유비쿼터스와지형공간정보사이버강의 13 장 지형공간정보의활용 (3) (LiDAR 측량및 3 차원 GIS)
강의목차 LiDAR의정의및특성해양 LiDAR 측량 LiDAR 측량의활용분야 3차원 GIS의정의및데이터취득기술 3차원 GIS의관련기술 3차원 GIS의활용분야및향후발전전망 유비쿼터스 GIS 13 장 2
LiDAR 의정의및특성
LiDAR 정의 LiDAR (Light Detection And Ranging) 의정의 항공기 ( 비행기또는헬리콥터 ) 로부터지상을향해많은레이저펄스 (70KHz) 를지표면과지물에발사하여반사되는레이저펄스로부터지표면의높이정보를취득하는기술고밀도의 3차원수치데이터를취득하는새로운자료취득기술분류 : 항공, 해양, 지상, 위성 LiDAR 측량 유사용어 ALS : Airborne Laser Surveying ALS : Airborne Laser Scanning ALTM : Airborne Laser Terrain Mapper ALTMS: Airborne Laser Terrain Mapping System 유비쿼터스 GIS 13 장 4
LiDAR 측량의특성 신속 / 정확한 3차원지형 Data 생성 전세계적도입추세 3차원점자료 + 수치영상동시취득가능 활용분야확대 GPS/INS 동시취득 : 다양한활용기술의발전저렴하고신속한자료처리가능 : 항측의 1/3 비용, 다음날자료화다양한분야에적용 WTC 복구작업시, LiDAR 활용 유비쿼터스 GIS 13 장 5
항공 LiDAR 측량의원리 GPS 위성 Z X Y GPS GPS/INS 레이저스캐너 기준점에 GPS 지상기지국설치 항공 LiDAR 측량을통한 GIS DB 구축 유비쿼터스 GIS 13 장 6
항공 LiDAR 측량의작업광경 수평회전 전후회전 좌우회전 GPS IMU LiDAR 원시데이터 높이 경도 위도 GPS ( 기지국 ) 유비쿼터스 GIS 13 장 7
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 유비쿼터스 GIS 13 장 8
LiDAR 의스캐너 캠코더 디지털카메라 레이저센서 모터 거울 레이저 레이저스캐너 ( 스캐너하단 ) l 항공기와레이저센서간의거리계산 l 펄스형태의레이저파주사 - DEM 분류가능 (1st~4th) l 일정한주사폭 (swath width) 을가짐 - 레이저펄스가거울에반사됨 - 광학섬유가일정한방향으로레이저펄스를고정시킴 l 점밀도 (point density) 조정가능 광학섬유 (Fiber Optics) (LiDAR 스캐너 ) 유비쿼터스 GIS 13 장 9
LiDAR 의레이저펄스원시자료 GPS Time X_1 Y_1 Z_1 I_1 X_2 Y_2 Z_2 I_2 221244.144000 31418046.34 4589845.53 234.37 12 31418047.94 4589846.50 241.33 12 221244.144040 31418048.50 4589846.63 238.18 113 31418048.49 4589846.62 238.13 113 221244.144080 31418048.94 4589846.71 235.00 128 31418048.93 4589846.70 234.94 128 221244.144120 31418050.46 4589847.40 235.49 119 31418050.45 4589847.40 235.47 119 221244.144160 31418050.33 4589847.10 229.16 13 31418052.09 4589848.19 237.07 13 221244.144200 31418052.75 4589848.35 233.74 22 31418052.74 4589848.35 233.70 22 221244.144240 31418054.21 4589849.01 234.01 134 31418054.21 4589849.02 234.02 134 221244.144280 