터널공사의 시공방법은 시대에 따라 많은 발전을 해왔으나 아직도 시시각각으로 일어나는 터널 공사중의 사고는 반드시 극복해야할 과제다. 이러한 위험요소를 빨리 발견하고 대비하기 위해서는 관측의 정확성과 신속성이 요구되고 있으나 아직도 천단침하 및 내공변위 관측에 줄자, 레벨 또는 토털스테이션 등을 이용하는 일반적인 측량 방법에 의존하고 있는 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 산업사진측량기법을 이용하여 터널의 내공변위 및 천단침하를 정밀하고 신속하게 관측할 수 있는 기법을 제시하는데 목적이 있다. 연구결과 1/20,000 이상의 정밀도로 측정 할 수 있었으며, 타겟 설치를 제외하면 1인의 작업자가 5개 단면을 사진촬영하고 자료를 처리를 하는데 소요된 시간은 약 6분이 소요되었다.
터널공사의 시공방법은 시대에 따라 많은 발전을 해왔으나 아직도 시시각각으로 일어나는 터널 공사중의 사고는 반드시 극복해야할 과제다. 이러한 위험요소를 빨리 발견하고 대비하기 위해서는 관측의 정확성과 신속성이 요구되고 있으나 아직도 천단침하 및 내공변위 관측에 줄자, 레벨 또는 토털스테이션 등을 이용하는 일반적인 측량 방법에 의존하고 있는 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 산업사진측량기법을 이용하여 터널의 내공변위 및 천단침하를 정밀하고 신속하게 관측할 수 있는 기법을 제시하는데 목적이 있다. 연구결과 1/20,000 이상의 정밀도로 측정 할 수 있었으며, 타겟 설치를 제외하면 1인의 작업자가 5개 단면을 사진촬영하고 자료를 처리를 하는데 소요된 시간은 약 6분이 소요되었다.
Together with the requirements of tunnels, its construction methods and technologies have been pretty much developed, but frequent accidents happened under the constructions are just one of important problems which should be improved. To detect the potential hazardous factors in or ahead of time, sp...
Together with the requirements of tunnels, its construction methods and technologies have been pretty much developed, but frequent accidents happened under the constructions are just one of important problems which should be improved. To detect the potential hazardous factors in or ahead of time, speedy and accurate observation are absolutely required, but currently surveying method using tapes, level and total station, has been generally taken in measuring of tunnel convergence and crown. The purpose of this study is, as using of industrial photogrammetry system which is supplying more accuracy and speedy in the measure of tunnel convergence and crown. From the result of this study, we have got up to 1/20,000 accuracy and totally 6 minutes, from picturing 5 sections by one person to data edition, has been taken except setting targets.
Together with the requirements of tunnels, its construction methods and technologies have been pretty much developed, but frequent accidents happened under the constructions are just one of important problems which should be improved. To detect the potential hazardous factors in or ahead of time, speedy and accurate observation are absolutely required, but currently surveying method using tapes, level and total station, has been generally taken in measuring of tunnel convergence and crown. The purpose of this study is, as using of industrial photogrammetry system which is supplying more accuracy and speedy in the measure of tunnel convergence and crown. From the result of this study, we have got up to 1/20,000 accuracy and totally 6 minutes, from picturing 5 sections by one person to data edition, has been taken except setting targets.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 산업사진측량기법을 이용하여 터널의 천단침하 및 내공변위를 더욱더 정밀하고 신속하게 측정할 수 있는 기법을 제시하므로서 사진측량을 응용한 터널 관측의 발전과 향후 무인 자동 관측시스템의 개발에 이바지 하고자 하는데 그 목적이 있다.
본 연구는 산업사진측량을 이용하여 토목, 건축의 대상물의 크기 및 변위량을 파악하고자 하는 연구중의 하나이다. 과거에서 현재에 이르기까지 사진측량은 국토 기본도 및 지형도 작성을 비롯하여, 고고학, 문화재 보존과 복원, 토목 · 건축 시설물 위치, 크기 및 변위량 파악, 인체공학, 의학, 교통조사, 교통사고 및 도로상태조사, 산업 생산품 설계 및 제품조사, 우주개발 등 광범위한 응용분야에서 이용되어왔다.
이를 위하여 본 연구에서는 산업사진측량의 응용으로서 터널의 내공변위 및 천단침하량 등 사진으로 촬영할 수 있는 터널의 외적인 변위량을 측정하고, 현재 사용하고 있는 토털스테이션을 이용한 측정기법과 비교 · 분석하고자 한다.
