KR101027758B1 - 항공 ＬｉＤＡＲ과 음향측심이 결합된 하이브리드형 지형 데이터를 통한 유역·하상의 ＤＥＭ／ＤＳＭ 데이터 생성 장치 및 방법 - Google Patents

항공 ＬｉＤＡＲ과 음향측심이 결합된 하이브리드형 지형 데이터를 통한 유역·하상의 ＤＥＭ／ＤＳＭ 데이터 생성 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존의 항공 레이저 측량 데이터를 이용한 수치도화 제작 장치가 항공기의 위치정보와 자세 정보를 통해 산악지역이나 도시지역의 수치지형모형만을 생성시킬 뿐, 유역에 유입된 퇴적량과 하상에 쌓여 있는 퇴적량을 모니터링을 할 수 없어, 시간과 인력이 낭비되는 문제점을 해결하고자, 항공 LiDAR 측량모듈, 음향측심모듈, 하이브리드형 수치지형제어모듈이 구성됨으로서, 항공 LiDAR을 통해 자동처리가 가능하여 처리속도가 빠르고, 날씨에 관계없이 측량할 수 있어 유역 및 하상의 고정밀 수치지형모형을 제작할 수 있고, 무엇보다 기존 장치에 비해 항공 LiDAR과 음향측심 데이터 융합으로 유역 및 하상에 존재하는 퇴적물을 모니터링시킬 수 있는 항공 LiDAR과 음향측심이 결합된 하이브리드형 지형 데이터를 통한 유역·하상의 DEM/DSM 데이터 생성 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

항공 ＬｉＤＡＲ과 음향측심이 결합된 하이브리드형 지형 데이터를 통한 유역·하상의 ＤＥＭ／ＤＳＭ 데이터 생성 장치 및 방법{THE APPARATUS AND METHOD OF CREATION A DEM AND DSM}
본 발명은 LiDAR(Light Detection And Ranging)에서 획득한 3차원 지형 데이터를 통해 유역 및 하상의 정밀 수치지형모형(DEM/DSM)을 생성하고, 유입되는 퇴적량과 하상에 쌓여 있는 퇴적량을 비교하여 퇴적물의 유입경로 및 이동량을 모니터링할 수 있는 항공 LiDAR을 통한 유역 및 하상의 DEM/DSM 데이터 모니터링 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 수치 지도나 지형정보 등으로 나타내는 수치도화 예를 들어, 등고선 제작은 항공 사진촬영 및 항공 삼각 측량을 수행하여 얻어낸 중복된 사진을 통해 도화사의 판단에 의해 제작되고 있다.
항공사진을 이용한 수치 지도제작은 일반적으로 항공 삼각 측량방법을 이용하여 제작된다. 항공 삼각 측량방법은 촬영노선을 따라 종중복도 60%, 횡중복도 30%를 갖도록 사진을 촬영하고, 실제 지상을 측량한 점의 위치를 사진에서 찾아내어 사진에 실제 좌표를 등록할 수 있다.
또한 등록된 지상좌표를 이용하여, 수학적으로 사진의 중심위치와 회전각을 나타내는 외부표정요소를 구할 수 있는데, 이러한 일련의 과정을 항공 삼각 측량이라 한다.
이와 같이. 항공 삼각 측량을 이용한 수치 지도 제작과정은 먼저, 항공기에 장착된 카메라를 이용하여 일정 지역의 항공사진을 촬영한 후, 지상 측량을 통해 지상 기준점의 좌표를 구하고, 인접 사진에서 동일점을 추출하는 공액점 추출과정을 통해 여러 장의 사진을 연결하며, 지상 기준점의 위치를 항공사진에서 찾아내어 실제 측량 좌표를 입력함으로써 촬영된 모든 항공사진이 좌표를 가질 수 있다.
이러한 과정을 통해 얻어진 외부 표정을 요소를 이용하여 항공사진의 수치 지도를 제작한다.
