KR20050097618A

KR20050097618A - Ｇｐｓ및 ｉｎｓ를 이용한 수치지도 제작 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20050097618A
Application number: KR1020040022790A
Authority: KR
Inventors: 이대희
Original assignee: 한진정보통신(주)
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2005-10-10
Also published as: KR100558367B1

Abstract

본 발명에 따른 수치지도 제작 시스템은, 항공기에 장착되어 GPS 위성으로부터 GPS 데이터를 수신하는 GPS 센서와, 항공기의 자세정보를 감지하는 INS 센서와, IINS 데이터와 GPS 데이터를 융합하여 항공사진의 외부 표정 요소를 취득하고 외부 표정 요소를 도화하여 수치 지도를 제작할 수 있는 제어 수단을 포함한다.

이와 같이, 본 발명은 항공사진을 촬영함과 동시에 GPS/INS를 이용하여 항공사진의 중심 위치 및 회전각으로 구성되는 사진의 외부 표정 요소를 산출한 후, 이를 토대로 수치지도를 제작함으로써, 기존의 지상 측량 및 항공 삼각 측량을 위한 수학적 계산 과정을 생략함으로써 수치지도 제작 과정을 단순화시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 실제 지상 측량과 항공 삼각 측량을 위한 수학적 계산과정을 생략할 수 있음으로, 수치지도 제작에 소요되는 비용을 절감시킬 수 있다.

Description

ＧＰＳ및 ＩＮＳ를 이용한 수치지도 제작 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MAKING DIGITAL MAP USING GPS AND INS}

본 발명은 수치지도 제작에 관한 것으로, 특히 항공사진 촬영시, GPS/INS를 이용한 수치지도 제작 시스템 및 방법에 관한 것이다.

인공위성 자동 위치측정 시스템(GPS : Global Positioning System)이란 범지구적 위치 결정 시스템이라 할 수 있다. 인공위성 자동 위치측정 시스템을 이용하면 지상, 해상, 공중 등 지구상의 어느 곳에서나 시간 제약 없이 인공위성에서 발신하는 정보를 수신하여 정지 또는 이동하는 물체의 절대적 위치를 측정할 수 있다. GPS를 이용한 측량은 시공간의 제약 없이 높은 정확도의 위치정보 취득이 가능하므로 수치지도 제작에 있어 필수적인 요소라 할 수 있다.

한편, 수치지도는 지형 요소에 관한 정보들을 계층화된 레이어별로 구분하여 데이터베이스하고, 전산화를 통해 이용 목적에 따라 지도를 자유로이 작성할 수 있으므로 지형공간정보 시스템뿐만 아니라 여러 분야에 다양한 응용이 가능하다. 또한, 수치지도는 입출력, 편집, 수정된 수치지도 자료를 그대로 이용할 수 있고, 변환과 검색이 가능하며, 건물, 도로 하천, 지형 등의 구조화된 데이터베이스 구축이 가능하기 때문에 다른 종료의 자료와 조합시켜 각종 형식의 지도를 만들 수 있다. 그러므로 구조화된 수치지도는 지리정보 시스템의 가장 기본적인 자료이기 때문에 매우 중요하다.

항공사진을 이용한 수치지도 제작은 일반적으로 항공 삼각 측량 방법을 이용하여 제작된다. 항공 삼각 측량은 촬영노선을 따라 60%의 중복도를 갖도록 사진을 촬영하고, 사진에서는 실제 지상을 측량한 점의 위치를 사진에서 찾아내어 사진에 실제 좌표를 등록할 수 있다. 또한 등록된 지상좌표를 이용하여, 수학적으로 사진의 중심위치와 회전각을 나타내는 외부표정요소를 구할 수 있는데, 이러한 일련의 과정을 항공 삼각 측량이라 한다.

