드론 매핑으로 만든 정상영상을 익히 들어 아시는 분들이라면 정사영상에서 말하는 해상도나 정확도 개념을 자주 접해보셨을 겁니다. “정확도가 얼마나 돼요?” 라고 물으면 “5cm 이내입니다.”가 가장 통용되는 답변이지요. 그런데 이 말이 무슨 뜻일까요? 정확도와 해상도에 대한 개념이 정리되지 않으면 이를 이해하기 어려울 것입니다. 그래서 오늘은 드론 매핑에서 자주 언급되는 해상도와 정확도의 차이점에 대해 좀 더 쉽게 이해하는 시간을 마련했습니다.
1. 해상도 이해하기
1-1. 정사영상의 5cm/px은 무엇을 의미할까요? – GSD 개념
흔히 정사영상의 해상도를 말할 때 ‘3cm급이다, 5cm급이다’라는 표현을 들어보셨을 텐데요. 여기서 말하는 ‘3cm급, 5cm급’은 바로 정사영상의 해상도를 의미합니다. 이를 좀 더 정확하게 표현하면 3cm/px 또는 5cm/px이 됩니다.
이때 알아야 하는 개념이 바로 GSD인데요. GSD는 Ground Sample Distance의 약자로, ‘지상 샘플 거리’라고도 합니다. 이 GSD에서 말하는 거리는 두 개의 연속되는 픽셀 중앙점 간의 거리를 말합니다1). 즉, 1개의 픽셀(px)이 나타내는 실제 X, Y 지상 거리를 의미한다고 할 수 있습니다. 예를 들어 GSD가 2.4cm/px이라고 하면, 해당 정사영상에서 1픽셀이 지상에서는 2.4cm 크기를 나타내는 것이지요.
그렇다면 여기서 질문을 하나 드려보겠습니다. 2.4cm/px 해상도를 가진 정사영상에서 과연 지름 2.4cm인 백 원짜리 동전의 숫자를 읽을 수 있을까요? 정답은 ‘아니다’입니다. 바로 이 부분이 흔히 하게 되는 GSD에 대한 오해인데요. 2.4cm/px 해상도를 가진다는 것은 2.4cm 물체 혹은 거리가 하나의 픽셀에 담긴다는 의미일 뿐, 그 물체가 무엇인지 구분할 수 있다는 뜻은 아닙니다. 다만 지도상에서 2.4cm의 거리를 잴 수 있다는 의미를 가지는 것이지요.
1-2. 정밀한 GSD 해상도가 필요한 이유
보통 드론 매핑을 통해 얻는 정사영상은 평균 5cm 이내의 해상도를 가집니다. 이는 기존 위성영상이 가지고 있던 50cm급보다 열 배나 높은 해상도이지요. 그러면 이렇게 높은 해상도는 어떤 의미와 장점을 가지고 있을까요?
첫째는 고해상도의 정사영상을 통해 현장을 자세하고 뚜렷하게 관찰할 수 있다는 점입니다. 예를 들어 도로 포장의 경계면이나 배수관의 놓인 위치 등을 계획도면과 비교할 때 보다 정교하게 비교할 수가 있습니다. 화소가 높은 카메라로 촬영한 사진을 확대하면 더 자세하게 볼 수 있는 원리와 비슷하다고 할 수 있습니다.
둘째는 고해상도의 정사영상일수록 길이와 면적을 보다 정밀하게 계산할 수 있다는 점입니다. 정사영상은 픽셀의 모음으로 이루어져 있으므로 정사영상 위에서 거리 또는 면적을 측정하는 행위는 결국 픽셀과 픽셀 사이의 거리를 측정하는 일이기도 합니다. 따라서 하나의 픽셀이 나타내는 거리가 짧을수록 더 정밀한 거리와 면적을 계산할 수 있지요.
