사진측량 -...

사진측량 - 개요

가천대학교 토목환경공학과

박 홍 기

사진측량의 개요

UTSA(The University of Texas at San Antonio) 와 상지대학교 강의자료를 바탕으로

2 가천대학교 박홍기

사진측량(Photogrammetry)

Photogrammetry is the art and science of making accurate measurements by means of aerial photography: Analog photogrammetry (using films: hard-copy photos)

Digital photogrammetry (digital images)

Aerial photographs were the first form of remote sensing imagery.

Differences between photogrammetry and Remote Sensing are that photographs are: Black and white (1 band) or color (blue, green, red, and IR)

Wavelength range of 0.3-1.0 m

Use cameras

One type of remote sensing imagery

(자료원: www.utsa.edu/lrsg/Teaching/.../L5b-phogr.pdf)

가천대학교 박홍기 3

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사진측량(Photogrammetry) 정의

Photogrammetry 어원(라틴어)

• Photos : light (광, 전자기파, 사진)

• Gramma : drawn, written (형상)

• Metrein : to measure (관측)

반사 또는 방사된 전자기파(electromagnetic wave)에 의한 사

진 및 영상을 이용하여 접촉하지 않은 대상물에 대한 정량적(定量

的) 위치해석 및 정성적(定性的)인 특성을 해석 하는 학문

정량적(Quantification) : 위치, 형상, 크기 등의 결정

정성적(Qualitification) : 자원과 환경현상의 특성조사 및 분석

사진측량

원격탐사

GIS 3차원

지형공간정보

가천대학교 박홍기

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사진측량의 주요 역사

기계사진측량(1839~1970)시대 사진술 발명(1839) : Daguerre(프)

사진을 이용한 지형도 제작(1840) : Laussedat(프)

사진의 발전 및 열기구 이용한 항공 촬영

항공기의 발명(1889) : 라이트형제(미)

입체도화기의 기본이론 정립(1892) : Pulfrich(독)

제1차 세계대전 후 항공기와 광학기계의 급속한 발전

해석사진측량(1970~1990)시대 컴퓨터의 지원을 통한 해석 도화기의 개념 도입

스트립의 다항식 조정, 독립모델법, 광속조정법 등의 소개

수치사진측량(1990~현재)시대 수치영상처리기법의 발전과 디지털 카메라의 개발

수치영상처리의 자동화 기법에 대한 연구 활발


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사진측량의 발달 과정

컴퓨터 출현 디지털혁명

기계사진측량

70년간

해석사진측량

20년간

수치사진측량

?년간

1990 - ? 1900 1970 1970 1990

• 1839 : 사진술 발명 • 1889 : 비행기 발명 • 1892 : 입체도화기 원리 발명 • 제1차세계대전 계기 • 사진측량의 원리에 대한 해석을 기계를 통해 구현

• 컴퓨터의 출현 • 컴퓨터 처리속도의 향상 • 수치해석 발전 • 사진측량의 원리에 대한 기계식 처리를 주로 컴퓨터를 통해 구현

• 디지털 혁명 • 영상을 취득할 수 있는 자료원 다양화 (위성영상, 디지털 카메라 • 사진측량의 자동화 • GIS 및 유비쿼터스 환경과 연계 적합


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우리나라 사진측량 시초(1945년 미군 DMA)

1910~1918년간 얻은 기준점을 이용하여 북위 40까지 항공사진을 촬영하여 최초로 1/50,000의 항측 군사 지도 수정 제작 (한국전쟁 중)

1966 : 한화협정(ITC)에 의해 한화합동으로 항공사진측량사업 착수

1974 : 남한전역 1/25,000(768도엽) 완성 축소편집 1/50,000(239도엽) 동시 완성

1974. 11 : 국립지리원 발족하여 1/5,000 대축척지도제작 사업 착수

1991 : 수치지도제작계획 수립

1995 : NGIS구축기본계획 에 의거 본격적인 수치지도제작 사업 착수

대상축척 : 1/5,000, 1/1,000, 1/25,000

현재 모든 국가기본도 제작은 항공사진측량 활용

2000년부터 항공사진 DB구축 사업추진

최근 디지털기술 및 다양한 센싱기술 개발로 다양화

국내 사진측량의 역사


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사진측량의 특성

정량적 및 정성적 측정이 가능

정량적 크기, 형상, 지형, 지물의 위치

정성적 피사체의 특성 해석

동체 측정에 의한 보존 이용

종래의 측량방법 : 정적인 것만 가능

사진 측량방법 : 움직이는 것 가능(경년변화 분석)

