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문제 정의
- 내용적 범위는 무인항공 사진측량을 통하여 정사영상을 제작하고 정사영상에서 추출된 지적기준점 좌표 및 필지경계 좌표와 기존의 측량방법인 GNSS측량에 의하여 산출된 성과 간 비교 분석을 통하여 그 오차를 확인하고 무인항공기를 활용한 좌표 정확도를 검증하고자 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 지적기준점과 필지경계점에 대해 비행고도별로 40m, 100m로 구분하여 대공표지를 색상별로 구분하여 설치하고 정사영상 생성 및 필지좌표를 추출한 후 GNSS (Global Navigation Satellite System) 지상현황측량을 통한 필지경계점 좌표간의 차이를 비교하여 해상도에 따른 오차분석 및 정확도를 제시하였다. 또한 이러한 정확도 평가는 향후 무인항공기를 활용한 지적측량에서 지적기준점 측량이나 또는 필지경계점 좌표측량에 있어 적절한 비행고도와 필지경계점의 대공표지 색상이나 형상 등을 선택하는 방법론에서 기초적인 방향과 참고정보를 제공하는 것이 본연구의 부차적인 목적이다.
제안 방법
- 비행고도별 필지경계점의 좌표생성에 미치는 오차를 비교하였다. 2개의 블록에 한하여 1블럭 8점, 2블럭 8점을 선정하여 총 16점에 대하여 X, Y, 수평값만 비교하였다. 1블럭의 경우 최소차는 필지경계 1-5로 X=0.
- Autocad 프로그램에서 지적도와 정사영상을 중첩시키고 지적도 위에 각 경계점 모서리마다 붉은색의 원으로 각 점들의 위치위에 생성하고, Table 5와 같이 영상에서도 동일한 방법으로 블록 경계점을 확대한 후 검은색 ⊗ 원 표시로 각 경계점의 모서리 위치에 나타내고 해당 경계점의 좌표를 추출하였다.
- PDOP (Position Dilution of Precision)가 3 이상인 경우와 정밀수평도 3㎝이상, 수직정밀도 5㎝이상인 경우 관측을 중지하고 수신기 초기화 시간이 3회 이상 3분을 초과할 경우 관측을 중지하도록 하였다. 대공표지는 사진촬영 시 이용한 카메라의 해상도와 촬영고도를 고려하여 50㎝×50㎝ 크기로 제작하여 설치하였다.
- 촬영대상 지역의 면적은 회전익 비행속도를 고려하여 가로 180m 세로 280m로 하였으며 비행속도는 비행고도 40m에서 비행속도는 3m/s로 설정하였다. 그리고 비행고도 100m에서 비행속도 5m/s로 설정하여 지적기준점과 필지경계점 모두 동일하게 적용하였다.
- 그리고 지상기준점정합(GCP matching)은 대상지 Network RTK에 의한 지상기준점측량을 통해 영상에서 촬영된 지상 기준점과의 중첩 작업을 거쳐 각 사진의 영상을 정합하였다. 영상촬영에서 비행고도 40m와 100m의 GCP 11점에 대한 RMSE (Root Mean Square Error)는 Table 2와 같이 비행고도 40m일 때 약 0.
- 따라서 본 연구에서는 지적기준점과 필지경계점에 대해 비행고도별로 40m, 100m로 구분하여 대공표지를 색상별로 구분하여 설치하고 정사영상 생성 및 필지좌표를 추출한 후 GNSS (Global Navigation Satellite System) 지상현황측량을 통한 필지경계점 좌표간의 차이를 비교하여 해상도에 따른 오차분석 및 정확도를 제시하였다. 또한 이러한 정확도 평가는 향후 무인항공기를 활용한 지적측량에서 지적기준점 측량이나 또는 필지경계점 좌표측량에 있어 적절한 비행고도와 필지경계점의 대공표지 색상이나 형상 등을 선택하는 방법론에서 기초적인 방향과 참고정보를 제공하는 것이 본연구의 부차적인 목적이다.
