Comparison and analysis of spatial information measurement values of specialized software in drone triangulation

드론 삼각측량에서 전문 소프트웨어의 공간정보 정확도 비교 분석

Abstract

In the case of Drone Photogrammetry, the "pixel to point tool" module of Metashape, Pix4D Mapper, ContextCapture, and Global MapperGIS, which is a simple software, are widely used. Each SW has its own logic for the analysis of aerial triangulation, but from the user's point of view, it is necessary to select a SW by comparative analysis of the coordinate values of geospatial information for the result. Taking aerial photos for drone photogrammetry, surveying GCP reference points through VRS-GPS Survey, processing the acquired basic data using each SW to construct ortho image and DSM, and GCPSurvey performance and acquisition from each SW The coordinates (X,Y) of the center point of the GCP target on the Ortho-Image and the height value (EL) of the GCP point by DSM were compared. According to the "Public Surveying Work Regulations", the results of each SW are all within the margin of error. It turned out that there is no problem with the regulations no matter which SW is included within the scope.

드론 사진 측량의 경우 통상 상용 전문 SW인 Metashape, Pix4D Mapper, ContextCapture 및 간이 SW인 Global Mapper GIS의 "픽셀 to 포인트 도구" 모듈 등을 널리 사용하고 있다. 각 SW마다 고유의 항공 삼각측량법 해석에 대한 로직을 보유하고 있지만, 사용자가 SW를 선택하기 위해서는 지형공간정보의 좌표 값에 대한 비교 분석이 필요하다. 이를 위하여 드론 사진 측량을 위한 항공사진을 촬영하고, VRS-GPS 측량을 통하여 GCP 기준점 측량을 하여, 취득된 기초 데이터를 각 SW를 이용하여 데이터 처리를 한 후 정사 이미지과 DSM을 구축하고, GCP 기준점 측량 성과와 각 SW에서 취득된 정사 이미지 상의 GCP 대공표지의 중심점의 좌표(X,Y)및 DSM에 의한 GCP점의 높이 값(EL)을 비교했다. "공공측량 작업규정"에 따르면 각 SW의 결과치는 모두 오차범위 이내에 포함되어 어느 SW를 사용하더라도 규정에는 문제가 없는 것으로 판명되었다.

1. 서론

1.1 연구의 배경 및 목적

지형공간정보(Geospatial information)의 좌표정보(Coordinate information) 취득에는 재래식 방법인 점 측량(Point Survey)[1][2]과 현대식 방법인 면 측량(Face Survey)이 있는데 면측량의 대표적인 방법으로 사진측량(Photo – grammetry)[3]이 있다.사진측량은 지상사진측량, 항공사진측량[4] 및 위성사진측량로 분류되며 항공사진측량에 사용되는 기본 기술이 GCP를 이용한 항공삼각측량(Aerial Triangulation)이다.

항공삼각측량(Aerial Triangulation)[5]이란 항공기에서 촬영된 사진을 입체 도화기나 정밀 좌표관측기로 사진상의 무수한 점들의 좌표를 지상 기준점 측량성과를 이용해 블록 조정기 및 도해적 방법으로 측지 좌표로 환산하는 방법이다.항공사진이 아날로그에서 디지털로 전환된 후 대부분의 항공삼각측량은 컴퓨터에서 이루어지는데 특히 드론 사진측량[6]의 경우 통상 전문 SW인 Metashape[7], Pix4D-Mapper[8], ContextCapture[9] 및 간이 SW인 Global Mapper GIS의 “픽셀 to 포인트 도구“ 모듈[10] 등을 널리 사용하고 있다. 각 SW 마다 고유의 항공삼각측량법 해석에 대한 로직을 보유하고 있지만 사용자의 입장에서 SW를 선택하려면 결과물에 대한 지형공간정보의 좌표 값에 대한 비교 분석이 필요하므로 본 논문에서는 상기 4가지 SW의 실행 결과물을 통한 비교 기준점의 공간 정보 정확도를 비교 분석한다.

