항공레이저측량 등 신기술 -...

항공레이저측량 등 신기술

가천대학교

박 홍 기

항공사진측량의 신기술

2 가천대학교 박홍기

3

GPS/INS 항공사진측량시스템 : 항공사진카메라 + GPS + INS(관성시스템)와 결합

관성시스템 : 회전각 결정, GPS 시통이 불가능한 지역의 위치결정시 우수성 입증

최근 외국 항측 동향 : 대부분이 GPS/INS 항공사진측량으로 이루어 지고 있음

GPS/INS 항공사진측량 방법

현상

필름검사 인화 주기삽입 밀착사진 양화필름

GPS/INS 장비

GPS 수신기

건물 DEM 3D 모델링

3D 도화데이터를 이용한 3D GIS구현

8

0

0

m

* INS : Inertial Navigation System

가천대학교 박홍기

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Direct Georeferncing의 정의

촬영시 센서의 위치와 회전각을 직접 결정(외부표정요소의 직접 결

정) 하여 모든 영상소를 지상의 대응점에 매칭시키는 작업

• 기하학적 변형의 보정

• 지도투영면내의 변환 Geocoding

Direct Georeferncing 의 장점

지상측량작업과 사진기준점측량(AT)의 불필요

Sensor와 독립된 데이터 표현

영상 데이타로 부터 직접 지상의 3차원 위치 결정

타 센서에 의해 수집된 데이터와 연계 활용 용이

Direct Georeferncing 표정 원리



5


촬 영

항공사진 INS 자료 GPS 자료

Kalman Filtering

외부표정요소

초기 회전각 Calibration

GIS자료기반, 정사영상, 수치도화

w

k

f

Camera Frame

(Xo, Yo, Zo)

INS Frame

Mapping Frame

Direct Georeferncing 표정 개념


6

• 주로 회전각(κ,φ,ω) 측정 • 위치정확도 높음(단기간) • 자료 발생 빈도 매우 높음 • cycle slips 없음 • 중력에 영향을 받음 • 초기화 필요

• 주로 위치(X,Y,Z) 측정 • 위치정확도 높음 (장기간) • 자료 발생 빈도 낮음 • cycle slips 발생 • 중력과 무관 • 초기화 불필요

INS GPS

두 센서의 약점은 최소로 하고 서로의 장점만 취합

GPS/INS 연계의 필요성



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새로운 항공사진측량 기법

기존 방법

+

항공사진촬영 지상측량

=

정사사진영상

•높은 제작원가

(고가의 지상측량비용)

•많은 시간소요

(지상측량시 소요시간이 많음)

새로운 항공사진촬영

GPS

IMU(INS)

+

항공사진촬영 GPS/INS장비

=

정사사진영상

•낮은 제작원가

(지상기준점측량 불필요)

•제작시간이 적게 소요

•정보의 다양화

(컬러사진 촬영)



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DEM : 수목과 같은 자연지물과 건물 등의 인공지물을 포함하지 않는 지표면 자료

DTM : 적당한 밀도로 분포하는 지점들의 위치 및 표고의 수치 정보

DSM : 수목과 건물 등의 인공지물을 모두 포함하는 지표면 정보

DSM (Digital Surface Model)

수치표면모형 수치표고모형

수 목 건 물

DEM(Digital Elevation Model)

DTM (Digital Terrain Model)

고정밀 수치지형모델 활용 방법


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원격탐사에 의한 새로운 자료 생성

데이터 획득 (인공위성센서)

전처리과정 (계통적 보정,

노이즈 제거 )

방사량 보정 (대기영향보정)

활 용 ( GIS와 통합, 의사결정

지원 기본 자료)

화상분석 (분 류)

출 력 (분석 결과 DB)

기하 보정 (지도 좌표 부여)

화상강조 ( 필 터 링 )

