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문제 정의
- 또한 비접근지역의 지상 3차원 위치결정 시 기준점 취득이 불가능하여 지상 3차원 위치결정이 어려운 실정이지만 스트립 영상을 이용할 경우 비접근지역에 대한 3차원 위치결정이 가능하며, 스트립 조정을 수행 함으로서 넓은 지역을 최소 기준점으로 동시조정이 가능하기 때문에 지상 3차원 위치 결정의 시간 및 경제적 측면에서 유용하다. 따라서 본 연구는 동일한 촬영경로에서 취득된 연속영상을 스트립으로 구성하고 영 상헤더정보와 최소기준점을 이용하여 위성 궤도 모델링과 3차원 위치결정 모델링 기법을 개발하고 정확도를 평가함으로서 비접근 지역이나 넓은지역의 3차원 정보를 취득하는데 그 목적이 있다. 따라서 동일궤도에서 연속적으로 촬영된 여러 장의 단영상으 로 3차원 위치결정을 수행할 수 있는 두 가지 모델링 기법을 제안하였다.
- 본 연구에서는 동일한 궤도에서 촬영된 연속된 영상과 최소의 기준점으로 넓은 지역 및 비접근지역의 지상 3차원 위치정보를 취득하기 위한 연구로서 KOMPSAT-1 호 위성영상을 이용하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
가설 설정
- 천체상의 위성 위치는 궤도가 타원체라는 가정 하에 Keplerian 궤도요소에 의해 정의된다. 그림 3과 4는 ECI (Earth Centered Inertial) 좌표계와 ECEF(Earth Centered Earth Fixed) 좌표계에서 위성궤적을 나타낸 것으로 지구의 자전과 좌표계와의 관계가 서로 독립적인 ECI 좌표계에서는 지구가 자전하더라도 좌표계는 고정되어 있기 때문에 위성의 궤도가 타원체을 이룬다.
제안 방법
- 각각의 천체력점의 궤도요소는 천문학에서 사용하는 ECI 좌표계의 개념으로 모델링을 수행하였다.1),2),3),4),5),6) 하지만 승교점 (ascending node)의 경도((2)는 지구의 자전속도와 동일한 크기로 지구자전방향의 반대방향으로 회전을 수행하여야 한다.
- 각각의 천체력점의 궤도요소를 이용하여 임의점의 궤도요소를 계산하기 위하여 궤도 요소와 자세자료 각각을 영상중심시간을 기준으로 한 시간의 다항식을 구성하였다.
- 지상의 3차원 위치결정을 수행을 위해 스트립 영상의 중심에서 임의점까지의 시간을 이용하여 임의점의 궤도요소를 계산하였다. 계산된 임의점의 궤도요소를 이용하여 임의점의 촬영 당시 위성 위치를 결정하였다. ECI 좌표계 기준 및 ECEF 좌표계 기준모 델링으로 계산된 위성의 위치는 최종적으로 ECEF 좌표계의 지상위치를 계산하기 위하여 ECEF 좌표계의 위성 위치를 계산하여야 한다.
- 위성영상을 이용한 3차원 위치결정은 궤도 모델링을 통한 위성의 위치를 결정한 후 공간전방교회법으로 3차원 위치를 결정하였다. 그 과정은 어떤 주어진 시간에 영상에서 임의점의 센서 좌표계 (sensor coordinate system)의 좌표를 계산하고 시간의 다항식에 의해 계산된 해당 점의 궤도요소를 이용하여 위성의 위치를 결정 후 지상의 3차원 위치를 결정하였다.7),9),12)
- 동일한 궤도에서 촬영된 영상을 스트립영 상으로 재구성하여 연속영상 모델링과 동일한 방법으로 오차특성을 분석하였다. 다만, 식 (5)에서 영상의 수(N)대신 라인수를 이용하여 계산을 수행하기 때문에 각각의 라인마다 보정시간이 결정되어 세밀한 보정이 가능하다.