1.2 연구의 방법

드론을 이용해 통상의 드론 사진측량을 위한 항공사진을 지상 150m 고도에서 촬영하고, 6점의 GCP(Ground Control Point)를 지상에 설치한 후 VRS-GPS 측량을 하여 GCP 기준점 측량을 한다.

취득된 기초 데이터(항공사진)를 각 SW를 이용하여 데이터 처리를 하여 정사이미지(Ortho-Image)와 3차원 점군(3D Point Cloud)을 취득하고, 이 작업이 사진을 이용한 면 측량이므로 DSM(Digital Surface Model)을 구축한다[3].

GCP 기준점 측량 성과와 각 SW에서 취득된 정사 이미지 상의 GCP 대공표지 중심점의 좌표(X,Y)및 DSM에 의한 GCP점의 높이 값(EL)을 비교한다[11].

1.3 연구의 주요 내용

동일한 기초 데이터(드론 항공촬영 영상)를 이용하여 각 SW 별로 사진측량 처리한 각 정사 이미지와 DSM을 이용하여 정사 이미지 상의 GCP 대공표지 중심점의 좌표(X,Y) 및 DSM에 의한 GCP의 높이 값(EL)을 추출[3]하여 GCP 기준점 측량 성과와 비교[11]한 결과 대공표지 중심점의 좌표(X, Y) 값은 Metashape가 가장 정확하였으며 각 GCP의 EL 값은 Context Capture가 가장 정확하였다. 상용 전문 SW의 결과는 모두 오차범위 내에 있다.

2. 기초자료 수집

Test Bed는 전라남도 순천시 장대길 64 부근(조곡동 263-345번지)에 200m X 200m 규모의 테스트 베드를 설치하였다.

6 지점의 GCP(Ground Control Point) 겸 CP(Check Point)을 그림 1.과 같이 설정하고 VRS RTK GPS 측량을 그림 2.과 같이 6지점에 시행하여 표 1.의 결과를 취득하였다.

그림 1. 6점의 GCP 설정

Fig. 1. 6 points GCP settings

그림 2. GCP 상의 VRS RTK GPS survey

Fig. 2. the VRS RTK GPS survey on GCP

표 1. GCP 상의 VRS RTK GPS Survey 절대 좌표값

Table 1. VRS RTK GPS Survey Absolute Coordinate Values on GCP

VRS-GPS 측량에 사용한 장비는 Canada Hemisphere사의 “S321 GNSS” 모델로 RTK Mode에서 수평오차 8mm+1ppm, 수직오차 15mm+1ppm의 정밀도를 가진다.

항공사진 촬영용 드론은 DJI 펜텀 4 프로를 사용하였고, 촬영고도는 지상 150m이다.

DJI 펜텀 4 프로 내장 카메라의 드론 항공촬영 카메라 3요소를 살펴보면, 센서는 1” CMOS로 구성되어 있으며, FOV (Field of View)가 84° (초점거리 8.8mm)이고 이미지 Size는 3:2 종횡비인 5472×3648 = 20M pixels로 구성되었다.

테스트 베드 지역을 총 190장(DJI_0241.jpg ~ DJI_0430.jpg)을 정사 촬영하여 그림 3.와 같은 결과를 취득하였다.

그림 3. 테스트 베드의 항공촬영 사진

Fig. 3. Test Bed Ortho-Aerial Photography

3. 소프트웨어별 정사 이미지 및 DSM 추출

비교 분석하는 SW 중 Metashape는 개발이 3D 사진 모델링을 위하여, Pix-4D와 Context Capture는 항공측량 데이터 처리를 위하여, Global Mapper “픽셀 to 포인트 도구“ 모듈은 GIS 분석의 보조 모듈로 개발되었다.

따라서 Metashape는 GCP 기준점 측량 성과물을 이용하여 카메라를 절대표정하여 3차원 점군을 추출하고, Pix-4D와 ContextCapture는 재래적인 삼각측량법을 사용하며, Global Mapper는 지형 자체를 GCP 기준점 측량 성과를 이용 절대표정 한다.