하지만, 종래기술에 따른 수치 지도 제작과정은 지상 기준점을 측량해야 하므로 많은 비용과 시간이 소요되며, 수치 지도 등에 표기되는 등고선을 제작하는데 있어서는 숙련된 도화사에 의해 제작되어야 하기 때문에 장기간의 기술 습득기간이 필요로 하여 작업속도 면에서 많은 시간이 소요되고 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 등록특허공보 제10-0860767호에서는 항공 레이저 측량 데이터를 이용한 수치도화 제작 장치가 제시된 바 있으나,
이는 단지, 항공기의 위치정보와 자세 정보를 통해 산악지역이나 도시지역의 수치지형모형만을 생성시킬 뿐, 유역에 유입된 퇴적량과 하상에 쌓여 있는 퇴적량을 모니터링을 할 수 없어, 현재 국가정책사업인 4대강 정비사업에 필요한 유역 및하상의 퇴적량 모니터링 장치개발이 시급한 실정이다.
등록특허공보 제10-0860767호
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 항공 LiDAR을 통해 자동처리가 가능하여 처리속도가 빠르고, 날씨에 관계없이 측량할 수 있어 유역 및 하상의 고정밀 수치지형모형을 제작할 수 있고, 무엇보다 기존 장치에 비해 항공 LiDAR과 음향측심 데이터 융합으로 유역 및 하상에 존재하는 퇴적물을 모니터링시킬 수 있는 항공 LiDAR과 음향측심이 결합된 하이브리드형 지형 데이터를 통한 유역·하상의 DEM/DSM 데이터 생성 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 항공 LiDAR과 음향측심이 결합된 하이브리드형 지형 데이터를 통한 유역·하상의 DEM/DSM 데이터 생성 장치는
항공기에 구비되어 출사된 레이저 파가 유역 및 하상지역에 맞고 되돌아오는 경과시간을 측정하여 고도 정보가 포함된 레이저 측량 데이터를 산출한 후 하이브리드형 수치지형제어모듈로 전송시키는 항공 LiDAR 측량모듈과,
음파와 같은 파동을 이용하여 유역 및 하상지역의 퇴적물 데이터를 획득한 후 WiFi 통신망을 통해 하이브리드형 수치지형제어모듈로 전송시키는 음향측심모듈과,
항공 LiDAR 측량모듈과 음향측심모듈에서 획득한 3차원 데이터를 융합시켜 유역 및 하상의 정밀 수치지형모형(DEM/DSM)을 생성시키는 하이브리드형 수치지형제어모듈로 구성됨으로서 달성된다.
또한, 본 발명에 따른 항공 LiDAR과 음향측심이 결합된 하이브리드형 지형 데이터를 통한 유역·하상의 DEM/DSM 데이터 생성 방법은
제1 수치모형 생성부를 통해 항공 LiDAR 측량모듈에서 획득한 3차원 지형데이터를 수신받아 제1 수치모형(DSM/DEM)을 생성시키는 단계와,
제2 수치모형 생성부를 통해 음향측심모듈에서 획득한 유역 및 하상지형데이터를 수신받아 제2 수치모형(DSM/DEM)을 생성시키는 단계와,
퇴적물 모니터링제어부를 통해 제1 수치모형 생성부에서 생성된 제1 수치모형(DSM/DEM)과 제2 수치모형 생성부에서 생성된 제2 수치모형(DSM/DEM)을 융합시켜 제3 수치모형(DEM/DSM)을 생성시키는 단계와,
퇴적물 모니터링제어부에서 제3 수치모형(DEM/DSM)을 통해 퇴적물의 근원지 추적 및 유입량을 체크하고, 제2 수치모형(DSM/DEM)에서 유역 및 하상에 대한 퇴적물의 위치와 퇴적물량을 체크하여 3차원 퇴적양상데이터를 모니터링시키는 단계로 이루어짐으로서 달성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 항공 LiDAR을 통해 자동처리가 가능하여 처리속도가 빠르고, 날씨에 관계없이 측량할 수 있어 유역 및 하상의 고정밀 수치지형모형을 제작할 수 있고, 무엇보다 기존 장치에 비해 항공 LiDAR과 음향측심 데이터 융합으로 유역 및 하상에 존재하는 퇴적물을 모니터링시킬 수 있어 국가정책사업인 4대강 정비사업에 필요한 유역 및 하상의 퇴적량 모니터링장치를 보급시킬 수 있는 좋은 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 항공 LiDAR과 음향측심이 결합된 하이브리드형 지형 데이터를 통한 유역·하상의 DEM/DSM 데이터 생성 장치의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 2는 본 발명에 따른 항공 LiDAR 측량모듈(100)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 음향측심모듈(200)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 4는 본 발명에 따른 음향측심기의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드형 수치지형제어모듈(300)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 6은 본 발명에 따른 레이저 스캐닝을 통해 스캐닝하는 과정을 도시한 일실시예도,
