상지대학교 지형정보연구센터
항공삼각측량
항공삼각측량의 개요
드론사진측량의 컴퓨터비젼 해석
항공삼각측량의 오차
항공삼각측량(Aerotrangulation)은 입체도화기(기계적방법) 및 정밀좌표측정기(해석적방법)에 의 하여 사진상의 무수한 점들의 좌표(𝑋, 𝑌, 𝑍, 𝑥₁, 𝑦₁, 𝑥₂, 𝑦₂, 𝑃𝑥, 𝑃𝑦) 를 측정한 다음, 소수의 지상기준 점(Ground Contral Point : GCP)측량 성과를 이용하여 미지점의 좌표를 컴퓨터, 블럭조정기 및 도해적 방법으로 절대좌표로 환산하는 것으로 과정 3차원 항공삼각측량 (Aerotrangulation) 정밀도화기에 의한 기계법 (analog method) comparator에 의한 해석법 (analytical method) 도해법(aeropolygon) 독립모델법(IMT)
Strip & Block 조정(다항식법)
다항식법
독립모델법(IMT)
Bundle 조정법(광속조정)
항공삼각측량의 정의
항공삼각측량의 분류
소요시간에 비해 낮은 정확도1. 사선법
2. 기계법
3. 해석법
도해법 = 능형쇄법
템플릿법
광학투영방식의 도화기
광학/기계방식의 도화기
단코스조정
블럭조정
다항식식
(Polynominal Adjustment)독립모델법
(Independent Model Triangulation)광속조정법
(Bundle Adjustment)사선법
기계법
해석법
❖ 다항식법(Polynominal Adjustment)
→
스트립(Strip) 단위 조정
❖ 독립모델법(Independent Model Triangulation)
→
모델(Model) 단위
❖ 번들조정법(Bundle Adjustment)
→
사진(Photo) 단위
❖ 다항식법
:
촬영경로(strip)를 단위로 함
《Strip당 접합표정 또는 개략적 절대표정》 ↓ 복수의 촬영경로에 포함된 기준점과 횡접합점 이용 ↓ 《각 Strip의 절대 표정을 다항식을 사용, 최소제곱법으로 결정 》 - 미지수 : 다항식 계수와 접합점 좌표 → 미지수 多조정단위에 따른 분류
❖ 독립모델법
(Independent Model Triangulation : IMT)
모델을 기본단위, 상호표정후 접합점과 기준점을 이용, 여러 입체모형을 최소제곱법으로
동시에 절대표정하며, 공면조건(coplanality condition) 이용
- 동시조정 ( X, Y, Z)
- 분리조정 (XY) → (H) → 미지수가 적어 계산시간이 짧다. - 독일의 Stutgart 공대 Ackmamn 교수 : PAT → M43
❖ 광속조정법
(Bundle Adjustment)
사진을 기본단위로 공선조건식(colinerality condition) 이용 - 상좌표 → 사진좌표→ 절대좌표 - 외부표정요소(κ, φ, ω, X0, Y0, Z0), 절대좌표( X, Y, Z) → 9개 미지수 - 하노버공대의 Kruck 교수 : BINGO조정단위에 따른 분류
계획수립 촬영 (투명양화)음화 기준점선정 관측 정밀도화기 정밀좌표측정기 (선정된 기준점의 점이사) ·대축척, 중축척 →대공표식 → (사진상0.025~0.03mm) ·소축척 →도로의 교차점, 독립가옥, 지붕끝 등 자연점 기계좌표(2D) 사진좌표(2D) 모델좌표 (3차원가상좌표) 절대좌표 (3D절대좌표) ① 내부표정 ② 상호표정 ③ 절대표정 소요정확도의 좌표 모델대형성 ·접합표정
항공삼각측량의 작업공정
1.
기계적 항공삼각측량
① 1코스 모델 수는 10모델을 표준으로 15모델이내, 10코스 이하를 1블록 ② 표정점수는 10모델당 7점 ③ 절대표정에 필요한 표정점 : 최초모델 → 3점, 코스중간 → 2점, 폐합모델 → 2점2.
