KR101585203B1

KR101585203B1 - 항공 사진을 이용한 3차원 모델 제작시 수치표고모형을 이용하여 건물의 높이를 자동으로 추출하는 시스템

Info

Publication number: KR101585203B1
Application number: KR1020150154513A
Authority: KR
Inventors: 김윤형; 장솔비; 조희상
Original assignee: 주식회사 지오스토리
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2016-01-13

Abstract

본 발명은 건물이 포함된 2차원의 항공 사진을 이용하여 건물의 3차원 모델 제작시 건물 옥상까지의 실제 높이 및 옥상에 설치된 부대시설들의 실제 높이를 자동으로 추출하는 것으로 항공 사진을 이용한 3차원 모델 제작시 수치표고모형을 이용하여 건물의 높이를 자동으로 추출하는 시스템에 관한 것이다.

Description

항공 사진을 이용한 3차원 모델 제작시 수치표고모형을 이용하여 건물의 높이를 자동으로 추출하는 시스템{System for measuring height of building automatically using DEM for 3D model using aerial photograph}

일반적으로 항공 촬영을 통해 획득한 2차원의 항공 사진을 이용하여 사진에 찍힌 건물의 3차원 모델을 제작시 툴인 스케치업이나 3DSMax 등과 같은 3D 작업 프로그램을 이용하고 있다.

이때, 3D 작업 프로그램을 이용하여 3차원 건물 모델을 제작시 2차원 항공 사진으로는 건물의 실제 높이를 알 수 없기 때문에 건물의 층수를 기반으로 대략적인 높이값을 결정하여 3D 모델링 작업을 수행한다.

또는, 위와 같이 건물의 층수를 기반으로 건물의 높이를 설정하는 대신 2차원 항공 사진상에서 건물의 옆면을 보며 사용자가 직접 바닥까지 선을 그려 건물의 높이를 임의로 결정하는 방식도 사용된다.

그러나, 위와 같은 방식으로 건물의 높이를 결정하게 되면 건물마다 층고가 서로 다름에도 불구하고 건물을 층수를 바탕으로 일률적으로 높이를 결정하기 때문에 실제 건물의 높이와 차이가 있게 된다.

또한, 사진상 건물의 옆면을 보고 직접 그리는 방식은 사용자의 자의적인 판단에 의해 건물의 높이가 결정되어 정확도가 낮으며, 이러한 오차들로 인해 제작된 3D 모델의 건물이 바닥면으로부터 뜨는 현상이 발생한다.

한편, 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 대한민국 특허 공개번호 제10-2001-0000443호(2001.01.05.) "항공측량 영상과 라이더 데이터 융합에 의한 건물추출시스템과 방법 및 그 프로그램 소스를 저장한 기록매체"에서는 항공측량 영상과 라이더 데이터를 조합하여 건물의 높이를 추출하지만, 이 경우 항공측량 영상 이외에 라이더 시스템을 별도로 구비해야하는 문제가 있다.

또한, 도 13에 도시한 바와 같이 대한민국 특허 등록번호 제10-0609786호(2006.07.31.) "도화원도를 이용한 3차원 건물 모델링 방법"에서는 수치지도를 제작하기 위해 사용되는 도화원도로부터 3차원 정보를 추출하여 3차원 모델링을 수행하지만, 이 경우 수치지도의 지형지물 정보로부터 건물정보만을 추출하는 과정 자체가 복잡하고 그 과정에서 오차가 발생하는 문제가 있다.

더욱이 위와 같은 종래의 기술들은 각종 건물의 바닥면으로부터 옥상까지의 높이를 측정할 수 있을 뿐, 건물의 옥상에 추가로 설치된 옥탑 건물, 정화조나 대형 물탱크 등 부대시설의 높이는 추출할 수 없다는 문제점이 있다.

대한민국 특허 공개번호 제10-2001-0000443호(2001.01.05.) "항공측량 영상과 라이더 데이터 융합에 의한 건물추출시스템과 방법 및 그 프로그램 소스를 저장한 기록매체" 대한민국 특허 등록번호 제10-0609786호(2006.07.31.) "도화원도를 이용한 3차원 건물 모델링 방법"

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 외부표정요소를 이용하여 구한 정표고와 수치표고모형을 이용하여 구한 고도값의 차이를 이용하여 건물의 3차원 모델 제작시 건물 높이 및 부대시설들의 실제 높이를 자동으로 추출하는 항공 사진을 이용한 3차원 모델 제작시 수치표고모형을 이용하여 건물의 높이를 자동으로 추출하는 시스템을 제공하고자 한다.

