KR101404655B1 - 레이저 레이더의 3차원 원시 데이터의 고유값 비율을 이용한 송전선 추출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상공에서 레이저 레이더를 이용하여 3차원 포인트 클라우드(point cloud) 원시 데이터를 획득하는 단계와, Adaptive TIN(Triangulated Irregular Network) 알고리즘을 이용하여 상기 원시 데이터에서 지면점들과 비지면점들을 분리하는 단계와, 상기 비지면점들 중 3차원 공간 상 불규칙적으로 분포하는 점들을 그룹화하여 연속적인 표면 패치를 생성하여 표면과 비표면을 분리하는 단계 및 상기 비표면으로 분류된 미분할 점들의 공분산 행렬을 계산하여 임계비율과 고유값 비율을 비교하여 송전선 후보점들을 추출하는 고유값 비교 단계를 포함하는 고유값 비율을 이용한 송전선 위치 정보 추출 방법을 제공한다.

Description

레이저 레이더의 3차원 원시 데이터의 고유값 비율을 이용한 송전선 추출 방법{POWER LINE EXTRACTION USING EIGENVALUES RATIO OF 3D RAW DATA OF LASER RADAR}

본 발명은 레이더 데이터를 이용한 송전선 위치 정보 추출 방법에 관한 것이다.

레이저 레이더(Laser Radar)는 레이저를 표적에 조사하고 표적으로부터 반사되어 되돌아오는 신호를 수신하여 3차원 영상을 구현하는 능동형 전자광학 시스템이다. 레이저 레이더는 주야에 관계없이 넓은 지역을 대상으로 3차원 영상 데이터 획득이 가능하다.

헬기 및 항고기 사고의 원인 중 송전선과의 충돌이 많은 부분을 차지하고 있다. 1950년대부터 주요 선진국에서는 헬기에 디지털 카메라나 적외선 광학장비 등을 탑재하여 송전선의 위치 및 분포를 조사하였다. 이후 레이저 기술의 발달로 레이저 레이더를 헬기나 항공기에 탑재한 후 3차원 포인트 클라우드(3D point cloud) 데이터를 획득하여 송전선을 탐지하기 시작하였다. 여기서, 3차원 포인트 클라우드는, 표적에 대한 레이저 레이더의 원시 데이터를 의미한다. 레이저 레이더의 3차원 원시 데이터 이용한 송전선 위치 정보 추출 방법은 주로 송전선의 위치와 형태 정보를 획득하여 송전선 지도를 제작하기 위한 맵핑 분야에 적용되었다. 이러한 송전선 위치 정보 추출 방법은 송전선의 결함을 탐지하거나, 정교한 송전선 모델링을 위해 개발되었기 때문에 복잡한 알고리즘이 수반되어 계산량이 많아 송전선 추출시간이 길다. 따라서 기존의 송전선 위치 정보 추출 방법은 레이저 레이더의 3차원 원시 데이터를 실시간으로 전시하여 빠르게 송전선을 추출해야 하는 분야에서는 비효율적이다.

{공개특허공보 10-2014-0014596 "지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법 및 이를 구현하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체", 한국측량학회지 제24권 제1호 pp.111~121 "항공 라이다 데이터의 분할", 한국지형공간정보학회지 제20권 제3호 2012년 9월 pp.3-10 "Adaptive TIN 필터링을 이용한 화성 계곡의 체적 추정" 등 참고}

본 발명은 레이저 레이더의 3차원 원시 데이터의 고유값 비율을 이용하여 빠르게 송전선의 위치 정보를 추출해 내는 방법을 제공한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르는 레이저 레이더의 3차원 원시 데이터를 이용한 송전선 위치 정보 추출 방법은 상공에서 레이저 레이더를 이용하여 3차원 원시 데이터를 획득하는 단계와, Adaptive TIN(Triangulated Irregular Network) 알고리즘을 이용하여 상기 원시 데이터에서 지면점들과 비지면점들을 분리하는 단계와, 상기 비지면점들 중 3차원 공간 상 불규칙적으로 분포하는 점들을 그룹화하여 연속적인 표면 패치를 생성하여 표면과 비표면을 분리하는 단계 및 상기 비표면으로 분류된 미분할 점들의 공분산 행렬을 계산하여 임계비율과 고유값 비율을 비교하여 송전선 후보점들을 추출하는 고유값 비교 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고유값 비교 단계는 상기 비표면으로 분류된 미분할 점들 중 한 점에 대하여 일정거리 내에 있는 점들의 각 (x,y,z) 좌표에 대한 공분산 행렬의 고유값(eigenvalue) λ₁,λ₂,λ₃ 을 계산하여, λ₁과λ₂의 비율과 λ₂와 λ₃ 의 비율이 임계비율 이하인 경우 상기 한 점을 송전선 후보점으로 추출한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 임계비율은 0.1 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 송전선 위치 정보 추출 방법은 상기 송전선 후보점들 중 어느 하나의 점으로부터 가로, 세로 5m의 격자셀을 정의하고 각 셀에 속한 점들의 높이 표준편차가 임계표준편차를 초과하는 경우 상기 어느 하나의 점을 송전선 후보점에서 제외한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 송전선 위치 정보 추출 방법은 상기 송전선 후보점들을 그룹화하여 상기 그룹의 수평 길이를 계산하고 상기 수평 길이가 임계길이 미만이면 송전선 후보점에서 제외한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 송전선 위치 정보 추출 방법은 상기 송전선 후보점들의 지면으로부터의 평균 높이가 임계높이 미만이면 송전선 후보점에서 제외한다.