도 7은 본 발명에 따른 IDW 보간법을 통해 제1 수치모형(DSM)을 제작한 것을 도시한 일실시예도,
도 8은 본 발명에 따른 리니어 프레딕션(Linear Prediction)기법을 통해 제1 수치모형(DEM)을 제작한 것을 도시한 일실시예도,
도 9은 본 발명에 따른 IDW 보간법을 통해 제2 수치모형(DSM)을 제작한 것을 도시한 일실시예도,
도 10은 본 발명에 따른 리니어 프레딕션(Linear Prediction)기법을 통해 제2 수치모형(DEM)을 제작한 것을 도시한 일실시예도,
도 11은 본 발명에 따른 유역 및 하상의 융합데이터에서 생성한 DEM을 도시한 일실시예도.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 항공 LiDAR과 음향측심이 결합된 하이브리드형 지형 데이터를 통한 유역·하상의 DEM/DSM 데이터 생성 장치의 구성요소를 도시한 블럭도에 관한 것으로, 이는 항공 LiDAR 측량모듈(100), 음향측심모듈(200), 하이브리드형 수치지형제어모듈(300)로 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 항공 LiDAR 측량모듈(100)에 관해 설명한다.
상기 항공 LiDAR 측량모듈(100)은 항공기에 구비되어 출사된 레이저 파가 유역 및 하상지역에 맞고 되돌아오는 경과시간을 측정하여 고도 정보가 포함된 레이저 측량 데이터를 산출한 후 하이브리드형 수치지형제어모듈로 전송시키는 역할을 하는 것으로, 이는 도 2에서 도시한 바와 같이, GPS부(110), 레이저 센서(120), INS(Inertial Navigation System)부(130), 레이저 스캐너부(140), 제1마이컴부(150), ACARS 데이터 통신부(160)로 구성된다.
상기 GPS부(110)는 GPS 위성으로부터 레이저 센서의 위치를 설정하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 레이저 센서의 위치는 항법용 GPS 에서 발생하는 부정확성을 교정하기 위해 DGPS을 사용하여 3차원으로 정해진다. 이를 위해 고정밀 GPS 장비가 항공기 내부와 지상기지국에 설치된다.
상기 레이저 센서(120)는 지상의 유역 및 하상에 레이저 빔으로 레이저를 발생시키는 센서를 말한다.
이는 항공기가 수평으로 비행하는 동안에 지표면과 수직이 되도록 고정된다.
여기서, 레이저는 짧은 주기를 가진 높은 에너지의 펄스를 만들 수 있다는 점과 작은 개구를 이용하여 고도로 밀집된 상대적으로 짧은 파장의 빛을 만들 수 있는 특징을 갖는다.
레이저 센서를 통한 거리의 관측에는 펄스레이저를 통해 관측한다.
펄스레이저를 사용하는 경우 거리를 관측하는 가장 직접적인 방법은 펄스레이저의 왕복시간을 측정하는 것이다.
즉, 펄스가 방사되고 수신되는 사이의 시간을 이용하는 것으로, 펄스 레이저의 왕복시간은 수학식 1과 같이 표현할 수가 있다.
Figure 112010081180957-pat00001
여기서, L은 거리관측부와 지표면 객체간의 거리이고, c는 빛의 속도이다. 수학식 1에서 거리의 해상도
Figure 112010081180957-pat00002
은 시간측정의 해상도
Figure 112010081180957-pat00003
에 정비례하며, 다음과 수학식 2와 같이 유도된다.
Figure 112010081180957-pat00004
이때, 거리의 정확도(
Figure 112010081180957-pat00005
)는 펄스 생성시간(Generation Time), S/N비율, 관측 비율 등에 의해 결정된다.
Figure 112010081180957-pat00006
여기서,
Figure 112010081180957-pat00007
는 펄스 생성시간, S는 광다이오드 전류의 신호강도, N은 광다이오드와 증폭기의 열잡음 강도로, 일반적으로 사용되는 LiDAR 시스템에서 거리관측의 정확도는 cm 단위를 가진다.
