[논문]고해상도 영상에서 기준점 개수에 따른 정확도 평가에 관한 연구

최현; 김기홍; 박홍기

doi:10.21289/ksic.2018.21.6.309

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The high-resolution satellite images provided by Kompsat-3A, a multipurpose satellite, have various applications such as digital map generation, 3D image generation, and DEM generation. In order to utilize high-resolution satellite images, the user must create an orthoimage in order to use the image...

The high-resolution satellite images provided by Kompsat-3A, a multipurpose satellite, have various applications such as digital map generation, 3D image generation, and DEM generation. In order to utilize high-resolution satellite images, the user must create an orthoimage in order to use the image in a suitable manner. The position and the number of the ground reference points affect the accuracy of the orthoimage. In particular, the Kompsat-3A satellite image has a high resolution of about 0.5m, so the difficulty in selecting the ground control points and the accuracy of the selected point will have a great influence on the subsequent application process. Therefore, in this study, we analyzed the influence of the number of ground reference points on the accuracy of the terrestrial satellite images.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1 Study area of KOMPSAT-3A satellite digital image
그림 Fig. 2 KOMPSAT-3A orthoimage and digital map overlay
표 Table 1. Kompsat-3A Specifications
그림 Fig. 3 Selected ground control points
그림 Fig. 4 Distribution of ground control points
그림 Fig. 5 Orthographic images (30 ground control points)
표 Table 2. RMSE according to number of ground control points
그림 Fig. 6 X RMSE trend analysis based on number of ground control points
그림 Fig. 7 Y RMSE trend analysis based on number of ground control points
그림 Fig. 8 X RMSE trend analysis based on number of ground control points

AI 본문요약
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문제 정의

기존 연구에서는 위성영상을 비롯한 원격탐사에서 지상기준점에 관한 연구가 이루어지고 있었으나, 고해상도 위성영상에 대하여 지상기준점이 미치는 영향을 분석한 연구가 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 1:5,000 수치지도를 이용하여 지상기준점을 선정한 후 지상기준점 개수에 따른 위치 및 높이 오차를 분석하고 자한다.
그러나 위성영상의 활용에 따라서 1m 이내의 고해상도 위성영상도 수치지도에서 추출된 지상기준점을 사용할 수 있다. 본 연구에서는 1:5,000 수치지도에서 획득된 지상기준점의 개수에 따른 X, Y, Z 오차가 미치는 영향을 분석하였다. 따라서 위성영상에서 뚜렷하게 보이는 인공구조물이나 도로교차점 등을 선택하여 지상기준점을 선정하였다.

제안 방법

위성영상에서 지상기준점 선정 시 산림지역은 대공표지등이 있어야 하나 위성영상 촬영시점에 맞추어 대공표지를 설치하는 것은 불가능하다. 따라서 임도 교차로 등에서 가능한 분포가 균일하도록 지상기준점을 선정하였다.
본 연구는 공간해상도가 50cm인 위성영상을 제공하는 KOMPSAT-3A를 이용하여 지상기준점에 따른 위치 정확도를 평가하였다. 지상기준점의 개수를 5개에서 30개까지 5개씩 증가 시키는 방법으로 6회의 모델링을 실시하여 정사영상을 생성하였다.
그리고 지상기준점의 수를 무조건 많이 확보한다고 하더라도 보정 후 정확도향상과는 무관하며 되도록 변환방정식의 미지수에 따라 정확한 점을 사용하는 것이 오차를 줄이는 최대한의 방법이다. 본 연구에서는 3차 다항식에 의해 기하보정을 하였으며, 보정 후 정확한 위치의 화소(Pixel)들을 얻을 수 있었다. 변환결과 RMSE값이 1화소(Pixel) 이내로 나타났으며, 공1차내삽법(Bi-Linear)을 적용하여 영상화소를 보정하였다.
본 연구에서는 지상기준점의 개수를 5개에서 30개까지 5개씩 증가 시키는 방법으로 6회의 모델링을 실시하여 정사영상을 생성하였다. 지상기준점 개수에 따른 RMSE오차는 1 pixel 이내로 허용 범위를 만족하였다.
지상기준점은 영상좌표와 측량성과 좌표사이의 변환에 있어서 기준이 되는 점이므로 그 위치가 시간에 따라 항상 변함이 없어야 한다. 위성영상 촬영당시의 현장에 존재하는 인공구조물 또는 기타 시설물의 위치를 확대하여 지상기준점으로서의 타당성을 직접 검토하였다(Fig. 3).
본 연구에서는 지상기준점의 개수를 5개에서 30개까지 5개씩 증가 시키는 방법으로 6회의 모델링을 실시하여 정사영상을 생성하였다. 지상기준점 개수에 따른 RMSE오차는 1 pixel 이내로 허용 범위를 만족하였다.
5ｍ를 자랑하는 적외선센서는 세계 최고 수준이다. 하루 지구를 15바퀴 돌면서 두 차례 한반도 상공을 지나며 광학렌즈로는 10분, 적외선센서로는 2분간 한반도 촬영을 실시하며 4년간 528km 상공을 돌면서 지구관측 임무를 수행한다.

