KR101346192B1

KR101346192B1 - 항공측량 전용 촬영이미지의 실시간 정사 보정용 항공측량시스템

Info

Publication number: KR101346192B1
Application number: KR1020130109310A
Authority: KR
Inventors: 임상문; 임은성
Original assignee: (주)아세아항측
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2014-02-07

Abstract

본 발명은 항공사진 또는 인공위성 영상 중 항공사진을 이용하여 수치정사 영상지도를 제작하기 위한 항공측량 전용 촬영이미지의 실시간 정사 보정용 항공측량시스템에 관한 것으로, 이미지DB; 지상기준점DB; 이미지 출력모듈; 이미지 제어모듈; GPS모듈; 관계식 연산모듈; 왜곡비율 확인모듈; 및 좌표값 설정모듈;을 포함하면서, 정사영상 생성 및 촬영이미지의 지상기준점 좌표값 적용을 통해, 항공측량 중 임의의 촬영이미지의 왜곡률이 허용범위 내인지 여부를 바로 확인하고, 상기 촬영이미지가 촬영한 지점에 대한 재촬영 여부를 손쉽게 판단해 결정할 수 있도록 한다.

Description

항공측량 전용 촬영이미지의 실시간 정사 보정용 항공측량시스템{AVIATION SURVEYING SYSTEM FOR CORRECTION REALTIME OF AVIATION IMAGE}

본 발명은 항공사진 또는 인공위성 영상 중 항공사진을 이용하여 수치정사 영상지도를 제작하기 위한 항공측량 전용 촬영이미지의 실시간 정사 보정용 항공측량시스템에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 수치정사 영상지도(이하 '영상지도') 제작을 위해서는 항공측량이 우선되고, 상기 항공측량을 통해 수집된 항공사진은 '영상지도 제작에 관한 작업규정'에 근거하여 정사보정이 이루어진다.

정사보정의 정식 명칭은 "정사편위수정"으로서, 사진촬영시 중심투영에 의한 대상물의 왜곡과 지형의 기복에 따라 발생하는 기복 변위를 제거하여 영상 전체의 축척이 일정하도록 하는 작업을 말한다. 따라서 "정사영상"은 중심투영에 의하여 취득된 영상의 지형·지물 등에 대한 정사편위수정을 실시한 영상을 뜻한다.

항공사진으로부터 정사영상을 제작하는 종래 방법은, 항공사진 자체가 지닌 왜곡에 대한 보정을 수행하는 내부표정 과정을 거쳐 보정된 항공사진을 만들고, 보정된 항공사진의 사진좌표와 지상좌표의 관계를 나타내는 공선조건식과 GPS측량에 의한 지상기준점을 이용하여 번들조정법으로 외부표정을 수행함으로써 표정 6요소를 구하며, 상기 표정 6요소와 수치표고자료를 이용하여 정사영상을 제작했다. 참고로, 현재 상용 R/S 툴에서 IKONOS영상을 이용하여 정사영상이 제작 가능한 프로그램은, Socet Set ver4.3 이상, ZI Imaging 3.0 이상, ERDAS IMAGING 8.5.1 이상, PCI 7.0 이상, JX4A, ER-Mapper에 사용할 수 있는 OrthoWarp ER라는 프로그램들이 예시된다.

계속해서, 상기 종래 방법은 내부표정과정을 통해 보정된 항공사진을 만들 때와 정사영상을 만들 때 뉴튼-랍슨(Newton-Rapson) 방법을 사용하게 되는데, 상기 뉴튼-랍슨 방법은 해를 구하는 방법이 초기치의 반복적인 갱신에 의해 근접한 해를 구하는 방법이어서, 계산과정에 많은 시간이 요구된다. 또한, 컴퓨터에 스캐닝하여 저장되는 항공사진은 보통 한 장에 400 메가바이트 정도의 데이터 용량을 갖는데, 종래와 같이 왜곡이 보정된 항공사진을 별도로 제작하여 저장하게 되면 그만큼의 데이터용량이 더 필요하게 되는 문제가 있었다.

이를 해결하기 위해서 등록번호 10-0544345와 같은 '항공사진의 정사영상 제작방법'이 제안되었다.

그런데, 상기 종래기술은 상기 종래 방법을 실시할 때 요구되는 컴퓨터의 부하를 줄이기 위한 기술임에도 불구하고, 항공사진의 기준점 별로 정사영상 좌표 연산과 이를 위한 왜곡 값 연산을 일일이 수행해야 하므로, 실제로 컴퓨터가 부담해야 하는 부하가 크게 줄지 못했다. 또한, 이러한 이유로 인해서 항공측량을 통해 항공사진을 수집하는 항공기에서는 항공사진의 정사보정이 실시간으로 이루어질 수 없는 한계가 있었다.

