[논문]LSPIV를 이용한 표면유속 측정기법의 검증 및 적용

김영근; 노영신; 윤병만

doi:10.3741/jkwra.2004.37.2.155

LSPIV를 이용한 표면유속 측정기법의 검증 및 적용
Verification and Application of Surface-Velocity Measurement Method Using LSPIV 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.37 no.2, 2004년, pp.155 - 161

김영근 (명지대학교 토목ㆍ환경공학과) , 노영신 (명지대학교 토목ㆍ환경공학과) , 윤병만 (명지대학교 토목ㆍ환경공학과)

초록
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본 연구에서는 LSPIV기법의 효율성과 적용성을 검증하기 위해 유속검정용 전동기계를 이용한 검증실험을 통하여 LSPIV기법을 검증하였다. 검증을 실시한 후에 LSPIV기법을 실제하천에 적용하였다 대상하천으로는 경안천의 지류인 능원천과 곤지암천을 선택하였으며, 3차원 유속계 및 기존의 표면유속 측정에 사용해 왔던 전자파 표면유속계의 측정결과와 비교하였다. 본 연구를 통해 나타난 결과를 살펴보면 검증실험에 사용된 전동차의 결과값과 비교했을 때 LSPIV기법의 측정값은 5％이내의 오차로 잘 일치하는 경향을 나타냈으며, 실제하천에 적용하여 기존의 측정장치와 비교하였을 때에도 최대 8％ 이내의 오차로 잘 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to verify LSPIV technique. Verification was made using moving cart with known velocity. The difference of velocity values obtained using these methods are within 5％, which means that LSPIV can be used in the field with reasonable accuracy After verification, LSPIV was applied to the river. The Neungwon stream and the Gonjiam stream, tributaries of the Kyungan stream, were selected as the test sites for application. The results of the test application were compared with those obtained by 3-D electromagnetic current meter and electron-wave surface velocity meter. Results show that the velocity values obtained using LSPIV coincide well with those obtained using conventional devices with maximum difference of 8％.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

IEPIV기법은 PIV기법과는 달리 실제 현장에 적용되어 넓은 영역을 대상으로 하기 때문에 왜곡보정에 따른 측정값의 정확도와 실제하천에 적용시 현장조건 및 촬 영조건에 따른 적용성에 대한 검증이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 실험실 실험을 통해 IEPIV기법으로 측 정된 표면유속을 검증하고 이를 실제하천에 적용하여 타 계측기기와 비교하여 봄으로써 LSPIV의 적용성에 대해 알아보았다.
본 연구에서는 LSPIV 기법의 현지적용에 앞서 수리 실험을 통해 적용성 여부를 검토하였다. 먼저 입자를 수로의 바닥에 투여하여 고정시키고 그림 6에서 보는 바와 같이 촬영장치를 약 30° 각도로 전동차에 설치한 후, 일정한 속도로 이동시켜 촬영한 후 획득된 영상을 분석하여 산정된 유속값과 촬영장치의 이동속도와 비교하여 검증을 수행하였다.
본 연구에서는 하천에서의 표면유속을 산출을 위해 개발된 LSPIV 기법을 검증하고 이를 실제하천에 적용하여 표면유속을 측정하였다. 전동차를 이용한 검증결과 LSPIV를 이용하여 표면의 유속분포를 정확하게 측 정할 수 있을 것으로 나타났다.

