A Study on Digital Drawing and Boundary Extraction Using Targets in Aerial Photogrammetry

항공사진측량용 타겟을 이용한 수치도화 및 지적경계 추출에 관한 연구

Abstract

Currently, in Korea, aerial photogrammetry is being studied for cadastral boundaries and numerical maps. Since the announced value of cadastral survey is closely related to ownership, the accuracy and reliability of the published value should be emphasized above all else. However, although aerial photogrammetry has great advantages in economic feasibility and surveying efficiency, it has many limitations when extracting the boundary of cadastral survey based on the acquired image. In order to improve these limitations, in this study, an aerial target was applied to obtain reliability improvement. Therefore, in order to examine the usefulness of aerial photogrammetry for cadastral survey application, cadastral boundary extraction and accuracy comparison analysis were conducted.

1. 서론

현재의 기본적인 지적도는 1910년부터 1918년까지 임시토지조사국에서 시행한 토지조사사업으로 작성되었다. 그러나 현재까지 약 100년에 걸쳐 사용되는 동안 제작 당시 측량기술의 낙후와 기타의 문제로 인한 지적공부의 멸실 및 기준점의 망 실, 종이 지적도면의 사용관리로 인한 마모 및 신 축, 훼손 등으로 인하여 많은 민원문제의 발생과 각종 소송의 원인이 되고 있다.

이러한 문제점을 해결하고 국민의 민원을 해소하기 위해 1999년부터 2003년까지 5년간 지적도면의 전산화 사업을 시행하였다. 하지만 강제적인 도상 접합방식으로 제작되어 여전히 사용에는 제한이 있다. 그리고 최근에는 지적 재조사사업의 기반 조성을 위해 항공사진을 이용한 지적측량의 적용방안을 위한 연구도 진행 중이다. 전 국토를 대상으로 일괄적인 갱신과 제작을 위해서 디지털 항공사진측량 방법을 적용하여 비용 절감 및 사업 기간 단축 등 대안을 모색하여 종합적인 타당성 분석을 제시함으로써 지적선진화 기반조성을 위한 기술적 자료로 활용되고 있는 시점이다.

현재까지 이러한 항공사진측량 방법을 지적측량에 적용하기 위해 활용성, 가능성, 경제성 등에 중점을 두고 다양한 연구가 진행되었고 이를 살펴보면 다음과 같다. Lee(2010)는 디지털 지적 구축을 위해 수치영상을 이용하여 지적에의 적용 가능성을 확인하였다. 또한 Lee et al.(2010)은 항공영상의 수치도화에 의한 지적경계 추출 연구에서 불안전한 정사사진, 기준점, 상이한 데이터 취득 주기 및 지적경계 기준에 대한 도화사의 역량 등 다양한 요인으로 평균오차가 발생한다고 하였고 Kim(2010)은 필지의 경계설정에 항공사진측량을 이용하여 그 결과 모든 지적 경계 설정 기준을 만족할 수는 없으나 지상측량을 보조방법으로 하는 병행법을 채택하는 것은 바람직할 것이라 하였으 며, Kim(2007)은 디지털 정사영상 지적도의 매칭연구에서 축척 1000 이상의 주거지역의 경우 적용 가능성이 있다고 제시하였다.

하지만 결과적으로 지적측량의 경계를 추출함에있어서 항공사진측량을 이용한 수치지형도의 경계추출 방법과 지적 경계추출방법은 근본적으로 상이하여 도화사의 역량, 지형에 대한 모호함 등에따라 지적경계추출에 난해한 부분이 있어 정밀한경계추출에 어려움이 따른다.

따라서 본 연구에서는 지금까지 디지털 수치도화기에서 지적경계 추출 시 지상경계의 모호함으로 발생하는 부분을 항공타겟을 적용하여 성과를분석하고 경계추출에 대한 정밀도를 한 단계 더향상하게 시킴으로써 항공사진측량의 지적업무 적용 가능성과 신뢰성을 높이고자 하였다.

