사면의 변위는 산사태의 위험성을 예측할 수 있는 매우 중요한 인자이다. 따라서 사면의 변위는 지속적인 관측과 높은 정밀도의 관측이 요구된다. 최근에는 사면관측을 위해서 광섬유센서, GPS, Total Station, 계측기 등의 첨단장비가 활용되고 있다. 그러나 이러한 관측 장비는 경제성, 환경성, 편리성과 유지관리 측면에서 장비의 제약으로 인해 실제 현장적용이 부진한 상태이다. 그러므로 다양한 사면관측과 현장적용을 위해서는 실질적인 관측기술개발이 요구된다. 본 연구에서는 지상라이다의 사면 모니터링에 대한 적용 가능성을 분석하고자 하였으며, 사면조사와 사면유지관리를 위한 정보획득 기술로 제시하고자 하였다. 이를 위해서 본 연구에서는 지상라이다의 모니터링 정확도를 평가하였으며, 변위 발생 지역의 육안판독을 위한 그리드 분석을 실시하였다. 또한 사면 모니터링을 위한 방법론을 제시하였다.
사면의 변위는 산사태의 위험성을 예측할 수 있는 매우 중요한 인자이다. 따라서 사면의 변위는 지속적인 관측과 높은 정밀도의 관측이 요구된다. 최근에는 사면관측을 위해서 광섬유센서, GPS, Total Station, 계측기 등의 첨단장비가 활용되고 있다. 그러나 이러한 관측 장비는 경제성, 환경성, 편리성과 유지관리 측면에서 장비의 제약으로 인해 실제 현장적용이 부진한 상태이다. 그러므로 다양한 사면관측과 현장적용을 위해서는 실질적인 관측기술개발이 요구된다. 본 연구에서는 지상라이다의 사면 모니터링에 대한 적용 가능성을 분석하고자 하였으며, 사면조사와 사면유지관리를 위한 정보획득 기술로 제시하고자 하였다. 이를 위해서 본 연구에서는 지상라이다의 모니터링 정확도를 평가하였으며, 변위 발생 지역의 육안판독을 위한 그리드 분석을 실시하였다. 또한 사면 모니터링을 위한 방법론을 제시하였다.
The displacement of slope is a key factor in predicting the risk of a landslide. Therefore, the slope displacement should be continuously observed with high accuracy. Recently, high-tech equipment such as optical fiber sensor, GPS, total station and measuring instrument have been used. However, such...
The displacement of slope is a key factor in predicting the risk of a landslide. Therefore, the slope displacement should be continuously observed with high accuracy. Recently, high-tech equipment such as optical fiber sensor, GPS, total station and measuring instrument have been used. However, such equipment is poorly used in fields due to economics, environment, convenience and management. Because of this, development of substantial observational techniques for varied slope observation and field applications is needed. This study analyzed the possibility of terrestrial LiDAR for slope monitoring and suggested it as information-obtaining technique for slope investigation and management. For that, this study evaluated the monitoring accuracy of terrestrial LiDAR and performed GRID analysis to read the displacement area with the naked eye. In addition, it suggested a methodology for slope monitoring.
The displacement of slope is a key factor in predicting the risk of a landslide. Therefore, the slope displacement should be continuously observed with high accuracy. Recently, high-tech equipment such as optical fiber sensor, GPS, total station and measuring instrument have been used. However, such equipment is poorly used in fields due to economics, environment, convenience and management. Because of this, development of substantial observational techniques for varied slope observation and field applications is needed. This study analyzed the possibility of terrestrial LiDAR for slope monitoring and suggested it as information-obtaining technique for slope investigation and management. For that, this study evaluated the monitoring accuracy of terrestrial LiDAR and performed GRID analysis to read the displacement area with the naked eye. In addition, it suggested a methodology for slope monitoring.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 환경의 영향에 제약을 적게 받고 특정 위치가 아닌 대상물 전체의 형상을 획득할 수 있으며 항공용 라이다보다 더 조밀하고 정밀한 3차원 좌표를 생성할 수 있는 지상라이다(Terrestrial LiDAR)를 이용하여 시범사면을 측량함으로써 자연사면의 변위 모니터링에 대한 적용가능성을 분석하고자 하였다.
