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문제 정의
- Eio Sounder의 반사면인 실제 해저, 하상의 지질 특성에 따라 측심의 오차가 발생한다.(IHO annual report, 2000)이 지질특성에 따른 Echo Sounder의 오차를 구하기 위해서는 실제 자연상태의 지질에서 실험을 행하여 그 값을 취 득해야 하지만 일반적인 하천이나 해상에서는 불가능하므 로 참값에 대한 오차는 구할 수 없다 따라서 본 연구에서는 인공수조를 제작하여 하구하상 지질면을 재현하여 Echo Sounder로 관측하여 최확치에 대한 측심의 ES잔차 와 지질 상태와의 관계를 평균입경-측심ES잔차의 관계로 나타내고 회귀분석을 통해 지질특성에 대한 보정식을 구 하고자 한다.
- 본 연구에서는 Echo Sounder에 의한 수심측량에 있어 음파의 반사면인 해저, 하상의 지질상태에 의한 오차를 분 석하고 해결방안을 제시하고자 인공수조시험과 이에 대한 검증을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 실험 대상지(I), (II)에서 재래식 수심 측정과 Sounding 실험을 수행한 결과를 통해 수조실험에서 구한 지질특성에 따른 Echo Sounder 보정식을 검증하고자 한다. 표 5는 실험 대상지(I), (II)의 재래식 수심측정과 Sounding 실험 의 결과와 채취한 시료의 평균입경을 나타낸 것이다.
- 이에, 본 연구에서는 Echo Sounder에 의한 수심측량에 있어 음파의 반사면인 해저, 하상의 지질상태에 의한 오차 를 분석하고 해결방안을 제시하고 한다. .
제안 방법
- 특히 Echo Sounder와 GPS의 조합에 의한 3차원 지형측량은 최근 해양 및 하천에서의 구조물 설치 준설 및 매립, 해저 및 하상 지형 변화 관측 등 그 활용도가 매우 높아지고 있다. Echo Sounder와 GPS의 조합에 의한 3차원 지형 측량은 위성 측위시스템을 이용한 지상부의 3차원 위치를 결정하고, GPS와 Echo Sounder의 이격거리(Offset) 를 결정하고 Echo Sounder의 수심 측정값을 고려하면 해 저나 하상의 지형 측량이 가능해 진다. 그러나, Echo Sounder와 GPS의 조합에 의한 3차원 해저 및 하상 측량시 에는 다음과 같은 문제점이 있다.
- 각각의 결과를 이전에 구한 하구하상 지질특성에 따른 Echo Sounder 보정식과 비교 분석하여 보정식을 검증하였다.
- 회귀분석결과 얻은 회귀방정식에서 X는 평균입경(mm)이고 Y는 오차(m)이다. 구한 각각의 회귀모형의 적합도를 검정하기 위해 본 논문에서는 결정계수를 사용하였다. 결 정계수는 1에 가까울수록 회귀선이 잘 적합함을 나타내고 그렇지 않으면 0에 가깝게 나타난다.
- 그리고 각 시료별로 자료취득 간격을 1초로 설정하여 약 3시간동안 10, 200회씩 Echo Sounder 수심측정 실험을 수행하였다. 여기서 각 시료에 대해 Echo Sounder에 의한 수심 측량의 오차를 파악하기 위해 먼저 각 시료에 대해 Bar Checker기에 의한 정밀 수심측량을 반복 실시하여 최확치를 얻었다.
- 본 실험은 수조실험을 통해 얻은 지질특성에 따른 Echo Sounder 보정식을 검증하기 위해 인공 수조와 같은 동일한 조건을 유지할 수 있는 연구 대상지를 선정하였다. 그리고 각 연구 대상지에서 자연싱태의 지질에 대해 Echo Sounder에 의해 수심을 1초 단위로 약 2시간동안 취득한 후, Sounding-j- 수행한 지점의 수심을 재래식으로 정확하게 측정하였다. 재래식 수심측량은 표척과 표척의 수직을 유 지하기 위하여 시준이 서로 직교하는 2대의 데오돌라이트 를 이용하였고 측정시에는 육안으로 표척의 하부가 지질 면에 정확하게 닿은 것을 확인하여 실시하였다.
- 그리고 먼저 교란이 없는 자연상태의 하상지질에 대해 Echo Sounder 수심측정 실험을 수행하여 그 결과를 획득 하고 그런 다음 시료를 채취하여 입도 분석을 수행하고 인 공수조에서 다시 재현하여 동일하게 실험을 수행하여 그 결과를 획득하였다.
