KR101595406B1 - 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디지털항공사진 기반의 임분고(林分高, stand height) 추정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 임상 판독자가 가장 익숙한 디지털항공사진을 주요 자료원으로 이용하여 임분고를 추출하여 추정하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 임분고 추정 장치가 디지털항공사진으로부터 에피폴라 영상을 생성하고, 생성한 에피롤라 영상으로부터 수치표면모델(DSM, Digital Surface Model)을 산출하고, 수치표면모델을 포인트 클라우드로 변환 후 재분류하여 수치지면모델(DTM, Digital Terrain Model)을 추출한 후, 수치표면모델과 수치지면모델의 차분 연산을 통해 수고(樹高)를 포함한 지형지물의 높이 정보를 포함하는 정규수치표면모델(nDSM, normalized Digital Surface Model)을 생성한다.

Description

디지털항공사진 기반의 임분고 추정 시스템 및 방법{System and method of estimatimg stand height with digital aerial image}
본 발명은 임상도의 임분고(林分高, stand height) 추정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디지털항공사진을 기반으로 모델링을 통하여 임분고를 추정하여 임상도의 속성 정보로 활용할 수 있는 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
임상도(林相圖, forest type map)는 어떤 산림이 어디에 분포하고 있는가를 보여주는 대표적인 산림지도(산림주제도)로 반세기 우리나라 산림의 변화를 분석할 수 있는 주요 자료이다. 수치임상도는 국가산림기본도로 많은 분야에서 활용되어 왔으며, 과거에는 종이지도의 형태로 제공되었으나, 컴퓨터와 정보기술의 발달로 인해 디지털 형태로 제작되어 제공되고 있다. 이처럼 디지털 형태의 수치임상도는 산림입지도, 산지구분도 등의 다른 산림공간정보와 함께 산림지리정보시스템(Forest Geographic Information System)의 근간을 이루고 있다. 또한 수치임상도는 국가산림자원조사(National Forest Inventory, NFI) 자료와 더불어 앞으로도 지속적인 갱신을 통해 특히 기후변화 및 여러 환경문제들로부터 지속가능한 산림자원 관리, 모니터링, 취약성 분석 및 생태복원력 연구 분야에서 그 활용도가 증가할 것으로 예상하고 있다.
이러한 임상도는, 국내의 경우, 임종, 수종, 영급, 경급, 소밀도 등의 속성 정보를 제공하고 있다. 하지만 국내의 임상도는 외국의 임상도에 비해 속성 정보의 수가 적기 때문에, 다양한 속성 정보의 개발이 요구되고 있다.
한국등록특허 제10-1038709호(2011.05.27.)
이러한 요구에 따라서 산림 분야에서 활용도가 높은 임분고(林分高, stand height)를 신규 속성 정보로 추가하기 위해 다양한 방법이 시도되고 있다. 임분고는 현지조사, 입체항공사진 수동측정, 라이다 등 다양한 자료원과 방법을 통해 측정될 수 있다.
이러한 임분고의 측정은 전술된 바와 같이 수동 방식으로 이루어지기 때문에, 협소한 범위에서는 유용한 방법일 수 있다.
하지만 전국 범위의 임상도에 연결할 속성으로 임분고를 제공하기 위해서는 시간, 비용 및 효율성 측면에서 기존의 수동 측정 방식은 한계가 있다.
또한, 라이다의 경우 높이 정보추출이 항공사진에 비해 용이하지만, 전국을 대상으로 라이다 측량을 하기위해서는 막대한 예산이 필요하다.
따라서 본 발명의 목적은 시간, 비용 및 효율성 측면에서 유리한 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 임상 판독자가 가장 익숙한 디지털항공사진을 주요 자료원으로 이용하여 임분고를 추출하여 추정하는 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 임분고 추정 장치가 디지털항공사진으로부터 에피폴라 영상을 생성하는 단계, 상기 임분고 추정 장치가 상기 에피롤라 영상으로부터 수치표면모델(DSM, Digital Surface Model)을 산출하는 단계, 상기 임분고 추정 장치가 상기 수치표면모델을 포인트 클라우드로 변환 후 재분류하여 수치지면모델(DTM, Digital Terrain Model)을 추출하는 단계, 및 상기 임분고 추정 장치가 상기 수치표면모델과 상기 수치지면모델의 차분 연산을 통해 수고(樹高)를 포함한 지형지물의 높이 정보를 포함하는 정규수치표면모델(nDSM, normalized Digital Surface Model)을 생성하는 단계를 포함하는 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 임분고 추정 방법에 있어서, 상기 에피폴라 영상을 생성하는 단계는, 상기 임분고 추정 장치가 디지털항공사진에 내부표정, 상호표정 및 절대표정 과정을 거쳐 실세계 좌표를 부여하여 스테레오 영상을 생성하는 단계와, 상기 임분고 추정 장치가 실세계좌표가 부여된 스테레오 영상에 대한 항공삼각측량을 거쳐 에피폴라 영상을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 임분고 추정 방법에 있어서, 상기 수치표면모델(DSM)은 지면 및 지표피복물의 높이를 포함하는 모델이다. 상기 수치지면모델(DTM)은 상기 수치표면모델(DSM)에서 지면의 높이와 다른 지표피복물에 대한 정보가 제거된 모델이다.
