[논문]사면안정해석을 위한 사진측량을 이용한 사면변위계측시스템

한중근; 송영석

문제 정의

이를 위하여 광속조정을 위한 프로그램(DIMA, Digital IMmage Analysis)을 개발하여 사면지반의 전면에 대한 임의 위치의 3차원좌표를 사진영상으로부터 획득하여 그 결과를 조합하고 상용프로그램(Virtuozo, MGE (moduler GIS environment, GIS 지형분석모듈))을 이용한 좌표변환과정에 따라 검증하여 사면안정평가를 위한 기 초자료를 얻을 수 있도록 하였다. 王한 개발된 프로그램을 통한 변환값들을 이용한 사면의 변형상태에 따른 사면 안정검토가 가능한가를 확인하여 보고자 한다.
본 논문에서는 최근 많이 사용되고 있는 사진측량 및 수치사진측량의 기법을 활용하여 사면지반의 굴착초기 에서부터 굴착단계에 따른 사면지반의 지표변위를 계측하였으며 그 과정을 통해 보다 쉽게 사면지반의 지표 변위계측할 수 있도록 소프트카피 사진측량을 이용한 사면지반 변위계측에 적용가능성을 적용사례를 통하여 검토 . 제시하였다.
본 연구에서는 사진측량 결과를 이용하여 지반지표변위량 뿐 아니라 각종 구조물의 발생변위벡터를 측정할 수 있는 방법을 제시하였다. 특히, 소프트카피(Softcopy Photogrammetiy, 컴퓨터내에서 자료를 다루는 사진측량 기법) 사진측량기법을 사면의 지표변위측정에 적용하므로써 사람이 접근할 수 없는 위험사면에 대해 보다 정확한 사면의 실시간 지반변위를 계측할 수 있는 방법으로 사면 파괴사례에 직접 적용하므로써 그 활용성을 검증하여 보고자 한다.
본 연구에서는 사진측량 결과를 이용하여 지반지표변위량 뿐 아니라 각종 구조물의 발생변위벡터를 측정할 수 있는 방법을 제시하였다. 특히, 소프트카피(Softcopy Photogrammetiy, 컴퓨터내에서 자료를 다루는 사진측량 기법) 사진측량기법을 사면의 지표변위측정에 적용하므로써 사람이 접근할 수 없는 위험사면에 대해 보다 정확한 사면의 실시간 지반변위를 계측할 수 있는 방법으로 사면 파괴사례에 직접 적용하므로써 그 활용성을 검증하여 보고자 한다. 이를 위하여 광속조정을 위한 프로그램(DIMA, Digital IMmage Analysis)을 개발하여 사면지반의 전면에 대한 임의 위치의 3차원좌표를 사진영상으로부터 획득하여 그 결과를 조합하고 상용프로그램(Virtuozo, MGE (moduler GIS environment, GIS 지형분석모듈))을 이용한 좌표변환과정에 따라 검증하여 사면안정평가를 위한 기 초자료를 얻을 수 있도록 하였다.

