사진측량

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정희 신
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1 항공레이저측량등신기술 가천대학교 박홍기

2 항공사진측량의신기술 2

3 GPS/INS 항공사진측량방법 GPS/INS 항공사진측량시스템 : 항공사진카메라 + GPS + INS( 관성시스템 ) 와결합 관성시스템 : 회전각결정, GPS 시통이불가능한지역의위치결정시우수성입증 최근외국항측동향 : 대부분이 GPS/INS 항공사진측량으로이루어지고있음 * INS : Inertial Navigation System 건물 DEM 3D 모델링 GPS/INS 장비 GPS 수신기 m 현상 3D 도화데이터를이용한 3D GIS 구현 밀착사진양화필름 인화 주기삽입 필름검사 3

4 GPS/INS 항공사진측량방법 Direct Georeferncing 표정원리 Direct Georeferncing의정의 촬영시센서의위치와회전각을직접결정 ( 외부표정요소의직접결정 ) 하여모든영상소를지상의대응점에매칭시키는작업 기하학적변형의보정 지도투영면내의변환 Geocoding Direct Georeferncing 의장점 지상측량작업과사진기준점측량 (AT) 의불필요 Sensor와독립된데이터표현영상데이타로부터직접지상의 3차원위치결정타센서에의해수집된데이터와연계활용용이 4

5 GPS/INS 항공사진측량방법 Direct Georeferncing 표정개념 k 촬영 INS Frame w INS 자료 GPS 자료항공사진 f Camera Frame (Xo, Yo, Zo) 초기회전각 Calibration Kalman Filtering 외부표정요소 GIS 자료기반, 정사영상, 수치도화 Mapping Frame 5

6 GPS/INS 항공사진측량방법 GPS/INS 연계의필요성 GPS 주로위치 (X,Y,Z) 측정 위치정확도높음 ( 장기간 ) 자료발생빈도낮음 cycle slips 발생 중력과무관 초기화불필요 INS 주로회전각 (κ,φ,ω) 측정 위치정확도높음 ( 단기간 ) 자료발생빈도매우높음 cycle slips 없음 중력에영향을받음 초기화필요 두센서의약점은최소로하고서로의장점만취합 6

7 GPS/INS 항공사진측량방법 새로운항공사진측량기법 기존방법 + = 높은제작원가 ( 고가의지상측량비용 ) 많은시간소요 ( 지상측량시소요시간이많음 ) 항공사진촬영 지상측량 정사사진영상 새로운항공사진촬영 낮은제작원가 + GPS = ( 지상기준점측량불필요 ) 제작시간이적게소요 항공사진촬영 IMU(INS) GPS/INS 장비 정사사진영상 정보의다양화 ( 컬러사진촬영 ) 7

8 고정밀수치지형모델활용방법 DEM : 수목과같은자연지물과건물등의인공지물을포함하지않는지표면자료 DTM : 적당한밀도로분포하는지점들의위치및표고의수치정보 DSM : 수목과건물등의인공지물을모두포함하는지표면정보 수치표면모형 수치표고모형 DSM (Digital Surface Model) DEM(Digital Elevation Model) 수목 건물 DTM (Digital Terrain Model) 8

9 원격탐사에의한새로운자료생성 원격탐사의정의 대상물의접하지않고항공기나인공위성에탑재된 MSC, MSS 센서을이용하여인간활동이미치는모든영역에대해얻어진영상이나대상물에서반사또는방사되는전자파를해석하는학문 최근고해상도위성영상의출현으로기존의정성분야에서지도제작이나, GIS DB 구축등정량적분야의활용이증가됨 데이터획득 ( 인공위성센서 ) 전처리과정 ( 계통적보정, 노이즈제거 ) 기하보정 ( 지도좌표부여 ) KOMSAT-2 호 방사량보정 ( 대기영향보정 ) 화상강조 ( 필터링 ) SPOT 활 용 ( GIS 와통합, 의사결정지원기본자료 ) 출 력 ( 분석결과 DB) 화상분석 ( 분류 ) 9

10 고해상도위성영상을이용한자료취득 1980 년대프랑스 SPOT 위성이발사되면서지도제작에활용 IKONOS, Quickbird 등 1m 급상업위성에의한대축척지도제작가능 우리나라 : 2005 년 KOMPSAT-2 발사활용 위성및고해상도위성영상 10

11 고해상도영상을활용한새로운방법 고해상도영상취득방법 IKONOS 영상 GPS/INS 항공사진영상활용 디지털카메라영상활용 IKONOS 위성영상 ( 해상도 1m) 활용 QuickBird 위성영상활용 5Cm 해상도 디지털카메라 11