본 발명에 따른 임분고 추정 방법에 있어서, 상기 정규수치표면모델(nDSM)을 생성하는 단계에서, 상기 정규수치표면모델(nDSM)은 격자단위로 높이 정보를 저장할 수 있다.
본 발명에 따른 임분고 추정 방법은, 상기 정규수치표면모델(nDSM)을 생성하는 단계 이후에 수행되는, 상기 임분고 추정 장치가 상기 정규수치표면모델(nDSM)의 수고를 이용하여 평균 임분고를 산출하고, 산출한 평균 임분고를 상기 임상도에 추가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 임분고 추정 방법에 있어서, 상기 임상도에 임분고를 추가하는 단계는, 상기 임분고 추정 장치가 디지털 항공사진에서 수관을 분할하여 수관 레이어와 nDSM을 중첩, 수관별 최고높이를 탐색하여 개체목 수고를 추출하고 상기 임상도의 임분 폴리곤을 개별 구획(zone)으로 하여, 상기 임상도의 개별 구획별로 상기 정규수치표면모델(nDSM)으로부터 추출된 개체목 수고를 평균하는 구역적 통계(zonal statistics)를 수행하여 상기 임상도에 평균임분고를 추가할 수 있다.
본 발명에 따른 임분고 추정 방법에 있어서, 상기 임상도에 추가하는 단계는, 상기 임분고 추정 장치가 상기 정규수치표면모델(nDSM)의 수고값을 구역적 통계(zonal statistics)를 이용하여 임상도의 임분 폴리곤 별로 집계하고 평균을 계산하여 임상도의 임분 구획별로 평균 임분고를 산출하는 단계, 상기 임분고 추정 장치가 상기 임상도에 높이 필드를 추가하고 임분 폴리곤의 고유번호를 공용 필드(common filed)로 하여 임분고를 연결하는 단계, 및 상기 임분고 추정 장치가 상기 높이 필드에 정규수치표면모델(nDSM) 기반의 임분고를 할당하여 임상도에 수고를 추가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 임분고 추정 방법에 있어서, 상기 정규수치표면모델(nDSM)의 수고와 현지 실측 수고를 비교할 때, RMSE( (Root Mean Square Error; 평균 제곱근 편차)가 1m 이하일 수 있다.
본 발명은 또한, 디지털항공사진을 제공하는 디지털항공사진 제공 장치와, 상기 디지털항공사진 제공 장치로부터 입력받은 디지털항공사진을 기반으로 포인트 클라우드 기법을 이용하여 임분고를 추정하는 임분고 추정 장치를 포함하는 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 임분고 추정 시스템에 있어서, 상기 임분고 추정 장치는 디지털항공사진으로부터 에피폴라 영상을 생성하는 에피폴라 영상 생성부, 상기 에피롤라 영상으로부터 수치표면모델(DSM, Digital Surface Model)을 산출하는 수치표면모델 산출부, 상기 수치표면모델을 포인트 클라우드로 변환 후 재분류하여 수치지면모델(DTM, Digital Terrain Model)을 추출하는 수치지면모델 추출부, 및 상기 수치표면모델과 상기 수치지면모델의 차분 연산을 통해 수고(樹高)를 포함한 지형지물의 높이 정보를 포함하는 정규수치표면모델(nDSM, normalized Digital Surface Model)을 생성하는 정규수치표면모델 생성부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 임분고 추정 시스템에 있어서, 상기 임분고 추정 장치는 상기 정규수치표면모델(nDSM)에서 추출된 수관별 수고값을 구역적 통계(zonal statistics)를 이용하여 임상도의 임분 폴리곤 별로 집계하고 평균을 계산하여 임상도의 임분 구획별로 평균 임분고를 산출하는 임분고 산출부, 상기 임상도에 높이 필드를 추가하고 임분 폴리곤의 고유번호를 공용 필드(common filed)로 하여 임분고를 연결하는 임상도 연결부, 및 상기 높이 필드에 정규수치표면모델(nDSM) 기반의 임분고를 할당하여 임상도에 수고를 추가하는 임분고 추가부를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 디지털항공사진으로부터 에피폴라 영상을 생성하는 에피폴라 영상 생성부, 상기 에피롤라 영상으로부터 수치표면모델(DSM, Digital Surface Model)을 산출하는 수치표면모델 산출부, 상기 수치표면모델을 포인트 클라우드로 변환 후 재분류하여 수치지면모델(DTM, Digital Terrain Model)을 추출하는 수치지면모델 추출부, 및 상기 수치표면모델과 상기 수치지면모델의 차분 연산을 통해 수고(樹高)를 포함한 지형지물의 높이 정보를 포함하는 정규수치표면모델(nDSM, normalized Digital Surface Model)을 생성하는 정규수치표면모델 생성부를 포함하는 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 디지털항공사진을 기반으로 모델링을 통하여 임분고를 추정할 수 있다. 즉 디지털항공사진을 기반으로 에피폴라 영상을 제작하고, 제작한 에피롤라 영상에 대한 포인트 클라우드 기법을 적용하여 임분고를 추출하여 추정할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 임분고 추정 방법은 기존의 수동 측정 방법에 비해서 시간, 비용 및 효율성 측면에서 유리하다.
더욱이 본 발명에 따른 추정한 임분고와 실측한 임분고를 비교할 때, RMSE가 1m 이하로 정확도가 높은 것으로 평가되었다.
