[논문 리뷰] Automatic Stockpile Volume Monitoring using Multi-view Stereo from SkySat Imagery

Roger Marí, Carlo de Franchis외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 01.

3D Surveying and Cultural Heritage참고 문헌 19인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 시간 시리즈 SkySat 위성 영상과 일자별로 보정된 분수다항식 카메라(RPC) 모델을 활용하여 공급물량의 자동 모니터링을 위한 시스템을 제시한다. 이는 위성 자세 오차를 보정하고 일관된 3차원 재구성을 가능하게 하기 위해 일자별로 RPC 모델을 정밀 조정함으로써 이루어진다. 다중 시점 스테레오 기반으로 고품질의 디지털 표면 모델(DSM)을 생성하여 비정형 쐐기 석탄 공급물량의 정확한 부피 추정이 가능해지며, 현장 측정값과의 검증 결과 상관계수는 85%이며 부피 밀도 적합도는 1,000m³당 1.02Mt로 나타났다.

ABSTRACT

This paper proposes a system for automatic surface volume monitoring from time series of SkySat pushframe imagery. A specific challenge of building and comparing large 3D models from SkySat data is to correct inconsistencies between the camera models associated to the multiple views that are necessary to cover the area at a given time, where these camera models are represented as Rational Polynomial Cameras (RPCs). We address the problem by proposing a date-wise RPC refinement, able to handle dynamic areas covered by sets of partially overlapping views. The cameras are refined by means of a rotation that compensates for errors due to inaccurate knowledge of the satellite attitude. The refined RPCs are then used to reconstruct multiple consistent Digital Surface Models (DSMs) from different stereo pairs at each date. RPC refinement strengthens the consistency between the DSMs of each date, which is extremely beneficial to accurately measure volumes in the 3D surface models. The system is tested in a real case scenario, to monitor large coal stockpiles. Our volume estimates are validated with measurements collected on site in the same period of time.

연구 동기 및 목표

• 정확하지 않은 RPC 모델로 인해 다중 시점 SkySat 영상에서 일관되지 않은 3차원 재구성 문제가 발생하는 것을 해결하기 위해.
• 탄광 터미널과 같은 동적인 산업 환경에서 대규모 비정형 공급물량에 대해 정확하고 자동화된 부피 모니터링을 가능하게 하기 위해.
• 위성 전용 매개변수에 의존하지 않는 일반화된 일자별 RPC 보정 방법을 개발하기 위해.
• 6개월 간의 시계열 데이터를 활용해 현장에서 측정한 석탄 무게 측정값을 바탕으로 시스템 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 원래의 RPC 모델에 존재하는 정확도 부족을 보완하기 위해 자세 유도 오차를 보정하기 위해 일자별로 RPC를 보정함으로써 SkySat 푸시-프레임 영상의 오차를 보정한다.
• 보정된 RPC를 사용하여 중첩된 영상에서 다중 시점 스테레오 기반으로 각 수집 일자에 대해 일관된 다수의 디지털 표면 모델(DSM)을 재구성한다.
• 디지털 지형 모델(DTM)을 빼서 정규화된 DSM(nDSM)를 계산하며, 공급물량 특징을 식별하기 위해 높이 값 중 3m에서 30m 사이의 값을 유지한다.
• 높이 임계값과 동적 마스크(Mdynamic)를 적용하여 노이즈, 기계 장비, 표면 거칠기를 제거하고, 관련된 공급물량 고도만 유지한다.
• nDSM 내의 개별 1m×1m×h 셀의 부피를 합산하여 공급물량 부피를 계산하며, 공식 V = Σ(li × wi × hi)를 사용하며, li = wi = 1m이다.
• 추정된 부피와 현장 석탄 무게 측정값 간의 상관관계를 확립하기 위해 선형 최소 제곱 회귀를 적용하여 부피 밀도 계수로 1,000m³당 1.02Mt를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RPC 보정은 다중 시점 SkySat 영상에서 유도된 3차원 표면 모델의 일관성과 정확도를 향상시키는가?
• RQ2 제안된 일자별 RPC 보정 방법은 위성 자세 정확도 부족으로 인한 깊이 추정 오차를 얼마나 효과적으로 줄이는가?
• RQ3 보정된 DSM에서 유도된 부피 추정치는 실제 현장 석탄 무게 측정값과 어느 정도 상관관계를 가지는가?
• RQ4 탄광 창고와 같은 매우 동적인 환경에서 시스템은 부피 변화를 신뢰성 있게 시간에 따라 추적할 수 있는가?

주요 결과

• 추정된 공급물량 부피와 현장 석탄 무게 측정값 간에 강한 상관관계(85%)를 보였으며, 이는 높은 신뢰성을 시사한다.
• 데이터에 적합한 선형 회귀 모델은 부피 밀도 계수로 1,000m³당 1.02Mt를 도출하였으며, 지면 오프셋은 0.3Mt로 나타나 부피-무게 변환의 일관성을 시사한다.
• 다른 일자에서의 현장 측정값과 비교했을 때, 원격 감지 부피 추정 오차는 일반적으로 0.3Mt 이하로 유지되었다.
• RPC 보정 과정은 동일 일자 내의 다양한 스테레오 쌍 간의 DSM 일관성을 크게 향상시켜 부피 추정 정확도를 향상시켰다.
• 변화하는 공급물량과 인프라가 있는 동적인 환경을 효과적으로 처리하여 실제 운영 조건에서의 강건성을 입증하였다.
• 높이 임계값(3–30m)과 동적 마스크의 사용은 기계 장비와 표면 비균형성으로 인한 노이즈를 효과적으로 감소시켜 부피 추정 정밀도를 향상시켰다.