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문제 정의
- 본 연구는 고도별 지상기준점의 개수에 따른 성과물의 위치 정확도를 분석하여 최적의 지상 기준점 배치를 도출하고자하는 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
- 이와 같은 문제점 중 지상기준점 설치작업은 가장 시간과 비용이 많이 드는 작업이다. 이에 본 연구에서는 무인항공사진측량 성과물의 위치 정확도에 지상기준점의 수와 배치가 미치는 영향을 분석하고자 하였다.
제안 방법
- 42 헥타르의 면적을 160개의 이미지로 촬영하였다. GCP는 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20개의 개수를 총 5가지의 서로 다른 배치를 이용하여 총 45가지의 결과를 비교하였다. 비교 결과 120m의 고도에서는 15개의 GCP를 사용하였을 때 XRMSE, Y RMSE, Z RMSE, XY RMSE의 결과가 가장 좋음을 확인할 수 있었다.
- 무인항공기체로 촬영하여 획득한 성과물 중 정사영상을 이용하여 평면위치 정확도를 분석하였고, DSM을 이용하여 수직위치 정확도를 분석하였다. 고도별 비교를 위하여 촬영고도를 130m, 260m 고도로 촬영하여 분석하였다.
- 무인항공촬영 전에 총 9개의 지상기준점과 10개의 검사점을 골고루 배치하여 VRS-RTK방법으로 지상기준점과 검사점의 측량을 수행한 후, 대공표지를 설치하였다. 그 후 고정익 무인항공기를 이용하여 고도 130m, 260m로 촬영 후 지상기준점의 개수와 배치를 달리하여 정사영상과 DSM을 제작한 후 정사영상에서는 XY RMSE, DSM에서는 Z RMSE를 각각 비교분석하였다. 또한 Siemens star 타겟을 이용하여 시각적 해상도를 분석하였다.
- 그 후 고정익 무인항공기를 이용하여 고도 130m, 260m로 촬영 후 지상기준점의 개수와 배치를 달리하여 정사영상과 DSM을 제작한 후 정사영상에서는 XY RMSE, DSM에서는 Z RMSE를 각각 비교분석하였다. 또한 Siemens star 타겟을 이용하여 시각적 해상도를 분석하였다. 본 연구의 전체적인 흐름도는 그림 1과 같다.
- 또한 표 3의“항공사진측량작업규정의 도화축척별 평면위치와 표고의 잔차 기준”을 참고하여 평면 및 수직위치 정확도를 평가하였다.
- 무인항공영상의 위치 정확도를 분석하기 위하여 도로, 필답지역, 저층의 주거지 등이 다양하게 분포해 있는 지역을 연구 대상지로 선정하였다. 무인항공촬영 전에 총 9개의 지상기준점과 10개의 검사점을 골고루 배치하여 VRS-RTK방법으로 지상기준점과 검사점의 측량을 수행한 후, 대공표지를 설치하였다. 그 후 고정익 무인항공기를 이용하여 고도 130m, 260m로 촬영 후 지상기준점의 개수와 배치를 달리하여 정사영상과 DSM을 제작한 후 정사영상에서는 XY RMSE, DSM에서는 Z RMSE를 각각 비교분석하였다.
- 본 연구에서 사용한 상용 S/W의 영상처리 원리와 방법을 고려하였을 때, 고도의 변화에 따른 단영상의 해상도 차이로 인해 작업자가 지상기준점을 S/W상에서 선점할때의 오차와 작업자가 정사영상에서 평면위치 정확도의 검증시 검사점 선점의 오차가 고도별 평면위치 정확도의 변화에 영향을 미친다고 판단하여, Siemens star 타겟을 이용하여 정사영상의 시각적해상도를 분석하여 참고하였다. Siemens star 타겟의직경은 2m이며 표 4는 고도별로 촬영된 Siemens star 타겟 이미지와 시각적해상도를 나타내고 있다.
- 연구대상지역내 9개의 지상기준점과 10개의 검사점에 대해 VRS-RTK 방법으로 지상측량을 수행하였다. 연구대상지역내 지상기준점과 검사점의 위치는 그림 4와 같으며 지상기준점의 개수에 따른 위치정확도를 비교 분석하기 위해 고도별로 9, 8, 5, 4개의 지상기준점을 (A), (B), (C), (D), (E), (F), (G), (H)의 경우로 그림 3과 같이 배치하여 성과물을 제작하였다.