또한 본 발명에 따른 임분고 추정 방법은 모델링을 통하여 임분고를 추정하기 때문에, 기존의 항공사진 측량 방법인 수동 측정 방식에 비해 대면적 적용이 용이하므로, 임상도의 임분고 속성 정보 추가를 위한 알고리즘으로 활용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 임분고 추정 장치를 보여주는 블록도이다.
도 3은 에피폴라 영상을 이용한 수치표면모델(DSM, Digital Surface Model)과 수치지면모델(DTM, Digital Terrain Model)을 보여주는 예시도이다.
도 4는 수치표면모델(DSM)과 수치지면모델(DTM)의 차연산으로 생성한 정규수치표면모델(nDSM, normalized Digital Surface Model)을 보여주는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 방법에 따른 흐름도이다.
도 6 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 임분고 추정 방법을 적용한 예를 보여주는 도면들로서,
도 6은 연구대상지인 매화산 경영모델림을 보여주는 사진이고,
도 7은 매화산 경영모델림 일대의 디지털항공사진이고,
도 8은 매화산 경영모델림의 현지조사 표본점 위치도이고,
도 9는 도 7의 디지털항공사진의 에피폴라 영상이고,
도 10은 도 9의 에피폴라 영상을 이용한 수치표면모델(DSM), 수치지면모델(DTM), 및 정규수치표면모델(nDSM)을 보여주고,
도 11은 정규수치표면모델(nDSM) 기반의 매화산 경영모델림의 수고 분포를 보여주는 도면이다.
도 12는 정규수치표면모델(nDSM)의 수고가 연결된 1:5,000 임상도를 보여주는 도면이다.
도 13은 매화산 경영모델림의 실측 임분고와 추정 임분고의 RMSE의 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
여기서 임분고(林分高, stand height)는 임분 또는 임관의 평균 높이를 의미한다.
그리고 임분(林分, stand)은 수종, 수령, 임상, 생육상태 등이 비슷하고 인접산림과 구별되는 한 단지의 산림을 의미한다. 또는 산림의 취급단위가 될 수 있는 임목과 임지를 합하여 임분이라고 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 시스템을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 임분고 추정 시스템(100)은 임상도 제작의 주요 자료원인 디지털항공사진을 기반으로 입체 영상인 에피폴라 영상을 제작하고, 제작한 에피롤라 영상에서 추출한 수치표면모델(DSM, Digital Surface Model)에 포인트 클라우드 변환을 적용하여 임분고를 추출하여 추정한다. 임분고 추정 시스템(100)은 추정한 임분고를 임상도에 연결하여, 추정한 임분고를 임상도의 임분고 속성 정보로 추가한다.
이러한 본 실시예에 따른 임분고 추정 시스템(100)은 디지털항공사진 제공 장치(10)와 임분고 추정 장치(20)를 포함한다.
디지털항공사진 제공 장치(10)는 임분고 추정에 필요한 디지털항공사진을 제공하는 장치이다. 디지털항공사진 제공 장치(10)는 임분고를 추정할 지역의 디지털항공사진을 직접 촬영하여 제공할 수도 있고, 별도의 디지털항공사진 제공원 예컨대 국토지리정보원으로부터 공급받아 제공할 수 있다. 또는 디지털항공사진 제공 장치(10)는 디지털항공사진 제공원 자체일 수도 있다.
그리고 임분고 추정 장치(20)는 디지털항공사진 제공 장치(10)로부터 제공받은 디지털항공사진에 대한 모델링을 통하여 임분고를 추정한다. 즉 임분고 추정 장치(20)는 디지털항공사진을 기반으로 에피폴라 영상을 제작하고, 제작한 에피롤라 영상에 대한 포인트 클라우드 기법을 적용하여 수고를 추출하여 임분고를 추정하고, 추정한 임분고를 임상도에 연결하여, 추정한 임분고를 임상도의 임분고 속성 정보로 추가한다.
이와 같은 본 실시예에 따른 임분고 추정 장치(20)에 대해서 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2는 도 1의 임분고 추정 장치(20)를 보여주는 블록도이다. 도 3은 에피폴라 영상을 이용한 수치표면모델(DSM, Digital Surface Model)과 수치지면모델(DTM, Digital Terrain Model)을 보여주는 예시도이다. 도 4는 수치표면모델(DSM)과 수치지면모델(DTM)의 차연산으로 생성한 정규수치표면모델(nDSM, normalized Digital Surface Model)을 보여주는 예시도이다.
임분고 추정 장치(20)는 인터페이스부(31), 입력부(33), 저장부(35), 표시부(37) 및 제어부(39)를 포함할 수 있다.
인터페이스부(31)는 임분고 추정 장치(20)와 외부 기기의 연결을 매개한다. 인터페이스부(31)는 디지털항공사진 제공 장치(10)와의 연결을 매개하며, 디지털항공사진 제공 장치(10)로부터 디지털항공사진을 제공받는다. 인터페이스부(31)는 추정한 임분고 또는 임분고 속성 정보가 추가된 임상도를 외부 기기로 전송할 수 있다. 이러한 인터페이스부(31)는 USB 모듈을 포함하는 유무선 통신 모듈을 포함할 수 있다. 유무선 통신 모듈은 통신 방식으로 이동통신망, 무선랜(WLAN, Wireless LAN), 와이파이(Wi-Fi), 와이브로(Wibro), 와이맥스(Wimax), 고속하향패킷접속(HSDPA, High Speed Downlink Packet Access) 등의 무선 통신 방식 또는 이더넷(Ethernet), xDSL(ADSL, VDSL), HFC(Hybrid Fiber Coax), FTTC(Fiber to The Curb), FTTH(Fiber To The Home) 등의 유선 통신 방식이 이용될 수 있다. 유무선 통신 모듈은 근거리 통신 모듈을 포함할 수 있다. 한편 유무선 통신 모듈은 통신 방식으로 상술한 통신 방식에 한정되는 것은 아니며, 상술한 통신 방식 이외에도 기타 널리 공지되었거나 향후 개발될 모든 형태의 통신 방식을 포함할 수 있다.