드론 사진측량 처리 전문 SW의 Process[5]는 공통적으로 다음과 같이 진행된다.

1) 디지털 사진(이하 “DP”) 로딩

이 DP에는 GPS에서 수신된 경위도 좌표 및 고도값, 드론 FC에서 수신된 IMU의 회전값(ω,φ,κ), 내장 카메라의 x₀,y₀,f(초점거리)가 기록되어 있다.

2) 정렬

DP 이미지 화소를 분석하여 각 사진의 연결점들을 분석한 후 Tie 점를 추출한다. 이때 상호표정이 이루어진다.

3) 3차원 점군 추출

정렬된 이미지상의 무수한 점들의 좌표를 지상 기준점 측량성과(GCP 기준점 측량)를 이용해 블록 조정기 및 도해적 방법으로 측지 좌표로 환산(항공 삼각측량)하여 3차원 점군을 형성한다. 이때 항공사진에 대한 절대 표정이 이루어진다.

4) DSM 및 정사 이미지 생성

취득된 점군를 이용하여 삼각망 구조의 면을 추출하여 DSM(Digital Surface Model)을 생성하고, 이 면에 드론 사진을 이용, 택스추어 맵핑을 하여 정사 이미지(Ortho-Image)를 생성한다.

서론에서 기술한 드론 사진측량 전문 SW의 처리[7][8][9][10]를 통해 다음과 같은 결과가 도출되었다.

Metashape SW로 처리한 결과 그림 4.의 결과를 얻었다.

그림 4. Metashape 정사 이미지와 DSM 추출

Fig. 4. Metashape OrthoImage and DSM Extraction

Pix4D SW로 처리한 결과 그림 5.의 결과를 얻었다.

그림 5. Pix4D 정사 이미지와 DSM 추출

Fig. 5. Pix4D Ortho-Image and DSM Extraction

ContextCapture SW로 처리한 결과 그림 6.의 결과를 얻었다.

그림 6. ContextCapture의 정사 이미지와 DSM 추출

Fig. 6. ContextCapture Ortho-Image and DSM Extraction

Global Mapper SW로 처리한 결과 그림 7.의 결과를 얻었다.

그림 7. Global Mapper의 정사 이미지와 DSM 추출

Fig. 7. Global Mapper Ortho-Image and DSM Extraction​​​​​​​

4. 결과물 분석

도출된 결과를 분석하기 위해 아래와 같은 선행작업을 시행하였다.

1) X,Y 값에 대한 위치오차는 GCP 기준점 측량 성과 6점의 좌표와 각 정사 이미지상의 지상 대공표지의 중심 좌표를 비교하였다.

2) Z 값에 대한 위치오차는 GCP 기준점 측량 성과 6 점의 좌표와 각 SW 결과물의 DSM에서 추출한 Z 좌표(EL) 값을 비교하였다.

3) 1), 2) 항을 위해 각 SW 별로 도출한 정사 이미지와 DSM을 Global Mapper SW를 사용하여 GCP 기준접 측량점을 사용하여 검증을 위한 검정선을 설정(그림 8., 표 2., 검정 기준)하고, 각 DSM으로 부터 검정점(Check Point 이하 CP)의 X, Y, Z 좌표를 추출하였고, 각 정사 이미지에서 지상 대공표지의 중심 좌표(X, Y)를 추출 하였다.

그림 8. 비교 데이터 추출을 위한 검정선

Fig. 8. Verification Line for Profile Extraction

표 2. Check Point(검정선)의 3D 좌표

Table 2. Check Point Surveying 3D Coordinate​​​​​​​

Metashape의 DSM에서 취득한 좌표값은 [표 3.]과 같다.

표 3. Metashape의 체크점 좌표

Table 3. CP coordinates in Metashape​​​​​​​

Pix-4D의 DSM에서 취득한 좌표값은 [표 4.]과 같다.

표 4. Pix4D의 체크점 좌표

Table 4. CP coordinates in Pix4D​​​​​​​

ContextCapture의 DSM에서 취득한 좌표값은 [표 5.]과 같다.

