[스페이스인] 위성영상처리 | 3. 위성영상자료의 전처리

* 본 글은 공간정보교육포털 '스페이스인'의 [ 위성영상처리 ] 강의를 듣고 정리한 글입니다.

비교적 과거의 강의이기 때문에 현재의 기술과는 차이가 있을 수 있습니다.

공간정보교육포털

 

3. 위성영상자료의 전처리 

• 위성영상자료는 정확한 위치정보를 갖고 있지 않음 > 영상자료에 내포되어 있는 여러 왜곡을 분석 전에 보정하는 과정: 전처리

위치 보정 전과 후의 항공사진

 

분석대상지역 위성영상 선정

        위성영상 선정 판단 기준

• 분석대상지역의 공간적 범위
  • 예: 지구 전체나 특정 대륙의 식생 변화를 분석 대상으로 하는 과제에는 중해상도나 고해상도 위성영상을 사용하기는 어려움
• 분석의 기대결과
  • 기대하는 결과가 매우 정밀한 수준일 경우, 중해상도 위성영상을 사용하면 만족할 만한 결과를 얻을 수 없음
  • 분석에 필요한 영상이 특정 파장대의 영상이라면 해당 파장대역의 영상이 공간해상도와 함께 검토되어야 함
• 분석의 소모비용과 시간
  • 주어진 비용과 시간이 적은데 고해상도 위성영상을 사용할 경우 문제 해결이 어려움
• 검토 대상인 위성영상의 특성
  • 위성영상의 공간해상도, 분광해상도, 방사해상도, 시간해상도 등의 특성
• 선정 후보인 위성영상의 획득 가능성
  • 이상과 같은 범주를 통해 분석에 사용할 위성영상을 선택했다면 분석대상지역의 공간적 범위를 좌표로 명확하게 설정 + 분석대상지역의 공간적 범위를 포함하는 위성영상 씬들이 있는지 살펴봐야 함
  • 때로는 이상과 같은 판단 기준을 바탕으로 위성영상의 종류를 선정했어도 실제로 그 영상을 획득할 수 없는 경우도 발생 > 차선책으로써의 적합한 영상 선택이 필요

 

위성영상 공간정보 등록

        공간정보 등록의 조건

• 1) 좌표계가 다른 여러 위성영상 분석이 필요함
  • 분석대상지역이 넓거나 두 씬 이상의 위성영상 경계를 포함할 경우 여러 씬의 위성영상을 사용해야 함
  • 여러 씬의 위성영상이 필요할 때 씬별로 좌표계가 다른 위성영상을 사용할 수밖에 없는 경우 발생
• 2) 일관된 위치정보 확보
  • 좌표계를 통일해 사용해야 일관된 위치정보를 사용할 수 있음
    • 분석대상지역의 분석을 위해 필요한 모든 지리정보들을 바탕으로 가장 적합한 좌표계를 선택
  • 기하보정
• 3) 여러 출처의 공간정보를 사용하기 위해서는 공통된 공간정보 등록 방법이 사용되어야 함
  • 그렇지 않으면 같은 지표상의 위치가 정확히 일치하지 않는 문제 발생
• 공간정보 등록을 하나의 투영법으로 했어도 위성영상 화소의 위치와 값의 변화가 발생하진 않음. 헤더 파일의 좌표체계 정보가 변화된 수준
  • 위성영상 화소의 위치와 값의 변화가 일어나려면 위성영상 재배열 이라는 과정을 거쳐야 함 > 영상의 기하보정 과정에 필수적

