KR100556104B1 - Ｇｐｓ／ｉｎｓ 비행선을 이용한 항공측량방법 - Google Patents

Ｇｐｓ／ｉｎｓ 비행선을 이용한 항공측량방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 GPS/INS 비행선을 이용한 항공측량방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 비행선(air ship) 촬영시스템을 기반으로 공간정보자료(GPS/INS data)를 획득하고, 비행선에 장착된 카메라로부터 취득된 영상과 영상이 취득될 당시의 비행선에 장착된 3차원 위치정보 및 자세정보를 동시에 취득함으로써 공간적 정보를 담고 있는 공간영상자료를 획득하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 경제적으로 장시간 이용가능한 비행선을 통하여 촬영축척을 임의로 조정하면서 영상을 촬영할 수 있고, 영상촬영 당시 위성측위시스템(Global Positioning System, GPS)과 관성항법시스템(Inertial Navigation System, INS)를 이용하여 비행선에 장착된 카메라의 공간적 위치 및 자세를 취득할 수 있는 장점이 있다. 또한, GPS/INS 비행선을 이용해 촬영된 항공촬영 공간정보를 취득함으로써 급격하게 토지이용, 건물 현황, 및 공간활용이 다양하게 변화하는 도시지역에서 신속하고 정확하게 공간영상정보를 획득할 수 있다.
비행선, GPS, INS, 항공촬영, 항공측량, 대축척지도, 정사영상, 갱신

Description

ＧＰＳ／ＩＮＳ 비행선을 이용한 항공측량방법{Method for Aerial Photogrammetry Using GPS/INS Airship}
도 1은 GPS/INS 비행선을 이용한 항공촬영으로 항공측량을 하는 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 GPS 수신기를 이용한 수신기의 3차원 위치측정방법을 나타낸 것이다.
도 3은 관성항법을 이용하여 운항체의 위치, 속도 및 자세 정보를 구하는 방법을 도시한 것이다.
도 4는 GPS/INS 비행선의 구성을 도시한 것이다.
도 5는 GPS/INS 비행선 항공촬영 및 항공측량을 통한 영상정보 및 공간정보를 취득하는 과정을 도시한 것이다.
발명의 분야
본 발명은 GPS/INS 비행선을 이용한 항공측량방법에 관한 것으로, 보다 구체 적으로는 비행선(air ship) 촬영시스템을 기반으로 공간정보자료(GPS/INS data)를 획득하고, 비행선에 장착된 카메라로부터 취득된 영상과 영상이 취득될 당시의 비행선에 장착된 3차원 위치정보 및 자세정보를 동시에 취득함으로써 공간적 정보를 담고 있는 공간영상자료를 획득하는 방법에 관한 것이다.
발명의 배경
영상정보 및 공간정보를 취득하는 종래의 기술 및 방법은 크게 항공기를 이용하는 방법과 지상에서 카메라를 이용하여 촬영하는 방법 두 가지로 구분된다. 항공기를 이용한 영상정보 및 항공측량방법은 촬영기기가 장착된 비행기(airplane)를 이용하여 촬영계획 지역으로 비행기 조종사가 해당 촬영구역 경로를 따라 비행기를 조종하여 이동하면 촬영사가 촬영 장치를 이용해 자료를 취득할 수 있도록 비행기, 촬영장비, 자동항법장치로 구성되어 있다.
항공촬영시스템을 사용하고자 할 경우 비행촬영의 안전을 고려하여 저고도에서의 촬영이 매우 제한되며 높은 고도에서 촬영이 이뤄짐으로 인해 영상의 해상도 및 선명도가 지상촬영에 비해서 상대적으로 나쁘다. 반면에 지상에서 촬영하여 영상정보 및 공간정보를 구축하는 방법은 지상에서 촬영하게 되므로 높은 해상도의 고품질 영상정보 및 공간정보를 얻을 수 있는 이점이 있으나, 지상의 장애물들로 인하여 시야 확보가 어려우며 촬영위치를 자유스럽게 이동하기 어렵고 동일한 지역의 항공촬영 및 공간자료를 구축하고자 할 경우 막대한 비용이 소요되는 단점이 있다.
GPS를 이용한 3차원 위치측정은 GPS위성들로부터 송신되는 전파를 수신하여 각 위성들로부터의 도달되는 시간과 위성신호를 이용해 3차원적인 위치를 계산하는 방법이다. 관성항법(Inertial navigation)이란 운항체(platform)에 부착된 관성 센서의 출력 물리량(각속도 및 가속도)을 이용해 항체의 위치, 속도 및 자세를 알아내는 것으로 기본원리는 뉴턴의 운동 법칙을 기반으로 힘과 가속도 및 속도, 변위와 관계된 미분 방정식으로부터 항법해를 구하는 것이다.