이를 위해, 본 발명에 따른 항공 사진을 이용한 3차원 모델 제작시 수치표고모형을 이용하여 건물의 높이를 자동으로 추출하는 시스템은 동일한 위치에 대해 여러 장의 항공 사진을 저장하는 사진 저장부와; 상기 사진 저장부에 저장된 항공 사진을 촬영할 당시 항공 카메라의 좌표정보 및 기울기 정보를 제공하는 GPS/INS부와; 상기 GPS/INS부에서 제공된 상기 좌표정보 및 기울기 정보를 이용하여 항공삼각측량을 수행함으로써 외부표정요소(X0, Y0, Z0, omega, phi, kappa)를 입력하는 외부표정요소 입력부와; 항공 촬영시 사용된 상기 항공 카메라의 초점거리를 포함한 보정 정보를 이용하여 카메라 캘리브레이션(camera calibration)을 수행하는 캘리브레이션 적용부와; 상기 외부표정요소 입력부에서 제공된 외부표정요소를 이용하여 상기 사진 저장부를 검색함으로써 동일한 건물을 중첩 촬영한 다수개의 항공 사진을 제공하는 사진 검색부와; 상기 사진 검색부에 의해 제공된 동일한 건물을 중첩 촬영한 다수개의 항공 사진 중 2개의 사진을 선택하기 위한 선택부와; 상기 선택부에 의해 선택된 2개의 사진 중 제1 사진은 제1 작업창에 표시하고, 제2 사진은 제2 작업창에 표시하도록 2개의 작업창을 제공하는 디스플레이부와; 상기 제1 작업창을 통해 표출된 제1 사진에 포함되어 있으며 높이를 갖는 상기 건물의 옥상면을 따라 제1 폴리곤(polygon)을 그리도록 돕는 그리기 도구와; 상기 제1 사진의 영상데이터를 분석하여 상기 건물의 옥상면 및 상기 옥상면에 설치된 부대시설의 영상을 서로 분리하는 영상분석부와; 상기 제1 작업창을 통해 표출된 제1 사진 중 상기 옥상면 또는 부대시설 중 어느 하나를 선택하면, 상기 선택된 옥상면 또는 부대시설의 윤곽선 정보를 상기 그리기 도구에 제공하여 자동으로 상기 제1 폴리곤이 생성되게 하는 윤곽선 처리부와; 상기 외부표정요소 입력부에서 제공된 외부표정요소를 참조하여 상기 제1 폴리곤의 형상 및 각도가 자동으로 보정됨으로써 상기 제2 사진에 포함된 상기 건물의 옥상면과 일치하는 제2 폴리곤을 상기 제2 작업창에 생성시키는 스케일러와; 상기 제2 작업창에 생성된 제2 폴리곤을 이동시켜 상기 제2 사진에 포함된 상기 건물의 옥상면에 일치시키면, 상기 제1 사진 및 제2 사진에 대한 외부표정요소 및 상기 초점거리를 공선조건식(collinearity condition)에 각각 대입하여 상기 건물의 옥상면에 대한 정표고(orthometric height) 높이를 산출하는 공선조건식 적용부와; 상기 제1 사진 및 제2 사진에 포함된 상기 건물이 위치한 장소의 고도값을 수치표고모형(DEM: digital elevation model)으로부터 추출하여 제공하는 DEM 제공부와; 상기 공선조건식 적용부에서 제공되는 상기 정표고 높이에서 상기 DEM 제공부에서 제공되는 고도값을 제거하여 상기 건물의 실제 높이값을 산출하는 고도 보정부와; 상기 고도 보정부에서 산출한 상기 건물의 옥상면까지의 실제 높이값을 저장하는 실제 높이값 저장부; 및 상기 공선조건식 적용부에서 산출한 상기 부대시설의 높이에서 상기 실제 높이값 저장부에 저장된 상기 건물의 옥상면까지의 실제 높이값을 빼서 상기 건물의 옥상면에 설치된 부대시설의 높이값을 산출하는 부대시설 높이 보정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 본 발명은 외부표정요소를 이용하여 구한 정표고와 수치표고모형을 이용하여 구한 고도값의 차이를 이용하여 건물의 3차원 모델 제작시 건물 옥상까지의 실제 높이 및 옥상에 설치된 부대시설들의 실제 높이를 자동으로 추출한다. 따라서, 기 획득된 여러 정보를 효율적으로 조합하여 항공 촬영된 건물의 높이를 정확하게 추출할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명에 따른 항공 사진을 이용한 3차원 모델 제작시 수치표고모형을 이용하여 건물의 높이를 자동으로 추출하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 항공 사진을 이용한 3차원 모델 제작시 수치표고모형을 이용하여 건물의 높이를 자동으로 추출하는 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명에서 사용하는 외부표정요소 중 항공 카메라의 절대위치를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명에서 사용하는 외부표정요소 중 항공 카메라의 회전각도를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명에서 사용하는 공선조건을 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명에서 사용하는 여러 장의 항공 사진의 중첩 촬영 상태를 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명의 디스플레이부에서 제공하는 2개의 작업창을 나타낸 도이다.
도 8은 상기 도 7의 2개의 작업창 중 우측 작업창에서 폴리곤을 이동시켜 높이 추출 지점을 특정하는 상태를 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명에서 2장의 항공 사진을 이용하여 수치사진측량기술을 적용한 상태를 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명에서 정표고와 고도값의 차를 이용하여 실제 건물의 높이를 추출하는 방법을 나타낸 도이다.
도 11은 본 발명의 제1 작업창에서 건물의 외곽선을 따라 폴리곤을 자동 생성하는 상태를 나타낸 도이다.
도 12는 본 발명을 이용하여 여러 형태의 건물 구조체의 실제 높이를 추출하는 방법을 나타낸 도이다.
도 13은 종래의 도화원도를 이용한 3차원 건물 모델링 방법을 도시한 블럭도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 항공 사진을 이용한 3차원 모델 제작시 수치표고모형을 이용하여 건물의 높이를 자동으로 추출하는 시스템에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명을 이용하여 건물의 높이를 자동으로 추출하고 이를 통해 건물의 3차원 모델을 제작하는 방법에 대해 설명한다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 건물의 항공 사진을 촬영(S110)할 당시의 GPS/INS 장치로부터 취득된 좌표정보와 기울기 정보를 이용(S111)하여 항공삼각측량을 수행한 외부표정요소를 입력(S120)한다.