상기 INS(Inertial Navigation System)부(130)는 레이저 센서 일측에 부착되어 측량하고자 하는 위치를 감지하여 레이저 센서가 측량위치에 정위치되도록 유도시키는 역할을 한다. 이는 관성 항법 장치 (Inertial Navigation System, INS)로서, 그 동작원리는 자이로스코프에서 가속도를 구해 적분하여 속도를 구하고, 속도를 적분하여 이동한 거리를 구한다. 이때, 처음 있던 위치를 입력하면 이동해도 자기의 위치와 속도를 항상 계산해 파악할 수 있다.
본 발명에 따른 INS를 통한 자세 데이터는 LiDAR 점 데이터의 3차원 좌표결정에 사용된다.
상기 레이저 스캐너부(140)는 레이저 센서와 지표면과의 거리를 관측하여 지표면 상의 표고점에 대한 3차원 X,Y,Z 좌표를 스캐너시키는 역할을 한다.
본 발명에 따른 레이저 스캐너부를 통한 스캐닝은 도 6에서 도시한 바와 같이, 거리관측용 레이저를 특정한 패턴에 따라 굴절시켜 높은 점밀도로 대상물체의 표면을 샘플링시키는 것으로서, 스캔방향으로 점간거리, 비행방향으로 점간거리, 스캔폭에 의해 스캐닝된다.
상기 제1 마이컴부(150)는 레이저 센서를 통해 목적지까지의 거리를 측량하고, 표고점의 위치를 연산시켜 LiDAR의 위치를 결정하여 3차원 지형데이터를 생성시킨 후, 지상의 하이브리드형 수치지형제어모듈로 전송시키도록 제어하는 역할을 한다.
상기 ACARS 데이터 통신부(160)는 제1마이컴부의 제어하에 지상의 하이브리드형 수치지형제어모듈로 3차원 지형데이터를 ACARS(항공기 통신 지정수신 및 보고시스템 : Aircraft Communication Addressing and Reporting System)를 통해 전송시키는 역할을 한다.
여기서, ACARS는 Aircraft Communication Addressing and Reporting System을 줄인 약어로써 운항중인 항공기와 지상국간의 음성통신을 데이터통신화한 시스템이다. ACARS는 항공기 장착장비, 지상정보망, 지상 Host Computer로 구성된다.
본 발명에 따른 지상의 하이브리드형 수치지형제어모듈은 필요정보를 항공기에 보내고 또한 항공기로부터의 정보를 수집 분배한다.
ACARS 데이터 통신부의 데이터는 유역 및 하상의 3차원 지형데이터이다.
다음으로, 본 발명에 따른 음향측심모듈(200)에 관해 설명한다.
상기 음향측심모듈(200)은 음파와 같은 파동을 이용하여 유역 및 하상지역의 퇴적물 데이터를 획득한 후 WiFi 통신망을 통해 하이브리드형 수치지형제어모듈로 전송시키는 역할을 하는 것으로, 이는 도 3에서 도시한 바와 같이, 기지국 GPS부(210), 이동국 GPS부(220), 음향측심기(230), 제2 마이컴부(240), WiFi 송신부(250)로 구성된다.
상기 기지국 GPS부(210)는 유역 및 하상의 수심측량을 위해 미리 설정된 2개의 기지점에 설치되어 좌표보정량을 연산하고, 위치보정신호를 생성시킨 후 이동국 GPS부로 송신시키는 역할을 한다.
상기 이동국 GPS부(220)는 유역 및 하상의 수심측량을 위해 운행하는 선박에 설치되어 기지국 GPS부로 부터 위치보정신호와 신호 합성신호를 입력받아 평면위치의 X값과 Y값을 산출시키는 역할을 한다.
상기 음향측심기(230)는 유역 및 하상의 수심측량을 위해 운행하는 선박에 설치되어 유역 및 하상의 수심을 측정하는 것으로, 이는 도 4에서 도시한 바와 같이, 송신부(231), 송파기(232), 수파기(233), 수신부(234)로 구성된다.
상기 송신부(231)는 송신제어부로부터 결정된 발사주파수에 따라 연속된 초음파를 수면 아래로 발사시키는 역할을 한다. 이는 발사주파수의 결정하는 것으로, 28khz에서는 1500m, 50khz에서는 900m, 200khz에서는 400m로 설정하고, 펄스폭의 결정, 송신출력을 결정한다.
