[논문 리뷰] Aeolian dune modelling from airborne LiDAR, terrestrial LiDAR and Structure from Motion-Multi View Stereo

Carlos Henrique Grohmann, Guilherme Pereira Bento Garcia외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 14.

Remote Sensing and LiDAR Applications참고 문헌 129인용 수 38

한 줄 요약

이 연구는 브라질 남부 해안 모래언덕의 고해상도 3차원 모델링을 위해 원격 조종 드론(RPA) 영상으로부터 구조적 운동-다중 시점 스테레오(SfM-MVS)를 평가한다. 지상 레이저 스캐닝(TLS) 및 항공 레이저 스캐닝(ALS)과 비교하여 SfM-MVS는 0.08 m의 RMSE와 0.06 m의 MAE를 달성했으며, 2010년에서 2019년 사이에 약 연간 5 m의 모래언덕 이동 속도와 오직 0.2%의 부피 변화를 보였으며, 이는 지속적인 모래언덕 모니터링에 비용 효율적이고 신뢰할 수 있는 방법임을 시사한다.

ABSTRACT

A DEM of a dunefield in Southern Brazil was generated from 810 photos captured by an RPA in February 2019. Altimetric accuracy of the SfM-MVS DEM was validated by comparison with Terrestrial LiDAR (TLS) data collected during the same fieldwork campaign of the RPA flights. The SfM-MVS DEM was then compared to an Airborne LiDAR (ALS) DEM from October 2010. While the SfM-MVS and TLS DEMs are very similar, the SfM-MVS DEM presents a small scale surface roughness not visible in the TLS DEM. The Feature Preserving DEM Smoothing (FPD) algorithm was applied to the SfM-MVS DEM with good results in terms of surface smoothing, but without any significant changes in descriptive statistics and error metrics, with an RMSE of 0.08m and MAE of 0.06m for both the original and the FPD-filtered DEM. Displacement of dune crest lines from the ALS and SfM-MVS DEMs resulted in a migration rate of ~5m/year between 2010 and 2019, in good agreement with rates derived from satellite images and historical aerial photographs of the same area. Sand volume change in the same period showed a decrease of only 0.2%, which can be related to the installation of sand fences to promote dune stabilization and sand removal from the front of the dune field to keep a road open to vehicles. ALS can cover large areas in little time but its high cost still remains a barrier to wider usage, especially by researchers in developing countries. TLS has an intermediate cost but demands more fieldwork and more processing time. In our case we needed three days for the TLS survey and around three weeks to produce a DEM of ~80400m2. On the other hand, we were able to cover ~740900m2 with six flight missions in under three hours, with ~13 hours processing time in a medium-range workstation. This makes SfM-MVS a low-cost solution with fast and reliable results for 3D modelling and continuous monitoring of coastal dunes.

연구 동기 및 목표

• 비행체로 촬영한 영상 자료를 활용한 SfM-MVS의 정확성과 해안 모래언덕 고해상도 3차원 모델링 가능성 평가.
• 지상 레이저 스캐닝(TLS) 및 항공 레이저 스캐닝(ALS) 데이터와 비교하여 SfM-MVS로 유도된 디지털 고도 모델(DEM)의 정확도 검증.
• 다중 소스 DEM을 활용하여 2010년에서 2019년 사이의 모래언덕 이동 및 부피 변화 정량화.
• 해안 모래언덕 모니터링 응용 분야에서 ALS, TLS, SfM-MVS 간의 비용, 시간, 데이터 품질 측면에서의 상호 교환 관계 평가.
• SfM-MVS가 동적 모래언덕 시스템의 지형측량 분석에 있어 기존 레이저 스캐닝 기법 대비 저비용, 빠르고 신뢰할 수 있는 대안임을 입증함.

제안 방법

• 2019년 2월, 브라질 남부의 모래언덕 분야에서 고도 100 m에서 RPA에 장착된 810장의 영상을 확보하여 SfM-MVS 기반의 DEM 생성.
• SfM-MVS 알고리즘을 사용해 RPA 영상 처리를 통해 고밀도 3차원 포인트 클라우드를 재구성하고 고해상도 DEM 생성.
• 동일한 현장 조사 기간에 TLS 데이터를 확보하여 SfM-MVS DEM 정확도 검증을 위한 고정밀 기준 자료로 활용.
• 2010년 10월의 ALS DEM과 SfM-MVS DEM을 비교하여 시간에 따른 모래언덕 이동 및 부피 변화 평가.
• 표면 거칠기를 감소시키기 위해 특징 유지형 DEM 노이즈 제거(FPD) 알고리즘 적용으로 SfM-MVS DEM의 표면 거칠기를 감소시키되, 주요 오차 지표는 그대로 유지.
• 통계적 지표(RMSE, MAE)와 형태측량 분석(모래언덕 정상선 이동)을 활용해 DEM 간 비교 및 모래언덕 동역학 정량화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지상 레이저 스캐닝(TLS)과 비교했을 때, 해안 모래언덕 환경에서 RPA 영상으로부터 유도된 SfM-MVS 기반 DEM의 정확도는 어느 정도인가?
• RQ2 SfM-MVS 및 ALS 기반 DEM을 통해 유도된 2010년에서 2019년 사이의 모래언덕 이동 속도는 얼마이며, 인공위성 및 항공 영상 자료에서 유도된 속도와 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ3 SfM-MVS 기반 DEM은 TLS 기반 DEM에 비해 어떤 정도의 표면 거칠기를 보이며, 이는 정확도를 훼손하지 않으면서 효과적으로 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 모래언덕 모니터링 응용 분야에서 SfM-MVS의 처리 시간, 현장 작업 시간, 비용은 ALS 및 TLS와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 자연 텍스처가 거의 없고 균일한 저대비도의 모래언덕 환경에서 SfM-MVS 재구성에 성공할 수 있는 요소는 무엇인가?

주요 결과

• SfM-MVS 기반 DEM은 TLS 기반 DEM과 비교해 RMSE 0.08 m, MAE 0.06 m를 기록하여 높은 고도 정확도를 확보함.
• SfM-MVS와 TLS DEM 간 유사성이 높음에도 불구하고, SfM-MVS DEM은 TLS 데이터에는 존재하지 않는 미세한 표면 거칠기를 보였으며, 이는 미세 척도의 지형측량 분석에 영향을 줄 수 있음.
• FPD 노이즈 제거 알고리즘 적용으로 표면 거칠기가 효과적으로 감소되었으며, RMSE 및 MAE 지표는 그대로 유지되어 정확도가 손상되지 않음.
• ALS(2010)와 SfM-MVS(2019) 기반 DEM 간의 모래언덕 정상선 이동을 분석한 결과, 연간 약 5 m의 이동 속도를 기록했으며, 인공위성 및 역사적 항공 영상 자료에서 유도된 속도와 일치함.
• 2010년에서 2019년 사이의 부피 변화는 오직 0.2%에 불과하여 순수 퇴적물 손실이 거의 없음을 시사하며, 이는 도로 유지 보수를 위한 모래 장벽 및 활발한 모래 제거 활동 때문일 수 있음.
• SfM-MVS를 활용해 6회의 RPA 비행을 통해 약 740,900 m²의 영역을 3시간 이내에 커버했으며, 중급 성능 워크스테이션에서 약 13시간의 처리 시간이 소요되어, 속도와 확장성 측면에서 TLS보다 뛰어남.