[논문]국토위성정보 활용기술 및 운영시스템 개발: 성과 및 의의

윤성주; 손종환; 박형준; 서정훈; 이유진; 반승환; 최재승; 김병국; 이현직; 이규성; 권기억; 이계동; 정형섭; 정윤재; 최현; 구대성; 최명진; 신윤수; 최재완; 어양담; 정종철; 한유경; 오재홍; 이수암; 장은미; 김태정

doi:10.7780/kjrs.2020.36.5.2.2

국토위성정보 활용기술 및 운영시스템 개발: 성과 및 의의
CAS 500-1/2 Image Utilization Technology and System Development: Achievement and Contribution 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.36 no.5 pt.2, 2020년, pp.867 - 879

윤성주 (인하대학교 스마트시티공학전공) , 손종환 (인하대학교 스마트시티공학전공) , 박형준 (인하대학교 스마트시티공학전공) , 서정훈 (인하대학교 스마트시티공학전공) , 이유진 (인하대학교 스마트시티공학전공) , 반승환 (인하대학교 공간정보공학과) , 최재승 ((주)쎄트렉아이 지상사업부문) , 김병국 (인하대학교 공간정보공학과) , 이현직 (상지대학교 건설시스템공학과) , 이규성 (인하대학교 공간정보공학과) , 권기억 ((주)신한항업 사업본부) , 이계동 ((주)범아엔지니어링 국토정보시스템연구소) , 정형섭 (서울시립대학교 공간정보공학과) , 정윤재 ((주)지오씨엔아이 공간정보기술연구소) , 최현 (경남대학교 토목공학과) , 구대성 (공간정보기술 주식회사 공간정보연구소) , 최명진 (한컴인스페이스) , 신윤수 (중앙항업(주) 영업부) , 최재완 (충북대학교 토목공학과) , 어양담 (건국대학교 공과대학 사회환경공학부) , 정종철 (남서울대학교 공간정보공학과) , 한유경 (경북대학교 과학기술대학 융복합시스템공학부) , 오재홍 (한국해양대학교 공과대) , 이수암 , 장은미 , 김태정

초록
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본격적인 우주기술 활용시대가 전망되는 현재의 시점에서 고해상도 영상취득이 가능한 국토관측위성의 발사가 2021년으로 예정되어 있다. 이에 따라 국토관측위성의 지상국의 핵심설계요소로 영상사용자의 위성영상 활용성과 작업자의 처리효율성 증대가 강조되어 왔다. 이에 대응하여, 국토관측위성의 수집, 처리, 저장, 관리 및 활용을 위한 핵심기술과 국토관측위성 지상국의 운영시스템을 개발하는 국토관측위성 수집 및 활용기술개발 연구사업이 진행되었다. 본 논문에서는 상기 연구개발사업의 성과로 개발된 국토관측위성 활용핵심기술과 지상국 운영시스템 개발결과를 소개한다. 개발된 지상국 운영시스템은 한반도 전역의 GCP(Ground Control Point) chip DB(Database)와 DEM(Digital Elevation Model) DB를 시스템 내에 구축하여 자동화된 방식으로 정밀정사영상을 생성하기 위한 기술 및 시스템을 구현하였다. 나아가 생성된 정밀정사영상을 1:5,000 도엽단위로 분할한 도엽정사영상을 생산하여 향후 분석준비자료 (ARD(Analysis Ready Data)) 체계로 발전할 수 있도록 개발하였다. 또한 정밀정사영상 및 도엽정사영상으로부터 DSM(Digital Surface Model)자료, 변화탐지지도, 객체추출지도 등 다양한 활용산출물이 체계적으로 생산될 수 있도록 활용산출물 생산 SW를 지상국 운영시스템과 연동시킬 수 있게 개발하였다. 본 연구진이 개발한 국토위성정보 활용기술 및 운영시스템은 국내 최초로 한반도 GCP chip DB구축을 통해서 자동화된 정밀정사영상생성 기술을 확보하고 다양한 활용산출물의 생산을 위성지상국 운영시스템에 접목했다는 점에서 의의가 있다고 판단된다. 개발된 국토위성정보 운영시스템은 국토관측위성의 주 활용부처인 국토지리정보원 국토위성정보활용센터에 설치되었으며, 향후 동 센터의 업무에 크게 기여할 것으로 바라보고 있다. 또한, 향후 발사예정인 여러 저궤도 지구관측위성의 지상국 시스템에 대한 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the era of space technology utilization is approaching, the launch of CAS (Compact Advanced Satellite) 500-1/2 satellites is scheduled during 2021 for acquisition of high-resolution images. Accordingly, the increase of image usability and processing efficiency has been emphasized as key design concepts of the CAS 500-1/2 ground station. In this regard, "CAS 500-1/2 Image Acquisition and Utilization Technology Development" project has been carried out to develop core technologies and processing systems for CAS 500-1/2 data collecting, processing, managing and distributing. In this paper, we introduce the results of the above project. We developed an operation system to generate precision images automatically with GCP (Ground Control Point) chip DB (Database) and DEM (Digital Elevation Model) DB over the entire Korean peninsula. We also developed the system to produce ortho-rectified images indexed to 1:5,000 map grids, and hence set a foundation for ARD (Analysis Ready Data)system. In addition, we linked various application software to the operation system and systematically produce mosaic images, DSM (Digital Surface Model)/DTM (Digital Terrain Model), spatial feature thematic map, and change detection thematic map. The major contribution of the developed system and technologies includes that precision images are to be automatically generated using GCP chip DB for the first time in Korea and the various utilization product technologies incorporated into the operation system of a satellite ground station. The developed operation system has been installed on Korea Land Observation Satellite Information Center of the NGII (National Geographic Information Institute). We expect the system to contribute greatly to the center's work and provide a standard for future ground station systems of earth observation satellites.