12 GPS/VAN 시스템을활용한자료생성 활용분야 포장관리시스템 (PMS) 관련정보수집지능형교통시스템 (ITS) 정보수집수치지도수정 / 갱신철도관련시설물정보수집다양한종류의센서탑재가능 : CCD, LiDAR등기존 GIS 데이터와의연계 Total 지형정보취득시스템구축의기반조성 INS CCD 카메라 GPS 포장관리활용예 GPS/VAN + LiDAR 부착 3 차원도시정보취득 12

13 모바일매핑시스템을이용한방법 차량에 CCD카메라와위치측정장비 (GPS) 탑재일정속도로도로를운행하면서도로및도로시설물정보취득기존의현장측량보다비용 / 효율측면에서유리수치지도나 3차원자료의수정 / 갱신주기단축 모바일매핑시스템 (Mobile Mapping System) 13

14 무인비행선을이용한방법 현장에서의영상정보수집및제공이용이함 GPS, INS 등관측장비탑재로정확한지형공간정보취득 재해지역의현장정보취득이나대축척지도제작, 시설물관리에활용 GPS/INS 무인비행선시스템 14

15 UAV 무인항공기 (UAV; Unmanned Aerial Vehicle) 는사람이탑승하지않는항공기를말한다. 기체에사람이타지않은것으로지상에는원격조종하는조종사가존재하고있다는점을강조해 Uninhabited Aerial(Air) Vehicle 의약어로지칭하는경우도있다. 보통임무에의한분류, 비행고도나크기에의한분류가존재한다

16 임무에의한분류 민간기 ( 농업용 재해관측용등 ) - 회전익기도많다. 무인표적기 무인정찰기 ( 고정익 회전익 ) 무인공격기 ( 무인전투기 ) - UCAV 무인전투헬리콥터 UCAR 노스롭그루먼 RQ-4 글로벌호크 VUAV 이글아이 비행고도에의한분류 HALE : 고고도, 45,000 ft 이상, 정찰 감시나통신중계, 미국의 RQ-3 다크스타, RQ-4 글로벌호크, 이스라엘의 IAI 이단등이있다. MALE : 중고도, 45,000 ft 이하, 미국의 MQ-1 프레데터, 이스라엘의 IAI 헤론등이있다. LALE : 저고도, 20,000 ft 이하, 이스라엘의 RQ-2 파이오니어, RQ-5 헌터, RQ-7 섀도등이있다.

17 Northrop Grumman RQ-4 Global Hawk

18 VUAV Eagle Eye

19 UAV 촬영 후쿠시마제 1 원전

20 UAV 촬영 후쿠시마제 1 원전

21 캠콥터 S-100 오스트리아제무인정찰기 캠콥터 S-100(Camcopter S-100) 는기체길이가 3m 에불과하고최대속도가시속 240km 이며 6000m 고도에서 6 시간동안체공할수있다. 기체가작아북한군에게발각될가능성이거의없는데다강우강설강풍등악천후에서도임무수행이가능하다. 또한제자리비행을하며장시간촬영이가능하고자율비행제어시스템을갖춰통신이두절되면자동으로지정된장소로복귀한다. 미국, 아랍에미리트 (UAE) 등에 130 여대가군사정찰용으로납품됐다.

22 오스트리아 Schiebel 사의 S-100 Camcopter 무인기는수직이착륙형무인헬기시스템으로 1996 년이스라엘, 이탈리아, 스웨덴육군과미해병대를위한시험비행에성공해실전배치해운용하고있다 년 11 월조지아주포트베닝에서도시군사작전 (MOUT :Military Operations in Urban Terrain) 훈련장에서시험되었고 1998 년 10 월독일, 항공지뢰지대정찰 (Airborne Minefield Reconnaissance) 기술프로그램을위해독일연방방위사업국에의해추천된무인기체이다. S-100 Camcopter 은한번이륙에 25kg 의 payload 를탑재하고 6 시간을비행하며, Datalink 는 80km 와 180km 의두가지형으로지형적영향을받지않고이착륙이용이하다는점외에헬기형의단점을극복하고비교적비행시간과작전운용반경이대단히넓다는장점이있다. 또한최대임무장비탑재중량이 50kg, 최대운용고도 5.4km, 최고속도 200km/h, 순항속도 100km/h 로써사용자의요구에맞출수있는다양한용도의감지기 ( 주야간광학및적외선감지기, SAR, LIDAR,GPR 등 ) 를탑재하여실시간영상을제공할수있도록설계되어군사용과민수용으로각광을받고있는매우우수한미래형다목적무인헬기라할수있다.