- 시료채취지점의 위치는 TS를 이용하여 획득하 였고 시료는 Clamshell을 이용하여 채취하였다. 그리고 총 채취시료 20개중 평균입경에 대해 대표적인 6개의 시료를 선택하고 표 1에 6개 시료의 채취위치 평면직교좌 표와 입도 분석을 통해 구한 평균 입경의 값을 나타낸 것이다.
- 보정식의 검증을 위해 본 논문에서는 수심을 재래식 방법에 의해 매우 정확하게 측정할 수 있는 수심이 얕고 Echo Sounder의 거치시 유동이 전혀 없고 거치대를 설치 할 수 있는 실험 대상지를 선정하여 시료교란 없이 현장 실험을 실시하고 현장의 시료를 채취하여 수조실험도 수행하였다. 본 실험 대상지는 2곳으로 하나는 지질이 점토 질인 곳과 나머지는 모래로 이루어진 지역이다.
- 본 연구에서 RTK-GPS와 Echo Sounder의 조합에 의한 3차원 측량의 정밀도 향상을 위해 지질 특성에 따른 Echo Sounder의 잔차특성을 분석하고자 다양한 지질특성을 보이는 부산시 사하구에 위치한 낙동강 하구둑 상류부에서 시료를 채취하였다. 본 지역은 하구둑이 설치되어 유속이 급격히 저하되는 구간과 증가하는 구간이 공존하여 하상 에 존재하는 지질의 특성이 다양하여 Echo Sounder의 하 구하상 지질특성에 대한 오차분석에 있어 최적의 조건으 로 판단하였다.
- 인공수조 실험을 위해 먼저 연구대상지인 하구지역에서 총 20개의 시료를 채취하여 입도분석을 실시하고 평 균입경에 대해 대표적인 6개의 시료를 선택하였다. 선택 된 시료들을 인공수조에 하구하상 지 질면을 재현하였다.
- 파악된 평균입경-ES잔차 관계의 수학적 모형을 얻기 위해 회귀분석을 실시하였다. 선형회귀분석, 로그회귀분석, 지수회귀분석을 실시하여 회귀분석에서 구한 결정 계수에 의해 평균입도-ES잔차에 대한 수학적 모형식을 구하여 이를 하구하상 지질특성에 따른 Echo Sounder 보정식으로 제안하였다.
- 그림 3은 수조의 실제 모습이다. 수조 도면에서 수조 하부의 격자를 이용 총 3가지의 시료를 재현할 수 있도록 설계하였고 수조 상부의 이동 거치대는 하부의 격자로 나누어진 각 시료에 대해 이동, 고정할 수 있도록 설계하였다.
- 실험 대상지(I), (II)에서 Echo Sounder 측심봉을 중심으로 잠수를 하여 시료를 채취하여 각각의 평균입경을 구하여 실험수조에 일정한 두께로 수조에 재현하여 보정식을 산출할 때와 동일한 방법으로 Echo Sounder를 징.치한 이 동거치대를 한 시료에 대해 고정하고 자료취득 간격을 1 초 로 설정하여 실험 대상지(I), (II)에서 채취한 시료에 약 3시 간동안 10, 200회씩 측정하였다.
- 실험 수조는 채취한 시료를 재현하고 수조 상부에 Echo Sounder를 거치하여 실험을 실시하여야 하기 때문에 다음과 같은 조건을 만족하도록 수조를 제작하였다.
- 실험은 먼저 채취한 시료를 일정한 두께로 수조에 재현 하고 Echo Sounder를 장치한 이동거치대를 한 시료에 대해 고정하고 자료취득 간격을 1초로 설정하여 약 3시간동안 10, 200회씩 6개의 시료에 대해 측심하였다.
- 그림 11는 연구 대상지①에서 재래식 방법에 의한 수심 측량을 수행하는 모습이다. 아래와 같이 표척과 데오돌라 이트를 이용하여 표척을 수직으로 거치시키고, 육안으로 표척의 위치를 관측하여 수심측정을 수행하였다.
- 그리고 각 시료별로 자료취득 간격을 1초로 설정하여 약 3시간동안 10, 200회씩 Echo Sounder 수심측정 실험을 수행하였다. 여기서 각 시료에 대해 Echo Sounder에 의한 수심 측량의 오차를 파악하기 위해 먼저 각 시료에 대해 Bar Checker기에 의한 정밀 수심측량을 반복 실시하여 최확치를 얻었다. 이 측정치는 수면에서 지질이 시 작되는 지점까지 거리를 의미한다.