주제어

표/그림 (11)

표 Table 1. Korea's earth observation satellite program
표 Table 2. Specification of CAS 500-1/2
그림 Fig. 1. Operation concept of CAS 500 ground processing system.
그림 Fig. 2. System architecture of CAS 500 ground processing system.
표 Table 3. List of CAS 500-1/2 image product
그림 Fig. 3. CAS 500-1/2 precision image generation flowchart.
표 Table 4. List of CAS 500-1/2 utilization product SW
표 Table 5. Example for mosaicking result
표 Table 6. Example for DSM and DTM generation result
표 Table 7. Example for spatial feature thematic map (① farmland, ② building, and ③ road)
표 Table 8. Example for change detection thematic map

AI 본문요약
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문제 정의

DSM 및 DTM을 생성하기 위해, 입체기하 수립 및 에피폴라 리샘플링, 영상정합을 통한 포인트 클라우드 생성, 격자화를 통한 DSM 생성, 비지면점 제거를 통한 DTM 생성 과정을 수행한다. DSM 및 DTM 성능은 1:5,000 수치지도 기준 하에 위치정확도 5 m를 목표로 하였다. 먼저, 입체기하 수립 및 에피폴라 리샘플링을 수행하여 영상을 재배열한다.
공간객체 주제도를 생성하기 위해, 영상분할, 객체분류를 수행하며, 공간객체 별 분류 정확도 90% 이상을 목표로 하였다. 먼저, 영상분할을 수행하여 영상 내 유사특성을 지닌 영역끼리 분할한다.
국토위성정보 정밀영상의 생성과정은 Fig. 3과 같으며, 1:5,000 수치지도 기준 하에 2 pixel 오차 이내의 성능을 목표로 하였다. 먼저 0.
이에 대응하여, 국토 관측위성의 수집, 처리, 저장, 관리 및 활용을 위한 핵심기술과 국토관측위성 지상국의 운영시스템을 개발하는 국토관측위성 수집 및 활용기술개발 연구사업이 진행되었다. 본 논문에서는 상기 연구개발사업의 성과로 개발된 국토관측위성 활용핵심기술과 지상국 운영시스템 개발결과를 소개한다. 개발된 지상국 운영시스템은 한반도 전역의 GCP(Ground Control Point) chip DB(Database)와 DEM(Digital Elevation Model) DB를 시스템 내에 구축하여 자동화된 방식으로 정밀정사영상을 생성하기 위한 기술 및 시스템을 구현하였다.
국토위성정보활용기술및운영시스템개발을위해수행된 연구는 국내외 여러 논문들을 통해 소개되고 있다. 이에, 본 논문에서는 활용기술에 대한 간략한 설명과 함께 운영시스템에 대해 주로 다루고자 하였다. 먼저 개발된 국토위성정보 운영시스템에 대해서 소개하고, 개발된 운영시스템 중에서 자동 정밀정사영상 생성 및 다양한 활용산출물 생성을 위한 세부 시스템에 대해서 좀 더 자세히 설명한다.
이제까지 활용을 주목적으로 새로이 개발되어 내년 발사예정인 국토관측위성을 위한 국토위성정보 활용기술과 운영시스템 개발에 대해서 소개하였다. 개발된 국토위성정보 운영시스템은 다음과 같은 3가지 측면에서 시사점 및 의의를 찾아볼 수 있다.
이를 통해서 지상국 업무효율성 증대, 신속한 정밀영상제공 및 위성정보활용 활성화에 크게 기여할 것으로 기대한다. 정밀영상생성시스템의 상세한 세부 구성 및 성능은 별도의 논문으로 보고하기로 한다.