원격탐사의 정의 • 대상물의 접하지 않고 항공기나 인공위성에 탑재된 MSC, MSS 센서

을 이용하여 인간활동이 미치는 모든 영역에 대해 얻어진 영상이나

대상물에서 반사 또는 방사되는 전자파를 해석하는 학문

• 최근 고해상도 위성영상의 출현으로 기존의 정성분야에서 지도제작

이나, GIS DB 구축 등 정량적 분야의 활용이 증가됨

KOMSAT-2호

SPOT


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고해상도 위성영상을 이용한 자료 취득

1980년대 프랑스 SPOT 위성이 발사되면서 지도제작에 활용

IKONOS, Quickbird 등 1m급 상업위성에 의한 대축척 지도제작 가능

우리나라 : 2005년 KOMPSAT-2 발사 활용

위성 및 고해상도 위성영상 가천대학교 박홍기

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고해상도 영상을 활용한 새로운 방법

GPS/INS 항공사진영상 활용

디지털카메라 영상 활용

IKONOS 위성영상(해상도 1m) 활용

QuickBird 위성영상 활용

고해상도 영상 취득 방법 IKONOS 영상

5Cm 해상도

디지털 카메라

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GPS/VAN 시스템을 활용한 자료 생성

포장관리시스템(PMS) 관련 정보 수집

지능형교통시스템(ITS) 정보 수집

수치지도 수정/갱신

철도 관련 시설물 정보 수집

다양한 종류의 센서 탑재 가능 : CCD, LiDAR등

기존 GIS 데이터와의 연계

Total 지형정보 취득시스템 구축의 기반 조성

활용 분야

GPS INS

CCD 카메라

포장관리 활용 예 GPS/VAN + LiDAR 부착 3차원 도시정보 취득


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모바일매핑시스템을 이용한 방법

차량에 CCD카메라와 위치측정 장비(GPS) 탑재

일정 속도로 도로를 운행하면서 도로 및 도로시설물 정보 취득

기존의 현장측량보다 비용/효율 측면에서 유리

수치지도나 3차원 자료의 수정/갱신 주기 단축

모바일매핑시스템(Mobile Mapping System) 가천대학교 박홍기

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무인비행선을 이용한 방법

현장에서의 영상정보 수집 및 제공이 용이함

GPS, INS 등 관측장비 탑재로 정확한 지형공간정보 취득

재해지역의 현장정보 취득이나 대축척지도제작, 시설물 관리에 활용

GPS/INS 무인비행선시스템


UAV

무인 항공기(UAV; Unmanned Aerial Vehicle)는 사람이 탑승하지 않는 항공기를 말한다.

기체에 사람이 타지 않은 것으로 지상에는 원격 조종하는 조종사가 존재하고 있다는 점을 강조해 Uninhabited Aerial(Air) Vehicle의 약어로 지칭하는 경우도 있다.

보통 임무에 의한 분류, 비행 고도나 크기에 의한 분류가 존재한다

임무에 의한 분류 민간기(농업용·재해 관측용 등) - 회전익기도 많다.

무인 표적기

무인 정찰기(고정익·회전익)

무인 공격기(무인 전투기) - UCAV

무인 전투 헬리콥터 – UCAR

비행 고도에 의한 분류 HALE : 고고도, 45,000 ft 이상, 정찰·감시나 통신 중계, 미국의

RQ-3 다크스타, RQ-4 글로벌 호크, 이스라엘의 IAI 이단 등이 있다.

MALE : 중고도, 45,000 ft 이하, 미국의 MQ-1 프레데터, 이스라엘의 IAI 헤론 등이 있다.

LALE : 저고도, 20,000 ft 이하, 이스라엘의 RQ-2 파이오니어, RQ-5 헌터, RQ-7 섀도 등이 있다.

노스롭그루먼 RQ-4 글로벌호크

VUAV 이글아이

Northrop Grumman RQ-4

Global Hawk

VUAV Eagle Eye

UAV촬영 – 후쿠시마 제1원전

캠콥터 S-100

• 오스트리아제 무인정찰기 ‘캠콥터 S-100(Camcopter S-100)’는 기체 길이가 3m에 불과하고 최대

속도가 시속 240km이며 6000m 고도에서 6시간 동안 체공할 수 있다.

• 기체가 작아 북한군에게 발각될 가능성이 거의 없는 데다 강우 강설 강풍 등 악천후에서도 임무

수행이 가능하다. 또한 제자리 비행을 하며 장시간 촬영이 가능하고 자율 비행제어 시스템을 갖춰 통신이 두절되면 자동으로 지정된 장소로 복귀한다.