제안 방법
검정된 카메라를 이용한 실험 대상 터널내의 5개 단면에 대한 측정은 2003년 12월 20일부터 12월 28일까지 2일 간격으로 총 5회 실시하였다. 또한, 이와 동시에 현재 터널 현장에서 관측에 사용하고 있는 토털스테이션을 이용하여 내공 변위 및 천단침하 관측을 수행하였다.
내공변위 및 천단침하의 측정 빈도는 표 1과 같으며 변위량이 작은 터널(내공변위량이 25mm이하, 50mm이하)의 경우에는 비교적 빨리 수렴하므로 변위량이 일정치에 달하고부터 1주일 정도를 1회 2일의 빈도로 지반의 안정 상태 및 변위의 수렴상태를 확인후 결정한다. 변위가 큰 터널(내공 변위량이 복선단면의 경우 50mm이상, 단선단면의 경우 25mm 이상)의 경우에는 변위량이 완전히 수렴한 후 2주간 정도 1 회/2일의 빈도로 안정상태를 확인하여 결정한다(임한욱, 김치화 2004).
내공변위를 측정하기 위해서는 스틸테이프를 주체로한 테이프식 내공변위계 또는 토털스테이션을 이용하여 관측한다. 내공변위계는 측선양단의 터널벽면에 앙카볼트를 설치하여 2측점간의 간격 변위량을 측정한다.
총 5회 실시하였다. 또한, 이와 동시에 현재 터널 현장에서 관측에 사용하고 있는 토털스테이션을 이용하여 내공 변위 및 천단침하 관측을 수행하였다.
본 연구는 터널관측분야에 지금까지 해오던 방법들을 탈피하여 취급의 용이성, 결과의 신뢰성, 취득데이터의 정밀성, 소요시간 및 경제성 등을 고려하여 산업 사진측량기법을 이용하여 터널의 내공변위 및 천단침하를 측정한 것으로서 다음과 같은 결론을 얻었다.
연구방법은 현재 시공중에 있는 터널을 선정하여 산업사진측량 시스템인 EOC사의 Photomodeler Pro 5.0을 이용하여 측정하여, 그 결과를 분석함으로써 붕괴위험이 있는 터널 막장에서 정밀하고 짧은 시간내에 경제적으로 각 종 변위량을 측정할 수 있는 기법을 제시하고자 한다.
자료처리시 좌표계 설정 및 기준점 측량성과를 대신하기 위하여 정밀하게 좌표가 측정된 기준틀인 오토바와 스케일 바를 이용하였다.
대상 데이터
검정된 카메라를 이용하여 3차원 측정의 정확도를 분석하기 위하여 그림 4와 같이 가로 6m, 세로 6m의 벽면에 타겟을 가로 60cm간격으로 5열, 세로 70cm간격으로 5열로 총 25매를 부착하였다.
0에서 제공하는 검정방식에 따라 실험하였다. 그림 3과 같이 검정판을 4 방향에서 총 8매를 촬영하여 카메라 검정 데이터를 취득하였다(정성혁 등, 2003).
대상물 촬영은 사전 실험에 의해 검정된 600만 화소의 Nikon D100 디지털 카메라와 SunSpark Ring Flash를 이용하였다. 본 연구에서는 카메라 검정 및 3차원 좌표측정을 위하여 Photomodeler Pro 5.
본 연구에서는 현재 시공중인 도로공사 현장의 터널을 연구대상으로 선정하였으며, 터널단면의 폭은 약 12m, 높이는 약 5m로 현장사진은 그림 5와 같다.
측정 소요시간은 타겟을 설치하기 위하여 1개 단면에 약 3분이 소요되어 5개 단면의 타겟 설치에 약 15분이 소요되었으나, 일단 타겟을 설치한 단면은 다음 관측시 계속 이용할 수 있었다. 사진촬영은 총 10매의 사진을 촬영하였으며 소요 시간은 약 1분이 소요되었다.
실험에 사용할 타겟은 어두운 막장의 환경을 고려하여 카메라 플레쉬의 빛에 민감하게 반응할 수 있도록 광반사타겟을 제작하여 이용하였다. 또한, 촬영된 영상에서 측점의 3차원 위치를 자동으로 처 리하기 위하여 그림 6과 같이 Coded 타겟과 원형타겟을 터널 관측점에 부착하였다.