관성항법을 이용한 시스템을 통해 운항체의 위치, 속도 및 자세를 알아내는 방법은 GPS 수신기를 이용하여 3차원 좌표를 구하는 방법보다 운항상태에 대해 많은 정보를 얻을 수 있으나 초기화한 시간으로부터 멀어질수록 오차가 누적되어 커지는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 3차원적인 위치정보를 GPS수신기로부터 구하고 운항체의 위치, 속도 및 자세에 대한 정보를 GPS수신간격마다 초기화하여 오차가 누적되어 취득되는 것을 보완한 방식이 GIS/INS 방식으로 GPS 수신기로부터의 정확한 3차원 위치자료와 정교한 운항체의 위치, 속도 및 자세 정보를 두 시스템의 문제점을 해결하면서 동시에 취득할 수 있다.
비행선을 이용한 촬영시스템의 경우 영상정보를 취득하기 위해 사용하는 사례가 늘고 있으나 단순하게 카메라를 장착하여 촬영하려는 시도가 있을 뿐 항공촬영과 공간정보(GPS/INS data)를 동시에 취득하여 활용함으로써 3차원적인 공간정보를 재생산하고자 하는 시도는 현재 이뤄지지 않고 있다. 현재 GPS/INS를 차량에 장착하여 지상에서 촬영과 함께 공간정보를 취득하는 방법이 제안되고 있으나 GPS수신기의 단점 중의 하나인 다중반사파(multi path signal)로 인해 건물의 밀집도가 높은 도심지에서는 위치 정확도가 불량해진다.
이에 본 발명자는 빠르게 변화하는 도시의 세부적인 영상정보를 기존 비행기를 이용한 항공촬영 시스템이나 지상에서 항공촬영 및 공간정보를 수집하는 방법보다 편이하고, 경제적이며, 높은 품질의 항공촬영 및 항공측량을 통해 영상자료 및 공간정보를 안정적으로 획득하기 위하여 예의 노력한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
결국 본 발명의 목적은 도시변화의 정보를 담은 영상을 빠르게 획득할 수 있는 비행선(air ship)촬영시스템과 GPS(Global Position System), INS(Inertial Navigation System)를 결합한 항공촬영 및 항공측량을 통한 영상자료 및 공간자료 취득방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 GPS/INS 비행선을 이용하는 항공측량방법에 있어서, (a) 촬영될 주요 대상들을 검토하고 영상에서 보이는 건물의 크기와 실제 건물의 크기를 고려하여, GPS/INS 비행선의 촬영축적, 촬영될 영상의 공간해상도, 촬영고도 및 촬영경로를 설계하는 단계; (b) GPS/INS 비행선을 촬영장소로 이동하여 이륙하는 단계; (c) GPS/INS시스템과 송수신시스템을 작동하여 촬영하고 있는 카메라의 3차원 위치정보(x, y, z) 및 3축각 회전요소에 변화에 대한 자세 정보(roll, pitch, yaw)를 지상의 무선제어시스템(wireless control system)에서 관측하는 단계; (d) 상기 관측된 원격제어기의 위치좌표와 자세정보를 보면서 촬영 시작위치로 GPS/INS비행선을 이동시킨 후, 계획된 촬영경로를 이동하며 해당 촬영 위치 및 자세를 고려하여 촬영을 수행하는 단계; (e) 상기 수행된 촬영을 통해 기록된 카메라의 3차원 위치정보(x, y, z) 및 3축각 회전요소에 변화에 대한 자세정보(roll, pitch, yaw)를 수집하고, 영상자료 및 항공측량을 완료하는 단계; (f) GPS/INS시스템과 송수신시스템을 끄고, GPS/INS 비행선을 회수하기 편한 장소에 안착시켜 정리하고, 영상자료 및 공간정보는 PC로 다운로드하는 단계; 및 (g) 수치사진측량시스템에서 상기 다운로드한 영상자료와 공간정보를 결합하여, 3차원적으로 정의되는 공간영상자료를 생성하는 단계를 포함하는 GGPS/INS 비행선을 이용하는 항공측량방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계의 상기 GPS/INS 비행선 촬영시스템의 설계는 수소 및 헬륨과 같이 가벼운 기체를 채울 수 있는 