- 정사영상에서는 검사점을 벡터라이징하여 추출한 평면위치 좌표값을 추출하였으며, DSM에서는 해당 검사점의 수직위치값을 추출하였다. 이와 같은 작업 후 VRS-RTK 방법으로 해당 검사점을 측량하여 얻은 좌표값과 비교하여 RMSE 값을 계산하였다. 또한 표 3의“항공사진측량작업규정의 도화축척별 평면위치와 표고의 잔차 기준”을 참고하여 평면 및 수직위치 정확도를 평가하였다.
- 촬영 후 정사영상과 DSM을 획득하였다. 정사영상에서는 검사점을 벡터라이징하여 추출한 평면위치 좌표값을 추출하였으며, DSM에서는 해당 검사점의 수직위치값을 추출하였다. 이와 같은 작업 후 VRS-RTK 방법으로 해당 검사점을 측량하여 얻은 좌표값과 비교하여 RMSE 값을 계산하였다.
- 촬영 영상의 처리는 Agisoft사의 photoscan을 사용하여 AT 작업과 dense image매칭 과정을 거쳐 DSM과 정사영상을 제작하였다(Agisoft, 2014). 그림 5에는 가독성을 위하여 대표적인 Case (A)와 Case (E)의 성과물만 나타내었다.
- 고도별 비교를 위하여 130m, 260m의 2가지 고도로 촬영하였으며, 연구대상지에 총 9개의 지상기준점과 10개의 검사점을 배치하였다. 촬영 후 정사영상과 DSM을 획득하였다. 정사영상에서는 검사점을 벡터라이징하여 추출한 평면위치 좌표값을 추출하였으며, DSM에서는 해당 검사점의 수직위치값을 추출하였다.
대상 데이터
- 고도별 비교를 위하여 130m, 260m의 2가지 고도로 촬영하였으며, 연구대상지에 총 9개의 지상기준점과 10개의 검사점을 배치하였다. 촬영 후 정사영상과 DSM을 획득하였다.
- 무인항공영상의 위치 정확도를 분석하기 위하여 도로, 필답지역, 저층의 주거지 등이 다양하게 분포해 있는 지역을 연구 대상지로 선정하였다. 무인항공촬영 전에 총 9개의 지상기준점과 10개의 검사점을 골고루 배치하여 VRS-RTK방법으로 지상기준점과 검사점의 측량을 수행한 후, 대공표지를 설치하였다.
- 본 연구의 대상지는 그림 2에 나타난 동경 128°39′, 북위 35°17′인 대한민국 경상남도 창원시 동읍에 위치해 있는 농경지, 주거지 및 일부 산지로 구성된 전형적인 농촌지역이다.
- 본 연구의 촬영에 사용된 UAV는 고정익인 SenseFly사의 eBee로 Canon IXUS 127 카메라를 탑재하여 영상을 취득하였다. 표 1은 촬영에 사용된 UAV와 카메라를 보여주고 있다.
- (2017)는 사용한 지상기준점의 개수가 DSM과 정사영상의 정확도에 어떠한 영향을 미치는지 분석하였다. 비행고도는 120m이며, 17.42 헥타르의 면적을 160개의 이미지로 촬영하였다. GCP는 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20개의 개수를 총 5가지의 서로 다른 배치를 이용하여 총 45가지의 결과를 비교하였다.
- 3㎛이다. 촬영고도는 130m, 260m 로 하였으며, 촬영영상의 면적, 매수, GSD, 중복도는 표 2와 같다.
데이터처리
- 무인항공기체로 촬영하여 획득한 성과물 중 정사영상을 이용하여 평면위치 정확도를 분석하였고, DSM을 이용하여 수직위치 정확도를 분석하였다. 고도별 비교를 위하여 촬영고도를 130m, 260m 고도로 촬영하여 분석하였다.
이론/모형
- 촬영 면적은 약 800m×800m이다. 연구대상지역내 9개의 지상기준점과 10개의 검사점에 대해 VRS-RTK 방법으로 지상측량을 수행하였다. 연구대상지역내 지상기준점과 검사점의 위치는 그림 4와 같으며 지상기준점의 개수에 따른 위치정확도를 비교 분석하기 위해 고도별로 9, 8, 5, 4개의 지상기준점을 (A), (B), (C), (D), (E), (F), (G), (H)의 경우로 그림 3과 같이 배치하여 성과물을 제작하였다.
