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한국판 뉴딜 중 디지털뉴딜에서 정보통신(ICT)산업을 기반으로 데이터의 활용도를 높여 산업의 생산성을 높이고 관련 인프라를 빠르게 구축하고 있다. 그중 디지털트윈에서는 3차원 공간정보를 구축하는 것이 중요한 요소 중 하나이다. 이러한 3차원 공간정보를 제작하는데 있어 주로 항공센서가 많이 사용되고 있다. 항공센서로는 항공사진을 취득하는 Aerial Digital Camera, 수치표고자료를 취득하는 LiDAR (Light Detection and Ranging), 소규모지역을 대상으로 하는 무인항공기 (UAV: Unmanned Aerial Vehicle) 등 여러 센서들이 활용되고 있다. 이러한 센서들은 지표면에서 떨어져 항공에서 정보를 취득한다는 공통점을 가지고 있다.

기존연구 사례로 경기도 안산시 일원을 대상으로 다방향 경사카메라인 Pictometry와 수직영상 촬영이 가능한 ADS80로 촬영된 영상으로 지상기준점을 이용하여 항공삼각측량(AT: Aerial Triangulation)을 수행 후, Pictometry영상은 지리부호화된 5방향의 영상으로 세밀도(LOD; Level of Detail)를 level 4에 맞춰 3차원 객체화를 수행하여 1/1,000 수치지도 2도엽 영역에 대한 벡터데이터를 생성하여 ADS영상으로 편위수정까지 진행된 영상으로 도화결과와 좌표와 면적 등에 대하여 비교/분석 및 정확도를 평가하였다[1].

드론을 이용한 공간정보구축이 다양한 분야에서 활용되고 있지만 경사이미지를 이용한 공간정보의 활용은 미흡하다는 것에서 수직이미지와 경사이미지를 정사이미지로 제작하고 VRS측량을 이용하여 정확도 분석을 수행하여 경사이미지에서도 수직이미지와 유사한 결과를 도출하였고, 기존 수직이미지와 경사이미지를 이용하여 건물의 3D 모델링을 수행할 때 사선이미지를 활용할 때 보다 사실적인 데이터를 생성하는데 효과적인 방법일 것이라고 평가하였다[2].

선행연구는 수직센서와 다방향센서의 3차원 객체에 대한 좌표와 면적에 대한 비교를 진행하였고, 드론을 통한 경사이미지를 이용하여 3D 모델링을 수행할 때 효과적인 방법으로 평가되었다. 본 연구는 하나의 센서에서 수직방향 이미지와 경사이미지가 동시에 취득되는 하드웨어 시스템에서 수직이미지와 경사이미지의 항공사진측량 정확도를 비교하여 3차원 공간정보 구축분야에 활용 가능 여부를 평가하고자 한다.

수직방향 이미지를 사용하여 3차원 공간정보를 제작하기 위해서는 고중복의 항공촬영성과를 필요로 하고 많은 촬영시간이 소요되며, 수직방향 사진만으로 취득하기 때문에 3차원 공간정보 제작 시 벽면 텍스쳐와 저층부의 묘사에 있어 많은 한계점이 들어나고 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위한 방법으로 다방향 경사카메라가 대두되고 있다. 이 카메라의 특징은 수직이미지뿐만 아니라 전/후/좌/우 각 방향의 경사 이미지를 동시에 취득하여 고중복의 항공촬영성과를 만들 수 있다. 이러한 다방향 경사카메라를 이용하여 취득된 경사이미지와 기존 방식으로 촬영된 수직이미지의 AT성과 정확도 분석을 통해 3차원 공간정보 구축에 활용 가능 여부를 판단하고 향후 3차원 공간정보 구축에 활용하고자 한다.

본 연구에 사용한 다방향 경사카메라는 IGI사의 UrbanMapper 모델로 수직방향 카메라뿐만 아니라 다방향(전(Forward), 후(Back), 좌(Left), 우(Right)) 경사이미지를 취득할 수 있는 카메라이다. 면형방식으로 BSI-CMOS를 통해 픽셀사이즈 3.7㎛ 해상도로 촬영이 가능하다. 경사카메라의 각도는 각 45도로 구성되어 있으며, 수직이미지가 좌·우 경사이미지와 중복도를 확보하여 후속공정인 항공삼각측량 수행 간 정확도 확보 측면에서 많은 장점을 가지고 있다[3].

