드론 및 위성 디지털사진측량_1장 총론01

상지대학교 지형정보연구센터

총 론 01

강의 목차

사진측량의 기본 개념

드론사진측량의 컴퓨터비젼 해석 이론

드론(UAV) 사진측량

항공사진측량을 이용한 수치지도제작 과정

사진측량의 기본 이론

사진측량의 최신 기술

사진측량(Photogrammetry)의 정의

전자파에 의한

사진 및 영상

을 이용하여 대상물에 대한

정량적(定量的)

위치해석

및

정성적(定性的)

인

특성

을 해석을 하는 학문

Photogrammetry

•

Photo



Light (광, 전자기파, 사진, 영상)

•

Gramma



drawn or written (형상)

•

Metry



to measure (관측)



정량적

: 위치, 형상, 크기 등의 결정



정성적

: 자원과 환경현상의 특성조사 및 분석

사진측량의 범위

지표면 500m이상 150m이내 3km이상 공중 우주 사 진 측 량 원격탐사 (위성사진측량)

최근 들어

드론과 위성을 이용한 사진측량

에 초점을 맞추어 강의 진행

사진측량의 역사

1850 ~ 1900 : 제1세대

1900 ~ 1970 : 기계사진측량

(Analog Photogrammentry)

1970 ~ 1990 :

해석사진측량

(Analytical Photogrammentry)

1990 ~ 현 재 : 수치사진측량

(Digital Photogrammetry)



사진측량의 개척 시기 : 사진술 발명 ->Daguerre and Niepce(1839)



항공기의 발명(1889 라이트형제)



사진의 개발 및 열기구 이용한 항공촬영



제1차 세계대전 후 항공기와 광학기계의 급속한 발전



기계적 편위수정기와 입체도화기 개발 : Pulfrich(1901) 입체사진측량



컴퓨터의 지원을 통한 해석도화기의 개념 도입



스트립의 다항식 조정, 독립모델법, 광속조정법 등 해석사진측량의 조정이론 개발



수치영상처리기법(Digital Image Processing)의 발전과 디지털 카메라의 개발



수치영상처리 및 컴퓨터비젼 분야의 자동화 기법에 대한 연구 활발

사진측량의 발달과정

Evolutionary : 컴퓨터의 출현 Revolutionary : 디지털 기술

해석사진측량

(Analytical)

20 Years

기계사진측량

(Analog)

70 Years

수치사진측량

(digital)

? Years

1900 1970 1970 1990 1990 ~ ? 디지털 영상 scene description Image processing Computer graphics Computer vision 드론 등 다양한 센싱기법

국내 사진측량의 역사

1945년

미군 주둔으로 소개 :

미국

DMA(Defence Mapping Agency) : LIMA

 1910~1918년간 얻은 국가기준점을 이용하여 북위 40까지 항공사진을 촬영, 1/50,000의 군사지도 수정 제작 (한국전쟁 중)

1966년

: 국내 기술진으로 항공사진측량(네덜란드 ITC 교육)

1/25,000(국립지리원), 1/5,000 국가기본도 제작

모든

국가기본도

제작은

항공사진측량 활용하여 제작 :

국토지리정보원

2000년부터 기존 항공사진 DB 구축 사업추진

2011년

부터 전국연속정사영상(GSD : 0.25m급) 제작 착수

2014년

국토지리정보원

국토정보플랫폼

서비스 시작

국토정보플랫폼

(http://map.ngii.go.kr)

 국토지리정보원

국토정보플랫폼

 수치지도, 항공사진, 국가기준점, 정사영상, DEM, 온맵 등 서비스

수치지도 항공사진영상/정사영상

국가공간정보포털 지도서비스

 국토교통부 :