상기 송파기(232)는 송신부에서 전기입력을 받아 초음파 펄스를 발생하여 송파출력과 초음파 빔(지향성)을 결정하는 역할을 한다.
상기 수파기(233)는 하상에서 반사된 반사파를 수신하여 전기신호로 변환시켜 수신부로 전송시키는 역할을 한다.
상기 수신부(234)는 수파기로부터 전송된 수신신호를 증폭시켜 검파시킨 후 제2 마이컴부로 전송시키는 역할을 한다.
상기 제2 마이컴부(240)는 음향측심기의 펄스발사 횟수, 펄스발사 시간을 결정하고, 송신음파와 수신음파의 시간간격, 음파의 수중 전파속도를 통해 측심선상의 지형을 기록하여 유역 및 하상지형데이터를 생성시킨 후, 하이브리드형 수치지형제어모듈로 전송시키도록 제어하는 역할을 한다.
상기 WiFi 송신부(250)는 제2 마이컴부의 제어하에 WiFi 통신망을 통해 하이브리드형 수치지형제어모듈로 유역 및 하상지형데이터를 전송시키는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 하이브리드형 수치지형제어모듈(300)에 관해 설명한다.
상기 하이브리드형 수치지형제어모듈(300)은 항공 LiDAR 측량모듈과 음향측심모듈에서 획득한 3차원 데이터를 융합시켜 유역 및 하상의 정밀 수치지형모형(DEM/DSM)을 생성시키는 역할을 하는 것으로, 이는 제1 수치모형 생성부(310), 제2 수치모형 생성부(320), 퇴적물 모니터링제어부(330)로 구성된다.
상기 제1 수치모형 생성부(310)는 항공 LiDAR 측량모듈에서 획득한 3차원 지형데이터를 수신받아 제1 수치모형(DSM/DEM)을 생성시키는 역할을 한다.
상기 제2 수치모형 생성부(320)는 음향측심모듈에서 획득한 유역 및 하상지형데이터를 수신받아 제2 수치모형(DSM/DEM)을 생성시키는 역할을 한다.
상기 퇴적물 모니터링제어부(330)는 제1 수치모형 생성부에서 생성된 제1 수치모형(DSM/DEM)과 제2 수치모형 생성부에서 생성된 제2 수치모형(DSM/DEM)을 융합시켜 제3 수치모형(DEM/DSM)을 생성시킨 후, 제3 수치모형(DEM/DSM)을 통해 퇴적물의 근원지 추적 및 유입량을 체크하고, 제2 수치모형(DSM/DEM)에서 유역 및 하상에 대한 퇴적물의 위치와 퇴적물량을 체크하여 3차원 퇴적양상데이터를 모니터링시키는 역할을 한다.
이하, 본 발명에 따른 제1 수치모형 생성부를 통해 제1 수치모형(DSM/DEM)을 생성시키는 과정에 관해 설명한다.
먼저, LiDAR 데이터를 입력한다.
이어서, 초기값을 입력한다.
이어서, 가상격자(Pseudo-Grid)를 제작한다.
불규칙한 형태로 얻어지는 레이저 스캐닝 데이터를 정규격자의 형태로 제작하기 위해서, 본 발명에서는 보간법을 통한 보간을 하고, 이를 통해 최적의 격자크기를 결정한다.
본 발명에 따른 가상격자(Pseudo-Grid)는 레이저 스캐닝된 대상지역을 정규격자 형태의 가상격자로 구분하고, 가상격자내부에 존재하는 레이저스캐닝 데이터들을 해당위치에 있는 가상격자로 할당한다.
가상격자를 위해 사용되는 점밀도는 대상지역의 면적과 데이터수를 이용하여 대략적으로 계산된 평균점밀도를 사용한다. 결국, 가상격자를 제작하면 가상격자 내부에 레이저스캐닝된 원 데이터들이 분포된다.
본 발명에서는 가상격자를 사용하므로, 레이저스캐닝 데이터를 처리하는 과정에서 데이터를 빠르게 접근하여 처리할 수 있고, 데이터의 보간과 같은 처리과정없이 가상격자를 생성하여 점영역에서 데이터를 처리할 수 있어, 데이터 처리과정에서 발생하는 오차를 줄일 수가 있게 된다.