다음, 카메라 캘리브레이션(S121)을 통해 보정(S130)을 한다. 보정은 항공 카메라의 초점 거리 등을 반영한 재조정에 해당하는 것으로, 상술한 외부표정요소와 캘리브레이션 데이터를 사용하면 후술하는 바와 같이 항공 사진상의 모든 위치에 대한 3차원 지상좌표를 획득할 수 있게 된다.

다음, 2차원 항공 사진상에서 3차원 모델을 제작하기 위해 동일한 건물을 항공 촬영한 2장의 사진(제1 사진 및 제2 사진)을 선택한다. 동일한 건물에 대한 항공 사진은 외부표정요소를 이용하여 검색할 수 있으며 2장의 항공 사진은 수치사진측량기술의 적용을 위해 선택된다.

다음, 디스플레이부에서 제공되는 2개의 작업창 중 제1 작업창에 표출된 제1 사진의 건물 옥상면(예: 옥상면)을 따라 제1 폴리곤을 그리는 작업을 수행(S140)한다. 그러면 제2 작업창에 제2 폴리곤이 자동으로 생성(S150)된다.

제2 작업창에 자동으로 생성되는 제2 폴리곤은 자동으로 그 형상 및 각도가 보정됨으로써 제2 작업창에 표출된 제2 사진의 건물 옥상면(예: 옥상면)과 일치하게 된다.

다음, 수치사진측량기술에서 정의된 바와 같이 서로 다른 각도에서 촬영된 동일한 건물의 2장의 사진상에서 서로 동일한 지점에 공선조건식을 적용하기 위해 이상과 같이 제2 작업창에 생성된 제2 폴리곤을 이동(S160)시켜 제2 사진의 건물 옥상면에 일치시킨다.

다음, 제1 작업창의 제1 폴리곤 및 제2 작업창의 제2 폴리곤이 지정하는 항공 사진상의 동일 부분에 대해 공선조건식을 각각 적용(S161)함으로써 기준면(지오이드/지구타원체)으로부터의 정표고 높이를 산출(S170)한다.

다음, 수치표고모형으로부터 제공되는 고도값을 이용(S171)하여 건물의 실제 높이를 산출(S180)한다. 즉, 정표고 높이에서 고도값을 제거하는 고도 보정을 함으로써 건물의 실제 높이를 산출한다.

다음, 건물의 실제 높이가 산출된 이후에는 건물의 옆면을 따라 직선 폴리곤을 그리면 건물 옆면의 직선 폴리곤은 위에서 구해진 건물의 실제 높이가 적용되어 길이가 갖도록 설정되면서 건물의 3차원 모델이 생성된다.