국토공간정보포털

사진측량의 과정

조 사 <Investigation> 관 측 <observation> 정량화 <quantification> 계획 및 설계

<planning & design>

평 가

<assessment>

유지관리

<management>

대상물의 크기(size), 모양(pattern), 질감(texture), 형상(shape), 색조(tone or color), 음영 (shadow), 현상(phenomend), 소요정확도 및 기존 제반 자료를 모집하고 살핌

조사에 의한 대상물의 요소와 현상을 재고 추정

관측값을 수치해석과 오차론(theory of observation)에 의해 크기를 결정

1) 계획: 기능(function), 논리성(logic), 시간(time), 공간(space), 확률성(stochastics)에 의한 처리

2) 설계:형상(shape), 실용성(pragmatic), 공간(space), 확정성(deterministic)에 의해 설계

처리현상에 대한 현상평가(phenomena evaluation)를 하여 악영향은 극소화(minimize impact), 좋은 영향 은 극대화(maximizing protits)하는 대체안 제시

사진측량의 특성

정량적 및 정성적 측정이 가능

•

정량적  크기, 형상, 지형, 지물의 위치

•

정성적  피사체의 특성 해석 (환경·자원조사, 재해 ·기상조사의 미세한 부분의 형태분석 및 의학적고찰 도시의 발전 조사 등)

동체 측정에 의한 보존 이용

•

종래의 측량  정적인 것만 가능

•

사진측량  움직이는 것 가능 (구름의 이동, 구조물변형, 교통량조사, 탄환, 미사일의 측정, 홍수)

광범위한 대상물의 동시기록 가능

•

중심투영 원리를 통해 촬영고도의 조정으로 일정 필름에 많은 대상물 정보 수록

• 사진측량의 장점

정확도의 균일성

•

골조측량에서 세부측량까지 균일한 정확도 : 해석도화기나 컴퓨터내에서 수행  1~2회의 현장측정 후 실내 작업 예) 촬영축척을 1/10,000이라 할 때 표정점의 평면 오차 한계는? 수평위치오차 = 10~30𝜇 × 축척분모수 = 10 1000~ 30 1000× 10000 = 100~300(𝑚𝑚) = 0.1~0.3(𝑚)

접근하기 어려운 대상물의 측정이 가능 :

비밀유지가 필요한 국책사업 수행

비접촉식 측정법 이므로 대상물에 손상을 주지 않음 :

문화재 및 극한사항(극지방, 열 대지방 등) 관측에 적합

분업화에 의한 능률화 :

최근에는 수치사진측량 환경으로 1인 수행도 가능

사진측량의 특성

• 사진측량의 장점

축척변경의 용이성

경제성에서의 절감효과 (작업인원 감소, 작업시간 단축)

•

중축척 이하는  50% 경비절감

•

소축척 항공사진측량  80% 이상의 측량경비 절감  축척이 작을수록, 광역일수록 경제적 (축척이 작다는 의미는 축척의 분모가 크다는 것이다.)

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

• 사진측량의 장점

시설비용이 많이 들고, 소규모 지역에 부적합

피사대상에 대한 식별이 난해 (폐색지역의 측정 배제) : 중복도 조절

•

행정경계, 지물, 건물명, 음영에 의해 판별하기 힘든 곳이 있다.

사진처리의 지연

: 디지털 환경에서는 문제 않됨

측정 및 해석의 지연

: 수치사진측량 환경에서는 촬영후 즉시 해석 가능

사진측량의 특성

• 사진측량의 단점

사진측량(Photogrammetry)



정량적 의미

사진판독(Photo Interpretation)



정성적 의미

응용사진측량(Applied Photogrammetry)

토지나 지형이 아닌 대상물을 관측(문화재, x-ray, 비지형사진측량 등)

원격탐사(Remote Sensing)

지상, 공중 및 우주에서 얻은 다중파장대의 전자파를 해석하여 지구자원조사, 환경, 도시 분석 및 측정, 별의 위치 측정, 월면도 작성 등 에서 최근에는 고해상도 위성영상을 이용한 공간정보의 취득 및 지도제작으로 발전

