http://dx.doi.org/10.7848/ksgpc.2014.32.5.539
KOMPSAT-3 위성영상의 RPC보정을 위한 국가 통합기준점의 활용
The Use of the Unified Control Points for RPC Adjustment of
KOMPSAT-3 Satellite Image
안기원1) · 이효성2) · 서두천3) · 박병욱4) · 정동장5)
Ahn, Kiweon · Lee, Hyoseong · Seo, Doochun · Park, Byung-Wook · Jeong, Dongjang
Abstract
High resolution satellite images have to be oriented and geometrically processed from GCPs(Ground Control Points) to generate precise DEMs(Digital Elevation Models) and topographic maps. In Korea, thousands of national UCPS(Unified Control Points) are established and distributed all over the country by the Korean NGII(National Geographic Information Institute). For that reason, UCPs can be easily searched and downloaded by the national-control-point-record-issues system. Following the study, we suggested the sky-view and road- view from web-portals for searching and identifying UCPs on the images. To evaluate the usefulness of UCPs in RPCs(rational polynomial coefficients) adjustment of the high resolution satellite images, the one UCP, which of using simple the control point, has been applied to adjust the vendor-provided RPCs of the KOMPSAT-3 images.
As a result, the positioning error of corrected RPCs was approximately one pixel and one meter. From this experiment, we conclude that the UCPs will be able to replace the survey GCPs for mapping with the satellite images or aerial images.
Keywords : Unified Control Points, National Geographic Information Institute, Web-portals, Rational Polynomial Coefficient, KOMPSAT-3
초 록
고해상도 위성영상은 정밀한 DEM과 지형도를 제작하기 위해서 지상기준점으로 기하학적인 처리와 보정이 이루 어져야만 한다. 우리나라에는 국토지리정보원에 의해 수천 개의 국가 통합기준점이 국토 전역에 걸쳐 설치되고 분 포되어 있다. 따라서 통합기준점은 국토지리정보원의 국가기준점발급시스템에서 쉽게 검색되고 다운로드 받을 수 있다. 본 연구는 웹 포털사이트의 스카이뷰와 로드뷰를 이용하여 영상에서 통합기준점 검색과 식별 방법을 제시하 였다. 그리고 고해상도 위성영상의 RPC 보정을 위한 통합기준점 효용성을 분석하기 위해, 한 개 통합기준점(영상 의 단순 이동 보정용 기준점으로 활용함) 만으로 KOMPSAT-3 영상의 제공 RPC를 보정하였다. 그 결과, RPC 보정 후의 위치결정 오차는 거의 한 화소와 1m 내외를 보였다. 이 실험을 통해, 위성 또는 항공영상에 의한 매핑 작업을 통합기준점이 지상 기준점 측량을 대체할 수 있을 것이다.
핵심어 : 통합기준점, 국토지리정보원, 웹 포털사이트, Rational Polynomial Coefficient, KOMPSAT-3
539 Original article
Received 2014. 10. 15, Revised 2014. 10. 21, Accepted 2014. 10. 30
1) Member, Dept. of Civil Engineering, Gyeongsang National University (Engineering Research Institute) (E-mail: [email protected]) 2) Corresponding Author, Member, Dept. of Civil Engineering, Sunchon National University (E-mail: [email protected]) 3) Member, Satellite Data Cal/Val Dept., Korea Aerospace Research Institute (E-mail: [email protected])
4) Member, Dept. of Civil, Safety, and Environmental Engineering, Hankyong National University (E-mail: [email protected]) 5) Dept. of Civil Engineering, Gyeongsang National University (E-mail: [email protected])
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1. 서 론
고해상도 위성영상은 원격탐사분야, 사진측량분야, 지리 정보시스템, 지형의 3차원 시뮬레이션, 국토개발, 지구과학, 군사·방위 등의 목적에 유용되고 있으며 새로운 분야에 활 용영역을 확대해 나가고 있다. 고해상도 위성영상을 수신할 수 있는 국외의 인공위성으로는 세계 최초의 상업용 고해상 도 위성인 미국의 IKONOS(흑백영상 0.8m 해상도, 컬러영상 (3.2m 해상도)를 비롯하여 GeoEye-2(흑백영상 0.34m, 컬러 영상 1.36m), QuickBird(흑백영상 0.61m, 컬러영상 2.44m), WorldView-2(흑백영상 0.46m, 컬러영상 1.85m) 등이 있고 2014년에 발사될 WorldView-3호 위성은 0.31m 해상도의 흑 백영상과 1.24m 해상도의 컬러영상을 수신할 예정이며 러시 아, 프랑스, 이스라엘, 영국, 인도, 브라질 등에서도 이와 유사 한 해상도의 광학위성을 발사할 계획이다.