또한, 위와 같이 건물의 실제 높이 즉, 건물의 바닥면부터 옥상까지의 높이를 정밀하게 추출하여 제공한 이후에는, 건물의 옥상에 설치된 각종 부대시설의 높이 역시 실제로 추출(S190)한다.

부대시설의 높이는 위에서 설명한 바와 같은 방식으로 부대시설의 높이(정표고)를 산출하여 저장하고, 그 높이에서 기 산출된 건물의 높이값(즉, 옥상까지의 높이)을 빼는 보정을 통해 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 항공 사진을 이용한 3차원 모델 제작시 수치표고모형을 이용하여 건물의 높이를 자동으로 추출하는 시스템에 대해 설명한다.

도 2와 같이, 본 발명은 사진 저장부(110), GPS/INS부(120), 외부표정요소 입력부(130), 캘리브레이션 적용부(140), 사진 검색부(150), 선택부(ST), 디스플레이부(160), 그리기 도구(170), 스케일러(161), 공선조건식 적용부(180), DEM 제공부(181) 및 고도 보정부(182)를 포함한다.

나아가, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 건물 사진 중 높이 추출 대상을 쉽게 선택하기 위한 영상분석부(171) 및 윤곽선 처리부(172)와, 부대시설의 실제 높이를 추출하기 위한 실제 높이값 저장부(183) 및 부대시설 높이 보정부(184)를 더 포함한다.

이때, 사진 저장부(110)는 항공 사진을 저장하는 기억장치에 해당하는 것으로, 동일한 위치에 대해 여러 장의 항공 사진을 저장한다. 상기 동일한 위치는 건물 및 그와 유사한 대상물(이하, '건물'이라 함)을 의미한다.

3차원 모델 제작의 대상인 건물은 항공기가 비행하면서 여러 각도로 찍기 때문에 동일 건물에 대해 여러 위치에서 여러 각도로 촬영한 여러 장의 항공 사진이 저장되며, 후술하는 바와 같이 3차원 모델 작업자는 이들 사진 중 2장(P1, P2)을 선택하여 작업한다.

GPS/INS부(120)는 항공 카메라의 좌표정보 및 기울기 정보를 제공한다. 제공되는 좌표정보 및 기울기 정보는 사진 저장부(110)에 저장된 항공 사진을 촬영할 당시의 GPS/INS 장치로부터 제공된 정보이다.

이때, GPS는 위성으로부터 항공기의 절대좌표 등을 제공받고, 관성항법장치인 INS는 일 예로 관성센서인 자이로와 가속도계 등을 이용하여 측정된 카메라의 각속도 및 가속도(즉, 속도 및 자세) 정보를 제공한다.

이와 같은 GPS/INS 데이터는 디스플레이부(160)의 화면상에 제공되는 GUI 입력부(도 2의 'IN')에서 제공하는 입력란에 직접 입력하거나, 혹은 불러오기 방식 등을 비롯한 다양한 방식으로 입력할 수 있으며, 이는 이하에서 설명하는 다른 정보 역시 마찬가지이다.

외부표정요소 입력부(130)는 이상과 같이 GPS/INS부(120)에서 제공된 좌표정보 및 기울기 정보를 이용하여 항공삼각측량을 수행한 외부표정요소(X0, Y0, Z0, omega, phi, kappa)를 입력한다.

도 3과 같이 외부표정요소 중 X0, Y0, Z0는 항공 사진을 촬영할 당시의 항공 카메라의 절대좌표(절대위치)를 의미하며, 도 4와 같이 omega, phi, kappa는 동시점의 항공 카메라의 회전각도(자세)를 의미한다.

캘리브레이션 적용부(140)는 항공 촬영시 사용된 항공 카메라의 초점거리를 포함한 보정 정보를 이용하여 카메라 캘리브레이션(camera calibration)을 수행하고, 수행 결과에 따라 캘리브레이션 데이터를 제공한다.

도 5와 같이 카메라 캘리브레이션 데이터는 항공 카메라의 렌즈 중심과, 촬영된 2차원 영상 및 지상의 3차원 건물 사이의 관계를 재조정하는데 사용되며, 초점거리, 픽셀 사이즈 및 이미지 사이즈 등의 값을 포함한다.

본 발명은 아래에서 다시 설명하는 바와 같이 카메라 캘리브레이션 데이터 및 외부표정요소를 이용하면 항공 사진에 포함된 건물상의 모든 지점에 대해 3차원 지상좌표를 획득할 수 있다는 점을 이용한다.