(구름의 이동, 구조물변형, 교통량조사, 탄환, 미사일의 측정, 홍수)

광범위한 대상물의 동시기록 가능 : 중심투영 원리

정확도의 균일성 : 기준점 및 세부측량의 정확도 균일

장점


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접근하기 어려운 대상물의 측정이 가능 : 난접근, 비접근 → 비접촉식 측정법 이므로 대상물에 손상을 주지 않고 자료 취득에 대한 보안이 가능함

분업화에 의한 능률화

축척 변경의 용이성

경제성에서의 절감효과 (작업인원 감소, 작업시간 단축)

축척이 작을수록, 광역일수록 경제적

4차원 측정이 가능

(X, Y, Z, T) 를 3차원(x,y,t)에 투영하여 P(x,y,z,t)를 구함

낙석의 추적

사진측량의 특성(계속)

장점


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시설비용이 많이 들고, 소규모 지역 관측에는 경제

적이지 못함

그림자 또는 사각 지역의 피사체는 식별이 곤란함

사진 처리 과정에 의한 작업지체 발생 및 측정 및

해석 과정의 소요시간

단점

사진측량의 특성(계속)


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사진측량의 분류

사진측량 (Photographic surveying) 정량적 의미

사진판독 (Photographic interpretation) 정성적 의미

응용사진측량 (Applied Photogrammetry)

토지나 지형이 아닌 그 밖의 대상물 측정(비지형사진측량, Non-Tophographic Photogrammetry)으로 근거리사진측량(Close-range Photogrammetry)이 대부분임

원격탐사 (Remote Sensing)

지상, 고공 및 우주에서 얻은 광역의 전자파를 해석하여 지구자원조사,

환경, 도시분석 등 정성적인 활용에서 최근 고해상도 위성영상이 얻어

짐에 따라 지도제작 등 정량적인 분야로 확대

사용목적에 의한 엄격한 분류


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지상사진 (Terrestrial Photography)

카메라 축이 수평면에 평행하고, 화면이 연직되게 촬영된 사진으로, 주로 비지형적 활용에 주로 이용됨(문화재, 의학, 교통사고조사 등)

항공사진 (Aerial Photography)

지표면에 대한 항공측량카메라의 각도에 따라 연직사진 (경사각3 이내)과 경사사진(3이상)으로 분류

다중파장대사진 (MultiSpectral Photography)

MSC 및 MSS를 항공기나 인공위성에 탑재하여 얻은 사진

촬영위치에 의한 분류



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연직사진 (vertical photography) : 항공사진

광축이 연직선과 일치하도록 공중에서 촬영한 사진

(경사각 3 이내)

경사사진 (oblique photography) : 항공사진

광축이 연직선과 경사지도록 공중에서 촬영한 사진

(경사각 3 이상)

수평사진 (horizontal photography) : 지상사진

광축이 수평선과 일치되도록 지상에서 촬영한 사진

촬영방향에 따른 분류



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수평사진(지상사진) 연직사진(항공사진)

연직사진 vs 수평사진


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저경사사진 고경사사진

광축

시야각

경사사진

지평선 or 수평선


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항공사진측량 : 항공기에 탑재된 사진기로 연속 중복 촬영

지상사진측량 : 지상의 두 점에 카메라를 고정시켜 촬영

항공사진으로 불가능한 지형, 구조물변형, 문화재조사, 교통문제해석 등에 활용

수중사진측량 : 해저사진측량, 수중카메라로 얻어진 영상 이용

수중자원, 환경, 플랑크톤 양 및 수질조사, 해저기복 수중식물 활력도 조사 등

원격탐사

가시영역(0.4~0.7μ) 및 적외, 지외선(광역파장 0.1~14μ)의 특성 활용

특수사진측량

레이더사진, X선사진, 위색사진, 적외선사진, 다중파장대사진, 흑백,천연색 사진을 이용. 지도작성 이외의 식생환경, 도시환경(열차단), 농산물실태(MSS), 지질조사, 자원조사, 군사적위험, 조기경보 등에 활용