이와 같이 항공 삼각 측량을 이용한 수치지도 제작 과정은, 먼저 항공기에 장착된 카메라를 이용하여 일정 지역의 항공사진을 촬영한 후, 지상 측량을 통해 지상 기준점의 좌표를 구해되고, 인접 사진에서 동일점을 추출하는 공액점 추출과정을 통해 여러 장의 사진을 연결하고, 지상기준점의 위치를 항공사진에서 찾아내어 실제 측량 좌표를 입력함으로써 촬영된 모든 항공사진이 좌표를 가질 수 있다. 이러한 과정을 통해 얻어진 외부 표정을 요소를 이용하여 항공사진의 수치지도를 제작한다.

그러나, 상기와 같은 종래의 수치 지도 제작 과정은 지상기준점 측량을 실시해야 하므로, 많은 비용과 시간이 소요되며, 공정개선을 위해 항공기에 장착된 GPS 데이터를 이용하여 사진이 촬영된 시점의 사진의 중심 위치를 계산할 수 있으나, 항공기의 특성상 매순간 회전될 때의 회전각에 대한 정보를 얻을 수 없는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 항공사진을 촬영함과 동시에 GPS/INS를 이용하여 항공사진의 중심 위치 및 회전각의 외부 표정 요소를 산출한 후 이를 토대로 수치지도를 제작함으로써, 기존의 항공삼각 측량에서 필요한 지상 측량 및 항공 삼각 측량의 수학적 계산과정을 생략하여 수치지도 제작 과정을 단순화시킬 수 있는 GPS/INS를 이용한 수치지도 제작 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 항공기에서 촬영된 항공사진의 수치지도 제작 시스템에 있어서, 상기 항공기에 장착되어 GPS 위성로부터 GPS 데이터를 수신하는 항공기 GPS 센서와, 상기 항공기에 장착되어 INS 데이터를 감지하는 항공기 INS 센서와, 상기 항공기 INS 데이터와 항공기 GPS 데이터를 융합하여 상기 항공사진의 외부 표정 요소를 취득하고, 상기 외부 표정 요소를 도화하여 수치 지도를 생성시키는 제어 수단을 포함한다.

또한, 본 발명은, 항공기 GPS 센서와 항공기 INS 센서를 구비한 항공기에서 촬영된 항공사진의 수치지도 제작 방법에 있어서, 상기 GPS 센서로부터 GPS 데이터를 수신하는 단계와, 상기 INS 센서로부터 INS 데이터를 수신하는 단계와, 상기 INS 데이터와 GPS 데이터를 융합하여 상기 항공사진의 외부 표정 요소를 산출하는 단계와, 상기 외부 표정 요소를 도화하여 수치지도를 생성시키는 단계를 포함한다.

이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 항공기 내에 장착된 수치지도 제작 시스템을 도시한 블록도이고, 도 2는 도 1의 제어 수단을 세부적으로 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 수치지도 제작 시스템은 항공기에 장착되어 GPS 위성으로부터 GPS 데이터를 수신하는 항공기 GPS 센서(100), 항공기에 장착되어 항공기의 움직임을 감지하는 항공기 INS 센서(110)와, 특정 시점에 촬영된 항공사진의 카메라(120) 위치를 항공기 GPS 센서(100) 데이터와 항공기 INS 센서(110) 데이터의 융합을 통해 알아내고, 얻어진 외부 표정 요소를 이용하여 도화작업을 수행하여 수치지도를 생성시키는 제어 수단(130)을 포함한다. 이때, GPS 위성에서 제공되는 GPS 데이터에는 GPS 시간 정보가 포함되어 있으므로, 모든 센서의 시각 정보는 GPS 시간을 기준으로 시각 동기화시킨다. 제어 수단(130)이 산출하는 외부 표정 요소는 항공사진의 중심 위치(X, Y, Z)와 각 축의 회전각이다.

GPS 센서(100)는 GPS 위성으로부터 GPS 데이터, 즉 움직이는 항공기의 위치를 수신하여 제어 수단(130)에 제공한다.