대상 데이터

Kompsat-3A 위성영상에서 지상기준점 개수에 따른 정확도 분석을 위해서 선정된 지역은 충북 옥천군으로 농경지, 주거지 및 일부 산지로 구성된 전형적인 농촌지역이다. 촬영 면적은 약 200㎢이며 Fig.
기존의 위성영상(공간해상도 30m, 10m 5m)의 기하보정은 수치지도에서 좌표를 획득하여 보정하였다. 하지만 고해상도 위성영상의 등장으로 지상 기준점(GCP)선정의 정확도가 대두되면서 현지측량을 거쳐 지상기준점좌표를 획득하는 것이 일반적이다.
본 연구에서는 1:5,000 수치지도에서 획득된 지상기준점의 개수에 따른 X, Y, Z 오차가 미치는 영향을 분석하였다. 따라서 위성영상에서 뚜렷하게 보이는 인공구조물이나 도로교차점 등을 선택하여 지상기준점을 선정하였다. 지상기준점은 영상좌표와 측량성과 좌표사이의 변환에 있어서 기준이 되는 점이므로 그 위치가 시간에 따라 항상 변함이 없어야 한다.
본 연구에서 사용된 영상은 국토관측위성(KAS500-1및2호)와 유사한 제원을 가지는 KOMPSAT-3A 영상을 사용하였다.
이러한 경우 지상기준점 선정 시 특이점을 찾아 좌표를 부여하였다. 본 연구에서는 지상기준점(GCP) 선택 시 인공구조물(콘크리트피복)인 교량모서리, 건물 그리고 교차로를 기준으로 선정하였다.
1:5,000 수치지도를 활용하여 기준점을 선정하였다. 수치지도 등고선을 이용하여 생성한 DEM을 정밀정사영상 제작에 이용하였으며 Fig. 2는 제작된 KOMPSAT-3A 정사영상과 수치지도를 중첩한 것이다. 지상기준점은 5개부터 30개까지 선정하여 평균 제곱근 오차를 분석하였다.

데이터처리

최근에는 고해상도 위성영상에 대한 공간객체 추출을 위해서 다양한 분류기법을 시도 하고 있다. 위성영상의 활용을 위한 응용기술인 토지이용분류 및 공간객체추출을 위하여 적용 가능한 객체기반분류 프로세스를 비교하고자 두 가지 프로세스인 수직적 프로세스, 수평적 프로세스를 KOMPSAT3A 위성영상에 적용하여 비교분석을 수행하였다. 연구결과 사용자 정확도와 제작자 정확도가 85% 미만인 항목이 존재하였고, 수평적 프로세스는 모두 85% 이상으로 나타났다.
2는 제작된 KOMPSAT-3A 정사영상과 수치지도를 중첩한 것이다. 지상기준점은 5개부터 30개까지 선정하여 평균 제곱근 오차를 분석하였다. 지상기준점 개수에 따른 정확도 분석을 위해 평균 제곱근 오차(root mean square error; RMSE)는 추정 값 또는 모델이 예측한 값과 실제 환경에서 관찰되는 값의 차이를 다룰 때 흔히 사용하는 측도이다.

이론/모형

본 연구에서는 3차 다항식에 의해 기하보정을 하였으며, 보정 후 정확한 위치의 화소(Pixel)들을 얻을 수 있었다. 변환결과 RMSE값이 1화소(Pixel) 이내로 나타났으며, 공1차내삽법(Bi-Linear)을 적용하여 영상화소를 보정하였다. Fig.

