KR102426785B1 - 위성영상 스트립 기하보정 방법과 장치 - Google Patents

위성영상 스트립 기하보정 방법과 장치 Download PDF

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KR102426785B1 KR1020200172649A KR20200172649A KR102426785B1 KR 102426785 B1 KR102426785 B1 KR 102426785B1 KR 1020200172649 A KR1020200172649 A KR 1020200172649A KR 20200172649 A KR20200172649 A KR 20200172649A KR 102426785 B1 KR102426785 B1 KR 102426785B1
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Abstract

본 발명은 위성영상 스트립 기하보정 방법 및 장치로서, 인공위성의 궤도 진행방향을 따라서 스트립 방식으로 촬영하여 단위 씬으로 분할된 위성영상에 대하여, 단위 씬에서 추출된 기준점을 통합하여 전체 스트립에 대한 기하보정계수를 추정하고 이를 단위 씬에 적용하여 보다 정확한 기하보정을 수행함으로써 각각의 씬에 추출가능한 기준점이 충분하지 않은 경우에도 기하보정을 수행할 수 있는 방안을 개시한다.

Description

위성영상 스트립 기하보정 방법과 장치{Method and apparatus for Geometric Correction of Satellite Image Strips}
본 발명은 위성영상 스트립 기하보정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인공위성의 궤도 진행방향을 따라서 스트립 방식으로 촬영하여 단위 씬으로 분할된 위성영상에 대하여, 단위 씬에서 추출된 기준점을 통합하여 전체 스트립에 대한 기하보정계수를 추정하고 이를 단위 씬에 적용하여 보다 정확한 기하보정을 수행함으로써, 각각의 씬에 추출가능한 기준점이 충분하지 않은 경우에도 기하보정을 수행할 수 있는 방안에 대한 것이다.
인공위성에서 촬영한 영상은 위성에 탑재된 위치센서와 자세정보 센서의 물리적인 한계로 필연적으로 위치오차를 가지게 된다. 종래의 기술은 이러한 위치오차를 해결하기 위해서 먼저 원시 위성영상을 단위 씬(Scene)으로 분할하고 분할된 각각의 위성영상 씬에 대해서 기준점을 자동매칭이나 수동 독취의 방식으로 추출하고 추출된 기준점을 이용하여 씬 단위로 기하보정을 수행하였다.
위성 영상에서의 기하보정이란 위성영상의 위치오차를 제거하고 영상점의 영상좌표와 이에 대응되는 지상좌표의 정확한 기하학적 관계식인 정밀 기하모델을 수립하고 상기 수립된 기하학적 관계식을 이용하여 위치오차를 제거하는 영상재배열 과정을 의미한다.
인공위성은 궤도를 공전하면서 지표면을 촬영하게 되므로 위성영상은 궤도 진행방향을 따라서 길게 배열된 스트립 방식으로 촬영을 하게 된다. 이러한 스트립 방식의 위성 영상을 보정하기 위해 종래의 기하보정 기술은 스트립 방식으로 촬영된 위성영상을 단위 씬으로 분리한 후 각각의 씬에 대해서 기준점을 추출하여 보정하는 방식으로서, 각각의 씬에 대해서 많은 수의 기준점이 필요하고 충분한 숫자의 기준점 추출이 어려운 씬의 경우는 기하보정이 불가능한 문제점이 있다. 또한 기하보정된 단위 씬들을 결합할 경우 서로 위치가 잘 맞지 않는 문제점이 발생될 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 위성영상의 스트립을 구성하는 각각의 씬마다 기하보정을 수행하기 위한 충분한 기준점 추출이 어려운 경우에도 기하보정을 수행할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
특히, 위성영상의 각각의 씬마다 기하보정을 위한 많은 수의 기준점이 요구되는 문제를 해결하고자 한다.
나아가서 기하보정된 단위 씬들을 결합할 경우, 서로 위치가 잘 맞지 않는 문제를 해결하고자 한다.
상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명에 따른 위성영상 스트립 기하보정 방법의 일실시예는, 위성영상 기하보정 장치가, 위성영상 스트립의 단위 씬을 입력받는 영상 입력 단계; 상기 위성영상 기하보정 장치가, 각각의 상기 단위 씬에서 단위 기준점을 추출하는 기준점 추출 단계; 상기 위성영상 기하보정 장치가, 추출된 기준점을 결합하여 전체 위성영상 스트립에 대한 스트립 기준점을 획득하는 기준점 획득 단계; 상기 위성영상 기하보정 장치가, 상기 스트립 기준점을 기초로 전체 위성영상 스트립의 영상좌표 및 지상좌표 간의 정밀 스트립 기하관계식을 수립하는 정밀 스트립 기하모델 수립 단계; 상기 위성영상 기하보정 장치가, 상기 정밀 스트립 기하관계식을 기초로 각각의 상기 단위 씬의 기하보정을 위한 정밀 씬 기하관계식을 수립하는 정밀 씬 기하모델 수립 단계; 및 상기 위성영상 기하보정 장치가, 상기 정밀 씬 기하관계식을 이용하여 단위 씬의 위치 오차를 보정하고 영상 재배열을 수행하는 영상 재배열 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 스트립 기준점 획득 단계는, i번째 단위 씬의 영상 좌표를 하기 [식 1]을 기초로 전체 위성영상 스트립에 대응되는 스트립 기준점으로 변환하며,
Figure 112020134303987-pat00001
[식 1]
여기서, 상기
Figure 112020134303987-pat00002
및
Figure 112020134303987-pat00003
는 각각 단위 씬의 x 방향 및 y 방향의 오프셋 값이 될 수 있다.