우리나라에서도 2012년 5월 18일, 아리랑위성 3호 (KOMPSAT-3, The Korea Multi-Purpose Satellite 3)가 성 공리에 발사되어 고해상도 영상(0.7m 해상도의 흑백영상과 2.8m 해상도의 4개 파장대 컬러영상)을 수신하고 있으며 2013년 3월부터 일반인에게 제공되고 있다. 이 위성은 1호, 2 호 위성과 비교하여 위성체의 고속 자세제어 능력을 갖추고 있고 관측 영상의 해상도가 향상되어 국가의 고해상도 영상 수요를 지속적으로 충족할 수 있게 되었다.
고해상도 위성영상을 사용하여 양질의 국토공간정보를 확보하기 위해서는 영상을 수집하는 센서의 특성을 파악하 고 적절한 모델링을 수행하여 높은 정확도로 3차원 지형정 보를 획득할 수 있어야 한다. 대부분의 고해상도 영상데이 터는 수치영상과 함께 센서정보도 제공되는데 특히, 센서정 보로는 물리적센서모델링(physical sensor modeling)과 일반 센서모델링(generalized sensor modeling)에 사용되는 자료 가 포함되어 있다. 물리적센서모델링 자료는 센서의 내부표정 요소(CCD Array 크기, 영상왜곡량, 초점거리 등)와 외부표 정요소(센서의 위치와 자세)가 제공된다. 일반센서모델링 자 료로는 이 모델링의 대표적 방법인 RFM(Rational Function Model)에 사용되는 RPC(Rational Polynomial Coefficient) 가 제공된다. 이 RPC는 센서의 내·외부표정요소를 대체한다.
최근에는 RPC가 물리적센서모델에 비해 3차원 위치 측정 방법이 간편하고 정확도도 뒤떨어지지 않기 때문에 많이 사 용되고 있다(Fraser and Hanley, 2003; Tao and Hu, 2002).
아리랑위성 3호 영상은 센서왜곡이 보정된 Level 1R 영상 또 는 기하보정된 Level 1G 영상으로 제공되고 있다. 이 영상과 함께 메타데이터로 제공되는 RPC 자료는 센서의 기하왜곡
을 포함하고 있는 물리적센서모델로부터 생성된 것이기 때문 에 평면위치 오차(CE90; Circular error at 90% probability) 가 약 50m이다(KARI, 2013). 이러한 오차를 최소화 하여 대 축척 지도를 제작하거나 정밀한 수치표고모델(DEM, Digital Elevation Model)을 작성하기 위해서는 다 수의 지상기준점 (3차원 지상좌표가 측정되어 있고 영상에 선명히 나타나 정 밀한 영상좌표를 읽을 수 있는 점)을 이용하여 RPC를 보정 하는 작업이 필수적이다. 필요한 지상기준점의 개수는 요구 되는 정확도에 따라 다르나 최소 한 점 이상이어야 한다.
지상기준점의 3차원 지상좌표는 주로 지형도에서 독취하 거나 현장에서 직접 GPS로 측량하였다. 특히, 양질의 지상기 준점의 3차원 위치를 얻기 위해서는 GPS 측량이 필수적인데 이 작업은 생각만큼 쉬운 것이 아니다. 영상에서 선점하는 작 업, 현장 주변의 통합기준점이나 GPS 상시관측소의 사전 조 사, 선점된 기준점의 현장 답사와 GPS 측량 등의 매우 번거 로운 작업이 뒤따라야 한다. 즉, 지상기준점 확보에 많은 시간 과 경비가 필요하기 때문에 다른 대안을 연구할 필요가 있다.
다행히 우리나라 국토지리정보원(National Geographic Information Institute, NGII) 에서는 수 십 년간 전국을 대상 으로 국가기준점을 설치하고 그 성과를 관리해 오고 있다. 대 표적인 국가기준점으로는 삼각점(약 17,000여점)과 수준점(
약 5,000여점)이 있고 2008년부터는 통합기준점(평면위치, 표고, 타원체고, 중력값 등이 정밀 측정되어 있는 점)을 설치 하기 시작하였다(NGII, 2013).
통합기준점은 2013년 말까지 5~10km 간격으로 약 3,650 점이 설치되었고 2017년까지 2~3km 간격으로 모두 7,000여 점을 설치할 계획(NGII, 2003)으로 있으며 이 점들의 설치 위치, 점의 조서, 지상좌표 등은 국토지리정보원의 국가기 준점성과발급서비스 시스템에서 실시간으로 쉽게 검색된다 (NGII, 2014). 통합기준점은 국토의 면적과 설치 점의 수를 고려하면 아리랑 3호 위성영상 크기(약 17km×13km) 마다 2013년 말 기준 약 8점이 설치되어 있으며, 2017년 기준 약 16 점이 설치될 예정이다. 이 점들은 크기가 비교적 크고 항공영 상 또는 위성영상에서 식별이 용이하도록 설계된 것이어서 고해상도 위성영상의 RPC 보정을 위한 활용 가능성이 매우 많아 구체적인 활용 방안이 연구되어야 한다.
