이상을 적정범위로 설정한다. 물론 이 부분은 지속적인 연구를 통해 정립이 필요한 부분이다.
단, 이번 절에서 사용된 실험 영상 및 일부 실험 결과는 선행연구에서 발췌되었음을 밝힌다 (Jeong, 2015). Fig. 2와 같이 동일 지역을 촬영한 2장의 KOMPSAT-2 영상과 QuickBird 영상을 이용하여 스테레오를 구성하고 방위각 및 고도각으로부터 기하요소를 산출하였다. Table 1은 사용된 영상들의 속성을 나타낸다.
스테레오 기하요소 결정에 가장 큰 영향을 미치는 요인이 두 센서의 방위각 차이와 고도각 정보임을 이용하여, 이러한 개별 센서의 기하요소와 스테레오 기하요소간에 상관성을 분석하였다. 기존 기하요소 산출 공식을 이용하여 두 센서의 고도 각이 각각 50°, 60°, 70° 일 때 센서간 방위각 차이 변이에 따른 스테레오 기하요소 변이를 나타내고 기하요소간 상관성 분석 결과를 제시했다. 이러한 분석 결과는 스테레오를 구성하는 개별 센서의 방위각 및 고도각 정보 확인만으로 스테레오 기하요소에 대한 빠른 예측을 가능하게 한다.
본 연구에서는 센서 촬영 고도각 별로 두 센서의 방위각 차이에 따른 기하요소 변이를 분석하였다. 일반적으로 위성영상 촬영 시 센서 고도각의 경우 최소 50° 이상을 가지며 최대 75° 이상은 거의 넘어가지 않는 것을 감안하여, 50°, 60°, 70°, 세 고도각을 가정하여 실험하였다.
일반적으로 위성영상 촬영 시 센서 고도각의 경우 최소 50° 이상을 가지며 최대 75° 이상은 거의 넘어가지 않는 것을 감안하여, 50°, 60°, 70°, 세 고도각을 가정하여 실험하였다. 센서간 방위각 차이의 경우 최소 0° 부터 최대 180° 까지 형성될 수 있으므로 0° 부터 180° 까지 10° 간격에 해당하는 모든 방위각 차이에 대한 실험결과를 산출하였다. 상기한 수식들을 이용해 가정된 방위각과 고도각 정보에 해당하는 수렴각 및 이등분선고도각을 산출하고 Fig.
스테레오 기하요소 결정에 가장 큰 영향을 미치는 요인이 두 센서의 방위각 차이와 고도각 정보임을 이용하여, 이러한 개별 센서의 기하요소와 스테레오 기하요소간에 상관성을 분석하였다. 기존 기하요소 산출 공식을 이용하여 두 센서의 고도 각이 각각 50°, 60°, 70° 일 때 센서간 방위각 차이 변이에 따른 스테레오 기하요소 변이를 나타내고 기하요소간 상관성 분석 결과를 제시했다.
이번에는 실제 위성자료를 이용하여 동종위성 및 이종 위성 스테레오 기하요소를 산출하고 3차원 위치 정확도를 비교하여 나타냈다. 단, 이번 절에서 사용된 실험 영상 및 일부 실험 결과는 선행연구에서 발췌되었음을 밝힌다 (Jeong, 2015).
, 2007; Jeong and Kim, 2014; Jeong and Kim, 2016). 제시된 방법들의 경우 스테레오를 구성하는 개별 센서의 위치정보를 이용하거나 방위각 및 고도각 정보를 이용하여 3차원 상의 에피폴라 평면 기하 구조를 분석하는 방식이다.
성능/효과
높은 고도각을 갖고 촬영될수록 적정범위의 수렴각을 형성하기 위해서는 센서간 방위각 차이가 커야 함을 보여준다. 다음으로 Fig. 4의 상관성 결과를 분석해 보면, 75° 이상의 이등분선고도각을 형성하기 위해서는 두 센서의 고도 각이 50° 일 때는 방위각 차이가 150° 이상, 고도각이 60° 일 때는 방위각 차이가 130° 이상, 고도각이 70° 일 때는 90° 이상이어야 함을 보여준다. 수렴각과는 달리 낮은 고도각을 갖고 촬영될수록 적정범위의 이등분선고도각을 형성하기 위해서는 센서간 방위각 차이가 커야 함을 보여준다.
먼저 Fig. 3의 상관성 결과를 분석해 보면, 30° 이상의 수렴각을 형성하기 위해서는 두 센서의 고도각이 50° 일 때는 방위각 차이가 50° 이상, 고도각이 60° 일 때는 방위각 차이가 60° 이상, 고도각이 70° 일 때는 방위각 차이가 100° 이상이어야 함을 보여준다. 높은 고도각을 갖고 촬영될수록 적정범위의 수렴각을 형성하기 위해서는 센서간 방위각 차이가 커야 함을 보여준다.
정확한 3차원 위치 결정 정확도를 보여준다. 반면, 이종 위성 스테레오의 경우 다양한 스테레오 기하요소가 형성되 었으며, 특히 2번째, 3번째 조합의 경우 매우 낮은 수렴각 또는 이등분선고도각이 형성되어 이로 인한 수평 · 수직 정확 도 저하를 확인할 수 있었다. 실제로 다양한 이종센서 스테 레오 자료 활용 시 Table 2에서 제시한 결과보다 훨씬 더 불 안정한 기하가 산출되어 스테레오 모델 수립이 어려운 경우가 발생하기도 한다(Jeong and Kim, 2015).