- 둘째, 두 궤도에서 연속적으로 촬영된 연 속입체영상을 처리하기 위해 각각의 입체영상을 독립적으로 처리하는 경우와 스트립영상으로 재구성하여 처리하는 경우를 비교분석하고 기준점 배치 및 수에 따른 오차특성을 분석함으로써 대단위지역 및 비접근지역의 3차원 정보취득을 위한 모델링 기법을 제시 하였다.
- 따라서 본 연구는 동일한 촬영경로에서 취득된 연속영상을 스트립으로 구성하고 영 상헤더정보와 최소기준점을 이용하여 위성 궤도 모델링과 3차원 위치결정 모델링 기법을 개발하고 정확도를 평가함으로서 비접근 지역이나 넓은지역의 3차원 정보를 취득하는데 그 목적이 있다. 따라서 동일궤도에서 연속적으로 촬영된 여러 장의 단영상으 로 3차원 위치결정을 수행할 수 있는 두 가지 모델링 기법을 제안하였다. 첫째로, 연속된 단영상 처리기술로서 동일한 궤도에서 촬영된 연속적인 영상 중 하나의 영상에서 지상기준점을 통한 궤도모델링과 오차보정 모델링을 수행하여 오차보정량을 계산하며, 다른 영상에 계산된 오차보정량을 적용하는 방법이다.
- 하지만 case 1과 case 2의 경우 기준점 한 점을 이용하기 때문에 지구 곡률과 위성의 시간 오차 누적을 해결하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 지상기준점 두점으로 보정요소의 변화 패턴을 식(5)와 같은 비례배분식을 구성하여 분석함으로써 3차원 위치정확도를 향상시킬 수 있었다.
- 이러한 위성의 위치편위는 영상시간의 불일치로 영상중심시간과 천체력 점의 시간의 불일치로 간주하였다. 따라서 천체력점에 대하여 지상기준점을 이용하여 영상중심시 간의 보정시간을 결정 후 궤 도요소를 다시 결정하여 위성의 위치편위를 제거하였고 위성의 자세를 보정하여 지상의 위치편위를 제거하였다. 이때, 보정시간 및 위성의 자세요소 보정량의 결정은 보정요소와 오차의 크기가 이차원 포물선 형태를 보임으로서 오차가 최소가 되는 점을 보정시간 및 위성의 자세요소 보정량으로 결정하였다.
- 이때, 보정시간 및 위성의 자세요소 보정량의 결정은 보정요소와 오차의 크기가 이차원 포물선 형태를 보임으로서 오차가 최소가 되는 점을 보정시간 및 위성의 자세요소 보정량으로 결정하였다. 보정 시간 및 자세요소 보정량 중 보정시간은 위성의 진행방향으로 발생하는 오차의 보정을 수행하며, roll 회전량의 보정요소는 위성의 진행방향으로 발생하는 오차 제거 후 위성 궤도방향의 직각방향으로 발생하는 오차의 보정을 수행하였다”
- 앞장에서 분석한 ECI와 ECEF 좌표계 기준 궤도모델링에서 ECEF 좌표계 기준 궤도모델링이 오차발생 확률이나 계산 알고리즘에서 더 효율적이라는 결론을 도출하였으며 본 연구에서는 ECEF 좌표계 기준 궤도모델링을 기초한 3차원 위치결정 모델링의 결과를 분석하였다.
- 연속된 단영상 모델링 계산결과(표 10)와 비교분석을 용이하게 하기위하여 스트립 영상의 모델링 결과를 오차해당영상별로 오차를 분석하였다. 그 결과 연속된 단 영상 모델링과 유사한 오차특성을 보이고 있다.