1. 사용목적에 의한 분류

사진측량의 분류



지상사진측량

(Terrestrial Photogrammetry)

 카메라 축이 수평면에 평행한 지상카메라로 촬영된 영상  주로 시설물 및 문화재 측량시 활용

 드론사진영상

(UAV or Drone Photogrammetry)

 회전익 및 고정익 무인항공기(Unmaned Aerial Vehicle : UAV 또는 Drone을 이용해 촬영된 영상  컴퓨터비젼(CV) 해석으로 Point Cloud, DSM/DEM, 정사영상, 3D 모델 생성



항공사진측량

(Aerial Photogrammetry)

 지표면에 대한 항공카메라의 각도에 따라 연직사진(경사각 3 이내), 경사사진 (경사각 3이상)으로 분류



위성사진측량

(Satellite Photogrammetry/Remote Sensing) :

원격탐사

 다중분광대카메라(MultiSpectral Camera) 및 MSS/HSC를 인공위성에 탑재하여 얻은 영상  가시광선영역 이외의 분광대(적외 및 자외 등)의 영상을 통해 다양한 지표면 정보 취득 및 해석

2. 촬영위치에 의한 분류

연직사진

(vertical photography) :

수직사진

광축이 연직선과 일치하도록 공중에서 촬영한 사진 (경사각 3도 이내)

경사사진

(oblique photography)

광축이 연직선과 경사지도록 공중에서 촬영한 사진 (경사각 3도 이상)

수평사진

(horizontal photography)

: 지상사진

광축이 수평선과 일치되도록 지상에서 촬영한 사진 : 지상사진

3. 촬영방향에 따른 분류

사진측량의 분류

카메라렌즈

연직사진

_수평사진

광축

시야각

저경사사진 고경사사진

항공사진측량

:

항공기에 탑재된 사진기로 연속 중복촬영

드론사진측량

:

고정익 및 회전익 UAV(Drone)에 탑재된 각종 센서로 취득된 영상 해석

지상사진측량

:

지상의 두 점에 카메라를 고정시켜 촬영

항공사진으로 불가능한 지형, 구조물변형, 문화재조사, 교통문제해석

수중사진측량

:

해저사진측량, 수중카메라로 얻어진 영상 이용

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

원격탐사(위성사진측량)

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

특수사진측량

레이더사진, X선사진, 위색사진, 적외선사진, 다중파장대사진, 흑백,천연색 사진을 이용, 지도작성 이외의 식생환경, 도시환경(열차단), 농산물실태(MSS), 지질조사, 자원조사, 군사적 위험, 조기경보 등

4. 측량방법에 의한 분류

사진측량의 분류

대축척도화

: 저공촬영(고도 800m 이내 : 사진축척 1/5,000이상) 사진도화

중축척도화

:

중공촬영(고도 800~3,000m : 사진축척 1/5,000~1/20,000)사진도화

소축척도화

:

고공촬영(고도 3,000m이상 : 사진축척 1/20,000이하) 사진도화

입체도화기에 의한 도화

사진도해법에 의한 간이도화

사진집성에 의한 도화

컴퓨터비젼 의한 3D 도화 :

GSD 수cm 이내의 Point Cloud 데이터를 통한 3D 표현

5. 항공촬영 축척에 의한 분류

사진측량의 분류

6. 도화방법에 의한 분류

사진의 기하학적 특성

중심투영(central projection)

사진(영상)은 대상물로부터 반사된 광이 렌즈 중심을 직진하여 평면인 필름면에 투영된 상

기복이 있는 지형에서는

정사투영인

지도(a)

와

중심투영인 사진(영상)(a’)

에는

차이

가 생김

:

기복변위(relief displacement)



R =



Z·tan



Z/H 1 % 2% 5% 10% 20% 50% Rmax(mm) (in photo) 1.6 3.2 8.1 16.2 32.4 81.0

중심투영(central projection)