사진 검색부(150)는 외부표정요소 입력부(130)에서 제공된 외부표정요소를 이용하여 사진 저장부(110)를 검색함으로써 동일한 건물을 중첩 촬영한 다수개의 항공 사진을 제공한다.

도 6과 같이 항공기는 비행 중 동일 지점(즉, 동일 건물)(B)에 대해 여러 장의 항공 사진(P)을 촬영하고, 촬영시 종방향 및 횡방향으로 중첩을 주어 촬영하기 때문에 하나의 건물(B)에 대해 적어도 2장 이상의 사진이 저장된다.

따라서, 사진 검색부(150)는 외부표정요소 입력부(130)에서 제공된 동일한 지점을 가리키는 외부표정요소를 이용하여 동일한 건물(B)에 대해 중첩 촬영된 사진 그룹을 검색하고, 이를 3차원 모델을 제작시 제공한다.

선택부(ST)는 사진 검색부(150)에 의해 제공된 동일한 건물(B)을 중첩 촬영한 다수개의 항공 사진 중 2개의 사진을 선택하기 위한 것으로, 컴퓨터 마우스나 키보드 등과 같은 사용자 인터페이스를 통해 선택할 수 있게 한다.

위에서 설명한 바와 같이 사진 검색부(150)는 외부표정요소를 이용하여 동일한 건물(B)을 중첩 촬영한 사진 그룹을 제공하고, 작업자는 수치사진측량기술을 적용하기 위해 동일한 건물(B)을 항공 촬영한 사진을 2개 선택한다.

후술하는 바와 같이 수치사진측량기술을 본 발명에 적용하도록 2장의 항공 사진에 폴리곤을 생성하면 건물(B)의 특정 지점이 공통적으로 선택되고, 그 특정된 지점에 대한 정표고(지오이드/지구타원체)를 얻게 된다.

디스플레이부(160)는 대표적으로 작업용 컴퓨터 모니터가 사용되며, 선택부(ST)에 의해 선택된 2개의 건물(B) 사진 중 제1 사진(P1)은 제1 작업창(160-1)에 표시하고, 제2 사진(P2)은 제2 작업창(160-2)에 표시하도록 화면에 2개의 작업창을 제공한다.

도 7에 일 예로 도시한 바와 같이 좌측의 제1 작업창(160-1)에 표시된 제1 사진(P1) 및 우측의 제2 작업창(160-2)에 표시된 제2 사진(P2)은 모두 동일한 건물(B)을 항공 촬영한 것으로, 이들을 촬영할 당시의 촬영각도 등 외부표정요소는 서로 다르다.

그리기 도구(170)는 제1 작업창(160-1)의 제1 사진(P1)에 포함되어 있으며 높이를 갖는 건물(B)의 옥상면을 따라 제1 폴리곤(PLY1)(polygon)을 그리도록 돕는다. 여기서 옥상면은 높이를 구하기 위한 물체의 최상부를 의미하는 것으로 도 7에서는 옥상면을 예로 들었다.

또한, 3D 그래픽에서 폴리곤은 보통 물체를 표현할 때 쓰이는 기본 단위인 다각형을 의미하지만, 본 발명의 그리기 도구(170)는 건물(B)의 높이를 표현하기 위한 직선 등 3차원 모델을 제작하기 위해 필요한 다양한 제작환경을 제공한다.

다만, 위에서 제1 폴리곤(PLY1)은 제1 작업창(160-1) 및 제2 작업창(160-2) 중 어느 하나의 작업창에 먼저 그린 것을 의미하므로 제2 작업창(160-2)에 먼저 폴리곤을 그린 경우에는 제2 작업창(160-2)의 폴리곤이 제1 폴리곤(PLY1)이 되며, 아래와 같이 제1 작업창(160-1)에는 제2 폴리곤(PLY2)이 자동으로 생성된다.

스케일러(161)는 외부표정요소 입력부(130)에서 제공된 외부표정요소를 참조하여 제1 폴리곤(PLY1)의 형상 및 각도를 자동으로 보정함으로써 제2 사진(P2)에 포함된 건물(B)의 옥상면과 일치하는 제2 폴리곤(PLY2)을 제2 작업창(160-2)에 생성시킨다.

즉, 스케일러(161)는 작업자가 그리기 도구(170)를 이용하여 제1 작업창(160-1)의 제1 사진(P1)에 그린 제1 폴리곤(PLY1)을 복사하여 제2 작업창(160-2)의 제2 사진(P2)에 생성시키되, 제2 사진(P2)의 건물(B) 옥상면의 형상에 일치시키도록 보정한다.