- 연속적으로 촬영된 단영상들은 인접영상 과 약 30%의 중복된 부분을 포함하며, ancillary data 또한 인접한 영상과 약 70 — 80 % 중복되어 있으므로 이러한 중복되는 부분을 제거하여 스트립 영상을 구성하였다. 스트립 영상은 좌/우측 경로 6장의 영상에 대해 총 5점의 접합점을 이용하였으며, 구성된 좌측스트립 영상의 전체 라인수는 12,300 라인, 중심시간은 2000년 4월 28일 6561.
- 스트립 영상의 구성은 영상좌표의 재구 성과 영상헤더의 스트립 구성으로 나눌 수가 있다. 영상좌표의 재구성은 인접영상과의 접합점을 이용하여 영상의 중복부분을 제거 후 하나의 스트립 영상의 FCS (Frame Coordinate System)좌표를 계산한다. 그리고 천체력자료와 자세자료는 중복되는 부분을 제거하여 스트립 영상의 천체력자료와 자세자료를 구성한다.
- 따라서 천체력점에 대하여 지상기준점을 이용하여 영상중심시 간의 보정시간을 결정 후 궤 도요소를 다시 결정하여 위성의 위치편위를 제거하였고 위성의 자세를 보정하여 지상의 위치편위를 제거하였다. 이때, 보정시간 및 위성의 자세요소 보정량의 결정은 보정요소와 오차의 크기가 이차원 포물선 형태를 보임으로서 오차가 최소가 되는 점을 보정시간 및 위성의 자세요소 보정량으로 결정하였다. 보정 시간 및 자세요소 보정량 중 보정시간은 위성의 진행방향으로 발생하는 오차의 보정을 수행하며, roll 회전량의 보정요소는 위성의 진행방향으로 발생하는 오차 제거 후 위성 궤도방향의 직각방향으로 발생하는 오차의 보정을 수행하였다”
- 일정한 방향으로 발생하는 위치편위 분석한 결과 위성의 내부 시간 불일치가 가장 큰 원인으로 분석되었으며 따라서 본 연구에서는 영상중심시간의 불일치를 보정하여 궤도요소#를 보정하였으며, 그 후 발생하는 미소한 오차를 보정하기 위하여 위성의 자세(ω, Φ, x)를 보정하였다.
- 지상기준점 수와 그 배치에 따른 오차특성을 분석하기 위하여 지상기준점을 그림 6과 같이 배치하여 그 오차특성을 분석하였다.
- 지상의 3차원 위치결정을 수행을 위해 스트립 영상의 중심에서 임의점까지의 시간을 이용하여 임의점의 궤도요소를 계산하였다. 계산된 임의점의 궤도요소를 이용하여 임의점의 촬영 당시 위성 위치를 결정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 K0MPSAT-1 호 위성영상은 2000년 4월 28일과 동년 5월 1일 취득된 논산지역을 통과하는 좌/우측 동일한 궤도에서 쵤영된 6장의 영상이며 관측각이 -12°, +19°, 기선고도비(B/H)가 0.6이다. 영상이 포함하는 지상 영역은 17kmx80km으 로 지상기준점은 1/5,000 수치지도에서 132점을 취득하여 한 점 또는 두 점을 기준점으로 사용하였으며, 나머지는 검사점으로 사용하였다.
- 연속적으로 촬영된 단영상들은 인접영상 과 약 30%의 중복된 부분을 포함하며, ancillary data 또한 인접한 영상과 약 70 — 80 % 중복되어 있으므로 이러한 중복되는 부분을 제거하여 스트립 영상을 구성하였다. 스트립 영상은 좌/우측 경로 6장의 영상에 대해 총 5점의 접합점을 이용하였으며, 구성된 좌측스트립 영상의 전체 라인수는 12,300 라인, 중심시간은 2000년 4월 28일 6561.377625 sec이며, 우측 스트립 영상의 라인수는 12, 200 라인, 영상의 중심시간은 2000년 5월 1일 7625.096539 sec이다. 좌 .