일례로서, 상기 정밀 스트립 기하모델 수립 단계는, 하기 [식 2]를 통해 스트립 기준점의 스트립 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00004
지상좌표
Figure 112020134303987-pat00005
로부터 정규화된 스트립 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00006
정규화된 지상좌표
Figure 112020134303987-pat00007
를 산출하며,
Figure 112020134303987-pat00008
[식 2]
지상좌표
Figure 112020134303987-pat00009
와 스트립 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00010
에 대하여 하기 [식 3] 내지 [식 7]의 유리함수모델(RFM, Rational Function Model)을 적용하고,
Figure 112020134303987-pat00011
[식 3]
Figure 112020134303987-pat00012
[식 4]
Figure 112020134303987-pat00013
[식 5]
Figure 112020134303987-pat00014
[식 6]
Figure 112020134303987-pat00015
[식 7]
하기 [식 8]을 통해 상기 스트립 기준점에 대응되는 지상좌표
Figure 112020134303987-pat00016
로부터 보정된 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00017
를 산출하고, 보정계수
Figure 112020134303987-pat00018
를 추정하여 모든 스트립 영상점
Figure 112020134303987-pat00019
에 대한 보정된 영상 좌표
Figure 112020134303987-pat00020
를 획득하며,
Figure 112020134303987-pat00021
[식 8]
상기 [식 2]에 상기 [식 8]을 통해 보정된
Figure 112020134303987-pat00022
좌표를 적용하여 스트립 영상좌표와 지상좌표간의 정밀 스트립 기하관계식을 수립할 수 있다.
다른 일례로서, 상기 정밀 스트립 기하모델 수립 단계는, 지상좌표
Figure 112020134303987-pat00023
와 스트립 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00024
에 대한 관계식인 하기 [식 9]의 변형된 공선방정식을 적용하며,
Figure 112020134303987-pat00025
[식 9]
여기서, 상기 λ는 비례상수이며, 상기
Figure 112020134303987-pat00026
는 초점거리이며, 회전이동행렬인 상기
Figure 112020134303987-pat00027
은 위성의 롤(R), 피치(P), 자세각 요(Ψ)에 의해서 결정되며, 상기
Figure 112020134303987-pat00028
는 위치벡터이며, 회전이동행렬인 상기
Figure 112020134303987-pat00029
는 위성의 위치벡터
Figure 112020134303987-pat00030
와 속도벡터
Figure 112020134303987-pat00031
에 의해서 결정되며, 상기 스트립 기준점에 대응되는 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00032
와 지상좌표
Figure 112020134303987-pat00033
를 상기 [식 9]에 적용하여 하기 [식 10]의 위성위치좌표 초기값(
Figure 112020134303987-pat00034
)과 보정된 위성위치좌표
Figure 112020134303987-pat00035
간의 보정방정식과 하기 [식 11]의 자세각 초기값
Figure 112020134303987-pat00036
과 보정된 자세각
Figure 112020134303987-pat00037
에 대한 보정방정식을 수립하고, 보정계수
Figure 112020134303987-pat00038
를 추정하고,
Figure 112020134303987-pat00039
[식 10]
Figure 112020134303987-pat00040
[식 11]
여기서, 상기 (
Figure 112020134303987-pat00041
)는 초기 위치좌표를 의미하며, 상기 (
Figure 112020134303987-pat00042
는 보정된 위치좌표를 의미하며, 상기 [식 9]에 상기 [식 10] 및 [식 11]을 통해 보정된 위성위치좌표
Figure 112020134303987-pat00043
와 보정된 위성의 롤(
Figure 112020134303987-pat00044
), 피치(
Figure 112020134303987-pat00045
) 및 자세각 요(
Figure 112020134303987-pat00046
)를 적용하여 스트립 영상좌표와 지상좌표간의 정밀 스트립 기하관계식을 수립할 수 있다.
여기서 상기 정밀 스트립 기하모델 수립 단계는, 상기 스트립 기준점 중 일부를 조합하여 상기 보정계수를 추정할 수 있다.
바람직하게는 상기 정밀 스트립 기하모델 수립 단계는, 상기 스트립 기준점의 조합에 따른 상기 보정계수의 추정을 반복 수행하여 추정된 보정계수에 대한 성능을 산출하고, 상대적으로 가장 높은 성능을 갖는 보정계수를 선택할 수 있다.
