KR100560699B1 - Method for producing 3-dimensional virtual realistic digital map using model plane aerial photographing system and gps/ins system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 모형항공촬영시스템 및 GPS/INS 시스템을 이용한 3차원 가상현실 수치지도의 제작방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 시시각각으로 변화하는 도시지역에서 3차원 가상현실 수치지도를 신속하고 정확하게 제작할 수 있도록 30m~100m 고도를 자유롭게 이동 및 촬영하면서 공간정보를 제공하는 GPS(Global Position System)/INS(Inertial Navigation System)시스템과 모형항공촬영시스템을 이용하는 3차원 가상현실 수치지도의 제작방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a 3D virtual reality digital map using a model aerial photographing system and a GPS / INS system, and more specifically, to produce a 3D virtual reality digital map quickly and accurately in an urban area that changes every moment. The present invention relates to a method of producing a 3D virtual reality digital map using a Global Positioning System (INS) / Inertial Navigation System (INS) system and a model aerial photographing system that provide spatial information while freely moving and photographing an altitude of 30m to 100m.
본 발명에 따르면 지상에서 사진을 촬영하여 제작하는 3차원 가상현실 수치지도 제작방법보다 경제적이고, 작업효율성이 높아 짧은 기간 내에 복잡한 도심지역을 대상으로 구축할 수 있고, 기존 항공사진촬영 비행기를 이용하는 것보다 저고도에서 임으로 축적 및 위치를 조절하여 촬영할 수 있으며, 비행기를 사용하지 않고 모형항공촬영시스템을 이용함으로 인해 경제적으로 사업을 수행할 수 있다. According to the present invention, it is more economical and more efficient than the 3D virtual reality digital map making method by photographing on the ground, and can be constructed in a complex urban area within a short period of time, using an existing aerial photographing plane. At lower altitudes, it is possible to shoot at any time by adjusting the accumulation and position, and can perform business economically by using a model aerial photographing system without using an airplane.
모형항공촬영시스템, GPS/INS, 항공측량, 항공촬영, 수치지도, 가상현실 Model Aerial Photography System, GPS / INS, Aerial Survey, Aerial Photography, Digital Map, Virtual Reality
Description
도 1은 GPS/INS 모형항공촬영시스템을 이용한 지상 및 고층건물 측면사진촬영과 공간정보(GPS/INS 자료) 취득방법이다.FIG. 1 is a method of acquiring ground and high-rise side photographs and spatial information (GPS / INS data) using a GPS / INS model aerial photographing system.
도 2는 GPS 위성을 이용한 3차원 위치측정 수신기의 구조 및 위치결정 과정이다.2 is a structure and positioning process of a 3D positioning receiver using GPS satellites.
도 3은 GPS/INS 모형항공촬영시스템에서 수신받은 공간정보인 GPS/INS 자료를 이용한 촬영과정이다.3 is a photographing process using GPS / INS data, which is spatial information received from a GPS / INS model aerial photographing system.
도 4는 GPS/INS 모형항공촬영시스템을 이용한 항공촬영 및 항공측량 방법을 수행하기 위한 시스템 개략도이다.4 is a system schematic diagram for performing an aerial photographing and aerial survey method using a GPS / INS model aerial photographing system.
도 5는 GPS/INS 모형항공촬영시스템을 이용하여 3대의 카메라로부터 지상 및 좌우에 배치된 건물의 항공촬영과 항공측량과정이다.FIG. 5 is an aerial photographing and aerial survey process of a building disposed on the ground and left and right sides of three cameras using a GPS / INS model aerial photographing system.
도 6은 사진측량시스템에서 취득된 자료를 이용한 3차원 가상현실 수치지도 제작과정이다.6 is a 3D virtual reality digital map production process using data acquired from a photogrammetry system.
발명의 분야Field of invention
본 발명은 모형항공촬영시스템 및 GPS/INS 시스템을 이용한 3차원 가상현실 수치지도의 제작방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 시시각각으로 변화하는 도시지역에서 3차원 가상현실 수치지도를 신속하고 정확하게 제작할 수 있도록 30m~100m 고도를 자유롭게 이동 및 촬영하면서 공간정보를 제공하는 GPS(Global Position System)/INS(Inertial Navigation System)시스템과 모형항공촬영시스템을 이용하는 3차원 가상현실 수치지도의 제작방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a 3D virtual reality digital map using a model aerial photographing system and a GPS / INS system, and more specifically, to produce a 3D virtual reality digital map quickly and accurately in an urban area that changes every moment. The present invention relates to a method of producing a 3D virtual reality digital map using a Global Positioning System (INS) / Inertial Navigation System (INS) system and a model aerial photographing system that provide spatial information while freely moving and photographing an altitude of 30m to 100m.