입력부(33)는 임분고 추정 장치(20)의 조작을 위한 복수의 키를 제공하며, 사용자의 키선택에 따른 선택 신호를 발생하여 제어부(39)로 전달한다. 사용자는 입력부(33)를 통해 디지털하공사진의 전송을 디지털항공사진 제공 장치(10)로 요청하는 선택 신호를 입력할 수 있다. 또한 사용자는 입력부(33)를 통해 디지털항공사진을 기반으로 한 임분고 추정에 필요한 과정의 수행을 요청하는 선택 신호를 입력할 수 있다. 이러한 입력부(33)로는 키보드, 키패드, 터치패드, 마우스, 조이스틱, 터치스크린(touch screen) 등의 다양한 입력 장치가 사용될 수 있다.
저장부(35)는 임분고 추정 장치(20)의 동작 제어시 필요한 프로그램과, 그 프로그램 수행 중에 발생되는 정보를 저장한다. 저장부(35)는 임분고 추정에 필요한 절차를 수행하는 실행프로그램을 저장한다. 저장부(35)는 임분고 추정에 사용되는 디지털항공사진, 에피폴라 영상, 수치표면모델(DSM), 수치지면모델(DTM), 정규수치표면모델(nDSM), 평균 임분고, 임분고 속성 정보가 추가된 임상도 등을 저장할 수 있다.
표시부(37)는 임분고 추정 장치(20)에서 실행되는 각종 기능 메뉴를 비롯하여 저장부(35)에 저장된 정보를 표시한다. 표시부(37)는 제어부(39)의 제어에 따라 임분고 추정 및 임분고 추가에 필요한 절차의 수행 단계에 따른 정보 또는 메뉴를 표시할 수 있다. 이때 표시부(37)로는 LCD(Liquid Crystal Display)나 터치스크린이 사용될 수 있다. 터치스크린은 표시 장치와 입력 장치로서의 역할을 동시에 수행한다.
그리고 제어부(39)는 임분고 추정 장치(20)의 전반적인 제어 동작을 수행하는 마이크로프로세서(microprocessor)이다. 제어부(39)는 디지털항공사진을 기반으로 모델링을 통하여 임분고를 추정하고, 추정한 임분고를 임상도의 임분고 속성 정보로 추가한다. 즉 제어부(39)는 디지털항공사진을 기반으로 에피폴라 영상을 제작하고, 제작한 에피롤라 영상에 대한 포인트 클라우드 기법을 적용하여 임분고를 추출하여 추정하고, 추정한 임분고를 임상도에 연결하여, 추정한 임분고를 임상도의 임분고 속성 정보로 추가한다.
이러한 제어부(39)는 에피폴라 영상 생성부(41), 수치표면모델 산출부(43), 수치지면모델 추출부(45) 및 정규수치표면모델 생성부(47)를 포함하며, 임분고 산출부(49), 임상도 연결부(51) 및 임분고 추가부(53)를 더 포함할 수 있다.
에피폴라 영상 생성부(41)는 디지털항공사진으로부터 에피폴라 영상을 생성한다. 즉 에피폴라 영상 생성부(41)는 스테레오 영상, 즉 두 장의 디지털항공사진에 내부표정, 상호표정 및 절대표정 과정을 거쳐 실세계 좌표를 부여하여 좌영상과 우영상을 포함하는 스테레오 영상을 생성한다. 에피폴라 영상 생성부(41)는 실세계좌표가 부여된 스테레오 영상에 대한 항공삼각측량을 거쳐 입체 영상인 에피폴라 영상을 생성한다.
즉 디지털항공사진을 이용하여 임분고를 추정하기 위해 제일 먼저 구축되어야 하는 자료가 에피폴라 영상이다. 에피폴라 영상이란 스테레오 영상 내의 동일한 대상물이 좌우 영상에서 동일한 라인에 위치하도록 재배열한 영상으로 Y시차가 제거되고 두 영상의 스캔 라인이 에피폴라 기하를 만족하는 영상을 에피폴라 영상이라고 한다. 에피폴라 평면이 입체 영상을 교차하면서 생기는 선이 에피폴라 선이며. 두 에피폴라 선은 같은 정보를 지니는 특성을 지닌다.
이러한 에피폴라 영상은 지상기준점 선택, 영상좌표 취득, 외부표정요소, 수직영상 및 에피폴라 기하 구현 과정으로 수행될 수 있다.