• 미국, 아랍에미리트(UAE) 등에 130여 대가 군사정찰용으로 납품됐다.

오스트리아 Schiebel사의 S-100 Camcopter 무인기는 수직 이착륙형 무인헬기 시스템으로 1996년 이스라엘, 이탈리아, 스웨덴 육군과 미 해병대를 위한 시험비행에 성공해 실전배치해 운용하고 있다. 1997년 11월 조지아주 포트베닝에서 도시 군사작전(MOUT :Military Operations in Urban Terrain) 훈련장에서 시험되었고 1998년 10월 독일, 항공지뢰지대정찰(Airborne Minefield Reconnaissance) 기술 프로그램을 위해 독일연방 방위사업국에 의해 추천된 무인기체이다.

S-100 Camcopter은 한번 이륙에 25kg의 payload를 탑재하고 6시간을 비행하며, Datalink는 80km와 180km의 두가지 형으로 지형적 영향을 받지 않고 이착륙이 용이하다는 점 외에 헬기형의 단점을 극복하고 비교적 비행시간과 작전운용 반경이 대단히 넓다는 장점이 있다. 또한 최대 임무장비 탑재 중량이 50kg, 최대 운용고도 5.4km, 최고속도 200km/h, 순항속도 100km/h 로써 사용자의 요구에 맞출 수 있는 다양한 용도의 감지기(주야간 광학 및 적외선 감지기, SAR, LIDAR,GPR 등)를 탑재하여 실시간 영상을 제공할 수 있도록 설계되어 군사용과 민수용으로 각광을 받고 있는 매우 우수한 미래형 다목적 무인헬기라 할 수 있다.

microdrone

LiDAR 및 3차원 GIS 관련 기술


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LiDAR 정의

LiDAR (Light Detection And Ranging)의 정의

항공기(비행기 또는 헬리콥터)로부터 지상을 향해 많은 레이저펄

스(70KHz)를 지표면과 지물에 발사하여 반사되는 레이저펄스로

부터 지표면의 높이정보를 취득하는 기술

고밀도의 3차원 수치데이터를 취득하는 새로운 자료취득기술

분류 : 지상, 항공, 선박, 위성 LiDAR

유사용어 ALS : Airborne Laser Surveying

ALS : Airborne Laser Scanning

ALTM : Airborne Laser Terrain Mapper

ALTMS : Airborne Laser Terrain Mapping System


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항공 LiDAR 측량의 특징

신속/정확한 3차원 지형 Data 생성 ⇒ 전 세계적 도입 추세

3차원 점 자료 + 수치영상 동시 취득 가능 ⇒ 활용분야 확대

GPS/INS 동시 취득 : 다양한 활용 기술의 발전

저렴하고 신속한 자료처리 가능 : 항측의 1/3 비용, 다음날 자료화

다양한 분야에 적용 ⇒ WTC 복구작업시, LiDAR 활용


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항공 LiDAR 측량의 원리

GPS 위성

GPS/INS

레이저 스캐너

기준점에 GPS 지상 기지국 설치

3차원 GIS DB 구축

X Y

Z

GPS


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항공 LiDAR 측량의 작업 광경

GPS (기지국)

수평회전

전후회전

좌우회전

IMU GPS

높이

경도

위도

LiDAR측량을 이용한 3차원 도시모델링


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항공 LiDAR측량의 자료취득 기술

통합 GIS 데이터 획득을 위한 촬영

GPS

• 보통각 카메라

• 광각 카메라

• 각종 필터

GPS/INS를 이용한

항공사진촬영 LiDAR 시스템

• Pulse 70kHz

• Height 3,000m

항공디지털카메라

• 4K*4K 디지털 카메라

• R G B 적외선


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LiDAR의 스캐너

디지털 카메라 레이저 센서

캠코더

(스캐너 하단)

(LiDAR 스캐너)

거울 모터 레이저

광학섬유

(Fiber Optics)

레이저 스캐너 항공기와 레이저 센서간의 거리 계산

펄스 형태의 레이저파 주사

- DEM 분류 가능(1st~4th)