제안 방법

(1) 소프트카피 사진측량 기법을 적용하여 접근하기 어려운 위험 사면의 3차원 지반데이터를 효과적으로 획득 . 분석할 수 있는 광속조정 프로그램인 DIMA 를 개발하였고 그 적용성을 현장사례를 통해 확인할 수 있었다.
Rollei 6006 필름을 스캔하여 3차원 좌표획득 프로그램 인 DIM仏를 이용하여 임의 점에 대한 좌표 및 각 점에 대한 좌표를 등고선으로 도화하였다(본 연구에서는 DIMA 의 전개과정중 정확성을 기존 시스템과 함께 고려하기 위해 해석도화 S/W를 사용하여 참고하였다). 이때, 지상사 진은 항공사진과 해석 좌표축이 다르므로 이를 고려하여 좌표축을 변환하였다.
또한, 이러한 시스템으로 지표면상의 표점 이동변화를 계측한 결과(단양군 휴석동 산사태발생변위 조사결 과)를 그림 2에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 지표면의 변위조사를 위하여 지표에 계측대상지점을 선 택하고 그 지점에 24개의 표점을 설치, 매주 1회 계측을 실시하여 각 표주점의 변위를 누적하여 지표면의 활동변 위 벡터를 표시할 수 있다. 이러한 방법으로 지표면의 변 위를 조사하는 경우 사면이외의 절대점에 대한 변위벡터 를 조사하기 위하여는 많은 시간이 필요하게 되고 측정 에 따른 많은 오차를 포함하게 된다(김교원 등, 1996).
따라서 본 연구에서와 같이 측량학적 관점을 대폭 개 선하여 지반공학자들의 계측관리측면에 적용할 수 있도록 그림 6과 같이 크게 3단계, 즉 영상획득단계, 좌표 해석단계(DIMA) 및 안정해석단계로 간편화하였다.
따라서, 해석 절점의 3차원 좌표를 추출 . 변환한 한 후, 이를 이용하여 등고선을 재 생성하므로써 기존 지형도와의 비교.분석이 가능하였다.
따라서, 본 연구에서는 필름을 이용한 3차원 좌표생성을 도모하였으며 이를 위하여。 0-0。간 도로확장 공사 구간 중 터널갱구부 확보를 위한 석회질의 연약 암반사면 및 붕적퇴적암에 대한 굴착공사 초기단계에 있는 사면활동 발생지역을 해석대상으로 선정하였다. 본 예제현장에 대하여 소프트카피 사진측량기법을 적용하여 사면파괴 발생전의 초기싱태 와 사면활동 발생후의 지반상태의 변형상태에 대한 측정값을 사진영상 3차원 좌표분석프로그램인 DIMA ver 1.0을 이용하여 얻었고, 지반변형의 전후 각각에 대한 사면안정을 사면안정 검토 범용프로그램인 PCSTABL 5M을 이용하여 검토하므로써 사진측량법을 이용한 임의의 사면지반에 대한 실시간 사면안정검토 가능성 및 사면파괴 발생위험의 예측방법을 제시하고자 한다.
본 현장의 사진영상계측결과를 이용한 사면의 실시간 안정해석을 위한 초기단계로 그림 11과 같이 얻어진 횡단면 즉, 도로진입로 초입부분인 그림 12에서 단면 2, 단면 3과 터널갱구부에 해당하는 단면 6(하행선)과 단면 8(상행선)을 대표단면으로 선정하여 사면안정해석을 수행하였다.
절토면 배면은 석회질의 연약암 반사면이 지표에 두드러진 지역으로 사람이 접근할 수 없는 위험지역이며 사면의 붕괴가 계속적으로 일어나고 있다. 앞서 전술한 바와 같이 지상사진측량기법을 이용한 사면지표변위의 변위량 측정을 위해 Rollei 6006 측정용 사진기(f:80 mm)의 필름을 해석하여 요구되는 Im 등고 선을 생성하였으며, 비접촉 대상물에 대해 보다 정확한 3차원 사면지반 자료를 획득하고자 무-타겟 자동측정기 기를 이용하였다. 이를 위한 기존연구시스템에 의한 사면 변위 및 안정해석흐름도와 본 연구수행과정에 의해 간편화된 흐름도를 나타내면 각각 그림 5와 그림 6과 같다.
Rollei 6006 필름을 스캔하여 3차원 좌표획득 프로그램 인 DIM仏를 이용하여 임의 점에 대한 좌표 및 각 점에 대한 좌표를 등고선으로 도화하였다(본 연구에서는 DIMA 의 전개과정중 정확성을 기존 시스템과 함께 고려하기 위해 해석도화 S/W를 사용하여 참고하였다). 이때, 지상사 진은 항공사진과 해석 좌표축이 다르므로 이를 고려하여 좌표축을 변환하였다. 표 1은 지상사진 해석을 위해 평면 위치를 나타내는 TM좌표값(경도와 위도를 나타내는 원 점좌표계)과 표고데이터를 수정하여 정리한 것이다.
그러나, 촬영점의 고정에 따른 영상획득의 어려움과 사진축척과 연관한 해석정확도를 고려하여 자유로운 촬영점에서의 입체영상의 획득이 가능한 영상측정기법을 구축하므로써, 대상사면 전체의 지표변위를 일시에 계측할 수 있는 시스템을 개발하는 것은 대단히 중요할 것이다. 이러한 목적으로 프로그램을 개발하여 대상사 면에 측정타켓을 설치하지 않고 가시적인 사면지반의 전체 지표변위를 계측할 수 있게 되었다. 즉, 본 연구에서는 DM프로그램을 통해 사진영상으로부터 임의 점에 대한 3차원좌표를 생성할 수 있게 됨에 따라 사면지 반의 변형상태를 굴착단계에 따라 지속관찰을 통해 발생되는 지반의 변위를 측정위치에 따라 관찰할 수 있다.
특히, 소프트카피(Softcopy Photogrammetiy, 컴퓨터내에서 자료를 다루는 사진측량 기법) 사진측량기법을 사면의 지표변위측정에 적용하므로써 사람이 접근할 수 없는 위험사면에 대해 보다 정확한 사면의 실시간 지반변위를 계측할 수 있는 방법으로 사면 파괴사례에 직접 적용하므로써 그 활용성을 검증하여 보고자 한다. 이를 위하여 광속조정을 위한 프로그램(DIMA, Digital IMmage Analysis)을 개발하여 사면지반의 전면에 대한 임의 위치의 3차원좌표를 사진영상으로부터 획득하여 그 결과를 조합하고 상용프로그램(Virtuozo, MGE (moduler GIS environment, GIS 지형분석모듈))을 이용한 좌표변환과정에 따라 검증하여 사면안정평가를 위한 기 초자료를 얻을 수 있도록 하였다. 王한 개발된 프로그램을 통한 변환값들을 이용한 사면의 변형상태에 따른 사면 안정검토가 가능한가를 확인하여 보고자 한다.
전 절에서와 같이 사면지반에 대한 3차원좌표를 영상을 통해 획득하고 사면의 안정을 검토하기 위하여 좌표 변환을 수행하였으며 TM좌표변환을 통해 사면파괴 발생전후의 사면상태 즉, 그림 9와 그림 10을 복합적으로 그림 11과 같이 나타내었다. 이때 사면안정해석 필요단 면을 얻기 위하여 총 10개의 횡단면을 선정하였다.
이러한 목적으로 프로그램을 개발하여 대상사 면에 측정타켓을 설치하지 않고 가시적인 사면지반의 전체 지표변위를 계측할 수 있게 되었다. 즉, 본 연구에서는 DM프로그램을 통해 사진영상으로부터 임의 점에 대한 3차원좌표를 생성할 수 있게 됨에 따라 사면지 반의 변형상태를 굴착단계에 따라 지속관찰을 통해 발생되는 지반의 변위를 측정위치에 따라 관찰할 수 있다. 이와 같은 실시간 사진측량체계를 이용한 지표변형 계측시스템을 현장사례를 통해 실증하므로서 더욱 안정성이 있는 신기술개발의 터전이 될 수 있으리라 생각된다.
현장에서 직각수평촬영을 위해 사면 하상 바닥부를 수평선으로 설정하고 대상물의 중복도(80%)를 고려하여 그림 7 및 그림 8과 같은 입체영상을 획득하였다. 이들 영상간의 기선거리는 대략 40m이다.