비행선(air ship) 기낭 2개를 두 개의 프레임으로 연결하고, 촬영시스템, 송수신시스템 및 제어 시스템을 탑재하고 있는 곤돌라를 두 기낭을 연결하는 두 프레임의 중앙에 위치시켜 기체가 균형있는 자세를 유지하도록 하며, 곤돌라의 지붕 중앙에 원격 제어장치를, 비행선의 곤돌라 지붕 상단에는 GPS수신 안테나를, 곤돌라 하단에는 INS 장비 중 MEMS 관성측정장치(Inertial Navigation Unit, IMU)를 장착하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에서, 상기 (c) 단계의 위치정보 및 자세정보의 획득은 (c1) 관성센서를 켜서 작동시키고, 초기의 위치를 입력하는 단계; (c2) 상기 입력된 위치로부 터 데이터의 초기정렬을 하고, 상기 초기 정렬 검사단계에서 결과가 나쁘게 나오면 초기정렬단계로 돌아가고, 좋게 나오면 초기 자세를 입력하여 항법변수를 초기화하는 단계; (c3) 상기 초기화된 항법변수를 기초로 자세계산, 속도계산 및 위치계산을 포함하는 순수항법을 수행하고, 매 일정 시간간격마다 관성항법자료를 획득하는 과정을 반복하는 단계; 및 (c4) 상기 관성항법자료의 획득 과정을 반복하다, 순수항법을 중지하는 순간 종료시키는 단계를 거치는 관성항법을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명에서, 상기 (e)단계에서 측정지점의 3차원 위치는 다음의 단계를 통해 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다:
(e1) GPS 위성에서 보내는 전파를 GPS 수신기 안테나에서 수신하여 0과 1로 이산화하는 단계; (e2) 상기 이산화된 수신 시그널로부터 코드를 추적하여 전파를 발송한 위성정보를 확인하고 수신된 코드로부터 항법에 관련된 데이터를 추출하는 단계; (e3) 상기 추출된 데이터에 대하여 위성 ID, 코드추적자료, 항법자료를 사용하여 의사거리추정 이온층으로 인한 지연 및 상대적 의사거리보정, GPS 위성 위치 및 위성시간 오차계산 및 수신기 위치계산을 수행하는 단계; 및 (e4) 사용자들이 사용가능하도록 수신기의 액정화면을 통해 측정지점의 위치를 도시하는 단계.
이하에서는 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 범위가 첨부되는 도면에 의해 한정되는 것이 아님은 당업자에게 자명하다 할 것이다.
도 1은 GPS/INS 비행선을 이용한 항공촬영으로 항공측량을 하는 방법을 도시한 것이다. 비행선 본체에 장착된 INS시스템으로부터 X축은 비행체의 종축(longitudinal axis), Y축은 날개축(right wing), Z축은 아래방향 회전요소이다. GPS/INS 비행선의 곤돌라에 장착된 카메라 초점의 3차원 위치(X0, Y0, Z0) 값은 GPS 안테나를 통해 수신된 시그널을 계산한 3차원 위치와 GPS 안테나와 카메라 초점 위치의 3차원적인 거리의 차를 보정을 통해 계산되고, 영상자료가 취득되는 순간에 GPS/INS 공간정보가 함께 획득된다.
GPS 위성을 이용한 3차원 위치측정 수신기의 구조 및 위치결정 과정은 도 2에서 도시하였다. 도 2를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, GPS위성에서 보내는 전파를 GPS 수신기 안테나에서 수신하여 0과 1이라는 숫자로 이산화하는 단계(s201)를 거쳐 수신된 시그널로부터 코드를 추적하여 전파를 발송한 위성정보를 확인하고, 수신된 코드로부터 항법에 관련된 데이터를 추출한 후(s202), 위성ID, 코드추적자료, 항법자료를 이용하여, (1) 의사거리추정, (2) 이온층으로 인한 지연과 상대적(differential) 의사거리 보정, (3) GPS위성 위치와 위성시간오차 계산, 및 (4) 수신기 위치계산을 수행하여(s203), 최종적으로 사용자들이 확인 가능하도록 수신기의 액정화면을 통해 보여주게 된다(s204).