결국, 데이터 처리속도와 레이저 스캐닝 데이터간의 인접성을 향상시키기 위해 가상격자를 생성한다.
가상격자 크기는 평균정밀도에 의해 계산된 평균점간격의 크기이며, 다음의 수학식 4와 같이 표현할 수가 있다.
Figure 112010081180957-pat00008
이렇게 제작된 가상격자는 DEM/DSM을 제작하는데 사용된다.
이어서, 탐색영역을 설정하여 탐색조건에 따라 과대 우연오차가 포함된 LiDAR 데이터를 탐색해서 노이즈로 간주하고 제거한다.
본 발명에서는 불규칙적인 우연오차 중 높이에 따른 과대 우연오차만을 대상으로 해당되는 레이저스캐닝 데이터를 제거하므로 높이값을 이용한 데이터 처리시 오차를 줄일 수가 있다.
첫째, 대상지역을 정규분포라고 가정하고 노이즈를 제거하기 위한 탐색영역을 99% 신뢰구간을 벗어나는 데이터로 한정한다.
둘째, 노이즈 후보데이터를 기준으로 수평은 가상격자간격과 수평오차 등을 고려하여 가상격자 간격의 3배크기, 수직은 최소빌딩높이를 고려하여 탐색영역을 설정한다.
셋째, 탐색영역내부의 검색위치에 존재하는 노이즈 후보데이터를 제외한 다른 데이터가 주변에서 탐색되지 않을 경우에 그 데이터는 과대 우연오차에 해당하므로 제거한다.
이어서, IDW(Inverse Distance Weighting) 보간법을 통해 제1 수치모형(DSM)을 제작한다.
본 발명에 따른 IDW(Inverse Distance Weighting) 보간법은 이미 알고 있는 값으로부터 알고자 하는 값을 보간하는 방법으로서, IDW를 사용하여 주어진 점 X에 대한 보간된 값 u를 결정하는 보간함수는 수학식 5와 같이 표현할 수가 있다.
Figure 112010081180957-pat00009
N은 이미 알고 있는 값의 개수, W는 가중치의 값, u는 보간된 값을 의미합니다.
IDW에서 중요한 것은 가중치의 값에 해당되는 W에 대한 함수가 여러개 존재하기 때문에, 본 발명에서는 Spepard 방식에 대한 W값에 대해 설명한다.
Spepard 방식에 대한 W값은 다음의 수학식 6과 같이 표현할 수가 있다.
Figure 112010081180957-pat00010
여기서, d는 보간하고자 하는 지점(x)와 이미 알고 있는 지점(xk) 사이의 공간적 거리를 의미한다. 바로 거리(Distance)의 역(Inverse)에 대한 가중치(Weighting)라는 의미로 IDW가 된 것이다.
상기 수학식 6의 p는 0보다 큰 실수값을 의미하고, 이 p값의 범위에 따라 전체적인 보간된 양상이 다양하게 결정된다.
p의 범위가 0~1이면 전체적인 양상이 좁고 날카로우며, 1보다 크면 넓고 부드럽게 퍼져서 보간이 된다.
이러한 IDW 보간법을 통해 도 7에서 도시한 바와 같이, 제1 수치모형(DSM)을 제작한다.
이어서, 리니어 프레딕션(Linear Prediction)기법을 통해 제1 수치모형(DEM)을 제작한다.
여기서, 리니어 프레딕션(Linear Prediction)기법은 제곱으로 계산된 방향함수를 이용하여, 임의의 대상물을 구성하는 것으로, 예측되는 점들의 집합에서 방향성이 상이한 특이점을 제거함으로써 주어진 자료의 일정한 특징을 추출한다.
이러한 과정에서 대상물의 선형을 예측하고 주위점 사이의 공분산을 이용하여 일정한 높이를 가지는 자료를 제거하여 도 8에서 도시한 바와 같이, 제1 수치모형(DEM)을 생성한다.
이하, 본 발명에 따른 제2 수치모형 생성부를 통해 제2 수치모형(DSM/DEM)을 생성시키는 과정에 관해 설명한다.
먼저, 음향측심기를 통해 얻어진 데이터를 항해 자료 보정, 음속 보정, 빔 좌표 계산과 분리, 오측심 자료 제거의 단계를 거쳐 측심자료의 정확도 및 신뢰도를 높인다.
