KR100898797B1

KR100898797B1 - 항공라이다자료를 이용한 지형기복 정사영상의 제작방법

Info

Publication number: KR100898797B1
Application number: KR1020090000777A
Authority: KR
Inventors: 신동준; 김상봉; 김상성
Original assignee: 중앙항업(주)
Priority date: 2009-01-06
Filing date: 2009-01-06
Publication date: 2009-05-21

Abstract

본 발명은 항공라이다자료를 이용하여 지형기복 정사영상을 제작하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정사영상 제작에 사용된 항공라이다자료에서 지면데이터를 추출하고, 이 지면데이터로부터 지형기복자료를 생성하고, 기 제작된 정사영상과 상기 지형기복자료를 합성하여 지형의 기복이 입체적으로 묘사되는 지형기복 정사영상을 제작하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 항공라이다자료를 이용한 지형기복 정사영상 제작방법은, (S10) 특정지역의 정사영상 제작에 사용된 항공라이다자료로부터 지면데이터를 추출하는 단계; (S20) 상기 지면데이터로부터 불규칙삼각망(TIN)을 구성하고, 각 격자의 중심점에 있는 상기 불규칙삼각망을 구성하는 델로니삼각형의 상기 격자 중심점에서의 표고 값을 산출하는 단계; (S30) 각 격자에서 일정거리 내에 있는 상기 지면데이터에 대한 해당 격자의 상기 표고 값의 상대적인 높이 값들로 구성되는 지형기복자료를 추출하는 단계; (S40) 상기 지형기복자료를 기제작된 상기 정사영상과 동일한 방사해상도를 갖도록 방사적 강조(radiometric enhancement)를 수행하는 단계; (S50) 기 제작된 상기 정사영상 각 격자의 RGB 값과, 상기 방사적 강조된 지형기복자료의 그레이 스케일(grey scale) 값을 주어진 합성도에 따라 합성하여 지형기복 정사영상을 제작하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

항공라이다자료, 정사영상, 지형기복자료, 지면데이터

Description

항공라이다자료를 이용한 지형기복 정사영상의 제작방법{Generation method of terrain relief ortho image using aerial lidar data}

종래의 정사영상은 항공기에 탑재된 카메라로 특정 지역을 촬영한 사진을 디지털 영상으로 변환한 후에, 해당 지역의 항공라이다자료로부터 추출한 수치표고자료를 이용하여 디지털 영상으로 변환된 사진을 수치미분편위수정하여 정사투영 사진(즉, 정사영상)을 제작하였다.

이와 같이 종래방법으로 제작된 정사영상은 2차원 평면위치에 대하여 지도의 정확성을 확보하고 있으나, 이는 2차원의 영상이므로 지표면 고도에 대한 정보가 없고, 수치지도에 존재하는 등고선 또한 존재하지 않기 때문에 지형의 높고 낮음을 인지하기 어렵다.

이와 더불어 항공사진 촬영시 판독의 용이성을 위해 그림자 길이가 가장 짧은 시간대에 촬영을 하므로 그림자의 음영에 의한 입체감도 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 정사영상 제작에 사용된 항공라이다자료로부터 지면데이터를 추출하고, 이 지면데이터를 이용하여 지형기복자료를 생성한 후에, 기제작된 정사영상과 상기 지형기복자료를 합성하여 지형의 기복이 입체적으로 표현되는 지형기복 정사영상을 제작하는 방법을 제공함을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 항공라이다자료를 이용한 지형기복 정사영상 제작방법은,

(S10) 특정지역의 정사영상 제작에 사용된 항공라이다자료로부터 지면데이터를 추출하는 단계;

(S20) 상기 지면데이터로부터 불규칙삼각망(TIN)을 구성하고, 각 격자의 중심점에 있는 상기 불규칙삼각망을 구성하는 델로니삼각형의 상기 격자 중심점에서 의 표고 값을 산출하는 단계;

