KR101965965B1

KR101965965B1 - 위성영상과 제공 rpc로부터 제작된 수치표고모델의 자동 오차보정 방법

Info

Publication number: KR101965965B1
Application number: KR1020170113385A
Authority: KR
Inventors: 이효성
Original assignee: 순천대학교 산학협력단
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2019-08-13
Also published as: KR20190026452A

Abstract

개시된 본 발명에 따른 위성영상과 제공 RPC로부터 제작된 수치표고모델의 자동 오차보정 방법은 위성을 통해 촬영된 복수의 위성 영상과 제공된 RPC를 이용하여 상대표정 RPC를 구하는 단계(S100), 상대표정 RPC로 상대표정 수치표고모델(DEM)을 제작하는 단계(S200, 상대표정 수치표고모델 영역 내에 위치하는 복수의 지상기준점을 확보하는 단계(S300), 복수의 지상기준점과 이에 대응하는 상대표정 수치표고모델 평면위치에서의 높이차를 이용하여 LHD 매칭을 수행하는 단계(S400), LHD 매칭을 통해 오차보정을 위한 변환계수를 산출하는 단계(S500), 및 상기 변환계수를 이용하여 상대표정 수치표고모델의 오차를 보정하여 절대표정 수치표고모델을 제작하는 단계(S500)를 포함하여 구성된다. 본 발명에 의하면 현장관측과 영상좌표 독취 작업 없이도 국가 기준점을 포함한 기 구축된 복수의 기준점 위치자료만을 이용하여 위성영상으로부터 제작된 부정확한 수치표고모델(DEM)을 자동 보정할 수 있으며, 이를 통해 종래 지상기준점 확보와 영상좌표 독취에 소요되는 시간과 경비를 줄일 수 있는 효과를 갖는다.

Description

위성영상과 제공 RPC로부터 제작된 수치표고모델의 자동 오차보정 방법{A METHOD OF AUTOMATIC GEOMETRIC CORRECTION OF DIGITAL ELEVATION MODEL MADE FROM SATELLITE IMAGES AND PROVIDED RPC}

본 발명은 위성영상과 제공 RPC로부터 제작된 수치표고모델의 오차를 자동으로 보정하는 기술에 관한 것이다.

고해상도 위성영상은 원격탐사분야, 사진측량분야, 지리정보시스템, 지형의 3차원 시물레이션, 국토개발, 지구과학, 군사·방위 등의 목적에 유용되고 있으며 새로운 분야에 활용영역을 확대해 나가고 있다.

고해상도 위성영상을 사용하여 양질의 국토공간정보를 확보하기 위해서는 영상을 수집하는 센서의 특성을 파악하고 적절한 모델링을 수행하여 높은 정확도로 3차원 지형정보를 획득할 수 있어야 한다. 대부분의 고해상도 영상데이터는 수치영상과 함께 센서정보도 제공되는데 특히, 센서정보로는 물리적센서모델링(physical sensor modeling)과 일반센서모델링(generalized sensor modeling)에 사용되는 자료가 포함되어 있다.

물리적센서모델링 자료에는 센서의 내부표정요소(CCD Array 크기, 영상왜곡량, 초점거리 등)와 외부표정요소(센서의 위치와 자세)가 제공된다. 일반센서모델링 자료로는 이 모델링의 대표적인 방법인 RFM(Rational Function Model)에 사용되는 RPC(Rational Polynomial Coefficient)가 제공된다. 이 RPC는 센서의 내·외부표정요소를 대체한다. RPC는 물리적센서모델에 비해 3차원 위치 측정 방법이 간편하고 정확도도 뒤떨어지지 않기 때문에 많이 사용되고 있다.

한편, 우리나라에서는 2012년 5월 18일, 아리랑위성 3호(KOMPSAT-3, The Korea Multi-Purpose [0006] Satellite 3)가 성공리에 발사되어 고해상도 영상(0.7m 해상도의 흑백영상과 2.8m 해상도의 4개 파장대 컬러영상)을 수신하고 있으며 2013년 3월부터 일반인에게 제공되고 있다. 이 위성은 1호, 2호 위성과 비교하여 위성체의 고속 자세제어 능력을 갖추고 있고 관측 영상의 해상도가 향상되어 국가의 고해상도 영상 수요를 지속적으로 충족할 수 있게 되었다.