- 본 연구에서 비행영상과의 영상정합을 위한 지상기준점 측량(GCP: Ground Control Point)은 2016년 6월 20일에 실시하였고 Sokkia GRX2를 이용하여 총 11점을 Network RTK 측량으로 관측하였다. 또한 Network RTK에 의한 지상기준점 측량과 지상측량 모두 동일한 관측방법으로 고정 해를 얻고 나서 30초 이상 관측하였으며 데이터 수신간격은 1초, 동시 수신 위성수는 5개 이상, 고도각은 15˚를 기준으로 하였다.
- 0104m로 산출되어 비행고도에 따른 GCP점들의 합계오차는 비행고도가 높을수록 GCP의 오차가 더 많이 발생하는 것으로 확인되었지만 결과적으로 두 경우 모두가 양호한 것으로 나타났다. 또한 영상접합 후처리는 Agisoft의 Photoscan 소프트웨어를 사용하였고, Photoscan은 촬영된 각 사진들의 영상정합 작업 시 대상물에 대하여 포인트 클라우드 작업을 수행하고 메쉬 구축(build mesh)과 질감구축(build texture)의 작업과정을 거쳐 40m, 100m의 정사영상을 생성하였다. Table 2는 고도별 지상 기준점 측량오차를 보여주고 있고, Fig.
- 또한 지상기준점측량은 각 각의 비행고도에 따라 시각적 선명도의 비교를 위해 각 측점별로 대공표지 색상의 종류를 다양하게 설치하였으며 정사영상의 객관적인 정확도의 비교, 분석을 위하여 Network RTK (Real Time Kinematic) 측량을 통해 각 점의 기준점 및 필계 좌표를 취득하였다.
- 무인항공기를 활용하여 연구대상지에 촬영을 완료하고 후처리를 통하여 정사영상을 생성하고 Autocad Map에서 해당 지적도 또는 구획정리 작업파일을 입력하고 그 위에 정사영상을 중첩한 후 세계좌표 동부원점으로 생성된 정사영상에서 지적기준점의 좌표를 추출하였다. Table 4는 정사영상에서 지적 기준점 좌표를 생성하고 있는 것을 보여주고 있다.
- 본 연구는 지적기준점과 필지경계점에 대하여 무인항공기를 비행고도별로 40m, 100m로 구분하여 대공표지를 색상별로 설치하고 정사영상 생성 및 필지좌표를 추출한 후 GNSS 지상현황측량을 통한 필지경계점 좌표간의 차이를 비교하여 오차분석 및 정확도를 제시하였다.
- 본 연구의 데이터 취득에 사용된 장비는 Phantom 3 Professional 회전익 드론장비이며, 비행사진촬영의 중첩도는 종중복, 횡중복도 80%로 동일하게 설정하고 촬영고도 40m와 100m로 각 각 다르게 설정하여 촬영 해상도의 차이를 확인하고 좌표 추출에 대한 영향을 분석하였다. 촬영대상 지역의 면적은 회전익 비행속도를 고려하여 가로 180m 세로 280m로 하였으며 비행속도는 비행고도 40m에서 비행속도는 3m/s로 설정하였다.
- 비행고도별 40m, 100m에서 생성된 정사영상의 지적기준점 15점에 대하여 Network RTK 측량을 실시하여 각 기준점의 좌표를 비교한 결과 Network RTK 관측 좌표를 X, Y, Z 값으로 표시하고 정사영상 40m를 X", Y", Z"표시하여 오차 X-X", Y-Y", Z-Z"를 산출하였다.
- 비행고도별 필지경계점의 좌표생성에 미치는 오차를 비교하였다. 2개의 블록에 한하여 1블럭 8점, 2블럭 8점을 선정하여 총 16점에 대하여 X, Y, 수평값만 비교하였다.
- 정사영상에서 Autocad 도화과정을 거쳐 지적기준점 15점, 필지경계점 16점에 대해서 좌표추출 완료 후 추출된 좌표의 정확도를 확인하기 위하여 Network RTK 현장 관측을 실시하여 좌표를 생성하여 비교하였다.