발명의 배경Background of the Invention
종래의 건물 촬영 및 사진 매핑 3차원 건물모델 제작 기술은 대부분 지상에서 촬영하여 영상자료를 확보하여 건물에 사진을 매핑하여 3차원 가상현실 수치지도를 제작하는 방법을 사용한 것으로, 높은 해상도의 고품질 영상정보 및 공간정보를 얻을 수 있는 이점이 있으나 지상의 장애물들로 인하여 지상에서 촬영하고자 할 경우 시야 확보가 어렵고, 건물의 각 면들을 정면에서 촬영하기 위해서 주변 건물들을 찾아 올라가 사진을 촬영하는 번거로움이 발생하는 등 촬영위치를 자유스럽게 설정하거나 이동하기 어려워 결과적으로 특정 지역의 사진 매핑을 위한 영상자료를 확보하고자 하는 경우에도 막대한 비용과 시간이 소요된다. Conventional building photographing and photo mapping 3D building model manufacturing technology is mostly using a method of producing a three-dimensional virtual reality digital map by mapping the photo to the building to secure the image data taken from the ground, high quality image information of high resolution And there is an advantage to obtain spatial information, but when you want to shoot from the ground due to the obstacles of the ground, it is difficult to secure the field of view, and troublesome to go up to the nearby buildings to take pictures to shoot each side of the building in front It is difficult to freely set or move the shooting location, such as a camera, and as a result, a huge cost and time are required even if a user wants to obtain video data for mapping a specific area.
또 다른 방법으로는 항공기를 이용하여 영상정보를 취득하는 방법이 있다. 촬영기기가 장착된 비행기(airplane)를 이용하여 촬영계획 지역으로 비행기 조종사가 해당 촬영구역 경로를 따라 비행기를 조종하여 이동하면 촬영사가 촬영 장치를 이용해 자료를 취득할 수 있도록 비행기, 촬영장비, 자동항법장치로 구성되어 있다. 그러나 항공촬영시스템을 사용하고자 할 경우 고가의 비용이 소요되며, 비행촬영의 안전을 고려하여 500m 이하의 저고도에서의 촬영이 매우 제한되며 높은 고도에서 촬영이 이뤄짐으로 인해 영상의 해상도 및 선명도가 지상촬영에 비해서 상대적으로 나쁘다. Another method is to acquire image information by using an aircraft. Using an airplane equipped with a recording device, the pilot will move the plane along the path of the shooting area to the shooting plan area so that the photographer can acquire data using the shooting device. It consists of a device. However, if you want to use the aerial shooting system, it is expensive. In consideration of the safety of flight shooting, shooting at low altitudes of less than 500m is very limited. Relatively bad compared to
결과적으로 실사와 같은 3차원 건물모델을 생성하기 위해서는 30m에서 100m 사이의 고도에서 건물들을 촬영하여 3차원 건물모델을 생성할 수 있도록 지원하는 장비 및 방법이 필요하다. 30m~100m 사이의 고도에서 건물 사진 촬영을 통해 취득할 수 있는 방법은 모형 헬기, 모형비행기, 또는 비행선과 같은 모형항공촬영시스템에 카메라를 장착하여 촬영하는 방법이 있다. 모형헬기나 모형 비행기를 이용할 경우 신속한 이동 및 촬영이 가능하나 자세를 조정하기 쉽지 않다. As a result, in order to generate a three-dimensional building model such as live-action, an equipment and a method for generating a three-dimensional building model by photographing buildings at an altitude of 30m to 100m are needed. One way to get a picture of a building from an altitude of 30m to 100m is to use a camera mounted on a model aerial photographing system such as a model helicopter, a model airplane, or an airship. When using a model helicopter or a model airplane, it is possible to move and shoot quickly, but it is not easy to adjust the posture.
비행선과 같은 모형항공촬영시스템을 이용할 경우 이동속도가 느려 촬영시간이 길어지나 부력을 기반으로 이동을 위한 동력원을 이용해 비행하므로 촬영 및 이동시 안정적인 자세 유지가 가능하다. 개개 건물의 3차원 모형 생성 및 사진매핑을 위해서는 측량에 준하는 공간적 고려 및 자료의 추출이 필요하며 이를 위해 GPS(Global Position System)와 INS(Inertial Navigation System)가 사용된다. GPS를 이용한 3차원 위치측정은 GPS위성들로부터 송신되는 전파를 수신하여 각 위성들 로부터의 도달되는 시간과 위성신호를 이용해 3차원적인 위치를 계산하는 방법이다. When using a model aerial photographing system such as an airship, the shooting speed is long due to the slow moving speed, but it is possible to maintain a stable posture when shooting and moving because it uses a power source for moving based on buoyancy. 3D model generation and photo mapping of individual buildings require spatial considerations and data extraction according to surveying. GPS (Global Position System) and INS (Inertial Navigation System) are used for this purpose. 3D position measurement using GPS is a method of receiving a radio wave transmitted from GPS satellites and calculating a 3D position using the time and satellite signals reached from each satellite.