아리랑위성 3호 영상은 센서왜곡이 보정된 Level 1R 영상 또는 기하보정된 Level 1G 영상으로 제공되고 있고, 이 영상과 함께 메타데이터로 제공되는 RPC의 평면위치 정확도(CE90; Circular Error at 90% Probability)는 대략 50m로 보고되고 있다(KARI, 2013). 이는 제공 RPC가 위성센서와 카메라의 기하학적 왜곡을 포함하고 있는 물리적 센서모델로부터 생성된 것이기 때문이다. 이러한 오차를 최소화 하고, 대상지역의 정밀한 지상좌표를 구하기 위해, 기존에는 지상기준점(3차원 지상좌표가 측정되어 있고 영상에 선명히 나타나 정밀한 영상좌표를 읽을 수 있는 점) 측량으로 RPC의 정확도를 향상시켰다. 이러한 지상기준점의 개수는 요구되는 정확도에 따라 다르나 최소 한 점 이상이어야 한다.

고해상도 위성영상으로부터 제작된 수치표고모델(Digital Elevation Model:DEM)의 보정 또는 RPC 보정을 위한 지상기준점은 영상범위내의 통합기준점이나 GPS 상시관측소의 사전조사와 현장답사 또는 GPS 측량을 통한 지상좌표 획득과 영상에서 동일한 지점의 영상좌표 독취작업과 같은 매우 번거로운 작업이 뒤따라야 하는데 이는 많은 시간과 경비가 필요한 문제점이 있다. 그리고 현장 여건상 지상기준점은 영상전체를 포괄할 수 없고, 영상에서의 기준점 배치 상태와 분포에 따라서도 보정결과에 영향을 줄 수 있기 때문에 이를 대체 또는 보완할 수 있는 방법이 필요하다.

한국등록특허 제10-1711575호 (2017.03.03. 공고)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 수치표고모델의 보정을 위해, 필요한 지상 기준점이 영상범위내의 통합기준점이나 GPS 상시관측소의 사전조사와 현장답사 또는 GPS 측량을 통한 지상좌표 획득과 영상좌표 독취작업 등과 같은 번잡한 기준점 측량작업을 필요로 하지 않고, 국가 기준점과 같은 기 구축된 기준점의 지상좌표 정보만 이용하여 수치표고모델을 자동으로 보정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 위성영상과 제공 RPC로부터 제작된 수치표고모델의 자동 오차보정 방법은 위성을 통해 촬영된 복수의 위성 영상과 제공된 RPC를 이용하여 상대표정 RPC를 구하는 단계(S100); 상기 상대표정 RPC로 상대표정 수치표고모델(DEM)을 제작하는 단계(S200); 상기 상대표정 수치표고모델 영역 내에 위치하는 복수의 지상기준점을 확보하는 단계(S300); 상기 복수의 지상기준점과 이에 대응하는 상대표정 수치표고모델 평면위치에서의 높이차를 이용하여 LHD 매칭을 수행하는 단계(S400); 상기 LHD 매칭을 통해 오차보정을 위한 변환계수를 산출하는 단계(S500); 및 상기 변환계수를 이용하여 상대표정 수치표고모델의 오차를 보정하여 절대표정 수치표고모델을 제작하는 단계(S500);를 포함하여 구성된다.

상기 S300의 복수의 지상 기준점을 확보하는 단계는, 위성영상에서 제공하는 메타파일로부터 촬영된 지역의 위도와 경도를 찾아내고, 해당 위도와 경도의 지역 내에서 기 구축된 복수의 기준점의 좌표 정보를 찾는 것을 의미한다.

상기 S400의 LHD 매칭을 수행하는 단계는, 상기 확보한 복수의 지상 기준점과 이에 대응하는 상대표정 수치표고모델에서 동일한 평면위치를 찾고, 상기 동일한 평면 위치에서의 높이차가 일정하다는 가정에서 수행된다.