특허문헌 1. 등록번호 제10-0544345호(2006.01.23 공고)

이에 본 발명은 상기와 같은 문제를 해소하기 위해 발명된 것으로서, 항공기 내에서 항공측량으로 수집된 항공사진(이하 '촬영이미지')의 정사보정을 신속하게 처리하고, 지상촬영이 이루어지는 항공기에서 촬영이미지 내 지상기준점 좌표값 위치를 실시간으로 확인해 출력 처리할 수 있도록 하는 항공측량 전용 촬영이미지의 실시간 정사 보정용 항공측량시스템의 제공을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,

항공기의 촬영장치에서 지상을 촬영한 촬영이미지를 저장하는 이미지DB;

촬영이미지에 촬영된 지상의 각 지점에 대한 지상기준점 좌표값들을 저장하는 지상기준점DB;

제어값에 따라 동작하면서 상기 이미지DB에서 검색된 촬영이미지를 출력하되, 상기 촬영이미지 내 각 지점의 좌표를 확인할 수 있도록, 다수의 X축선과 Y축선이 격자형태로 배열돼 이루어진 촬영이미지 좌표계를 적용해 동작하는 이미지 출력모듈;

상기 이미지 출력모듈의 동작 제어를 위한 제어값을 생성해서 상기 이미지 출력모듈로 전달하는 이미지 제어모듈;

항공기의 현재 위치를 GPS 좌표로 확인하는 GPS모듈;

상기 지상기준점DB에서 검색된 지상기준점 좌표값을 수정공선조건식인

(x_a, y_a:촬영이미지 좌표값, δr:왜곡량, f:초점거리, P_x, P_y, P_z:지상기준점 좌표값, S_x, S_y. S_z:표정요소, m₁₁내지 m₃₃: 회전행렬)

을 통해 출력이미지 좌표값으로 연산하는 관계식 연산모듈;

입력된 둘 이상의 지상기준점 좌표값을 촬영이미지 좌표값으로 연산하도록 상기 관계식 연산모듈에 전달하고, 상기 관계식 연산모듈로부터 수신한 촬영이미지 좌표값의 위치를 상기 촬영이미지 좌표계를 기준으로 확인하고, 상기 촬영이미지 좌표계의 원점과 상기 촬영이미지 좌표값 간 거리인 제1거리를 지점별로 각각 연산하고, 상기 GPS모듈에서 확인한 상기 원점의 지상기준점 좌표값과 상기 입력된 지상기준점 좌표값 간 거리인 제2거리를 지점별로 각각 연산하고, 지점별로 확인한 제2거리 차를 기준으로 지점별로 확인한 제1거리 차를 확인해서 상기 원점과의 거리에 따른 지점별 제1거리 차의 증가 또는 감소비율인 왜곡비율을 확인하는 왜곡비율 확인모듈; 및

상기 원점을 중심으로 위도방향과 경도방향을 따라 지상기준점을 설정하되, 상기 왜곡비율로 변하는 상기 지상기준점 간의 간격을 확인해서 상기 촬영이미지에 상기 지상기준점의 위치를 설정하고, 설정된 상기 지상기준점을 잇는 다수의 위도축선과 경도축선이 격자형태로 배열돼 이루어진 지상기준점 좌표계를 생성하고, 상기 지상기준점 좌표계와 촬영이미지 좌표계를 서로 연계해서 지상기준점 좌표값에 대응하는 촬영이미지 좌표값이 링크되도록 처리하는 좌표값 설정모듈;

을 포함하는 항공측량 전용 촬영이미지의 실시간 정사 보정용 항공측량시스템이다.

상기의 본 발명은, 항공측량으로 수집한 촬영이미지를 촬영 즉시 정사보정하여 최종 정사영상을 생성할 수 있고, 더불어서 항공촬영으로 수집된 촬영이미지에 지상기준점 좌표값을 적용해서 촬영이미지별 좌표값을 실시간으로 확인해 활용할 수 있음은 물론, 전술한 처리 과정에서의 시스템 부담을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 정사영상 생성 및 촬영이미지의 지상기준점 좌표값 적용을 통해, 항공측량 중 임의의 촬영이미지의 왜곡률이 허용범위 내인지 여부를 바로 확인하고, 상기 촬영이미지가 촬영한 지점에 대한 재촬영 여부를 손쉽게 판단해 결정할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 항공측량시스템에 구성된 각 모듈을 도시한 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 항공측량시스템이 진행하는 촬영이미지의 정사처리 과정을 순차 도시한 플로차트,
도 3은 본 발명에 따른 항공측량시스템의 구동시 형성된 촬영기하를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 항공측량시스템의 구동시 형성된 촬영이미지의 좌표값과 촬영방향 벡터 u 간의 관계를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 항공측량시스템이 촬영이미지의 왜곡을 보정하는 모습을 그래프화한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 항공측량시스템이 촬영이미지의 왜곡 비율을 연산하기 위해서, 지상기준점 좌표값에 해당하는 지점을 촬영이미지 좌표계에 표시한 모습을 도시한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 항공측량시스템이 촬영이미지 내에 지상기준점을 입력하기 위한 지상기준점 좌표계를 도시한 도면,
도 8은 작업자가 선택한 촬영이미지의 특정 지점에 대한 지상기준점 좌표값을 도 7의 지상기준점 좌표계에 표시한 모습을 도시한 도면이다.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 항공측량시스템에 구성된 각 모듈을 도시한 블록도인 바, 이를 참조해 설명한다.

