KR101690950B1 - 최소 기준점을 이용한 푸시브롬 스캔 방식 스트립 위성영상의 기하보정 방법 및 이의 시스템 - Google Patents

최소 기준점을 이용한 푸시브롬 스캔 방식 스트립 위성영상의 기하보정 방법 및 이의 시스템 Download PDF

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김상필
손홍규
송현승
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 위성 영상 처리 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 스트립 영상을 구성하는 영상 중 하나인 단영상의 모델링 결과를 전체 스트립 영상에 적용할 수 있는 위성 영상의 기하보정 방법 및 이의 시스템에 대한 것이다.

Description

최소 기준점을 이용한 푸시브롬 스캔 방식 스트립 위성영상의 기하보정 방법 및 이의 시스템{Method for correcting pushbroom scan scheme strip satellite images geometrically using minimum ground point and System thereof}
본 발명은 위성 영상 처리 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 스트립 영상을 구성하는 영상 중 하나인 단영상의 모델링 결과를 전체 스트립 영상에 적용할 수 있는 위성 영상의 기하보정 방법 및 이의 시스템에 대한 것이다.
특히, 본 발명은 동시에 파라미터의 수를 줄일 수 있는 Look-direction 보정 방법을 사용하고, 그 결과를 전체 스트립 영상에 적용하여 기하 보정에 필요한 기준점의 수를 최소화하는 위성 영상의 기하보정 방법 및 이의 시스템에 대한 것이다.
기하보정은 영상이 촬영될 당시의 기하를 재구성함으로서 영상좌표를 지상좌표로 변환하는 과정이다. 기하보정 결과에 따라 위성영상을 이용하여 제작되는 지도의 정확도가 결정되며, 이는 지도의 품질을 결정하는 가장 큰 요소로 작용한다.
기하보정 모델은 영상을 촬영한 센서의 중심과 영상에 촬영된 점, 대상물의 위치를 연결하는 직선으로부터 유도되는 공선 조건식에 기반한 물리적 모델과 근사식을 적용한 수학적 모델로 구분할 수 있다. 공선 조건식에 기반한 물리적 모델은 다시 항공사진 측량에서 주로 사용되는 위치-회전각(PR : Position and Rotation) 모델과, 궤도-자세(OA : Orbit and Attitude) 모델로 구분할 수 있다.
PR 수학적 모델로는 RFM(Rational Function Model)이라 불리는 다항식에 기반한 근사 모델이 가장 널리 사용되고 있다. 상업적으로 사용되는 위성의 경우 위성의 네비게이션 정보를 직접 사용자에게 배포하는 대신 RFM 모델을 풀기 위한 계수를 제공한다.
하지만 물리적 모델이나 수학적 모델에 관계없이 정확한 기하보정을 위해서는 실측을 통해 취득된 지상 기준점이 필요하며, 이는 위성영상을 이용하여 지도를 제작하는 과정에서 가장 큰 병목현상을 일으키는 과정이다.
이를 해결하기 위한 방법으로 첫째, 보정을 위한 매개변수의 수를 줄이는 방식과 둘째, 스트립으로 촬영된 영상을 동시에 모델링하는 방식이 제시되었다. 하지만 현재까지 제시된 방식들은 모두 최소 3점 이상의 지상 기준점을 필요로 하는 모델로서, 스트립 영상의 일부를 이용하여 모델링을 수행하고, 그 결과를 전체 영상에 적용시킨다.
1. 한국등록특허번호 제10-1197103호(2012.10.29)
1. 김태정, "선형 푸시브룸 센서모델의 번들조정 정확도 및 외부표정요소추정 정확도 분석"한국측량학회지 제23권 제2호 (2005. 6) pp.137-145 2. 정재훈외, "KOMPSAT-3 영상의 기하정확도 분석"대한원격탐사학회지 제30권 제1호 (2014년 2월) pp.37-45
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 스트립 영상을 구성하는 영상 중 하나인 단영상의 모델링 결과를 전체 스트립 영상에 적용할 수 있는 최소 기준점을 이용한 푸시브롬 스캔 방식 스트립 위성영상의 기하보정 방법 및 이의 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 동시에 파라미터의 수를 줄일 수 있는 Look-direction 보정 방식을 사용하고, 그 결과를 전체 스트립 영상에 적용한다는 새로운 컨셉의 접근 방식을 통해 기하보정에 필요한 기준점의 수를 최소화하는 기하보정 방법 및 이의 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 스트립 영상을 구성하는 영상 중 하나인 단영상의 모델링 결과를 전체 스트립 영상에 적용할 수 있는 최소 기준점을 이용한 푸시브롬 스캔 방식 스트립 위성영상의 기하보정 방법을 제공한다.