실험결과를 종합해 보면, 두 스테레오 각도 모두 적정 범위를 형성하기 위해서는 즉 안정적인 스테레오 기하가 형성되기 위해서는 두 센서의 고도각이 약 50° 일 때는 방위각 차이가 150° 이상, 60° 일 때는 130° 이상, 70° 일 때는 100° 이상이어야 함을 각각 보여준다. 실험 결과는 센서간 방위각 차이와 스테레오 기하요소 간의 상관관계를 잘 나타내며, 이러한 상관성 분석을 통해 센서의 방위각과 고도각 정보의 확인만으로 스테레오 기하 요소예측이 가능함을 보여준다.
모두 적정범위를 형성해야 한다. 실험결과를 종합해 보면, 두 스테레오 각도 모두 적정 범위를 형성하기 위해서는 즉 안정적인 스테레오 기하가 형성되기 위해서는 두 센서의 고도각이 약 50° 일 때는 방위각 차이가 150° 이상, 60° 일 때는 130° 이상, 70° 일 때는 100° 이상이어야 함을 각각 보여준다. 실험 결과는 센서간 방위각 차이와 스테레오 기하요소 간의 상관관계를 잘 나타내며, 이러한 상관성 분석을 통해 센서의 방위각과 고도각 정보의 확인만으로 스테레오 기하 요소예측이 가능함을 보여준다.
있는 실험결과를 제시하고자 하였다. 실험을 통해 기존에 센서의 위치정보를 이용한 에피폴라 평면의 기하구조 분석이나 수식적용 없이 센서간 방위각 차이와 고도각 정보 확인만으로 수렴각 및 이등분선고도각 예측이 가능함을 확인하였다. 예측한 결과를 보면, 스테레오 기하요소가 적정 범위를 형성하기 위해서는 두 센서의 고도각이 50° 일 때는 방위각 차이가 150° 이상, 고도각이 60° 일 때는 방위각 차이가 130° 이상, 70° 일 때는 100° 이상이어야 함을 보여주었다.
실험을 통해 기존에 센서의 위치정보를 이용한 에피폴라 평면의 기하구조 분석이나 수식적용 없이 센서간 방위각 차이와 고도각 정보 확인만으로 수렴각 및 이등분선고도각 예측이 가능함을 확인하였다. 예측한 결과를 보면, 스테레오 기하요소가 적정 범위를 형성하기 위해서는 두 센서의 고도각이 50° 일 때는 방위각 차이가 150° 이상, 고도각이 60° 일 때는 방위각 차이가 130° 이상, 70° 일 때는 100° 이상이어야 함을 보여주었다. 단, 논문에서 제시한 실험 결과의 경우 두 센서의 고도각이 같다고 가정하였다.
후속연구
따라서 비대칭각은 본 연구의 분석대상에서 제외하기로 한다. 그러나 이론적으로는 영상조합에 따라 비대칭각이 커지는 경우가 발생하므로 향후 보다 다양한 이종센서 자료를 이용하여 분석될 필요가 있다.
또한 스테레오 영상의 수렴각이 작을수록 스테레오 매칭 정확도가 향상될 수 있기 때문에 이러한 부분을 고려하여 적정범위 내에서 수렴각이 작게 산출될 것으로 예상되는 조합을 선택하는 경우에도 활용될 수 있다. 물론 상기한 경우들에 대해 기존처럼 에피폴라 기하구조에 대한 분석이나 계산식을 이용하여 스테레오 기하요소를 산출할 수 있겠지만, 논문에 제시한 것처럼 두 센서의 방위각과 고도각 정보 확인만으로 간단하고 빠르게 스테레오 사용 여부를 결정할 수 있다면 보다 효과적인 스테레오 위성영상 활용이 가능할 것이다.
이러한 분석 결과는 스테레오를 구성하는 개별 센서의 방위각 및 고도각 정보 확인만으로 스테레오 기하요소에 대한 빠른 예측을 가능하게 한다. 복잡한 기하구조 분석 및 수식적용 없이 이처럼 개별 센서의 기하요소 확인만으로 간단하고 빠르게 스테레오 기하요소를 추정할 수 있는 근거가 제시된다면, 많은 원격탐사 연구자들 또는 위성영상 사용자들이 효율적으로 스테레오 자료를 선택하고 활용하는데 있어서 유용할 것이다.
본 논문에서 제시한 스테레오 기하요소 예측 방법은 동일한 지역을 촬영한 여러 장의 다종 위성자료가 존재하는 경우 정밀 위치정보 산출을 위한 스테레오 자료로 활용 가능한 자료를 선택하거나 또는 특정 영상간 조합이 스테레오 자료로 활용될 수 있는지 등에 대한 판단에 유용하게 활용될 수 있다. 또한 스테레오 영상의 수렴각이 작을수록 스테레오 매칭 정확도가 향상될 수 있기 때문에 이러한 부분을 고려하여 적정범위 내에서 수렴각이 작게 산출될 것으로 예상되는 조합을 선택하는 경우에도 활용될 수 있다.
이는 대부분의 위성영상이 적어도 60° 내외의 고도각, 많아도 80° 이내의 고도각을 가지고 촬영되기 때문에 실제로 위성간 고도각 차이는 크지 않은 경우가 대부분이기 때문이다. 하지만 보다 세밀한 예측을 위해서 서로 다른 고도각을 갖는 경우에 대해서도 향후 동일한 분석이 이루어져 할 것이다.
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