본 발명에 따른 항공측량시스템은 촬영장치(30)가 촬영한 촬영이미지를 실시간으로 정사보정해서, 해당 정사영상 출력과 더불어 최소한의 시간과 시스템 부하로 상기 촬영이미지에 적용되는 지상기준점 좌표값을 상기 촬영이미지에 합성 출력하는 시스템이다.

이를 위한 본 발명에 따른 항공측량시스템은 지상기준점에 대한 정보를 저장하는 지상기준점DB(11)와, 촬영장치(30)가 촬영한 촬영이미지에 지상기준점 좌표값의 위치정보를 링크해 저장하는 이미지DB(12)와, 이미지DB(12)에 저장된 촬영이미지를 출력하는 이미지 출력모듈(21)과, 이미지 출력모듈(21)에 출력되는 촬영이미지를 작업자가 제어할 수 있도록 이미지 출력모듈(21)을 제어하는 이미지 제어모듈(22)과, 촬영이미지 좌표값과 지상기준점 좌표값 간의 관계식을 활용해서 지상기준점 좌표값으로부터 촬영이미지 좌표값을 연산하는 관계식 연산모듈(23)과, 촬영이미지의 왜곡 비율을 연산하는 왜곡비율 확인모듈(24)과, 상기 촬영이미지에 위치별로 해당하는 지상기준점 좌표값을 링크하는 좌표값 설정모듈(25)과, 항공기의 현 위치를 GPS로 측정하는 GPS모듈(26)로 구성된다.

지상기준점DB(11)는 지상의 특정 지점들에 대한 각각의 지상기준점 정보를 저장한다. 촬영이미지를 내부표정 및 외부표정 처리하기 위해서는 상기 촬영이미지에 기준점을 잡아야 한다. 본 발명에 따른 항공측량시스템은 상기 촬영이미지에 잡아야 하는 기준점을 지상기준점DB(11)에 저장된 지상기준점에 맞춰서 진행할 수 있다. 참고로, 지상기준점 정보는 지상에 선정된 특정 지점의 GPS 좌표로 된 좌표값이다. 본 실시 예에서는 지상기준점DB(11)가 상기 촬영이미지에 위치한 지상 지점의 지상기준점 좌표값을 저장한다.

이미지DB(12)는 촬영장치(30)에 의해 지상이 촬영된 촬영이미지와, 상기 촬영이미지에 링크된 지상기준점 좌표값을 저장한다. 상기 촬영이미지에 지상기준점을 링크하는 과정 및 기술내용은 아래에서 상세히 설명한다.

이미지 출력모듈(21)은 이미지DB(12)에 저장된 촬영이미지와 정사영상을 출력하는 통상적인 디스플레이 장치로서, 일반 모니터 또는 터치스크린 등이 적용될 수 있다. 일반적으로 모니터 또는 터치스크린 등의 이미지 출력모듈(21)은 출력되는 촬영이미지의 각 지점에 대한 좌표값을 확인할 수 있도록 다수의 X축선과 Y축선이 격자형태로 배열된 촬영이미지 좌표계(AX; 도 6 참조)를 갖춘다. 따라서, 촬영이미지 상에 특정 지점을 선택하면, 이미지 출력모듈(21)은 해당 화면 내 상기 특정 지점에 대한 촬영이미지 좌표값을 추적해 확인한다.

이미지 제어모듈(22)은 이미지 출력모듈(21)이 출력하는 이미지를 제어하기 위한 조작수단으로서, 작업자의 조작에 따라 제어값을 생성하여 이미지 출력모듈(21)에 전달한다. 이미지 제어모듈(22)은 터치스크린 기술 방식으로 실행될 수도 있고, 별도의 자판 또는 조이스틱 등이 적용될 수도 있다.

관계식 연산모듈(23)은 촬영이미지 좌표값과 지상기준점 좌표값 간의 관계식을 활용해서, 왜곡비율 확인모듈(24)이 제시한 지상기준점 좌표값으로부터 촬영이미지 좌표값을 연산한다. 상기 관계식은 아래에서 설명하는 수정공선조건식이 적용될 수 있다.

왜곡비율 확인모듈(24)은 촬영이미지에 적용되는 지상기준점의 위치를 확인해서 해당 촬영이미지의 실제 왜곡상태를 확인하고 왜곡비율을 연산해서, 상기 촬영이미지의 이미지 배치 상태를 확인할 수 있도록 한다.

좌표값 설정모듈(25)은 왜곡비율 확인모듈(24)이 연산한 왜곡비율을 기초로 해당 지상기준점 좌표계를 생성하고, 상기 좌표계에 촬영이미지의 좌표값과 지상기준점의 좌표값이 링크돼 이루어지도록 한다.

GPS모듈(26)은 항공기의 현재 위치를 GPS로 측정해서 확인한다. GPS측정을 위한 장치는 공지,공용의 기술이므로, GPS모듈(26)의 동작 원리 및 구성에 대해서는 그 설명을 생략한다.