해석적 항공삼각측량
① 1코스 10모델기준 ② 표정점수 10모델 당 7점 표정점수 = (모델수 / 2) + 2항공삼각측량의 계획
(표정점 배치 및 선점)
단코스조정의 예 블럭조정의 예 패스포인트 삼각점 수준점 삼각점 수준점 코스1 코스2 코스4 코스5 코스3 패스포인트는생략
지상기준점(GCP)의 배치
•
Pass Point (종접합점)
→ 주점부근에 b, 상하주점기선길이와 비슷하게 a, c배치, 도화도면의 접합기준면, 모델접합, 코오스 접합 •수준점
→ 표고의 소요정도에 따라, 코스높이, 직각비틀림 등을 조정하기 위해 필요에 따라 선정항공삼각측량의 계획
(표정점 배치 및 선점)
사선법의 원리
사진1
사진2
사진3
사진1
사진2
사진1
사진2
사진3
𝒂𝟏 𝒂𝟐 𝑪𝟏 𝑪𝟐 𝒑𝟏 𝒑𝟐 𝒂𝟐 𝒂′𝟑 𝑪𝟐 𝑪′𝟑 𝒑𝟐 𝒑 𝟑 𝒑𝟏 𝑪′𝟏 𝒂𝟏 𝒂′𝟐 𝒂𝟐 𝑪𝟐 𝒑𝟐 𝒑′𝟐 𝑪′𝟐 𝑨𝟏 𝑪𝟐 𝒑𝟏 𝒑𝟐 𝑨𝟐 𝑪𝟐 𝒑𝟏 𝒑 𝟐 𝑨𝟑 𝒑𝟑 𝑪𝟑사선법에 의한 지도제작방법
𝑝1 𝑝′′2 𝐶1 𝐶′′2 𝑎1 𝑎2 𝑝′1 𝑝2 𝐶1 𝐶′′2 𝑎1 𝑎2좌사진
우사진
평지의 도화법
좌사진
우사진
산지의 도화법
𝑝1 𝑝′′2 𝐶1 𝐶′′2 𝑎1 𝑎2 𝑝′1 𝑝2 𝐶1 𝐶′′2 𝑎1 𝑎2투명지
투명지
곡선
능선
표정점의 선점
점각작업
사진가대
도화기에 의한 도화
도화기에 의한 표정
기준면 지상
O
1O
2촬영시의 상태
투영기에 의해 재현된 모델
대O
O
모델 기준면 2 1‘
‘
도화기에 의한 모델의 형성
휠타 (적) 램프 휠타 (청) 투영기 축소건판 렌즈 조정나사 측표 모델 도화대 도화원도 도화기
광학투영방식의 도화기 원리
오토그라프 A7
Y
X
Ⅰ축
Ⅱ축
Ⅲ축
φ’
ω’
κ’
φ”
κ”
ω”
Z
bz bx bz b x by기계적 도화기의 원리
Z
ω
1 도화기의 움직임 시차의 움직임 횡시차 종시차 카 파 파 이 종시차 · · X Z1 X1 Y Y1 Px 횡시차 Py bz2 bY2 bx2φ
1κ
1κ
2ω
2φ
2(κ)
(φ)
(ω)
오메가bx
b
Yb
Z+dx
+d
Y+d
Z+d
κ+d
φ+d
ω Px = -y·
d
κ Py=+x.d
κ+dx
+dy
0
0
+ d
x
z
Z+ d
y
z
Zxy
z
+
d
ω+z(1+ )d
y
z
ω- z(1+ )
x
z
22d
φxy
z
-
d
φ도화기의 움직임과 시차의 변화
(1) 최 초 (2)
κ
에서 점2를0 1 2 3 13 5 2 1 3 3 13 0 3 4 3 10 3 4 0 0 10 0 6 0 0 0 0 0 6 0 6 11 11 8 5 8 5 11 3 8 5 3 3 3 0 3 0 3 3 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0k =
1
2
( 1+ )
y
2f
2 과잉수정량f =
초점거리y = y
좌표 1 (3)κ
2에서점1을0 (3)φ
1에서점4를0 (5)φ
에서점3을0 2 (6)ω
에서점6과량수정 (7)κ
에서점2를01 (8)κ
2에서점1을0 (9)φ
에서점4를0 1 (9)φ
2에서점3을0 0도화기에 의한 상호표정
❖ 기선장의 조정 도화기에 주어진 누승기선장 기선장의 수정량 ❖ 모델기울기의 조정 ❖ 좌표계의 조정 : 묘화대의 도지를 움직임 ❖ 높이의 조정 : 도화기의 눈금을 기준점의 높이로 맞춘다. Ω = 2점간의 비고 2점간의 Y방향거리성분
Φ
= 2점간의 X방향거리성분2점간의 비고도화기에 의한 절대표정
대 공 표 지 설 치 기 준 점 측 량 사 진 촬 영 사 진 처 리 기준점측지좌표 점각 및 좌표표정 지표좌표계의변환 내 부 표 정 지 표 좌 표 상 호 표 정 접 속 표 정 단 코 스 조 정 사 진 좌 표 모 델 좌 표 코 스 좌 표 다항식법 독립모델법 번 들 법 번 들 법 블럭조정