에피폴라 영상 제작을 위해서는 두 영상의 내부표정 및 외부표정 요소가 미리 계산되어 있어야 한다. 에피폴라 영상에서는 공액점이 좌우 영상에서 동일한 라인에 위치하게 되므로, DEM 추출 시에 적용되는 영상 정합에 있어서 한 영상에서의 임의의 지점에 대한 다른 영상에서의 공액점의 탐색 범위를 대폭 감소시키므로 속도와 정확도를 모두 향상시킬 수 있으며, 두 영상으로부터 동일한 지점을 관측하는 작업이 원활해진다.
이러한 에피폴라 영상이 제작되면, 입체시가 이루어져 두 영상으로부터 3차원 정보 측정이 가능하게 된다.
정규수치표면모델(nDSM)을 생성하기 위해서, 수치표면모델 산출부(43) 및 수치지면모델 추출부(45)는 에피폴라 영상에서 수치표면모델(DSM)과 수치지면모델(DTM)을 추출한다.
수치표면모델 산출부(43)는 에피롤라 영상으로부터 수치표면모델(DSM)을 산출한다.
수치지면모델 추출부(45)는 수치표면모델(DSM)을 포인트 클라우드로 변환 후 재분류하여 수치지면모델(DTM)을 추출한다.
정규수치표면모델 생성부(47)는 수치표면모델(DSM)과 수치지면모델(DTM)의 차분 연산을 통해 수고(樹高)를 포함한 지형지물의 높이 정보를 포함하는 정규수치표면모델(nDSM)을 생성한다. 정규수치표면모델(nDSM)은 격자단위로 높이 정보를 저장한다.
여기서 수치표면모델(DSM)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 지면 및 지표피복물(인공지물, 식생)의 높이를 모두 포함한 반면, 수치지면모델(DTM)은 수치표면모델(DSM)에서 인공지물 및 식생과 같이 지면의 높이와 다른 지표피복물에 해당하는 자료를 제거한 모델이다. 그리고 정규수치표면모델(nDSM)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 수치표면모델(DSM)에서 수치지면모델(DTM)을 차연산을 수행한 모델로 각 격자값은 feature(개체목, 건물 등) 높이를 나타낸다. 이러한 정규수치표면모델(nDSM)은 3차원 도시 모델링에 사용되지만, 본 실시예에서는 산림 분야에 적용하였다.
그리고 임분고 산출부(49)는 정규수치표면모델(nDSM)의 수고를 이용하여 평균 임분고를 산출하고, 임분고 연결부가 산출한 평균 임분고를 임상도에 연결하면, 임분고 추가부(53)는 정규수치표면모델(nDSM)의 수고를 임상도에 추가한다.
이때 수고를 임상도에 추가할 때, 임상도의 임분 폴리곤을 개별 구획(zone)으로 하여, 임상도의 개별 구획별로 상기 정규수치표면모델(nDSM)의 수고를 평균하는 구역적 통계(zonal statistics)를 수행하여 임상도에 추가한다.
여기서 임분고 산출부(49)는 정규수치표면모델(nDSM)의 수고값을 구역적 통계(zonal statistics)를 이용하여 임상도의 임분 폴리곤 별로 집계하고 평균을 계산하여 임상도의 임분 구획별로 평균 임분고를 산출한다.
임분고 연결부는 임상도에 높이 필드를 추가하고 임분 폴리곤의 고유번호를 공용 필드(common filed)로 하여 임분고를 연결한다.
그리고 임분고 추가부(53)는 높이 필드에 정규수치표면모델(nDSM) 기반의 임분고를 할당하여 임상도에 수고를 추가한다. 즉 임분고 추가부(53)는 임상도에 임분고를 속성 정보로 추가한다.
이와 같은 본 실시예에 따른 임분고 추정 시스템(100)을 이용하여 임분고를 추정하는 방법에 대해서 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 방법에 따른 흐름도이다.
먼저 S61단계에서 임분고 추정 장치(20)는 디지털항공사진을 디지털항공사진 제공 장치(10)로부터 제공받는다.
다음으로 S63단계 내지 S67단계에서 임분고 추정 장치(20)는 디지털항공사진에 대한 내부표정, 상호표정, 절대표정의 과정을 거쳐 실세계 좌표를 부여하여 좌영상과 우영상을 포함하는 스테레오 영상을 생성한다.
다음으로 S69단계에서는 임분고 추정 장치(20)는 실세계 좌표가 부여된 스테레오 영상에 대한 항공삼각측량을 거쳐, S71단계에 따른 입체 영상인 에피폴라 영상을 생성한다.
다음으로 S73단계에서 임분고 추정 장치(20)는 에피롤라 영상으로부터 수치표면모델(DSM)을 산출한다.
다음으로 S75단계에서 임분고 추정 장치(20)는 수치표면모델(DSM)을 포인트 클라우드로 변환 후 재분류하여 수치지면모델(DTM)을 추출한다.
다음으로 S77단계에서 임분고 추정 장치(20)는 수치표면모델(DSM)과 수치지면모델(DTM)의 차분 연산을 통해 수고(樹高)를 포함한 지형지물의 높이 정보를 포함하는 정규수치표면모델(nDSM)을 생성한다.
이어서 S79단계에서 임분고 추정 장치(20)는 정규수치표면모델(nDSM)의 수고를 이용하여 평균 임분고를 산출한다.
그리고 S81단계에서 임분고 추정 장치(20)는 산출한 평균 임분고를 임상도에 연결하여 정규수치표면모델(nDSM)의 수고를 임상도에 추가한다.