상기 위치정보 및 자세정보의 획득을 위한 관성항법은 도 3에서 도시한 바와 같은 과정을 거친다. 즉, 관성센서를 켜서 작동시키면(s301) 초기의 위치가 입력된다(s302). 입력된 위치로부터 초기정렬이 이뤄지고(s303), 초기 정렬 검사단계 (s304)에서 결과가 나쁘게 나오면 초기정렬단계(s303)로 돌아가고 좋게 나오면 초기자세를 입력하고 항법변수를 초기화하게 된다(s305). 다음단계부터 자세계산, 속도계산 및 위치계산 등 순수항법이 수행되고(s306), 매 일정 시간간격마다 관성항법자료를 취득하는 과정을 종료할 때까지 반복하다(s307) 순수항법을 중지하는 순간 루프에서 빠져나와 종료된다(s308).
도 4는 본 발명에 따른 GPS/INS 비행선을 이용한 항공촬영 및 항공측량 방법을 수행하기 위한 시스템 개략도이다. GPS/INS 비행선 촬영시스템의 설계에 있어, 항공기를 이용한 항공촬영 및 공간자료 획득 방법의 문제점이던 고비용, 과다한 시간소요, 불안정한 자세에서의 데이터취득 등의 단점을 줄일 수 있도록, 안정적인 자세에서 항공촬영 및 항공측량을 통해 영상자료 및 공간자료를 취득할 수 있는 시스템을 구성하였다. 즉, 수소 및 헬륨과 같이 가벼운 기체를 채울 수 있는 비행선(air ship) 기낭 2개를 두 개의 프레임으로 연결하여(s401) 비행선 몸체를 구성하여 바람으로 인한 기체의 자세변화를 최소화하도록 하고, 추진 엔진 및 측량용 사진기(metric camera)가 장착된 촬영시스템, 송수신시스템, 제어 시스템을 탑재하고 있는 곤돌라(s402)를 두 기낭을 연결하는 두 프레임의 중앙에 위치시켜 기체가 균형있는 자세를 유지하도록 하였다.
곤돌라의 지붕 중앙에 원격 제어장치(s403)를 두어 지상무선조종시스템(s404)을 이용해 비행선을 지상에서 무선조종 할 수 있도록 하였고, 비행선의 곤돌라 지붕 상단에는 3차원 위치정보자료를 취득하는 GPS수신 안테나를 설치하고, 하단에는 비행선의 자세정보를 취득하는 INS장비 중 기체에 부담을 주지 않을 정도의 무게를 지니면서 경제적인 장비로서 초소형정밀가공기술(MEMSㆍmicroelectromechanical systems)을 이용해 만들어진 자이로스코프 장치 즉, MEMS 관성측정장치(Inertial Navigation Unit, IMU)를 두어 구성하였다. GPS안테나와 GPS수신기, MEMS IMU의 상호 위치는 정밀한 측정을 통해 3차원적 공간에서 상호간의 거리를 구하였다.
도 5는 GPS/INS비행선을 이용한 영상자료 및 공간정보의 취득과정을 보여주고 있다. 도심지의 촬영대상지역에 대한 작업계획 수립(s501)과정에서는 촬영될 주요 대상들을 검토하고, 영상에서 보이는 건물의 크기와 실제건물의 크기를 고려하여 촬영축척 또는 촬영될 영상의 공간해상도를 결정하고, 촬영고도 및 중복도를 고려하여 촬영경로를 설계한다.
GPS/INS비행선을 촬영장소로 이동하여 이륙한 후(s502), GPS/INS시스템과 송수신시스템을 작동하여 촬영하고 있는 카메라의 3차원 위치정보(x, y, z) 및 3축각 회전요소에 변화에 대한 자세정보(roll, pitch, yaw)를 지상의 무선제어시스템(wireless control system)서 볼 수 있도록 한다(s503). 원격제어기의 위치좌표와 자세정보를 보면서 촬영 시작위치로 GPS/INS비행선을 이동시킨 후 계획된 촬영경로를 이동하며 해당 촬영 위치 및 자세를 고려하여 촬영을 수행한다(s504). 매 촬영이 이뤄지는 순간마다 카메라의 3차원 위치정보(x, y, z) 및 3축각 회전요소에 변화에 대한 자세정보(roll, pitch, yaw)가 기록되게 된다.
영상자료 및 항공측량이 완료되면(s505) GPS/INS시스템과 송수신시스템을을 끄고, GPS/INS 비행선을 회수하기 편한 장소에 안착시켜 정리하고(s506), 영상자료 및 공간정보는 PC로 다운로드하여 수치사진측량시스템에서 영상자료와 공간정보를 결합하는 과정(s508)을 거쳐 3차원적으로 정의되는 공간영상자료를 생성하게 되는 것이다(s509).