31418055.39 4589849.52 233.52 168 31418055.37 4589849.51 233.44 168 221244.144320 31418056.19 4589849.79 231.30 114 31418056.18 4589849.79 231.26 114 221244.174440 31418060.64 4589849.80 226.80 26 31418063.51 4589851.60 240.53 26 221244.174480 31418059.49 4589849.29 226.91 168 31418059.49 4589849.29 226.89 168 221244.174520 31418058.98 4589849.20 230.58 143 31418058.98 4589849.20 230.56 143 221244.174560 31418057.99 4589848.81 231.96 68 31418057.98 4589848.80 231.91 68 221244.174600 31418056.99 4589848.38 232.69 156 31418056.98 4589848.38 232.66 156 221244.174640 31418056.08 4589848.02 233.89 188 31418056.08 4589848.02 233.89 188 221244.174680 31418054.87 4589847.47 233.69 111 31418054.86 4589847.46 233.63 111 221244.174720 31418053.76 4589846.98 233.94 224 31418053.76 4589846.98 233.95 224 221244.174760 31418052.47 4589846.38 233.38 172 31418052.46 4589846.38 233.34 172 221244.174800 31418051.63 4589846.06 234.83 192 31418051.63 4589846.06 234.84 192 221244.174840 31418050.54 4589845.56 234.67 155 31418050.56 4589845.58 234.75 155 221244.174880 31418048.35 4589844.39 229.63 42 31418050.39 4589845.64 238.64 42 221244.174920 31418048.49 4589844.63 234.36 47 31418049.71 4589845.37 239.69 47 221244.174960 31418048.50 4589844.81 239.00 119 31418048.49 4589844.80 238.96 119 221244.175000 31418045.54 4589843.16 230.24 20 31418047.45 4589844.31 238.47 20 평면좌표 높이값반사강도 유비쿼터스 GIS 13 장 10
해양 (SHOALS) LiDAR 측량의원리 Red 파장대 : 수면에서반사 Blue, Green 파장대 : 수면투과후, 바닥에서반사 초기 Laser 펄스 Surface Return Bottom Return 200~500m 고도 RECEIVER FIELD OF VIEW Time : 깊이 70 m 수심까지 SURFACE REGION IN RECEIVER FOV SCATTERING AND ABSORPTION DIFFUSE BOTTOM REFLECTION VERTICAL DEPTH MEAN WATER NADIR ANGLE VOLUME BACKSCATTER INCIDENT LASER PULSE ILLUMINATED SURFACE AREA SEA SURFACE RETURNING BOTTOM REFLECTED SIGNAL 해양조사용 LiDAR 측량원리 ILLUMINATED BOTTOM REGION 유비쿼터스 GIS 13 장 11