외부표정요소에는 제1 사진(P1) 및 제2 사진(P2)을 항공 촬영할 당시의 항공 카메라 각도 등을 비롯한 여러 정보가 포함되어 있으므로, 이를 이용하여 제1 사진(P1)에 그린 제1 폴리곤(PLY1)을 참조하면 제2 사진(P2)에 제2 폴리곤(PLY2)을 생성시킬 수 있다.

도 7에서는 일 예로 좌측의 제1 작업창(160-1)에 붉은색 실선으로 건물(B) 옥상면을 따라 4각형의 제1 폴리곤(PLY1)을 그리면, 제2 작업창(160-2)에는 노란색 점선으로 건물(B) 옥상면과 동일한 4각형의 제2 폴리곤(PLY2)이 생성되는 것을 일 예로 도시하였다.

이러한 스케일러(161)가 없는 경우에는 작업자가 2개의 사진에 각각 폴리곤을 그려야 하지만, 본 발명은 2개의 작업창을 제공함과 동시에 외부표정요소를 이용하여 제2 폴리곤(PLY2)을 자동으로 생성함으로써 정확성과 편리성을 향상시킨다.

공선조건식 적용부(180)는 제1 사진(P1) 및 제2 사진(P2)에 대한 외부표정요소 및 초점거리를 공선조건식(collinerity condition)에 각각 대입하여 건물(B)의 옥상면에 대한 정표고(orthometric height)를 산출한다.

도 8과 같이 우측의 제2 작업창(160-2)에 생성된 제2 폴리곤(PLY2)을 이동시켜 제2 사진(P2)에 포함된 건물(B)의 옥상면에 일치시키면, 2개의 사진상에서 높이를 산출하려는 지점이 확정되며, 제1 폴리곤(PLY1) 및 제2 폴리곤(PLY2)에 의해 특정된 지점에 공선조건식이 적용된다.

도 9와 같이 동일한 건물(B)을 촬영한 2장의 항공 사진 즉, 제1 사진(P1) 및 제2 사진(P2)에 대해 아래의 <수학식 1>과 같은 공선조건식을 각각 적용하면 수치사진측량기술에서 정의하는 바와 같이 특정 지점(예: 옥상면 중 어느 하나의 모서리나 정점)에 대한 정표고가 추출된다.

이때, <수학식 1>에서 'f'는 초점거리를 의미하고, 'm11 내지 m33'은 항공 카메라의 각 방향에 대한 회전각인 상기 omega, phi, kappa를 의미하며, 그 외 파라미터는 도 5에 나타나 있다.

<수학식 1>

DEM 제공부(181)는 제1 사진(P1) 및 제2 사진(P2)에 포함된 건물(B)이 위치한 장소의 고도값을 수치표고모형(DEM: digital elevation model)으로부터 추출하여 제공한다.

수치표고모형은 표고에 대한 지형 정보를 좌표에 따라 수치 분석한 자료로써 이미 공개된 자료를 활용하며, 실세계 지형 정보 중 건물, 수목, 인공 구조물 등을 제외한 지형(bare earth) 부분을 표현하는 수치 모형을 제공한다.

고도 보정부(182)는 공선조건식 적용부(180)에서 제공되는 정표고 높이에서 DEM 제공부(181)에서 제공되는 고도값의 차이를 이용하여 3차원 모델을 제작하려는 건물(B)의 실제 높이값을 산출한다.

도 10과 같이 정표고(Zbuilding)는 지오이드 혹은 지구 타원체로부터의 기준면으로부터 폴리곤에 의해 선택된 건물(B)의 특정면(즉, 옥상면)의 높이를 의미하므로, 정표고에서 고도값(ZDEM)을 빼면 건물(B)의 실제 높이가 추출된다.

따라서, 도 8과 같이 2차원 사진상에서 건물(B)의 옆면을 따라 직선으로 폴리곤을 그리면 그 직선 폴리곤은 3차원 모델을 생성시 위에서 구한 건물(B)의 실제 높이로 설정됨으로써 정밀한 3차원 모델을 생성하게 된다.

한편, 이상에서는 작업자가 직접 그리기 도구(170)를 이용하여 제1 작업창(160-1)에 표출된 제1 사진(P1)의 건물(B) 옥상면 테두리를 그려 제1 폴리곤(PLY1)을 생성시키는 방식을 설명하였다.

그러나, 작업자가 직접 폴리곤을 그려 생성시키는 방식을 사용하면 건물(B)의 형상 및 항공사진을 촬영한 각도에 따라 다양한 형상을 갖는 폴리곤을 생성하기 어렵고, 더욱이 건물(B)의 테두리를 따라 정확히 폴리곤을 생성하기도 어렵다.