나아가서 상기 정밀 씬 기하모델 수립 단계는, 상기 [식 1]을 상기 정밀 스트립 기하관계식에 대입하여 i번째 단위 씬에 대한 정밀 씬 기하모델 관계식을 수립할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 위성영상 기하보정 장치는, 위성영상 스트립의 단위 씬을 획득하는 위성영상 획득부; 위성영상에서 기준점을 추출하는 기준점 추출부; 기준점을 기초로 기하보정을 위한 모델 관계식을 수립하는 모델 수립부; 및 수립된 관계식을 기초로 단위 씬을 기하보정하여 영상을 재배열하는 영상 보정부를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 기준점 추출부는, 상기 단위 씬에서 단위 기준점을 추출하고, 복수의 단위 씬에서 추출된 단위 기준점을 결합하여 전체 위성영상 스트립에 대한 스트립 기준점을 산정하며, 상기 모델 수립부는, 스트립 기준점을 기초로 위성영상 스트립의 영상좌표와 지상좌표간의 기하학적 관계식인 정밀 스트립 기하모델을 수립하고, 상기 정밀 스트립 기하모델을 기초로 각각의 단위 씬의 기하보정을 위한 정밀 씬 기하모델을 수립할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 위성영상의 스트립을 구성하는 각각의 단위 씬마다 기하보정을 수행하기 위한 충분한 기준점 추출이 어려운 경우에도 기하보정을 수행할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 위성영상 스트립 기하보정 시스템의 일실시예에 대한 개략적인 구성도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 위성영상 기하보정 장치의 일실시예에 대한 구성도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 위성영상 스트립 기하보정 방법의 일실시예 대한 흐름도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 위성영상 스트립 기하보정 방법을 적용한 각각의 씬에 대한 기하보정 수행에 대한 일례를 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 스트립 방식으로 촬영된 위성 영상에서 각각의 씬마다 기하보정을 수행하기 위한 충분한 기준점이 추출되지 않은 경우, 적은 수의 기준점을 통합하여 전체 위성영상 스트립에 대한 정밀 스트립 기하모델을 수립하고 이를 기초로 각각의 단위 씬에 대한 정밀 씬 기하모델을 수립하여 각각의 단위 씬의 위치 오차를 보정함으로써 영상을 재배열할 수 있는 방안을 개시한다.
도 1은 본 발명에 따른 위성영상 스트립 기하보정 시스템의 일실시예에 대한 개략적인 구성도를 도시한다.
위성영상 스트립 기하보정 시스템은 개략적으로 지상(50)에 대한 영상을 촬영하는 인공위성(10)과 위성으로부터 위성 영상을 전달받고 위성 영상에 대한 기하보정을 수행하는 위성영상 기하보정 장치(100) 등을 포함할 수 있다.
인공위성(10)은 지구를 일정궤도로 돌면서 지구 지표면을 촬영하여 영상을 전송한다. 이러한 인공위성(10)이 촬영한 영상은 각종 센서 등에 의해 측정되는 위치나 자세 정보 등에 오차가 존재하므로 이러한 오차를 해소하기 위해 위성영상 기하보정 장치(100)는 기하 보정을 수행하여 보정된 영상을 생성하게 된다.
위성영상 기하보정 장치(100)는, 위성 영상을 단위 씬(Scene)으로 분할하고, 분할된 각각의 위성영상 씬에 대한 기하보정을 수행하여 씬 영상의 위치 오차를 제거함으로써 씬 영상이 재배열된 영상을 획득한다.
특히, 본 발명에서는 단위 씬 영상을 기하보정하기 위한 기준점이 충분하게 획득되지 않은 상황에 적용할 수 있는 기하보정 방안을 제시한다.
이하에서는 인공위성(10)이 촬영한 위성영상으로 설명하나, 상황에 따라서는 대기권 이상의 높은 궤도를 순회하면서 지상 촬영 영상을 전송하는 비행체가 전송하는 영상에도 본 발명이 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 위성영상 기하보정 장치의 일실시예에 대한 구성도를 도시한다.
위성영상 기하보정 장치(100)는 개략적으로 위성영상 획득부(110), 기준점 추출부(130), 모델 수립부(150), 영상 보정부(170) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
위성영상 획득부(110)는 위성영상의 단위 씬 영상을 획득하는데, 일정 시간 단위로 연속하여 전송되는 위성영상의 단위 씬 영상을 획득할 수도 있고, 또는 일정 범위의 지표면에 대한 위성영상을 기설정된 단위로 분할하여 단위 씬 영상을 획득할 수도 있다.
바람직하게는 위성영상 획득부(110)는 인공위성이 궤도 진행방향을 따라서 길게 배열된 스트립 방식의 촬영에 따라 연속되는 단위 씬 영상을 획득한다.
기준점 추출부(130)는 위성영상에서 기준점을 추출하는데, 획득된 단위 씬에서 단위 기준점을 추출하고 복수의 단위 씬에서 추출된 단위 기준점을 결합하여 복수의 단위 씬으로 구성되는 전체 위성영상 스트립에 대한 스트립 기준점을 산정한다.
모델 수립부(150)는 기준점 추출부(130)에서 추출된 스트립 기준점을 기초로 기하보정을 위한 모델 관계식을 수립한다. 보다 구체적으로는 모델 수립부(150)는 스트립 기준점을 기초로 위성영상 스트립의 영상좌표와 지상좌표간의 기하학적 관계식인 정밀 스트립 기하모델을 수립하고, 상기 정밀 스트립 기하모델을 기초로 각각의 단위 씬의 기하보정을 위한 정밀 씬 기하관계식을 수립한다.