관성항법(Inertial navigation)이란 운항체(platform)에 부착된 관성 센서의 출력 물리량을 이용해 항체의 위치, 속도 및 자세를 알아내는 것으로 기본원리는 뉴턴의 운동 법칙을 기반으로 힘과 가속도 및 속도, 변위와 관계된 미분 방정식으로부터 항법해를 구하는 것이다. 관성센서는 크게 병진 운동(translational motion)을 감지하는 가속도계(accelerometer)와 회전 운동(rotational motion)을 감지하는 자이로(gyroscope)로 구분된다. 관성항법을 이용한 시스템을 통해 운항체의 위치, 속도 및 자세를 알아내는 방법은 GPS 수신기를 이용하여 3차원 좌표를 구하는 방법보다 운항상태에 대해 많은 정보를 얻을 수 있으나 초기화한 시간으로부터 멀어질수록 오차가 누적되어 커지는 단점이 있다. Inertial navigation is the determination of the position, velocity, and pose of an antibody using the output physical quantities of an inertial sensor attached to a platform.The basic principle is based on Newton's law of motion, which is based on force, acceleration, velocity, and displacement. We find the navigation solution from the differential equation associated with. Inertial sensors are classified into an accelerometer that detects translational motion and a gyroscope that detects rotational motion. The method of finding the position, speed, and attitude of the aircraft through the system using inertial navigation can get more information about the operation status than the method of obtaining three-dimensional coordinates using the GPS receiver, Is cumulative and has a disadvantage.
이러한 단점을 보완하기 위해서 3차원적인 위치정보를 GPS수신기로부터 구하고 운항체의 위치, 속도 및 자세에 대한 정보를 GPS수신간격마다 초기화하여 오차가 누적되어 취득되는 것을 보완한 방식이 GIS/INS 방식으로 GPS 수신기로부터의 정확한 3차원 위치자료와 정교한 운항체의 위치, 속도 및 자세 정보를 두 시스템의 문제점을 해결하면서 동시에 취득할 수 있다. 지금까지의 모형항공촬영시스템을 이용한 촬영시스템의 경우 영상정보를 취득하기 위해 사용하는 사례가 늘고 있으나, 단순하게 카메라를 장착하여 촬영하려는 시도가 있을 뿐 영상자료와 공간정보(GPS/INS 자료)를 동시에 취득하여 활용함으로써 3차원적인 공간정보를 재생산하고자 하는 시도는 현재 이뤄지지 않고 있다. In order to make up for this drawback, the GIS / INS method is a method that obtains three-dimensional location information from a GPS receiver and initializes information on the position, speed, and attitude of the vehicle at every GPS reception interval, and accumulates errors. Accurate three-dimensional position data from GPS receivers and precise position, velocity and attitude information of the vehicle can be acquired simultaneously while solving the problems of both systems. In the case of the shooting system using the model aerial photographing system up to now, there are a growing number of cases that are used to acquire the image information, but simply attempt to shoot with a camera to capture the image data and spatial information (GPS / INS data) Attempts to reproduce three-dimensional spatial information by acquiring and utilizing them at the same time have not been made.
현재 GPS/INS를 차량에 장착하여 지상에서 촬영과 함께 공간정보를 취득하는 방법이 제안되고 있으나 GPS수신기의 단점 중의 하나인 다중반사파(multipath signal)로 인해 건물의 밀집도가 높은 도심지에서는 위치 정확도가 불량해지고 지상에서 촬영한 건물 사진 내의 축척계수는 변화가 심하여 사진매핑의 재료로서 적합하지 않다. Currently, a method of acquiring spatial information along with shooting from the ground by mounting a GPS / INS on a vehicle has been proposed, but the location accuracy is poor in the urban area with high density of buildings due to multipath signal, one of the disadvantages of the GPS receiver. The scale factor in buildings photographs taken from the ground and taken from the ground varies greatly and is not suitable as a material for photographic mapping.
이에 본 발명자는 기존의 지상에서 사진을 촬영하여 시각화하는 방법과 높은 고도에서 항공사진을 촬영하여 사용하던 두 방법의 문제를 해결하고 경제적이고 효율적이며 높은 품질의 사진을 얻어 현실과 가장 유사한 3차원 가상현실 수치지도를 제작하기 위하여 예의 노력한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.Therefore, the present inventor solved the problem of the conventional method of taking and visualizing photographs on the ground and the two methods of photographing and using aerial photographs at high altitude, and obtaining economical, efficient and high-quality photographs to obtain the three-dimensional virtual image most similar to reality. Efforts have been made to produce a real numerical map, and the present invention has been completed.