이와 같은 본 실시예에 따른 임분고 추정 방법으로 추정한 임분고의 정확도를 평가하기 위해서, 도 6 내지 도 13과 같이, 특정 지역에 대한 임분고의 실측 및 추정한 후, RMSE(Root Mean Square Error; 평균 제곱근 편차) 분석을 수행하였다. 여기서 특정 지역은 강화도 홍청군 매화산 경영모델림이다.
[항공사진]
먼저 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 매화산 경영모델림을 대상으로 표 1과 같이 디지털항공사진을 촬영하였다.
촬영일 2013.09.30
면적 25 km2
영상종류 RGB 칼라영상
해상도 25 cm
촬영중복도 종 중복도 : 60 % 이상
횡 중복도 : 50 % 이상
[1:5,000 임상도]
1:5,000 임상도는 산림의 정확한 분포 현황을 파악하기 위해 구축되었고, 토지이용, 산림, 임종, 임상, 수종, 영급, 경급, 수관밀도에 관한 정보를 담고 있다. 이러한 임상도는 디지털항공사진 판독, 현지 임상 조사 및 표준지 조사를 기초로 제작한다. 임상도의 속성은 임분 상층을 형성하고 있는 주림목의 수관점유면적을 기준으로 판단한다.
[지상참조자료]
매화산 경영모델림의 주요 수종인 잣나무, 낙엽송, 소나무 및 참나무류의 4개 수종에 대한 경급별로 자료를 취득할 수 있도록 표본점 32개소를 배치한 후, 도 6에 도시된 바와 같이, 총 2회의 지상참자료 조사를 수행하였다. 여기서 도 8은 매화산 경영모델림의 현지조사 표면점의 위치를 보여준다.
현지 조사 내역은 표 2와 같다. 각 표본점은 반경 11.3 km의 원형으로 구성하였으며, 표본점 반경 내에 위치한 모든 개체목에 대해 위치(거리, 각), 수종, 흉고직경(diameter at breast height, DBH) 및 수고 등의 조사 항목을 전수 조사하였다.
개체목의 위치는 DGPS(Differential Global Positioning System)로 측정한 표본점의 중심좌표에서 방위각과 거리를 이용하여 좌료를 획득하였다. 수고는 Haglof Vertex와 TruPulse를 이용하여 측정하였다.
현지조사일 1차(2014.4.29. ~ 2014.5.1.)
2차(2014.5.19. ~ 2014.5.23.)
표본점 개수 32 개
표본점 형태 원형(반경 11.3 m)
주요수종 잣나무, 낙엽송, 소나무, 참나무류
조사항목 개체목 위치(거리, 각)
수종, DBH, 수고
조사형태 전수조사
매화산 경영모델림의 디지털항공사진을 기반으로 도 9에 도시된 바와 같은 에피폴라 영상을 생성하였다.
다음으로 도 9의 에피폴라 영상으로부터, 도 10에 도시된 바와 같이, 수치표면모델(DSM)과 수치지면모델(DTM)을 추출하였다.
여기서 도 10은 도 9의 에피폴라 영상을 이용한 수치표면모델(DSM), 수치지면모델(DTM), 및 정규수치표면모델(nDSM)을 보여준다. 도 10에서 왼쪽은 수치표면모델(DSM)이고, 오른쪽은 수치지면모델(DTM)이다. 중심에서 위쪽은 디지털항공사진이고, 중심에서 아래쪽은 정규수치표면모델(nDSM)을 보여준다.
그리고 수치표면모델(DSM)과 수치지면모델(DTM)의 차연산을 통해, 도 10에 도시된 비와 같이, 정규치수표면모델(nDSM)을 생성하였다. 즉 추출한 정규치수표면모델(nDSM)의 일부가 중앙의 아래쪽에 예시되어 있는데, 위쪽의 디지털항공사진과의 비교에서 확인할 수 있듯이. 저수지와 댐, 저수지 옆 도로 등의 지형지물이 정규치수표면모델(nDSM)에서 잘 추출되었음을 확인할 수 있다.
따라서 지면 높이가 제거된 순수한 지형지물의 높이값인 정규치수표면모델(nDSM)로부터, 도 11에 도시된 바와 같이, 개체목 수고를 추출하여 수고 지도를 제작하였다.
도 12는 정규수치표면모델(nDSM)의 수고가 연결된 1:5,000 임상도를 보여주는 도면이다.
도 12를 참조하면, 임상도 라벨의 맨 오른쪽 끝에 9.5, 9.7, 9.2 등의 수고가 추가된 것을 확인할 수 있다. 즉 임상도에 속성 정보로 수고, 즉 임분고가 추가되었다.
그리고 본 실시예에 따른 임분고 추정 방법으로 추정한 임분고의 정확도를 평가하기 위해서, 특정 지역에 대한 임분고의 실측 및 추정한 후, 도 13과 같이, RMSE(Root Mean Square Error; 평균 제곱근 편차) 분석을 수행하였다. 여기서 도 13은 매화산 경영모델림의 실측 임분고와 추정 임분고의 RMSE의 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 13을 참조하면, 매화산 경영모델림의 디지털항공사진의 후처리를 통해 좌표와 수고가 연결된 지상참조자료와 정사항공사진을 중첩하여 개체목 수관을 육안판독, 분할하였다. 개체목 수관 경계를 정규수치표면모델(nDSM)에 중첩하여 해당 개체목 수관에 최고 수고를 취득한 후 최종적으로 현지 실측 수고와 차이를 비교하여 RMSE를 구하였다.
