[논문]스트립 영상을 이용한 KOMPSAT-2 위성 센서모델링

김상필; 손홍규; 조경훈

문제 정의

정밀한 센서모델링을 위해서는 지상기준점을 필요로 하기때문에 접근이 불가능하거나 지상기준점의 취득이 어려운 지역을 촬영한 영상은 모델링 및 영상의 활용에 제약을 받게 된다. 본 연구에서는 이를 해결하기 위해 스트립 영상을 이용한 센서모델링을 통해 문제를 해결하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서는 X₀,Y₀,Z₀,Ro₀,Ph₀,Ya₀ 의 변수들을 미지수로 가정하여 보정하고, 그 외의 변수들은 초기값을 그대로 사용하였다.

제안 방법

스트립 영상을 이용한 위성궤도 모델링은 Extrapolation과 Interpolation의 두 가지 방법으로 수행하였다. Extrapolation을 위해 우선 스트립 하단의 영상을 기준영상으로 모델링하여 X₀,Y₀,Z₀, Ro₀,Ph₀,Ya₀의 변수를 보정하고, 그 결과를 Strip 상단영상의 각 Line의 영상에 적용하여 각 Line이 취득될 때의 위성의 위치, 속도 및 자세각을 결정하였고, 검사점을 이용해 그 정확도를 평가하였다. Interpolation은 Extrapolation과 마찬가지로 스트립 하단 영상을 기준영상으로 하여, 스트립 최상단과 최하단의 영상에서 취득된 GCP를 이용하여 모델링하였다.
Extrapolation을 위해 우선 스트립 하단의 영상을 기준영상으로 모델링하여 X₀,Y₀,Z₀, Ro₀,Ph₀,Ya₀의 변수를 보정하고, 그 결과를 Strip 상단영상의 각 Line의 영상에 적용하여 각 Line이 취득될 때의 위성의 위치, 속도 및 자세각을 결정하였고, 검사점을 이용해 그 정확도를 평가하였다. Interpolation은 Extrapolation과 마찬가지로 스트립 하단 영상을 기준영상으로 하여, 스트립 최상단과 최하단의 영상에서 취득된 GCP를 이용하여 모델링하였다. 스트립 상단 영상의 GCP 영상좌표중 row좌표를 영상촬영시각과 한 Line의 촬영 시간을 이용하여 촬영시각으로 변환한 후 이를 기준시각을 기준으로 영상좌표로 다시 변환 하는 과정을 거쳐 스트립 상단과 하단에서 취득된 GCP를 하나의 영상으로부터 취득된 GCP와 같이 간주하여 모델링하였다.
궤도 모델링 결과의 오차 전파 경향 분석을 위해 기준영상의 영상중심 촬영시각을 기준으로 스트립 상단의 각 45km, 90km, 135km 떨어진 선택영상에 대해 기준영상의 궤도 모델링 결과를 Extrapolation시켜 검사점을 이용해 정확도를 확인하였다. 확인 결과 기준영상에서는 row, col 모두 1 픽셀 정도의 정확도를 보였으나 거리가 증가함에 따라 row 방향에서는 최대 47 픽셀, col 방향으로 최대 281 픽셀로 급격히 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
기준영상의 영상중심 촬영시각을 기준으로 스트립 상단의 각 45km, 90km, 135km 떨어진 선택영상에 대해 기준영상과 최상단 영상에서 각 10개의 지상기준점을 이용하여 보정한 후 전체 영상의 총 80개 검사점을 이용해 정확도를 확인하였다. 확인결과 스트립 상 하단의 지상기준점을 사용한 영상에서는 col 방향으로 약 8 픽셀, row 방향으로 약 2 픽셀의 정확도를 보였으며, 지상기준점이 사용되지 않은 영상에서는 col 방향으로 약 60 픽셀, row 방향으로 약 10 픽셀의 정확도를 보였다.
Interpolation은 Extrapolation과 마찬가지로 스트립 하단 영상을 기준영상으로 하여, 스트립 최상단과 최하단의 영상에서 취득된 GCP를 이용하여 모델링하였다. 스트립 상단 영상의 GCP 영상좌표중 row좌표를 영상촬영시각과 한 Line의 촬영 시간을 이용하여 촬영시각으로 변환한 후 이를 기준시각을 기준으로 영상좌표로 다시 변환 하는 과정을 거쳐 스트립 상단과 하단에서 취득된 GCP를 하나의 영상으로부터 취득된 GCP와 같이 간주하여 모델링하였다.
스트립 영상을 이용한 위성궤도 모델링은 Extrapolation과 Interpolation의 두 가지 방법으로 수행하였다. Extrapolation을 위해 우선 스트립 하단의 영상을 기준영상으로 모델링하여 X₀,Y₀,Z₀, Ro₀,Ph₀,Ya₀의 변수를 보정하고, 그 결과를 Strip 상단영상의 각 Line의 영상에 적용하여 각 Line이 취득될 때의 위성의 위치, 속도 및 자세각을 결정하였고, 검사점을 이용해 그 정확도를 평가하였다.