1-3. ‘해상도’와 ‘효율’ 두 마리의 토끼
그렇다면 GSD 해상도는 무조건 높기만 한 것이 좋을까요? 여기에 대한 답을 얻기 위해서는 고려해야 할 요소가 한 가지 있습니다. 바로 ‘촬영 고도’인데요. GSD 해상도는 다른 변수가 고정된 상태라면 촬영 고도에 절대적인 영향을 받습니다.
DJI 팬텀 4 프로를 기준으로 고도에 따른 해상도를 보면, 150m에서 4.43cm/px, 120m에서 3.54cm/px, 100m에서 2.95cm/px, 80m에서 2.36cm/px, 60m에서 1.77cm/px입니다. 해상도만 고려한다면 60m 고도로 비행해 1.77cm 해상도의 정사영상을 얻는 게 좋다고 판단할 수 있지요.
그러나 낮은 고도로 촬영하면 그만큼 촬영해야 하는 사진의 수가 비약적으로 증가합니다. 이는 촬영 시간과 배터리 소모가 증가하는 일일 뿐만 아니라, 사진을 후처리하는 시간이 대폭 증가하는 일이기도 하지요.
예를 들어 150헥타르 면적을 75% 중복도로 150m 고도에서 비행하면 대략 760여 장을 찍게 되지만, 60m 고도에서 비행한다면 촬영해야 하는 사진은 4,800장 가까이 됩니다. 결국 나에게 필요한 적절한 해상도가 어느 정도인지를 미리 설정하고 그에 따라 효율적인 작업 방식을 고려하는 것이 가장 좋다고 할 수 있습니다.
2. 정확도 이해하기
2-1. X, Y, Z 오차가 무엇인가요? – 정확도를 계산하는 방법
지금까지 GSD로 설명되는 사진의 픽셀 크기에 따른 정밀도를 알아보았습니다. 앞서 살펴보았듯, GSD가 5cm/px이라고 해서 드론 매핑으로 가공한 정사영상, 수치표면모델 등의 데이터의 측량 정확도가 5cm인 것은 아닙니다. ‘해상도’가 정사영상을 구성하는 하나의 픽셀이 지상의 실제 거리를 어느 정도로 나타내느냐에 관한 문제였다면, 사진측량학에서 ‘정확도’는 정사영상 위의 특정한 지점의 좌표가 실제 위치 좌표와 얼마큼 정확하게 들어맞는지를 확인하는 문제라고 할 수 있습니다.
즉, 정확도란 실제 현장 위치와 가상으로 구성된 현장의 위치 간의 차이를 수치로 측정한 결과의 평균 오차라고 할 수 있습니다.
이를 좀 더 쉽게 이해하기 위해서 실제 정확도를 측정하는 과정을 살펴보겠습니다. 먼저 현장에 나가 어떤 특정한 지점의 좌표를 취득합니다. 이때 측량용 GPS를 사용해 X, Y, Z 값이 포함된 초정밀 좌표를 얻습니다. 이 때 찍은 해당 점은 데이터 보정을 위한 지상기준점(Ground Control Point: GCP)이 아닌 검측을 위한 목적으로 생성한 점으로, 데이터 가공 혹은 보정 시 사용되지 않습니다.
그다음 데이터 처리 결과물인 정사영상 혹은 수치표면모델에서 해당 점의 X, Y, Z 값을 얻어 GPS로 측량한 좌표값과 비교합니다. 이 때 여러 점들을 검측점으로 활용하게 되면 X, Y, Z에 대한 평균 오차를 파악할 수 있고, 이것이 바로 해당 정사영상이 가지는 정확도라고 할 수 있습니다.
2-2. 해상도와 정확도의 관계
그렇다면 해상도와 정확도는 어떤 관계가 있는 것일까요? 앞서 GSD가 작을수록 거리와 면적을 정밀하게 계산할 수 있다고 말씀드렸는데요. 마찬가지로 해상도와 정확도의 관계는 해상도가 높아질수록 정확한 위치에서 GCP 보정이 가능하다는 데 있습니다. 아래 그림은 고도 변화에 따른 GSD의 변화(해상도의 변화)를 보여줍니다. GSD가 작을수록(해상도가 높을수록) 지상기준점을 더 정확하게 측정 및 검측할 수 있는 것은 너무 당연하겠지요?
