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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.39 No.1 pp.46-52
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2018.39.1.46

A Study of Three Dimensional DSM Development using Self-Developed Drone

Byung-Gul Lee*
Department of Civil Engineering, Jeju National University, Jeju 63243, Korea
Corresponding author: leebg@jejunu.ac.kr+82-10-2631-2973+82-64-725-2519
20171114 20180123 20180131

Abstract

This paper is to study the development of three dimensional Digital Surface Model (DSM) using photogrammetry technique based on self-developed Drone (Unmanned Aerial Vehicle (UAV)). To develop DSM, we selected a study area in Jeju island and took 24 pictures from the drone. The three dimensional coordinates of the photos were made by Differential Global Positioning System (DGPS) surveying with 10 ground control points (GCP). From the calculated three dimensional coordinates, we produced orthographic image and DSM. The accuracy of DSM was calculated using three GCPs. The average accuracy of X and Y was from 8.8 to 14.7 cm, and the accuracy of Z was 0.8 to 12.4 cm. The accuracy was less than the reference accuracy of 1/1,000 digital map provided by National Geographic Information Institute (NGII). From the results, we found that the self-developed drone and the photogrammetry technique are a useful tool to make DSM and digital map of Jeju.


드론을 활용한 3차원 DSM추출을 위한 연구

이 병 걸*
제주대학교 토목공학과, 63243, 제주특별자치도 제주시 제주대학로 102

초록

이 논문은 자체 개발된 드론을 이용하여 사진측량기술을 적용하여 3차원 수치지표면모델(DSM)개발 연구를 수 행하였다. 이 DSM을 개발하기 위하여 제주도 지역을 선정하여 24장의 사진을 개발된 드론으로 직접 촬영을 수행하였 다. 촬영된 사진의 정확한 3차원 좌표를 부여하기 위하여, 10개의 지표기준점(GCP)점을 선정하여 상대측위 지구위치시 스템(DGPS)측량을 실시하였다. 사진의 정확도를 평가하기 위하여 3개의 GCP점을 선정하여 사진상의 좌표와 지상점의 좌표의 정확도를 비교하였다. 사진좌표계과 지상좌표계의 정확도를 평가한 결과 수평오차는 8.8-14.7 cm로 나타났으며, 연직오차는 12.4 cm로 나타났다. 이 정확도는 국토지리정보원(NGII)이 인정하는 1/1,000 수치지도의 정확도를 가지는 측량결과이다. 이 연구를 통하여 본 연구에서 개발된 드론과 사진측량기법이 제주지역에서 우리가 원하는 DSM자료를 얻는데 유용한 기술임을 알 수 있었다.


    서 론

    최근 급변하는 도시개발 및 기후변화에 의한 환경 변화를 실시간 수준으로 모니터링하고 자료화하기 위 한 3차원 정밀수치지도 갱신이 요구되고 있다. 이러 한 빠른 도시 및 환경변화에 따른 수치지도를 제작 및 갱신을 하기 위한 광범위한 측량을 지상측량과 사진측량으로 나누어서 실시하고 있으나, 기계식측량 장비를 활용한 조사만으로는 실시간으로 도시 및 환 경변화에 대한 모니터링을 통한 자료화에 상당한 시 간과 비용이 많이 소요되고 있다(Kim et al., 2014). 또한 드론을 이용한 다양한 식생분류 및 도시변화에 대한 연구도 지속적으로 이루어지고 있다(Masahiko et al,, 2008). 심지어 산불과 같은 산림훼손에 대한 연구도 좁은지역의 경우 드론을 활용한 식생의 변화 를 탐지하는데 드론이 매우 유용한 기술로 적용되고 있다(Nebiker et al., 2008).

    제주도의 경우 최근 급격한 인구유입으로 인해 도 시 및 주변환경이 빠르게 변화하고 있으며, 이러한 도시환경변화에 대응하기 위한 드론관련 연구가 필요 한 상황에 있다. 일반적으로 항공기를 활용한 항공사 진으로 도시환경변화를 조사하고 모니터링하기에는 준비작업을 위한 시간과 비용이 많이 소요된다(Lee et al., 2012). 촬영용 항공기의 경우 허가절차 및 공 항을 이용하기 때문에 절차적으로 매우 까다로우며, 촬영시간을 조정하기가 쉽지 않다. 이러한 비용과 시 간적인 문제로 인해 지방자치단체에서는 거의 5년 단위로 항공촬영을 통한 수치지도를 만들거나 갱신하 고 있다(NGII, 2010).