측량방법에 의한 분류


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대축척도화 : 저공촬영 (촬영고도 800m이내) 사진도화

중축척도화 : 중공촬영 (800~3000m) 사진도화

소축척도화 : 고공촬영 (촬영고도 3000m이상) 사진도화

입체도화기에 의한 도화

사진도해법에 의한 간이 도화

사진집성에 의한 도화

도화 방법에 의한 분류

항공촬영 축척에 의한 분류



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관련 학문 물리학(광학), 화학(환경조사 및 환경영향평가)

전자공학(CCD카메라, 수치사진측량)

수학(수치해석)

천문학(측지학, 우주공학)

환경공학, 지질학, 지리학 등

사진측량의 관련 학문

Geomatics GNSS/GPS 사진측량 원격탐사

측량 및 지도제작

GIS/GSIS

Geomatics (또는 Geoinformatics)= 측량 및 지도제작 + 사진측량/원격탐사 +

GIS + GPS/GNSS

Geomatics

지리정보의 수집, 분석, 보급 등에 따른 과학기술로서 측량 및 지도제작, GIS, 사진측량 및 원격탐사, GPS 등을 포괄하는 지형공간정보공학 개념


사진측량의 기본 원리

19 가천대학교 박홍기

Camera System

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Note the image inversion; this is corrected by

mirrors in the camera body, and by our brains - the

world your eyes see is really upside down!

Camera vs. Eye Ball Focal Length vs. Lens Shape

Focal length is the distance between the lens and the point where

the light rays converge. Magnification is controlled by distance

from the object, film format, and/or the focal length. Lens curvature,

optical purity and film quality also play a role.


Focal Length

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Focal Length vs. Size Size Magnification, focal length,

and angler field of view


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10 cm - permits

the description of

vehicles

25 cm - permits

the identification

of vehicles

50 cm - marginally

adequate for the

identification of

vehicles

100 cm - recognition

but not the

identification of

vehicles


Color Science

Additive primary colors :

Blue, Green, and Red

Subtractive primary colors (or complementary colors):

Yellow, Magenta, and Cyan

Filters (subtract or absorb some colors before the light reaches the camera):

Red filter (absorbs green and blue, you can see red)

Yellow (or minus-blue) filter (absorbs blue, allows green and red to be transmitted, which is yellow)

Haze filter (absorbs UV)

additive

Subtractive



Types of photographs

Black and white photographs

Panchromatic (minus-blue filter used to eliminate UV and blue wavelengths)

IR (IR-sensitive film and IR only filter used to acquire photographs at 0.7- 1.0 m )

UV (at 0.3-0.4 m, low contrast and poor spatial resolution due to serious atmospheric scattering)

Color photographs

Normal color (Haze filter used to absorb UV and create true color 0.4-0.7 m, or blue, green, red)

IR color (Yellow filter used to eliminate blue and create IR color (or false-color infrared) of 05-1.0 m, or green, red, and IR)

4 bands (blue, green, red, and IR)



Normal color

False-color infrared

(자료원: www.utsa.edu/lrsg/Teaching/.../L5b-

phogr.pdf)

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Normal color False-color infrared



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중심투영(central projection)원리

사진의 상은 대상물로부터 반사된 광이 렌즈 중심을 직진하여 평면인 필름면에 투영된 상

기복이 있는 지형에서는 정사투영인 지도(a)와 중심투영인 사진(a’)에는

차이가 생김

사진측량의 기본 원리 사진의 투영법 : 중심투영(Central Projection)

지도의 투영법 : 정사투영(Ortho Projection)

사진으로 지도를 제작하는 과정 : 중심투영과 정사투영의 투영변환

사진측량의 기본 원리


Scale of photographs

Image size/ real

world size :

S = ab/AB

Focal length/

altitude above

ground:

S = f / H



Scale (2)

1’ = 12 ”

S = 0.012/ (6 x 12) = 1/6000 S = f / (H-h)

Max scale, minimum scale, and

average or nominal scale

In real world

In the image


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Digital Cameras


Use an area array of solid-

state charge-coupled-device

(CCD) detectors. The

detectors are arranged in a

matrix format with m

columns and n rows.