대상 데이터

대상지역은 동일 path내 스트립(strip)의 자료 보안에 따른 영상 취득 및 처리 용이성을 고려하여 국내 지역이 아닌 미국 위스콘신 지역을 실험대상지역으로 선정하였으며, KOMPSAT-2의 위성영상 path 중 스트립의 중복도가 높고 전체에 걸쳐 구름에 의한 폐색이 많지 않아 기준점 취득이 용이한 path를 선택하였다. 오차전파를 위해 path 하단의 영상 중 가장 기준점 취득이 용이하여 정확한 모델링이 가능한 영상을 보정의 기준영상으로 선정하고, 모델링 결과를 확장시켜 오차를 분석할 영상으로 각각 45km, 90km, 135km, 240km 떨어진 4개 영상을 선정하였다.
대상지역은 동일 path내 스트립(strip)의 자료 보안에 따른 영상 취득 및 처리 용이성을 고려하여 국내 지역이 아닌 미국 위스콘신 지역을 실험대상지역으로 선정하였으며, KOMPSAT-2의 위성영상 path 중 스트립의 중복도가 높고 전체에 걸쳐 구름에 의한 폐색이 많지 않아 기준점 취득이 용이한 path를 선택하였다. 오차전파를 위해 path 하단의 영상 중 가장 기준점 취득이 용이하여 정확한 모델링이 가능한 영상을 보정의 기준영상으로 선정하고, 모델링 결과를 확장시켜 오차를 분석할 영상으로 각각 45km, 90km, 135km, 240km 떨어진 4개 영상을 선정하였다.

성능/효과

1차식을 이용한 궤도-자세각 모델의 모델링을 통해 KOMPSAT-2 단영상에 대해서는 2픽셀 이내의 정확도를 확보할 수 있었으며, 이 모델을 사용해 Extrapolation과 Interpolation을 수행하여 지상기준점이 존재하지 않는 영상에 대한 모델링 가능성을 확인하였다. Extrapolation을 통한 모델링 결과 국지적인 보정으로 인해 135km 떨어진 영상에 대해 col 방향으로 약 280픽셀 row방향으로 약 50픽셀 정도의 오차를 보이는 등, 기준영상과의 거리가 증가함에 따라 오차가 급격히 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
1차식을 이용한 궤도-자세각 모델의 모델링을 통해 KOMPSAT-2 단영상에 대해서는 2픽셀 이내의 정확도를 확보할 수 있었으며, 이 모델을 사용해 Extrapolation과 Interpolation을 수행하여 지상기준점이 존재하지 않는 영상에 대한 모델링 가능성을 확인하였다. Extrapolation을 통한 모델링 결과 국지적인 보정으로 인해 135km 떨어진 영상에 대해 col 방향으로 약 280픽셀 row방향으로 약 50픽셀 정도의 오차를 보이는 등, 기준영상과의 거리가 증가함에 따라 오차가 급격히 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. Interpolation을 통한 모델링 결과 지상기준점이 존재하는 영상에서는 정확도가 다소 낮아졌으나 135km에 걸친 전체 지역에 대해 col방향으로 약 40픽셀, row방향으로 약 7픽셀로 Extrapolation에 비해 상대 적으로 보다 고르게 높은 정확도를 확보할 수 있음을 확인하였다.
Extrapolation을 통한 모델링 결과 국지적인 보정으로 인해 135km 떨어진 영상에 대해 col 방향으로 약 280픽셀 row방향으로 약 50픽셀 정도의 오차를 보이는 등, 기준영상과의 거리가 증가함에 따라 오차가 급격히 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. Interpolation을 통한 모델링 결과 지상기준점이 존재하는 영상에서는 정확도가 다소 낮아졌으나 135km에 걸친 전체 지역에 대해 col방향으로 약 40픽셀, row방향으로 약 7픽셀로 Extrapolation에 비해 상대 적으로 보다 고르게 높은 정확도를 확보할 수 있음을 확인하였다. 따라서 지상기준점의 취득이 어렵거나 불가능한 지역에 대해 스트립 영상의 상, 하단에서 지상기준점을 취득할 수 있는 경우 Interpolation이 보다 효율적인 방법이 될 것으로 보인다.
궤도 모델링 결과의 오차 전파 경향 분석을 위해 기준영상의 영상중심 촬영시각을 기준으로 스트립 상단의 각 45km, 90km, 135km 떨어진 선택영상에 대해 기준영상의 궤도 모델링 결과를 Extrapolation시켜 검사점을 이용해 정확도를 확인하였다. 확인 결과 기준영상에서는 row, col 모두 1 픽셀 정도의 정확도를 보였으나 거리가 증가함에 따라 row 방향에서는 최대 47 픽셀, col 방향으로 최대 281 픽셀로 급격히 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
기준영상의 영상중심 촬영시각을 기준으로 스트립 상단의 각 45km, 90km, 135km 떨어진 선택영상에 대해 기준영상과 최상단 영상에서 각 10개의 지상기준점을 이용하여 보정한 후 전체 영상의 총 80개 검사점을 이용해 정확도를 확인하였다. 확인결과 스트립 상 하단의 지상기준점을 사용한 영상에서는 col 방향으로 약 8 픽셀, row 방향으로 약 2 픽셀의 정확도를 보였으며, 지상기준점이 사용되지 않은 영상에서는 col 방향으로 약 60 픽셀, row 방향으로 약 10 픽셀의 정확도를 보였다.

후속연구

따라서 지상기준점의 취득이 어렵거나 불가능한 지역에 대해 스트립 영상의 상, 하단에서 지상기준점을 취득할 수 있는 경우 Interpolation이 보다 효율적인 방법이 될 것으로 보인다. 단, 지상기준점을 취득할 수 있는 영상으로부터 거리가 매우 가까운 경우에 한해서는 Extrapolation을 사용하는 것이 보다 나은 결과를 가져올 수 도 있을 것으로 예상된다.

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