23 microdrone

24 LiDAR 및 3 차원 GIS 관련기술 24

25 LiDAR 정의 LiDAR (Light Detection And Ranging) 의정의 항공기 ( 비행기또는헬리콥터 ) 로부터지상을향해많은레이저펄스 (70KHz) 를지표면과지물에발사하여반사되는레이저펄스로부터지표면의높이정보를취득하는기술고밀도의 3차원수치데이터를취득하는새로운자료취득기술분류 : 지상, 항공, 선박, 위성 LiDAR 유사용어 ALS : Airborne Laser Surveying ALS : Airborne Laser Scanning ALTM : Airborne Laser Terrain Mapper ALTMS : Airborne Laser Terrain Mapping System 25

26 항공 LiDAR 측량의특징 신속 / 정확한 3차원지형 Data 생성 전세계적도입추세 3차원점자료 + 수치영상동시취득가능 활용분야확대 GPS/INS 동시취득 : 다양한활용기술의발전저렴하고신속한자료처리가능 : 항측의 1/3 비용, 다음날자료화다양한분야에적용 WTC 복구작업시, LiDAR 활용 26

27 항공 LiDAR 측량의원리 GPS 위성 Z X Y GPS GPS/INS 레이저스캐너 3 차원 GIS DB 구축 기준점에 GPS 지상기지국설치 27

28 항공 LiDAR 측량의작업광경 수평회전 좌우회전 GPS IMU 전후회전 LiDAR 측량을이용한 3 차원도시모델링 높이 경도 위도 GPS ( 기지국 ) 28

29 항공 LiDAR 측량의자료취득기술 통합 GIS 데이터획득을위한촬영 GPS GPS/INS 를이용한항공사진촬영 LiDAR 시스템 항공디지털카메라 보통각카메라 광각카메라 각종필터 Pulse 70kHz Height 3,000m 4K*4K 디지털카메라 R G B 적외선 29

(swath width) 을가짐 - 레이저펄스가거울에반사됨 - 광학섬유가일정한방향으로레이저펄스를고정시킴

30 LiDAR 의스캐너 캠코더 디지털카메라 레이저센서 모터 거울 레이저 레이저스캐너 ( 스캐너하단 ) 항공기와레이저센서간의거리계산 펄스형태의레이저파주사 - DEM 분류가능 (1st~4th) 일정한주사폭 (swath width) 을가짐 - 레이저펄스가거울에반사됨 - 광학섬유가일정한방향으로레이저펄스를고정시킴 점밀도 (point density) 조정가능 광학섬유 (Fiber Optics) (LiDAR 스캐너 ) 30

31 레이져펄스단면도 항공사진영상 DSM 31

32 LiDRA 의레이저펄스원시자료 GPS Time X_1 Y_1 Z_1 I_1 X_2 Y_2 Z_2 I_ 평면좌표 높이값반사강도 32

33 LiDAR 데이터의특성 송전탑 나무 건물 전력선아래의지면 도로 주차장 33

34 디지털항공사진영상 ( 고해상도 ) 34

35 디지털항공사진영상 ( 고해상도 ) 35

36 디지털항공사진영상 ( 고해상도 ) 36

37 수치표면모형 (DEM+ 도로 + 건물 + 식생 ) 37

38 수치표고모형 (DEM: 인공물및식생제외 ) 38

39 항공레이져측량과항공사진측량의비교 작업방법비교 ( 노선길이 50km 인경우 ) 작업방법기존항공사진측량항공레이저 (LiDAR) 측량 작업기간 7 개월 2 개월 ( 원하면즉시가능 ) 비용 6 억 1 억 성과물 정확도 장점 단점 1/1,000 수치지도 (1/5000 사진축척 ) 지도정확도 수평 : 80cm 수직 : 2.5m( 등고선 ) 벡터지도제작가능 현행각종토목설계기준 비용이비싸다 작업기간이길다 접근불가능지역작업곤란 DEM, DSM, 수치정사영상 반사강도지도, 종횡단도 고정밀등고선도, 음영기복도 유역경사도, 경사방향도분석등 ( 고도 1200m 일때 ) 수평 : 60cm 이하 수직 : 15cm 이하 단시간대용량데이터취득 고정밀, 높은정확도 데이터처리의자동화 작업시간이짧다 다양한데이터의활용성 3 차원시각화 39

40 LiDAR 데이터와기존수치지도의비교 LiDAR 에의한식생높이 수치지도에의한등고선높이 ( 간격 :1m) LiDAR 에의한 DEM( 등고선간격 :20cm) 40

41 LiDAR 데이터 vs. 1/1,000 수치지도 항공사진 DEM & 수치지도등고선 LiDAR 측량 DEM & 수치지도등고선 41

42 LiDAR DSM vs. 수치지도 DEM 수치지도이용 DEM LiDAR DEM 등고선간격의차이 : 1m vs 20cm 산악부 : 지형의섬세한표현차이 평지부 : 소로, 비닐하우스등이나타남 42

43 토목설계및계획분야활용 토목설계에있어가장불확실성이높고, 소요비용을예측하기어려운공정은토공항공레이저측량에의한 DEM을이용하여토공정확도향상시공시공사대상지역내에서절토와성토의균형을맞춤으로써경제적인이익토공의균형을이루는토공정규용이 기존항공사진측량지도 ( 나무오차발생 ) 지형 + 나무 항공레이저측량 (20cm) ( 나무제거, 정확한등고선생성 ) No 대체 나무제거 지형추출 OK 기존수치지도 (1m) 나무높이보정부정확 43