결국 본 발명의 목적은 모형항공촬영시스템 및 GPS/INS 시스템을 이용하여 균일한 축척의 영상자료 및 공간정보(GPS/INS 자료)를 취득하고, 3차원 가상현실 수치지도를 제작하는 방법을 제공하는데 있다. As a result, an object of the present invention is to obtain a uniform scale image data and spatial information (GPS / INS data) using a model aerial photographing system and GPS / INS system, and to provide a method for producing a three-dimensional virtual reality digital map have.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 모형항공촬영시스템 및 GPS/INS 시스템을 이용한 수치지도 제작 방법에 있어서, (a) 촬영 대상들, 영상에서 보이는 건물의 크기, 실제건물의 크기, 촬영축척 및 촬영될 영상의 공간해상도를 검토하고, 촬영할 건물들의 위치, 촬영고도, 중복도를 고려하여 촬영계획을 수립하는 단 계; (b) GPS/INS 모형항공촬영시스템을 촬영장소로 이동하여 이륙시키는 단계; (c) 상기 모형항공촬영시스템의 GPS/INS시스템과 송수신시스템을 작동시켜 영상자료를 획득하고, 촬영하고 있는 카메라의 3차원 위치정보(x, y, z) 및 3축각 회전요소에 변화에 대한 자세정보(roll, pitch, yaw)를 지상의 원격 제어기를 통하여 획득하는 단계; (d) 상기 획득된 원격제어기의 위치좌표와 자세정보를 보면서 촬영 시작위치로 GPS/INS 모형항공촬영시스템을 이동시킨 후 계획된 촬영경로를 이동하며 촬영을 수행하는 단계; (e) 상기 수행된 촬영을 통하여 기록된 카메라의 3차원 위치정보(x, y, z) 및 3축각 회전요소에 변화에 대한 자세정보(roll, pitch, yaw)를 수집하고, 영상자료 및 공간정보 취득을 완료하는 단계; (f) GPS/INS 모형항공촬영시스템을 회수하기 편한 장소에 안착시켜 정리하고, 영상자료 및 공간정보는 PC로 다운로드하는 단계; (g) 수치사진측량시스템에서 상기 다운로드 된 영상자료와 공간정보를 결합하고, 사진 매핑을 하여 3차원 건물모델을 생성하는 단계; 및 (h) 작업구역 내에서 상기 생성된 3차원 건물모델들의 좌표를 저장하고, 저장된 좌표와 사진 매핑 건물 모델들을 결합하여 실제 작업지역과 시각적으로 동일한 3차원 가상현실(VR) 수치지도를 완성하는 단계를 포함하는 수치지도 제작 방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a digital map using a model aerial photographing system and a GPS / INS system, comprising: (a) photographing objects, the size of a building visible in an image, the size of an actual building, a photographing scale, and photographing; Reviewing the spatial resolution of the images to be taken and establishing a photographing plan in consideration of the location of the buildings to be photographed, the photographing altitude, and the degree of redundancy; (b) moving the GPS / INS model aerial shooting system to a shooting location and taking off; (c) operation of the GPS / INS system and the transmission / reception system of the model aerial photographing system to acquire image data, and to observe the change in the three-dimensional position information (x, y, z) and the three-axis rotational elements of the camera being photographed. Obtaining posture information (roll, pitch, yaw) through a remote controller on the ground; (d) moving the GPS / INS model aerial photographing system to a photographing start position while viewing the acquired position coordinates and attitude information of the remote controller, and performing photographing while moving a planned photographing path; (e) Collecting three-dimensional position information (x, y, z) of the camera and posture information (roll, pitch, yaw) about the change in the three-axis rotational element recorded through the photographing performed, image data and space Completing information acquisition; (f) placing and arranging the GPS / INS model aerial photographing system at a convenient place for collection, and downloading image data and spatial information to a PC; (g) combining the downloaded image data with spatial information in a digital photogrammetry system and generating a 3D building model by photo mapping; And (h) storing coordinates of the generated 3D building models in a work area and combining the stored coordinates and the photo mapping building models to complete a 3D VR map visually identical to the actual work area. It provides a numerical mapping method comprising the steps.
본 발명에 있어서, 상기 (a)단계의 GPS/INS 비행선 촬영시스템은 수소 및 헬륨과 같은 경량의 기체를 채울 수 있는 비행선(air ship) 기낭 2개를 두 개의 프레임으로 연결하고, 촬영시스템을 탑재하고 있는 곤돌라(s602)를 두 기낭에 연결하도록 두 프레임의 중앙에 위치시켜 기체가 균형 있는 자세를 유지하도록 하며, 곤돌라의 지붕 중앙에 원격 제어장치를, 곤돌라 지붕 상단에 GPS수신 안테나를, 곤돌라 지붕 하단에 MEMS 관성측정장치(Inertial Navigation Unit, IMU)를 장착하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the GPS / INS airship photographing system of step (a) is connected to two air ship air sacs that can fill a lightweight gas such as hydrogen and helium in two frames, and equipped with a photographing system The gondola (s602) is positioned in the center of the two frames to connect the two air sacs to maintain a balanced posture, with a remote control in the center of the gondola roof, a GPS receiver antenna on the top of the gondola roof, and a gondola roof The lower part may be equipped with an MEMS inertial measurement unit (IMU).