        좌표계

• 2차원 좌표계
  • 예: 3차원의 지구를 각종 도법으로 평면에 투영한 다양한 지도
• 3차원 좌표계
  • 예: 경위도 좌표계
• 한국 좌표계
  • TM, UTM, WGS84, GRS80 등
  • 타원체: Bessel타원체
  • 데이텀: Tokyo, Tokyo-Korea
  • 측량기준 원점: 서부, 중부, 동부 원점
  • TM 좌표계로 한국 지리정보를 구축할 경우 위치의 왜곡을 최소화하고 정확성을 기하기 위해, 경도를 기준으로 동경 124-126도, 126-128도, 128-130도로 3개의 지역으로 나누어 각 지역별로 지역의 원점(서부, 중부, 동부)을 사용
  • 중부 원점의 경도에 대한 정밀 측량 결과, 정확한 경도가 동경 127도 0분 10.405초 > 때로는 중부 원점의 경도에 이를 사용
  • False Easting, False Northing
    • TM 좌표계의 원점을 기준으로 위치정보를 산출할 경우 원점을 중심으로 서쪽과 남쪽에 나타나는 음수를 소거해 양의 정수로 다루기 위한 조치를 함 > 제주를 제외한 지역에서 각각 20만m, 50만m를 적용

        2차원 좌표계를 정의하는 요소

• 투영법
  • 목적에 따라 수십 종류가 고안되어 있음
  • 투영법의 특징을 결정하는 요소
    • 지구투영면: 원통, 원뿔, 평면, 유사원통 등
    • 투영하는 빛의 위치: 심사도법(지구의 중심에), 평사도법(지구의 반대편 표면에), 정사도법(무한대로 먼 곳에)
    • 지구표면: 분할(지구를 농구공의 조각처럼 나누어 투영), 미분할(구형인 지구를 그대로 두고 투영)
• 지구타원체
  • 지구의 형상에 대해 여러 학자 및 기관들이 측정한 결과물로써 널리 사용되는 것들
  • 각각의 측정치는 지구반경, 편평율이 조금씩 다르기 때문에 같은 위치여도 지구타원체에 따라 다르게 나타남
  • 지구타원체의 측정치
    • 가상적 지구형상
    • 지구반경
    • 편평율
  • 준거타원체
    • 지도를 작성하는 데에 기준으로 사용한 지구타원체 > 종류가 여러 가지
    • 특정 지역이나 국가에서 각기 지오이드면에 적합한 지구타원체를 만들어 사용할 수도 있음
• 데이텀
  • 종류가 매우 많음
  • 준거타원체를 사용해 측량을 시작하는 원점 등에 의해 정의됨
  • 같은 지구타원체를 준거타운체로 사용해도 타원체를 위 치시키는 방법이 다를 수 있음
    • 타원체의 중심을 지구의 중심에 위치시키고 적합한 투영법을 적용해 지도를 작성할 수 있음
    • 같은 타원체를 준거타원체로 사용하더라도 타원체의 중심과 지구 중심의 위치의 일치는 무시하고 준거타원체가 해당 지역에 잘 맞도록 위치시킴 > 즉, 지표상의 특정 위치와 준거타원체의 특정 위치를 일치시키도록 준거타원체를 적용하고 적합한 투영법을 적용해 지도를 작성할 수 있음

 

위성영상 기하보정

        위성영상 기하보정

• 왜곡된 위치정보를 보정해 정확한 위치정보를 갖도록 하기 위한 처리
• 정확한 위치정보를 요구할 경우에는 정사보정을, 그렇지 않을 경우에는 단순기하보정 사용

        위성영상 위치왜곡 요인

• 위성 탑재 센서 유형
• 영상 취득 당시 위성의 자세
• 위성의 고도
• 지형 기복

        위성영상 위치왜곡 종류

• 계통적 오차(Systematic Error)
  • 위성의 고도, 자세, 센서의 종류나 지구의 자전 등에 의해 발생되는 예측 가능한 오차
  • 영상 구입 시 보정된 영상을 구득함으로써 해결할 수 있음
• 무작위적 오차(Random Error)(=비계통적 오차, Non-systematic Error)
  • 무작위적 오차의 요인
    • 지형적 요인
      • 위성영상 내 각 지점의 지형 기복이 주된 원인 > 사용자가 보정해야 함
    • 대기 요인
      • 대기의 밀도 등에 의한 빛의 굴절이 지역별로 다를 수 있기 때문에 나타남
    • 센서 요인
      • 센서에서 나타나는 잡음 등의 요인으로 나타남