즉 이상치를 제거한 개체목 577본의 정규수치표면모델(nDSM) 수고와 지상참조 수고와의 차이를 RMSE로 분석한 결과, 범위는 0.63 m 내지 2.65 m이며, 전체 표본점별로 수고 평균에 대한 RMSE는 0.96 m로 분석되었다. 즉 본 실시예에 따라 추정한 임분고와 실측한 임분고를 비교할 때, RMSE가 1m 이하로 정확도가 높은 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 디지털항공사진을 기반으로 모델링을 통하여 임분고를 추정할 수 있다. 즉 임분고 추장 장치는 디지털항공사진을 기반으로 에피폴라 영상을 제작하고, 제작한 에피롤라 영상에 대한 포인트 클라우드 기법을 적용하여 임분고를 추출하여 추정할 수 있다.
본 발명에 따른 임분고 추정 방법은 기존의 수동 측정 방법에 비해서 시간, 비용 및 효율성 측면에서 유리한다.
더욱이 본 실시예에 따른 추정한 임분고와 실측한 임분고를 비교할 때, RMSE가 1m 이하로 정확도가 높은 것으로 평가되었다.
또한 본 실시예에 따른 임분고 추정 방법은 모델링을 통하여 임분고를 추정하기 때문에, 기존의 항공사진 측량 방법인 수동 측정 방식에 비해 대면적 적용이 용이하므로, 임상도의 임분고 속성 정보 추가를 위한 알고리즘으로 활용이 가능하다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 디지털항공사진 제공 장치
20 : 임분고 추정 장치
31 : 인터페이스부
33 : 입력부
35 : 저장부
37 : 표시부
39 : 제어부
41 : 에피폴라 영상 생성부
43 : 수치표면모델 산출부
45 : 수치지면모델 추출부
47 : 정규수치표면모델 생성부
49 : 임분고 산출부
51 : 임상도 연결부
53 : 임분고 추가부
100 : 임분고 추정 시스템

Claims (13)

  1. 임분고 추정 장치가 디지털항공사진으로부터 에피폴라 영상을 생성하는 단계;
    상기 임분고 추정 장치가 상기 에피폴라 영상으로부터 수치표면모델(DSM, Digital Surface Model)을 산출하는 단계;
    상기 임분고 추정 장치가 상기 수치표면모델을 포인트 클라우드로 변환 후 재분류하여 수치지면모델(DTM, Digital Terrain Model)을 추출하는 단계;
    상기 임분고 추정 장치가 상기 수치표면모델과 상기 수치지면모델의 차분 연산을 통해 수고(樹高)를 포함한 지형지물의 높이 정보를 포함하는 정규수치표면모델(nDSM, normalized Digital Surface Model)을 생성하는 단계;
    상기 임분고 추정 장치가 상기 정규수치표면모델(nDSM)의 수고를 이용하여 평균 임분고를 산출하고, 산출한 평균 임분고를 임상도에 추가하는 단계;를 포함하고,
    상기 임상도에 추가하는 단계는,
    상기 임분고 추정 장치가 상기 정규수치표면모델(nDSM)의 수고값을 구역적 통계(zonal statistics)를 이용하여 임상도의 임분 폴리곤 별로 집계하고 평균을 계산하여 임상도의 임분 구획별로 평균 임분고를 산출하는 단계;
    상기 임분고 추정 장치가 상기 임상도에 높이 필드를 추가하고 임분 폴리곤의 고유번호를 공용 필드(common filed)로 하여 임분고를 연결하는 단계;
    상기 임분고 추정 장치가 상기 높이 필드에 정규수치표면모델(nDSM) 기반의 임분고를 할당하여 임상도에 수고를 추가하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 에피폴라 영상을 생성하는 단계는,
    상기 임분고 추정 장치가 디지털항공사진에 내부표정, 상호표정 및 절대표정 과정을 거쳐 실세계 좌표를 부여하여 스테레오 영상을 생성하는 단계;
    상기 임분고 추정 장치가 실세계좌표가 부여된 스테레오 영상에 대한 항공삼각측량을 거쳐 에피폴라 영상을 생성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수치표면모델(DSM)은 지면 및 지표피복물의 높이를 포함하는 모델이고,
    상기 수치지면모델(DTM)은 상기 수치표면모델(DSM)에서 지면의 높이와 다른 지표피복물에 대한 정보가 제거된 모델인 것을 특징으로 하는 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 정규수치표면모델(nDSM)을 생성하는 단계에서,
    상기 정규수치표면모델(nDSM)은 격자단위로 높이 정보를 저장하는 것을 특징으로 하는 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 정규수치표면모델(nDSM)의 수고와 현지 실측 수고를 비교할 때, RMSE( (Root Mean Square Error; 평균 제곱근 편차)가 1m 이하인 것을 특징으로 하는 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 방법.