- 좌표생성을 위한 수신기의 환경설정은 관측시간 30초 이상으로 설정하고 정확도 H=0.03m, V=0.05m, 안테나 높이 1.80m로 설정 후 관측을 실시하고 파일전송을 통해 파일단위를 체크하고 포맷형식은 NEZ*CSV로 선택 후 저장 파일명을 입력하였다. 좌표계는 GRS80 (Global Reference System 1980), zone 3로 설정을 하였고 생성된 좌표는 소수 셋째자리까지 산출하여 정리하였다.
- 지적기준점의 영상촬영을 위해 비행고도에 따른 기준점과 필지경계점의 시각적인 해상도를 높이기 위해 지적기준점과 필지경계에 대공표지 색상을 달리하여 관측하였다. 먼저 지적기준점의 경우 기준점의 직경을 고려하여 중앙부에 원형의 홈을 파고 기존 도근점에 설치가 가능하도록 하였으며 크기를 가로 20㎝ 세로 20㎝로 15점의 기준점에 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 비행영상과의 영상정합을 위한 지상기준점 측량(GCP: Ground Control Point)은 2016년 6월 20일에 실시하였고 Sokkia GRX2를 이용하여 총 11점을 Network RTK 측량으로 관측하였다. 또한 Network RTK에 의한 지상기준점 측량과 지상측량 모두 동일한 관측방법으로 고정 해를 얻고 나서 30초 이상 관측하였으며 데이터 수신간격은 1초, 동시 수신 위성수는 5개 이상, 고도각은 15˚를 기준으로 하였다.
- 본 연구의 시간적 범위는 먼저 영상촬영은 2016년 6월 10일에 실시하였고, 지상기준점 측량 및 지상측량은 2016년 6월 20일에 실시하였다.
- 연구지역의 영상취득은 팬텀3 프로페셔널 무인항공기를 이용하여 대공표지 11점과 지적기준점 15점, 필지경계 1블럭 8점, 2블럭 8점으로 필지경계점은 총 16점을 촬영하였다. 영상촬영을 위해 사용된 카메라 등 영상정보는 Table 1과 같다.
- 본 연구의 데이터 취득에 사용된 장비는 Phantom 3 Professional 회전익 드론장비이며, 비행사진촬영의 중첩도는 종중복, 횡중복도 80%로 동일하게 설정하고 촬영고도 40m와 100m로 각 각 다르게 설정하여 촬영 해상도의 차이를 확인하고 좌표 추출에 대한 영향을 분석하였다. 촬영대상 지역의 면적은 회전익 비행속도를 고려하여 가로 180m 세로 280m로 하였으며 비행속도는 비행고도 40m에서 비행속도는 3m/s로 설정하였다. 그리고 비행고도 100m에서 비행속도 5m/s로 설정하여 지적기준점과 필지경계점 모두 동일하게 적용하였다.
성능/효과
- 영상촬영에서 비행고도 40m와 100m의 GCP 11점에 대한 RMSE (Root Mean Square Error)는 Table 2와 같이 비행고도 40m일 때 약 0.0025m, 비행고도 100m일 때 약 0.0104m로 산출되어 비행고도에 따른 GCP점들의 합계오차는 비행고도가 높을수록 GCP의 오차가 더 많이 발생하는 것으로 확인되었지만 결과적으로 두 경우 모두가 양호한 것으로 나타났다.
- 1블럭 전체 평균오차 X=0.036m, Y=0.031m로 1블럭 필지 경계 8점 모두 큰 편차 없이 양호한 결과를 보였다. 2블럭의 경우 필지경계 2-7이 X=-0.
- 100m의 결과를 나타냈다. 각 기준점에서 최소차와 최고차의 전체 RMSE는 X=0.041m, Y=0.030m, Z=0.064m의 결과를 보였다.
- 그리고 비행고도 100m의 결과를 살펴보면, 대공표지가 없는 경우 평균오차 X=0.037m, Y=0.035m, Z=0.069, 대공표지 녹색의 경우 X=0.034m, Y=0.036m, Z=0.065m, 대공표지 적색의 경우 X=0.035m, Y=0.027m, Z=0.055m의 결과로 수평위치와 높이의 오차에서 대공표지 적색이 가장 낮은 오차를 보였으며 대공표지 없이 관측한 기준점의 오차가 가장 높게 나타났다.