이어서, 보정된 음향 측심자료는 무작위 점 위상으로 산재되어 있는 빔 자료를 임의의 단위영역으로 변환시키는 격자화(gridding) 과정을 거친다.
이어서, IDW 보간법을 통해 도 9에서 도시한 바와 같이, 제2 수치모형(DSM)을 제작한다.
이어서, 리니어 프레딕션(Linear Prediction)기법을 통해 도 10에서 도시한 바와 같이, 제2 수치모형(DEM)을 제작한다.
이하, 본 발명에 따른 퇴적물 모니터링제어부를 통해 제1 수치모형 생성부에서 생성된 제1 수치모형(DSM/DEM)과 제2 수치모형 생성부에서 생성된 제2 수치모형(DSM/DEM)을 융합시켜 제3 수치모형(DEM/DSM)을 생성시키는 과정을 설명한다.
이는 항공 LiDAR 측량모듈의 스캐너 위치와 음향측심모듈의 베이스 스테이션(Base Station)의 위치를 GPS 위성 항법을 이용하여 동일 좌표계로 결정함으로서 두 데이터의 융합 정확도를 향상시킬 수가 있다.
도 11은 본 발명에 따른 유역 및 하상의 융합데이터에서 생성한 DEM을 도시한 일실시예도에 관한 것이다.
100 : 항공 LiDAR 측량모듈 110 : GPS부
120 : 레이저 센서 130 : INS(Inertial Navigation System)부
140 : 레이저 스캐너부 150 : 제1마이컴부
160 : ACARS 데이터 통신부 200 : 음향측심모듈
300 : 하이브리드형 수치지형제어모듈

Claims (6)

  1. 항공기에 구비되어 출사된 레이저 파가 유역 및 하상지역에 맞고 되돌아오는 경과시간을 측정하여 고도 정보가 포함된 레이저 측량 데이터를 산출한 후 하이브리드형 수치지형제어모듈로 전송시키는 항공 LiDAR 측량모듈(100)과,
    음파와 같은 파동을 이용하여 유역 및 하상지역의 퇴적물 데이터를 획득한 후 WiFi 통신망을 통해 하이브리드형 수치지형제어모듈로 전송시키는 음향측심모듈(200)과,
    항공 LiDAR 측량모듈과 음향측심모듈에서 획득한 3차원 데이터를 융합시켜 유역 및 하상의 정밀 수치지형모형(DEM/DSM)을 생성시키는 하이브리드형 수치지형제어모듈(300)로 구성되는 것에 있어서,
    상기 항공 LiDAR 측량모듈(100)은
    GPS 위성으로부터 레이저 센서의 위치를 설정하는 GPS부(110)와,
    지상의 유역 및 하상에 레이저 빔으로 레이저를 발생시키는 레이저 센서(120)와,
    레이저 센서 일측에 부착되어 측량하고자 하는 위치를 감지하여 레이저 센서가 측량위치에 정위치되도록 유도시키는 INS(Inertial Navigation System)부(130)와,
    레이저 센서와 지표면과의 거리를 관측하여 지표면 상의 표고점에 대한 3차원 X,Y,Z 좌표를 스캐너시키는 레이저 스캐너부(140)와,
    레이저 센서를 통해 목적지까지의 거리를 측량하고, 표고점의 위치를 연산시켜 LiDAR의 위치를 결정하여 3차원 지형데이터를 생성시킨 후, 지상의 하이브리드형 수치지형제어모듈로 전송시키도록 제어하는 제1마이컴부(150)와,
    제1마이컴부의 제어하에 지상의 하이브리드형 수치지형제어모듈로 3차원 지형데이터를 ACARS(항공기 통신 지정수신 및 보고시스템 : Aircraft Communication Addressing and Reporting System)를 통해 전송시키는 ACARS 데이터 통신부(160)로 구성되는 것을 특징으로 하는 항공 LiDAR과 음향측심이 결합된 하이브리드형 지형 데이터를 통한 유역·하상의 DEM/DSM 데이터 생성 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 음향측심모듈(200)은
    유역 및 하상의 수심측량을 위해 미리 설정된 2개의 기지점에 설치되어 좌표보정량을 연산하고, 위치보정신호를 생성시킨 후 이동국 GPS부로 송신시키는 기지국 GPS부(210)와,
    유역 및 하상의 수심측량을 위해 운행하는 선박에 설치되어 기지국 GPS부로 부터 위치보정신호와 신호 합성신호를 입력받아 평면위치의 X값과 Y값을 산출시키는 이동국 GPS부(220)와,
    유역 및 하상의 수심측량을 위해 운행하는 선박에 설치되어 유역 및 하상의 수심을 측정하는 음향측심기(230)와,
    음향측심기의 펄스발사 횟수, 펄스발사 시간을 결정하고, 송신음파와 수신음파의 시간간격, 음파의 수중 전파속도를 통해 측심선상의 지형을 기록하여 유역 및 하상지형데이터를 생성시킨 후, 하이브리드형 수치지형제어모듈로 전송시키도록 제어하는 제2 마이컴부(240)와,
    제2 마이컴부의 제어하에 WiFi 통신망을 통해 하이브리드형 수치지형제어모듈로 유역 및 하상지형데이터를 전송시키는 WiFi 송신부(250)로 구성되는 것을 특징으로 하는 항공 LiDAR과 음향측심이 결합된 하이브리드형 지형 데이터를 통한 유역·하상의 DEM/DSM 데이터 생성 장치.