한편, 상기 S500 단계 이후 정확도를 평가하는 정확도 평가 단계(S600)를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 수치표고모델 보정 방법은 현장관측과 영상좌표 독취 작업 없이도 국가 기준점을 포함한 기 구축된 복수의 기준점 위치자료만을 이용하여 위성영상으로부터 제작된 부정확한 수치표고모델(DEM)을 자동 보정할 수 있으며, 이를 통해 종래 지상기준점 확보와 영상좌표 독취에 소요되는 시간과 경비를 줄일 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 위성영상과 제공 RPC로부터 제작된 수치표고모델의 자동 오차보정 방법을 설명하는 흐름도,
도 2는 도 1의 상대표정 RPC를 구하는 개념을 설명하는 도면,
도 3은 도 1의 상대표정 수치표고모델과 기 구축된 지상 기준점으로부터 LHD 매칭을 통해 변환계수 산출과정을 설명하기 위한 개념도이다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 위성영상과 제공 RPC로부터 제작된 수치표고모델의 자동 오차보정 방법 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 위성영상과 제공 RPC로부터 제작된 수치표고모델의 자동 오차보정 방법은, 위성을 통해 촬영된 복수의 위성 영상과 제공된 RPC를 이용하여 상대표정 RPC를 구하는 단계(S100); 상기 상대표정 RPC로 상대표정 수치표고모델(DEM)을 제작하는 단계(S200); 상기 상대표정 수치표고모델 영역 내에 위치하는 복수의 지상기준점을 확보하는 단계(S300); 상기 복수의 지상기준점과 이에 대응하는 상대표정 수치표고모델 평면위치에서의 높이차를 구하고 LHD(Least Squares H-Differences) 매칭을 수행하여, 오차보정을 위한 변환계수를 산출하는 단계(S400); 및 상기 변환계수를 이용하여 상대표정 수치표고모델의 오차를 보정하여 절대표정 수치표고모델을 제작하는 단계(S500);를 포함하여 구성된다.

먼저 상대표정 RPC를 구하는 단계(S100)를 설명하기로 한다.

상대표정 RPC는 복수의 위성영상(스테레오 위성영상)과 제공된 RPC를 이용하여 구할 수 있다. 도 2에 나타난 바와 같이, 지상의 특정지점에 대한 복수의 위성영상(영상 1, 영상 2)의 영상좌표를 구한다. 상기 특정지점은 영상전반에 걸쳐 수십 점(또는 수백 점)이 될 수 있으며, 이러한 수십점의 좌,우(영상 1, 영상 2) 동일 영상좌표를 구한다. 그 후 제공되는 RPC와 상기 구한 영상좌표를 이용하여 RFM(Rational Function Model) 식에 입력해 특정지점의 3차원 좌표를 구한다. 그리고 상기 구한 3차원 좌표와 상기 특정지점의 대응되는 영상좌표를 이용하여 좌,우(영상 1, 영상 2) 각각에 대한 RPC를 재계산하여 구하면, 이 구해진 RPC가 상대표정 RPC가 된다. 이러한 상대표정 RPC는 ‘ERDAS IMAGINE LPS’S/W와 같은 영상처리 프로그램을 이용하여 구할 수 있다.

이렇게 상대표정 RPC를 이용해 후술할 상대표정 수치표고모델(DEM)의 정확도를 높일 수 있게 된다. 본 발명은 이미 알고 있는 국가 기준점과 같은 지상 기준점과 상대표정 수치표고모델(DEM)을 이용하여 오차를 보정하는 것이므로, 상대표정 수치표고모델(DEM)의 품질이 우수해야 더 좋은 오차 보정 효과를 가질 수 있다.

다음으로 상기 상대표정 RPC로 상대표정 수치표고모델(DEM)을 제작한다(S200). 수치표고모델(DEM)은 두 개의 위성영상으로 구할 수 있는데, 이러한 수치표고모델 제작하는 방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 공지의 기술에 해당하므로 상세한 설명은 생략하기로 하는데, 보통 ‘ERDAS IMAGINE LPS’ S/W와 같은 영상처리 프로그램을 이용하여 구할 수 있다.

다음으로 제작된 상대표정 수치표고모델(DEM) 영역 내 기 구축된 복수의 지상 기준점을 확보한다(S300).

여기서 상기 기 구축된 지상 기준점은 국가 기준점을 포함한 기 구축된 기준점을 의미하는 것으로, 국가 기준점은 국내의 경우 국토지리정보원(National Geographic Information Institute, NCII)에서 제공하는 삼각점, 수준점 및 통합기준점(UCP:Unified Control Point, 평면위치, 표고, 타원체고, 중력값 등이 정밀 측정되어 있는 점)을 포함한다. 따라서 본 발명에 의하면 종래와 같이 지상 기준점을 현지에서 측량하거나 영상좌표 독취작업 등과 같은 번거로운 기준점 측량작업 필요 없이, 기 구축된 기준점의 지상좌표 정보를 이용하여 수치표고모델(DEM)의 오차를 보정할 수 있는 이점이 있다.