상기 기하보정 방법은,
(a) 푸시브룸(pushbroom) 스캔 방식 스트립 위성영상의 궤도 정보 파일에서 제공되는 위치 및 자세를 모델링하여 모델 정보를 생성하는 단계;
(b) 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성 영상이 취득될 당시의 기하를 재구성하도록 주사 방향(Look-direction) 보정을 위한 초기값을 설정하는 단계;
(c) 주사 방향(Look-direction) 보정 모델을 이용하여 상기 모델 정보로부터 보정요소를 산출하는 단계;
(d) 상기 보정요소와 초기값을 이용하여 보정량을 산출하는 단계; 및
(e) 상기 보정량을 이용하여 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성영상의 좌표값과 기준점의 지상좌표를 영상좌표로 변환한 좌표값의 차이값을 구하는 단계;
(f) 상기 차이값이 미리 설정되는 기준값에 수렴하면 상기 보정량을 이용하여 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성 영상을 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 (c) 단계는, 상기 모델링 정보는 테일러 급수를 이용하여 선형화되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 보정요소는 위성의 바디 좌표계를 기준으로 전방축 회전(Roll), 상하(Pitch), 좌우(Yaw) 방향에서 각각 정의되는 3차원 회전각의 변화량인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (f) 단계는 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성 영상 중 하나 혹은 일부에서 취득된 주사 방향의 보정 요소를 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성 영상 전체에 동일하게 적용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성영상은 영상 좌표, 센서 좌표, 바디 좌표, 지상좌표 순으로 변환되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 영상좌표와 지상좌표의 관계는 수학식
Figure 112015112828451-pat00001
(여기서,
Figure 112015112828451-pat00002
과
Figure 112015112828451-pat00003
는 센서 중심에서 대상으로 향하는 벡터로서, 각각 영상좌표계와 지상좌표계에서 정의되는 방향벡터이고,
Figure 112015112828451-pat00004
는 축척계수,
Figure 112015112828451-pat00005
은 주사 방향(Look-direction) 보정을 위한 3차원 회전 변환행렬이고,
Figure 112015112828451-pat00006
는 궤도좌표를 바디좌표로 변환하기 위한 변환행렬,
Figure 112015112828451-pat00007
는 지상좌표를 궤도좌표로 변환하기 위한 변환행렬을 나타낸다)으로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기준점은 지상에서의 위치와 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성영상의 위치를 동시에 확인할 수 있는 점이며, 상기 초기값은 상기 보정량을 산출할 때 마다 영(0)으로 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일실시예는, 푸시브룸(pushbroom) 스캔 방식 스트립 위성영상을 수신하는 수신부; 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성영상의 궤도 정보 파일에서 제공되는 위치 및 자세를 모델링하여 모델 정보를 생성하는 모델링 모듈; 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성 영상이 취득될 당시의 기하를 재구성하도록 주사 방향(Look-direction) 보정을 위한 초기값을 설정하고, 주사 방향(Look-direction) 보정 모델을 이용하여 상기 모델 정보로부터 보정요소를 산출하고, 상기 보정요소와 초기값을 이용하여 보정량을 산출하며, 상기 보정량을 이용하여 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성영상의 좌표값과 기준점의 지상좌표를 영상좌표로 변환한 좌표값의 차이값을 구하는 보정 모듈; 및 상기 차이값이 미리 설정되는 기준값에 수렴하면 상기 보정량을 이용하여 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성 영상을 보정하는 적용 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 최소 기준점을 이용한 푸시브롬(pushbroom) 스캔 방식 스트립 위성영상의 기하보정 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 푸시브룸(Pushbroom) 방식으로 촬영된 위성영상의 기하보정에 요구되는 기준점 수를 최소화함으로써, 지도제작의 효율성을 높이고 비용을 절감할 수 있다.