제안 방법

LSPIV기법에서는 이러한 컬러영상을 해석하는데 있어서 많은 시간이 소요되고 고용량의 저장장치가 필요 하기 때문에 효율적인 분석을 위해서 이러한 컬러 시스템을 grayscale level로 변환하여 분석하였다. 영상을 RGB컬러에서 명암도 등급으로 변환하기 위해서는 다음과 같은 식(1)을 사용한다(Rmdy, 1997).
LSPIV기법을 적용한 표면유속측정결과를 비교하기 위해 곤지암천 지점은 ACM-300A 3차원 유속계, 능원 천 지점은 전자파 표면유속계를 이용하여 영상촬영과 동시에 측정을 수행하였다. ACM-300A 유속계 측정시 에는 측정센서가 최대한 수표면에 위치하도록 하였다.
영상획득은 곤지암천은 지월교와 능원천은 우안 고수부지에서 촬영을 실시하였고 좌우 저수호안 부근에 기준점을 설치하여 왜곡보정의 입력자료로 이용 하였다. 또한 본 연구에서는 환경 분해성인 옥수수콘 추적입자를 투여하여 영상을 촬영하였다.
282 m/s로 변화시 켜가며 분석된 LSPIV의 분석결과와 비교하였으며, 모두 13개 case의 실험을 수행하였다. 또한 전동차의 이 동속도는 초기 이동시 구동력에 의한 속도차가 발생할 우려가 있기 때문에 구동시점으로부터 4m 간격을 두고 촬영을 수행하였으며, 전동차의 이동거리 6m에 대해 시간 평균하여 전동차의 이동속도를 산정하였다.
본 연구에서는 LSPIV 기법의 현지적용에 앞서 수리 실험을 통해 적용성 여부를 검토하였다. 먼저 입자를 수로의 바닥에 투여하여 고정시키고 그림 6에서 보는 바와 같이 촬영장치를 약 30° 각도로 전동차에 설치한 후, 일정한 속도로 이동시켜 촬영한 후 획득된 영상을 분석하여 산정된 유속값과 촬영장치의 이동속도와 비교하여 검증을 수행하였다.
LSPIV기법은 유속장을 산정하기 위해 그림 2에서 보는 바와 같이 홍수시 유하하는 부유물질과 같은 추적 입자가 필요하다. 본 연구에서는 평수시 측정에 적용하 였기 때문에 그림 3에서 보는 바와 같이 추적입자를 투 여하여 영상을 촬영하였다. 또한 왜곡보정을 수행하기 위해 그림 3의 원안에 나타나 있는 기준점에 대한 좌표 를 측정하였다.
앞서 언급했듯이 실험은 전동차의 이동속도를 0.12 3~1.282m/s 범위로 변화시켜 13개의 case로 수행하였 으며 LSPIV로 측정된 유속은 영상내 분석영역에 걸쳐 평균하여 산정하였다. 전동차의 이동속도와 LSPIV 분 석결과와의 비교는 그림 7 및 표 1과 같다.

대상 데이터

LSPIV기법을 현장에 적용하기 위해 경안천 지류인 곤지암천과 능원천의 경안천 합류지점을 대상지점으로 선정하였다. 영상획득은 곤지암천은 지월교와 능원천은 우안 고수부지에서 촬영을 실시하였고 좌우 저수호안 부근에 기준점을 설치하여 왜곡보정의 입력자료로 이용 하였다.
LSPIV기법을 현장에 적용하기 위해 경안천 지류인 곤지암천과 능원천의 경안천 합류지점을 대상지점으로 선정하였다. 영상획득은 곤지암천은 지월교와 능원천은 우안 고수부지에서 촬영을 실시하였고 좌우 저수호안 부근에 기준점을 설치하여 왜곡보정의 입력자료로 이용 하였다. 또한 본 연구에서는 환경 분해성인 옥수수콘 추적입자를 투여하여 영상을 촬영하였다.
획득된 영상은 PC에서 인식할 수 있도록 디지털 처 리를 거치며, 분석을 위해 grey scale로 변환된다. 디지 털화된 정지영상은 컬러로 구성되어 있으며, 일반적으로 컴퓨터 그래픽 시스템들은 RGB컬러 모형을 사용한다.

데이터처리

실험은 전동차의 속도를 0.123~1.282 m/s로 변화시 켜가며 분석된 LSPIV의 분석결과와 비교하였으며, 모두 13개 case의 실험을 수행하였다. 또한 전동차의 이 동속도는 초기 이동시 구동력에 의한 속도차가 발생할 우려가 있기 때문에 구동시점으로부터 4m 간격을 두고 촬영을 수행하였으며, 전동차의 이동거리 6m에 대해 시간 평균하여 전동차의 이동속도를 산정하였다.

이론/모형

본 연구에서는 정지화상의 왜곡도가 비교적 크기 때문에 2차원 평면에 대한 왜곡보정 방법으로 4개 이상의 marking point를 이용하여 8개의 mapping계수를 산정 하는 2차원 투영좌표 변환법 (2-D projective coordinate transformation or 8-parameter transformation) -i: 이용 하였으며, 실제좌표계 (physical coordinate) 와 CRT (cathode ray tube)좌표계 즉 영상내 좌표계간의 관계 식은 식(2)과 같다.