여기서 모델 수립부(150)는 전체 위성영상 스트립에 대한 스트립 기준점을 조합하여 기하보정계수를 추정하고 이를 각각의 단위 씬에 적용함으로써 단위 씬에 대한 정밀 씬 기하관계식을 수립할 수 있다.
일례로서, 모델 수립부(150)는 스트립 기준점을 기초로 유리함수모델(RFM, Rational Function Model)을 적용하여 전체 위성영상 스트립에 대한 보정된 영상 좌표를 획득하기 위한 정밀 스트립 기하모델에 따른 정밀 스트립 기하관계식을 수립하고, 기하보정계수를 추정하여 이를 각 단위 씬에 적용함으로써 단위 씬의 기하보정을 위한 정밀 씬 기하관계식을 수립할 수 있다.
또는 다른 일례로서, 모델 수립부(150)는 스트립 기준점을 기초로 변형된 공선방정식을 적용하여 위성영상 스트립에 대한 보정된 영상 좌표를 획득하기 위한 정밀 스트립 기하모델에 따른 정밀 스트립 기하관계식을 수립하고, 기하보정계수를 추정하여 이를 각 단위 씬에 적용함으로써 단위 씬의 기하보정을 위한 정밀 씬 기하관계식을 수립할 수도 있다.
영상 보정부(170)는 수립된 관계식을 기초로 단위 씬을 기하보정하여 영상을 재배열한다.
상기에서 살펴본 본 발명에 따른 위성영상 기하보정 장치(100)를 통해 위성영상 스트립에 대한 기하보정을 수행할 수 있는데, 이하에서는 본 발명에 따른 위성영상 스트립 기하보정 방법에 대하여 그 실시예를 통해 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 위성영상 스트립 기하보정 방법의 일실시예 대한 흐름도를 도시한다.
본 발명에 따른 위성영상 스트립 기하보정 방법의 일실시예는, 위성영상 스트립의 단위 씬을 입력받는 영상 입력 단계(S110); 각각의 상기 단위 씬에서 단위 기준점을 추출하는 기준점 추출 단계(S120); 추출된 기준점을 결합하여 전체 위성영상 스트립에 대한 스트립 기준점을 획득하는 기준점 획득 단계(S130); 상기 스트립 기준점을 기초로 위성영상 스트립의 영상좌표 및 지상좌표간의 정밀 스트립 기하관계식을 수립하는 정밀 스트립 기하모델 수립 단계(S140); 상기 정밀 스트립 기하관계식을 기초로 각각의 상기 단위 씬의 기하보정을 위한 정밀 씬 기하관계식을 수립하는 정밀 씬 기하모델 수립 단계(S150); 및 상기 정밀 씬 기하관계식을 이용하여 단위 씬의 위치 오차 보정을 수행하고 영상 재배열을 수행하는 영상 재배열 단계(S160)를 포함할 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 위성영상 스트립 기하보정 방법의 각 단계에 대하여 좀더 구체적으로 살펴보기로 한다.
인공위성이 궤도방향으로 진행하면서 촬영한 위성영상 스트립으로부터 미리 정의된 크기를 가지는 규격화된 단위 영상 씬으로 분할하여 저장하거나 관리하며 이를 공급하는데, 위상영상 기하보정 장치가 이러한 위성영상 스트립의 단위 영상 씬을 획득한다. 상황에 따라서는 일정 시간 단위로 연속하여 전송되는 위성영상의 단위 씬 영상을 획득할 수도 있고, 또는 일정 범위의 지표면에 대한 위성영상을 기설정된 단위로 분할하여 단위 씬 영상을 획득할 수도 있다.
위성영상 스트립의 단위 씬 영상이 획득되면, 위상영상 기하보정 장치는 기준점을 추출하는데, 종래의 기하보정기술의 경우, 분할된 영상 씬 별로 기하보정을 수행하므로 각각의 영상 씬에 대해서 충분한 개수의 기준점이 필요하게 된다.
여기서 기준점이란 정확한 지상좌표값
Figure 112020134303987-pat00047
를 알고 있는 지상점과 상기 지상점이 촬영된 정확한 영상좌표값(Col, Row) 또는
Figure 112020134303987-pat00048
을 알고 있는 영상점의 조합을 의미한다.
기준점을 얻기 위해서는 지상측량 등으로 통해서 정확한 지상좌표값을 알아야 하며, 이러한 지상점이 촬영된 정확한 영상좌표값을 영상판독 등의 방법으로 추출해야 한다. 따라서 지상점을 구하는 데는 상당한 비용과 시간이 발생하게 되므로, 영상의 기하보정을 위한 충분한 기준점 획득이 어려운 경우가 빈번하게 발생될 수 있다.
위성영상 스트립을 구성하는 단위 씬에 대해서 기준점을 추출하는 종래의 기하보정 기술은 단위 씬 각각에 대해서 기하보정을 수행하는 방식이므로 단위 씬 별로 충분한 개수의 기준점이 필요하게 된다.
단위 씬의 기하보정에 필요한 최소 기준점 개수는 기하보정에 적용되는 모델식에 따라서 결정된다.