성능/효과

분석 결과 지상 기준점의 개수가 증가하면 평면 및 수직위치 정확도가 향상되는 결과를 나타내고 있다. 또한, 수평 위치의 RMSE 오차 보다 수직위치 RMSE 오차가 비교적 크다는 것을 알 수 있었다.
이것은 위성영상이 Y축으로 왜곡이 많이 발생함을 의미한다. 마지막으로 Z축에서는 지상기준점 5개일 경우 0.815로 나타났고, 30개에서는 0.677로 나타났으며 지상기준점 개수에 따라서 점진적으로 감소함을 알 수 있었다. 분석 결과 지상 기준점의 개수가 증가하면 평면 및 수직위치 정확도가 향상되는 결과를 나타내고 있다.
677로 나타났으며 지상기준점 개수에 따라서 점진적으로 감소함을 알 수 있었다. 분석 결과 지상 기준점의 개수가 증가하면 평면 및 수직위치 정확도가 향상되는 결과를 나타내고 있다. 또한, 수평 위치의 RMSE 오차 보다 수직위치 RMSE 오차가 비교적 크다는 것을 알 수 있었다.
위성영상의 활용을 위한 응용기술인 토지이용분류 및 공간객체추출을 위하여 적용 가능한 객체기반분류 프로세스를 비교하고자 두 가지 프로세스인 수직적 프로세스, 수평적 프로세스를 KOMPSAT3A 위성영상에 적용하여 비교분석을 수행하였다. 연구결과 사용자 정확도와 제작자 정확도가 85% 미만인 항목이 존재하였고, 수평적 프로세스는 모두 85% 이상으로 나타났다. 따라서 수직적 프로세스보다 수평적 프로세스가 효율적이라는 사실을 밝혀내었다(Lee et al.
Oh and Lee(2018)는 고해상도 위성에서 입체 위성영상 처리를 위해 가장 많이 활용하는 RPCs의 무기준점 편위 보정을 통하여 상호표정의 정밀성을 분석한 후, 종시차 달성의 정확성을 분석하였다. 연구결과 아리랑 3호 위성영상의 경우 2차 다항식으로 1픽셀 수준의 종시차를 달성할 수 있음을 알 수 있었다. 그리고 Yun and Lee(2018)은 지상기준점 개수가 무인항공사진측량의 성과물의 위치 정확도에 미치는 영향에 관한 연구를 수행하여, 위치 정확도의 변화량보다 수직위치 정확도의 변화량이 더 큰 결과를 나타내었고, 촬영고도가 높을수록 지상기준점의 개수와 배치가 위치 정확도에 미치는 영향이 크게 나타났다.
Fig 6에서 8은 지상기준점 개수에 따른 축의 RMSE 추이 분석에 관한 그래프이다. 영상에서 3차원 좌표에 대해서 RMSE의 추이를 분석한 결과 지상기준점수가 증가함에 따라 RMSE가 점차적으로 감소함을 보였다. 그러나 모든 경우에 허용오차(1 pixel)이내에는 들어갔다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수직적 프로세스, 수평적 프로세스를 KOMPSAT3A 위성영상에 적용하여 분석한 결과, 어떤 프로세스가 더 효율적임을 밝혔는가?	연구결과 사용자 정확도와 제작자 정확도가 85% 미만인 항목이 존재하였고, 수평적 프로세스는 모두 85% 이상으로 나타났다. 따라서 수직적 프로세스보다 수평적 프로세스가 효율적이라는 사실을 밝혀내었다(Lee et al., 2018).
	다목적관측위성인 아리랑 3호의 활용은?	다목적관측위성인 아리랑 3호(KOMPSAT -3)가 2015년 발사되어 항공사진 수준의 국토관측 및 공간정보의 제작이 가능하게 되었다. 고해상도 위성영상의 연구사례를 살펴보면, Choung(2015)은 KOMPSAT-2 영상, 고해상도 위성 영상, 그리고 획득 한 항공기의 지형 LiDAR (Light Detection And Ranging) 데이터를 이용하여 인근 연안 지역에 위치한 다양한 경작지를 추출하여, 평지 지역의 경작지 중 85%와 해안 지역 근처에 위치한 산간 경작지의 15%가 된 방법으로 추출하였다.
	고해상도 위성영상은 어떤 분야에 활용 범위가 확대되고 있는가?	고해상도 위성영상은 기존의 영상분류, 식생지수 분석, 수치표고모형제작 그리고 기상 분야 등의 제한된 활용범위를 넘어서 고해상도 정사영상 제작, 3D 모델링 그리고 정밀 토지이용제작 등에 활용 범위가 확대 되고 있는 추세이다. 이와 같이 고해상도 위성영상을 공간정보 분야에 활용하기 위해서는 위성영상의 좌표 설정에 대한 선행연구가 이루어 져야 한다.

참고문헌 (7)

Choung, Y. J., A study on extraction of croplands located nearby coastal areas using high-resolution satellite imagery and LiDAR data. Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, Vol. 18, No. 1, pp. 170-181, (2015), (in Korean with English abstract)

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Lee, D.G., You, J.H., Lee, H. J., Comparison of geospatial feature extraction process on object based classification method using KOMPSAT-3A satellite image, Journal of the Korean Society for Geospatial Information Science, Vol.26 No.3 September 2018 pp. 13-21, (2018). (in Korean with English abstract)
Kim, K. L., Ahn, B. G. Kim, M. B., Estimating Accuracy of 3-D Models of SPOT Imagery Based on Changes of Number of GCPs, Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography Vol. 21, No. 1, pp. 61-69, (2003). (in Korean with English abstract)
Fraser, C.S. and Hanley, H.B., Bias-compensated RPCs for sensor orientation of high-resolution satellite imagery, Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, Vol. 71, No. 8, pp. 909-915, (2005).

상세보기
Oh, J. H. and Lee, C. N., Relative RPCs Bias-compensation for Satellite Stereo Images Processing, Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography Vol. 36, No. 4, pp. 287-293, (2018). (in Korean with English abstract)
Yun B. Y. and S. M., Effect of number of ground control points on location accuracy of unmanned aerial photogrammetry, Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, Vol. 21, No. 2, pp. 12-22, 2018. (in Korean with English abstract)
Sung, C. K., Yun, H. S., Cho, J. M., Cho, J. H., A Study on Large Scale Digital Mapping Using High Resolution Satellite Stereo Image, Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, Vol. 22, No. 3, pp. 277-284, 2003. (in Korean with English abstract)

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