특히, 본원발명의 다른 효과로서는 보정요소 사이의 correlation을 풀기 위해 최소 2점 이상의 기준점을 사용하는 모델을 이용함으로써 기준점 취득에 요구되는 비용을 절감할 수 있으며, 기준점 취득이 제한되는 경우에도 전체 스트립에 대해 2개의 기준점만 취득하면 보정이 가능하므로 활용성이 높아진다는 점을 들 수 있다.
부연하면, 단일 기준점을 사용하는 경우 변수 사이의 상관관계가 존재하며, 상관관계가 낮은 자료의 경우 관계없지만 상관관계가 높은 경우 보정량이 잘못 추정될 수 있다.
기준점을 둘 이상 사용할 경우 이러한 상관관계와 상관없이 안정적으로 보정량을 추정할 수 있다. 또한, 그 외의 기존 논문 등에서 소개된 방법의 경우 영상 혹은 전체 모델에 대해서 3개 이상의 기준점을 필요로 하는 모델이므로 최소한의 기준점을 사용할 수 있어 기준점 취득에 요구되는 비용을 절감할 수 있으며, 기준점 취득이 제한되는 경우에도 전체 스트립에 대해 2개의 기준점만 취득하면 보정이 가능하므로 활용성이 높아진다.
특히, 본 발명의 다른 효과로서는 스트립 영상 중 한 영상에서만 기준점을 취득하더라도 전체 영상의 정확도를 확보할 수 있음으로써, 국내 푸시브룸(Pushbroom) 방식 위성인 KOMPSAT(KOrea Multipurpose SATellite)-2, 3영상의 해외 활용성 향상을 꾀할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 국방분야의 활용을 위해 접근이 제한되는 북한지역에 대한 정확한 지도제작 역시 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위성 영상의 기하 보정 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 일반적으로 단영상에 대한 주사 방향(Look-direction) 보정에 대한 개념을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 방법의 검증을 위해 사용된 위성 영상 자료와 보정에 사용된 기준점의 위치를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 바와 같이 제주도에 위치한 기준점을 이용해 보정을 수행하고, 그 결과를 전체 스트립 영상에 적용하여 나타난 실험 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 위성 영상의 기하 보정을 수행하는 기하 보정 시스템의 구성도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 최소 기준점을 이용한 푸시브롬 스캔 방식 스트립 위성영상의 기하보정 방법 및 이의 시스템을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위성 영상의 기하 보정 과정을 보여주는 흐름도이다. 본 발명은 단영상에 대한 주사 방향(Look-direction) 보정 방식과 단영상의 보정 결과를 스트립 전체에 적용하는 방식의 두 부분으로 크게 구분할 수 있다.
먼저, 단영상에 대한 주사 방향(Look-direction) 보정의 경우 공선 조건식에 기반한 물리적 모델을 사용하고 있다. 일반적으로 위성영상의 기하보정에 사용되는 물리적 모델은 위성의 네비게이션 시스템에서 제공되는 위치 및 자세에 대한 오차의 보정을 목적으로 하고 있다.
그러나 위성에 사용되는 네비게이션 시스템의 발전으로 인해 위성의 네비게이션 시스템에서 제공되는 위치/자세 정보의 정확도가 상당히 향상되었다. 그럼에도 불구하고 기하보정이 필요한 주된 이유는 위성의 네비게이션 시스템과 영상을 취득하는 센서 사이의 부정합(misalignment)이 존재하기 때문이다.
네비게이션 시스템에서 제공되는 위치/자세정보와 실제 센서가 가지는 위치 및 자세 사이의 부정합(misalignment)에는 위치에 대한 요소와 자세에 대한 요소가 있으나 위치에 대한 오차는 그 전파의 영향이 크지 않으므로 무시할 수 있다.
따라서, 도 2에 나타난 바와 같이 위성의 네비게이션 시스템에서 인식하고 있는 센서가 바라보는 방향과 실제 센서가 바라보는 방향 사이에 오차가 기하보정의 주된 오차 요인이 되며, 본 발명에서는 이를 보정하기 위한 주사 방향(Look-direction) 보정 기술을 제시하고자 한다.