해석적 항공삼각측량
좌표변환계수의 계산 (최소2승법) 2차원 좌표변환 (기계좌표→지표좌표) 렌즈왜곡(Lens Distortion)보정 대 기 굴 절 보 정 관측점의 사진좌표 지표의 좌표 관측점의 기계좌표 지표의 관측치 (기계좌표)
해석법에 의한 내부표정의 흐름
❖ Helmert 변환 :측량용사진 ❖ Affine 변환 :비측량용사진, 위성영상 ❖ Pseudo Affine 변환정밀입체좌표측정기
(stereo comparater )
정밀입체좌표측정기로 측정된 데이터 : 기계좌표, 상좌표 좌사진 우사진 X Y Y X PX PY정밀좌표측정기에 의한 좌표 측정
방법1 : 투영중심을 맺는 방법(Gruber법)
(좌우사진의 회전각만 움직임)
방법2 : 좌표를 고정하는 방법
좌측모델
우측모델
상호표정이 종료되었을때의 인접모델의 상태 좌모델 우모델 기울기를맞춘다 축척을맞춘다 (κ1 , Φ1 )(κ2 , Φ2 ,ω2 ) (κ1 r, Φ(κ1 r ) 2r, Φ2r,ω2r) X ω P3 L3 L1 L2 P1 P2 L1r L2r L3r P1 P2 P3 Zφ Y접속표정 : 모델의결합
상호표정완료후 절대표정완료후 상호표정완료후의 모델과모델좌표계 절대표정완료후의모델과 지상좌표계 기본식
x
y
z
1
0
0
=
0
cos
- sin
0
cos
sin
cos
0
-sin
0
1
0
- sin
0
cos
cos
sin
0
x
y
z
-sin
cos
0
x
y
z
0
0
1
‘
‘
+
‘
0 0 0s
미지변량 축척 :S
3축의기울기 : 원 점 이 동 :, ,
0x ,y ,z
0 0 b2a2 a1b1 o1 o2 지상 기준점 o1 o2 A B B A 모델의 기울기와 축척의보정 o1 o2 x′ Y′ Z′ o1 o 2 x Y Z P P ′ κ Φ Ω절대표정
높이의 변형
평면의 변형
X
Y
Z
X
모델의 변형
사 진 좌 표 상 호 표 정 모 델 좌 표 접 속 표 정 코 스 좌 표 자 체 검 정 번 들 법 내 부 표 정 비 교 측 정 좌 표 지표좌표로 변환 지 표 좌 표 자 체 검 정 번 들 법 독 립 모 델 법 다 항 식 법
Block Adjustment
번들법 독립모델법 다항식법Block조정 : 항공삼각측량
코스 1
코스 2
코스 3
코스 1
코스 2
코스 3
X
3
X
2
X
1
평면위치 표 고Y
1Y
2Y
3 기준점 수 준 점 Tie PointN
E 30020 40010 30010 40020 1T 3T 5T 4T 2T 30040 30030 40040 3005040030 40050 40060 30060 7T 8T 9T 6T}
다항식법에 의한 블록 조정
X
Y
_
_
② ⑤X
_
Y
_
Y2 X2 Y5 X5 ② ⑥ ⑤ ④ 평면위치의 조정 표고의 조정X
_
Y
_
= X+ Y + X
a
b
o= X+ Y + Y
b
a
oZ =
_
X
_
Z
_
( , )
Y
_
:
:
조정후의 좌표X
( , )
Y :
모델좌표( , )
X
Y, Z)
:
모델좌표a,
b X ,Y
,
o
o
미지변수F,
X+
:
조정후의 표고ΩY+Z+Zo
Ω,Zo :
미지변수독립모델법에 의한 블록 조정
공선조건
x = f
-
a
a
n ( X- Xn ( X- XO ) +a
n ( Y - YO ) +a
n ( Z - ZO ) O ) +a
n ( Y - YO ) +a
n ( Z - ZO )f
-
a
a
n ( X- Xn ( X- XO ) +a
n ( Y - YO ) +a
n ( Z - ZO ) O ) +a
n ( Y - YO ) +a
n ( Z - ZO )y =
회전행렬
( A ) = ( ω ) ( φ ) ( κ )
미지변량 (촬영중심