INS 센서(110)는 각 측정을 위한 각 측정계와 항공기 동체의 가속도를 측정하기 위한 가속도계로 이루어져 있으며, 이때 각 측정계는 관성 장치, 즉 중력에 대해 저항하려는 힘이 작용하여 센서의 현재 위치를 지속적으로 유지시키는 장치로서 센서의 3개의 축(X, Y, Z)에 작용하는 힘을 통해 항공기의 회전각을 계산할 수 있다. 이러한 각 측정계와 가속도계로 이루어진 항공기 INS 센서(110)는 항공기 동체의 회전각을 계산한 후 회전각과 측정된 가속도를 이용하여 변화하는 항공기 동체의 정확한 위치를 산출한다.

제어 수단(130)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 항공기 GPS 센서(100), 항공기 INS 센서(110) 및 항공사진 카메라(120)와 통신하여 데이터를 수신하는 데이터 수신부(131)와, INS 센서(110)로부터 INS 데이터가 수신되거나 카메라(120)에서 항공사진을 촬영할 때 시간 정보를 제공하는 타이머(132)와, 타이머를 통해 항공사진 및 INS 데이터가 제어장치(130)에 입력된 시간을 기록하는 시간 정보 기록부(133)와, 항공사진과 INS 데이터에 기록된 시간 정보를 GPS 데이터에 포함된 GPS 시간 정보로 동기화시키는 시간 동기화부(134)와, GPS 시간 정보로 동기화된 INS 데이터와 GPS 데이터의 융합을 통해 특정 시간에 촬영된 항공사진의 중심 위치(좌표)와 중심 위치에서 각 축의 회전각을 계산하는 정보 산출부(135)와, 정보 산출부(135)에서 산출된 각 축의 회전각을 기 설정된 기준 회전각을 이용하여 오차를 보정하는 회전각 보정부(136) 및 보정된 회전각과 각 축의 회전각으로 이루어진 외부 표정 요소를 저장하는 데이터베이스(137)로 구성된다. 여기서, 제어 수단(130)은 이와 같이 외부 표정 요소를 산출할 수 있는 기능과 외부 표정 요소를 이용하여 수치지도를 제작할 수 있는 기능을 갖는 컴퓨터와 같은 연산기기이다.

한편, 정보 산출부(135)는 INS 데이터와 GPS 데이터를 칼만 필터링 방식으로 융합시켜 외부 표정 요소를 산출하며, 칼만 필터링 방식은 현재와 과거의 위치와 회전각을 이용하여 보다 정확한 위치 정보의 최적 해를 구해내는 방법으로서 강결합(tightly coupled system) 형태의 칼만 필터링 방법을 이용한다. 이와 같이 칼만 필터링 방식으로 외부 표정 요소를 산출하는 것은 GPS 센서(100)와 INS 센서(110)가 가지는 장단점을 서로 보완하기 위해서며, 이를 통해 항공사진이 찍힌 시간의 항공기 위치 및 자세 정보를 계산할 수 있다. 즉, GPS는 장시간 동안 위치와 속도에서 높은 정확도를 유지하고 시간과 중력에 영향을 받지 않고 정확도를 갖는 반면에 관측 자료의 저출력율과 사이클 슬립(cycle slip), GPS 위성 신호 단절, 자세 자료의 잡음 등이다. 이에 반해, INS는 위치와 속도의 높은 정확도, 정확한 자세 결정, 관측 자료의 고출력율, 중력 벡터 결정 등이 있지만 시간에 따른 정확도 감소, 중력에 의한 영향이 등이 있다. 정보 산출부(135)는 이와 같은 INS의 장단점과 GPS의 장단점을 칼만 필터링 방식으로 융합시켜 정확한 외부 표정 요소를 산출한다.