일례로 하기와 같이 정규화된 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00049
를 가지는 영상점과 정규화된 지상좌표
Figure 112020134303987-pat00050
를 가지는 지상점의 기하학적인 관계식을 하기 [식 3] 내지 [식 7]과 같이 3차다항식
Figure 112020134303987-pat00051
로 구성된 유리함수모델 (RFM, Rational Function Model)을 사용하고 기하보정을 위한 보정식으로 원본 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00052
와 보정된 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00053
간의 하기 [식 8]와 같은 관계식을 사용하는 경우, 씬 당 최소 기준점은 3개이다. 대개의 경우 기준점에 존재하는 에러를 최소화하기 위해서 씬당 4점 이상의 기준점을 사용한다.
Figure 112020134303987-pat00054
[식 2]
Figure 112020134303987-pat00055
[식 3]
Figure 112020134303987-pat00056
[식 4]
Figure 112020134303987-pat00057
[식 5]
Figure 112020134303987-pat00058
[식 6]
Figure 112020134303987-pat00059
[식 7]
Figure 112020134303987-pat00060
[식 8]
또 다른 예로 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00061
와 지상좌표
Figure 112020134303987-pat00062
와의 관계식을 비례상수 λ, 초점거리
Figure 112020134303987-pat00063
, 위성의 롤(R), 피치(P), 요(Ψ) 자세각에 의해서 결정되는 회전이동행렬
Figure 112020134303987-pat00064
, 위치벡터
Figure 112020134303987-pat00065
및 위성의 위치벡터
Figure 112020134303987-pat00066
와 속도벡터
Figure 112020134303987-pat00067
에 의해서 결정되는 회전이동행렬
Figure 112020134303987-pat00068
를 이용하여 하기 [식 9]와 같이 나타내는 변형된 공선방정식을 사용하고 기하보정을 위한 보정식을 하기 [식 10]과 같이
Figure 112020134303987-pat00069
를 위성위치좌표 초기값 (
Figure 112020134303987-pat00070
)과 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00071
에 대한 2차식을 이용하는 보정식 및 [식 11]과 같이 회전각도
Figure 112020134303987-pat00072
를 자세각 초기값
Figure 112020134303987-pat00073
과 상수보정항을 이용하는 보정식을 사용하게 되는 경우에는 씬당 최소 기준점은 6개이다. 대개의 경우 기준점에 존재하는 에러를 최소화하기 위해서 씬당 7점 이상의 기준점을 사용한다.
Figure 112020134303987-pat00074
[식 9]
Figure 112020134303987-pat00075
[식 10]
Figure 112020134303987-pat00076
[식 11]
따라서 종래의 단위 씬에 대한 기하보정 기술은 각 씬마다 일정 개수 이상의 기준점이 요구되며, 기준점이 부족한 경우에 해당 단위 씬에 대한 기하보정이 불가능하게 된다.
그러나 본 발명에서는 단위 씬 각각에서 최소 개수의 기준점 이상을 추출할 필요가 없이 해당 씬에서 기준점을 추출할 수 있는 경우에만 추출하게 된다. 특정 씬에 기준점이 존재하지 않는 경우 내지 최소 개수 이하의 기준점만 존재하는 경우에도 본 발명에서는 기하보정이 가능한데, 이에 대해서는 이하의 실시예를 통해 살펴본다.
각 단위 씬에서 기준점이 추출되면, 추출된 단위 씬의 기준점을 전체 영상 스트립용 기준점으로 변환하는데, 단위 씬에 대한 기준점의 영상좌표를 전체 영상 스트립의 영상좌표로 변환하는 과정이 수행된다.
i번째 단위 씬의 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00077
를 전체 영상 스트립의 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00078
로 변환하기 위한 일례로 하기 [식 1]과 같은 변환식을 적용할 수 있다. 이때
Figure 112020134303987-pat00079
및
Figure 112020134303987-pat00080
는 각각 단위 씬의 x 방향 및 y 방향 오프셋 값에 해당된다. 여기서 오프셋 값은 스트립으로부터 단위 씬으로 분할할 때, 단위 씬을 분할하는 기준이 되는 기준 픽셀의 스트립 영상좌표를 의미한다.
Figure 112020134303987-pat00081
[식 1]
그리고 전체 스트립 기준점을 이용하여 위성영상 스트립에 존재하는 위치 에러를 보정하기 위한 보정방정식의 보정계수를 추정하는데, 추정하는 보정계수는 기하보정에 적용되는 관계식에 따라서 달라질 수 있다.
일례로 영상좌표와 지상좌표의 관계식을 상기 [식 3] 내지 [식 7]의 유리함수모델을 적용하고, 상기 [식 8]을 통해 상기 스트립 기준점에 대응되는 지상좌표
Figure 112020134303987-pat00082
로부터 보정된 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00083
를 산출하고, 상기 [식 8]에 스트립 기준점을 조합하여 대입함으로써 보정계수
Figure 112020134303987-pat00084
를 추정할 수 있다.