:
X
O, Y
O, Z
O,3축의 기울기
: ω,φ,κ
)
{
광속조정법에 의한 블록 조정
•
입력자료
– Scanned Aerial Photos
– Control Points
– Camera Calibration
•
관련 Products:
– ISMS (Model Setup)
– ISDM (Digital Mensuration)
– ISMAT (Match-AT)
– TRMST (Satellite Modules)
Photogrammetric data management Stereo model creation Ortho-photo process Input digital images SPOT/TM Scan photos Multisensor triangulation adjustment Aerial triangulation adjustment Point transfer/ measurement Manual or Automated
수치적 항공삼각측량 흐름
•
Interior Orientation (I/O)
– 사진 좌표와 영상 좌표 사이의 변환
•
Relative Orientation (R/O)
– Model 내의 좌우 영상 사이의 Matching
•
Absolute Orientation (A/O)
– 영상 자료를 지상의 기준점과 Matching – 영상 자료에 실제 좌표를 부여하는 과정
• 항공사진의 Aerotriangulation과의 차이
– 다중 투영 중심을 단일 투영 중심으로 변환 : RPC
– 지구 곡률에 대한 보정 필요
– Interior Orientation 과정 불필요
• TRIFID Multi-Sensor Triangulation Modules
• 이용 가능 위성영상
– SPOT
– Landsat
– Indian Remote Sensing Satellite (IRS)
– Aerial Frame
– KOMPSAT 1, 2, 3, 5
– Ikonos, Quick Bird, Worldview
Analog
1900 - 70sAnalytical
1960s -- 90sDigital
1980s -- NowA10
C130
VirtuoZo NT
사진측량용 도화기 발달과정
Analytical Plotter
PC
Quad BufferingEmitter
Z screen
3D mouse
수치사진측량 시스템
Features
• Interfaces to ACIS
• VRML and DXF; XML
support
CSG Operation Difference VRML Viewer(base map LVA NRW 2000)
수치지도와 중복시킨 사진지도
수치사진측량시스템을 이용한 수치도화
❖사진측량의 오차
① 부정오차 (random error) : 최소제곱법으로 조정, 최소절대값법 등으로 조정 (발생원인을 모르고, 어떠한 형태인지 모름) ② 정오차 (systematic error) : 렌즈 왜곡수차, 필름변형 정밀좌표측정기오차, 대기굴절, 지구곡률 등(발생원인과 오차의 크기도 미리 암) - 사진기검정 방법으로 결정(실험실검정, 자체검정) - 주로 다항식형태로 만들어, 공선조건식에 첨가하여 조정 (부가변수)③ 과대오차, 착오 (blunder, Gross error) : 관측된 사진좌표와 기준점좌표의 과대오차소거 (좌표측정이나, data기록에서 실수에 의해 큰 오차 포함ex : 0.135→1.35로) - 정확도에 큰 영향을 줌
- Data Snooping(baarda) ① global test에 의해 과대오차 존재여부 확인 ② f test 와 t test로 오차를 큰 것부터 하나씩 소거
- Robust Estimation : 여러 개의 과대오차를 동시제거