(S30) 각 격자에서 일정거리 내에 있는 상기 지면데이터에 대한 해당 격자의 상기 표고 값의 상대적인 높이 값들로 구성되는 지형기복자료를 추출하는 단계;

(S40) 상기 지형기복자료를 기제작된 상기 정사영상과 동일한 방사해상도를 갖도록 방사적 강조(radiometric enhancement)를 수행하는 단계;

(S50) 기 제작된 상기 정사영상 각 격자의 RGB 값과, 상기 방사적 강조된 지형기복자료의 그레이 스케일(grey scale) 값을 주어진 합성도에 따라 합성하여 지형기복 정사영상을 제작하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 (S30)단계의 지형기복자료를 구성하는 각 격자의 상대적인 높이 값은 아래의 수식에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.

T(R) = [2P(Max)-2P(Min)+P(Avg)]/n

여기서,

이고,

i는 일정거리{(2i-1)*c/2}를 격자크기 길이로 구분한 차수이고, n은 총 차수이고, c는 격자크기이고,

Max(i), Min(i), Avg(i)는 각각 i차 인접점 지면데이터 중 최대 값, 최소 값, 평균 값이다.

또한, 상기 i는

지형의 기복이 완만한 지역에서는 5~10 사이의 값을 갖고, 지형의 기복이 심한 지역에서는 10~20 사이의 값을 갖는 것을 특징으로 하고,

상기 (S50)단계의 합성은 아래의 수식에 의해 수행된다.

[R(TR), G(TR), B(TR)] = (1-a)[R(0), G(0), B(0)] +aV(TR)

여기서, R(TR), G(TR), B(TR)은 합성된 지형기복 정사영상의 R, G, B 값이고,

R(0), G(0), B(0)은 기제작된 정사영상의 R, G, B 값이고,

V(TR)은 지형기복자료의 grey scale 값이고,

a는 합성도로서 0~1의 값을 갖는다.

상기 합성도 a는 0~1 사이의 값을 갖되,

지형기복이 심한 지역에서는 0.10~0.20 사이의 어느 한 값을 갖고, 지형기복이 완만한 지역에서는 0.05~0.10 사이의 어느 한 값을 갖고, 평지에서는 0.05 이하의 값을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 구성(절차)을 갖는 본 발명에 의해 제작된 정사영상은 지형의 기복이 표현되어 해당 지역이 입체적으로 묘사된다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 지형기복 정사영상의 제작과정을 도시한 절차도로서, 도면에서 보는 바와 같이 본 발명은

항공라이다자료에서 지면데이터를 추출하는 (S10)단계와,

상기 지면데이터를 이용하여 각 격자의 중심점에서의 표고 값을 산출하는 (S20)단계와,

상기 각 격자의 표고 값의 주변 지면데이터에 대한 상대적인 높이 값들로 구성되는 지형기복자료를 추출하는 (S30)단계와,

상기 지형기복자료의 방사적 강조를 수행하는 (S40)단계와,

방사적 강조된 상기 지형기복자료와 기제작된 정사영상을 합성하여 지형기복 정사영상을 제작하는 (S50)단계를 포함하여 이루어진다.

상기 (S10)단계에서는 기제작된 정사영상의 제작에 사용된 항공라이다자료로부터 지면데이터를 추출한다.

지면데이터는 항공라이다자료에서 지표면에 도달된 점만을 분류한 것으로 무수한 점군(point cloud) 형태의 자료로서, 해당 지역의 지형을 대표하는 점들로 구성된다.

항공라이다자료는 지표면을 포함하는 식생, 건물 등 지상물 전체를 포함하고 3차원 좌표(위도, 경고, 고도)를 제공하므로, 라이다처리과정을 통해 지면데이터를 분류하고 별도로 추출한다. 라이다처리과정을 통해 항공라이다자료에서 지면데이터를 추출하는 방법은 공지의 기술이므로 이에 대하여 보다 구체적인 설명은 생략한다.