특히, 주사 방향(Look-direction)에 대한 오차는 위성의 위치/자세정보와 달리 위성이 안정적으로 운행하는 환경 하에서는 쉽사리 변하지 않는 특징을 가지고 있다. 따라서 네비게이션 시스템의 오차가 아닌 Look-direction에 대한 오차가 위성영상의 기하보정에서 발생하는 오차의 주 요인이 된다는 가정은 위성이 안정적으로 진행하며 촬영한 스트립 영상의 경우 스트립 영상 중 하나 혹은 일부 영상에서 모델링한 보정 결과를 전체 영상에 적용할 수 있다는 이론적 근거가 된다.
푸시브룸(Pushbroom) 스캔 방식의 위성영상은 영상 좌표계, 센서 좌표계, 바디 좌표계, 지상 좌표계의 네 가지 좌표계를 가진다. 영상 좌표계는 영상의 중심을 기준으로 행(row), 열(column)로 정의되는 2차원 좌표계이며, 센서 좌표계는 센서 중심을 기준으로 정의되는 좌표계이다. 바디 좌표계는 위성 바디의 무게중심을 기준으로 위성의 진행방향과 지구 중심방향, 그리고 그에 직교하는 방향을 기준으로 정의된다. 마지막의 지상 좌표계는 지구중심을 기준으로 정의되는 3차원 좌표계로서 지구의 자전축을 Z축으로, 적도면에서 그리니치 자오선의 방향을 X축으로, 그에 직교하는 방향을 Y축으로 정의된다.
위성영상 기하보정의 목적은 위성 영상이 취득될 당시의 기하를 재구성함으로써 영상에서 취득된 좌표와 지상좌표 사이의 관계를 정립하는 것이므로 차례대로 영상좌표, 센서좌표, 바디좌표, 지상좌표로의 변환을 수행하게 된다(단계 S110). 영상좌표를 나타내면 다음 수학식과 같다.
Figure 112015112828451-pat00008
여기서,
Figure 112015112828451-pat00009
과
Figure 112015112828451-pat00010
는 센서 중심에서 대상으로 향하는 벡터로서, 각각 영상좌표계와 지상좌표계에서 정의되는 방향벡터이다.
Figure 112015112828451-pat00011
는 바디좌표를 센서좌표로 변환하기 위한 변환행렬이며,
Figure 112015112828451-pat00012
는 지상좌표를 바디좌표로 변환하기 위한 변환행렬이다. 또한,
Figure 112015112828451-pat00013
는 축척계수이다.
기존의 기하 보정 모델의 경우 센서에서 취득된 네비게이션 시스템의 위치 및 자세정보를 의미하는
Figure 112015112828451-pat00014
에 대한 보정을 실시한다. 이와 달리, 본 발명의 일실시예에서 제시하는 주사방향(Look-direction) 보정방법은 위성의 네비게이션 시스템의 정확도가 향상되어 신뢰할 만한 수치를 제공한다는 것을 가정하고 있기 때문에
Figure 112015112828451-pat00015
에 대한 보정을 수행하지 않는다.
Figure 112015112828451-pat00016
는 위성의 Ephemeris 파일에서 제공되는 위성의 위치 및 자세로부터 구할 수 있으며, 위성의 Ephemeris 파일에서 제공되는 위치 및 자세는 위성이 안정적으로 운행한다는 가정 하에 시간에 대한 2차식으로 모델링할 수 있다.
대신 수학식 2와 같이 센서의 네비게이션 시스템에서 제공하는 바디좌표와 실제 센서에서 취득되어 제공되는 영상좌표 사이의 부정합(misalignment)에서 발생하는 오차를 나타내는 3차원 회전 변환행렬
Figure 112015112828451-pat00017
을 추가하여
Figure 112015112828451-pat00018
에 대한 보정을 실시한다.
Figure 112015112828451-pat00019
여기서,
Figure 112015112828451-pat00020
는 축척계수,
Figure 112015112828451-pat00021
은 주사 방향(Look-direction) 보정을 위한 3차원 회전 변환행렬이고,
Figure 112015112828451-pat00022
는 궤도좌표를 바디좌표로 변환하기 위한 변환행렬,
Figure 112015112828451-pat00023
는 지상좌표를 궤도좌표로 변환하기 위한 변환행렬을 나타낸다.