해양 LiDAR 측량에의한해안선조사방안 얕은해역수심측량가능 (~50m) 지형 + 수심측량동시가능 신속한 Data 취득및처리가능 해안선지역에서는항공 LiDAR 사용이최적임 SHOALS( 근해 LiDAR) vs. Multibeam 유비쿼터스 GIS 13 장 12
해양 LiDAR 측량의활용분야 해안선관리 해안선 3 차원디지털지도제작해안선표고량변화분석계절별해안선의변화량분석해안침식관리보호구역지정미등록토지의존재여부파악연안관련민원및행정업무에활용 해안재난관리 해안침수지역분석및예측 3 차원해안침수도제작재해후지형및구조물의변화제공기상재해예측시뮬레이션해안방재및해양오염수치모델링해안자원보호 항만관리 항만입지조건선정항만계획및설계항만 3 차원디지털지도제작해저지형자료를이용한안전한항로제공 3 차원항만시설물상태확인 우리나라해안선길이 : 1918 년 17,269 km( 조선지지 ) ~ 17,361km( 현재 ) 유비쿼터스 GIS 13 장 13
LiDAR 측량의활용분야
재난방재활용 (9.11 테러 ) 9.11 테러前 WTC 9.11 테러後 WTC 유비쿼터스 GIS 13 장 15
항공 LiDAR 측량의방재활용 (9.11 테러 ) Ø 재난지역의신속한자료획득과처리 ( 다음날자료화가능 ) Ø 재난지역에빠른자료획득으로신속한대처방안마련가능 유비쿼터스 GIS 13 장 16
해안재해모델링 ( 쓰나미 ) 쓰나미시뮬레이션 유비쿼터스 GIS 13 장 17
도시개발모델링 항공 LiDAR 측량및디지털카메라영상데이터융합 ( 항공및지상 LiDAR 측량 ) 유비쿼터스 GIS 13 장 18
항공 LiDAR 측량에의한독도 3 차원영상 유비쿼터스상지대학교 GIS 지형정보연구실 13장 19
건설분야활용 토목시공에있어가장불확실성이높으며, 소요비용을예측하기어려운공정은토공 항공LiDAR측량에의한 DEM을생성하여토공에소요되는정확한비용의산출가능 시공시공사대상지역내에서절토와성토의균형을맞춤으로써경제적인이익 국지적인토공량을계산하고이를적절히토공의균형을이루는것이가능 기존항공사진측량지도 ( 나무오차발생 ) 지표면 + 수목 LiDAR 측량 ( 나무제거, 정확한지형제공 ) No 대체 지표면추출 수목제거 OK DSM 생성 유비쿼터스 GIS 13 장 20
산림지역에서의수목제거 유비쿼터스 GIS 13 장 21
댐위치선정 ( 적지선정 ) 댐위치선정의지형적인조건 Ø 넓은집수구역과저수용량이많은지역 DEM 에의해능선 / 계곡선추적과저수량산정 ( 토공량의성토량으로 산정 ) 등지형분석을통해용이하게선정할수있음. 유비쿼터스 GIS 13 장 22
전력선및송전탑위치분석 높은점밀도를이용한전력선측량가능 전력선이나무에닿아발생할수있는화재의가능성분석 송전선로및송전탑위치분석 유비쿼터스 GIS 13 장 23
지상 LiDAR 측량을이용한문화재복원 지상 LiDAR 측량을이용하여훼손된문화재의 3 차원데이터 를제작하여복원 경주남산삼릉계석조여래좌상 ( 보물 666 호 ) 안면복원 유비쿼터스 GIS 13 장 24
지상 LiDAR 측량을통한문화재조사 지상 LiDAR 측량에의한문화재관리 ( 제퍼슨기념관 ) 지상 LiDAR 측량에의한내부동상모델링 유비쿼터스 GIS 13 장 25
LiDAR 측량을이용한애니매이션제작 LiDAR 측량을통한영화애니메이션제작 유비쿼터스 GIS 13 장 26
LiDAR 데이터를이용한수치지도제작 LiDAR 데이터를이용한수치지도제작 연구대상지역선정및자료수집 생성 LAYER 별정확도분석 LiDAR 데이터의전처리과정 LAYER 별제작방안정립 완성도분석 시각적분석면적및체적분석 위치오차분석 GPS 측량에의한절대위치오차분석 지물 LAYER 1. 건물 2. 도로 지모 LAYER 1. 등고선 정확도개선방안제시 LAYER 별벡터자료생성 결 론 유비쿼터스 GIS 13 장 27
LiDAR 데이터를이용한 3 차원수치지도 유비쿼터스 GIS 13 장 28
3 차원 GIS 의정의및데이터취득기술