지상 기준점을 확보하는 방법은 위성영상에서 제공하는 메타파일로부터 촬영된 지역의 위도와 경도를 찾아내고, 해당 위도와 경도의 지역에 대해 국토지리정보원에서 제공하는 국가 기준점 또는 기 구축된 기준점 정보를 이용해 복수의 지상 기준점의 3차원 좌표정보를 찾게 된다. 도 3을 참조하면, 왼쪽 하부 사진도면에 노란 점들이 표시되는데, 상기 노란 점들이 국가 기준점인 통합기준점들(United Control Points:UCPs)을 나타낸 것이다.

다음으로 LHD(Least Squares Height-Differences) 매칭을 수행하여 상대표정 수치표고모델(DEM)을 보정할 수 있는 변환계수를 산출한다(S400).

LHD 매칭을 수행하기 위해서는 먼저 도 3에 나타난 바와 같이, 상기 S300 단계에서 확보한 지상 기준점들과 상대 수치표고모델(DEM) 영역에서의 동일한 평면 위치(즉 X,Y 좌표가 같은 지점)를 찾고, 두 지점 간의 높이차를 계산한다. X,Y 좌표가 같기 때문에 두 지점 같의 높이차는 자동으로 계산될 수 있다. 여기서 복수의 지상 기준점들과 상대 수치표고모델(DEM) 위치에서의 높이 차이는 일정해야 한다.

그 후 상기 확보된 복수의 지상 기준점 위치(X, Y, Z)와 상대 수치표고모델(DEM) 위치

를 이용하여 LHD 매칭을 수행한다.

복수의 지상 기준점 위치(X, Y, Z)는 아래 식 1에서와 같이 상대 수치표고모델(DEM) 위치에 대해 일정 크기의 스케일 팩터(Scale Factor)

, 회전 행렬(Rotation Matrix) R, 이동 좌표(Translations)로 표현된다.

여기서 X, Y, Z은 지상 기준점의 3차원 좌표,

은 상대 수치표고모델(DEM)에서의 3차원 좌표,

은 스케일 팩터, R은 회전 행렬 (

) 이고, X_O, Y_O, Z_O 는 이동을 나타내는 좌표이다. 상기 식 1에 대해 복수의 지상 기준점과 상대 수치표고모델(DEM) 위치에서의 고도차가 일정하다는 가정으로 LHD 매칭을 수행하면, 상대 수치표고모델(DEM)을 보정할 수 있는 변환계수(7개 또는 3개)를 구할 수 있다.

이하 LHD 매칭 방법에 대해 좀 더 상세하게 설명하기로 한다.

상기 식 1에서,

로 표현될 수 있고, 식 1은 관측방정식으로 정리하면 아래 식 2와 같다.

위 식 2를 각각 모든 변수(X, Y, Z, X_O, Y_O, Z_O, m, R)에 대해 편미분하면 아래 식 3과 같다.

식 3을 정리하면 아래 식 4와 같고,

여기서 “-” : initial value

위 식 4를 다시 정리하면 아래 식 5와 같다.

위 식 5를 행렬로 정리하면 아래 식 6과 같다.

한편,

의 함수이므로(수치표고모델(DEM)의 ‘H’와 프레임(frame)의 ‘Z’축이 같다고 가정할 때 즉, H=Z)

을 Taylor Linearization 하면 아래 식 7과 같다.

여기서,

(Z의 초기값)

따라서 ΔZ은 아래 식 8과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, ΔX, ΔY는 식 6으로부터 아래 식 9와 같이 나타낼 수 있다.

한편,

= 상대 DEM의 x방향 경사

(i=가로방향)

= 상대 DEM의 y방향 경사

(j=세로방향)

d = Spacing Grid 이므로.

식 5에서 Z항만 정리하면 아래 식 10과 같이 나타낼 수 있다.

위 식 10은 아래 식 11과 같이 나타낼 수 있다.

위 식 11에서 ΔZ를 식 8로 대체하면 아래 식 12와 같다.

위 식 9를 식 12에 대입하면 아래 식 13과 같다.

식 13을 다시 관측방정식 형태로 나타내면 아래 식 14와 같다.

여기서,

이

이 앞에서 언급한 지상 기준점들과 상대 수치표고모델(DEM) 영역에서의 동일한 평면위치의 두 지점 간의 높이차이다. 즉, 위식

에서

,

, 나머지 회전 변환 각 초기 값이 모두 0 일 때, 두 수치표고모델(DEM) 간의 초기 높이 차이가 된다.