주사 방향(Look-direction) 보정에서 보정을 위해 추정하고자 하는 값은
Figure 112015112828451-pat00024
을 구성하는 3차원 회전의 각 요소인
Figure 112015112828451-pat00025
로서,
Figure 112015112828451-pat00026
는 위성의 바디좌표계를 기준으로 전방축 회전(Roll), 상하(Pitch), 좌우(Yaw) 방향에서 각각 정의되는 3차원 회전각을 의미한다(단계 S120,S130,S140).
하나의 기준점으로부터 X, Y, Z축에 대한 세 개의 식이 만들어지고, 구하고자 하는 미지수의 수가
Figure 112015112828451-pat00027
의 3개 이므로 하나의 기준점으로도 보정값을 구할 수 있어야 하나, 이론적으로 보정요소인
Figure 112015112828451-pat00028
사이에 상관관계가 존재하여 2개 이상의 기준점이 있어야 한다. 기준점은 지상좌표를 알고 있으며, 영상에서 명확히 식별할 수 있는 지점으로서, 일반적으로 맨홀, 교차로의 중심선, 도로의 모서리 등을 사용하며, 실측 혹은 이미 기하보정을 수행하여 생성된 정사영상 등으로부터 지상좌표를 취득하여 사용하게 된다.
그러나 실질적으로 적용하는 과정에서는
Figure 112015112828451-pat00029
의 영향이 상대적으로 미미하여 다른 요소와의 상관관계를 무시할 수 있을 정도의 값을 가짐으로써 하나의 기준점만으로도 보정이 가능한 것으로 확인되었다.
이를 보정하기 위한 방법으로는 지상에서의 위치와 위성영상에서의 위치를 동시에 알 수 있는 기준점을 이용한 최소 제곱법이 사용된다. 최소 제곱법은 선형 방정식을 대상으로 하나 주사 방향 보정 모델이 삼각함수로 구성되는 3차원 회전행렬이므로, 테일러 급수를 이용해서 선형화한다.
수학식 2의 변수 중 좌변의
Figure 112015112828451-pat00030
은 관측값, 보정하고자 하는
Figure 112015112828451-pat00031
는 미지수에 해당하며, 그 외의 값은 알고있는 값으로서 상수로 취급할 수 있다. 즉
Figure 112015112828451-pat00032
은
Figure 112015112828451-pat00033
의 함수로 표현할 수 있으며,
Figure 112015112828451-pat00034
의
Figure 112015112828451-pat00035
,
Figure 112015112828451-pat00036
,
Figure 112015112828451-pat00037
성분을
Figure 112015112828451-pat00038
의 함수로 표현한 식을 각각
Figure 112015112828451-pat00039
,
Figure 112015112828451-pat00040
,
Figure 112015112828451-pat00041
라 할 때, 각 식을 테일러 급수를 이용해 선형화시키면 수학식 3과 같은 선형방정식으로 표현이 가능하며, 이를 행렬 형태로 정리하면 수학식 4와 같은 행렬식을 얻을 수 있다.
Figure 112015112828451-pat00042
Figure 112015112828451-pat00043
여기서,
Figure 112015112828451-pat00044
는
Figure 112015112828451-pat00045
의
Figure 112015112828451-pat00046
,
Figure 112015112828451-pat00047
,
Figure 112015112828451-pat00048
성분을,
Figure 112015112828451-pat00049
는 초기값을 대입했을 때의 각 함수의 추정값으로 식 4의 좌변은 관측값과 추정값 사이의 잔차를 나타내며,
Figure 112015112828451-pat00050
는 각 함수를 보정요소인
Figure 112015112828451-pat00051
로 편미분하여 생성한 Jacobian 행렬의 각 요소이다. 또한,
Figure 112015112828451-pat00052
는 초기
Figure 112015112828451-pat00053
값에 대한 보정량이다.
선형화된 행렬식을 대상으로 최소 제곱법을 적용할 경우 초기값을 이용하여 보정량을 구하고, 이를 초기값에 더하여 업데이트 시키는 방법으로 반복적으로 해에 근접해 나간다(단계 S140,S150,S160,S170).
부정합(misalignment)을 보정하기 위한 회전각의 양이 크지 않으므로 초기값은 3차원 회전 요소에 모두 0으로 적용하여 보정량을 구하여 업데이트 시키면 약 3~4회 내에 미리 설정되는 특정값에 수렴하는 결과를 나타낸다.