성능/효과

기존 유속계와 LSPIV 횡단유속분포에 대한 분석결 과의 비교는 그림 13과 같다. 그림 13에서 보는 바와 같이 곤지암천의 경우 ACM-300A의 센서를 정확히 수표 면에 위치하기가 곤란하기 때문에 LSPIV 분석결과와는 일정한 오차를 보이는 것으로 나타났으며, 능원천의 경우 전자파 표면유속계의 측정결과와 비교했을 때 8% 이내의 오차로 잘 일치하는 것으로 나타났다.
전동차를 이용한 검증결과 LSPIV를 이용하여 표면의 유속분포를 정확하게 측 정할 수 있을 것으로 나타났다. 실제 하천에서의 적용 은 홍수 및 평저수시 적용을 위한 초기단계로서 소규모 하천에 적용하였으며 기존의 유속계와의 비교한 결과 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. 단지, 기존 유속 계의 표면유속 측정에 따른 다소 어려움이 있어 이에 따라 어느 정도의 오차가 발생하였다.
전동차의 이동속도와 LSPIV 분 석결과와의 비교는 그림 7 및 표 1과 같다. 실험결과를 통해서 알 수 있듯이 LSPIV기법을 이용하여 산정된 유 속값은 비교적 정확한 것으로 나타났으며, 발생된 미소 한 오차도 전동차 이동시 발생되는 진동에 의해 촬영된 영상의 흔들림에 의한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 하천에서의 표면유속을 산출을 위해 개발된 LSPIV 기법을 검증하고 이를 실제하천에 적용하여 표면유속을 측정하였다. 전동차를 이용한 검증결과 LSPIV를 이용하여 표면의 유속분포를 정확하게 측 정할 수 있을 것으로 나타났다. 실제 하천에서의 적용 은 홍수 및 평저수시 적용을 위한 초기단계로서 소규모 하천에 적용하였으며 기존의 유속계와의 비교한 결과 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.

후속연구

단지, 기존 유속 계의 표면유속 측정에 따른 다소 어려움이 있어 이에 따라 어느 정도의 오차가 발생하였다. 따라서 실제하천 에서의 측정결과 검증은 다양한 조건하에서 좀더 정확한 표면유속 측정이 가능한 유속계와의 비교를 통해 이 루어져야 할 것으로 판단된다. 또한 실제 하천에 적용 하기 위해서는 야간촬영 및 악천후시 촬영문제, 대상영역의 범위에 따른 오차 그리고 입자의 조밀도에 따른 오차 등의 문제점들을 향후 다양한 실험 및 적용을 실 시하여 개선해 나가면, LSPIV의 실용성을 더욱 높일 수 있으리라 판단된다.
따라서 실제하천 에서의 측정결과 검증은 다양한 조건하에서 좀더 정확한 표면유속 측정이 가능한 유속계와의 비교를 통해 이 루어져야 할 것으로 판단된다. 또한 실제 하천에 적용 하기 위해서는 야간촬영 및 악천후시 촬영문제, 대상영역의 범위에 따른 오차 그리고 입자의 조밀도에 따른 오차 등의 문제점들을 향후 다양한 실험 및 적용을 실 시하여 개선해 나가면, LSPIV의 실용성을 더욱 높일 수 있으리라 판단된다.

참고문헌 (11)

김미영, 이영호, 서민식 (1999). '해류표면의 속도계측을 위한 SF-PIV의 개발.' 1999년 춘계학술대회 논문집, 한국해양환경공학회, pp. 155-160
윤병만, 노영신, 김영근, 유권규 (2002). '개수로실험장치를 이용한 LSPIV기법의 검증.' 2002 수자원학회 학술발표회 논문집, 한국수자원학회, pp. 982-988
Adrian, R. J. (1991). 'Particle Image Techniques for Experimental Fluid Mechanics.' Annual Rev. Fluid Mech, Vol. 23, pp. 261-304

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Aya, S., Fujita, I. and Yagyu, M. (1995). 'Field-observation of flood in a river by video image analysis.' Annual Jr. of Hydraulic Eng., JSCE, Vol. 39, pp. 447-452

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Fujita, I., Muste, M. and Kruger, A. (1998). 'Large-Scale Particle Image Velocimetry for Flow Analysis in Hydraulic Applications.' Jr. of Hydraulic Research, 36(3), pp. 397-414

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Fujita, I., and Komura, S. (1994). 'Application of Video Image Analysis for Measurements of River-Surface Flow.' Proc. of Hydraulic Engineering, JSCE, Vol. 38, 733-738
Kinoshita, R. (1984). 'Present status and future prospects of river flow analysis by aerial photograph.' Proc. of JSCE, No.345/II-1, pp. 1-19
Leese, L.A., Novak, C.S., and Clark, B.B. (1971). 'An automated technique for obtaining cloud motion from geosynchronous satellite data using cross correlation.' Jr. of Appl. Meteorol., Vol. 10, pp. 118-132

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Muste, M., Fujita, A. and Kruger A. (1998). 'Experimental comparison of two laser-based velocimeters for flows with alluvial sand.' Experiments in Fluids, Vol. 24, pp. 273-284

상세보기
Randy, C. (1997). A simplified approach to image processing. Prentice Hall
Stevens, C. and Coates, M. (1994). 'Application of a maximized cross-correlation technique for resolving velocity fields in laboratory experiments.' Jr. of Hydraulic Research, 32(2), pp. 195-212

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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