그리고 상기 [식 2]와 같이 정규화된 스트립 영상좌표 (
Figure 112020134303987-pat00085
)를 산출하는 공식에서 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00086
대신 상기 [식 8]을 통해 보정된
Figure 112020134303987-pat00087
좌표를 사용하면 스트립 영상좌표와 지상좌표간의 정확한 기하학적 관계식인 정밀 스트립 기하모델을 수립할 수 있다.
다른 일례로 영상좌표와 지상좌표의 관계식을 상기 [식 9]와 같이 변형된 공선방정식을 적용하고, 상기 [식 10] 및 [식 11]을 위성영상 스트립의 기하보정을 위한 정밀 스트립 기하관계식으로 사용하는 경우, 상기 스트립 기준점에 대응되는 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00088
와 지상좌표
Figure 112020134303987-pat00089
를 상기 [식 9]에 적용하여 상기 [식 10]의 위성위치좌표 초기값(
Figure 112020134303987-pat00090
)과 보정된 위성위치좌표
Figure 112020134303987-pat00091
간의 보정방정식과 상기 [식 11]의 자세각 초기값
Figure 112020134303987-pat00092
과 보정된 자세각
Figure 112020134303987-pat00093
에 대한 보정방정식을 수립하고, 보정계수
Figure 112020134303987-pat00094
를 추정할 수 있다.
그리고 상기 [식 9]에 상기 [식 10] 및 [식 11]을 통해 보정된 위성위치좌표
Figure 112020134303987-pat00095
와 보정된 위성의 롤(
Figure 112020134303987-pat00096
), 피치(
Figure 112020134303987-pat00097
) 및 자세각 요(
Figure 112020134303987-pat00098
)를 적용하여 스트립 영상좌표와 지상좌표간의 정밀 스트립 기하관계식을 수립할 수 있다.
보정계수의 추정과 관련하여, 영상점 (x, y)와 이에 대응되는 지상점 (X, Y, Z)를 이용하여 최소자승법에 따른 추정기법을 통해서 계수들을 추정할 수 있다. 일례로서, 영상점과 이에 대응되는 지상점을 상기 [식 9]와 같은 변형된 공선방정식에 대입하여 계산하면, 유리함수모델의 a0 내지 a19, b1 내지 b19, c0 내지 c19, d1 내지 d19를 추정할 수 있다.
만약 단위 씬에 대해서 각각의 유리함수모델 계수가 주어지는 경우, 각각의 단위 씬 i의 유리함수모델식을 이용하여 단위 씬 i에 대한 영상점
Figure 112020134303987-pat00099
와 이에 대응되는 지상점 (X, Y, Z)을 여러 지점에 대해서 반복적으로 계산하고, 각각 단위 씬에서 계산된 영상점과 지상점의 조합을 스트립 영상좌표로 변환한 후, 스트립 영상좌표용 유리함수모델식의 계수를 추정한다. 이렇게 단위 씬으로부터 추정된 스트립 유리함수모델식에는 위치오차가 포함되어 있게 되고, 이를 단위 씬에서 추출된 단위 기준점으로부터 획득된 스트립 기준점을 이용하여 보정계수를 추정함으로써 오차를 제거할 수 있게 된다.
바람직하게는 전체 스트립에 대한 보정계수를 추정하는 과정에서 위성영상 스트립의 스트립 기준점들 중 일부를 조합하여 보정계수를 추정하고 추정된 보정계수의 성능을 산출하며, 다시 위성영상 스트립의 스트립 기준점들 중 다른 일부를 조합하여 보정계수를 추정하고 추정된 보정계수의 성능을 산출하는 과정을 반복 수행하여 상대적으로 가장 성능이 높은 보정계수를 선택함으로써 각각의 개별 씬에 존재하는 기준점 에러가 전체 기하보정에 미치는 영향을 줄일 수 있다.
이때 스트립 기준점들 중에서 일부를 조합하는 방식은 보정계수 추정에 필요한 최소점 이상의 기준점을 무작위로 추출할 수도 있고 스트립 기준점의 배치를 참고하여 영상에 고르게 배치된 스트립 기준점을 추출할 수도 있다.
상기 추정된 보정계수의 성능은 보정에 사용하지 않은 다른 기준점을 보정계수 식에 대입하여 발생하는 에러를 측정하고 그 에러가 일정수준 이하인 기준점의 개수를 파악하여 이러한 기준점 개수가 많고 적음으로 성능의 좋고 나쁨을 판별할 수 있다.
상기와 같은 과정을 통해 전체 위성영상 스트립에 대한 전체 관계식이 수립되면, 추정한 보정계수로부터 단위 씬의 보정계수를 추정한다.
일례로 단위 씬과 스트립의 영상좌표 간에 상기 [식 1]과 같은 변환관계가 사용되고 상기 [식 8]과 같은 스트립 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00100
와 보정된 스트립 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00101
의 보정방정식이 사용된 경우, 상기 [식 8]의 스트립 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00102
와 보정된 스트립 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00103
에 각각 상기 [식 1]을 대입하면 상기 [식 8]을 단위 씬 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00104
에 대한 보정된 단위 씬 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00105
를 계산하기 위한 보정방정식으로서 정밀 씬 기하관계식으로 사용할 수 있다.