이상 설명한 본 발명에 따른 항공측량시스템은 좌표계 설정을 통해 촬영이미지의 좌표값별 지상기준점의 해당 좌표값을 별도의 복잡한 연산 과정없이 바로 확인할 수 있으므로, 촬영이미지의 각 지점별로 일일이 내부표정 및 외부표정 처리를 진행하지 않아도 최소한의 시스템 부하와 시간으로 정밀한 결과값을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 항공측량시스템의 구조를 처리방법을 순차 설명하면서 상세히 한다.

도 2는 본 발명에 따른 항공측량시스템이 진행하는 촬영이미지의 정사처리 과정을 순차 도시한 플로차트이고, 도 3은 본 발명에 따른 항공측량시스템의 구동시 형성된 촬영기하를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 항공측량시스템의 구동시 형성된 촬영이미지의 좌표값과 촬영방향 벡터 u 간의 관계를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 항공측량시스템이 촬영이미지의 왜곡을 보정하는 모습을 그래프화한 도면인 바, 이를 참조해 설명한다.

S10; 기준점 선택단계

항공측량시 항공기에 장착된 촬영장치(30)가 지상을 실시간으로 측정해서 이미지DB(12)에 저장하고, 이미지 출력모듈(21)은 정사보정 대상 구역이 촬영된 촬영이미지를 출력한다. 아울러, GPS모듈(26)은 현재 항공기의 촬영 위치를 실시간으로 측정해서, 촬영된 촬영이미지에 링크한다.

이어서, 작업자는 이미지 출력모듈(21)에 출력된 촬영이미지에서 기준점을 선택하고, 관계식 연산모듈(23)은 이를 입력받아 확인한다.

항공촬영된 촬영이미지는 통상적으로 스캐닝 과정을 거쳐 파일로 저장되는데, 스캐닝 과정을 거쳐 파일로 저장된 촬영이미지는 지상 좌표값을 지니지 않고 있기 때문에 촬영이미지에서 식별이 용이한 지점인 도로의 교차점, 교량, 수로 또는 도로 굴곡부 정점 및 산 정상부 등을 기준점 좌표(x_a ,y_a)로 결정한다.

참고로, 작업자는 이미지 제어모듈(22)을 조작해서, 이미지 출력모듈(21)에 출력되고 있는 촬영이미지 내에서 상기 기준점을 선택하고, 관계식 연산모듈(23)은 상기 기준점을 입력받아 확인한다.

S20; 지상기준점 검색단계

작업자는 촬영이미지 내 기준점을 선택하고, 선택한 지점에 대응한 지상기준점 좌표값인 (P_x, P_y, P_z)를 지상기준점DB(11)에서 검색해서, 본 발명에 따른 항공측량시스템이 제시하는 해당 입력란(미도시함)에 상기 지상기준점을 입력한다.

항공측량 과정은 기존 수치지도의 배경 이미지를 업데이트하기 위한 목적이 있으므로, 작업자가 촬영이미지에서 선택한 기준점에 대응하는 지상기준점은 바로 확인 가능하다.

S30; 제1연산 단계

표정6요소를 결정하는 단계는 촬영이미지의 내부표정 및 외부표정을 수행하는 단계라고 할 수 있다.

내부표정은 항공사진 자체가 지니고 있는 왜곡을 보정하는 것이다.

참고로, 항공기에서 지상을 촬영한 촬영이미지는 카메라의 특성, 대기의 굴절, 지구의 곡률 등 여러 요인에 의해 왜곡을 갖는다. 이와 같은 왜곡으로 촬영이미지 상에서 왜곡이 없는 경우 (x_a', y_a')의 수정좌표값을 갖고 있어야 할 지점이, 왜곡으로 인해 (x_a _, y_a)의 좌표값을 갖게 된다. 이와 같이 왜곡을 갖는 상기 촬영이미지의 각 좌표값인 (x_a, y_a)를 왜곡이 보정된 새로운 수정좌표값인 (x_a', y_a')로 재배열시키는 것이 내부표정이다.

한편, 외부표정은 상기 지상기준점으로부터 항공촬영시 알려지지 않은 미지수인 표정6요소 (ω, Φ, ψ, S_x, S_y. S_z)를 계산해서 내부표정을 통해 왜곡이 보정된 촬영이미지의 기준점 좌표값인 (x_a', y_a')와 해당 지상기준점 좌표값인 (P_x, P_y, P_z)의 관계를 정립한다.

본 발명은 내부표정을 별도로 수행하여 왜곡이 보정된 정사영상을 제작할 필요가 없다. 따라서 내부표정을 포함하는 새로운 수정공선조건식을 정립하고 상기 수정공선조건식으로부터 표정6요소를 계산한다.

참고로, 표정요소(orientation elements, 標定要素)는 항공사진의 표정에 필요한 카메라의 위치와 자세를 결정짓는 요소로서, 기선의 성분과 그 기선 주위의 회전각 등으로 구성된다.

도 3에서 확인할 수 있듯이, 지구중심에서 항공기의 위치를 나타내는 벡터와 지구중심에서 촬영되는 지상기준점의 위치를 나타내는 벡터 및 촬영방향을 나타내는 벡터 사이의 관계는 아래의 [수학식 1]과 같이 표현할 수 있다.