대상 데이터

이것이 디지털 사진기의 현장 활용에 절대적인 문제점으로 작용하고 있다(Kraus, 1997). 따라서, 본 연구에서는 필름을 이용한 3차원 좌표생성을 도모하였으며 이를 위하여。 0-0。간 도로확장 공사 구간 중 터널갱구부 확보를 위한 석회질의 연약 암반사면 및 붕적퇴적암에 대한 굴착공사 초기단계에 있는 사면활동 발생지역을 해석대상으로 선정하였다. 본 예제현장에 대하여 소프트카피 사진측량기법을 적용하여 사면파괴 발생전의 초기싱태 와 사면활동 발생후의 지반상태의 변형상태에 대한 측정값을 사진영상 3차원 좌표분석프로그램인 DIMA ver 1.
본 연구대상 지 역은 사면활동이 연속적으로 발생하는 대규모사면으로 파괴규모는 그림 7에서 보는 바와 같이 lOOmxlOOm 정도이다. 절토면 배면은 석회질의 연약암 반사면이 지표에 두드러진 지역으로 사람이 접근할 수 없는 위험지역이며 사면의 붕괴가 계속적으로 일어나고 있다.
이때 사면안정해석 필요단 면을 얻기 위하여 총 10개의 횡단면을 선정하였다. 선정된 단면은 도로의 상행선(그림 10의 No. 8) 및 하행선 (그림 10의 No. 6)의 갱구부와 이 부분의 절토를 위한 진입로(그림 10의 No. 2-No. 5)를 고려하여 선정한 것으로 각 횡단에 대한 변화된 좌표를 사면으로 도시하여 나타내면 그림 12에서 보는 바와 같다.
소프트카피 사진측량을 위한 입체영상은 대상 현장의 전면 300m 정도에서 획득하였다. 3차원 영상해석을 위해 필요한 기준점은 무타겟 측정장비를 사용하여 6점을 취하였다.
전 절에서와 같이 사면지반에 대한 3차원좌표를 영상을 통해 획득하고 사면의 안정을 검토하기 위하여 좌표 변환을 수행하였으며 TM좌표변환을 통해 사면파괴 발생전후의 사면상태 즉, 그림 9와 그림 10을 복합적으로 그림 11과 같이 나타내었다. 이때 사면안정해석 필요단 면을 얻기 위하여 총 10개의 횡단면을 선정하였다. 선정된 단면은 도로의 상행선(그림 10의 No.