44 도로설계작업공정비교분석 기존수치지도활용 예측조사 항공레이저측량활용 도로의성격, 구조, 기준등결정 예상노선선정 1/25,000 또는 1/50/000 지형도이용 촬영 현지답사 비교노선선정 지상및항공기 GPS/INS 처리 지형도작성 비교노선기입 비교노선으로부터최종노선 종횡단면작성 중심선도상설치 중심말뚝설치 기준점측량및주요점설치 레이져데이터처리 성과물제작 종단측량 횡단측량 공사측량 세부측량및실시설계 44

45 도로설계의적용사례 (1/1,000 수치지도 ) 45

46 도로설계 : 수치정사사진영상 46

47 도로설계 : 수치표고모형 (DEM) 47

48 도로설계 : 수치표면모형 (DSM) 48

해양 (SHOALS) LiDAR 측량의원리 VERTICAL DEPTH Red 파장대 : 수면에서반사 Blue, Green 파장대 : 수면투과후, 바닥에서반사 초기레이져펄스 수면반사파 바닥빈사파 200~500m 촬영고도 RECEIVER FIELD OF VIEW Time : 수심 70 m 수심까지가능 SURFACE REGION IN RECEIVER FOV

49 해양 (SHOALS) LiDAR 측량의원리 VERTICAL DEPTH Red 파장대 : 수면에서반사 Blue, Green 파장대 : 수면투과후, 바닥에서반사 초기레이져펄스 수면반사파 바닥빈사파 200~500m 촬영고도 RECEIVER FIELD OF VIEW Time : 수심 70 m 수심까지가능 SURFACE REGION IN RECEIVER FOV SCATTERING AND ABSORPTION DIFFUSE BOTTOM REFLECTION MEAN WATER NADIR ANGLE VOLUME BACKSCATTER INCIDENT LASER PULSE ILLUMINATED SURFACE AREA SEA SURFACE RETURNING BOTTOM REFLECTED SIGNAL 해양조사용 LiDAR 측량원리 ILLUMINATED BOTTOM REGION 49

50 해양 LiDAR 측량에의한해안선조사방안 얕은해역수심측량가능 (~50m) 지형 + 수심측량동시가능 신속한 Data 취득및처리가능 해안선지역에서는항공 LiDAR 사용이최적임 SHOALS( 근해 LiDAR) vs. Multibeam 50

해양 LiDRA 측량의활용분야 해안선관리 해안선 3 차원디지털지도제작 해안선표고량변화분석 계절별해안선의변화량분석 해안침식관리 보호구역지정 미등록토지의존재여부파악 연안관련민원및행정업무에활용 해안재난관리 해안침수지역분석및예측 3 차원해안침수도제작 재해후지형및구조물의변화제공

51 해양 LiDRA 측량의활용분야 해안선관리 해안선 3 차원디지털지도제작 해안선표고량변화분석 계절별해안선의변화량분석 해안침식관리 보호구역지정 미등록토지의존재여부파악 연안관련민원및행정업무에활용 해안재난관리 해안침수지역분석및예측 3 차원해안침수도제작 재해후지형및구조물의변화제공 기상재해예측시뮬레이션 해안방재및해양오염수치모델링 해안자원보호 항만관리 항만입지조건선정 항만계획및설계 항만 3 차원디지털지도제작 해저지형자료를이용한안전한항로제공 3 차원항만시설물상태확인 우리나라해안선길이 : 1918년 17,269 km( 조선지지 ) ~ 17,361km( 현재 ) 51

52 Photogrammetry? Engr. Surveying? Land Surveying? Geodetic Surveying? AM/FM The End Coordinates Datum Standards Technology GIS/LIS Digital Mapping Applications Cost/Benefit 52

유비쿼터스와지형공간정보사이버강의 5 장 지형공간정보생성방안 (1) (Acquisition of Ubiquitous GI) 유비쿼터스 GIS 5 장

유비쿼터스와지형공간정보사이버강의 5 장 지형공간정보생성방안 (1) (Acquisition of Ubiquitous GI) 지형공간정보생성방안 GIS 데이터생성방법 도형자료 ( 위치, 도형, 영상정보 ) 취득방법 (1) 기존자료활용방법 국가기본도 ( 지도 ), 삼각점조서 ( 좌표 ), 기존영상 ( 항공사진 ) 을통해자료취득 장점 : 자료취득의경제적. 신속성확보단점