헬기 및 항공기의 사고 중 약 12%는 송전선과 충돌이 원인이다. 좋은 기상조건의 주간에도 헬기는 잘 보이지 않는 송전선에 충돌하여 사고를 입는다. 레이저 레이더를 헬기나 항공기에 장착하여 획득한 3차원 영상은 점 집합형태로 나타나기 때문에 신속하고 정확한 표적 인식이 어렵다. 그러나 본 발명을 레이저 레이더의 원시 데이터에 적용한다면 고속으로 추출된 송전선 정보를 실시간으로 파일럿에게 제공할 수 있기 때문에 비행장애물과의 충돌 사고를 예방하고 사고율을 상당히 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 레이더 데이터의 송전선 점 추출 기법 흐름도이다.
도 2는 인접지역(복셀)에서의 개별점과 이웃점을 나타낸 개념도이다.
도 3은 고유값 비율의 기준 임계값 추정을 위한 개념도이다.
도 4는 송전선의 고유값 비율에 따른 분포를 나타낸 개념도이다.
도 5는 송전선 후보점과 격자셀을 나타낸 개념도이다.
도 6은 송전선 후보점과 지표면 모델 사이의 높이 차이를 이용한 분류를 나타낸 개념도이다.
도 7은 실험 대상 지역의 특성을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 Case A에서의 레이저 레이더 데이터(a), 필터링 결과(b), 인지적 단서를 이용한 분류 결과(c) 및 최종 추출점(d)을 나타낸 개념도이다.
도 9는 도 7의 Case B에서의 레이저 레이더 데이터(a), 필터링 결과(b), 인지적 단서를 이용한 분류 결과(c) 및 최종 추출점(d)을 나타낸 개념도이다.
도 10은 도 7의 Case C에서의 레이저 레이더 데이터(a), 필터링 결과(b), 인지적 단서를 이용한 분류 결과(c) 및 최종 추출점(d)을 나타낸 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 제안하는 레이저 레이더 데이터를 이용한 송전선 추출 기법은 송전선이 갖는 공간적 특징에 기반한다. 하나의 송전선위에서 반사된 점들은 공간적으로 선형분포를 이루며, 지표면으로부터 일정한 높이 위에 존재한다. 이러한 특징을 기반으로 본 발명에서는 송전선 점의 인지적 단서를 수립하고, 조건에 만족하는 점들을 추출하여 분류하는 방식으로 송전선 점을 추출한다. 송전선 점 추출 방법은 기존의 레이저 레이더의 3차원 point cloud 처리 기법인 필터링과 분할 방법을 이용하여 분리된 점들의 특성을 이용한다. 필터링은 Adaptive TIN (Triangulated Irregular Network) 알고리즘을 적용하여 전체 데이터 영역에 대한 지면점이 포함되도록 격자경계를 설정하고, 각 격자 내에 포함된 레이저 레이더 데이터의 최소 높이를 갖는 점을 포함하도록 초기 TIN을 생성하고, 상기 점을 포함하는 다른 TIN을 추가하며 지면점과 비지면점을 분리하는 방법이다.

분할은 3차원 공간상에서 측정하고자 하는 임의의 객체 표면에 불규칙적으로 분포하는 점들을 그룹화하여 연속적인 표면 패치를 생성하여 표면과 비표면으로 나누는 방법이다. 표면 패치라 함은 상기 불규칙적으로 분포하는 점들 중 적어도 셋을 포함하는 평면을 말한다.