하지만 그렇다고 해서 통상 이야기하는 것처럼 오차(X, Y, Z)가 반드시 GSD의 2배 혹은 3배인 것은 아닙니다. 아래와 같이 대공표지판이 픽셀 간의 꼭지점을 명확하게 구분할 수 있는 경우, 오차는 더 줄어들 수도 있는 것이죠. 실제로 엔젤스윙에서 지난 7월에 한 실험에서 고도 변화에 따른 GPS 정확도를 측정한 결과 X, Y, Z 축 모두 3cm 이내의 오차를 보였습니다. GSD가 작을수록(해상도가 높을수록) 오차가 작아졌으나, 정확한 선형(linear) 관계가 있다고 말할 수는 없었습니다.
2-3. 정확도는 어떻게 높일까요?
드론이 촬영하는 사진에는 GPS 값이 포함됩니다. 모든 낱장의 사진에는 고유한 위치정보가 들어있지요. 하지만 드론 자체에 장착된 GPS는 정확도가 높지 않기 때문에 이를 보정할 기준이 되는 별도의 정확한 GPS 값이 필요합니다.
이를 위해서 사용하는 방법 중에 가장 대표적인 방식이 바로 GCP 보정입니다. 지상기준점이라고도 하는 GCP는 정사영상의 위치를 실제 위치와 정확하게 맞도록 보정하기 위해 필요한 점입니다.
GCP는 1km2를 기준으로 했을 때 3~500m 간격으로 총 10점 이상을 내리는 것이 보통이고요. 각 점은 측량용 GPS를 이용해 정밀하게 좌표를 취득합니다. GCP는 현장 중요위치에 잘 배치될수록 결과물의 정확도가 높아집니다. 하지만 GCP 작업은 오랜 시간과 노동력이 드는 일로 효율을 고려하여 적당한 개수와 위치를 조절하는 것이 중요합니다.
최근에는 이런 단점을 보완하기 위해 매핑용 드론이 출시되기도 했습니다. RTK GPS를 탑제한 드론은 사진이 찍히는 정확한 위치를 기록하여, 후보정을 위한 GCP 작업을 대폭 줄여주고 있습니다.
RTK와 GCP에 관한 자세한 내용은 지난 포스팅에 자세히 설명해 두었으니, 지난 포스팅을 읽어봐 주세요.
2-4. 드론 측량의 정확도는 얼마나 될까요?
2015년 한국측량학회지에 발표된 한 연구 논문2)에 따르면 드론 사진 측량 테스트에서 총 30개의 검사점을 확인한 결과 X 방향으로는 2.6cm 이내, Y 방향으로는 2.8cm 이내, Z 방향으로는 5.8cm 이내의 평균 오차를 보였습니다.
해당 논문은 국가 지도 정보 서비스의 기반이 되는 수치지도를 제작 또는 갱신하는 방안으로 기존의 항공사진측량을 대체할 드론사진측량의 정확성을 검증하기 위한 연구였는데요. 비록 해당 테스트가 2km2 의 지역에서 기준보다 많은 30점의 GCP를 사용하기는 했지만, 드론 매핑이 수치지도 제작에 적합하다는 결론을 내렸습니다.
물론 드론 매핑의 정확도는 촬영 환경과 GCP 작업의 정확도 등 수많은 요인에 영향을 받아 달라지므로 단적으로 결론 내려 말하기는 어렵습니다. 하지만 그 정확도는 지금도 기술의 발전과 함께 높아지고 있으며, 현장에서 유의미한 결과를 얻어내고 있다는 사실은 변함이 없습니다.
이렇게 드론을 활용한 매핑은 높은 해상도와 정확도에 힘입어 앞으로도 수치지도 제작 등의 공간정보 분야에서는 물론, 건설현장을 가상화해 측량하고 모니터링하는 데 그 역할이 점점 커질 것으로 기대됩니다.
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