또 다른 예로서, 단위 씬과 스트립의 영상좌표 간에 상기 [식 1]과 같은 변환관계가 사용되고 상기 [식 10]과 같이 보정된 위성위치좌표 (
Figure 112020134303987-pat00106
)를 위성위치좌표 초기값 (
Figure 112020134303987-pat00107
)과 스트립 영상좌표에 대한 2차식을 이용하여 보정하는 보정방정식이 사용된 경우, 상기 [식 1]을 상기 [식 10]의 스트립 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00108
에 대입하면 상기 [식 10]을 단위 씬 i에 대한 보정된 위성위치좌표 (
Figure 112020134303987-pat00109
)를 위성위치좌표 초기값 (
Figure 112020134303987-pat00110
)과 단위 씬 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00111
로부터 계산하는 보정방정식으로서 정밀 씬 기하관계식으로 사용할 수 있다.
이러한 과정을 거쳐서 단위 씬에 대한 단위 관계식이 수립되면, 이를 이용하여 영상의 위치오차를 제거하기 위하여 영상을 재배열하는 과정을 수행한다.
영상 재배열의 일례로 단위 씬을 X축 및 Y축에 일치하도록 재배열하는 경우, 단위 씬의 영상좌표
Figure 112020134303987-pat00112
와 지상좌표
Figure 112020134303987-pat00113
간의 위치오차가 상기에서 살펴본 보정식에 의해서 제거되었으므로 위치 오차가 없이 영상재배열을 수행할 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명에 따른 위성영상 스트립 기하보정 방법을 통해 단위 씬에서의 기준점이 부족한 경우에도 효과적으로 기하보정의 수행이 가능하게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 위성영상 스트립 기하보정 방법을 적용한 각각의 씬에 대한 기하보정 수행에 대한 일례를 도시한다.
상기 도 4의 (a)는 위성영상 스트립을 구성하는 5개의 단위 씬 영상(210, 220, 230, 240, 250)으로서, 각 단위 씬에서 기준점을 추출하여 빨간색 십자모양의 표시된 기준점(211, 221, 231, 241, 251)들을 추출하였다.
각 단위 씬에 존재하는 기준점의 개수는 개별 단위 씬을 기하보정하기 위한 최소 개수보다 적게 추출되어 각 단위 씬 자체만으로는 기하보정이 불가능한 상태이다.
이러한 경우 본 발명을 적용하여 기하보정이 가능한데, 상기 도 4의 (b)와 같이 각각의 단위 씬에서 추출된 단위 기준점을 전체 위성영상 스트립(300)의 스트립 기준점(310)으로 변환한 결과, 전체 위성영상 스트립에 대한 총 8개의 스트립 기준점이 획득될 수 있다.
이러한 전체 위성영상 스트립에 대한 스트립 영상좌표 및 지상좌표간의 기하학적 관계식을 수립하고, 여기에 획득된 스트립 기준점을 사용하여 전체 스트립의 기하보정계수를 추정한다.
그리고 이를 다시 각각의 단위 씬에 적용하여 각각의 단위 씬에 대한 기하보정을 적용한 결과로 상기 도 4의 (c)와 같은 각각의 단위 씬(410, 420, 430, 440, 450)에 대한 위치 보정이 수행될 수 있다.
이와 같은 본 발명을 통해 위성영상의 스트립을 구성하는 각각의 단위 씬마다 기하보정을 수행하기 위한 충분한 기준점 추출이 어려운 경우에도 기하보정을 수행할 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 위성영상 기하보정 장치,
110 : 위성영상 획득부,
130 : 기준점 추출부,
150 : 모델 수립부,
170 : 영상 보정부.

Claims (9)

  1. 위성영상 기하보정 장치가, 기하 보정 이전의 위성영상 스트립에 대한 복수의 단위 씬을 입력받는 영상 입력 단계;
    상기 위성영상 기하보정 장치가, 각각의 상기 단위 씬에서 단위 기준점을 추출하는 기준점 추출 단계;
    상기 위성영상 기하보정 장치가, 추출된 기준점을 결합하여 전체 위성영상 스트립에 대한 스트립 기준점을 획득하는 스트립 기준점 획득 단계;
    상기 위성영상 기하보정 장치가, 상기 스트립 기준점을 기초로 전체 위성영상 스트립의 영상좌표 및 지상좌표 간의 정밀 스트립 기하관계식을 수립하는 정밀 스트립 기하모델 수립 단계;
    상기 위성영상 기하보정 장치가, 상기 정밀 스트립 기하관계식을 기초로 각각의 상기 단위 씬의 기하보정을 위한 정밀 씬 기하관계식을 수립하는 정밀 씬 기하모델 수립 단계; 및
    상기 위성영상 기하보정 장치가, 상기 정밀 씬 기하관계식을 이용하여 단위 씬의 위치 오차를 보정하고 영상 재배열을 수행하는 영상 재배열 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성영상 스트립 기하보정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스트립 기준점 획득 단계는,
    i번째 단위 씬의 영상 좌표를 하기 [식 1]을 기초로 전체 위성영상 스트립에 대응되는 스트립 기준점으로 변환하며,
    Figure 112020134303987-pat00114
    [식 1]
    여기서, 상기
    Figure 112020134303987-pat00115
    및
    Figure 112020134303987-pat00116
    는 각각 단위 씬의 x 방향 및 y 방향의 오프셋 값인 것을 특징으로 하는 위성영상 스트립 기하보정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 정밀 스트립 기하모델 수립 단계는,
    하기 [식 2]를 통해 스트립 기준점의 스트립 영상좌표 (x,y)와 지상좌표 (X,Y,Z)로부터 정규화된 스트립 영상좌표
    Figure 112020134303987-pat00117
    를 산출하며,
    Figure 112020134303987-pat00118
    [식 2]
    지상좌표