3 차원 GIS 의정의 Ø 정의모든공간객체들이 3차원좌표 (X, Y, Z) 로구축되며 3차원공간모델에의해다양한검색, 연산, 분석등의자료처리를수행하는 GIS Ø Ø Ø 1980년대무렵부터다양한모습으로발전됨초창기 : 3차원지형분석을위한기능위주오늘날 : 3차원시설물과지형모델링및가시화제공 Ø 미래 : 가상현실또는증강현실기능이더욱강조된몰입형 Ø 3차원 GIS 등장예상주요활용분야지형분석 / 가시권분석 / 음영기복분석 / 토공량분석, 블록다이어그램등의분야에서사용됨 유비쿼터스 GIS 13 장 30
2 차원자료와 3 차원자료의비교 2 차원항공사진영상 3 차원항공사진영상 임원리 임원천 동해 상서기 임원리 임원천 사기촌 옥원리 사기촌 동해 상서기 옥원리 3 차원데이터는실제와유사한환경 ( 현장정보의가상현실화, 친근감 ) 을제공하여보다효율적인계획이나설계및분석을가능 ( 의사결정용이 ) 하게함최근자료취득기술이나처리기술이발달하여 3 차원 GIS 대두 유비쿼터스 GIS 13 장 31
3 차원 GIS 의경제성분석 종래항공사진 도심항공사진 단위 : 가격 항공 LiDAR 측량 SAR 영상 SPOT 위성영상 표고정확도 (m) RMS 유비쿼터스 GIS 13 장 32
3 차원 GIS 데이터특성및취득방법 3 차원 GIS 의공간정보특성 도형자료와속성자료를포함현실세계를다양한자료원과컴퓨터그래픽기술을통해실제와유사하게표현정량적인분석과의사결정등의공간분석기능수행 3 차원 GIS 의공간정보취득방법 고해상영상 ( 위성영상, GPS/INS 항공사진영상, 디지털사진영상 ) 고정밀 DEM( 수치지도, 항공LiDAR, 위성LiDAR, 지상LiDAR, 항공사진측량 ) 지형 / 지물을표현한벡터자료 ( 수치지도및각종주제도, 기본지리정보 ) 건물벽면영상자료 (4S-VAN, GPS-VAN, 디지털지상사진영상 ) 유비쿼터스 GIS 13 장 33
기제작된수치지도활용방법 등고선데이터와점데이터에의한 TIN 생성 항공사진영상데이터와 TIN 을중첩한사진 3 차원정사사진영상과 3 차원건물의중첩 밑에서바라본 3 차원 GIS 데이터 유비쿼터스 GIS 13 장 34
고해상도영상활용방법 고해상도영상취득방법 IKONOS 영상 ü GPS/INS 항공사진영상활용 ü 디지털카메라영상활용 ü IKONOS 위성영상 ( 해상도 1m) 활용 ü QuickBird 위성영상활용 5Cm 해상도 디지털카메라 유비쿼터스 GIS 13 장 35
GPS/INS 항공사진측량활용방법 GPS/INS 항공사진측량시스템 : 항공사진카메라 + GPS + INS( 관성시스템 ) 와결합 관성시스템 : 회전각결정, GPS 시통이불가능한지역의위치결정시우수성입증 최근외국항측동향 : 대부분이 GPS/INS 항공사진측량으로이루어지고있음 건물 DEM 3D 모델링 GPS/INS 장비 GPS 수신기 8 0 0 m 현상 3D 도화데이터을이용한 3D GIS 구현 밀착사진양화필름 인화 주기삽입 필름검사 유비쿼터스 GIS 13 장 36
3 차원정사투영영상에의한방법 정사투영영상 : 중심투영으로인해서지표상기복에따라생긴연직 사진상의왜곡을보정하여정사투영영상생성 DEM 제작 A.T 성과 ( 외부표정요소 ) 항공사진스캐닝 수치정사투영영상 + + 카메라정보 ( 내부표정요소 ) 1200dpi(21 μm) 영상처리및저장 모자이크영상수정 모자이크영상재단 모자이크영상생성 유비쿼터스 GIS 13 장 37
지상사진측량및지상 LiDAR 측량에의한방법 디지털지상사진촬영 ( 문화재조사 ) 백제금동대향로 3 차원모델링지상 LiDAR 모델링지상 LiDAR 측량장비 유비쿼터스 GIS 13 장 38
고정밀수치지형모델활용방법 DEM : 수목과같은자연지물과건물등의인공지물을포함하지않는지표면자료 DTM : 적당한밀도로분포하는지점들의위치및표고의수치정보 DSM : 수목과건물등의인공지물을모두포함하는지표면정보 수치표면모형 수치표고모형 DSM (Digital Surface Model) DEM(Digital Elevation Model) 수목 건물 DTM (Digital Terrain Model) 유비쿼터스 GIS 13 장 39