또한, 건물의 옥상에는 옥탑 건물, 정화조나 대형 물탱크 등의 다양한 부대시설이 있고, 이러한 부대시설 역시 높이 추출의 대상이 되므로 옥상 이외에 부대시설에 대한 폴리곤까지 생성하려면 작업시간도 늘어난다.

이에, 본 발명은 영상분석부(171) 및 윤곽선 처리부(172)를 더 포함하여 제1 작업창(160-1)에서 건물(B)의 옥상면과 부대시설 중 어느 하나를 활성화시켜 선택(예: 더블 클릭)하면 자동으로 제1 폴리곤(PLY1)이 생성되게 한다.

이를 위해, 도 11의 (a)와 같이 영상분석부(171)는 제1 작업창(160-1)에서 불러들인 제1 사진(P1)의 영상데이터를 분석(영상처리)하여 건물(B)의 옥상면 및 상기 옥상면에 설치된 부대시설(B-1, B-2)의 영상을 서로 분리한다.

또한, 도 11의 (b)와 같이 윤곽선 처리부(172)는 작업자가 제1 작업창(160-1)을 통해 표출된 제1 사진(P1) 중 옥상면 또는 부대시설(B-1, B-2) 중 어느 하나를 선택하면, 그 선택된 옥상면 또는 부대시설(B-1, B-2)의 윤곽선 정보를 그리기 도구(170)에 제공한다.

옥상면이나 부대시설(B-1, B-2)의 윤곽선은 해당 사물의 테두리를 의미하는 것으로, 영상분석부(171)에서의 영상처리를 통해 주변 부분과의 색 경계나 색 차이 등을 이용하여 테두리가 자동으로 파악되며, 도 11의 (c)와 같이 그리기 도구(170)는 파악된 정보에 따라 제1 폴리곤(PLY1)을 자동으로 생성한다.

이와 같이 제1 작업창(160-1)에 제1 폴리곤(PLY1)이 생성되면, 위에서 이미 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 제2 작업창(160-2)에는 제2 폴리곤(PLY2)이 자동으로 생성된다.

또한, 도 12와 같이 본 발명은 단순히 건물(B)의 옥상만을 옥상면으로 설정하여 그 실제 높이를 추출할 수 있는 것이 아니며, 더 나아가 옥상에 건축된 부대시설(B-1)에 대해서도 실제 높이를 추출할 수 있다.

즉, 옥상에 건축된 부대시설(B-1)의 옥상면을 폴리곤으로 그려 특정 지점을 선택하면, 위에서 구한 옥상면을 기준(즉, 바닥면)으로 하여 해당 부대시설(B-1, B-2)의 실제 높이 역시 같은 방식으로 추출할 수 있다.

이를 위해, 본 발명은 실제 높이값 저장부(183) 및 부대시설 높이 보정부(184)를 더 포함하는데, 실제 높이값 저장부(183)는 고도 보정부(182)에서 이미 산출한 건물(B)의 옥상면까지의 실제 높이값을 입력받아 저장한다.

그러면, 부대시설 높이 보정부(184)는 공선조건식 적용부(180)에서 산출한 부대시설(B-1)의 높이에서 실제 높이값 저장부(183)에 저장된 건물(B)의 옥상면까지의 실제 높이값을 빼서 상기 건물(B)의 옥상면에 설치된 부대시설(B-1)의 높이값을 산출한다.

공선조건식 적용부(180)는 상술한 본 발명의 기술적 구성들을 이용하여 건물의 옥상면까지의 높이를 산출한 방식과 동일한 방식을 적용하여 부대시설(B-1)의 높이값(즉, 정표고)을 구하고, 여기서 건물의 실제 높이값을 빼는 프로세스를 처리한다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

110: 사진 저장부 120: GPS/INS부
130: 외부표정요소 입력부 140: 캘리브레이션 적용부
150: 사진 검색부 160: 디스플레이부
160-1, 160-2: 작업창 161: 스케일러
170: 그리기 도구 171: 영상 분석부
172: 윤곽선 처리부 180: 공선조건식 적용부
181: DEM 제공부 182: 고도 보정부
183: 실제 높이값 저장부 184: 부대시설 높이 보정부
ST: 선택부 IN: 입력부
B: 건물 P(P1, P2): 항공 사진