    이러한 일반 유인항공기의 불편한 문제 때문에 제 주도 같이 좁은 섬지역의 경우 무인항공기가 비용이 나 촬영스케줄 면에서 훨씬 유용하다. 무인항공기는 위성측량이나 기존의 항공측량에 비해 경제적이고 비 교적 기상의 영향을 적게 받으며 기존 항공영상과 위성영상에서 제공하지 못했었던 cm급 이하의 고해 상도 영상을 언제 어디서나 반복적으로 편리하게 취 득할 수 있다(Lee et al., 2013). 따라서 드론을 이용 할 경우 연구대상지역의 높은 공간해상도 및 시간해 상도의 자료를 얻을 수 있으며(Na et al., 2015). 상 대적으로 다른 측량기술에 비하여 저비용으로 자료의 취득이 가능하여 충분한 경제성을 확보하고 있다고 볼 수 있다(Everaerts, 2008).

    본 연구에서 자체 제작된 무인항공기인 드론에 비 측량용 디지털카메라 및 카메라에 장착된 소형 GPS 를 장착하여 드론의 활용성을 조사하고자 하였다. 그 리고 드론으로 취득된 영상 및 위치자료, 지상기준점 (GCP) 정보를 이용해 영상에 대한 기하보정과 수치 표고모델 및 정사영상을 제작하고 이에 대한 정확도 를 평가하여, 제주도 지역에서 드론의 활용성과 지형 정보 위치정확도에 대한 적용성을 연구하였다.

    연구 방법

    연구대상지역

    본 연구를 위한 촬영대상지역은 Fig. 1에 보는 바 와 같이 제주도 제주시 중산간 지역에 위치한 제주 첨단과학단지내의 면적 약 125,000 m 2이다. Fig. 1의 대상지역에 대하여 도로를 기준으로 직접 제작한 드 론(Fig. 2)으로 촬영을 하였다. 그 이유는 드론으로 촬영된 사진영상의 정확도 평가를 위하여 도로주변의 GCP점 선정이 용이하고 또한 사진측량기술로 제작된 수치지도 및 등고선 등에 대한 평가를 상대적으로 정확하게 할 수 있기 때문이다. 드론과 짐벌을 함께 제작하여 사진촬영 및 사진의 위치를 파악하도록 설 계하였다. 개발된 드론은 GPS를 이용한 위치추척과 2대의 카메라를 정착하여 사진의 입체도화가 가능하 도록 제작하였다. 카메라는 니콘 D5300모델로서 촬 영 지형의 해상도를 cm급 정확도를 얻을 수 있다. 카메라의 초점은 자동으로 맞춰지도록 하였으며, 사 진 촬영점 좌표는 카메라에 자체적으로 설치된 GPS 자료를 활용하였다.

    연구지역의 드론 촬영

    드론을 이용한 DSM추출을 위해서는 원하는 높이 에서 사진촬영(Fig. 3)을 통하여 원하는 대상지역의 영상과 3차원 좌표를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 3 차원 DSM자료를 추출하기 위하여 총 24장의 사진을 촬영하였으며, Fig. 4에 나타낸 바와같이 사진의 중 복도는 전체 종중복도와 횡중복도가 모두 60% 이상 이 되도록 드론으로 촬영하였다(Yeu, 1986). DSM은 지상의 실제 땅의 높이를 나타내는 Digital Elevation Model (DEM)과 달리 땅위의 지형지물을 포함한 땅 의 모양을 나타내는 것으로, 과거에는 DEM과 DSM 을 구분하지 않고 DEM으로 나타내었으나, 최근에는 사진측량으로 나타내는 모든 지형지물의 모양은 DSM으로 나타낸다(GISGeography, 2018). 이러한 촬 영을 할 경우 지상점(Ground Control Points)를 명확 히 추출하기 위하여 날씨를 고려한 항공사진촬영에 시야가 확보되는 지역을 선정할 필요가 있다(Han et al., 2010).