- 위 보정식을 이용하여 하상 지형측량시 측량대상지의 지질 상태를 사전 조사, 사전 측량호].면 Echo Sounder의해 발생된 오차의 크기를 추정, 보정할 수 있어 수심측량의 정밀도 향상에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
- 그리고 각 연구 대상지에서 자연싱태의 지질에 대해 Echo Sounder에 의해 수심을 1초 단위로 약 2시간동안 취득한 후, Sounding-j- 수행한 지점의 수심을 재래식으로 정확하게 측정하였다. 재래식 수심측량은 표척과 표척의 수직을 유 지하기 위하여 시준이 서로 직교하는 2대의 데오돌라이트 를 이용하였고 측정시에는 육안으로 표척의 하부가 지질 면에 정확하게 닿은 것을 확인하여 실시하였다.
- 제작된 실험수조는 수조내에 격막을 설치하여 한 번에 3가지 종류의 시료를 재현할 수 있도록 제작 하였다.
- 실험 대상지(I), (II)에서 Echo Sounder 측심봉을 중심으로 잠수를 하여 시료를 채취하여 각각의 평균입경을 구하여 실험수조에 일정한 두께로 수조에 재현하여 보정식을 산출할 때와 동일한 방법으로 Echo Sounder를 징.치한 이 동거치대를 한 시료에 대해 고정하고 자료취득 간격을 1 초 로 설정하여 실험 대상지(I), (II)에서 채취한 시료에 약 3시 간동안 10, 200회씩 측정하였다.
대상 데이터
- 채취한 시료는 체분석과 비중계분석을 통해 입도분석을 수행하여 평균입경을 구했다. 그리고 구해진 평균입경 자료를 이용하여 수조 실험에 사용될 6개 지역의 시료를 선택하였다.
- 그림 10의 연구 대상지(II)는 지질이 사질로 구성되어 있으며, 유속이 전혀 없고 아래와 같이 Echo Sounder를 유 동 없이 거치할 수 있는 구조물이 존재하고 있다.
- 보정식의 검증을 위해 본 논문에서는 수심을 재래식 방법에 의해 매우 정확하게 측정할 수 있는 수심이 얕고 Echo Sounder의 거치시 유동이 전혀 없고 거치대를 설치 할 수 있는 실험 대상지를 선정하여 시료교란 없이 현장 실험을 실시하고 현장의 시료를 채취하여 수조실험도 수행하였다. 본 실험 대상지는 2곳으로 하나는 지질이 점토 질인 곳과 나머지는 모래로 이루어진 지역이다.
- 본 실험은 수조실험을 통해 얻은 지질특성에 따른 Echo Sounder 보정식을 검증하기 위해 인공 수조와 같은 동일한 조건을 유지할 수 있는 연구 대상지를 선정하였다. 그리고 각 연구 대상지에서 자연싱태의 지질에 대해 Echo Sounder에 의해 수심을 1초 단위로 약 2시간동안 취득한 후, Sounding-j- 수행한 지점의 수심을 재래식으로 정확하게 측정하였다.
- 본 실험을 위해 먼저 20개 지점에서 시료를 채취하였다.
- 본 연구에서 RTK-GPS와 Echo Sounder의 조합에 의한 3차원 측량의 정밀도 향상을 위해 지질 특성에 따른 Echo Sounder의 잔차특성을 분석하고자 다양한 지질특성을 보이는 부산시 사하구에 위치한 낙동강 하구둑 상류부에서 시료를 채취하였다. 본 지역은 하구둑이 설치되어 유속이 급격히 저하되는 구간과 증가하는 구간이 공존하여 하상 에 존재하는 지질의 특성이 다양하여 Echo Sounder의 하 구하상 지질특성에 대한 오차분석에 있어 최적의 조건으 로 판단하였다.
- 그림 2는 연구 대상지에서의 시료채취 지점을 나타낸 것이다. 시료채취지점의 위치는 TS를 이용하여 획득하 였고 시료는 Clamshell을 이용하여 채취하였다. 그리고 총 채취시료 20개중 평균입경에 대해 대표적인 6개의 시료를 선택하고 표 1에 6개 시료의 채취위치 평면직교좌 표와 입도 분석을 통해 구한 평균 입경의 값을 나타낸 것이다.
- 이를 위해 본 연구에서는 수심을 재래식 방법에 의해 매우 정확하게 측정할 수 있는 수심이 얕고, Echo Sounder의 거치시 유동이 전혀 발생하지 않는 거치대가 존재하는 조건을 갖추고 점토질과 모래로 하상지질이 구성된 조건을 갖춘 실험대상지를 선정하였다.
- 인공수조 실험을 위해 먼저 연구대상지인 하구지역에서 총 20개의 시료를 채취하여 입도분석을 실시하고 평 균입경에 대해 대표적인 6개의 시료를 선택하였다. 선택 된 시료들을 인공수조에 하구하상 지 질면을 재현하였다.