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
이상 상세히 서술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 경제적으로 장시간 이용가능한 비행선을 통하여 촬영축척을 임의로 조정하면서 영상을 촬영할 수 있고, 영상촬영 당시 위성측위시스템(Global Positioning System, GPS)과 관성항법시스템(Inertial Navigation System, INS)를 이용하여 비행선에 장착된 카메라의 공간적 위치 및 자세를 취득할 수 있는 장점이 있다. 또한, GPS/INS 비행선을 이용해 촬영된 항공촬영 공간정보를 취득함으로써 급격하게 토지이용, 건물 현황, 및 공간활용이 다양하게 변화하는 도시지역에서 신속하고 정확하게 공간영상정보를 획득할 수 있다.

Claims (4)

  1. 다음의 단계를 포함하는 GPS/INS 비행선을 이용한 항공측량방법:
    (a) 촬영될 주요 대상들을 검토하고, 영상에서 보이는 건물의 크기와 실제 건물의 크기를 고려하여, GPS/INS 비행선의 촬영축적, 촬영될 영상의 공간해상도, 촬영고도 및 촬영경로를 설계하는 단계;
    (b) GPS/INS 비행선을 촬영장소로 이동하여 이륙시키는 단계;
    (c) 상기 비행선의 GPS/INS시스템과 송수신시스템을 작동시켜 영상자료를 획득하고, 촬영하고 있는 카메라의 3차원 위치정보(x, y, z) 및 3축각 회전요소에 변화에 대한 자세정보(roll, pitch, yaw)를 지상의 무선제어시스템(wireless control system)을 통하여 획득하는 단계;
    (d) 상기 획득된 원격제어기의 위치좌표와 자세정보를 보면서 촬영 시작위치로 GPS/INS비행선을 이동시킨 후, 계획된 촬영경로를 이동하며 해당 촬영 위치 및 자세를 고려하여 촬영을 수행하는 단계;
    (e) 상기 수행된 촬영을 통해 기록된 카메라의 3차원 위치정보(x, y, z) 및 3축각 회전요소에 변화에 대한 자세정보(roll, pitch, yaw)를 수집하고, 영상자료 및 항공측량을 완료하는 단계;
    (f) GPS/INS시스템과 송수신시스템을 끄고, GPS/INS 비행선을 회수하기 편한 장소에 안착시켜 정리하고, 영상자료 및 공간정보는 PC로 다운로드하는 단계; 및
    (g) 수치사진측량시스템에서 상기 다운로드한 영상자료와 공간정보를 결합하 여, 3차원적으로 정의되는 공간영상자료를 생성하는 단계.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 위치정보 및 자세정보의 획득은 다음의 단계를 거치는 관성항법을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 GPS/INS 비행선을 이용한 항공측량방법:
    (c1) 관성센서를 켜서 작동시키고, 초기의 위치를 입력하는 단계;
    (c2) 상기 입력된 위치로부터 데이터의 초기정렬을 하고, 상기 초기 정렬 검사단계에서 결과가 나쁘게 나오면 초기정렬단계로 돌아가고, 좋게 나오면 초기 자세를 입력하여 항법변수를 초기화하는 단계;
    (c3) 상기 초기화된 항법변수를 기초로 자세계산, 속도계산 및 위치계산을 포함하는 순수항법을 수행하고, 매 일정 시간간격마다 관성항법자료를 획득하는 과정을 반복하는 단계; 및
    (c4) 상기 관성항법자료의 획득 과정을 반복하다, 순수항법을 중지하는 순간 종료시키는 단계.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (e)단계에서 측정지점의 3차원 위치는 다음의 단계를 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 GPS/INS 비행선을 이용한 항공측량방법:
    (e1) GPS 위성에서 보내는 전파를 GPS 수신기 안테나에서 수신하여 0과 1로 이산화하는 단계;
    (e2) 상기 이산화된 수신 시그널로부터 코드를 추적하여 전파를 발송한 위성정보를 확인하고 수신된 코드로부터 항법에 관련된 데이터를 추출하는 단계;
    (e3) 상기 추출된 데이터에 대하여 위성 ID, 코드추적자료, 항법자료를 사용하여 의사거리추정 이온층으로 인한 지연 및 상대적 의사거리보정, GPS 위성 위치 및 위성시간 오차계산 및 수신기 위치계산을 수행하는 단계; 및
    (e4) 사용자들이 사용가능하도록 수신기의 액정화면을 통해 측정지점의 위치를 도시하는 단계.
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