- 004m의 결과로 수평위치와 높이값 오차가 전체 기준점 중 가장 낮은 오차로 나타났다. 기준점 14번의 최대오차가 발생한 기준점으로 X=-0.024m, Y=-0.036m, Z=0.020m로 수평위치 오차에 비해 높이 오차는 평균이하의 오차로 나타났다. 전체적으로 RMSE는 X=0.
- 055m로 가장 높은 정확도를 보였으며, 다음으로 녹색, 표지없음 순으로 오차가 발생하였다. 동일한 고도에서 적색과 대공표지가 없음의 X, Y좌표 오차를 비교해 보면 최대 약 2cm 이상 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
- 둘째, 비행고도에 따른 지형 · 지물별 영상인식의 정확도 분석을 위해 대공표지 없음과 녹색, 적색의 세 가지 경우로 RMSE를 비교한 결과 미세한 차이로 나타났으나 적색의 경우 X=0.039m, Y=0.019m, Z=0.055m로 가장 높은 정확도를 보였으며, 다음으로 녹색, 표지없음 순으로 오차가 발생하였다.
- 따라서 40m와 100m의 비행고도에 따른 오차결과를 토대로 볼 때 비행고도를 다르게 설정할 때 발생하는 오차는 약 1cm 내외로 극히 미비하였으나 동일한 고도에서 대공표지의 색상에 따라 발생되는 오차가 더 많이 발생될 수 있음을 확인하였다.
- 따라서 위의 결과를 토대로 볼 때 40m와 100m의 비행고도별 오차는 1cm 이내의 오차로 매우 미비하였으나 동일한 고도에서 대공표지가 적색의 경우와 대공표지가 없음의 경우에서 오차가 더 많이 발생한다는 것을 확인할 수 있었다. 비행고도별 오차는 40m와 100m 모두 지적측량 검사성과 인정범위인 지적도근점 경계점좌표등록부 시행지역 0.
- 또한 지적기준점의 비행고도간 결과값의 비교를 위해 Network RTK 측량결과를 기준으로 두 비행고도의 RMSE 를 비교한 결과 지적기준점 총 15점에 대해 40m X=0.0232, Y=0.0241, Z=0.0396으로 나타났고, 100m X=0.0356, Y=0.0333, Z=0.0638로 나타나 40m와 100m에 대한 비행고도별 X,Y의 차이는 약 1cm 이내의 근소한 차이를 보였고, Z값은약 2cm 이상으로 차이를 보였다.
- 또한 필지경계점의 비행고도 간 결과값의 비교를 위해 Network RTK 측량결과를 기준으로 두 비행고도의 RMSE를 비교한 결과 1블럭과 2블럭의 총 16점에 대해 40m X=0.038, Y=0.025로 나타났고, 100m X=0.044, Y=0.037로 나타나 40m와 100m에 대한 비행고도별 X,Y의 차이는 약 1cm 내외로 근소한 차이를 보였다.
- 비행고도 40m의 정사영상 좌표를 X, Y, Z값으로 표시하고 비행고도 100m의 정사영상 좌표를 X", Y", Z"표시하여 오차 X-X", Y-Y", Z-Z"를 산출한 결과 기준점 5번에서 최소오차인 X=-0.011m, Y=0.003m, Z=0.014m로 나타났으며, 기준점 11번에서 최고오차인 X=-0.058m, Y=0.064m, Z=-0.100m의 결과를 나타냈다.
- 비행고도별 기준점 대공표지의 색상별 오차를 보면 기준점 4, 6, 12, 14 ,15는 대공표지 없이 관측한 결과로 비행고도 40m의 경우 전체 RMSE X=0.027m, Y=0.027m, Z=0.036, 대공표지 녹색의 경우 기준점 1, 2, 5, 8, 11로 X=0.023m, Y=0.026m, Z=0.040m, 대공표지 적색의 경우 기준점 3, 7, 9, 10, 13으로 X=0.017m, Y=0.017m, Z=0.042m의 결과로 수평위치에서 적색의 대공표지가 가장 높은 정확도로 분석 되었으며 반대로 대공 표지 없이 관측한 기준점들의 정확도가 가장 낮게 나타났다.