제안 방법

DSM 및 DTM을 생성하기 위해, 입체기하 수립 및 에피폴라 리샘플링, 영상정합을 통한 포인트 클라우드 생성, 격자화를 통한 DSM 생성, 비지면점 제거를 통한 DTM 생성 과정을 수행한다. DSM 및 DTM 성능은 1:5,000 수치지도 기준 하에 위치정확도 5 m를 목표로 하였다.
, 2020), 공간정보기반(Lee and Jeon, 2019; Youn and Jeon, 2019)으로 구분되어 수행한다. FC-DenseNet 모델을 활용한 화소기반 변화탐지, 화소기반 변화탐지 결과 및 분할영상을 활용한 객체기반 변화탐지, DSM/DTM을 활용한 변화탐지, 토지피복도 등 기 구축된 공간정보를 활용한 변화탐지를 통해, 다양한 변화탐지 주제도를 생성한다(Table 8). 화소기반, 객체추출기반 및 DSM/DTM 기반의 경우 AUC(Area Under Curve) 향상을 목표로 하였으며, 공간정보 기반의 경우 Kappa 통계지수 0.
본 논문에서는 상기 연구개발사업의 성과로 개발된 국토관측위성 활용핵심기술과 지상국 운영시스템 개발결과를 소개한다. 개발된 지상국 운영시스템은 한반도 전역의 GCP(Ground Control Point) chip DB(Database)와 DEM(Digital Elevation Model) DB를 시스템 내에 구축하여 자동화된 방식으로 정밀정사영상을 생성하기 위한 기술 및 시스템을 구현하였다. 나아가 생성된 정밀정사영상을 1:5,000 도엽단위로 분할한 도엽정사영상을 생산하여 향후 분석준비자료(Analysis Ready Data, ARD) 체계로 발전할 수 있도록 개발하였다.
개발된 지상국 운영시스템은 한반도 전역의 GCP(Ground Control Point) chip DB(Database)와 DEM(Digital Elevation Model) DB를 시스템 내에 구축하여 자동화된 방식으로 정밀정사영상을 생성하기 위한 기술 및 시스템을 구현하였다. 나아가 생성된 정밀정사영상을 1:5,000 도엽단위로 분할한 도엽정사영상을 생산하여 향후 분석준비자료(Analysis Ready Data, ARD) 체계로 발전할 수 있도록 개발하였다. 또한 정밀정사영상 및 도엽정사영상으로부터 DSM(Digital Surface Model)자료, 변화탐지지도, 객체추출지도 등 다양한 활용산출물이 체계적으로 생산될 수 있도록 활용 산출물 생산 SW를 지상국 운영시스템과 연동시킬 수 있게 개발하였다.
나아가 생성된 정밀정사영상을 1:5,000 도엽단위로 분할한 도엽정사영상을 생산하여 향후 분석준비자료(Analysis Ready Data, ARD) 체계로 발전할 수 있도록 개발하였다. 또한 정밀정사영상 및 도엽정사영상으로부터 DSM(Digital Surface Model)자료, 변화탐지지도, 객체추출지도 등 다양한 활용산출물이 체계적으로 생산될 수 있도록 활용 산출물 생산 SW를 지상국 운영시스템과 연동시킬 수 있게 개발하였다. 본 연구진이 개발한 국토위성정보 활용기술 및 운영시스템은 국내 최초로 한반도 GCP chip DB 구축을 통해서 자동화된 정밀정사영상생성 기술을 확보하고 다양한 활용산출물의 생산을 위성지상국 운영시스템에 접목했다는 점에서 의의가 있다고 판단된다.