2. 실험 및 방법

2.1 연구대상지역

본 연구의 공간적 범위로 항공사진측량의 특성과 지적경계 추출 시 발생하는 문제점을 분석하기 위해 서로 다른 지형조건을 가진 2곳 - 즉 Case Ⅰ(비정형적 필지로 구성된 농촌), CaseⅡ(정형적필지로 구성된 농촌), Fig. 1과 같이 연구대상지역으로 선정하였다.

Fig. 1 The study area

그리고 본 연구의 시간적 범위는 계절의 영향을 최소화 하기위하여 각각 2월 말, 3월 초에 항공촬영이 이루어졌으며, 지상측량 또한 항공촬영과 동일한 시간에 지적경계측량을 실시하였다.

2.2 항공촬영

두 연구지역 모두 동일한 카메라(ADS 80)를 통해 촬영을 수행하였으며, Fig. 2, 3에 도식화되어있는 ADS80 카메라의 특징은 라인스캐너(Linear array sensor) 방식의 카메라이다.

Fig. 2 Aerial photograph design - CaseⅠ

Fig. 3 Aerial photograph design - CaseⅡ

2.3 지상경계측량

지상에서의 지적경계측량은 지적측량분야15년 경력자의 경계설정방법으로 지적경계말뚝을 설치하고, 설치된 경계 말뚝에 항공타겟을 설치 후 GNSS를활용한 Network–RTK 측량을 실시하였다.

경계측량에 사용된 장비는 SOKKIA GRX2 제품 (RTK 수평정확도 (10mm+1ppm), 수직정확도(15mm+1ppm))로 지적의 경계를 취득하였고 이를 본 연구의 최확값으로 활용하였다.

2.4 항공타겟 제작 및 설치

수치도화기를 이용하여 지적의 경계를 추출하기위한 연구의 흐름도는 Fig. 4에 나타내었으며, 타겟의 식별이 명확하기 위해서 타겟의 크기 및 컬러 등은 본 연구를 수행하는데 중요한 부분이므로촬영고도 및 현장 여건을 고려하여 결정하였다. 제작된 타겟은 자체 제작과정을 거쳐 30cm× 30cm 크기의 백색 바탕에 검정색(15cm×15cm) 으로 제작하였다.

Fig. 4 Data analysis procedure

항공타겟의 현장설치 결과 Fig. 5와 같이 항공촬영 영상에서 식별할 수 있었으며, 수치지적도화를 위해 HIST-DPW 수치도화기를 이용하여 지적의 경계를 추출하였다. 수치도화기를 통해 두 가지 결과(항공타겟의 유·무에 따른 지적경계)를 취득하고 Network-RTK를 통해 현장에서 취득한결과와 비교하였다.

Fig. 5 Digital cadastral drawing by aerial target

3. 성과분석

성과분석을 위해 항공사진 영상처리, 지상측량 등이 진행되었으며, 도출된 위치좌표와 면적에 대한 분석을 시행하였다.

3.1 항공삼각측량

항공사진측량에 대한 신뢰성 확보를 위해 항공 삼각측량(AT: Aerial Triangulation)은 지상 평면기준점과 Fig. 6은 지적 도근점을 GCP로 활용하 였다. CaseⅠ의 경우 평면기준점 11점, 지적 도근점 13점, 그리고 CaseⅡ의 경우 평면기준점 32 점, 지적도근점 35점을 이용하였다. AT분석을 통해 지역별 사진기준점과 지상기준점의 성과로 각각 RMSE 0.055m와 0.002m의 정확도를 취득하 였다.

Fig. 6 GCP survey

3.2 수치도화기법에 의한 좌표측정 성과분석

수치도화는 HIST-DPW 디지털 도화기를 이용하였고 Fig. 7, Fig. 8은 항공타겟을 설치한 각각3답(畓)을 대상으로 실시하였다. 항공타겟을 활용하여 수치도화를 실시하고 각 필지경계점의 위치좌표를 측정하였다. 성과분석은 현장측량 결과를 최확값으로 하여 수치도화를 통해 추출한 각 필지경계점 좌표값의 잔차값과 표준편차값을 비교함으로써 정확도 및 정밀도를 분석하였다.