Analog (continuous) signals

(voltage) are converted into

(discrete) digital brightness

value (DN)


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사진과 지도의 차이점

사진과 지도의 특성

지도 vs 사진, 벡터 vs 래스터 – 지도 : 벡터형 자료구조, 모든 데이터는 코드화되어 있으며, 각 점, 선, 면자료는 형태나 의미에 대한 속성을 갖고 있음

– 사진 : 래스터형 자료구조, 행과 열로 구성된 화소(pixel)로 구성되며, 각 화소는 연관된 속성정보를 갖고 있지 않음

벡터형 래스터형 정보형태 지형지물 식별 및 추출

약 ~KB 약 0.5 GB 자료크기

투영변환(transformation) 정사투영

(orthogonal) 중심투영(central)

투영법

비고 지도 사진 항목


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기복변위(relief displacement)

대상물에 기복이 있을 경우, 연직으로 촬영하여도 사진축척이 동일하지 않으며, 사진면에서 연직점을 중심으로 생기는 방사상의 변위인 기복변위를 수치미분편위수정에 의해 소거하여 정사사진으로 제작

Δh : 대상물의 높이

Δr : 기복변위

P = A (정사투영지도)

a 에 찍혀야 할 점이 p 에 찍힘

p a

Δr

Δh

f

P

A 지상연직점(N) 촬영기준면

연직점(o)

H

Δr = r

H

Δh

r

B


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편위수정(rectification)

중심투영원리에 의한 사진촬영으로 경사나 원근이 있는 사진을 정확하게 위나 정면에서 찍은 사진과 같이 경사와 원근을 보정하고 대상물의 기복에 의해 발생되는 변위를 소거하여 정사사진을 만드는 과정


Orthorectification


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Extraction of Building Infrastructure based

on orthophotographs


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사진측량좌표계

상좌표->사진좌표 전환(내부표정) Helmert변환 Affine변환 Pseudo Affine변환

사진좌표->절대좌표 전환(외부표정) 상호표정 : 3차원모델좌표 접합표정 : 스트립 또는 블럭 형성 절대표정 : 최소3점의 기준점


3차원 대상물좌표계

렌즈왜곡

사진기렌즈

광축

투영중심(Xo,Yo, Zo)

주점

광선

2차원영상좌표계 (사진좌표계)

초점거리(f)

2차원 영상 y

x

(0,0)

Z

Y

X

P (x, y, z)

Tilt

Direction

Swing

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공선조건 (Collinearity Condition)

대상점 (A : Object Point)

상점 (a :Image Point)

노출점 (L : Exposure Station)

동일한 직선 위에 있어야 하다는 조건으로 번들조정법에 의해 해석

공선조건식 (Collinearity Condition Equations)

)()()(

)()()(

333231

1312110

LALALA

LALALAa

ZZmYYmXXm

ZZmYYmXXmfxx

)()()(

)()()(

333231

2322210

LALALA

LALALAa

ZZmYYmXXm

ZZmYYmXXmfyy

(m11~m33) : 사진기 회전행렬요소

(XL, YL, ZL) : 노출점(촬영점)의 3차원좌표

(XA, YA, ZA) : 대상물의 3차원좌표


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표정(Orientation)

“촬영시 사진의 기하학적상태(사진기의 위치와 경사)를 그대로 재현

하려면 대응하는 광선에 대한 교점의 집합은 피사체 표면과 전부 합동인 모델을 만든다.” : 재현의 원리 활용

내부표정

상호표정

절대표정

접합표정

촬영시와 같은 광학조건으로 도화기에 투명양화 장착 • 내부표정요소 : 주점(xo, yo), 주점거리(f)

• 해석사진측량의 내부표정 : 상좌표를 사진좌표로 변환하는 과정

좌우사진의 양쪽 투영기에서 나오는 광속이 이루는 종시차(y시차) 소거하여 입체모형(Stereoscopic Model) 전체가 완전히 입체시 되는 과정 • 3차원가상좌표(모델좌표) 생성

입체모형(모델, 스트립 또는 블록)에 대해 지상기준점을 이용하여, 대상물 좌표계로 변환함

축척의 결정

수준면(경사)의 결정

위치결정


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Cost/Benefit

Applications

Technology

Standards

Digital

Mapping

GIS/LIS

Coordinates

Datum

AM/FM Photogrammetry?

Engr.

Surveying?

The End Land

Surveying?

Geodetic

Surveying?

E-mail:

[email protected]


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