- 인공수조를 제작하여 실험을 수행하였다. 제작된 인공수 조는 Echo Sounder의 측심봉의 위치를 고정할 수 있으며 투명한 아크릴 재질로 제작하여 실험시 용이성을 도모하였다.
데이터처리
- 10, 200회 측정된 수심값들을 평균하여 측정값을 확정하 였고, 최확치와 비교하여 ES잔차를 구하였다.
- 각 3종류의 회귀분석을 수행하여 각각의 회귀모형을 구 하였고 회귀모형의 적합도를 검토하기 위해 회귀분석에서 구한 결 정 계수(Coefficient of Determination 또는/F)에 의한 방법을 사용하였다.
- 또한 결과자료를 이용하여 평균입도-ES잔차의 수학적 모형을 얻기 위해 회귀분석을 실시하였다. 먼저 선형회귀 분석을 수행한 결과는 그림 5와 표 2, 로그회귀분석을 수행한 결과는 그림 6와 표 3, 지수회귀분석을 수행한 결과는 그림 7과 표 4로 나타내었다.
- 채취한 시료는 체분석과 비중계분석을 통해 입도분석을 수행하여 평균입경을 구했다. 그리고 구해진 평균입경 자료를 이용하여 수조 실험에 사용될 6개 지역의 시료를 선택하였다.
- 파악된 평균입경-ES잔차 관계의 수학적 모형을 얻기 위해 회귀분석을 실시하였다. 선형회귀분석, 로그회귀분석, 지수회귀분석을 실시하여 회귀분석에서 구한 결정 계수에 의해 평균입도-ES잔차에 대한 수학적 모형식을 구하여 이를 하구하상 지질특성에 따른 Echo Sounder 보정식으로 제안하였다.
성능/효과
- 2. Echo Sounder 오차 보정식을 검증하기 위해 수조와 동일한 실험조건을 갖춘 현장 실험과 보정식을 비교한 결과, 차이값이 점토질의 경우 O.OOO33m, 사질의 경우 0m 이 었고, 동일 현장에서 채취한 교란시료에 대한 수조실험과 보정식을 비교한 결과, 차이값이 점토질의 경우 0.0012m, 사질의 경우 0m를 얻어, 하구하상 지질면에 따른 Echo Sounder 보정식의 적용가능성을 검증할 수 있었다.
- 0012m, 모래질인 실험대상지(II)의 경우 0m로 나타나 그 결과가 거의 동일한 것을 알 수 있었다. 따라서 하구하상 지질특성에 따른 Echo Sounder의 오차 보정식은 특정한 조건을 갖춘 현장에서의 교란전 시료에 대한 실험과 현장실험 후 시료를 채취하여 교란후 인공수조에서 실시한 실험에 의한 결과를 통해 검증할 수 있었다.
- 수조 실험에 의해 구한 지질특성에 대한 보정식을 현장 실험과 비교한 결과 점토질인 실험 대상지 ①의 경우, 현장 실험에 의한 값과 보정식에 의한 값의 차이가 0.00033m로 매우 적게 나타났으며, 실험대상지(II)의 경우 보정식의 경계조건을 초과하는 입경에 대한 것으로 그 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 실험 대상지(I), (II)에서 채취한 시료를 교란 상태로 수 조에 재현하여 수조실험을 수행한 결과, ES잔차가 실험대 상지(I)의 경우는 0.02287m, 실험대상지(II)의 경우 0m를 얻었다. 여기서, 보정식에 의한 보정치와 비교하였을 때 자 연상태의 시료를 이용한 현장실험과 교란된 시료를 이용.
- 인공수조를 제작하여 실험을 수행하였다. 제작된 인공수 조는 Echo Sounder의 측심봉의 위치를 고정할 수 있으며 투명한 아크릴 재질로 제작하여 실험시 용이성을 도모하였다.
후속연구
- 위 보정식을 이용하여 하상 지형측량시 측량대상지의 지질 상태를 사전 조사, 사전 측량호].면 Echo Sounder의해 발생된 오차의 크기를 추정, 보정할 수 있어 수심측량의 정밀도 향상에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구에서 구한 하구하상 지질특성에 대한 Echo Sounder 보정식은 하상 지형측량 시 측량대상지의 지질 싱태를 사전 조사, 사전 측량하면 Echo Sounder의해 발생 된 오차의 크기를 추정하여 보정하는데 사용될 수 있다. 단, 보정식은 계산에 의해 입경 입력치가 0.
- 본 연구에서는 하구하상 지질특성에 따른 Echo Sounder 정확도 분석 및 보정식 개발을 위해서는 실제 자연 하구하 상 지질 입도별 Echo Sounder의 오차를 구해야 한다. 그러나 실제 하천에서 수심의 참값을 측정하는 것이 불가능하므로 본 연구에서는 2.
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