그러나 항공영상이나 위성영상의 표정 또는 조정을 위하 여 전 국토를 대상으로 설치해 놓은 국가기준점을 활용한 국 내외 연구 사례는 찾아보기 어렵다. 또한 RPC가 가진 위치 정보 오차를 제거하기 위한 보정방법은 기존에 많은 연구가 진행되어 왔으나(Di et al., 2003; Fraser and Hanley, 2003;
Grodecki and Dial, 2003) 대부분 IKONOS-2와 같은 국외
541 고해상도 위성영상이 대상이었다. KOMPSAT-3 위성영상의
RPC 보정관련 연구는 Lee et al.(2013)에 의해 수행되었으며, 보정 후 RPC의 정확도를 분석한 결과, 한 개의 기준점을 적 용한 보정결과가 여러 개의 기준점을 사용한 결과와 비교하 여 1 픽셀 이내의 차이를 얻었다고 보고하였다.
따라서 본 연구에서는 지상기준점 확보에 소요되는 시 간과 경비를 줄이기 위해, 영상 내 존재하는 통합기준점을 검색, 식별하는 방법을 제시하고 통합기준점 한 점만을 활 용한 고해상도 위성영상의 RPC 보정방법을 제시하고자 하 였다.
2. 통합기준점을 이용한 RPC 보정
KOMPSAT-3 영상 내 통합기준점의 검색과 정확한 식별 을 위해, 현장답사가 가장 확실한 방법이다. 그러나 현장답사 역시 시간과 경비가 요구되기 때문에 본 연구에서는 현장답 사를 하지 않고도 영상에서 통합기준점을 독취할 수 있는 방 법을 제시하고자 한다. 그리고 통합기준점 한 점 만으로 RPC 보정을 시도하여 위치결정 정확도 향상 가능성을 제시하고 자 하였다. 통합기준점 독취와 RPC 보정을 위한 전체적인 순 서는 Fig. 1과 같으며, 그 구체적 내용은 다음과 같다.
첫 번째, Fig. 2에서 보는바와 같이 KOMPSAT-3 위성영 상을 영상처리 프로그램 창에 띄우고(이 때 영상은 가급적 cubic convolution 방법으로 리샘플링해서 띄운다), 영상의 메타데이터를 이용하여 대략적인 영상의 지상좌표 범위를 알아둔다(Fig. 3). 영상에서 전체적인 행정구역 범위를 파악 하고자 한다면 Google Earth에서 메타자료의 좌표를 입력 하면 된다.
Fig. 1. Flow chart for the UCP identification in the image
Fig. 2. Image viewer of ERDAS imagine software
Fig. 3. Top and bottom of the ground coordinates
Fig. 4. UCPs searching website of the NGII(NGII, 2014)
두 번째, 파악된 영상 범위를 이용하여 국토지리정보원 인 터넷 홈페이지의 국가기준점성과발급시스템에서 영상범위 내의 통합기준점을 검색한다. 이 시스템에선 도엽명, 행정명/
지번, 위/경도 기능을 이용하여 검색할 수 있다(NGII, 2014).
영상 내 존재하는 통합기준점 조서를 출력하고 조서에 기 록된 이 지점의 위 · 경도와 타원체고, 영상의 제공 RPC를 RFM에 입력하여 영상좌표를 구한다. 참고로 통합기준점은 기존의 국가 수준점 모양과 새롭게 설계, 설치한 두 가지 모 양이 있다(Fig. 6).
세 번째, 영상처리 프로그램 창에 띄운 영상에서 제공 RPC로 구한 영상좌표 만큼 마우스를 이동시킨 후, 확대시 킨다(Fig. 2). 앞에서 언급한 바와 같이, KOMPSAT-3 제공
RPC의 수평위치 정확도는 50m 내외 이므로 선택한 지점 반 경 50화소 정도를 후보지로 결정한 다음 출력한 통합기준점 조서의 약도와 사진을 이용하여 후보점을 대략적으로 식별 한다. 여기서, 새롭게 설계된 통합기준점의 크기(가로×세로 약 1.5m)에 비해 수준점 모양은 상대적으로 작으므로(가로×
세로 약 1m) 트인 공간에 설치되었더라도 KOMPSAT-3 위성 영상에서는 식별이 쉽지 않다. 따라서 가급적이면 새롭게 설 계된 모양을 검색, 식별하는 것이 편리할 것이다.
네 번째, 후보점의 통합기준점 여부의 정확한 판별을 위해 국내외 포털사이트 지도(스카이뷰(sky-view), 로드뷰(road- view))를 활용한다. 출력된 통합기준점 조서의 주소지를 포 털사이트 주소 검색란에 입력하면 그 지점을 정확하게 찾아 가므로 이로부터 위성영상과 대조하여 동일한 지점으로 인 식되면 위성영상의 영상좌표를 정밀히 독취한다(Figs. 7 and 8).
Fig. 6. Bench mark shape(left) and new shape(right) of UCPs
Fig. 5. U0859 records(NGII, 2014)
Fig. 7. Identified U0859 on the sky-view(left) and road-view(middle) of the Daum website (Daum, 2014), U0859 photo by the field work(right)
