변화탐지

왜 배우는가: 변화탐지는 국토모니터링과 수치지도 갱신에서 실제로 쓰이는 핵심 수단이라 실무에서 자주 다뤄진다. 시험에서는 무감독과 감독 변화탐지의 구분, 영상정합의 중요성, SAR 영상의 특성이 설명 요구의 골격으로 반복해서 나온다.

출제 이력: 제132회 4교시 6번, 제120회 2교시 3번, 제120회 3교시 4번, 제98회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

변화탐지는 시기가 다른 두 영상을 정합하여 지표면의 변화를 찾아내는 기법이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 변화탐지: 서로 다른 시기에 같은 지역을 관측한 영상을 비교하여 변한 곳을 찾는 작업이다.
• 영상정합: 두 영상의 같은 지점이 같은 위치에 놓이도록 기하학적으로 맞추는 과정이다.
• 화소 단위 비교: 정합된 영상을 화소마다 대조하여 값의 차이로 변화를 판정하는 방식이다.
• 무감독 변화탐지: 정답 자료 없이 영상의 통계적 차이만으로 변화를 구분하는 방식이다.
• 감독 변화탐지: 변화와 비변화의 학습 자료로 분류기를 학습시켜 새 영상의 변화를 찾는 방식이다.
• SAR 코히런스: 레이더 영상 두 장의 복소 상관도로 지표의 변화 정도를 나타내는 지표이다.
• 국토모니터링: 국토이용의 변화를 주기적으로 관측하여 계획의 집행 결과를 점검하는 체계이다.

2. 개념 풀이

변화탐지의 정식 정의는 같은 지역을 서로 다른 시점에 관측한 둘 이상의 영상에서 대상의 상태가 달라진 부분을 찾아내고, 그 위치와 종류를 확인하는 절차이다. 원리는 단순하다. 같은 지점의 값이 같으면 변화가 없고 값이 다르면 변화가 있다고 보는 것이다. 다만 영상의 값이 달라지는 원인은 지표 변화만이 아니다. 촬영 각도, 대기 조건, 조명, 센서 특성 차이도 값을 바꾸므로, 변화탐지는 이런 비변화 요인을 먼저 줄이는 과정이 함께 필요하다.

그래서 영상정합이 변화탐지의 전제 조건이 된다. 두 영상이 정확히 겹치지 않으면 변화가 없는 곳도 값이 다르게 나타나 변화로 잘못 판정된다. 따라서 정합 오차를 줄이는 것이 결과 정확도를 좌우한다. 정합이 끝나면 화소 단위 비교를 수행한다. 화소 값의 차이를 계산하고 임계값을 넘는 화소를 변화 화소로 표시하는 것이 기본 방식이다.

일반적인 처리 절차는 다음과 같다.

• 서로 다른 시기의 영상을 획득하고 촬영 조건을 기록한다.
• 기하보정과 영상정합으로 같은 지점의 화소 위치를 맞춘다.
• 방사보정으로 대기와 조명에 따른 값의 차이를 줄인다.
• 두 영상의 화소 차이 또는 변화 지표를 계산한다.
• 임계값을 정해 변화 화소와 비변화 화소를 나눈다.
• 변화 영역을 면이나 객체 단위로 정리하여 결과 도면을 만든다.

변화탐지 기법은 정답 자료의 사용 여부에 따라 둘로 나뉜다. 무감독 변화탐지는 사전 학습 자료 없이 두 영상의 차이 통계만으로 변화 화소를 분리한다. 자료를 준비하기 어려운 넓은 지역에 적합하지만, 비변화 요인의 차이가 변화로 섞여 들어올 위험이 있다. 반면 감독 변화탐지는 변화와 비변화를 나타내는 학습 자료로 분류기를 학습시킨 뒤 이를 새 영상에 적용한다. 정확도는 높을 수 있으나 학습 자료를 확보하는 비용이 든다. 학습 자료를 확보할 수 있는지가 두 방식을 가르는 기준이다.

SAR 영상에서는 광학영상과 다른 방식으로 변화를 본다. 같은 지점을 두 번 관측한 SAR 영상의 복소 상관도인 SAR 코히런스가 낮아진 곳을 변화로 보는 것이 대표적이다. 광학영상은 분광 값의 차이를 주로 쓰므로, 영상 종류에 따라 비교 대상이 달라진다는 점을 답안에서 구분해 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

국토는 개발과 보전이 계속 맞물려 변하므로, 계획을 세운 뒤 결과를 확인하는 단계가 따로 필요하다. 국토이용모니터링은 계획과 집행 이후의 관리 단계에 해당하며, 무엇을 감시하는지에 따라 대상, 주체, 시기, 방법이 달라진다. 변화탐지는 이 모니터링에서 변화의 위치와 범위를 면 단위로 찾아내는 핵심 수단이다. 현장 조사만으로는 넓은 국토의 변화를 주기적으로 확인하기 어려우므로 위성영상과 항공사진을 이용한 변화탐지가 필요해진다.

수치지형도 작성 현장에서도 변화 확인의 필요성이 제도로 드러난다. 「수치지형도 작성 작업 및 성과에 관한 규정」은 조사를 항공사진촬영 당시를 기준으로 하되, 사진에 반영하지 못한 변경 지형지물은 그 지역임을 확인할 수 있는 사진을 촬영하여 첨부하도록 정한다. 도로 변화 역시 정밀도로지도 갱신에서 변화탐지 방법으로 확인하도록 규정되어 있다. 즉 변화 확인은 지도의 정확성을 유지하는 상시 업무이다.