따라서 식 14는 아래 식 15와 같이 나타낼 수 있으며, 하기 식 15가 변환계수 산출을 위한 LHD 매칭의 기본식이 된다.

식 15를 최소제곱법 적용하면 아래 식 16과 같다.

따라서 식 16으로부터 7개의 변환계수

를 구할 수 있다.

총 7개의 변환계수를 구하기 위해서는 최소 8점 이상의 기준점 정보가 필요하나, 일반적인 RPC 오차가 이동량(X_O, Y_O, Z_O)이 대부분을 차지할 경우, 상기 3개의 변환계수(X_O, Y_O, Z_O)는 4점 이상의 기준점 정보만 확보하면 된다.

다음으로 상기 구해진 7개(또는 3개)의 변환계수를 이용하여 상대표정 수치표고모델(DEM)의 오차를 보정하여 절대표정 수치표고모델(DEM)을 제작하게 된다(S500).

전 단계에서 변환계수를 구했으므로 이 구해진 변환계수를 식 1에 대입하면 오차가 보정된 절대표정 수치표고모델(DEM)을 제작할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 절대표정 수치표고모델 제작 후 정확도를 평가하는 단계(S600)을 더 포함할 수 있는데, 이러한 정확도 평가는 검사점의 좌, 우 동일 영상좌표로 상대 RPC를 이용하여 지상좌표를 계산하고, 변환계수 적용한 후, 원래 검사점의 지상좌표와 비교함으로써 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이,. 본 발명에 따른 수치표고모델 보정 방법은 현장관측과 영상좌표 독취 없이도 국가 기준점을 포함한 기 구축된 복수의 기준점 위치자료만을 이용하여 위성영상으로부터 제작된 부정확한 수치표고모델(DEM)을 자동 보정할 수 있으며, 이를 통해 지상기준점 확보와 영상좌표 독취에 소요되는 시간과 경비를 줄일 수 있는 효과를 갖는다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims

지상의 특정지점에 대한 복수의 위성영상(영상 1, 영상 2)의 영상좌표를 구하고, 제공되는 RPC와 상기 영상좌표를 이용하여 상기 특정지점의 3차원 좌표를 구한 후, 상기 3차원 좌표와 상기 특정지점의 대응되는 영상좌표를 이용하여 상기 영상 1, 영상 2 각각에 대한 RPC를 이용하여 상대표정 RPC를 구하는 단계(S100);
상기 상대표정 RPC로 상대표정 수치표고모델(DEM)을 제작하는 단계(S200);
상기 상대표정 수치표고모델 영역 내에 위치하는 국가 기준점을 포함한 기 구축된 복수의 지상 기준점을 확보하는 단계로서, 위성영상에서 제공하는 메타파일로부터 촬영된 지역의 위도와 경도를 찾아내고, 해당 위도와 경도의 지역 내에서 기 구축된 복수의 지상 기준점의 3차원 좌표 정보를 찾는 단계(S300);
상기 확보한 복수의 지상 기준점과 이에 대응하는 상대표정 수치표고모델 평면위치에서의 동일한 평면위치를 찾고 두 지점 간의 높이차를 계산하고, 상기 확보된 복수의 지상 기준점과 상대 수치표고모델 위치를 이용하여 LHD 매칭을 수행하여, 오차보정을 위한 변환계수를 산출하는 단계(S400); 및
상기 산출된 변환계수를 이용하여 상대표정 수치표고모델의 오차를 보정하여 절대표정 수치표고모델을 제작하는 단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성영상과 제공 RPC로부터 제작된 수치표고모델의 자동 오차보정 방법.
삭제
제1 항에 있어서, 상기 S400의 LHD 매칭을 수행하는 단계는,
상기 확보한 복수의 지상 기준점과 이에 대응하는 상대표정 수치표고모델에서 동일한 평면위치를 찾고, 상기 동일한 평면 위치에서의 높이차가 일정하다는 가정에서 수행되는 것을 특징으로 하는 위성영상과 제공 RPC로부터 제작된 수치표고모델의 자동 오차보정 방법.
제1 항 또는 제3 항에 있어서,
상기 S500 단계 이후 정확도를 평가하는 정확도 평가 단계(S600)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위성영상과 제공 RPC로부터 제작된 수치표고모델의 자동 오차보정 방법.