여기서 μ는 임의의 스케일 변수이다. 상기 [수학식 1]에서

와

는 지구 중심좌표계로 표현되지만,

는 [도 4]와 같이 사진좌표계에 의해서 표현된다. 서로 다른 좌표계를 지니고 있는 벡터를 동일 좌표계로 맞추기 위하여 x, y, z방향으로의 회전행렬이 정의되어야 하며, 이 회전행렬 M은 아래와 같다.

여기서, ω, Φ, Ψ는 x, y, z방향으로의 회전각을 나타낸다.

또한,

는 도 4에서 보는 바와 같이, 촬영이미지의 좌표값인 (x_a ,y_a) 그리고 초점거리 f에 의해서 [수학식 3]으로 결정될 수 있다.

하지만, 사진촬영시 렌즈에 의한 왜곡, 지구곡률에 대한 왜곡 및 대기의 굴절에 의한 왜곡이 발생하게 된다. 이러한 왜곡량(δr)은 촬영이미지의 중심으로부터의 거리(

)에 의해 정의되며 [수학식 3]은 아래와 같이 다시 쓰여질 수 있다.

여기서, 왜곡량 δr은 아래와 같이 정의된다.

여기서, △r₁은 렌즈의 왜곡을 나타내며, △r₂는 지구곡률에 대한 왜곡을 나타내고, △r₃는 대기의 굴절에 대한 왜곡을 나타낸다. 이들 값은 항공기의 높이와 촬영하는 촬영장치(30)의 특성(렌즈의 굴절률, 초점거리 등)에 의해서 정의된 값으로, 사진측량학에서 일반적으로 쉽게 그 해를 구할 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

[수학식 1]은 [수학식 2, 4]로부터 다음과 같이 표현할 수 있다.

여기서, m₁₁내지 m₃₃은 M의 요소이다.

[수학식 6]은 항공기의 촬영기하로부터 얻어진 것이며, μ는 알려지지 않은 미지수이므로 μ를 소거하면 아래와 같이 표현할 수 있다.

관계식 연산모듈(23)이 전술한 절차를 통해 연산한 관계식인 [수학식 7] 및 [수학식 8]은 왜곡이 보정된 좌표값((x_a' ,y_a')=(x_a(1-δr), y_a(1-δr)와 지상기준점의 좌표값 (P_x, P_y, P_z)와의 관계를 나타내는 관계식으로 수정공선조건식이라 정의한다.

상기 수정공선조건식[수학식 7,8]을 이용하여 촬영이미지가 지닌 왜곡을 보정하는 내부표정과, 촬영이미지의 기준점 좌표값에 지상기준점 좌표값을 적용하는 외부표정을 동시에 수행할 수 있다.

상기 수정공선조건식에 촬영이미지의 좌표값(x_a, y_a)과 이에 대응하는 지상기준점의 좌표값(P_x, P_y, P_z), 그리고 촬영이미지의 좌표값(x_a, y_a)으로부터 얻어지는 왜곡량을 대입하면, 표정6요소(ω, Φ, ψ, S_x, S_y. S_z)이 계산된다.

상기 표정6요소의 미지수는 6개이므로 방정식은 6개가 필요하다. 따라서 촬영이미지의 좌표값(x_a, y_a)과 이에 대응하는 지상기준점의 좌표값(P_x, P_y, P_z)은 3점 이상이 필요하다. 통상적으로 해당 좌표값은 5점 또는 6점이 이용된다. 상기 표정6요소를 구하는 과정은 항공측량에서 일반적으로 적용하는 광속조정법(Bundle Block Adjustment)에서 사용하는 방법을 이용한다.

참고로, 광속조정법은 다수의 중첩된 영상의 외부표정요소를 결정하는 대표적인 지오레퍼런싱(Georeferencing) 방법이다.

상기 정사영상을 제작하는 제1연산단계(S30)는 중심투영에 의한 항공사진을 정사투영에 의한 정사영상으로 변환하는 것이다. 즉, 중심투영에 의해 발생하는 편위를 제거하는 것이다. 정사영상의 제작은 외부표정과 밀접한 관계를 갖는다. 이는 정사영상의 제작은 중심투영된 촬영이미지의 좌표값(x_a, y_a)을 정사투영된 정사영상의 좌표값(x_b, y_b)으로 옮기는 것이라 할 수 있기 때문이다. 즉, 수정공선조건식을 이용하여 지상기준점의 좌표값(P_x, P_y, P_z)으로부터 각각의 촬영이미지의 좌표값(x_a, y_a)을 구하고, 상기 각각의 촬영이미지의 좌표값(x_a, y_a)이 갖고 있는 밝기값(Brightness Value or Digital Number)을 추출하고, 추출된 밝기값을 각각의 정사영상 좌표값(x_b, y_b)에 부여함으로써 정사영상은 제작된다. 스캐닝되어 이미지DB(12)에 저장되어 있는 촬영이미지는 좌표값(x_a, y_a)과 이에 대한 밝기값을 갖고 있으므로, 정사영상 좌표값(x_b, y_b)에 대응하는 촬영이미지의 좌표값(x_a, y_a)을 구하면 정사영상은 쉽게 제작될 수 있다.