GPS/VAN 시스템을활용한방법 활용분야 포장관리시스템 (PMS) 관련정보수집지능형교통시스템 (ITS) 정보수집수치지도수정 / 갱신철도관련시설물정보수집다양한종류의센서탑재가능 : CCD, LiDAR등기존 GIS 데이터와의연계 Total 지형정보취득시스템구축의기반조성 INS CCD 카메라 GPS 포장관리활용예 GPS/VAN + LiDAR 부착 3 차원도시정보취득 유비쿼터스 GIS 13 장 40
3 차원 GIS 의관련기술
3 차원 GIS 관련기술 3 차원 GIS 관련기술 데이터융합기술자료압축및복원기술인터넷응용기술대용량 DB 응용기술실시간자료처리기술 3차원그래픽처리기술가상현실 (VR) 기술 유비쿼터스 GIS 13 장 42
데이터융합기술 정의및주요기술정의 : 일반적으로둘혹은그이상의서로다른자료들의 주요기술 장점이나특징을이용하여새로운자료생성하는기술 Brovey : Brovey 변환을이용 CN : 단순한수학적모델에의한융합 HPF : 영상의특정부분을강조또는억제하는방법 ( 필터링기법 ) HIS : INS 색채모델을이용한영상융합기술 PCA : 주성분분석을이용한영상융합기술 Wavelet : Wavelet 변환을이용한영상융합기술 유비쿼터스 GIS 13 장 43
LiDAR 데이터관련데이터융합기술 항공 LiDAR 데이터와디지털카메라영상 건물및구조물의외곽선자동추출기술 LiDAR 데이터의지형지물분류기술 지상 LiDAR 데이터와 CCD 영상 CCD 카메라의데이터처리기술 LiDAR 데이터처리기술 융합된영상을통한지형지물추출기술 LiDAR 측량 ( 디지탈카메라포함 ) 고정밀 DEM 취득 건물 Feature 추출 건물 3D 모델생성 유비쿼터스 GIS 13 장 44
데이터융합기술 3 차원공간객체모델링 건물벽면사진촬영 건물형태에맞게편집 건물벽면사진촬영 건물형태에맞게편집 건물편집사진을건물에붙임 벽면처리전 벽면처리후 유비쿼터스 GIS 13 장 45
데이터융합기술 ü Sensor 융합 (GPS+INS+LiDAR+ 디지털카메라 ) ü 항공 LiDAR + 지상 LiDAR 의융합 지상 LiDAR 측량에의한내부터빈모델링 유비쿼터스 GIS 13 장 46
데이터베이스통합기술 데이터베이스기술 계층형 네트워크형 관계형 객체지향형 객체 - 관계형 3 차원 DB 구축기술 지형 : 가공된지형자료 (DEM) 를도엽별 3차원데이터베이스생성도로 : 객체모델링을통해구축된도로객체를도엽별 3차원 DB 생성건축물 : 3차원복원을통해도엽별 3차원 DB 생성영상자료 : 위성영상및항공사진을이용도엽별 3차원 DB 생성 유비쿼터스 GIS 13 장 47
자료압축및복원기술 대용량의데이터관리를위한자료압축기술 무손실압축기법 : 압축후복원하는과정에서원시영상이거의손실없이복원되나, 압축률이낮음손실압축기법 : 압축후복원하는과정에서원시영상이손상되나, 압축률은높음 데이터의효율적인운영을위한자료압축기술 압축영상피라미드표현기법 원시영상을다단계로압축, 저장한후현재면에적합한압축영상을검색하는기법 압축영상타일링및검색기법 압축영상을화면의해상도와크기에맞게잘라놓고, 검색시해당압축영상을신속하게찾는기법 리메싱기법 (Remeshing) 기법 정규화되지않은형상을단순화와분할을통해실제와거의비슷하게표현하는기법유비쿼터스 GIS 13장 48
자료압축및복원기술 고효율압축영상 사용자시점으로제공되는영상 저효율압축영상 원시영상 압축영상피라미드표현기법 타일링된압축영상 압축영상타일링및검색기법 유비쿼터스 GIS 13 장 49
3 차원 GIS 에필요한 H/W 기능 실시간으로 3차원 GIS 데이터를재생하기위해서는빠른처리속도의 CPU 이외에그래픽처리능력이탁월한그래픽시스템장착필요그래픽처리능력평가요소 초당처리할수있는폴리콘개수화면해상도 : Pixel Fill rate 화면전체에대해속도저하없는안티알리아싱 (Anti-Aliasing) 처리능력등 유비쿼터스 GIS 13 장 50