        위성영상 기하보정의 종류

• 수평위치 보정
• 평면위치 보정
• 정사보정
  • 매우 정확한 위치정보를 요구하는 분석
  • 수평위치정보(예: DEM)와 평면위치정보 사용
    • 수평위치정보로써 DEM과 같이 각 지점의 고도 정보 사용
• 단순기하보정
  • 위치보정 관계식: 위성영상 내 화소의 위치와 이에 대응하는 실제 지표의 정확한 평면 위치 자료를 바탕으로 도출
  • 지상기준점(GCP, Ground Control Point): 위와 같은 위치의 점들
  • 위치보정 관계식 도출 방법
    • 지상기준점의 위치 측량 자료 활용이 이상적
      • 측량장비나 정밀 GPS 장비를 이용
      • 비용과 시간이 많이 듦
      • 위성영상과 실제 지상 모두에서 인식 가능한 적절한 지점을 여러 지상기준점으로 선정 > 이 지점들에 대해 평면위치와 수평위치를 측량해 위성영상의 화소 위치를 보정하는 관계식 도출 > 관계식을 이용해 모든 화소의 위치를 보정
      • 정확도는 다소 떨어짐
    • 대체자료: 정사보정된 영상이나 수치지도, 스캔한 이미지 지도 등을 사용할 수 있음
      • Image to Map
        • 저렴한 방법으로 기하보정을 수행할 수 있지만, 지상기준점 측량 방법에 비해 정확도가 떨어짐
        • 지도는 정확한 위치정보를 가지고 있다고 전제
        • 1) 지상기준점 만들기
          • 아래 사진에서 좌측의 지도를 기준으로 삼고, 지도의 지형지물과 동일한 위성영상의 지형지물을 여러 짝 찾아냄
          • 지상기준점은 계절 및 시간적으로 변화가 없는 도로교차점, 건물 모서리, 철도교차점, 교량, 방파제 등과 같은 인공구조물로 해야 함
        • 2) 지상기준점을 이용해 기존의 위성영상을 지도의 좌표체계에 맞도록 이동시킴
        • 3) 지도상의 GCP(지도의 지형지물 위치)를 기준점으로 하여, 이에 대응하는 위성영상의 GCP(위성영상의 지형지물 위치자료)를 가지고 위성영상의 화소 위치를 보정하는 관계식을 만듦
        • 4) 해당 관계식을 위성영상의 모든 화소에 적용해 보정된 위치정보를 모든 화소에 새로 부여
• • • • •  
      • Image to Image
        • Image to Map의 기하보정 방법과 거의 동일
        • But, 지도 대신 정사보정 영상이나 정확한 위치정보를 갖고 있는 영상을 사용

Image to Map의 기하보정 방법 1

Image to Map의 기하보정 방법 2

 

위성영상 재배열

• 재배열까지 수행되지 않은 위성영상은 공간정보라기보다는 이미지임
  • 공간정보로써의 위성영상
    • 좌표정보가 부여되어 있으며, 축척이 일정
  • 이미지
    • 좌표정보가 없으며, 축척이 모호하고 이미지의 위치에 따라 일관적이지 않을 수 있음
• 위성영상에 부여할 새로운 좌표체계를 기반으로 재배열된 위성영상을 담을 빈 그리드(아래 그림에서 빨간색 격자)를 만듦
  • 새로운 좌표체계 그리드와 기존 위성영상 그리드의 위치정보는 맞춰져 있지만, 그리드 자체는 어긋나 있음
• 그리드는 재배열하려는 위성영상의 화소와 크기가 같을 수도, 다를 수도 있음
  • 실제로도 여러 씬의 위성영상을 사용할 경우 각 위성영상의 화소 크기가 서로 다를 때가 많음 > 재배열이 필요