S40; 제2연산단계

제1연산단계(S30)를 통해 관계식 연산모듈(23)이 표정6요소를 연산하면, 상기 수정공선조건식[수학식 7,8]에서 미지수는 지상기준점 좌표값(P_x, P_y, P_z)과 촬영이미지 좌표값(x_a, y_a)이다.

여기서, 상기 지상기준점의 좌표값은 수치표고자료인 지상기준점DB(11)의 검색을 통해 확인한다. 따라서, 실제 미지수는 촬영이미지의 좌표값(x_a, y_a)이 된다. 그런데 상기 수정공선조건식의 좌변에 있는 (1-δr)은 r(사진원점에서의 거리)에 관련된 함수([수학식 5] 참조)이고, r은 또한 x_a, y_a에 관련된 함수인

이다. 따라서 단순한 방법으로는 해를 구할 수 없다.

따라서 계산 과정을 보다 간단히 하기 위하여, 본 발명의 관계식 연산모듈(23)은 r-f(r) 테이블을 이용한다.

상기 [수학식 7]과 [수학식 8]의 양변을 제곱하고 더하면 아래와 같은 수학식이 유도된다.

여기서, U₁, U₂ _,U₃ 는 아래와 같이 정의되며, f(r)는 내부표정이 수행되어 왜곡이 보정된 사진에서 원점에서의 거리(

)를 나타낸다.

상기 [수학식 9]에서

는 전술한 바와 같이 카메라의 특성과 촬영시의 고도에 의해 정의되어 있는 값이므로, 촬영된 촬영이미지에 대해 r에 대한 f(r)의 값을 쉽게 계산가능하며, 이를 [도 5]와 같이 r-f(r) 테이블화할 수 있다. 상기 [도 5]를 참조하여 f(r)로부터 r을 계산하는 방법에 대해 예를 들면, 지상기준점 좌표값 (P_x, P_y, P_z)이 주어지면, 상기 지상점을 이용하여 [수학식 11, 12 및 13]으로부터 U₁(P_x, P_y, P_z), U₂(P_x, P_y, P_z), U₃(P_x, P_y, P_z)를 계산하고, [수학식 9]을 이용하여 f(r)을 계산한다. [도 5]에 보이는 것처럼 f(r)=120이라면, r과 f(r)의 테이블을 이용하여 r=122.037값을 찾는다. 상기와 같은 방법을 이용하면, 원하는 모든 지상점에 대하여 f(r)을 구하고, f(r)에 해당하는 r값을 쉽게 찾을 수 있다.

또한, f(r)/r=1-δr 이므로 상기 [수학식 7]과 [수학식 8]은 아래와 같이 다시 표현될 수 있다.

상기 [수학식 14]와 [수학식 15]는 상기 [수학식 7]과 [수학식 8]과 실질적으로 동일한 것이다.

따라서 수치표고자료를 통해 지상기준점 좌표값(P_x, P_y, P_z)을 입력하면 f(r)값이 결정되고, r-f(r)테이블을 통해 결정된 f(r)로부터 r값이 결정되고, 수정공선조건식([수학식 7,8] 또는 [수학식 14,15])으로부터 왜곡되어 있는 항공 촬영이미지의 좌표값(x_a, y_a)이 쉽고 빠르게 계산된다.

이렇게 항공 촬영이미지의 좌표값(x_a, y_a)이 추출되면, 이 촬영이미지의 좌표값(x_a, y_a)이 갖고 있는 밝기값을 정사영상의 좌표값(x_b, y_b)에 부여한다. 이와 같은 과정이 모든 좌표에 대해 수행되어 결국 원하는 지역의 정사영상이 얻어지게 된다. 참고로, 정사영상의 좌표값(x_b, y_b)의 촬영이미지 좌표값(x_a, y_a)은 수치표고자료의 지상기준점 좌표값(P_x, P_y)에 대응한다고 할 수 있다.

S50; 왜곡비율 확인단계

작업자는 이미지 출력모듈(21)에 출력되고 있는 촬영이미지 내 특정 지상물을 선택해서 상기 지상물의 지상기준점 좌표값을 입력하면, 상기 지상기준점 좌표값을 입력받은 왜곡비율 확인모듈(24)은 상기 지상기준점 좌표값을 관계식 연산모듈(23)에 전달하고, 관계식 연산모듈(23)은 상기 수정공선조건식을 활용해서 이에 대응하는 촬영이미지 좌표값을 연산한다.

도 6(본 발명에 따른 항공측량시스템이 촬영이미지의 왜곡 비율을 연산하기 위해서, 지상기준점 좌표값에 해당하는 지점을 촬영이미지 좌표계에 표시한 모습을 도시한 도면)에서 보인 바와 같이, 관계식 연산모듈(23)은 작업자가 입력한 지상기준점 좌표값을 상기 수정공선조건식에 입력해서 해당하는 촬영이미지의 좌표값을 연산하고, 왜곡비율 확인모듈(24)은 관계식 연산모듈(23)로부터 수신한 결과인 촬영이미지 좌표값을 해당 촬영이미지의 좌표계(AX)에 적용한다. 본 실시 예에서, 제1선택지점(AP)은 상기 수정공선조건식을 통해 연산한 결과 원점(O)을 중심으로 촬영이미지 좌표값(-6, -4)에 위치하고, 제2선택지점(BP)은 상기 수정공선조건식을 통해 연산한 결과 원점(O)을 중심으로 촬영이미지 좌표값(6, 6)에 위치하며, 제3선택지점(CP)은 상기 수정공선조건식을 통해 연산한 결과 원점(O)을 중심으로 촬영이미지 좌표값(8, -11)에 위치한다.