도 1은 레이저 레이더 데이터의 송전선 점 추출 기법 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 송전선 위치 정보 추출 방법은 미분할된 비지면점에 대하여 인지적 단서를 기반으로 송전선 점을 추출한다. 인지적 단서란 점의 기하학적인 분포 특성을 이용하여 송전선으로 인지될 수 있는 점을 찾아내는 조건을 의미한다.

송전선 점을 찾을 수 있는 첫 번째 인지적 단서는 선형으로 이루어진 점을 선택하는 것으로 개별 점과 그 인접 점들의 공분산행렬에 대한 고유값 (eigenvalues) 비율이다. 식 (1)과 같이 (x,y,z) 좌표를 갖는 한 점에 대하여 일정 거리 내에 있는 점들의 집합을 P, 이 점들의 각 좌표에 대한 공분산 행렬을 V 라고 할 때, VX=λX에서 0이 아닌 벡터 X를 만족하는 λ는 행렬 V의 고유값이며, 이는 식 (2)와 같이 세 개의 고유값을 갖는다.

[식 1]

,

[식 2]

, ( 단, λ₃>λ₂ >λ₁)

공분산행렬로부터 계산된 고유값 λ₁,λ₂,λ₃는 서로 직교하는 임의의 방향단위벡터에 대한 스케일 변화량을 의미한다. 따라서 표 1과 같이 점들의 분포를 고유값 비율에 따라 평면(plane), 선형(line), 불규칙(irregularity)한 분포의 유형으로 판단할 수 있다.

분포유형	평면상의 분포	직선상의 분포	불규칙 분포
조 건
분포형태

본 발명에서는 도 2와 같이 비지면점 데이터의 최소영역 사각형(Minimum Boundary Rectangle)에 대하여 3차원 격자구조를 정의하고 각 복셀 영역에 해당하는 점들을 연결(link)시켰다. 그리고 개별점에 대하여 점이 속해 있는 복셀과 이웃 복셀에 연결되어 있는 점들 간의 3차원 거리를 계산하여 점간 인접성을 수립하였다.

또한 각 점에 대하여 점과 이웃점 좌표의 공분산 행렬의 고유값 비율을 계산하였다. 계산된 고유값 비율로부터 검사점에 대한 송전선 점 여부를 판단하기 위해 식 (3)과 같이 고유값 비율이 임계비율 C_ratio 이하인 점을 송전선 후보점으로 판단하였다.

[식 3]

송전선 후보점인지 판별하기 위한 임계비율 C_ratio 을 결정하기 위하여 본 발명에서는 도 3과 같이 실측 레이저 레이더 데이터에서 육안으로 송전선점을 분류하였다. 그리고 각 송전선점들의 고유값 비율을 계산하고 그 결과를 도 4와 같이 히스토그램으로 나타내어 보았다. 그 결과 약 99%의 송전선점의 고유값 비율이 0.1 이하로 나타났기 때문에 임계비율 C_ratio 을 0.1로 결정하였다.

선형적인 공간분포 특성을 갖는 송전선 후보점에는 송전선으로부터 반사된 점 외에도 다른 객체 표면으로부터 반사된 점들을 포함하고 있다. 이는 센서의 특성(비행방향, 시선각 등)과 대상물의 기하구조에 따라 추출된 점들이 선형 분포를 이루기 때문이며 정확한 송전선 점 추출을 위해 송전선에서 반사되지 않은 점들을 제거해주는 정제과정이 필요하다. 따라서 본 발명에서는 두 번째 인지적 단서로 송전선의 방향, 길이, 높이를 이용하였다.

먼저 굴뚝이나 송전탑과 같이 지면으로부터 수직방향으로 선형인 구조물로부터 생성된 송전선 후보점을 제거하기 위해, 도 5와 같이 송전선 후보점 위에 가로, 세로 5m 길이의 격자셀을 정의하고 각 셀에 해당하는 송전선 후보점들의 높이표준편차를 계산하여 임계편차 1m 이상인 경우 해당 셀에 포함된 송전선 후보점들을 제거하였다. 그리고 송전선 후보점들을 선분(line segment)으로 그룹화한 후 선분의 길이를 계산하여 임계길이 2m 보다 긴 송전선 후보점들을 송전선으로 분류하였다.

마지막으로 도 6에서와 같이 필터링 단계에서 분류된 지면 점으로부터 지표면 모델(DTM, Digital Terrain Model)과 추출된 송전선 후보 점과의 높이차이가 임계 높이 10m 보다 높은 점을 송전선으로 분류하였다

본 발명에서 제안한 송전선 위치 정보 추출 방법을 레이저 레이더의 원시 데이터에 예시로 적용하여 그 효과를 살펴보았다. 사용된 실험데이터는 OpenTopography (http://www.opentopography.org/)에서 제공하는 오픈데이터를 이용하였고, 주요 특성을 도 7에 나타내었다.