도2는 특정 지역의 항공라이다자료와, 이를 라이다처리과정을 통해 추출한 지면데이터의 일례이다.

상기 (S20)단계에서는 각 격자의 중심점에서의 표고 값을 산출한다.

여기서의 격자 중심점의 표고 값은 불규칙한 항공라이다자료의 지면데이터가 격자의 중심에 위치하지 않으므로 격자 중심점에서의 불규칙삼각망을 구성하는 델로니삼각형 평면 상의 높이 값으로 할당한다. 이는 후술하는 내용으로부터 보다 명확히 이해될 것이다.

격자 중심점의 표고 값을 산출하기 위해,

우선, 임의의 격자를 생성한다.(격자에 값을 할당하기 위하여 비어있는 격자를 생성) 격자 간격은 기제작된 정사영상의 격자간격에 따른다. 이는 지형기복자료와 기제작된 정사영상의 합성을 위한 것이다.

다음으로, 지면데이터의 모든 점들을 이용하여 불규칙삼각망을 구성한다. 그리하면 인접하는 지면데이터 3점을 연결하는 무수히 많은 델로니삼각형이 만들어 진다. 이에 대한 일례가 도3a에 도시되어 있다.

다음으로, 각 격자의 중심점에서의 표고 값을 산출한다. 도3a에서 보는 바와 같이 각 격자에는 1개 이상의 델로니삼각형이 있을 수 있다. 그러나 격자의 중심점은 하나의 점(point)이므로, 격자의 중심점에는 1개의 델로니삼각형만이 존재한다. 이 격자의 중심점에서의 델로니삼각형 면(面)상의 높이가 격자 중심점의 표고 값이다. 즉, 도3b에서 보는 바와 같이 델로니삼각형을 이루는 지면데이터 3점을 연결하는 평면 상에 있고, 격자 중심점에 있는 점의 고도 값이 그 격자의 표고 값이 되는 것이다.

격자 중심점 (x0,y0)에서의 표고 값(z0)은 아래 수식에 의해 구할 수 있다.

<수식1>

z0 = (-ay0-bx0-d)/c

여기서,

d = -ay1-bx1-cz1,

a = (x2-x1)(z3-z1)-(z2-z1)(x3-x1),

b = (z2-z1)(y3-y1)-(y2-y1)(z3-z1),

c = (y2-y1)(x3-x1)-(x2-x1)(y3-y1) 이고,

(x1,y1,z1), (x2,y2,z2), (x3,y3,z3)는 각각 델로니삼각형을 구성하는 지면데이터의 3점의 좌표이다.

상기 (30)단계에서는 각 격자의 표고 값과 지면데이터를 이용하여 지형기복자료를 추출한다.

상기 지형기복자료는 각 격자 중심점 표고 값의 해당 격자 주변 일정거리 내에 존재하는 지면데이터에 대한 상대적인 높이 값이다.

우선, 각 격자의 표고 값에 비교 대상이 되는 지면데이터를 선택하기 위해 일정거리를 설정한다. 여기서, 일정거리는 격자크기의 정수배로 한다.

그리고 일정거리 내에 존재하는 지면데이터는 다시 1차, 2차, 3차, ..... n차 인접점들로 구분한다.

여기서, 1차 인접점은 해당 격자의 중심점에서 격자크기를 반경으로 하는 원 내에 포함되는 모든 지면데이터이고, 2차 인접점은 해당 격자의 중심점에서 격자크기의 2배를 반경으로 하는 원 내에 포함되는 지면데이터 중 1차 인접점을 제외한 지면데이터이고, n차 인접점은 해당 격자의 중심점에서 격자크기의 n배를 반경으로 하는 원 내에 포함되는 지면데이터 중 1차에서 n-1차 인접점을 제외한 지면데이터 이다. 이에 대한 예가 도4에 도시되어 있다.