회전각 보정부(136)는 정보 산출부(135)에서 산출된 회전각에 일정한 오차량의 차감을 적용하여 산출된 회전각을 보정한다. 이때 기준 회전각은 재래식 항공 삼각 측량을 이용하여 산출될 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 수치지도 제작 시스템의 동작 과정은 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 본 발명에 따른 수치지도 제작 과정을 도시한 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 먼저, 항공기 GPS 센서(100)는 기 설정된 시간 간격으로 GPS 위성으로부터 GPS 데이터를 수신한 후 이를 데이터 수신부(131)를 통해 시간 정보 기록부(133)에 제공하고, 항공기 INS 센서(110)는 기 설정된 시간 간격으로 INS 데이터를 감지한 후 이를 데이터 수신부(131)를 통해 시간 정보 기록부(133)에 제공한다. 동시에 항공기에 장착된 항공사진 카메라(120)는 항공사진을 촬영하며, 촬영된 항공사진은 데이터 수신부(131)를 통해 시간 정보 기록부(133)에 제공된다(S300, S302).

시간 정보 기록부(133)는 항공사진 카메라(120)에 의해 항공사진이 찍히는 시간 정보를 타이머(132)로부터 제공받아 기록하고, 항공기 INS 센서(110)가 기록되는 시점을 타이머(132)로부터 제공받아 INS 데이터에 기록한다(S304).

시간 동기화부(134)는 항공사진의 시간 정보와 INS 데이터의 시간 정보를 GPS 시간 정보로 변환시켜 GPS 데이터의 GPS 시간 정보로 동기화 시킨다(S306). 이것은 GPS의 절대적 위치정보로부터, 항공기의 위치를 알 수 있기 때문에, INS 데이터와 사진의 촬영시간 정보를 GPS 시간정보로 변환한다.

이후, 정보 산출부(135)는 GPS 데이터와 GPS 시간 정보로 동기화된 INS 데이터를 칼만 필터링 방식으로 융합시켜 항공사진의 중심 위치(즉, 좌표)와 각 축의 회전각, 즉 외부 표정 요소를 산출한다(S308).

한편, 회전각 보정부(136)는 정보 산출부(135)에서 산출된 회전각을 기 설정된 기준 회전각을 이용하여 보정시킨다(S310). 또한 항공사진에 대한 보정된 회전각과 중심 위치는 데이터베이스(136)에 저장된다.

제어 수단(130)은 데이터베이스(136)에 저장된 외부 표정 요소를 이용하여 도화 작업을 수행하여, 항공사진의 수치지도를 제작한다(S312, S314).

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 항공사진을 촬영함과 동시에 GPS/INS를 이용하여 항공사진의 중심 위치 및 회전각의 외부 표정 요소를 산출한 후, 이를 토대로 수치지도를 제작함으로써, 기존의 재래식 항공 삼각 측량을 수행하는데 필요한 지상기준점 측량 및 수학적 계산과정의 생략을 통해 수치지도 제작 과정을 단순화시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 실제 지상 측량과 항공 삼각 측량의 수행을 위한 수학적 계산과정을 생략할 수 있음으로, 수치지도 제작에 따른 비용을 절감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 GPS 및 INS를 이용한 수치지도 제작 시스템을 도시한 블록도이고,

도 2는 도 1의 제어 수단을 세부적으로 도시한 블록도이고,

도 3은 본 발명에 따른 GPS 및 INS를 이용한 수치지도 제작 과정을 도시한 흐름도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

100 : 항공기 GPS 센서 110 : 항공기 INS 센서

120 : 항공사진 카메라 130 : 제어 수단

131 : 데이터 수신부 132 : 타이머

133 : 시간 정보 기록부 134 : 시간 동기화부

135 : 정보 산출부 136 : 회전각 보정부

137 : 데이터베이스

Claims

항공사진을 이용한 수치지도 제작 시스템에 있어서,

상기 항공기에 장착되어 GPS 위성로부터 GPS 데이터를 수신하는 항공기 GPS 센서와,

상기 항공기에 장착되어 항공기의 회전각 정보를 감지하는 항공기 INS 센서와,

상기 항공기 INS 데이터와 항공기 GPS 데이터를 융합하여 상기 항공사진의 외부 표정 요소를 취득하고, 상기 외부 표정 요소를 이용하여, 도화과정을 통해 수치 지도를 생성시키는 제어 수단