이론/모형

입체영상 도화는 Virtuozo를 참조하였으며 TIN생성, 등고선 생성, 좌표점 추출, 단면분석 등은 지형분석 프로그램인 MGE(Modular GIS Environment)를 참조하여 조합 단순화시킨 DIM仏를 이용하여 원지반상태에서의 등고선도(그림 9) 및 사면붕괴후 현재상태에서의 등고선도(그림 10)를 지상사진체계로 도화한 성과로 나타낸 것이다. 따라서, TM좌표체제의 기존 지형도와 좌표체계가 다르기 때문에 정확히 일치하지는 않는다.

성능/효과

(2) 지상사진측량에 의해 획득한 등고선 성과는 지형도와 그 좌표체계가 다르며, 3차원 벡터 변환모듈을 이용하여서도 기존 지형도와 동일한 좌표체계의 성과로 변환할 수 없다. 따라서, 해석 절점의 3차원 좌표를 추출 .
(3) 기존계측시스템을 이용하는 경우 발생되는 각종단점, 지형조건을 고려한 계측장비의 설礼 위험사면 에서의 계측원, 감독자들에 의한 계측관리상 안정성 문제를 해결하므로서, 안정성 있는 계측장비의 개발을 위한 기술적 토대를 마련할 수 있었다.
(4) 소프트카피 사진측량 결과에 의한 원지반 혹은 굴착 초기상태의 사면안정을 검토하고 그 위험성을 평가 하므로써 대책 및 경고의 기준을 마련할 수 있을 뿐 아니라 연속적인 사진촬영에 의해 변화된 사면의 3 차원자료를 획득하므로써 이 과정의 반복에 의한 사면형성에 따른 유지관리측면에서의 실시간 사면안정 검토를 가능케하는 기술적 토대를 마련할 수 있었다.
(1) 소프트카피 사진측량 기법을 적용하여 접근하기 어려운 위험 사면의 3차원 지반데이터를 효과적으로 획득 . 분석할 수 있는 광속조정 프로그램인 DIMA 를 개발하였고 그 적용성을 현장사례를 통해 확인할 수 있었다.
상기와 같은 결과를 통하여, 각 단계별 수행된 과정을 자동화하고 사진영상의 획득과정을 보다 간편하고 정 밀화하는 경우 실시간 사면지반의 파괴를 예측할 수 있게 되고, 지반상태에 대한 정확한 정수들을 사전에 획득하는 경우에는 보다 정밀한 사면파괴 가능성을 유추할 수 있게 될 것으로 사료된다.

후속연구

지반 내 장비를 설치하는 계측시스템은 지중과 지표에 각각 많은 계측시스템을 설치한 후 인위적인 측정을 수행하여야 하며 일시에 많은 계측점을 측정하기 위하여는 막대한 설치비 및 계측비가 소요되고, 각 계측기의 설치위치 및 설치시기에 따라 원하는 계측값의 오차발생 편차 는 상당히 크며, 이에 따른 계측자의 안전사고에 대한 위험은 항상 잠재하고 있다. 따라서, 계측점을 근거리 혹은 원거리에서 안전하게 이동량을 측정할 수 있게 하기 위하여 대상물의 유동점의 정확성을 확보하는 것에 한 겨】가 있음에도 불구하고 영상기법을 이용한 계측기법을 활용한다면 이러한 문제점을 극복할 수 있을 것이다.
또한, 이러한 기술은 그림 5와 그림 6에서와 같은 흐름에 의해 자동화된 기술로 발전하는 경우, 비숙련자에 의한 현장에서의 실시간 관리감독이 가능할 것으로 사료되며, 차후의 기술적 발전에 따른 지반계측분야에도 획기적 전기가 마련될 수 있을 것으로 사료된다.
즉, 본 연구에서는 DM프로그램을 통해 사진영상으로부터 임의 점에 대한 3차원좌표를 생성할 수 있게 됨에 따라 사면지 반의 변형상태를 굴착단계에 따라 지속관찰을 통해 발생되는 지반의 변위를 측정위치에 따라 관찰할 수 있다. 이와 같은 실시간 사진측량체계를 이용한 지표변형 계측시스템을 현장사례를 통해 실증하므로서 더욱 안정성이 있는 신기술개발의 터전이 될 수 있으리라 생각된다.

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