이론/모형
대상물 촬영은 사전 실험에 의해 검정된 600만 화소의 Nikon D100 디지털 카메라와 SunSpark Ring Flash를 이용하였다. 본 연구에서는 카메라 검정 및 3차원 좌표측정을 위하여 Photomodeler Pro 5.0에서 제공하는 검정방식에 따라 실험하였다. 그림 3과 같이 검정판을 4 방향에서 총 8매를 촬영하여 카메라 검정 데이터를 취득하였다(정성혁 등, 2003).
성능/효과
1. 터널의 내공변위 및 천단침하 관측을 레벨, 토털스테이션 등을 이용하는 방법을 탈피하여 산업 사진 측량기법을 적용하여 관측할 수 있었으며, 터널 현장의 어두운 환경에 적합한 광반사타겟을 이용하여 보다 정밀한 측정을 가능하게 하였다.
2. 5개의 단면을 측정하는데 총 소요시간은 초기 타겟 설치 시간을 제외하고 사진촬영 및 자료처리에 6분이 소요되었으며, 특히, 위험한 터널공사 현장에서 이루어지는 사진 촬영에 소요되는 시간은 1분 이내이므로 지금까지 사용하여온 일반측량방법에 의한 관측보다 관측시간이 단축된다.
3. 초기 타겟 설치에 필요한 인원과 장비를 제외하면, 사진촬영에서 자료처리까지 1인의 작업자를 통해 충분히 결과를 취득할 수 있었다.
검정된 카메라에 의한 3차원 측정결과와 1초독 데오돌라이트인 Wild T-2를 이용한 삼각수준측량 성과를 비교하여 시스템의 정확도를 분석한 결과 0.311mm의 RMSE를 나타났으며, 대상물의 크기를 고려할 때 검정된 카메라를 이용하여 3차원 좌표를 계산할 경우 약 1:20,000의 정밀도로 측정할 수 있다.
1개 측점을 측정하는데 약 30초가 소요되어 5개 단면의 15개 측점을 측정하는데 소요되는 시간은 약 7분 30초가 소요된다. 따라서, 토털스테이션을 이용하여 현장 관측을 할 경우 타겟 설치를 제외한 총 소요 시간은 약 12분 30초가 소요되는 것으로 파악되었다. 작업 인원은 타겟 설치시 3명이 작업하였으나, 사진 촬영 및 자료처리과정에서는 1인의 작업자로 모든 작업이 충분히 이루어 졌다.
본 연구에서 이용한 토털 스테이션의 거리측정 정확도는 제조사에서 제공하는 장비 사양에 표시된 바에 따라 측정 거리가 2~200m 범위에서 소자 프리즘을 이용할 경우 ±(3mm+3ppm×측정거리)의 오차를 포함할 수 있다. 측정 소요시간은 타겟을 설치하기 위하여 1개 단면에 약 3분이 소요되어 5개 단면의 타겟 설치에 약 15분이 소요되었으나, 일단 타겟을 설치한 단면은 다음 관측시 계속 이용할 수 있었다.
이상과 같은 연구를 통하여 열악한 작업환경 즉, 어둡고, 공기가 탁하며, 항상 붕괴의 위험을 안고 있는 터널 막장에서 오랜 시간을 정해진 주기에 따라 반복적으로 측량을 해야 했던 방법을 지양하고 터널에 체류하며 작업하는 시간을 최소화하고, 최소의 작업인원으로 많은 측점의 자료를 취득할 수 있는 기법을 제시할 수 있었다. 향후, 유무선 디지털 영상 데이터를 전송할 수 있는 카메라와 본 시스템을 이용하여 무인 자동 관측시스템에 관한 연구가 필요하다.
후속연구
수 있는 기법을 제시할 수 있었다. 향후, 유무선 디지털 영상 데이터를 전송할 수 있는 카메라와 본 시스템을 이용하여 무인 자동 관측시스템에 관한 연구가 필요하다.
참고문헌 (6)
남상욱 (2002), 토목시공학, 청문문화사
선경건설주식회사(1994), 터널 및 강섬유 보강 숏크리트 실무서, 선경건설주식회사
일신엔지니어링(2002), 지반계측, 일신엔지니어링
임한욱, 김치환 (2004), 터널공학, 구미서관
정성혁, 박경식, 이계동, 이재기 (2003), 상용 디지털 카메라에 의한 3차원 측정의 정확도 분석, 한국측량학회 추계학술발표회 논문집
E., M. Mikhail (2001), Modern Photogrammetry, John Wiley & Sons, Inc.
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