- 6이다. 영상이 포함하는 지상 영역은 17kmx80km으 로 지상기준점은 1/5,000 수치지도에서 132점을 취득하여 한 점 또는 두 점을 기준점으로 사용하였으며, 나머지는 검사점으로 사용하였다. 동일한 경로에서 촬영된 연속된 영상의 ID를 좌측경로 영상은 L01~L06, 우측경로 영상은 R01~R06으로 지정하였다.
데이터처리
- ECI 좌표계와 ECEF 좌표계 기준의 두 궤도모델링을 검정하기 위하여 지상 3차원 위치결정 계산 결과를 비교 분석하였다.
이론/모형
- 위성영상을 이용한 3차원 위치결정은 궤도 모델링을 통한 위성의 위치를 결정한 후 공간전방교회법으로 3차원 위치를 결정하였다. 그 과정은 어떤 주어진 시간에 영상에서 임의점의 센서 좌표계 (sensor coordinate system)의 좌표를 계산하고 시간의 다항식에 의해 계산된 해당 점의 궤도요소를 이용하여 위성의 위치를 결정 후 지상의 3차원 위치를 결정하였다.
성능/효과
- 두 처리기술 모두 기준점 한 점을 사용할 경우 기준점에서 멀어질수록 오차의 누적이 발생하고 있으며, 이를 보정하기 위하여 기준점 두 점을 사용할 경우 오차의 누적을 해결할 수 있었다.
- 하지만 그 동안의 대부분의 연구들은 많은 지상기준점을 이용한 센서 모델링을 시도하여 3차원 위치결정을 하였기 때문에 지상기준점의 취득에 대한 어려움과 비접근지역의 경우 3차원 위치결정이 어려운 실정이었다. 따라서 위성영상에서 제공하는 영상헤더정보를 이용한 궤도모델링을 수행하고 최소기 준점(1~2점)만을 이용하여 궤도요소를 검정하고 3차원 위치를 결정하는 기법을 개발함으로서 비용과 시간을 절감하고 기존의 모델링의 문제점을 해결할 수 있다.
- 본 연구에서 수행한 연속영상 모델링과 스트립영상 모델링 모두 지상 영역이 긴 선형지역이기 때문에 기준점 한점을 이용하기보다는 두점의 기준점으로 보정하는 것이 누적되는 오차보정에 효과적임을 알 수 있었다.
- 첫째, ECEF 좌표계로 제공되는 위성영상 헤더정보를 이용하여 기하모델링을 할 경우, ECI 좌표계를 기준으로 한 경우와 ECEF 좌표계를 기준으로 한 경우를 비교 분석한 결과 본 연구에서 제시한 모델링 기법은 두 좌표계 설정에 따른 오차가 미소하였음을 알 수 있었다.
- 표 4과 표 5에서 살펴본 바와 같이 앞에서 논의되고 있는 ECEF 좌표계 기준 궤도 모델링과 ECEF 좌표계 기준 궤도모델링 모두 최종적인 지상 3차원 위치결정 계산시 거의 동일한 결과를 보임을 알 수 있었다.
- 표 6은 스트립으로 구성하기 위한 각각의 단영상에 대하여 좌/우 입체 영상의 영상헤 더자료만을 이용하여 지상 3차원 위치결정 결과, 절대위치오차가 약 15km로 오차가 크게 발생하였으나 지상기준점간 거리와 계산되어져 나온 기준점간 거리를 이용하여 계산한 상대적 거리오차는 평균 11.6m임을 감안 할 때, 지상 3차원 위치결정시 일정한 방향으로 위치편위가 발생하고 있음을 알 수 있었다.
- 한 점의 기준점을 사용한 모델링의 오차와 비교했을 때보다 정확도가 향상되었음을 알 수 있다.
후속연구
- 향후 대단위 지역에 걸친 스트립 영상의 오차보정시 지구 곡률 및 위성궤도요소의 오차누적 보정문제 등에 대한 체계적인 연구가 수행될 경우보다 정확한 3차원정보를 취득할 수 있을 것으로 사료된다.
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