사진의 기하학적 특성

사진측량의 자료취득 및 복원

Data Acquisition(자료취득) _{Reconstruction of Object Space}

(음화:필름, CCD)

구 분

사진(영상)

지도(map)

투영 방식

중심투영

(central projection)

정사투영

(ortho projection)

기하학적 왜곡

기복변위

, 경사변위

-정확도

부정확

정 확

정보의 포함량

자세함(0.5GB 정도)

부족함(few KB)

정보의 표현

사실적(레스터)

(implicit)

추상적(벡터)

(explicit)

사진(영상)과 지도(map)의 차이점

사진의 기하학적 특성

사진(영상)과 지도의 차이점

(중심투영 : Central Projection) _{(정사투영 : Ortho Projection)}

사진축척(Photo Scale)

D

S

l

d

사진축척 = image/object =

d/D = f/H = l/S

사진의 기하학적 특성

f (초점거리) _{H (촬영거리 및 고도)} 렌즈중심(광심) 필름면 (naga tiv e ) 대상물면

사진축척의 개념

투영중심 초점거리 촬영기준면 최소촬영고도 HB 사진길이ℓ 최대촬영고도 Hmax 촬영고도 지상길이 S H

f

사진축척

H±h

h

사진축척을 구하는 방법

항공사진(중심투영)

_{지 도(정사투영)}

ℓ_ab= 19.0cm, ℓ_cd = 17.0cm L_AB = 22.7cm, L_CD= 20.4cm

사진축척

1

1

2

19 0

22 7

17 0

20 4

1

12 000

m

=

L

=

+

=

l

_.

.

.

.

,

사진의 기하학적 원리 : 표정해석

내부표정 상호표정 절대표정 접합표정 촬영시와 같은 광학조건으로 도화기에 투명영화 장착 • 내부표정요소 : 주점(x_o, y_o), 주점거리(f) • 해석사진측량의 내부표정 : 상좌표를 사진좌표로 변환하는 과정 좌우사진의 양투영기에서 나오는 광속이 이루는 종시차 소거하여 입체모형 전체가 완전히 입체시 되는 과정 • 3차원가상좌표(모델좌표) 생성 상호표정이 끝난 입체모형을 지상기준점을 이용, 대상물 좌표계 와 일치하도록 함  축척의 결정  수준면의 결정

표정(Orintation)이란

촬영시 사진의 기하학적 상태(카메라의 위치와 경사)를 그대로 재현하려면 대응하는 광선에 대한 교 점의 집합은 피사체표면과 전부 합동인 모델을 만든다는재현의 원리 활용하여 사진상의 지형지물의 3차원 좌표를 결정하는 기하학적 개념

사진의 기하학적 특성 : 표정해석

렌즈왜곡 (Lens Distortion) 카메라렌즈 광축(Optical Axis) 투영중심(Perspective Center) 주점(x0, y0) (Principal Point) Ray Focal Plane 2D 영상면 (Image) 3D 대상물공간

내부표정요소(inner orientation

: 주점좌표

(x

0

, y

0

)

및 초점거리

(f)

a(xa,ya) A(Xa,Ya,Za)

사진의 기하학적 특성 : 표정해석

외부표정요소(exterial orientation) :

카메라 위치(Xo,Yo,Zo) 및 카메라 회전각(ω,φ,κ) 6개 변수

Z

Y

X

Direction

Tilt

Swing







외부표정요소 (X0,Y0,Z0, ω,φ,κ)

기복변위(relief displacement)

대상물에 기복이 있을 경우, 연직으로 촬영하여도 사진축척이 동일하지 않아, 사진

면에서 연직점을 중심으로 생기는 방사상의 변위



P = A (정사투영지도)