본 발명에서, 상기 (c) 단계에서 3차원 위치정보는 (c1) GPS위성에서 보내는 전파를 GPS 수신기 안테나에서 수신하여 0과 1로 이산화하는 단계; (c2) 상기 이상화된 시그널로부터 코드를 추적하여 전파를 발송한 위성정보를 확인하고 수신된 코드로부터 항법에 관련된 데이터를 추출하는 단계; (c3) 상기 추출된 데이터에 대하여 위성ID, 코드추적자료 및 항법자료를 이용하여 의사거리추정, 이온층으로 인한 지연 및 상대적(differential) 의사거리 보정, GPS위성 위치와 위성시간오차 계산 및 수신기 위치계산을 수행하는 단계; 및 (c4) 수신기의 액정화면을 통해 측정지점의 위치좌표를 도시하는 단계를 거쳐 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the three-dimensional position information in the step (c) is (c1) receiving the radio wave transmitted from the GPS satellite at the GPS receiver antenna and discretizing to 0 and 1; (c2) tracking the code from the idealized signal to identify satellite information that has sent radio waves and extracting data related to navigation from the received code; (c3) Estimation of pseudo distance using satellite ID, code tracking data and navigation data for the extracted data, correction of delay and relative pseudo distance due to ion layer, GPS satellite position and satellite time error calculation and receiver position calculation Performing; And (c4) determining the position coordinates of the measurement point through the LCD screen of the receiver.
또한 본 발명에 있어서, 상기 (g) 단계는 (g1) 항공촬영 및 항공측량이 수행된 사진영상자료 및 공간정보(GPS/INS 자료)를 수치사진측량시스템으로 도입하는 단계; 및 (g2) 상기 도입된 사진영상자료 및 공간정보를 토대로 자료건물모델을 묘사(drawing)하여 3차원 건물 모델을 생성하는 단계를 거치는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, in the present invention, the step (g) includes the steps of: (g1) introducing a photographic image data and spatial information (GPS / INS data) on which aerial photographing and aerial surveying have been performed; And (g2) generating a three-dimensional building model by drawing a data building model based on the introduced photographic image data and spatial information.
이하에서는 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention in more detail.
도 1은 GPS/INS시스템과 모형항공촬영시스템을 이용한 건물 및 지상의 항공촬영 및 항공측량 방법을 도시한 것이다. 도 1에서 확인되는 바와 같이, 모형항공 촬영시스템(비행선촬영시스템) 본체에 장착된 INS시스템으로부터 X축은 비행체의 종축(longitudinal axis, roll), Y축은 날개축(right wing, pitch), Z축은 아래방향(yaw) 회전요소이다. FIG. 1 illustrates a method of aerial photography and aerial survey of buildings and grounds using a GPS / INS system and a model aerial photography system. As can be seen in Figure 1, from the INS system mounted on the model aerial photographing system (airship photographing system) main body, the X axis is the longitudinal axis (rollitudinal axis, roll) of the aircraft, the Y axis is the right wing (pitch), Z axis is below Yaw rotation element.
GPS/INS 모형항공촬영시스템의 곤돌라에 바닥에 장착된 지상방향을 바라보는 측량용 카메라(metric camera)와 좌측면과 우측면에 장착된 측량용카메라의 정밀한 3차원 위치값은 GPS안테나를 통해 수신된 시그널을 계산한 3차원 위치와 GPS안테나와 카메라 초점 위치의 3차원적인 거리의 차를 보정하여 계산되며 영상자료가 취득되는 순간에 GPS/INS 공간정보가 함께 취득되게 된다. 3개의 측량용 카메라, GPS안테나, MEMS IMU의 상호 위치는 정밀한 측정을 통해 3차원적 공간에서 상호 간의 거리를 구한다. 취득된 공간정보(GPS/INS 자료)는 무선 송수신 시스템을 통해 조종기에 위치 및 자세가 나타나고, 계획된 수치와 비교를 통해 이동하여 해당 코스에 진입해 계획경로 위치와의 3차원적 위치좌표 비교를 통해 이동하며 항공촬영 및 항공측량을 통해 영상자료 자료 및 공간정보 취득이 수행된다. The three-dimensional position values of the survey camera mounted on the ground and the ground-mounted metric camera on the gondola of the GPS / INS model aerial photographing system are obtained from the GPS antenna. It is calculated by correcting the difference between the three-dimensional position where the signal is calculated and the three-dimensional distance between the GPS antenna and the camera focus position, and the GPS / INS spatial information is acquired together when the image data is acquired. The mutual positioning of three survey cameras, GPS antennas, and MEMS IMUs are precisely measured to find the distance between them in three-dimensional space. The acquired spatial information (GPS / INS data) shows the position and attitude of the controller through the wireless transmission / reception system, moves through the comparison with the planned value, enters the course, and compares the three-dimensional position coordinate with the location of the planned route. Moving and acquisition of image data and spatial information is performed by aerial photography and aerial survey.