표 5. ContextCapture의 체크점 좌표

Table 5. CP coordinates in ContextCapture​​​​​​​

Global Mapper의 DSM에서 취득한 좌표값은 [표 6.]과 같다.

표 6. Global Mapper의 체크점 좌표

Table 6. CP coordinates in Global Mapper

각 SW에서 추출된 정사 이미지상의 대공표지 중심점의 위치 좌표 값(X,Y)은 [표 7.]과 같이 취득되었다.

표 7. 각 정사 이미지 상 대공 표지의 중심점 좌표

Table 7. Center point coordinates of each SW Ortho-Image Targets (U: X 좌표 D: Y 좌표)​​​​​​​

실측 VRS GPS 기준점 측량 데이터인 [표 2.]을 기준으로 각 SW 처리 결과물의 정사 이미지 상 대공표지의 중심점 위치 좌표 값(X,Y)을 비교 분석하여 [표 8.]의 결과가 도출되었다.

표 8. 검정 기준점과 각 SW 도출 정사 이미지 대공표지 중심점의 평면 좌표 값(X, Y) 오차량

Table 8. Amount of error in plane coordinate valu es (X, Y) of the center point of the Ortho-Image targets (U: ΔX, D: ΔY, 단위: m)

그림 9. 검정 SW의 평면 좌표 값(X, Y) 오차량 분포도

Fig. 9. Distribution diagram of plane coordinate values (X, Y) error amount of verification SW

실측 VRS GPS 기준점 측량 성과물인 [표 2.]을 기준으로 각 SW 처리 결과물의 DSM에서 추출한 검정 위치의 고도 값(EL)을 비교 분석하면 [표 9.]의 결과가 도출되었다.

표 9. 검정 기준점과 각 SW 도출 DSM 상의 검정 위치 고도 값(EL) 오차량

Table 9. Elevation value (EL) error amount on the test reference point and each SW derivation DSM (ΔEL, 단위: m)​​​​​​​

그림 10. 검증 SW의 고도 값(EL) 오차량 분포도

Fig. 10. Distribution of altitude(EL) error amount of verification SW

“공공측량 작업규정”[시행 2021. 7. 1. / 국토지리정보원 고시 제2021-2701호] 제3편 지형 측량, 제37조 (지형도의 정확도) 기준[11]은 다음과 같다.

1. 지형도의 축척이 1:500 이상 시 평면위치(X, Y) 오차는 0.5mm X 500 = 250mm 이내이다.

2. 표고점(EL) 오차는 Δh / 4 = 1,000mm / 4 = 250mm 이내 이다.

5. 결론

각 SW의 결과는 모두 오차범위 이내에 포함되어 어느 SW를 사용하더라도 규정에는 문제가 없는 것으로 인증된다.

Global Mapper의 경우는 전문 SW가 아닌 이유도 있지만, 표 9.에서처럼 표고점(EL)이 허용오차 범위보다 큰 경우가 많으므로 참고용으로 한정하여 사용되어야 한다.

부가적으로 분석된 추가 사항은 다음과 같다.

1) 평면 위치(X,Y)의 정확도는 Metashape > Pix4d > ContextCapture 순서이다.

2) 표고점(EL)의 정확도는 ContextCapture > Pix4D > Metashape 순서이다.

3) 정사이미지(Ortho-Image)의 해상도(선명도)는 ContextCapture가 가장 선명하였다.

4) Metashape는 GCP 기준점 측량 성과의 추가나 수정이 가장 용이 하며 Pix4D와 Context Capture는 상당히 불편하였다. 또한 용도에 따라 작업 결과물의 수준을Lowest < Low < Middle < High < Highest의 5단계로 차등화하여 작업시간을 조절할 수 있다.

5) Pix4D는 보고서 제작을 위한 항공 뷰 동영상 제작, 등고선 추출 등 각종 편리한 모듈을 포함하고 있다.

6) ContextCapture는 별도의 3D View SW가 제공되고, 이 Viewer에서 각종 데이터를 추출할 수가 있어 결과물의 사용성이 높다.