  4. 제3항에 있어서, 음향측심기(230)는
    송신제어부로부터 결정된 발사주파수에 따라 연속된 초음파를 수면 아래로 발사시키는 송신부(231)와,
    송신부에서 전기입력을 받아 초음파 펄스를 발생하여 송파출력과 초음파 빔(지향성)을 결정하는 송파기(232)와,
    하상에서 반사된 반사파를 수신하여 전기신호로 변환시켜 수신부로 전송시키는 수파기(233)와,
    수파기로부터 전송된 수신신호를 증폭시켜 검파시킨 후 제2 마이컴부로 전송시키는 수신부(234)로 구성되는 것을 특징으로 하는 항공 LiDAR과 음향측심이 결합된 하이브리드형 지형 데이터를 통한 유역·하상의 DEM/DSM 데이터 생성 장치.
  5. 제1 수치모형 생성부를 통해 항공 LiDAR 측량모듈에서 획득한 3차원 지형데이터를 수신받아 제1 수치모형(DSM/DEM)을 생성시키는 단계(S100)와,
    제2 수치모형 생성부를 통해 음향측심모듈에서 획득한 유역 및 하상지형데이터를 수신받아 제2 수치모형(DSM/DEM)을 생성시키는 단계(S200)와,
    퇴적물 모니터링제어부를 통해 제1 수치모형 생성부에서 생성된 제1 수치모형(DSM/DEM)과 제2 수치모형 생성부에서 생성된 제2 수치모형(DSM/DEM)을 융합시켜 제3 수치모형(DEM/DSM)을 생성시키는 단계(S300)와,
    퇴적물 모니터링제어부에서 제3 수치모형(DEM/DSM)을 통해 퇴적물의 근원지 추적 및 유입량을 체크하고, 제2 수치모형(DSM/DEM)에서 유역 및 하상에 대한 퇴적물의 위치와 퇴적물량을 체크하여 3차원 퇴적양상데이터를 모니터링시키는 단계(S400)로 이루어지는 것에 있어서,
    상기 제1 수치모형 생성부를 통해 항공 LiDAR 측량모듈에서 획득한 3차원 지형데이터를 수신받아 제1 수치모형(DSM/DEM)을 생성시키는 단계(S100)는
    LiDAR 데이터를 입력하는 단계(S110)와,
    초기값을 입력하는 단계(S120)와
    가상격자(Pseudo-Grid)를 제작하는 단계(S130)와,
    탐색영역을 설정하여 탐색조건에 따라 과대 우연오차가 포함된 LiDAR 데이터를 탐색해서 노이즈로 간주하고 제거하는 단계(S140)와,
    IDW(Inverse Distance Weighting) 보간법을 통해 제1 수치모형(DSM)을 제작하는 단계(S150)와,
    리니어 프레딕션(Linear Prediction)기법을 통해 제1 수치모형(DEM)을 제작하는 단계(S160)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 항공 LiDAR과 음향측심이 결합된 하이브리드형 지형 데이터를 통한 유역·하상의 DEM/DSM 데이터 생성 방법.
  6. 삭제
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