Fig. 7 Parcel distribution - CaseⅠ

Fig. 8 Parcel distribution - CaseⅡ

3.2.1 CaseⅠ

CaseⅠ의 경우 세 필지 총 58개의 경계점에대한 위치좌표 성과를 분석하였다. Table 1은 필지1의 19개 경계점에 대한 지상측량과 수치지적도화 성과의 잔차량과 RMSE를 나타낸 것으로, 약 0.3cm ∼ 5.9cm의 잔차량을 나타내었고 전체RMSE는 X, Y 각 0.033m로 분석되었다.

Table 1. Performance analysis of parcel 1 of parcel boundary point (m)

Table 2는 필지2의 22개 경계점에 대한 지상측량과 수치지적도화 성과의 잔차량과 RMSE를나타낸 것으로, 0.5cm ∼ 5.6cm의 잔차량을 나타내었고 전체 RMSE는 X, Y 각각 0.032m, 0.022m로 나타내었다.

Table 2. Performance analysis of parcel 2 of parcel boundary point (m)

Table 3은 필지3의 17개 경계점에 대한 지상측량과 수치지적도화 성과의 잔차량과 RMSE를나타낸 것으로, 약 0 cm ∼ 4.5 cm의 잔차량을나타내었고 전체 RMSE는 X, Y 각각 0.034m, 0.017m로 분석되었다.

Table 3. Performance analysis of parcel 3 of parcel boundary point (m)

3.2.2 CaseⅡ

CaseⅡ는 전체 3필지, 총 10개의 경계점에 대해 잔차량을 분석하였다. Table 4는 CaseⅠ에서와 동일한 방법으로 전체 경계점에 대한 지상측량과 수치도화성과의 위치좌표 잔차량을 나타내었으며, 약 0.1cm ∼ 6.3cm의 결과를 나타내었고 전체 RMSE 는 X, Y 각각 0.015m, 0.038m로 분석되었다.

Table 4. Performance analysis of parcel boundary point of three parcels (m)

지적측량 시행규칙(시행 2013.3.23) 제4절 제27조 지적측량성과의 결정에 의하면 경계점좌표등록부 시행지역의 경우 0.10m, 그 밖의 지역은 10 분의 3M(mm)(M:축척분모)의 지적측량성과와 검사성과의 연결교차가 적용된다. 본 연구에서의 연구지역은 1/1200 지역으로 연결교차 36cm 임을 기준하였을 때 Fig. 9과 같이 전체 위치좌표에 대한 RMSE 분석 결과 CaseⅠ과 CaseⅡ 두 연구지역 모두 4.0cm 이내의 결과를 보여 허용범위를 만족하였다.

Fig. 9 RMSE analysis of residuals according to the position coordinates

3.3 수치도화기법에 의한 필지 면적 분석

면적에 대한 분석은 Case Ⅰ과 Ⅱ 각각 항공타겟 적용 유ㆍ무에 따른 수치지적도화기법으로 도출된 면적을 Network-RTK 지상측량에 의한 필지면적과 지적의 대장면적과 비교하였다.

3.3.1 CaseⅠ

① 대장면적과 수치지적도화의 비교

대장면적을 기준으로 수치지적도화 성과와의 면적차이를 구한 결과, 항공타겟이 없는 경우를 가정하고 도화사가 개인적으로 인지하고 있는 지적경계 기준에 따른(이하 타겟 無) 수치지적도화 후구한 면적은 3개 필지(필지1, 필지2, 필지3)에 대해 각각 10.41, 80.41, 222.63㎡ 의 차이가 발생 하였다. 그리고 도화사가 영상의 항공타겟을 적용하여(이하 타겟 有) 수치도화기법으로 필지별 경계점의 좌표취득 후 면적을 산출하여 지상측량성과와 비교 한 결과 각필지에 대해 41.42, 71.79, 222.23㎡의 차이가 발생하였다.