Claims

항공 사진을 이용한 3차원 모델 제작시 수치표고모형을 이용하여 건물의 높이를 자동으로 추출하는 시스템에 있어서,
동일한 위치에 대해 여러 장의 항공 사진을 저장하는 사진 저장부(110)와;
상기 사진 저장부(110)에 저장된 항공 사진을 촬영할 당시 항공 카메라의 좌표정보 및 기울기 정보를 제공하는 GPS/INS부(120)와;
상기 GPS/INS부(120)에서 제공된 상기 좌표정보 및 기울기 정보를 이용하여 항공삼각측량을 수행한 외부표정요소(X0, Y0, Z0, omega, phi, kappa)를 입력하는 외부표정요소 입력부(130)와;
항공 촬영시 사용된 상기 항공 카메라의 초점거리를 포함한 보정 정보를 이용하여 카메라 캘리브레이션(camera calibration)을 수행하는 캘리브레이션 적용부(140)와;
상기 외부표정요소 입력부(130)에서 제공된 외부표정요소를 이용하여 상기 사진 저장부(110)를 검색함으로써 동일한 건물(B)을 중첩 촬영한 다수개의 항공 사진을 제공하는 사진 검색부(150)와;
상기 사진 검색부(150)에 의해 제공된 동일한 건물(B)을 중첩 촬영한 다수개의 항공 사진 중 2개의 사진을 선택하기 위한 선택부(ST)와;
상기 선택부(ST)에 의해 선택된 2개의 사진 중 제1 사진(P1)은 제1 작업창(160-1)에 표시하고, 제2 사진(P2)은 제2 작업창(160-2)에 표시하도록 2개의 작업창을 제공하는 디스플레이부(160)와;
상기 제1 작업창(160-1)을 통해 표출된 제1 사진(P1)에 포함되어 있으며 높이를 갖는 상기 건물(B)의 옥상면을 따라 제1 폴리곤(PLY1)(polygon)을 그리도록 돕는 그리기 도구(170)와;
상기 제1 사진(P1)의 영상데이터를 분석하여 상기 건물(B)의 옥상면 및 상기 옥상면에 설치된 부대시설(B-1, B-2)의 영상을 서로 분리하는 영상분석부(171)와;
상기 제1 작업창(160-1)을 통해 표출된 제1 사진(P1) 중 상기 옥상면 또는 부대시설(B-1, B-2) 중 어느 하나를 선택하면, 상기 선택된 옥상면 또는 부대시설(B-1, B-2)의 윤곽선 정보를 상기 그리기 도구(170)에 제공하여 자동으로 상기 제1 폴리곤(PLY1)이 생성되게 하는 윤곽선 처리부(172)와;
상기 외부표정요소 입력부(130)에서 제공된 외부표정요소를 참조하여 상기 제1 폴리곤(PLY1)의 형상 및 각도를 자동으로 보정함으로써 상기 제2 사진(P2)에 포함된 상기 건물(B)의 옥상면과 일치하는 제2 폴리곤(PLY2)을 상기 제2 작업창(160-2)에 생성시키는 스케일러(161)와;
상기 제2 작업창(160-2)에 생성된 제2 폴리곤(PLY2)을 이동시켜 상기 제2 사진(P2)에 포함된 상기 건물(B)의 옥상면에 일치시키면, 상기 제1 사진(P1) 및 제2 사진(P2)에 대한 외부표정요소 및 상기 초점거리를 공선조건식(collinerity condition)에 각각 대입하여 상기 건물(B)의 옥상면에 대한 정표고(orthometric height) 높이를 산출하는 공선조건식 적용부(180)와;
상기 제1 사진(P1) 및 제2 사진(P2)에 포함된 상기 건물(B)이 위치한 장소의 고도값을 수치표고모형(DEM: digital elevation model)으로부터 추출하여 제공하는 DEM 제공부(181)와;
상기 공선조건식 적용부(180)에서 제공되는 상기 정표고 높이에서 상기 DEM 제공부(181)에서 제공되는 고도값을 빼서 상기 건물(B)의 실제 높이값을 산출하는 고도 보정부(182)와;
상기 고도 보정부(182)에서 산출한 상기 건물(B)의 옥상면까지의 실제 높이값을 저장하는 실제 높이값 저장부(183); 및
상기 공선조건식 적용부(180)에서 산출한 상기 부대시설(B-1, B-2)의 높이에서 상기 실제 높이값 저장부(183)에 저장된 상기 건물(B)의 옥상면까지의 실제 높이값을 빼서 상기 건물(B)의 옥상면에 설치된 부대시설(B-1, B-2)의 높이값을 산출하는 부대시설 높이 보정부(184);를 포함하는 것을 특징으로 하는 항공 사진을 이용한 3차원 모델 제작시 수치표고모형을 이용하여 건물의 높이를 자동으로 추출하는 시스템.