Case A 실험 대상지역은 미국의 유진(Eugene)의 일부지역으로 근처에 발전소가 위치하고 건물과 나무 송전선이 있으며 레이저 레이더 데이터는 도 8의 (a)와 같다. 전체 점 데이터에서 도 8의 (b)와 같이 필터링을 통해 지면 점과 비지면 점으로 분류된다. 비지면 점에는 지면을 제외한 건물, 수목, 송전선 등의 객체로부터 반사된 점들이 포함되어 있다. 도 8의 (c)는 고유값 비율로 분류된 송전선 후보점과 지표면 모델이다. 비지면점을 대상으로 개별 점과 이웃 점들의 고유값 비율을 계산하고 임계비율과의 비교를 통해 송전선 후보점을 분류하였다. 그리고 길이가 작거나 수직으로 선형인 점들을 제거하는 정제과정을 통해 (d)와 같이 송전선 점이 추출 되었다.

Case B와 Case C 실험 대상지역도 Case A와 마찬가지로 레이저 레이더 데이터부터 최종적으로 추출된 송전선 점까지 그림 8과 9에 나타내었다. 본 발명의 효과를 분석하기 위해 실험에 사용한 세 가지 데이터 군에서 5미터 크기의 격자셀(grid) 단위로 송전선 점을 추출하여 레퍼런스 데이터를 구축한 후 송전선 점 추출 기법을 통해 탐지된 송전선 점을 비교하였다.

Case A에서는 103개의 레퍼런스 영역 중에서 85개(82.52%), Case B의 경우 629개의 레퍼런스 영역에서 529개(84.10%), Case C는 30개의 레퍼런스 영역에서 27개(90.00%)의 점이 송전선 점으로 추출되었다.

이처럼 세 가지 종류의 레이저 레이더 데이터를 이용하여 본 발명을 적용한 결과, 송전선을 이루는 점의 82% 이상이 송전선으로 추출되었다. 따라서 본 발명은 레이저 레이더의 3차원 point cloud 데이터를 실시간으로 전시하여 빠르게 송전선을 추출해야 하는 분야에 효과적으로 적용될 수 있다.

이상에서 설명한 레이더 데이터를 이용한 송전선 위치 정보 추출 방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (5)

1. 상공에서 레이저 레이더를 이용하여 3차원 포인트 클라우드(point cloud) 원시 데이터를 획득하는 단계;
   Adaptive TIN(Triangulated Irregular Network) 알고리즘을 이용하여 상기 원시 데이터에서 지면점들과 비지면점들을 분리하는 단계;
   상기 비지면점들 중 3차원 공간 상 불규칙적으로 분포하는 점들을 그룹화하여 연속적인 표면 패치를 생성하여 표면과 비표면을 분리하는 단계; 및
   상기 비표면으로 분류된 미분할 점들의 공분산 행렬을 계산하여 임계비율과 고유값 비율을 비교하여 송전선 후보점들을 추출하는 고유값 비교 단계를 포함하며,
   상기 송전선 후보점들 중 어느 하나의 점으로부터 가로, 세로 5m의 격자셀을 정의하고 각 셀에 속한 점들의 높이 표준편차가 임계표준편차를 초과하는 경우 상기 어느 하나의 점을 송전선 후보점에서 제외하는 것을 특징으로 하는 송전선 위치 정보 추출 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고유값 비교 단계는,
   상기 비표면으로 분류된 미분할 점들 중 한 점에 대하여 일정거리 내에 있는 점들의 각 (x,y,z) 좌표에 대한 공분산 행렬의 고유값(eigenvalue) λ₁,λ₂,λ₃ 을 계산하여, λ₁과λ₂의 비율과 λ₂와 λ₃ 의 비율이 임계비율 이하인 경우 상기 한 점을 송전선 후보점으로 추출하는 것을 특징으로 하는 송전선 위치 정보 추출 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 임계비율은 0.1 이하인 것을 특징으로 하는 송전선 위치 정보 추출 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 송전선 후보점들을 그룹화하여 상기 그룹의 수평 길이를 계산하고 상기 수평 길이가 임계길이 미만이면 송전선 후보점에서 제외하는 것을 특징으로 하는 송전선 위치 정보 추출 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 송전선 후보점들의 지면으로부터의 평균 높이가 임계높이 미만이면 송전선 후보점에서 제외하는 것을 특징으로 하는 송전선 위치 정보 추출 방법.

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