- 따라서 위의 결과를 토대로 볼 때 40m와 100m의 비행고도별 오차는 1cm 이내의 오차로 매우 미비하였으나 동일한 고도에서 대공표지가 적색의 경우와 대공표지가 없음의 경우에서 오차가 더 많이 발생한다는 것을 확인할 수 있었다. 비행고도별 오차는 40m와 100m 모두 지적측량 검사성과 인정범위인 지적도근점 경계점좌표등록부 시행지역 0.15m 이내의 양호한 성과로 확인되었다. Table 9는 40m 정사영상과 Network RTK 지적기준점 좌표 비교를 보여주고 있고, Table 10은 100m 정사영상과 Network RTK 지적기준점 좌표 비교를 보여주고 있다.
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4.4 정사영상과 Network RTK 필지경계점 좌표 비교
비행고도별 정사영상에서 생성된 필지경계점 1블럭, 2블럭의 좌표와 필지경계 16점에 대하여 Network RTK 측량을 실시를 비교한 결과 비행고도 40m의 경우 1블럭 필지경계 1-8에서 X=-0.010m, Y=-0.005m로 최소 오차 값을 보였으며 필지경계 1-2는 X=-0.050m, Y=-0.056m로 최대 오차 값으로 나타났다.
- 셋째, 정사영상과 현장실측을 통하여 산출된 좌표 비교에서 지적기준점의 경우 전체 평균 오차 X=0.029m, Y=0.028m, Z=0.051m 성과로 나타났으며, 필지경계점의 경우 X=0.041m, Y=0.030m의 성과로 산출되었다. 이러한 성과는 지적측량 시행규칙 제 27조 검사성과 허용범위 경계점좌표등록부지역의 경우 도근점 0.
- 전체 평균오차 X=0.045m, Y=0.034m로 비행고도 100m에서도 비행고도 40m와 비슷한 오차를 보였으며 경계점좌표등록부 시행지역 0.10m 이내의 성과로 검사성과 인정범위내의 결과로 나타났다. Table 11, 12는 40m 정사영상과 Network RTK 측량에 의한 좌표비교를 실시한 것을 보여주고 있고 Table 13, 14는 100m 정사영상과 Network RTK 측량에 의한 좌표비교를 실시한 것을 보여주고 있다.
- 017m로 X 값의 오차가 나머지 점들에 비하여 높게 나타났다. 전체 평균오차 값 X=0.042m, Y=0.018m로 비행고도 40m에서 1, 2블럭 전체 평균오차는 큰 편차가 없는 것으로 나타났다.
- 020m로 수평위치 오차에 비해 높이 오차는 평균이하의 오차로 나타났다. 전체적으로 RMSE는 X=0.023m, Y=0.024m, Z=0.039m의 결과를 보였다.
- 첫째, 비행고도에 따른 공간해상력을 살펴보면 비행고도별 정사영상 간 40m, 100m의 평균오차가 0.024m, 0.034m이내의 정확도로 비행고도 100m보다 40m에서 해상도와 점의 위치정 확도가 높은 것으로 분석되었다.
후속연구
- 또한 무인항공영상에 의한 지적기준점 및 필지경계점 측량 성과를 분석한 결과 비행고도별 전체 평균오차 0.05m미만의 성과로 향후 무인항공사진측량 관련 규정 및 제도가 구체적으로 마련된다면 공간정보취득 뿐만 아니라 지적측량 수행에도 경제적이고 효율적인 방법으로 신속한 작업 수행이 가능할 것으로 기대된다.
- 본 연구에서는 40m와 100m의 2가지 비행고도에 준하여 지적기준점과 필지경계점에 대한 정확도를 제시하였지만 비행고도를 달리하여 다양한 고도별 정확도를 제시하지 못하였다는 측면과 또한 밀집된 시가지가 아닌 개활지에서만 비교한 부분은 본 연구의 한계로 판단되며 향후 다양한 고도와 측량환경 등을 고려한 심도있는 후속연구가 이뤄져야 할 것으로 판단된다.
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