도 2는 GPS 위성을 이용한 3차원 위치측정 수신기의 구조 및 위치결정 과정을 도시한 것으로, GPS위성에서 보내는 전파를 GPS 수신기 안테나에서 수신하여 0과 1이라는 숫자로 이산화하는 단계(s201)를 거치고, 수신된 시그널로부터 코드를 추적하여 전파를 발송한 위성정보를 확인하고 수신된 코드로부터 항법에 관련된 데이터를 추출한 후(s202), 위성ID, 코드추적자료, 항법자료를 이용하여, (1) 의사거리추정, (2)이온층으로 인한 지연 및 상대적(differential) 의사거리 보정, (3) GPS위성 위치 및 위성시간오차 계산 및 (4) 수신기 위치계산을 수행하여(s203), 최 종적으로 3차원 위치좌표가 수신기에 보이게 된다(s204). 2 illustrates a structure and a positioning process of a three-dimensional positioning receiver using a GPS satellite, and receiving the radio waves transmitted from the GPS satellites from the GPS receiver antenna and discretizing them into numbers 0 and 1 (s201). After tracking the code from the received signal, check the satellite information that sent radio waves, extract the data related to navigation from the received code (s202), and then use the satellite ID, code tracking data, and navigation data. Estimation, (2) correction of delay and relative pseudorange due to ion layer, (3) GPS satellite position and satellite time error calculation, and (4) receiver position calculation (s203), finally 3D position coordinate Is shown in the receiver (s204).
도 3은 GPS/INS시스템과 모형항공촬영시스템에서 항공측량 결과를 수신받은 GPS/INS 자료를 이용해 촬영하는 흐름을 보여준다. 촬영지점으로 이동(s301)한 후, GPS/INS 모형항공촬영시스템의 동체 자세를 조정하는데 수신기에 들어오는 GPS/INS 모형항공촬영시스템의 위치와 계획된 촬영위치의 평면오차 범위가 2m 이상 벌어지거나, GPS/INS 모형항공촬영시스템의 자세가 15grade 이상 틀어져 있으면 위치를 조정한 후 3대의 카메라로부터 영상자료 및 공간자료를 취득하고, 다음의 촬영지점으로 이동한다. 이 과정을 반복하여 더 이상 촬영할 지점이 없으면 촬영을 종료하게 된다.Figure 3 shows the flow of shooting by using the GPS / INS data received from the aerial survey results in the GPS / INS and model aerial shooting system. After moving to the shooting point (s301), the position of the GPS / INS model aerial shooting system and the planar shooting position that enter the receiver to adjust the fuselage attitude of the GPS / INS model aerial shooting system are widened by 2 m or more, or the GPS / INS If the posture of the model aerial photographing system is more than 15 grade, adjust the position, acquire the image data and spatial data from 3 cameras, and move to the next shooting location. Repeating this process, if there are no more points to shoot, the shooting ends.
도 4는 본 발명에 따른 GPS/INS 모형항공촬영시스템을 이용한 영상자료 및 공간정보 취득 방법을 수행하기 위한 시스템 개략도이다. 항공기를 이용한 영상자료 및 공간자료 획득 방법의 문제점이던 고비용, 과다한 시간소요, 불안정한 자세에서의 데이터취득 등의 단점을 줄이고, 안정적인 자세에서 영상자료 및 공간자료를 취득하기 위한 방법으로서 모형항공촬영시스템 중 비행선 시스템을 대상으로 하였다. 4 is a system schematic diagram for performing a method for acquiring image data and spatial information using the GPS / INS model aerial photographing system according to the present invention. In the model aerial photography system, it is possible to reduce the disadvantages of high cost, excessive time, and data acquisition in an unstable posture, which is a problem of the method of acquiring image data and spatial data using aircraft. The airship system was targeted.
수소 및 헬륨과 같이 가벼운 기체를 채울 수 있는 모형항공촬영시스템(air ship)은 기낭 2개를 두 개의 프레임으로 연결하고(s401) 모형항공촬영시스템 몸체를 구성하여 바람으로 인한 기체의 자세변화를 최소화하도록 하였으며, 추진 엔진 및 3대의 측량용 사진기(metric camera)가 장착된 촬영시스템, 송수신시스템, 제어 시스템을 탑재하고 있는 곤돌라(s402)를 두 기낭을 통해 연결하는 두 프레임의 중 앙에 위치시켜 기체가 균형 있는 자세를 유지하도록 하였다. The air ship, which can fill light aircraft such as hydrogen and helium, connects two air sacs into two frames (s401) and configures the model aerial shooting system body to minimize the change in attitude of the aircraft due to wind. A gondola equipped with a propulsion engine and three metric cameras, a transmission and reception system, and a control system (s402) were placed in the center of two frames connecting two airbags. To maintain a balanced posture.