        위성영상 재배열 방법

• 최근린내삽법(Nearest Neighbor)
  • 새 그리드의 화소 중심에서 가장 가까운 위치의 원래 화소(a)의 값을 부여
• 공일차내삽법(Bilinear Interpolation)
  • 가장 인접한 a와 b의 4개 화소 값과 거리를 기반으로 보정
• 삼차내삽법(Cubic Onvolution)
  • 4 x 4 화소(a, b, c)를 사용해 화소 값과 위치를 이용한 곡선으로 보정 > 부드럽지 못함
• 공삼차내삽법(Bicubic Spline)
  • 4 x 4 화소(a, b, c)를 사용해 화소 값과 위치를 이용한 부드러운 곡선으로 보정
  • 다항식을 변화시킨 방법
• 위성영상 재배열 결과
  • 최근린내삽법: 원영상의 형태가 거의 변화 없이 위치만 재배열된 것처럼 보임
  • 이외의 방법(공일차내삽법, 삼차내삽법, 공삼차내삽법): 원영상의 화소 값에 상당한 변화가 발생. 위성영상의 화소 값들이 부드럽게 변화

위성영상 재배열 결과

 

위성영상 모자이크

        위성영상 모자이크를 수행하는 이유

• 위성영상 모자이크는 분석대상지역에 해당하는 위성영상의 씬이 여러 개일 경우 수행
• 위성영상 각 씬의 경계는 정확히 맞춰져 있지 않음
• 보통의 위성영상은 씬의 외곽 부분에서 제대로 된 영상의 형태를 갖추지 못하는 경우도 많이 있음
• 인접된 위성영상 씬끼리의 중첩된 부분도 존재 > 중첩된 부분의 위성영상을 조정해 중첩 역시 이어진 영상으로 만들어야 함

 

        위성영상 모자이크 방법

• 위성영상 모자이크 방법은 다양함
  • 인접된 위성영상 씬끼리의 중첩된 부분을 처리
  • 서로 다른 위성영상들이 가지고 있는 화소 값들의 서로 다른 히스토그램을 조정해 화소 값 보정
  • 중첩된 지역 내의 화소 값을 결정할 때 서로 다른 영상의 해당 화소 값들의 평균을 적용하거나, 최소/최대값을 선택하는 등 여러 방법이 있음
• 모자이크 방법은 영상처리 소프트웨어에 따라 다양하게 개발되어 있음

 

        위성영상 모자이크 주의점

• 모자이크 방법에 따라 원 위성영상의 화소 값이 변화되어 위성영상 분석에 영향을 줄 수 있음

 

분석대상지역 추출

• 위성영상 전처리 단계에서 마지막으로 수행해야 할 것은 분석대상지역의 위성영상을 설정해둔 공간범위를 기준으로 잘라내는 것
  • 불필요한 지역을 분석이나 프리젠테이션 자료에서 제외할 수 있음

• a) 분석공간범위는 재사용 가능하도록 a와 같이 별도의 템플릿으로 저장해두는 것이 좋음
• b) 한국 영호남 지역에 대한 Landsat 위성영상을 모자이크한 것
• c) 그림 a의 분석공간범위 템플릿을 이용해 그림 b의 모자이크 영상 중 분석대상지역만을 추출한 것
  • 여러 종류의 공간정보를 서로 다른 과정에서 분석해 종합할 경우, 반드시 분석대상지역 공간범위를 명확하게 해야 함
  • 분석대상지역 공간범위를 명확하게 하지 않고 분석을 수행하면 분석 결과를 종합할 때 그림 d와 같이 화소 그리드가 정확히 일치하지 않는 문제 발생
• d) 분석대상지역 공간범위를 명확하게 하지 않고 분석을 수행할 경우 발생하는 화소 격자 불일치 문제
  • 각 위성영상들의 셀 경계에 어긋남으로 인해 정확한 중첩의 의미가 희석됨

 

정리