을 포함하는 GPS/INS를 이용한 수치지도 제작 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제어 수단은,

상기 항공기 INS 센서로부터 INS 데이터가 수신될 때와 상기 항공사진이 촬영될 때, 타이머의 시간 정보를 상기 항공사진과 INS 데이터에 포함시키는 시간 정보 기록부와,

상기 항공사진과 INS 데이터의 시간 정보를 GPS 시간 정보로 변환시켜 GPS 데이터의 GPS 시간 정보와 동기화시키는 시간 동기화부와,

상기 GPS 시간 정보로 동기화된 항공기 INS 데이터와 항공기 GPS 데이터의 융합을 통해 항공사진의 좌표와 회전각 데이터로 이루어진 상기 항공사진의 외부 표정 요소를 산출하는 정보 산출부와,

기 설정된 기준 회전각 데이터를 이용하여 상기 산출된 회전각 데이터를 보정하는 회전각 보정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS/INS를 이용한 수치지도 제작 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 회전각 보정부는, 상기 산출된 회전각 데이터와 기준 회전각 데이터간에 일정한 오차값을 적용하여 상기 산출된 회전각 데이터를 보정하는 것을 특징으로 하는 GPS/INS를 이용한 수치지도 제작 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 정보 산출부는, 항공기 GPS 데이터와 항공기 INS 데이터를 칼만 필터링 방법에 의해서 융합시켜 외부 표정 요소를 산출하는 것을 특징으로 하는 GPS/INS를 이용한 수치지도 제작 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 항공기 INS 센서는, 각 측정을 위한 각 측정계와 상기 항공기 동체의 가속도를 측정하기 위한 가속도계로 이루어진 것을 특징으로 하는 GPS/INS를 이용한 수치지도 제작 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 각 측정계는, 관성 장치로서 중력에 대해 저항하려는 힘이 작용하여 상기 항공기의 현재 위치를 지속적으로 유지시키는 것을 특징으로 하는 GPS/INS를 이용한 수치지도 제작 시스템.
항공기 GPS 센서와 항공기 INS 센서를 구비한 항공기에서 촬영된 항공사진의 수치지도 제작 방법에 있어서,

상기 항공기 GPS 센서로부터 GPS 데이터를 수신하는 단계와,

상기 항공기 INS 센서로부터 INS 데이터를 수신하는 단계와,

상기 항공기 INS 데이터와 항공기 GPS 데이터를 융합하여 상기 항공사진의 외부 표정 요소를 산출하는 단계와,

상기 외부 표정 요소를 도화하여 수치지도를 생성시키는 단계

를 포함하는 GPS/INS를 이용한 수치지도 제작 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 외부 표정 요소 산출 단계는,

상기 항공기 INS 센서로부터 INS 데이터가 수신될 때와 상기 항공사진이 촬영될 때 타이머의 시간 정보를 상기 항공사진과 INS 데이터에 포함시키는 단계와,

상기 항공사진의 촬영시간과 항공기 INS 데이터의 시간 정보를 GPS 시간 정보로 변환시켜 항공기 GPS 데이터의 GPS 시간 정보와 동기화시키는 단계와,

상기 GPS 시간 정보로 동기화된 항공기 INS 데이터와 항공기 GPS 데이터의 융합을 통해 상기 항공사진의 좌표와 회전각 데이터로 이루어진 상기 항공사진의 외부 표정 요소를 산출하는 단계와,

상기 산출된 회전각 데이터를 기 설정된 기준 회전각 데이터로 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS/INS를 이용한 수치지도 제작 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 외부 표정 요소를 산출하는 단계는, GPS 데이터와 INS 데이터를 칼만 필터링 방법에 의해서 융합시켜 산출하는 것을 특징으로 하는 GPS/INS를 이용한 수치지도 제작 방법.