표정점의 좌표획득은 지상라이다 자료의 상대좌표를 절대좌표로 변경하여 공통된 좌표를 공유함으로써 두 성과를 상호비교할 수 있도록 하기 위한 것이다. 또한 표정점의 측량은 측량을 다시 수행할 때 항상 동일한 절대좌표와 성과를 얻기 위한 것이다.
제안 방법
3차원 가시화를 통해서 사면정보를 육안으로 판독할 수 있도록 변위전과 변위후에 대한 DEM을 이용하여 3차원으로 표현하였다. 그 결과 변위가 발생한 지역에 대한 위치를 쉽게 확인할 수 있었다.
4. 본 연구에서는 높이에 대한 변화를 중점으로 자연사면의 변위를 모니터링 하였다. 그러나 높이의 변화가 없이 변위가 발생할 경우 반사 타겟의 설치를 고려하거나 더 넓은 지역을 관측함으로써 이에 대한 해결이 가능할 것으로 판단된다.
그림 3의 연구흐름도와 같이 지상라이다의 사면변위 모니터링을 위해 시범사면에 대해서 변위전과 인위적변위를 발생한 변위후에 대해 각각 측량을 실시하였다. 다음으로 변위전과 변위후에 대한 사면변위의 정량적 평가와 모니터링을 수행하기 위해 DEM을 생성하고 그리드 분석을 통해서 변위발생에 대한 변화량과 가시화를 위한 심벌화 및 삼차원화를 실시하였다.
그림 3의 연구흐름도와 같이 지상라이다의 사면변위 모니터링을 위해 시범사면에 대해서 변위전과 인위적변위를 발생한 변위후에 대해 각각 측량을 실시하였다. 다음으로 변위전과 변위후에 대한 사면변위의 정량적 평가와 모니터링을 수행하기 위해 DEM을 생성하고 그리드 분석을 통해서 변위발생에 대한 변화량과 가시화를 위한 심벌화 및 삼차원화를 실시하였다.
지상라이다를 통해 획득된 3차원 좌표는 벡터 형태의 점들로 이루어져 있다. 따라서 지반의 변위를 쉽고 정확하게 모니터링을 수행할 수 있도록 공간상에 나타난 연속적인 기복변화를 수치적으로 표현할 수 있는 DEM을 제작하여 GIS의 격자형(그리드) 분석을 통해 변위를 모니터링하였다.
무 프리즘 토털스테이션을 이용하여 시범지역의 기준점 측량을 수행하였고 4점의 표정점에 대해서 좌표를 획득하였다. 표정점의 좌표획득은 지상라이다 자료의 상대좌표를 절대좌표로 변경하여 공통된 좌표를 공유함으로써 두 성과를 상호비교할 수 있도록 하기 위한 것이다.
변위발생 지역에 대한 정보 추출은 그리드 연산자인 Local 연산자 중 산술연산자를 이용하여 변위전과 변위후의 DEM을 빼는 방법으로 변위량을 추출하였다. 격자 기반의 산술연산과정을 식으로 표현하면 다음과 같이 표현할 수 있다.
본 연구에서는 시범사면에 인위적으로 변위를 발생시킨 후, 지상라이다를 이용하여 변위전과 변위후에 대해서 각각 측량을 수행하였다. 획득된 측량결과를 이용하여 전처리 과정을 거친 후 모니터링 결과를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
시범지역에 대한 변위측량을 위해서 6개의 장소를 선정하고, 그 지점에 대해 임의로 지형에 변화를 주었다. 또한 좌표계를 통일하기 위해서 시범지역 내의 4곳에 표정점을 설치하였다.
시범지역에 대한 측량은 변위전 변위후로 나누어 각각 1mm 격자간격으로 레이저스캐닝을 수행하였다. 측량된 자료는 측량작업과 동시에 장비와 연결된 노트북에 실시간으로 전달되며, 전달된 자료는 물체의 3차원 좌표로써 표준 텍스트 문서의 형태로 출력된다.
이 연구에서는 지표면, 낮은 식생, 중간 식생으로 분류를 실시하였다. 그 결과 164,164점의 원시 자료점들로부터 지표면 79,576점, 낮은 식생 81,083점, 중간 식생 3,397점, 미분류 108점으로 분류되었다.