공간객체 주제도를 생성하기 위해, 영상분할, 객체분류를 수행하며, 공간객체 별 분류 정확도 90% 이상을 목표로 하였다. 먼저, 영상분할을 수행하여 영상 내 유사특성을 지닌 영역끼리 분할한다. 영상분할은 OBIA(Object-Based Image Analysis) 또는 SLIC (Simple Linear Iterative Clustering) 기법을 적용하여, 객체 후보영역을 선정하게 된다.
DSM 및 DTM 성능은 1:5,000 수치지도 기준 하에 위치정확도 5 m를 목표로 하였다. 먼저, 입체기하 수립 및 에피폴라 리샘플링을 수행하여 영상을 재배열한다. 입체기하는 영상전역에 대한 에피폴라 커브 생성 및 선형 분석을 통해 수립되며(Oh and Lee, 2018; Oh and Lee, 2019), 수립된 기하를 따라 영상을 재배열하게 된다(Oh and Han, 2020).
모자이크영상 생성을 위해 밝기 값 보정, 접합선 추출, 영상병합 과정을 수행하며, 1:5,000 수치지도 기준 하에 2 pixel 오차 이내의 성능을 목표로 하였다. 먼저, 밝기 값 보정을 수행하여 인접영상 간 밝기 값 차이를 제거한다.
북한지역의 경우, 국방지형정보단의 CIB(Controlled Image Base) 영상과 KOMPSAT-2 정사영상으로 산출된 수평좌표 및 국토지리정보원의 DEM 등을 통한 높이 값을 활용하여 25,205점을 제작하였다. 이를 기반으로, 자동화된 정밀 정사영상 생성기술을 확보하였다. 이는 저궤도 지구관측위성 지상국에 대해서는 국내 최초로 구현되는 기술이다.
국내 위성산업이 활성화됨에 따라 지속적으로 새로운 국내 위성영상의 공급과 수요가 증대되고 있으나, 전 국토에 대한 위성기준점 부재에 의해 활용에 난제가 발생되고 있다. 이에 대응하기 위해, 본 연구진은 국토지리정보원에서 보유하고 있는 기준점, 정사영상 등의 공간정보를 활용하여 국내 최초의 한반도 지역 정밀 위성기준점 DB를 구축하였다. 이를 통해, 국토관측을 포함한 전 부문에서의 위성산업 활성화와 국토관리 효용성 증대를 전망하고 있다.
마지막으로, 1:5,000도엽체계에 맞추어 정밀정사영상을 분할함으로써 촬영지역 내 여러 정밀도엽영상을 생성하게 된다. 특히, 개발된 국토위성정보 정밀영상생성시스템에는 상기 GCP자동매칭을 위해서 한반도 전역에 대해서 고밀도의 GCP chip DB를 구축하였다. 접경지역을 포함한 남한지역의 경우, 국토지리정보원의 항공정사영상과 통합기준점, 삼각점 및 기본도 제작에 사용한 사진기준점을 활용하여 21,500점을 제작하였다.
현재에 들어 본격적인 우주기술 활용시대가 전망되는 시점에서, 본 연구진은 국토위성정보 운영시스템 내 활용산출물 생성 소프트웨어를 연계하여 모자이크영상·수치지형모형·공간객체주제도·변화탐지 주제도를 생성하도록 하였다.
FC-DenseNet 모델을 활용한 화소기반 변화탐지, 화소기반 변화탐지 결과 및 분할영상을 활용한 객체기반 변화탐지, DSM/DTM을 활용한 변화탐지, 토지피복도 등 기 구축된 공간정보를 활용한 변화탐지를 통해, 다양한 변화탐지 주제도를 생성한다(Table 8). 화소기반, 객체추출기반 및 DSM/DTM 기반의 경우 AUC(Area Under Curve) 향상을 목표로 하였으며, 공간정보 기반의 경우 Kappa 통계지수 0.5 이상을 목표로 하였다.
활용산출물에는 모자이크영상·수치지형모형(DSM및 DTM(Digital Terrain Model))·공간객체 주제도·변화탐지 주제도의 4가지로 구성되며, 자세한 설명은 4장에서 다루도록 한다.