성능/효과
- 넷째, 정사영상의 해상도가 평면위치 정확도에 미치는 영향을 분석하기 위해 시각적해상도를 분석한 결과, 130m 고도에서는 5.49cm, 260m 고도에서는 9.04cm의 약 1.6배의 차이가 나는 결과를 나타내었다. 또한 130m 고도와 260m 고도에서 같은 지상기준점 개수를 사용하였을 때 평면위치 정확도의 차이도 시각적 해상도의 차이와 비슷한 약 1.
- 둘째, 130m 촬영고도일 때, 평면위치정확도와 수직위치정확도의 변화량은 각각 0.006m, 0.043m이고, 260m 촬영고도일 때, 평면위치정확도와 수직위치정확도의 변화량은 각각 0.023m, 0.066m로 260m 촬영고도일 때 위치정확도의 변화량이 더 큰 결과를 나타내고 있다. 이 같은 결과는 촬영고도가 높을수록 지상 기준점의 개수가 위치 정확도에 미치는 영향이 크다고 볼 수 있으므로 촬영고도에 따른 지상기준점의 적절한 개수의 배치가 필요할 것으로 판단된다.
- 6배의 차이가 나는 결과를 나타내었다. 또한 130m 고도와 260m 고도에서 같은 지상기준점 개수를 사용하였을 때 평면위치 정확도의 차이도 시각적 해상도의 차이와 비슷한 약 1.7배의 결과를 보였다. 이와 같은 결과는 촬영고도 변화로 인한 무인항공영상의 해상도의 차이로 인해 발생한 작업자의 지상기준점 선점과 검사점 선점시의 오차가 정확도에 영향을 미친다고 판단된다.
- 073m를 나타내었다. 분석 결과 130m 촬영고도의 경우와 마찬가지로 지상기준점의 개수가 감소하면 평면위치 정확도가 저하되는 결과를 나타내고 있으나, 130m 촬영고도의 결과와 비교하여 위치 정확도의 변화량이 더 큰 결과를 나타내고 있다.
- 043m를 나타내었다. 분석 결과 지상기준점의 개수가 감소하면 평면 및 수직위치 정확도가 감소하는 결과를 나타내고 있다. 또한 평면위치 정확도의 변화량보다 수직위치 정확도의 변화량이 더 큰 결과를 나타내고 있다.
- 국내 연구동향으로는 Kim(2008)은 유인 항공사진측량용 카메라인 ADS40을 이용하여 현재 규정의 적합성 여부와 동시에 GPS/IMU 결합에 의한 ADS40 항공디지털사진의 사진기준점 측량 시 지상기준점 선점 분포를 달리하여 정확도를 비교 하였다. 비교 결과 1/1,000 정확도를 제외한 축척의 지도제작에는 지상기준점이 4점 이상이면 정확도에 만족하는 결과를 얻었으며, 8모델마다 1점씩의 지상기준점을 관측하면 높은 정확도의 정사영상을 확보할 수 있었다. Han(2013)은 항공사진측량에서 필요로 하는 지상기준점 측량의 시간과 경비를 절감하기 위한 GPS/INS 자료를 이용하여 현재 항공사진측량작업규정의 기준점 배치 모델과 새로운 기준점 배치 모델과의 정확도를 여러 측면에서 비교하여 새로운 지상기준점 배치 모델의 활용성을 검증하였으며, 비교 결과 GPS/INS를 활용하면 소수의 기준점만으로 현재 항공사진측량작업규정의 정확도에 부합할 수 있는 결과를 나타내었다.
- GCP는 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20개의 개수를 총 5가지의 서로 다른 배치를 이용하여 총 45가지의 결과를 비교하였다. 비교 결과 120m의 고도에서는 15개의 GCP를 사용하였을 때 XRMSE, Y RMSE, Z RMSE, XY RMSE의 결과가 가장 좋음을 확인할 수 있었다.
- 셋째, 평면과 수직위치 정확도를 분석한 결과, 고도별로 가장 낮은 정확도의 결과를 나타낸 경우인 130m 고도에서 지상기준점 4개를 사용한 Case (D)의 경우 평면위치 정확도가 0.047m,수직위치 정확도가 0.071m, 260m 고도에서 지상기준점 4개를 사용한 Case (H)의 경우는 평면위치 정확도가 0.097m, 수직위치 정확도가 0.140m로 나타났다. 이는“항공사진측량작업규정의 도화축척별 평면위치와 표고의 잔차 기준”에서 1/1,000~1/1,200 도화축척의 표준편차와 최대값의 기준을 만족하는 것을 확인할 수 있다.