특히 Du 등(2007)은 대규모 산사태 발생지역에 대해서 토공량을 산정할 목적으로 지상라이다를 이용하여 대상지역을 스캐닝하고 GPS를 이용하여 좌표체계를 등록한 후 관측자료로부터 DTM(Digital Terrain Model)을 생성하였다. 이후 산사태 발생전의 50m 등고선도와 비교하여 토공량을 산정함으로써 신속하고 효율적인 토공량 산정방법을 제시하였다.
지상라이다의 원리는 3D 레이저 스캐닝으로서 측량용 무타깃 토털스테이션과 동일한 원리로 작동된다. 즉, 근적외선 또는 가기광선 파장대의 레이저를 송신하고 물체에 반사되어 돌아오는 레이저를 수신하여 거리를 측정하고, 거리 측정과 동시에 레이저 빔의 수평, 수직각을 정밀히 측정하여 이를 3차원 좌표로 환산하는 것이다.
지상라이다 측량에서 획득된 3차원 좌표는 상대좌표이기 때문에 무 프리즘 토털스테이션에 의해서 획득된 표정점 좌표를 이용하여 절대좌표로 변환하였다. 좌표변환에 사용된 소프트웨어는 지상라이다 전용 소프트웨어인 Leica의 Cycolon 5.
지상라이다를 자료를 이용하여 DEM을 구축하기 위해 지상라이다의 3차원 좌표로 표현된 점들을 이용하여 오차점(시범지역 외각 지역의 고층건물, 차량, 도로와 같은 3차원 좌표점)들을 제거한 후 DSM을 구축하였고, DSM에서 건물, 수목과 같은 대상물을 제거한 지형의 높이값 만으로 표현된 DEM을 구축하였다.
지표면과 식생의 분류과정은 특정 영역 내에 있는 관측점의 높이값 중에서 최소값을 찾고, 그 찾은 최소값과 영역내의 관측점의 높이를 비교하고 그 비교한 값이 특정 임계값보다 클 경우, 그 관측점을 비지면점으로 분류하여 비지면점을 점차적으로 제거하는 방식으로 지표면을 분류하였다.
대상 데이터
이 연구에 사용된 지상라이다는 지상에 라이다를 고정시켜 물체의 3차원 좌표를 획득 할 수 있다. 대상물체의 좌표 획득은 대상물체와의 거리가 100m 이하일 경우 물체에 반사되어 돌아오는 레이저 펄스의 에너지가 10% 이상이면 측정이 가능하며, 300m 이하일 경우 물체에 반사되어 돌아오는 레이저 펄스의 에너지가 80% 이상이면 측정이 가능하다.
지상라이다를 이용한 사면변위 모니터링을 수행하기 위해서 강원대학교 내에 30° 정도의 경사에 낮은 초목과 조경수로 이루어져 있는 면적이 대략 63m2 인 경사지를 시범지역으로 선정하였다.
데이터처리
그림 12의 5-1과 6-1을 제외한 인위적변위 발생지역 6개소에 대해서 횡단면도를 작성하였으며, 6개소에 대해서 인위적 변위에 대한 위치좌표와 지상라이다에서 검출된 평균 변위값을 비교하여 오차를 계산하였다.
이론/모형
지상라이다 측량에서 획득된 3차원 좌표는 상대좌표이기 때문에 무 프리즘 토털스테이션에 의해서 획득된 표정점 좌표를 이용하여 절대좌표로 변환하였다. 좌표변환에 사용된 소프트웨어는 지상라이다 전용 소프트웨어인 Leica의 Cycolon 5.8 버전을 사용하였다. 이 소프트웨어는 토털스테이션에서 획득된 좌표를 입력하면 쉽게 좌표변환을 수행하며 2mm 이하의 정확도로 좌표등록을 수행한다.
성능/효과
1. 지상라이다를 자료를 이용하여 사면변위를 검출하기 위해 적용된 필터링 방법은 낮은 식생이 분포된 지역에 대해서 변위가 발생되지 않아 필터링이 적절하였던 것으로 판단된다. 그러나 중간 식생과 높은 식생의 경우 변위가 검출되는 오류가 발생하였다.