    자료처리 과정

    연구대상지역에 대한 사진측량에 의한 Digital Surface Model (DSM) 모델을 만들기 위하여 촬영대 상지역에서 육상기준점 측량과 개발된 드론으로 촬영 한 사진기준점을 일치시켜 사진 상의 좌표를 부여하 고, Fig. 5처럼 사진처리과정을 통하여 사진측량의 정확도를 높이고자 하였다. 본 연구에서 사용된 사진 측량용 소프트웨어는 PIX4D로서 처리과정은 Fig. 5 와 같이 드론으로 추출된 사진영상을 자동매칭을 통 해 항공사진들 간의 중복지역에서 매칭점을 결정하고 번들조정을 통해 외부표정요소들을 결정하였으며, 결 정된 외부표정요소들을 기반으로 point cloud를 생성 하였다. 그리고 생성된 point cloud를 이용하여 DSM 이 추출되도록 하였다. 이 DSM을 가지고 수치지도 제작 방법에 의한 등고선을 추출하였다.

    결과 및 고찰

    기준점 측량

    무인항공기의 지상좌표점을 추출하기 위하여 지상 기준점 측량을 실시하였다. 기준점의 정확도가 cm급 이 될 수 있도록 DGPS측량을 실시하였다. DGPS측 량은 Leica사(Leica CS10 & GG02 PLUS)의 GPS측 량기기(Table 1)를 사용하였으며, GPS측량의 정밀도 를 높이기 위하여 DGPS측량을 실시하여 사진측량의 정확도를 국토지리정보원에서 1/1,000 수치지도에서 요구하는 cm급의 정확도를 얻고자 하였다. GPS의 정확도는 최대 2 cm 이하로서 cm급의 드론사진측량 의 좌표점을 얻는데 어려움이 없었다. 그리고 사진자 료와 지상자료의 좌표를 매칭시키기 위하여 Fig. 6과 Table 2의 10개의 GCP점을 설정하여 측량을 실시하 여 사진좌표와 지상좌표를 매칭을 시켜서 사진의 3 차원 좌표를 획득하였다.

    위치정확도 분석

    GCP점을 이용하여 지상좌표계와 사진좌표계를 일 치시켜 정사영상을 제작하였으며, 이 정사영상을 기 반으로 추출된 수치표고 모델과 모자이크기법을 이용 하여 수치지도를 자동으로 제작하였다. Table 3은 드 론(무인항공기)영상의 결과물로부터 추출한 점과 현 장에서 직접 GPS로 측량한 검사점의 오차를 나타낸 것이다. 그 결과 수평방향의 경우 최대오차 14.7 cm, 표준편차 10.1 cm로 나타났으며 수직방향 최대오차 12.4 cm, 표준편차 7.7 cm로 나타났다. Fig. 7은 구해 진 정사영상자료와 영상자료의 정확도를 평가하기 위 하여 지상점과 사진점의 좌표를 매칭여부를 사진으로 나타낸 것이다. 이 그림으로부터 지상점과 사진점이 매우 근접하게 일치함을 알 수 있다.

    Table 4는 지상측량으로 구한 좌표와 사진측량으로 구한 좌표의 차이를 나타낸 것이다. 여기서 보면 수 평오차가 8.8-14.7 cm로 나타났으며, 연직오차는 0.8- 12.4 cm범위에 있음을 알 수 있다. 본 연구에서 유도 된 사진측량의 정확도를 평가하기 위해 국토지리정보 원 수치지도 작성 작업내규 제 10조(정확도) 1:1,000 과 1:5,000 수치지도의 축척별 오차의 범위와 검토하 였다(Table 5). 이 결과는 국립지리정보원에서 제공하 는 사진측량의 오차기준이 1/1000 수치지도와 1/5,000 수치지도의 오차인 Table 5를 보면 수평오차가 최대 40 cm이고 연직오차는 최대 30 cm인데 본 연구에서 의 수평오차의 평균치는 9.0 cm로 나타났으며, 연직 오차는 5.9 cm이었다. 따라서 드론으로 촬영된 사진 영상의 좌표가 이 오차범위보다 작은 범위이므로 자 료의 정확도가 높음을 알 수 있다. 본 연구에서 드론 으로 촬영한 영상을 처리하여 구한 좌표의 오차가 국토지리정보원의 1/1000 수치지도 허용오차보다 작 음을 알 수 있다.