Fig. 2. 
UrbanMapper-1 Image and shooting method

카메라시스템에는 영상을 취득하는 센서와 GNSS/INS데이터를 취득하는 센서로 구성되어 있다. 촬영 후처리 시에도 각 센서에서 취득된 영상과 GNSS데이터에 대해 각각의 처리 프로세스를 진행한다. 영상의 경우 UrbanMapper-1의 전용 후처리 프로그램인 IGI사의 IPS 소프트웨어를 이용하여 후처리를 진행하였다. GNSS/INS 후처리를 위해서는 AeroOffice와 GrafNav 소프트웨어를 이용하여 후처리하였다.

촬영된 이미지는 각 센서별로 각각의 폴더에 저장되며, 각 저장폴더의 파일을 IPS Project Loading하여 후처리를 진행한다.

Nadir센서의 경우 3개의 CMOS을 합쳐 1장의 이미지를 만드는 과정을 피팅이라 한다. 이 과정을 통해 28,200 × 11,500 pixel의 수직사진이 만들어진다. 이 과정에서 기하보정을 진행하게 되고 각 인접부분의 오차를 조정하여 수직이미지를 제작한다. 이후 Recipe과정을 통해 이미지의 색상과 명도 등을 조정하여 원본이미지를 제작한다. 이러한 과정은 후속공정인 항공삼각측량에 많은 영향을 미치는 과정이다. 항공삼각측량은 이미지의 화소를 기준으로 공액점을 통해 각 픽셀마다 좌표를 계산하는 공정으로 이미지의 품질에 따라 많은 영향을 미친다. 이미지 후처리 과정은 영상의 기하보정과 색상, 명도 등을 항공사진측량작업규정에 맞게 후처리를 진행한다. 그림 3은 촬영 후처리 프로세스이고, 그림 4는 영상 후처리 소프트웨어 실행 화면이다.

Fig. 3. 
Post-processing process

Fig. 4. 
Post-processing process program

GNSS/INS 후처리는 AeroOffice와 GrafNav 소프트웨어를 통해 후처리를 진행하였다. 먼저 경사카메라의 센서정보를 세팅해주고 촬영시 취득된 GNSS/INS 데이터를 입력한다. 항공기에서 취득된 데이터는 Remote 데이터로 보정할 Basestation데이터는 국토지리정보원에서 제공하는 상시 기준국으로 천안(CHEN) 기준국의 RINEX데이터를 사용하였다. Basestation을 기준으로 Remote(항공기)를 보정하는 방식으로 GNSS/INS데이터를 후처리하였다. 처리 시 항공사진측량작업규정에 준하여 수신 위성 수, PDOP, Estimated Position Accuracy 등을 check하여 최종 EO(Exterior Orientation)을 후처리하였다.

다방향 경사이미지를 3차원 공간모델 제작에 활용하기 위해서는 기본적으로 작업규정[4]에 의거한 정확도를 확보하여야 한다. 이를 검증하기 위해 AT를 실시하여 수직이미지와 경사이미지의 정확도를 평가함으로써 3차원 공간모델 제작에 활용 가능여부를 판단하고자 AT를 실시하였다.

AT는 항공사진촬영을 통해 취득한 사진들에 대해 사진좌표를 절대좌표로 변환하는 과정이다. AT 시 사용하는 지상기준점(GCP: Ground control point)은 국토지리정보원에서 고시한 성과를 사용하여 정확도를 확보하였다. 사용한 기준점은 총 19점으로 Full Control Point Measurement을 진행하였다.

AT소프트웨어는 Trimble사의 ApplicationsMaster를 사용하여 AT를 수행하였다. 해당 소프트웨어는 광속조정법을 기초로 Bundle Adjustment을 통해 AT을 실시한다. 기준점 배치는 그림 5와 같이 배치되었다. 사용된 사진매수와 지상기준점은 표 2와 같다. AT수행 결과는 표 3과 같다.

Fig. 5. 
Ground control point location used

대상지역은 2022년 11월 촬영된 천안시 일원의 GSD 12cm급의 영상으로 AT를 통하여 최대오차 X : 0.046m, Y : 0.039m, Z : 0.117m RMSE X : 0.024mm, Y : 0.015m, Z : 0.044m라는 값을 얻을 수 있었다. 이는, 항공사진측량 작업규정 GSD 12cm 이내에서 허용하는 최대오차 0.24m, RMSE 0.12m를 모두 만족하는 것으로 나타났다.