일정한 주사폭(swath width)을 가짐

- 레이저 펄스가 거울에 반사됨

- 광학섬유가 일정한 방향으로 레이저 펄스를 고정시킴

점밀도(point density) 조정 가능


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레이져 펄스 단면도

항공사진영상

DSM


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LiDRA의 레이저 펄스 원시 자료

GPS Time X_1 Y_1 Z_1 I_1 X_2 Y_2 Z_2 I_2

221244.144000 31418046.34 4589845.53 234.37 12 31418047.94 4589846.50 241.33 12

221244.144040 31418048.50 4589846.63 238.18 113 31418048.49 4589846.62 238.13 113

221244.144080 31418048.94 4589846.71 235.00 128 31418048.93 4589846.70 234.94 128

221244.144120 31418050.46 4589847.40 235.49 119 31418050.45 4589847.40 235.47 119

221244.144160 31418050.33 4589847.10 229.16 13 31418052.09 4589848.19 237.07 13

221244.144200 31418052.75 4589848.35 233.74 22 31418052.74 4589848.35 233.70 22

221244.144240 31418054.21 4589849.01 234.01 134 31418054.21 4589849.02 234.02 134

221244.144280 31418055.39 4589849.52 233.52 168 31418055.37 4589849.51 233.44 168

221244.144320 31418056.19 4589849.79 231.30 114 31418056.18 4589849.79 231.26 114

221244.174440 31418060.64 4589849.80 226.80 26 31418063.51 4589851.60 240.53 26

221244.174480 31418059.49 4589849.29 226.91 168 31418059.49 4589849.29 226.89 168

221244.174520 31418058.98 4589849.20 230.58 143 31418058.98 4589849.20 230.56 143

221244.174560 31418057.99 4589848.81 231.96 68 31418057.98 4589848.80 231.91 68

221244.174600 31418056.99 4589848.38 232.69 156 31418056.98 4589848.38 232.66 156

221244.174640 31418056.08 4589848.02 233.89 188 31418056.08 4589848.02 233.89 188

221244.174680 31418054.87 4589847.47 233.69 111 31418054.86 4589847.46 233.63 111

221244.174720 31418053.76 4589846.98 233.94 224 31418053.76 4589846.98 233.95 224

221244.174760 31418052.47 4589846.38 233.38 172 31418052.46 4589846.38 233.34 172

221244.174800 31418051.63 4589846.06 234.83 192 31418051.63 4589846.06 234.84 192

221244.174840 31418050.54 4589845.56 234.67 155 31418050.56 4589845.58 234.75 155

221244.174880 31418048.35 4589844.39 229.63 42 31418050.39 4589845.64 238.64 42

221244.174920 31418048.49 4589844.63 234.36 47 31418049.71 4589845.37 239.69 47

221244.174960 31418048.50 4589844.81 239.00 119 31418048.49 4589844.80 238.96 119

221244.175000 31418045.54 4589843.16 230.24 20 31418047.45 4589844.31 238.47 20

높이값 반사강도 평면좌표


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송전탑

건물 나무

도로

전력선 아래의 지면

주차장

LiDAR 데이터의 특성


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디지털항공사진영상(고해상도)


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36



37

수치표면모형(DEM+도로+건물+식생)


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수치표고모형(DEM:인공물 및 식생제외)


39

• 작업 방법 비교 (노선길이 50km인경우)

작업 방법 기존 항공사진측량 항공레이저(LiDAR)측량

작업 기간 7개월 2개월(원하면 즉시 가능)

비용 6억 1억

성과물 • 1/1,000 수치지도

• DEM, DSM, 수치정사영상 • 반사강도지도, 종횡단도 • 고정밀등고선도, 음영기복도 • 유역경사도, 경사방향도 분석 등

정확도 (1/5000사진축척)지도정확도 • 수평 : 80cm • 수직 : 2.5m(등고선)

(고도1200m일 때) • 수평 : 60cm이하 • 수직 : 15cm이하

장점 • 벡터지도 제작가능 • 현행 각종 토목 설계기준

• 단시간 대용량 데이터 취득 • 고 정밀 , 높은 정확도 • 데이터 처리의 자동화 • 작업 시간이 짧다 • 다양한 데이터의 활용성 • 3차원 시각화

단점 • 비용이 비싸다 • 작업 기간이 길다 • 접근 불가능 지역 작업 곤란

항공레이져측량과 항공사진측량의 비교


40

LiDAR데이터와 기존 수치지도의 비교

LiDAR에 의한 식생높이

LiDAR에 의한 DEM(등고선간격:20cm)