앞서 언급한 바와 같이 부정합(misalignment)으로 발생하는 주사 방향(Look-direction)에 대한 오차는 위성이 안정적으로 운행하는 환경하에서는 쉽사리 변하지 않는 특징을 가지고 있다.
따라서, 하나 혹은 일부의 영상에서 취득한 보정값을 스트립 영상 전체에 적용할 수 있다(단계 S180). 이를 검증하기 위해 Pushbroom 방식으로 취득된 SPOT 5영상을 이용하였다.
도 2는 일반적으로 단영상에 대한 주사 방향(Look-direction) 보정에 대한 개념을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 위성의 네비게이션 시스템에서 인식하고 있는 센서가 바라보는 방향과 실제 센서(220)가 표적(200)을 바라보는 방향, 즉 실제 주사방향(210)과 예측 주사방향(220) 사이에 오차(230)가 발생한다. 이는 기하보정의 주된 오차 요인이 된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 방법의 검증을 위해 사용된 위성 영상 자료와 보정에 사용된 기준점의 위치를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 도 3은 검증에 사용된 SPOT-5 위성영상과 주사 방향(Look-direction) 보정을 위해 사용된 제주도에 위치한 기준점(310)의 위치를 나타내고 있다. 검증은 스트립 최하단에 위치한 영상에 대해 Look-drection 보정을 수행하고, 그 결과를 최대 600km 떨어진 스트립 최상단 영상까지 동일하게 적용하여 정확도를 평가하는 방식으로 이루어졌다.
도 4는 도 2에 도시된 바와 같이 제주도에 위치한 기준점을 이용해 보정을 수행하고, 그 결과를 전체 스트립 영상에 적용하여 나타난 실험 결과 그래프이다. 도 4에서, X축은 기준영상으로부터의 거리, Y축은 각 영상의 평균 정확도를 나타낸다. 특히, 그래프의 X축은 기준영상으로부터의 거리, Y축은 각 영상의 평균 정확도를 나타낸다. 본 발명의 일실시예에 따른 기하 보정 모델(420)은 검증 결과 기준점을 포함하고 있는 최하단 영상에서 0.5픽셀 이내의 정확도를 나타내 기존의 기하보정 모델(410)과 비교해서 큰 차이가 없는 정확도를 확보할 수 있음이 확인되었으며, 600km가 떨어진 최상단 영상에서도 기준점 없이 3 픽셀 이내의 정확도가 확보 가능한 것으로 나타났다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 위성 영상의 기하 보정을 수행하는 기하 보정 시스템(500)의 구성도이다. 도 5를 참조하면, 기하 보정 시스템(500)은, 표적(510), 이 표적(510)을 촬영하여 푸시브룸(pushbroom) 스캔 방식 스트립 위성영상을 생성하는 위성(520), 이 위성영상을 수신하여 주사 방향 보정을 수행하는 영상 처리 장치(540)를 포함하여 구성된다.
또한, 이 영상 처리 장치(540)는 푸시브룸 스캔 방식 위성영상의 궤도 정보 파일에서 제공되는 위치 및 자세를 모델링하여 모델 정보를 생성하는 모델링 모듈(541), 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성 영상이 취득될 당시의 기하를 재구성하도록 주사 방향(Look-direction) 보정을 위한 초기값을 설정하고, 주사 방향(Look-direction) 보정 모델을 이용하여 상기 모델 정보로부터 보정요소를 산출하고, 상기 보정요소와 초기값을 이용하여 보정량을 산출하며, 상기 보정량을 이용하여 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성영상의 좌표값과 기준점의 지상좌표를 영상좌표로 변환한 좌표값의 차이값을 구하는 보정 모듈(543), 및 상기 차이값이 미리 설정되는 기준값에 수렴하면 상기 보정량을 이용하여 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성 영상을 보정하는 적용 모듈(545) 등으로 구성된다.