Table 5. Area comparison by digital cadastral drawing (㎡)- CaseⅠ

이 결과는 ｢측량·수로조사 및 지적에 관한 법률｣시행령 제19조에서 규정한 면적오차 허용범위산출에 관한 식

\(A = 0.026 ^ { 2 } M \sqrt { { F } }\)

(A: 허용면적, M: 축척분모, F: 대장면적)

에 의해 산출된 각각의 필지별 허용면적인 34.83, 36.58, 27.42㎡ 와 비교하면 타겟 無 수치지적도화 필지 1의 결과를 제외하고 나머지 모든 결과가 허용범위를 벗어나는 것으로 나타났다. 이는 대장등록 당시와 비교하여 시간적, 계절적 등의 이유로필지 형태의 변경이 발생하였거나 항공타겟 설치지역의 필지경계점 선점 시 지적전문가들도 개인차이로 선점 기준차가 큰 원인이라고 판단된다.

② 현장측량과 수치지적도화의 비교

현장측량에 의한 면적을 기준으로 수치지적도화기법에 의해 산출된 필지면적은 타겟 無 수치지적도화의 경우 각각 31.2㎡, 9.32㎡, 6.23㎡ 의 차이가 나타났으며, 타겟 有 수치지적도화의 경우 각각 0.19, 0.7, 0.17㎡의 근소한 차이를 나타내었다.

3.3.2 CaseⅡ

① 대장면적과 수치지적도화의 비교

CaseⅡ의 경우 대장면적을 기준으로 수치지적도화 성과와의 면적차이를 구한 결과 타겟 無 수치지적도화의 경우 면적차이는 각각 41.41㎡, 35.53㎡, 94.42㎡가 발생하였고, 타겟 有 수치지적도화 결과는 각각 65.45㎡, 16.99,㎡ 125.92㎡ 의 차이가 발생하였다.

Table 6. Area comparison by digital cadastral drawing (㎡)- CaseⅡ

상기의 면적오차 허용범위 산출에 관한 식에 의해 허용면적은 51.06㎡, 50.99㎡, 50.86㎡과 같고 이를 수치지적도화에 의한 결과와 비교하였다. 그 결과 타겟 無 수치지적도화의 경우 필지1, 필 지2, 그리고 타겟 有 수치지적도화에 의한 필지2 는 허용오차를 만족하였다.

② 현장측량과 수치지적도화의 비교

또한 현장측량에 의한 각 필지면적을 기준으로수치도화기법에 의한 필지면적을 비교한 결과, 타겟 無 수치지적도화의 경우 면적은 각각 20.15㎡, 11.56㎡, 31.27㎡ 의 차이를 보였고, 타겟 有 수치지적도화의 경우 3.89㎡, 6.98㎡, 0.23㎡의 차이가 발생하였다.

두 연구지역의 현장측량에 따른 면적을 기준으로 면적차를 분석해 본 결과 수치지적도화에 의한 면적은 지적의 면적오차 허용범위를 모두 만족하 였고, 또한 Fig. 10와 같이 항공타겟을 적용하여 수치지적도화를 실시 한 경우 면적정확도 향상에 우수한 결과를 얻을 수 있었다.

Fig. 10 Area analysis for each parcel in accordance with the field survey and digital cadastral drawing

4. 결론

본 연구는 최근 기술적으로 급속히 진보하고있는 디지털 항공사진측량기술을 지적측량에 실제적용하여 활용 가능성을 검토한 결과 위치좌표의비교에 있어 항공타겟을 이용한 결과값과 현장측량값의 위치좌표에 따른 RMSE는 약 1.5 ∼ 3.8cm로 연구지역의 경우 지적 경계점의 측량성과와 검사성과의 허용오차 범위를 만족하였다.

따라서 본 연구를 통해 항공사진측량에 의해 취득된 영상의 높은 해상력(GSD 8cm)으로 인하여 지형·지물의 식별이 가능하였으며, 지적측량 경계 추출에 충분히 적용할 수 있음을 확인할 수 있었으며, 현재 공간정보 분야에 무인비행체(UAV) 를 활용한 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구와 같이 무인비행체에서 취득한 영상의 품질 검증 절차가 진행된다면 무인비행체의 공간정보 분야 적용에 있어서 신뢰성 향상에 많은 도움이 될 것으로 판단된다.