3 차원 GIS 에서요구되는 S/W 기능 데이터로부터 Surface 모델구축원근 Viewing, 이동, 확대 / 축소, 회전, 기울임, 가상비행, 분석웹상의디스플레이를위한내보내기 (Export) 기능실세계 Surface 지형지물설계 : 건물지하시설물정보설계 : 우물, 탄광, 지하수, 지하저장설비속성정보로부터즉각적인 3차원 Surface 생성신속한데이터단순화, 과장화적용 Surface에 2차원데이터가공및 3차원 Viewing 기능 Surface의면적, 체적, 경사, 향, 음영기복계산기능 2D 또는 3D 형태의등고선생성지형분석 : 가시권분석, 종 / 단면생성, 최단 / 최적경로추출, 점자료의보간속성및위치정보에기반한 3차원데이터질의 VRML( 가상현실모델링 ) 을이용한웹상표현기능 유비쿼터스 GIS 13 장 51
3 차원가시화기술 3차원지도제작기술최적경로탐색기술 3차원경로안내기술 3차원실시간가시화를위한 LOD 기술주행시뮬레이션기술 LOD (Level Of Detail) 기술 3차원그래픽처리기법으로큰용량의데이터를영상면에표시및탑재할경우, 최상의해상도를갖는상위레벨에서최하위의해상도를갖는하위레벨까지축척에맞는해상도의레벨을조절하는디스플레이기법 유비쿼터스 GIS 13 장 52
인터넷활용기술 3차원공간정보의표현및분석기능위치표시및경로추적원격탐사자료중첩및지도제작다중조건검색, 통계, 경로계산교통정보서비스 유비쿼터스 GIS 13 장 53
3 차원 GIS 의활용분야
3 차원 GIS 의활용분야 3 차원 GIS 의활용분야 국토계획 환경및경관 기상 생활문화 국방 3 차원 GIS 활용분야 농업 임업 정보통신 토목건설 수자원 유비쿼터스 GIS 13 장 55
3 차원 GIS 의활용분야 수치도화데이터 : 3 차원도시공간 DB 구축 유비쿼터스 GIS 13 장 56
3 차원 GIS 의활용분야 수치지도 + 지상측량 + 지상사진촬영 : 웹기반생활 GIS 인터넷사이트 프로그램주요기능 위치검색기능네비게이션기능축소 / 확대기능정면, 평면, 입면, 입체등시각위치선택기능시뮬레이션기능렌더링기능플로터, 프린터기능 유비쿼터스 GIS 13 장 57
3 차원 GIS 의활용분야 수치지도 : 도시공간의 3 차원 DB 구축 유비쿼터스 GIS 13 장 58
3 차원 GIS 의활용분야 인트라넷상에서 3 차원가상현실 (VR) 구현 유비쿼터스 GIS 13 장 59
3 차원 GIS 의활용분야 항공 LiDAR 데이터 : 3 차원 GIS 를이용한도시정보관리 유비쿼터스 GIS 13 장 60
3 차원 GIS 의활용분야 항공 LiDAR 데이터 : 3 차원 GIS 를이용한도시재개발계획 유비쿼터스 GIS 13 장 61
3 차원 GIS 의활용분야 고도제한, 일조권평가, 불법건축물관리 고도제한높이 유비쿼터스 GIS 13 장 62
3 차원 GIS 의활용분야 수치지적도 +3 차원데이터 + 항공사진영상 : 3 차원지적관리 3 차원지적 DB 칼라항공사진영상 유비쿼터스 GIS 13 장 63
3 차원 GIS 의활용분야 항공 LiDAR 자료 + 디지털항공사진영상 : 3 차원동영상 DB 구축 ( 텔레매틱스구축을위한 3 차원 GIS DB) 유비쿼터스 GIS 13 장 64
3 차원 GIS 의활용분야 3 차원재해재난종합관리 : 홍수피해예측및피해량분석 예상침수지역 유비쿼터스 GIS 13 장 65
3 차원 GIS 의활용분야 항공 LiDAR 자료 : 문화재관리용 3 차원 DB 구축 남산 DEM 신라일성왕릉 용산서원 정씨시조묘 유비쿼터스 GIS 13 장 66
3 차원 GIS 의활용분야 항공사진영상 + 위성영상 : 3 차원동영상 DB 구축 ( 골프장설계 ) A B D C 제주도영상 ( LANDSAT-TM 영상 (30M) ) 제동목장 ( 컬러항공사진영상 -0.1M) A B C D 제동목장정문제동목장항공훈련원비행장전경 유비쿼터스 GIS 13 장 67