곤돌라의 지붕 중앙에는 원격 제어장치(s403)를 두어 지상무선조종시스템(s404)을 이용해 모형항공촬영시스템을 지상에서 무선조종 할 수 있도록 하였고, 모형항공촬영시스템의 곤돌라 지붕 상단에는 3차원 위치정보자료를 취득하는 GPS수신 안테나를 설치하고, 하단에는 모형항공촬영시스템의 자세정보를 취득하는 INS장비는 가벼운 장비로 초소형정밀가공기술(MEMSㆍmicroelectromechanical systems)을 이용해 만들어진 자이로스코프 장치 즉, MEMS 관성측정장치(Inertial Navigation Unit, IMU)를 두어 구성하였다. In the center of the roof of the gondola, a remote control device (s403) was installed so that the model aerial photographing system could be wirelessly controlled from the ground using the ground radio control system (s404), and the three-dimensional location information data was placed on the roof of the gondola of the model aerial photographing system. INS equipment for installing GPS receiver antenna for acquiring GPS and posture information for a model aerial photographing system at the bottom is light equipment and gyroscope device made using microelectromechanical systems (MEMS), that is, MEMS inertial measurement device. (Inertial Navigation Unit, IMU) was configured.
곤돌라에 부착된 카메라는 총 3대로 곤돌라의 측면에 부착된 두 측량용 카메라(s307)는 좌우에 있을 건물의 실제 사진을 얻기 위해서 사용되며, 바닥에 부착된 카메라(s308)는 지상 촬영을 목적으로 한다. GPS안테나와 3대의 카메라, MEMS IMU의 상호 위치는 수치사진측량시스템에서 공간정보로 사용하기 위해 정밀하게 측정하여 3차원적 공간에서 상호간의 거리를 구하였다.The camera attached to the gondola is a total of three cameras attached to the side of the gondola (s307) is used to obtain the actual picture of the building to be on the left and right, the camera attached to the floor (s308) for the purpose of shooting ground do. The mutual position of the GPS antenna, three cameras, and MEMS IMU were measured precisely for use as spatial information in the digital photogrammetry system, and the distance between them in three-dimensional space was obtained.
도 5는 GPS/INS 모형항공촬영시스템을 이용하여 3대의 카메라로부터 지상 및 좌우에 배치된 건물의 영상자료와 공간정보 취득과정을 보여주고 있다. GPS/INS 모형항공촬영시스템을 이용한 지상 및 건물의 항공촬영 계획 수립(s501)과정에서 촬영 대상들, 영상에서 보이는 건물의 크기와 실제건물의 크기, 촬영축척 또는 촬영될 영상의 공간해상도를 종합적으로 검토하여 촬영할 건물들의 위치, 촬영고도, 중복도를 고려하여 계획을 수립한다. FIG. 5 shows a process of acquiring image data and spatial information of a building disposed on the ground and left and right sides of three cameras using a GPS / INS model aerial photographing system. In the process of establishing aerial photographing plan of ground and building using GPS / INS model aerial photographing system (s501), the targets, the size of the building shown in the image and the size of the actual building, the shooting scale, or the spatial resolution of the image to be photographed The plan is considered by considering the location of the buildings to be photographed, the altitude of the building, and the degree of redundancy.
GPS/INS모형항공촬영시스템을 촬영장소로 이동하여 이륙한 후(s502), GPS/INS시스템과 송수신시스템을 작동하여 촬영하고 있는 카메라의 3차원 위치정보(x, y, z) 및 3축각 회전요소에 변화에 대한 자세정보(roll, pitch, yaw)를 지상의 원격 제어기에서 볼 수 있도록 한다(s503). 원격제어기의 위치좌표와 자세정보를 보면서 촬영 시작위치로 GPS/INS 모형항공촬영시스템을 이동시킨 후 계획된 촬영경로를 이동하며 해당 촬영 위치 및 자세를 고려하여 계획된 촬영경로를 따라 이동한다(504). After taking off by moving the GPS / INS model aerial shooting system to the shooting location (s502), the three-dimensional position information (x, y, z) and three-axis rotation of the camera that is operating by operating the GPS / INS system and the transmission / reception system The attitude information (roll, pitch, yaw) of the change in the element is made visible on the remote controller on the ground (s503). After moving the GPS / INS model aerial photographing system to the starting position while viewing the position coordinates and posture information of the remote controller, the planned photographing path is moved and moved along the planned photographing path in consideration of the photographing position and posture (504).