Δ

h : 기복

Δ

r : 변위



a 에 찍혀야 할 점이 p 에 찍힘

p

a

Δ

r

Δ

h

f

P

A

사진의 기하학적 특성 : 기복변위

Δ

r

= ·

r

H

Δ

h

H

연직점(o) 촬영기준면 _{지상연직점(N)}

r

편위수정(rectification)의 개념

사진의 중심투영원리에 의해 경사나 원근이 있는 사진을 정확하게 위나 정면에서

찍은 연직 및 수평사진과 같이 경사와 원근을 보정하고 대상물의 기복에 의해 발

생되는 기복변위를 소거하여 정사영상을 만드는 과정

(0,0) x y

사진의 기하학적 특성 : 좌표계



영상좌표계(Image Coord. System) : 2D 좌표계 : 사진좌표계(사진주점이 원점)

Z

Y

X P (x, y, z)



3차원절대좌표계(Object Coord. System)

 상좌표->사진좌표 전환

(내부표정)

 Helmert변환 : 측량용 영상  Affine변환 : 드론/위성영상, 비측량용  Pseudo Affine변환

 사진좌표->절대좌표 전환

(외부표정)

 상호표정 : 3차원모델좌표  접합표정 : 스트립좌표  절대표정 : 최소3점의 지상기준점

사진측량의 정확도

사진측량의 정확도를 확보하기 위한 중요한 요소



사진축척



상좌표 측정의 정확도 : GSD의 해상도

사진기는 완벽한 중심투영을 한다고 가정

사진기의 렌즈를 통과하는 빛의 편향이나 분산은 없어야 함

사진기의 초점면에 위치하는 영상매체는 견고하고 평평한 면이어야 함

대상물과 영상 사이의 수학적 관계는 공선조건

공선조건에는 사진기의 6개 자유도를 내포

•

세 개의 평행이동과 세 개의 회전

중심투영에서 벗어나는 상태는 공선조건의 계통적 오차로 모델링

사진측량의 측정원리

사진측량의 부가적인 관측

측정 대상물의 좌표체계를 위해 몇점의 실측이 필요

•

최소 3점의 Point 좌표

•

1개의 거리

사진측량의 측정원리

사진과 렌즈의 투영중심, 그리고 대상물간의 기하학적인 관계를 이용

하여 다중영상을 접합시킴

공선조건 (Collinearity Condition)

대상물점 (Object Point)

영상면점 (Image Point)

투영중심(Exposure Station)

한 개의 직선 위에 놓여야 함

공선 조건식

(Collinearity Condition Equations)

                  ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 33 32 31 13 12 11 0 L A L A L A L A L A L A a Z Z m Y Y m X X m Z Z m Y Y m X X m f x x                   ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 33 32 31 23 22 21 0 L A L A L A L A L A L A a Z Z m Y Y m X X m Z Z m Y Y m X X m f y y

• 실시간으로 좌측영상의 특정 지점에 대하여 우측 영상의 동일한 특정 지점검색 : SIFT(Scale-Invariant Feature Transform)

• 좌측영상을 기준으로3D 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)

드론을 이용한 스테레오 영상 획득

Depth map과GPS, AHRS를이용한 3차원 Point Cloud 정합 생성

스테레오 영상을 통한 Depth map 생성

드론영상을 이용한 3차원모델링 방법

SfM(Structure from Motion)을 이용한 3차원 모델링

1. 사진측량의 정의 및 과정에 대하여 설명하시오.

2. 중심투영과 정사투영의 차이점에 대하여 설명하시오.

3. 드론사진측량의 기본 이론에 대하여 설명하시오.

4. 국토지리정보원의 국토정보플랫폼 사이트(

http://map.ngii.go.kr)

에 방문하여

항공사진 관련 서비스에 대하여 설명하시오.

*

온라인강의 수강 동영상과 안내 사이트를 보고 다음 내용에 대해 정리하여 A4 2장

분량으로 정리하여 과제제출란에 학번, 성명, 과제명을 반드시 기입하여 제출하세요.

총론 1-1 토론 및 과제