2. 시범사면의 6개소에 대해서 인위적변위 발생 후 각각의 개별 변위의 초기값과 지상라이다에서 검출된 변위값을 비교한 결과 1mm~10mm의 오차범위 내에서 변위를 검출할 수 있었다. 이는 산사태 모니터링을 위한 소요정확도를 만족함으로써 향후 지상라이다의 산사태 모니터링 활용이 기대된다.
3. 3차원 가시화 및 영상강조를 통해서 수치화된 변위량 뿐만 아니라 미세변위 발생지역을 육안으로 쉽게 판독할 수 있었다.
이 연구에서는 지표면, 낮은 식생, 중간 식생으로 분류를 실시하였다. 그 결과 164,164점의 원시 자료점들로부터 지표면 79,576점, 낮은 식생 81,083점, 중간 식생 3,397점, 미분류 108점으로 분류되었다.
박세훈 등(2009)은 지상라이다를 이용하여 댐의 변위를 관측하는데 활용하였다. 그 결과 스캔성과와 설계단면과의 변형 상태를 비교분석할 수 있었고, 댐체의 전체적인 거동을 분석하는데 유용할게 활용 될 수 있음을 확인하였다.
그 결과 인위적변위 발생지역에 대한 절토, 성토 구간을 잘 반영하고 있음을 확인할 수 있었으며, 오차는 1mm~10mm의 오차범위로 변위발생지역을 추출할 수 있었다.
후속연구
본 연구에서는 높이에 대한 변화를 중점으로 자연사면의 변위를 모니터링 하였다. 그러나 높이의 변화가 없이 변위가 발생할 경우 반사 타겟의 설치를 고려하거나 더 넓은 지역을 관측함으로써 이에 대한 해결이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 이에 대한 후속연구가 이루어져야 할 것이다.
그러나 높이의 변화가 없이 변위가 발생할 경우 반사 타겟의 설치를 고려하거나 더 넓은 지역을 관측함으로써 이에 대한 해결이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 이에 대한 후속연구가 이루어져야 할 것이다.
시범사면의 6개소에 대해서 인위적변위 발생 후 각각의 개별 변위의 초기값과 지상라이다에서 검출된 변위값을 비교한 결과 1mm~10mm의 오차범위 내에서 변위를 검출할 수 있었다. 이는 산사태 모니터링을 위한 소요정확도를 만족함으로써 향후 지상라이다의 산사태 모니터링 활용이 기대된다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해서는 장비의 설치가 가능할 경우 여러 기준점에서 지상라이다를 설치하여 스캐닝 함으로써 해결이 가능할 것으로 판단된다. 즉, 음영지역이 발생하지 않도록 지상라이다를 설치하여 관측하는 것만이 자연사면의 변위를 정확히 모니터링 할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
사면관리의 목적은 무엇인가?
따라서 산사태 발생의 위험성을 사전에 예측하고 재해를 방지하여 피해를 최소화하기 위해서는 지속적인 사면관리가 필요하다. 특히 수 mm의 지반거동을 모니터링하여 변위를 계측하는 하는 것은 산사태의 위험성을 예측하는 매우 중요한 인자이다.
국부적인 지역을 대상으로 관측을 수행하는 사면변위 관측기술에는 어떤 것들이 있는가?
구체적인 관측기술로는 광역적인 방법으로 항공라이다(LiDAR), 간섭 SAR를 예로 들 수 있으며 국부적인 방법으로는 광섬유센서, GPS, 무타깃 토탈스테이션, CCD 사진기를 이용한 영상기반 모니터링 기술, 센서를 이용한 3축 변위 감지 기술들을 예로 들 수 있다.
최근 사면관측을 위해 어떤 기기들을 이용하는가?
따라서 사면의 변위는 지속적인 관측과 높은 정밀도의 관측이 요구된다. 최근에는 사면관측을 위해서 광섬유센서, GPS, Total Station, 계측기 등의 첨단장비가 활용되고 있다. 그러나 이러한 관측 장비는 경제성, 환경성, 편리성과 유지관리 측면에서 장비의 제약으로 인해 실제 현장적용이 부진한 상태이다.
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