각 지점별 촬영은 도 3에 근거하여 이뤄지며, 매 촬영이 이뤄지는 순간마다 3대의 카메라로부터, 또는 바닥에 고정된 카메라 및 양 측면에 고정된 카메라가 개별적으로 취득되는 순간마다, 영상자료 취득에 사용된 카메라의 3차원 위치정보(x, y, z) 및 3축각 회전요소에 변화에 대한 자세정보(roll, pitch, yaw)를 기록되게 된다(s505). 영상자료 및 공간정보 취득이 완료되면 GPS/INS시스템을 끄고, GPS/INS 모형항공촬영시스템을 회수하기 편한 장소에 안착시켜 정리하고(s506), 영상자료 및 공간정보는 PC로 다운로드하여(s507) 수치사진측량시스템에서 영상자료와 공간정보를 결합하는 과정(s508)을 거쳐 사진 매핑이 이뤄진 3차원 건물모델을 생성한다(s509). Shooting for each point is performed based on FIG. 3, and is used for acquiring image data from three cameras at each moment of shooting, or at the moment of separately acquiring cameras fixed on the floor and cameras fixed on both sides. The posture information (roll, pitch, yaw) of the change is recorded in the three-dimensional position information (x, y, z) and the three-axis rotational element of the camera (S505). When the acquisition of image data and spatial information is complete, turn off the GPS / INS system, settle in a convenient place to collect the GPS / INS model aerial photographing system (s506), and download the image data and spatial information to a PC (s507). Through the process of combining image data and spatial information in the digital photogrammetry system (s508), a 3D building model with photo mapping is generated (s509).
도 6은 GPS/INS 모형항공촬영시스템에서 취득된 자료를 이용한 사진 매핑 3차원 건물 모델 생성과정을 보여준다. 항공촬영 및 항공측량이 수행된 사진영상자료 및 공간정보(GPS/INS 자료)를 수치사진측량시스템으로 가져와서(s601), 건물모델을 묘사(drawing)하여(s602) 3차원 건물을 생성하고(s603), 3대의 카메라로부터 취득된 영상자료와 공간정보가 결합된 상황에서 모델의 면들 각각의 위치에 붙어야 할 사진들이 매핑된다. 작업구역 내의 각각의 건물모델들을 동일한 방법으로 작업하여 개개의 건물 모델들을 저장 한 후(s605), 3차원 좌표 공간에 올리면 건물 모델들이 제 위치에 올라온다(s606). 지상을 촬영한 사진영상을 집성한 자료(s607)와 사진 매핑 건물 모델들(s606)을 결합하면 실제 작업지역과 시각적으로 동일한 3차원 가상현실(VR) 수치지도 제작이 완료된다.6 shows a process of generating a photo mapping 3D building model using data acquired from a GPS / INS model aerial photographing system. Importing photographic image data and spatial information (GPS / INS data) performed by aerial photographing and aerial surveying into a digital photogrammetry system (s601), drawing a building model (s602) and generating a three-dimensional building (s602); s603), the pictures to be attached to the positions of the surfaces of the model are mapped in the situation where the image data acquired from the three cameras and the spatial information are combined. Each building model in the work area is stored in the same way by storing individual building models (s605), and then placing them in the three-dimensional coordinate space (s606). Combining photographic images of the ground (s607) and photo-mapping building models (s606), the 3D virtual reality (VR) digital map is visually identical to the actual work area.
본 발명에서, 지상 30m~100m 고도를 자유롭게 이동하며 지상 및 좌우 건물의 항공촬영 및 항공측량을 수행하는 GPS/INS 모형항공촬영시스템을 이용한 사진 매핑 3차원 가상현실 수치지도 제작은 지상에서 작업하는 방법과 항공기를 이용하여 촬영하는 두 방법 모두와 비교해 경제적이며 높은 품질의 자료를 얻기 때문에 경제성과 효율성의 양자를 모두 만족시키는 최적의 방법을 제시한다는 점에서 중요한 의미를 갖는다.In the present invention, a 3D virtual reality digital map production of photo mapping using a GPS / INS model aerial photographing system which freely moves from 30m to 100m above the ground and performs aerial photographing and aerial surveying of ground and left and right buildings. Economical and high quality data are obtained compared to both methods of photographing by airplane and aircraft, which is important in that it presents the best way to satisfy both economic and efficiency.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.The specific parts of the present invention have been described in detail above, and for those skilled in the art, these specific descriptions are merely preferred embodiments, and the scope of the present invention is not limited thereto. Will be obvious. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
이상 상세히 서술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 지상에서 사진을 촬영하여 제작하는 3차원 가상현실 수치지도 제작방법보다 경제적이고, 작업효율성이 높아 짧은 기간 내에 복잡한 도심지역을 대상으로 구축할 수 있고, 기존 항공사진촬영 비행기를 이용하는 것보다 저고도에서 임으로 축적 및 위치를 조절하여 촬영할 수 있으며, 비행기를 사용하지 않고 모형항공촬영시스템을 이용함으로 인해 경제적으로 사업을 수행할 수 있다. As described in detail above, according to the present invention, it is more economical and more efficient than the three-dimensional virtual reality digital map making method by photographing on the ground, and can be constructed in a complex urban area within a short period of time. Rather than using aeronautical photographing planes, it is possible to shoot at a lower altitude and adjust the position at a lower altitude, and to perform business economically by using a model aerial photographing system without using an airplane.
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