계속해서, 왜곡비율 확인모듈(24)은 확인된 선택지점(AP, BP, CP)의 촬영이미지 좌표값을 기초로 원점(O)과 각 선택지점(AP, BP, CP) 간의 제1거리를 연산한다.

계속해서, 왜곡비율 확인모듈(24)은 작업자가 입력한 선택지점(AP, BP, CP)의 지상기준점 좌표값과, GPS모듈(26)이 측정한 원점(O)의 지상기준점 좌표값을 확인해서, 이를 기초로 원점(O)과 각 선택지점(AP, BP, CP) 간의 제2거리를 연산한다.

전술한 바와 같이, 상기 제1거리는 촬영이미지를 배경으로 하는 선택지점(AP, BP, CP)과 원점(O) 간의 거리이고, 상기 제2거리는 지상기준점을 기초로 하는 선택지점(AP, BP, CP)과 원점(O) 간의 거리이다. 따라서, 상기 제2거리가 원점(P)의 위치와 선택지점(AP, BP, CP)의 위치 간 실제거리이고, 상기 제1거리는 해당 촬영이미지의 왜곡으로 거리의 변화가 발생한 왜곡된 거리이다. 여기서, 원점(O)의 좌표값은 GPS모듈(26)이 확인한 GPS 좌표값으로서, 상기 촬영이미지를 촬영할 당시의 항공기 위치이다.

왜곡비율 확인모듈(24)은 지점 간 제2거리 차이 대비 제1거리 차이에 대한 거리별 차이비율을 확인한다. 즉, 원점(O)으로부터 거리가 먼 선택지점(AP, BP, CP)일수록 지점 간 제2거리 차이 대비 제1거리 차이가 크게 발생하는지 여부를 확인하고, 상기 거리에 따른 지점별 제1거리 차이의 증가 또는 감소비율인 왜곡비율을 확인하는 것이다. 일 예를 들어, 원점(O)과 제4선택지점 간의 제1거리가 10, 제2거리는 300m이고, 원점(O)과 제5선택지점 간의 제1거리가 21, 제2거리는 600m이며, 원점(O)과 제6선택지점 간의 제1거리가 33, 제2거리는 900m으로 확인되면, 제1거리는 지점별로 10(10 - 0), 11(21 - 10), 12(33 - 21) 등의 차이를 보이고, 제2거리는 지점별로 300(300 - 0), 300(600 - 300), 300(900 - 600) 등의 차이를 보인다. 결국, 제2거리 차이 대비 제1거리에 대한 거리별 차이비율은 10%로 증가하고, 이를 통해 거리가 멀어질수록 10%의 왜곡비율로 촬영이미지가 왜곡됨을 확인할 수 있다.

참고로, 카메라에 촬영된 촬영이미지는 촬영 중심으로부터 멀어질수록 왜곡이 발생한다. 따라서, 촬영이미지의 외곽으로 갈수록, 촬영 대상물의 형태 변형 및 크기 증가가 심화한다. 결국, 촬영이미지는 그 외곽으로 갈수록 실제 위치보다 먼 위치에 위치하고 큰 형상으로 왜곡돼 출력된다.

S60; 지상기준점 좌표계 생성단계

좌표값 설정모듈(25)은 왜곡비율 확인모듈(24)이 확인한 왜곡비율에 따라 해당 촬영이미지 전용 지상기준점 좌표계(BX)를 생성한다. 이를 위해 좌표값 설정모듈(25)은 촬영이미지의 방위를 확인해서 지상기준점 좌표계(BX)의 축 방향을 결정하고, 해당 촬영이미지에 적용할 지상기준점의 간격을 결정한다.

계속해서, 좌표값 설정모듈(25)은 원점(O)을 중심으로 상기 간격에 위치한 위도방향과 경도방향의 지상기준점을 입력하고, 앞서 확인된 왜곡비율로 상기 위도방향과 경도방향을 따라 지상기준점의 간격이 조정되도록 설정해서, 도 7(본 발명에 따른 항공측량시스템이 촬영이미지 내에 지상기준점을 입력하기 위한 지상기준점 좌표계를 도시한 도면) 및 도 8(작업자가 선택한 촬영이미지의 특정 지점에 대한 지상기준점 좌표값을 도 7의 지상기준점 좌표계에 표시한 모습을 도시한 도면)에서 보인 바와 같이, 상기 지상기준점을 잇는 다수의 위도축선과 경도축선이 격자형태로 배열돼 이루어진 지상기준점 좌표계(BX)를 완성한다.