인접점의 차수는 지형조건에 따라 결정할 것으로서, 실험 결과 일반적으로 편평한 지역(flat area)의 경우 5~10차, 기복 지역(hilly area)의 경우 10~20차 정도가 적당한 것으로 판단된다. 이는 처리속도, 지형기복자료의 묘사도 등을 고려한 것으로서 해당 지역의 조건에 부합하는 차수를 선택할 것이다.

일정거리 내의 지면데이터를 n차 인접점으로 구분한 후에는 각 차수에 있는 인접점(지면데이터) 표고의 최대값 Max(i), 최소값 Min(i), 평균값 Avg(i)을 산출하고, 아래의 수식을 이용하여 지형기복자료를 추출한다. 도5는 지형기복자료의 추출방식의 이해를 돕기 위한 도면이다.

<수식2>

T(R) = [2P(Max)-2P(Min)+P(Avg)]/n

여기서,

이고,

삭제

상기 (S40)단계에서는 지형기복자료를 기제작된 정사영상과 동일한 방사해상도를 갖도록 만들어주기 위해 방사적 강조를 수행하는 단계이다.

상기 (S30)단계에서 추출된 지형기복자료는 그 값의 범위가 인접점의 차수에 따라 달라진다. 예를 들어 차수(i)가 5인 경우 지형기복자료 T(R)은 -5에서 5까지의 값을 갖는다. 따라서 기제작된 정사영상과 동일한 방사해상도로 만들어 주기 위해 8-bit(0~255의 256 scale)의 정수형으로 방사적 강조(radiometric enhancement)를 수행한다.

방사적 강조된 지형기복자료 V(TR)는 해당 지형기복자료 값에서 최소 지형기복자료 값을 뺀 수치를 최대 지형기복자료 값에서 최소 지형기복자료 값을 뺀 수치로 나눈 값에 255를 곱한 수치이다.

지형기복자료는 주변보다 높은 지역에서는 밝게, 낮은 지역은 어둡게, 평평한 지역에서는 그 정도에 따라 중간 회색 계열로 나타나는 특징이 있으며, 이는 2 차원 평면 상에서 지형의 기복을 입체적으로 묘사하는 기능이 있다. 도6에서 보는 바와 같이 지형기복자료로 제작된 영상은 주변에 비해 높은 산등성이는 밝은 색으로 표현되고, 산골짜기와 하천 등 주변보다 급격히 낮은 지역은 어둡게 표현되는 것을 볼 수 있다.

상기 (S50)단계에서는 기제작된 정사영상과 방사적 강조된 지형기복자료를 합성하여 지형기복 정사영상을 제작한다.

기제작된 정사영상의 각 격자는 8-bit의 R(Red), G(Green), B(Blue) 값의 조합으로 표현되고, 방사상 강조된 지형기복자료는 8-bit의 grey scale 값을 갖고, grey scale은 R, G, B의 조합으로 표현되므로,

합성된 지형기복 정사영상 각 격자는 주어진 합성도 a에 따라 아래 수식에 의하여 R, G, B의 조합을 갖는다.

<수식3>

[R(TR), G(TR), B(TR)] = (1-a)[R(0), G(0), B(0)] +aV(TR)

R(0), G(0), B(0)은 기제작된 정사영상의 R, G, B 값이고,

V(TR)은 지형기복자료의 grey scale 값이고,

a는 합성도로서 0~1의 값을 갖는다.

상기 합성도 a는 지형조건에 따라 다른 값을 갖되, 지형기복이 심한 지역에서는 0.10~0.20 사이의 어느 한 값을 갖고, 지형기복이 완만한 지역에서는 0.05~0.10 사이의 어느 한 값을 갖고, 평지에서는 0.05 이하의 값을 갖는 것이 바람직하다.

