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문제 정의
- 지반 조사 자료는 조사 과정중의 인적 또는 기계적 요인들에 의해 신뢰성이 저하될 수 있으므로 이에 대한 종합적 파악과 개선 방안에 대한 노력이 무엇보다도 요구되는 상황이며, 더불어 기존 자료의 활용 방안 극대화를 위한 공학적 기법 연구도 추진되어야 한다. 지반 조사자료에 대한 신뢰성 평가의 경우 개별적 접근을 통한 제한적 연구 수행보다는 다양한 학문 분야의 여러 전문가들에 의한 체계적 접근이 필요하므로 본 연구에서는 지반 조사 자료의 합리적 활용 기법을 개발함으로써 기존자료의 정량적 신뢰성 평가 이후에도 지속적으로 적용할 수 있는 방안을 제안하고자 하였다. 특히, 국내의 경우 지반 조사 자료는 지금까지 그 활용이 극히 제한되어왔으나, 국토의 지속적이고 합리적인 개발을 위해서는 복합적 속성 형태의 자료를 체계적으로 관리할 수 있는 효율적인 운용 체계가 반드시 필요하다.
- 즉, 지반공학적 견지에서 미지 지반 정보의 신뢰성 높은 예측이 매우 중요한 관건임에도 불구하고, 합리적 공간 정보 확장 기법의 개발을 통한 기지 자료 토대의 미지 자료의 합리적 예측과 같은 GIS 의 적극적 활용 보다는 DB 관리나 기존 보간 기법의 단순 적용 예측과 같은 소극적 활용이 주류를 이루어왔다. 본 연구에서는 이러한 기존의 지반공학적 GIS 활용 기법 합리화의 일환으로 지역적 지반 정보의 효율적 관리와 더불어 삼차원 공간상에 분포하는 지반 정보의 신뢰성 높은 예측을 위한 지반 정보화 시스템(GTIS, Geotechnical Information System) 구축 기법을 개발하였다. 또한, 국내 주요 내륙 도시인 경주 지역을 대상으로 개발된 구축 기법을 적용하여 차별적이고 종합적인 지역적 지반 정보화 시스템을 구축함으로써 국내 주요 지역에 대한 지반 정보화의 모범적 활용 방안으로 제시하였다.
- 이러한 공간 분포의 지반 정보를 효율적으로 관리하고 활용하기 위하여 GIS 기법 토대의 여러 지반공학적 시스템들이 근래에 개발되어 왔으며(건설교통부, 2002; 홍성완 등, 2002; Scott와 Garlton, 1999), 지반 지리 정보 시스템 (Geotechnical Geographic Information System, GEOGIS) 이나 지반 자료 관리 시스템 (Geotechnical Data Management System, GDMS)과 같은 여러 전문 용어로 불리어왔다(Williams 등, 2002; Geodecisions, 2004). 특히, 도시지역을 대상으로 지반 자료의 종합 관리와 더불어 지?!, 홍수 등의 재해 대책 수립을 위한 기본 방안으로 최근 국내외에서 광범위하게 지반 정보 GIS가 개발.구축되고 있다(Sml 2004; Lee와 Choi, 2003; 유환희 등, 2002; Rockaway, 1997).
- 지반 정보는 그 의미와 내용에 있어서 매우 다양한 정보를 포괄하며, 그 중에서도 지반 특성을 파악하기 위해 근본적으로 활용되는 가장 중요한 정보는 지층 정보이다(천성호 등, 2005). 지층 정보의 정확한 예측을 통해 지반 특성의 체계적이고 종합적인 파악이 가능하므로 본 연구에서는 대상 지역 내 지층의 공간적 분포에 대한 합리적 예측 기법을 개발하고자 하였다. 본 연구에서는 공간 지층 정보의 신뢰성 높은 예측을 목적으로 GIS 토대의 지반 정보화 시스템(GTIS) 을 개발 구축하있으며, 이러한 GTIS는 지반공학 분야에서의 다양한 적용이 가능하다.
- 지층 정보의 정확한 예측을 통해 지반 특성의 체계적이고 종합적인 파악이 가능하므로 본 연구에서는 대상 지역 내 지층의 공간적 분포에 대한 합리적 예측 기법을 개발하고자 하였다. 본 연구에서는 공간 지층 정보의 신뢰성 높은 예측을 목적으로 GIS 토대의 지반 정보화 시스템(GTIS) 을 개발 구축하있으며, 이러한 GTIS는 지반공학 분야에서의 다양한 적용이 가능하다.
- 또한, EVS-Pro 자체만으로도 DB 구축, 자료 보간과 같은 공간 분석 (spatial analysis) 그리고 복합 가시화(visualization) 및 외부 출력이 가능하므로 지질학적 층서 분석이나 지하 오염에 따른 방재 및 정화 기법 관련 의사 결정과 같은 전문분야에서 독립적으로 활용될 수 있다. 기존 AutoCAD에 다양한 지형 분석 기능을 추가하여 개발된 AutoCAD LDDT는 수치 지형도(digital topographical map)나 부지자료의 기능적 전처리가 가능하며, 본 연구에서는 이러한 전처리 과정에서 수계, 건물, 도로 등의 지표상 배치요소(레이어; layer) 및 지형 표고 속성 정보의 지속적 활용을 위한 사전 추출을 수행하였다. 이와 같은 전문가적 GIS 소프트웨어와 더불어 기지 자료를 토대로 미지공간 지층 자료를 보다 신뢰성 높게 보간 예측하기 위하여 지층 발달(landfdrm) 특성별 베리오그램(variogram) 모델을 차별적으로 적용하는 개선된 지구통계학적 크리깅 (sophisticated geostatistical kriging)을 구현할 수 있는 프로그램을 FORTRAN 코드로 작성하고 공간 분석에 활용하였다.