항공삼각측량의 오차
b c h Xp o’ o” x’ x” X c : focal length b : base line
o’, o”: projection center x’ x’- x” = Px (parallax) Px c b h ' Y dx' c h X = = = dy c h Px Px d c b h d Px c b dh dy c h dY dx c h dX − = − = = = 2 2 ' ' Px h y y x x b h c h c h c h = = = ' ' 정확도를 높이려면 - 초점거리가 길수록 - 촬영고도가 낮을수록 - 사진좌표를 정밀하게 측정할수록 1/5,000 사진의 경우 750m/0.15m*10μm= 5cm
항공사진측량의 이론적인 정확도
-
모델수에 따라 급격히 증가
① 지구의 곡률, 대기의 굴절 등의 정오차 (항상일정)
② 렌즈, 필름, 도화기 조정오차
(일정하지 않을 수 있음→특정스트립에서는 정오차)
③ 접합표정의 오차 및 관측오차 → 오차의 누적, 영향이 큼
-
정확도 향상을 위한 항공삼각측량 조정 방법
1) 일반조정
: 부정오차 조정 ->
최소제곱법
2) 자체검정조정
: 부정오차 + 정오차(대기굴절, 지구곡률, 렌즈왜곡, 필름
변형 등) -> 오차보정식을
부가다항식
으로 공선조건에 첨가
3) 동시조정
: 부정오차 + 정오차 + 과대오차 -> 자체검정식에 과대오차
소거를 위한
통계학적 검정
방법 적용
항공삼각측량의 정확도
• 실시간으로 좌측영상의 특정 지점에 대하여 우측 영상의 동일한 특정 지점 검색 : SIFT(Scale-Invariant Feature Transform
• 좌측영상을 기준으로 3D Stereo 영상의 수직시차 보정(편위수정) : SfM(Structure from Motion)
▪ 영상에서의 특징점 추출 연산자 ▪ 회전, 크기 변화에 강인함 ▪ 영상피라미드를 이용한 크기변화에 불변하고 DoG추출 ▪ 주변 DoG영상에서 극대 극소값 추출하여 특 징점 추출 ▪ 추출된 특징점의 방향판별을 이용한 고유한 방향생성
SIFT(Scale-Invariant Feature Transform)
▪ 두 장 이상의 영상에서 3차원 정보를 얻어내 는 기술 ▪ 카메라의 내·외부표정요소 없이 가능 ▪ 정합점(𝑥, 𝑥′)과 에피폴라 기하학을 이용한 3 차원 정보 추출 ▪ 3차원 공간의 P점에서 왼쪽영상에 투영된𝑥 오른쪽영상에 투영된 𝑥′ 𝑥𝑇𝐹𝑥′ = 0 ▪ 𝐹에 내·외부표정요소가 포함됨 ▪ 𝐹의 정보를 얻어 물체의 3차원 정보를 얻어 낼 수 있음
SfM(Structure from Motion)
▪ 지역정합과 전역정합을 결합한 스테레오 정합 기술 ▪ 시차를 고려한 스테레오 정합기술 𝑑 = (𝑥1 − 𝑥2) ▪ 투영된 대상물의 좌측 영상의 위치 𝑥1, 우측 영상의 위치 𝑥2, 𝑑는 변이량 ▪ 변이범위 이내에 가장 유사한 밝기값을 정합 점으로 추출 SGM(Semi-Global Matching)
SfM(Structure from Motion)을 이용한 3차원 모델링
드론을 이용한
드론을 이용해 취득된 항공 사진
VRS(Network-RTK)를 이용한 지상기준점 측량
지형공간정보 제작을 위한 S/W
Agisoft 사의 PhotoScan을 이용한 공간정보 제작
드론 사진 촬영 및 지상기준점 측량 영상 입력 외부표정요소 및 지상기준점 입력 표정 해석 포인트클라우드 추출 정사영상 제작영상 입력 및 좌표계 지정
Photoscan 메뉴 바 – Workflow – Add photo
드론을 이용해 영상을 취득한 경우 WGS84 경위도 좌표계를 이용하므로 Photoscan의 좌 표계를 EPSG:4326으로 지정