수치지도에 의한 등고선높이(간격:1m)


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항공사진 DEM &

수치지도 등고선

LiDAR측량 DEM &

수치지도 등고선

LiDAR 데이터 vs. 1/1,000 수치지도


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수치지도이용 DEM LiDAR DEM

• 등고선간격의 차이 : 1m vs 20cm • 산악부 : 지형의 섬세한 표현 차이 • 평지부 : 소로, 비닐하우스 등이 나타남

LiDAR DSM vs. 수치지도 DEM


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토목설계 및 계획분야 활용

토목설계에 있어 가장 불확실성이 높고, 소요 비용을 예측하기 어려운 공정은 토공

항공레이저측량에 의한 DEM을 이용하여 토공 정확도 향상

시공시 공사 대상지역 내에서 절토와 성토의 균형을 맞춤으로써 경제적인 이익

토공의 균형을 이루는 토공정규 용이

나무제거

지형추출

항공레이저 측량(20cm) (나무제거, 정확한 등고선생성)

OK

대체

기존 항공사진측량 지도 (나무오차발생)

No

지형+나무

• 기존 수치지도 (1m) • 나무높이보정 부정확


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도로설계 작업공정 비교분석

예측조사

예상노선선정

종단측량

지형도 작성

현지답사

횡단측량

1/25,000또는 1/50/000지형도 이용

종횡단면작성

중심선 도상 설치

공사 측량

도로의 성격,구조, 기준 등 결정

비교노선기입

중심 말뚝 설치

비교노선선정

비교노선으로부터 최종노선

세부측량 및 실시설계

기준점 측량 및 주요 점 설치

기존 수치지도활용

촬영

지상 및 항공기 GPS/INS 처리

성과물 제작

레이져 데이터 처리

항공레이저측량활용


45

도로설계의 적용사례(1/1,000수치지도)


46

도로설계 : 수치정사사진영상


47

도로설계 : 수치표고모형(DEM)


48

도로설계 : 수치표면모형(DSM)


49

해양(SHOALS) LiDAR측량의 원리

초기 레이져 펄스

수면 반사파

바닥 빈사파

해양조사용 LiDAR측량 원리

Time : 수심

200~500m 촬영고도

70 m 수심까지

가능

RECEIVER FIELD OF VIEW

INCIDENT

LASER PULSE

SEA SURFACE

SCATTERING AND

ABSORPTION

DIFFUSE BOTTOM

REFLECTION

ILLUMINATED

BOTTOM REGION

MEAN WATER

NADIR ANGLE

ILLUMINATED

SURFACE AREA

VOLUME

BACKSCATTER

RETURNING

BOTTOM

REFLECTED

SIGNAL

VE

RT

ICA

L D

EP

TH

SURFACE REGION

IN RECEIVER FOV

Red 파장대 : 수면에서 반사 Blue, Green 파장대 : 수면투과후, 바닥에서 반사


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SHOALS(근해 LiDAR) vs. Multibeam

• 얕은 해역 수심측량 가능(~50m)

• 지형 + 수심측량 동시 가능

• 신속한 Data 취득 및 처리 가능

해안선 지역

에서는 항공

LiDAR 사용이 최적임

해양 LiDAR측량에 의한 해안선조사 방안


51

해안선 3차원 디지털지도 제작

해안선 표고량 변화 분석

계절별 해안선의 변화량 분석

해안 침식 관리

보호구역 지정

미등록 토지의 존재여부 파악

연안관련 민원 및 행정업무에 활용

해안선관리

해안 침수지역 분석 및 예측

3차원 해안 침수도 제작

재해 후 지형 및 구조물의 변화 제공

기상재해 예측 시뮬레이션

해안방재 및 해양오염 수치 모델링

해안 자원 보호

해안재난관리

항만입지조건 선정

항만 계획 및 설계

항만 3차원 디지털지도 제작

해저지형 자료를 이용한 안전한 항로 제공

3차원 항만 시설물 상태 확인

항만관리

우리나라 해안선 길이 : 1918년 17,269 km(조선지지) ~ 17,361km(현재)

해양 LiDRA측량의 활용분야



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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