- 006m를 나타내었다. 수직위치 정확도는 9(A)개와 8(B)개의 경우는 각각 0.028m와 0.025m로 큰 차이가 없지만 지상기준점 개수가 줄어든 5(C)개와 4(D)개의 경우는 각각 0.051m, 0.071m의 결과를 나타내었고, 9(A)개의 경우와 4(D)개의 변화량은 0.043m를 나타내었다. 분석 결과 지상기준점의 개수가 감소하면 평면 및 수직위치 정확도가 감소하는 결과를 나타내고 있다.
- Han(2015)는 저고도 무인항공영상을 이용하여 정사영상 제작 시 효율적이며 경제적으로 만족할 만한 정확도를 얻기 위한 지상기준점 배치 방안을 모색하였다. 연구 결과 1~2km의 좁은 지역의 1:5,000 저고도 무인항공사진측량에서는 8점 정도의 기준점을 고르게 분포시켜 촬영하면 만족할 만한 정확도를 얻을 수 있는 것으로 나타났다. Yu(2016)는 무인항공기를 이용하여 정사영상과 DSM을 취득함에 있어서 중복도와 지상기준점의 개수가 데이터의 품질에 미치는 영향을 분석하여, GCP를 사용하였을 경우에는 개수에 따른 평면위치정확도의 편차는 큰차이가 없지만, 높이정확도의 편차는 GCP의 개수가 많을수록 감소함을 확인하였다.
- 무인항공영상의 지상기준점의 개수 및 배치에 관한 연구의 국외 연구동향으로는 Markus Gerke(2016)는 지상기준점을 사용하지 않고 촬영하는 RTK-GNSS 방식의 무인항공기와 일반 무인항공기를 지상기준점 개수와 배치, 촬영 방향을 달리하여 각각의 검사점의 XY RMSE와 Z RMSE, XYZ RMSE 를 비교하였다. 연구 결과 RTK-GNSS 방식의 무인항공기가 평평한 지형에서 보다 나은 결과를 나타냄을 알 수 있었다. Francisco Aguera-Vega et al.
- 073m이다. 이와 같은 결과로 보아 지상기준점의 개수가 달라지는 경우 평면위치 정확도의 변화량보다 수직위치 정확도의 변화량이 더 큰 결과를 나타내었다. 이는 지상기준점의 개수가 평면위치 정확도 보다 수직위치 정확도에 더 큰 영향을 미치고 있다고 볼 수 있다.
- 첫째, 평면위치 정확도의 변화량은 130m 촬영고도 일 때 0.006m, 260m 촬영고도 일 때는 0.023m이다. 수직위치 정확도의 변화량은 130m 촬영고도 일 때 0.
- 촬영고도 130m에서의 평면위치 정확도는 9(A)개의 경우 0.041m, 8(B)개의 경우는 0.043m, 5(C)개의 경우는 0.046m, 4(D)개의 경우는 0.047m의 결과를 나타내었고, 9(A)개의 경우와 4(D)개의 변화량은 0.006m를 나타내었다. 수직위치 정확도는 9(A)개와 8(B)개의 경우는 각각 0.
- 촬영고도 260m에서의 평면위치 정확도는 9(A)개의 경우 0.074m, 8(B)개의 경우는 0.074m, 5개(C)의 경우는 0.075m, 4개(D)의 경우는 0.097m의 결과를 나타내었고, 9(A)개의 경우와 4(D)개의 변화량은 0.023m를 나타내었다. 수직위치 정확도는 9(A)개의 경우 0.
후속연구
- 본 연구의 결과는 한가지 기종의 UAV를 이용하여 제한된 면적의 대상지역에서 분석한 결과이므로 보다 다양한 촬영고도, 촬영대상지 및 촬영기체를 이용한 결과의 분석을 통해 보편적인 정확도의 분석결과가 필요할 것으로 판단된다. 또한 무인항공사진측량의 작업공종 중 지상 기준점의 설치는 가장 시간이 많이 걸리는 작업으로서 시간과 경제성을 고려 및 판단하여 무인 항공영상을 촬영하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 066m로 260m 촬영고도일 때 위치정확도의 변화량이 더 큰 결과를 나타내고 있다. 이 같은 결과는 촬영고도가 높을수록 지상 기준점의 개수가 위치 정확도에 미치는 영향이 크다고 볼 수 있으므로 촬영고도에 따른 지상기준점의 적절한 개수의 배치가 필요할 것으로 판단된다.
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