영상 정렬(Align Photos)
Photoscan 메뉴 바 – Workflow – Align Photos
지상기준점 없이 영상을 매칭하여 포인트클라우드 생성
지상기준점 입력
Import CSV를 통해 지상기준점 입력
지상기준점은 GRS80 TM 좌표계로 측량하였으므로 Photoscan의 좌표계 변경이 필요함 좌표계 변경을 위해 영상을 선택하고 선택 해제한 후 좌표계 변경
좌표계는 Korea 2000/Central Belt 2010(EPSG : 5186)으로 지정
지상기준점 입력
Import CSV를 통해 지상기준점 입력
영상 재배열
지상기준점의 좌표를 이용하여 영상을 재배열
영상 재배열
Ground Control 에서 오차 확인
PointCluod 추출 및 정사영상 제작
Build Dense Cloud -> Build Mesh 순으로 작업 진행 File – Export DEM = PointCloud 저장하기
Point Cluod 추출 및 정사영상 제작
DEM 정사영상
PointCloud는 3차원 공간의 점으로 표현되며 DEM 제작이 가능 정사영상은 True Orthophoto로 제작됨(Photoscan을 이용할 경우)
UAV 사진 촬영(고정익 및 회전익) 지상기준점 측량 및 입력 영상 및 내외부표정요소 입력 표정해석(SBA with SfM) PointCloud 추출 DSM/정사영상/3D모델 생성 자동 비행계획 수립 Photo Scan Context Capture
드론 영상은 단방향, 교차방향, 대각교차방향으로 촬영 하였음
촬영조건은 촬영 매수 781장, 비행 시간 55분00초, 종중복 80%, 횡중복 70%, 촬영 고도 100m로 하였음
수치표고모델
정사영상 3D 모델
드론을 이용한 공공측량 매뉴얼 작성 토목 공사 시공 관리 기준의 개정 토목공사 검사 기술 기준의 개정 ICT 기반 개선 공정 ▪ 드론 사진측량 ▪ 3차원 자료 생성 ▪ 정사영상, DSM, Point cloud ▪ 3차원 Point cloud 자 료를 이용한 시공 단면 관리 및 토공관리 ▪ 주요 시공 지점 별 모니 터링 ▪ 20m 체인별 단면정보 ▪ 기존 단면 정보의 부족 ▪ 설계도로 부터 시 공 토량 산출 ▪ GNSS 검사점 측량 ▪ 드론 준공검사 측량 ▪ 시공 연장별 검사점 조사 ▪ 2차원 기반 현장측량 ▪ 현장 친화적인 설계 자료 생성 ▪ 3차원 설계자료
항공삼각측량(AT)
지상기준점 입력 Bundle
Adjustment Reconstruction 성과품 생성
PointCloud Solid (TIN 보간)
Texturing (3D Model) 속성값 검색 및 카메라 자세 추정
드론사진측량 수행을 위 한 기준 정립 필요
종중복도 60% 횡중복도 30% 종중복도 90% 횡중복도 60%
▪ 촬영 영상의 중복도를 높이게 될 경우 높이 값을 의미하는 수직정확도를 높일 수 있게 되어 보다 정밀한 DSM 제작 이 가능
0 50 100 150 -50 -100 -150 400 450 500 550 0 50 100 150 -50 -100 -150 400 450 500 550 A A’ B B’ C’ B C B’ C’ 현황선 현황선 0 50 100 150 -50 -100 -150 400 450 A’ 현황선 계획선 2016-2014 구분 성토 (m2) 절토 (m2) 토공 량 (m3) 2015-2014 1,058,826.460 88,019.540 2016-2015 1,080,510.810 6,553.640 2016-2014 2,046,196.140 1,296.020
드 론 사 진 측 량 단면비교 설계단면 실측단면 3 차 원 설 계 자 료