    Figure 112020134303987-pat00119
    와 스트립 영상좌표
    Figure 112020134303987-pat00120
    에 대하여 하기 [식 3] 내지 [식 7]의 유리함수모델(RFM, Rational Function Model)을 적용하고,
    Figure 112020134303987-pat00121
    [식 3]
    Figure 112020134303987-pat00122
    [식 4]
    Figure 112020134303987-pat00123
    [식 5]
    Figure 112020134303987-pat00124
    [식 6]
    Figure 112020134303987-pat00125
    [식 7]
    하기 [식 8]을 통해 상기 스트립 기준점에 대응되는 지상좌표
    Figure 112020134303987-pat00126
    로부터 보정된 영상좌표
    Figure 112020134303987-pat00127
    를 산출하고, 보정계수
    Figure 112020134303987-pat00128
    를 추정하며,
    Figure 112020134303987-pat00129
    [식 8]
    상기 [식 2]에 상기 [식 8]을 통해 보정된
    Figure 112020134303987-pat00130
    좌표를 적용하여 스트립 영상좌표와 지상좌표간의 정밀 스트립 기하관계식을 수립하는 것을 특징으로 하는 위성영상 스트립 기하보정 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 정밀 스트립 기하모델 수립 단계는,
    지상좌표
    Figure 112020134303987-pat00131
    와 영상좌표
    Figure 112020134303987-pat00132
    에 대한 관계식인 하기 [식 9]의 변형된 공선방정식을 적용하며,
    Figure 112020134303987-pat00133
    [식 9]
    여기서, 상기 λ는 비례상수이며, 상기
    Figure 112020134303987-pat00134
    는 초점거리이며, 회전이동행렬인 상기
    Figure 112020134303987-pat00135
    은 비례상수(λ), 초점거리(
    Figure 112020134303987-pat00136
    ), 위성의 롤(R), 피치(P), 자세각 요(Ψ)에 의해서 결정되며, 회전이동행렬인 상기
    Figure 112020134303987-pat00137
    는 위성의 위치벡터
    Figure 112020134303987-pat00138
    와 속도벡터
    Figure 112020134303987-pat00139
    에 의해서 결정되며,
    상기 스트립 기준점에 대응되는 영상좌표
    Figure 112020134303987-pat00140
    와 지상좌표
    Figure 112020134303987-pat00141
    를 상기 [식 9]에 적용하여 하기 [식 10]의 위성위치좌표 초기값(
    Figure 112020134303987-pat00142
    )과 보정된 위성위치좌표
    Figure 112020134303987-pat00143
    간의 보정방정식과 하기 [식 11]의 자세각 초기값
    Figure 112020134303987-pat00144
    과 보정된 자세각
    Figure 112020134303987-pat00145
    에 대한 보정방정식을 수립하고, 보정계수
    Figure 112020134303987-pat00146
    를 추정하고,
    Figure 112020134303987-pat00147
    [식 10]
    Figure 112020134303987-pat00148
    [식 11]
    여기서, 상기 (
    Figure 112020134303987-pat00149
    )는 초기 위치좌표를 의미하며, 상기 (
    Figure 112020134303987-pat00150
    는 보정된 위치좌표를 의미하며,
    상기 [식 9]에 상기 [식 10] 및 [식 11]을 통해 보정된 위성위치좌표
    Figure 112020134303987-pat00151
    와 보정된 위성의 롤(
    Figure 112020134303987-pat00152
    ), 피치(
    Figure 112020134303987-pat00153
    ) 및 자세각 요(
    Figure 112020134303987-pat00154
    )를 적용하여 스트립 영상좌표와 지상좌표간의 정밀 스트립 기하관계식을 수립하는 것을 특징으로 하는 위성영상 스트립 기하보정 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 정밀 스트립 기하모델 수립 단계는,
    상기 스트립 기준점 중 일부를 조합하여 상기 보정계수를 추정하는 것을 특징으로 하는 위성영상 스트립 기하보정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 정밀 스트립 기하모델 수립 단계는,
    상기 스트립 기준점의 조합에 따른 상기 보정계수의 추정을 반복 수행하여 추정된 보정계수에 대한 성능을 산출하고, 상대적으로 가장 높은 성능을 갖는 보정계수를 선택하는 것을 특징으로 하는 위성영상 스트립 기하보정 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 정밀 씬 기하모델 수립 단계는,
    상기 [식 1]을 상기 정밀 스트립 기하관계식에 대입하여 i번째 단위 씬에 대한 정밀 씬 기하관계식을 수립하는 것을 특징으로 하는 위성영상 스트립 기하보정 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
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