본 실시 예에서 보인 지상기준점 좌표계(BX)는 왜곡비율 확인모듈(24)이 확인한 왜곡비율만큼 원점(O)으로부터 멀어질수록 지상기준점 간 간격이 증가한다.

계속해서, 좌표값 설정모듈(25)은 도 7에서 보인 바와 같이, 지상기준점 좌표계(BX)와 촬영이미지 좌표계(AX)의 연계를 통해 지상기준점 좌표값과 촬영이미지 좌표값이 링크되도록 해서, 임의의 지상기준점이 촬영이미지의 어떤 좌표값에 대응해 위치하는지를 곧바로 확인할 수 있도록 한다. 여기서, 촬영이미지 좌표계(AX)는 이미지 출력모듈(21)이 해당 촬영이미지를 출력할 때, 이미지의 출력 지점 등을 결정하기 위해 당연히 생성하는 공지,공용의 기술로서, 본 발명에 따른 항공측량시스템은 상기 기술을 응용해 활용한다.

결국, 좌표값 설정모듈(25)에 의해 생성된 지상기준점 좌표계(BX)가 촬영이미지 좌표계(AX)와 연계하면서 정사영상 처리 효과를 주므로, 작업자가 촬영이미지의 일 지점(TP)을 선택하거나 상기 일 지점(TP)의 지상기준점 좌표값을 입력하면, 상기 일 지점(TP)과 연계하는 촬영이미지 좌표계(AX)가 바로 확인되어 출력된다.

따라서, 촬영이미지의 정사영상 처리를 위해서 해당 촬영이미지 내 지상기준점을 복잡한 관계식 등을 통해 일일이 연산처리하지 않아도 촬영이미지의 좌표에 대응하도록 보정할 수 있고, 이를 통해 항공촬영 중 촬영되는 촬영이미지를 실시간으로 신속히 처리할 수 있다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조해 설명했지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

11; 지상기준점DB 12; 이미지DB 21; 이미지 출력모듈
22; 이미지 제어모듈 23; 관계식 연산모듈 24; 왜곡비율 확인모듈
25; 좌표값 설정모듈 26; GPS모듈 AP,BP,CP; 선택지점
AX; 촬영이미지 좌표계 BX; 지상기준점 좌표계 O; 원점

Claims

항공기의 촬영장치에서 지상을 촬영한 촬영이미지를 저장하는 이미지DB;
촬영이미지에 촬영된 지상의 각 지점에 대한 지상기준점 좌표값들을 저장하는 지상기준점DB;
제어값에 따라 동작하면서 상기 이미지DB에서 검색된 촬영이미지를 출력하되, 상기 촬영이미지 내 각 지점의 좌표를 확인할 수 있도록, 다수의 X축선과 Y축선이 격자형태로 배열돼 이루어진 촬영이미지 좌표계를 적용해 동작하는 이미지 출력모듈;
상기 이미지 출력모듈의 동작 제어를 위한 제어값을 생성해서 상기 이미지 출력모듈로 전달하는 이미지 제어모듈;
항공기의 현재 위치를 GPS 좌표로 확인하는 GPS모듈;
상기 지상기준점DB에서 검색된 지상기준점 좌표값을 수정공선조건식인

(x_a, y_a:촬영이미지 좌표값, δr:왜곡량, f:초점거리, P_x, P_y, P_z:지상기준점 좌표값, S_x, S_y. S_z:표정요소, m₁₁내지 m₃₃: 회전행렬)
을 통해 출력이미지 좌표값으로 연산하는 관계식 연산모듈;
입력된 둘 이상의 지상기준점 좌표값을 촬영이미지 좌표값으로 연산하도록 상기 관계식 연산모듈에 전달하고, 상기 관계식 연산모듈로부터 수신한 촬영이미지 좌표값의 위치를 상기 촬영이미지 좌표계를 기준으로 확인하고, 상기 촬영이미지 좌표계의 원점과 상기 촬영이미지 좌표값 간 거리인 제1거리를 지점별로 각각 연산하고, 상기 GPS모듈에서 확인한 상기 원점의 지상기준점 좌표값과 상기 입력된 지상기준점 좌표값 간 거리인 제2거리를 지점별로 각각 연산하고, 지점별로 확인한 제2거리 차를 기준으로 지점별로 확인한 제1거리 차를 확인해서 상기 원점과의 거리에 따른 지점별 제1거리 차의 증가 또는 감소비율인 왜곡비율을 확인하는 왜곡비율 확인모듈; 및
상기 원점을 중심으로 위도방향과 경도방향을 따라 지상기준점을 설정하되, 상기 왜곡비율로 변하는 상기 지상기준점 간의 간격을 확인해서 상기 촬영이미지에 상기 지상기준점의 위치를 설정하고, 설정된 상기 지상기준점을 잇는 다수의 위도축선과 경도축선이 격자형태로 배열돼 이루어진 지상기준점 좌표계를 생성하고, 상기 지상기준점 좌표계와 촬영이미지 좌표계를 서로 연계해서 지상기준점 좌표값에 대응하는 촬영이미지 좌표값이 링크되도록 처리하는 좌표값 설정모듈;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 항공측량 전용 촬영이미지의 실시간 정사 보정용 항공측량시스템.