  6. 임분고 추정 장치가 디지털항공사진으로부터 에피폴라 영상을 생성하는 단계;
    상기 임분고 추정 장치가 상기 에피폴라 영상으로부터 수치표면모델(DSM, Digital Surface Model)을 산출하는 단계;
    상기 임분고 추정 장치가 상기 수치표면모델을 포인트 클라우드로 변환 후 재분류하여 수치지면모델(DTM, Digital Terrain Model)을 추출하는 단계;
    상기 임분고 추정 장치가 상기 수치표면모델과 상기 수치지면모델의 차분 연산을 통해 수고(樹高)를 포함한 지형지물의 높이 정보를 포함하는 정규수치표면모델(nDSM, normalized Digital Surface Model)을 생성하는 단계;
    상기 임분고 추정 장치가 상기 정규수치표면모델(nDSM)의 수고를 이용하여 평균 임분고를 산출하고, 산출한 평균 임분고를 임상도에 추가하는 단계;를 포함하고,
    상기 임상도에 추가하는 단계는,
    상기 임분고 추정 장치가 디지털 항공사진에서 수관을 분할하여 수관 레이어와 상기 정규수치표면모델(nDSM)을 중첩, 수관별 최고높이를 탐색하여 개체목 수고를 추출하고 상기 임상도의 임분 폴리곤을 개별 구획(zone)으로 하여, 상기 임상도의 개별 구획별로 상기 정규수치표면모델(nDSM)으로부터 추출된 개체목 수고를 평균하는 구역적 통계(zonal statistics)를 수행하여 상기 임상도에 평균임분고를 추가하는 것을 특징으로 하는 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 디지털항공사진을 제공하는 디지털항공사진 제공 장치;
    상기 디지털항공사진 제공 장치로부터 입력받은 디지털항공사진을 기반으로 포인트 클라우드 기법을 이용하여 임분고를 추정하는 임분고 추정 장치;를 포함하고,
    상기 임분고 추정 장치가,
    디지털항공사진으로부터 에피폴라 영상을 생성하는 에피폴라 영상 생성부;
    상기 에피폴라 영상으로부터 수치표면모델(DSM, Digital Surface Model)을 산출하는 수치표면모델 산출부;
    상기 수치표면모델을 포인트 클라우드로 변환 후 재분류하여 수치지면모델(DTM, Digital Terrain Model)을 추출하는 수치지면모델 추출부;
    상기 수치표면모델과 상기 수치지면모델의 차분 연산을 통해 수고(樹高)를 포함한 지형지물의 높이 정보를 포함하는 정규수치표면모델(nDSM, normalized Digital Surface Model)을 생성하는 정규수치표면모델 생성부;
    상기 정규수치표면모델(nDSM)에서 추출된 수관별 수고값을 구역적 통계(zonal statistics)를 이용하여 임상도의 임분 폴리곤 별로 집계하고 평균을 계산하여 임상도의 임분 구획별로 평균 임분고를 산출하는 임분고 산출부;
    상기 임상도에 높이 필드를 추가하고 임분 폴리곤의 고유번호를 공용 필드(common filed)로 하여 임분고를 연결하는 임상도 연결부;
    상기 높이 필드에 정규수치표면모델(nDSM) 기반의 임분고를 할당하여 임상도에 수고를 추가하는 임분고 추가부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 에피폴라 영상 생성부는,
    상기 디지털항공사진에 내부표정, 상호표정 및 절대표정 과정을 거쳐 실세계 좌표를 부여하여 스테레오 영상을 생성하고, 실세계좌표가 부여된 스테레오 영상에 대한 항공삼각측량을 거쳐 에피폴라 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 수치표면모델(DSM)은 지면 및 지표피복물의 높이를 포함하는 모델이고,
    상기 수치지면모델(DTM)은 상기 수치표면모델(DSM)에서 지면의 높이와 다른 지표피복물에 대한 정보가 제거된 모델이고,
    상기 정규수치표면모델(nDSM)은 격자단위로 높이 정보를 저장하는 것을 특징으로 하는 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 시스템.
  12. 디지털항공사진으로부터 에피폴라 영상을 생성하는 에피폴라 영상 생성부;
    상기 에피폴라 영상으로부터 수치표면모델(DSM, Digital Surface Model)을 산출하는 수치표면모델 산출부;
    상기 수치표면모델을 포인트 클라우드로 변환 후 재분류하여 수치지면모델(DTM, Digital Terrain Model)을 추출하는 수치지면모델 추출부;
    상기 수치표면모델과 상기 수치지면모델의 차분 연산을 통해 수고(樹高)를 포함한 지형지물의 높이 정보를 포함하는 정규수치표면모델(nDSM, normalized Digital Surface Model)을 생성하는 정규수치표면모델 생성부;
    상기 정규수치표면모델(nDSM)의 수고값을 구역적 통계(zonal statistics)를 이용하여 임상도의 임분 폴리곤 별로 집계하고 평균을 계산하여 임상도의 임분 구획별로 평균 임분고를 산출하는 임분고 산출부;
    상기 임상도에 높이 필드를 추가하고 임분 폴리곤의 고유번호를 공용 필드(common filed)로 하여 임분고를 연결하는 임상도 연결부;
    상기 높이 필드에 정규수치표면모델(nDSM) 기반의 임분고를 할당하여 임상도에 수고를 추가하는 임분고 추가부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 에피폴라 영상 생성부는,
    상기 디지털항공사진에 내부표정, 상호표정 및 절대표정 과정을 거쳐 실세계 좌표를 부여하여 스테레오 영상을 생성하고, 실세계좌표가 부여된 스테레오 영상에 대한 항공삼각측량을 거쳐 에피폴라 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 디지털항공사진 기반의 임분고 추정 장치.
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