이론/모형

먼저, 밝기 값 보정을 수행하여 인접영상 간 밝기 값 차이를 제거한다. 밝기 값 보정은 히스토그램 매칭(Histogram Matching) 기법을 적용하여, 선정된 대표영상을 기준으로 다른 영상들의 밝기 값을 보정한다. 다음으로, 접합선 추출을 수행하여 인접영상 간 접합선을 식별한다.
먼저, 영상분할을 수행하여 영상 내 유사특성을 지닌 영역끼리 분할한다. 영상분할은 OBIA(Object-Based Image Analysis) 또는 SLIC (Simple Linear Iterative Clustering) 기법을 적용하여, 객체 후보영역을 선정하게 된다. 다음으로, 객체분류를 수행하여 공간객체 주제도를 생성한다.
다음으로, 영상정합을 수행하여 포인트 클라우드를 생성한다. 영상정합은 MDR(Multi-Dimensional Relaxation) 기법을 적용하여, 고밀도의 포인트 클라우드를 생성하고 정제한다. 이후, 포인트 클라우드 격자화를 통해 DSM 을 생성한다.

성능/효과

또한 정밀정사영상 및 도엽정사영상으로부터 DSM(Digital Surface Model)자료, 변화탐지지도, 객체추출지도 등 다양한 활용산출물이 체계적으로 생산될 수 있도록 활용 산출물 생산 SW를 지상국 운영시스템과 연동시킬 수 있게 개발하였다. 본 연구진이 개발한 국토위성정보 활용기술 및 운영시스템은 국내 최초로 한반도 GCP chip DB 구축을 통해서 자동화된 정밀정사영상생성 기술을 확보하고 다양한 활용산출물의 생산을 위성지상국 운영시스템에 접목했다는 점에서 의의가 있다고 판단된다. 개발된 국토위성정보 운영시스템은 국토관측위성의주 활용부처인 국토지리정보원 국토위성정보활용센터에 설치되었으며, 향후 동 센터의 업무에 크게 기여할 것으로 기대된다.

후속연구

본 연구진이 개발한 국토위성정보 활용기술 및 운영시스템은 국내 최초로 한반도 GCP chip DB 구축을 통해서 자동화된 정밀정사영상생성 기술을 확보하고 다양한 활용산출물의 생산을 위성지상국 운영시스템에 접목했다는 점에서 의의가 있다고 판단된다. 개발된 국토위성정보 운영시스템은 국토관측위성의주 활용부처인 국토지리정보원 국토위성정보활용센터에 설치되었으며, 향후 동 센터의 업무에 크게 기여할 것으로 기대된다. 또한, 향후 발사예정인 여러 저궤도 지구관측위성의 지상국 시스템에 대한 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
현재 위성정보의 공공분야 활용을 위해 많은 투자가 이뤄지고 있으나, 위성영상처리의 특수성에 의해 일반 사용자에 대한 진입장벽이 발생되어 활용에 어려움을 겪고 있다. 국토위성정보 정밀영상생성 시스템을 통해, 위성영상 품질 표준화 및 전처리과정을 최소화하는 분석준비자료 생산이 가능하였으며, 이를 통해 차세대 중형위성 활용성 증대와 국내 위성산업의 기준제시를 기대하는 바이다. 세번째, 저궤도 지구관측위성용 지상국의 기능에 다양한 활용 산출물 생산을 접목한 점이다.
이러한 의의와 시사점을 토대로 본 연구진이 개발한 국토위성 정보 활용기술 및 운영시스템을 통해서 위성영상 활용성 증대를 전망하고 있다. 나아가, 향후 발사예정인 여러 지구관측 위성의 지상국 시스템에 하나의 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
개발된 국토위성정보 운영시스템은 국토관측위성의주 활용부처인 국토지리정보원 국토위성정보활용센터에 설치되었으며, 향후 동 센터의 업무에 크게 기여할 것으로 기대된다. 또한, 향후 발사예정인 여러 저궤도 지구관측위성의 지상국 시스템에 대한 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
공공분야 및 민간분야에서 지구관측 위성영상의 수요가 크게 증대됨에 따라서 활용수요 충족과 우주산업 활성화를 목적으로 하는 새로운 위성프로그램인 차세대중형위성 프로그램이 시작되었다. 이 프로그램의 첫번째 및 두번째 위성으로 2021년에 국토관측위성이 발사될 예정이다. 국토관측위성 1호기와 2호기는 50 cm 해상도의 전정색영상 및 2 m 해상도의 칼라영상을 촬영할 수 있는 위성으로 동일한 사양을 가지고 있는 쌍둥이 위성의 특징을 갖는다(Table 2 참조).
이는 저궤도 지구관측위성 지상국에 대해서는 국내 최초로 구현되는 기술이다. 이를 통해서 지상국 업무효율성 증대, 신속한 정밀영상제공 및 위성정보활용 활성화에 크게 기여할 것으로 기대한다. 정밀영상생성시스템의 상세한 세부 구성 및 성능은 별도의 논문으로 보고하기로 한다.
활용목적에 따른 단계별 정밀영상 생성을 통해, 사용자의 목적에 따른 전처리과정을 최소화하여 작업의 효용성 증대를 기대할 수 있다. 특히 정밀도엽영상은 분석준비자료 체계에서 요구하고 있는 분석기본단위(Analysis Frame)로 사용될 수 있어, 국토관측위성에서 정의된 정밀도엽영상 체계가 향후 한국형 분석준비자료 체계의 기본단위로 발전되기를 기대한다(Dwyer et al., 2018).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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