    Fig. 8은 드론으로 촬영한 사진을 이용하여 생성된 수치지도를 나타낸 것이다. 왼쪽은 10 cm 간격의 등 고선을 나타낸 것이고, 오른쪽 그림은 30 cm 간격 등 고선을 나타낸 것이다. 등고선의 모양을 살펴보면 동 서남북의 지형의 높낮이를 등고선을 통하여 판단할 수 있으며, 건물이 위치한 곳은 등고선이 매우 조밀 하여 지형특성을 잘 반영하고 있음을 알 수 있다.

    이상의 결과로 볼 때 본 연구에서 개발된 드론을 이용하여 연구대상지역을 촬영한 일반사진으로 cm급 의 높은 정확도를 가지는 사진의 정사영상, 수치지도 등에 적용할 수 있음을 알 수 있다.

    요약 및 결론

    이 연구에서 개발된 드론으로 사진촬영, GCP의 DGPS 측량, 표정, 3차원 좌표 추출 및 비교 등을 통 하여 1/1,000 축척 이상의 정밀수치지도의 정확도를 가지는 위치좌표 데이터를 획득하기 위한 연구결과를 도출하였다. 연구대상 지역은 지상좌표의 추출이 비 교적 용이하고 완만한 지형특성을 가져 등고선의 특 성을 잘 나타낼 수 있는 제주도 첨단과학단지를 선 정하였으며, 다음의 결과를 얻었다.

    첫째, 본 연구에서 자체 개발된 회전익 드론에 장 착된 일반카메라로 촬영한 영상에 적용한 사진측량기 법은 3차원 좌표획득 및 지형특성을 분석하는데 적 합한 것으로 나타났다. 일반카메라로 측정된 사진좌 표의 정확성을 파악하기 위하여 검사점 3점에 대한 정확도를 평가한 결과 수평오차는 평균 9.0 cm로 나 타났으며, 연직오차는 평균 7.7 cm로 나타났다. 이 값 은 국토지리정보원에서 제안하는 토목분야와 건축분 야 등에 널리 사용되고 있는 1/1,000축척의 수치지도 의 수평허용오차 100 cm, 연직허용오차 50 cm보다 높은 정확도를 나타내었으며, 특히 가장 정밀도가 높 은 1/1,000 수치지도의 수평허용오차 20 cm, 연직허 용오차 15 cm를 충분히 만족하는 정확도를 얻을 수 있었다. 그리고 이러한 정확도를 가지는 DSM자료를 이용하여 10 cm 등고선과 30 cm 등고선을 작도한 결 과 지형특성을 상세히 묘사할 수 있음을 알 수 있었 다. 따라서 이상의 결과를 볼 때 본 연구에서 개발된 드론에 장착한 일반용 카메라로 촬영한 영상에 적절 한 사진측량기법을 적용하면 1/1,000 이상의 정확도 를 가지는 DSM 자료추출이 가능한 것으로 판단된다.

    감사의 글

    이 논문은 2016년도 제주대학교 연구교수 기간에 연구되었다.

    Figure

    JKESS-39-46_F1.gif

    The study area.

    JKESS-39-46_F2.gif

    The structure of drone and its gimbel.

    JKESS-39-46_F3.gif

    24 Photos of drone in the study area.

    JKESS-39-46_F4.gif

    Schematic diagram of the drone surveying concepts.

    JKESS-39-46_F5.gif

    Photogrammetry data processing diagram.

    JKESS-39-46_F6.gif

    The positions of GCP in the study area.

    JKESS-39-46_F7.gif

    Accuracy estimations of selected control points.

    JKESS-39-46_F8.gif

    Digital Map Produced from the Photos of Drone.

    Table

    The characteristics of DGPS system

    Selected GPS coordinates to obtain the photo coordinates

    Comparison of Coordinates of Check Point by Drone and DGPS

    The Accuracy of 3-Dimensional Coordinate between the Photo and the Ground Points

    Digital Map Permission Error in Korea (National Geographic Information Institution (NGII, 2010))

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