- 본 연구의 GTIS 구축 기법 개발의 목적은 확보된 지반 자료에 대한 DB 기반의 정보화 구현 뿐만 아니라 근본적으로 지하 지층 정보의 합리적 예측을 통한 수많은 지반공학 관련 분야에서의 지속적 활용에 있다. 따라서 제한된 불연속 기지 자료를 이용하여 공간에 분포하는 미지 자료를 연속적으로 신뢰성 높게 보간 예측할 수 있는 방법의 적용이 관건중의 하나이다.
- 특히, 대상 지역의 경계부나 자료가 상대적으로 부족한 산지나 구릉지에서는 암반을 토사로 예측하는 경우도 발생할 수 있다. 이와 같은 공간 지반 정보 예측 오류를 최소화하고 신뢰성 높은 지반 정보를 예측하기 위하여 본연구에서는 지반-지식 기반의 GTIS 구축 기법을 개발하였으며, 개발된 기법의 구축 과정은 표 1에 제시한 바와 같다. 지반-지 식 기반의 GTIS 구축 기법에서는 연구대상 지 역을 포함하는 확장 지 역(extended area)에 대해 다양한 문헌과 지질 및 지형 특성 분석을 수행한 후, 지반 조사 자료 부족 지역에서의 현장 지표 조사로부터 GPS(Global Positioning System)를 이용한 절대 좌표 기반의 추가 지표 지층 자료를 획득하여 기존 지반 조사자료와 함께 지반-지식 DB를 구축하게 된다.
- 본 연구의 지반-지식 기반 GTIS 구축 기법은 기본적으로 대상 지역의 삼차원 공간 정보를 합리적으로 보간 예측하기 위하여 기존에 일반적으로 적용되어 온 단순 자료 기반의 일반적인 지반 정보 GIS와는 구분되는 차별적 기법으로 개발한 것이다. GTIS의 대표적 결과인 삼차원 공간 지층 정보(그림 8 참조)는 GIS 기법 토대 내에서는 가상적 현실성(virtual reality) 및 가시성이 뛰어날 수 있으나 실무적 활용성에 있어서는 제한적일 수 있다.
- 본 연구의 지반-지식 기반 GTIS는 대상 지역의 지반 조사 자료만을 이용하는 기존의 일반적인 지반 정보 GIS 보다 정보예측 신뢰도를 더욱 향상 시킬 수 있는 시스템으로 구현되었으며, 근본적으로 확장 영역의 적용과 지반-지식 자료의 추가 획득을 위한 부지 지표 조사의 개념들에 의해 일반적인 지반 정보 GIS와는 차별화 된다. 공간 지층정보 예측 신뢰도 측면에서 일반적인 지반 정보 GIS에 대한 지반-지식 GTIS의 합리적 우수성을 검증하기 위하여, 본 연구에서는 경주의 연구 지역을 대상으로 두 정보화 기법의 공간적 표준 편차와 보간 예측된 공간지층 정보를 비교하였다.
- 이에 반해, 표준 편차 기법은 지구통계학적 크리깅 보간 과정 중 연산되는 자료 분포에 따른 분산 정도의 표준편차를 이용하므로 추가 연산 없이 효율적으로 예측 신뢰도 평가가 가능하다. 본 연구에서는 다양한 형태의 오차 비교를 통한 공간 지층 정보 예측 신뢰도의 정량적 상세 평가보다는 기지 자료 수가 많은 광범위한 지역의 정보 예측 분산 정도에 따른 신뢰도의 효율적 평가를 목적으로 표준 편차 기법을 적용하여 대상 지역 공간지층 정보의 예측 신뢰도를 평가하였다. 지반-지식 기반 GTIS와 일반적인 지반 정보 GIS의 공간 지층 정보 예측 신뢰도를 경주 지역 지반을 대상으로 공간적 분포 형태로 구현하였으며, 그림 12에 제시한 바와 같이 비교하였다 그림 12에 제시된 표준 편차 분포에서는 그 값의 크기가 작을수록 예측 값의 분산 정도가 작으므로, 해당 위치의 공간 예측 지층 정보에 대한 높은 신뢰도를 의미한다.
- 이에 본 연구에서도 경주 연구 지역을 대상으로 구축된 지반-지식 기반 GTIS와 일반적인 지반 정보 GIS 의 보간 예측된 공간 지층 분포를 직접 비교함으로써, 지반-지식 기반 GTIS의 상대적으로 높은 예측 정확도를 지반 및 지질 전문가적 판단에 따라 가시적으로 확인하고자 흐였다 그림 13은 전문가적 판단을 위한 전형적인 비교 사례로서, 경주 대상 지역의 대표적 동서 단면에 대한 깊이 방향의 이차원 지층 단면들을 비교 제시하였다. 그림 13에서 알 수 있는 바와 같이, 지반-지식 기반 GTIS(그림 13(a))에서 합리적으로 보간 예측한 산지 부근의 기반암 지반을 일반적인 지반 정보 GIS(그림 13(b))에서는 기지 자료 부재로 인해 매립토로 예측하는 오류를 보였고 그로 인해 이차워 단면의 전체적인 토사 분지 형상도 왜곡되게 예측하였다.
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