위에서 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
500: 기하보정 시스템
510: 표적
520: 위성
530: 수신부
540: 영상 처리 장치
541: 모델링 모듈 543: 보정 모듈
545: 적용 모듈

Claims (8)

  1. (a) 푸시브룸(pushbroom) 스캔 방식 스트립 위성영상의 궤도 정보 파일에서 제공되는 위치 및 자세를 모델링하여 모델 정보를 생성하는 단계;
    (b) 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성 영상이 취득될 당시의 기하를 재구성하도록 주사 방향(Look-direction) 보정을 위한 초기값을 설정하는 단계;
    (c) 주사 방향(Look-direction) 보정 모델을 이용하여 상기 모델 정보로부터 보정요소를 산출하는 단계;
    (d) 상기 보정요소와 초기값을 이용하여 보정량을 산출하는 단계; 및
    (e) 상기 보정량을 이용하여 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성영상의 좌표값과 기준점의 지상좌표를 영상좌표로 변환한 좌표값의 차이값을 구하는 단계;
    (f) 상기 차이값이 미리 설정되는 기준값에 수렴하면 상기 보정량을 이용하여 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성 영상을 보정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 최소 기준점을 이용한 푸시브롬(pushbroom) 스캔 방식 스트립 위성영상의 기하보정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는, 상기 모델링 정보는 테일러 급수를 이용하여 선형화되는 것을 특징으로 하는 최소 기준점을 이용한 푸시브롬 스캔 방식 스트립 위성영상의 기하보정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정요소는 위성의 바디 좌표계를 기준으로 전방축 회전(Roll), 상하(Pitch), 좌우(Yaw) 방향에서 각각 정의되는 3차원 회전각의 변화량인 것을 특징으로 하는 최소 기준점을 이용한 푸시브롬 스캔 방식 스트립 위성영상의 기하보정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (f) 단계는 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성 영상 중 하나 혹은 일부에서 취득된 주사 방향의 보정 요소를 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성 영상 전체에 동일하게 적용하는 것을 특징으로 하는 최소 기준점을 이용한 푸시브롬 스캔 방식 스트립 위성영상의 기하보정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성영상은 영상 좌표, 센서 좌표, 바디 좌표, 지상좌표 순으로 변환되는 것을 특징으로 하는 최소 기준점을 이용한 푸시브롬 스캔 방식 스트립 위성영상의 기하보정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 영상좌표와 지상좌표의 관계는 수학식
    Figure 112015112828451-pat00054
    (여기서,
    Figure 112015112828451-pat00055
    는 축척계수,
    Figure 112015112828451-pat00056
    은 주사 방향(Look-direction) 보정을 위한 3차원 회전 변환행렬이고,
    Figure 112015112828451-pat00057
    는 궤도좌표를 바디좌표로 변환하기 위한 변환행렬,
    Figure 112015112828451-pat00058
    는 지상좌표를 궤도좌표로 변환하기 위한 변환행렬을 나타낸다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 최소 기준점을 이용한 푸시브롬 스캔 방식 스트립 위성영상의 기하보정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준점은 지상에서의 위치와 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성영상의 위치를 동시에 확인할 수 있는 점이며, 상기 초기값은 상기 보정량을 산출할 때 마다 영(0)으로 설정되는 것을 특징으로 하는 최소 기준점을 이용한 푸시브롬 스캔 방식 스트립 위성영상의 기하보정 방법.
  8. 푸시브룸(pushbroom) 스캔 방식 스트립 위성영상을 수신하는 수신부;
    상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성영상의 궤도 정보 파일에서 제공되는 위치 및 자세를 모델링하여 모델 정보를 생성하는 모델링 모듈;
    상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성 영상이 취득될 당시의 기하를 재구성하도록 주사 방향(Look-direction) 보정을 위한 초기값을 설정하고, 주사 방향(Look-direction) 보정 모델을 이용하여 상기 모델 정보로부터 보정요소를 산출하고, 상기 보정요소와 초기값을 이용하여 보정량을 산출하며, 상기 보정량을 이용하여 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성영상의 좌표값과 기준점의 지상좌표를 영상좌표로 변환한 좌표값의 차이값을 구하는 보정 모듈; 및
    상기 차이값이 미리 설정되는 기준값에 수렴하면 상기 보정량을 이용하여 상기 푸시브룸 스캔 방식 스트립 위성 영상을 보정하는 적용 모듈;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 최소 기준점을 이용한 푸시브롬(pushbroom) 스캔 방식 스트립 위성영상의 기하보정 시스템.
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