도7은 종래의 방식으로 제작된 정사영상과, 본 발명에 따라 제작된 지형기복 정사영상을 순서대로 도시한 것으로서,

도면에서 보는 바와 같이 종래방식으로 제작된 정사영상은 2차원 평면으로 도시되어 입체감이 없을 뿐만 아니라 지형의 높낮이를 구분할 수 없지만, 본 발명에 따라 제작된 정사영상은 입체적으로 묘사되어 있을 뿐만 아니라 지형의 높낮이가 명확히 구분됨을 알 수 있다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 절차로 이루어진 지형기복 정사영상의 제작방법에 대해 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 지형기복 정사영상의 제작 공정도.

도 2 는 항공라이다자료 및 지면데이터의 일례도.

도 3 은 불규칙삼각망의 일례도 및 격자 중심점 표고 값 산출 이해도.

도 4 는 인접점 구분도.

도 5 는 지형기복자료 추출 이해도.

도 6 은 방사 강조된 지형기복자료의 일례도.

도 7 은 종래방식과 본 발명에 의해 제작된 정사영상의 비교도.

Claims

(S10) 특정지역의 정사영상 제작에 사용된 항공라이다자료로부터 지면데이터를 추출하는 단계;

(S20) 상기 지면데이터로부터 불규칙삼각망(TIN)을 구성하고, 각 격자의 중심점에 있는 상기 불규칙삼각망을 구성하는 델로니삼각형의 상기 격자 중심점에서의 표고 값을 산출하는 단계;

(S30) 각 격자에서 일정거리 내에 있는 상기 지면데이터에 대한 해당 격자의 상기 표고 값의 상대적인 높이 값들로 구성되는 지형기복자료를 추출하는 단계;

(S40) 상기 지형기복자료를 기제작된 상기 정사영상과 동일한 방사해상도를 갖도록 방사적 강조(radiometric enhancement)를 수행하는 단계;

(S50) 기 제작된 상기 정사영상 각 격자의 RGB 값과, 상기 방사적 강조된 지형기복자료의 그레이 스케일(grey scale) 값을 주어진 합성도에 따라 합성하여 지형기복 정사영상을 제작하는 단계;를 포함하여 이루어진 항공라이다자료를 이용한 지형기복 정사영상의 제작방법.
제 1 항에 있어서,

상기 (S30)단계의 지형기복자료를 구성하는 각 격자의 상대적인 높이 값은 아래의 수식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 항공라이다자료를 이용한 지형기복 정사영상의 제작방법.

T(R) = [2P(Max)-2P(Min)+P(Avg)]/n

여기서,

이고,

i는 일정거리{(2i-1)*c/2}를 격자크기 길이로 구분한 차수이고, n은 총 차수이고, c는 격자크기이고, Z0는 격자 중심점에서의 표고 값이고,

Max(i), Min(i), Avg(i)는 각각 i차 인접점 지면데이터 중 최대 값, 최소 값, 평균 값이다.
제 2 항에 있어서, 상기 i는

지형의 기복이 완만한 지역에서는 5~10 사이의 값을 갖고, 지형의 기복이 심한 지역에서는 10~20 사이의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 항공라이다자료를 이용한 지형기복 정사영상의 제작방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 (S50)단계의 합성은 아래의 수식에 의해 수행되되,

하기의 합성도 a는

지형기복이 심한 지역에서는 0.10~0.20 사이의 어느 한 값을 갖고, 지형기복이 완만한 지역에서는 0.05~0.10 사이의 어느 한 값을 갖고, 평지에서는 0.05 이하의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 항공라이다자료를 이용한 지형기복 정사영상의 제작방법.

[R(TR), G(TR), B(TR)] = (1-a)[R(0), G(0), B(0)] +aV(TR)

여기서, R(TR), G(TR), B(TR)은 합성된 지형기복 정사영상의 R, G, B 값이고,

R(0), G(0), B(0)은 기제작된 정사영상의 R, G, B 값이고,

V(TR)은 지형기복자료의 grey scale 값이고,

a는 합성도로서 0~1의 값을 갖는다.