[논문]지상 LiDAR를 이용한 위험관리사면의 변위 모니터링

박재국

지상 LiDAR를 이용한 위험관리사면의 변위 모니터링
A Study of Monitoring in Slopes of High Collapse Risk Using Terrestrial LiDAR 원문보기

한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, v.10 no.6, 2010년, pp.45 - 52

박재국 (서울대학교 지리정보공학과)

초록
AI-Helper

사면붕괴로 인한 피해를 최소화하기 위한 방법 중 하나는 사면의 변위발생을 계측하고 붕괴를 예측하여 사전에 방재대책을 수립하는 것이다. 이를 위해 다양한 계측장비들을 활용하여 붕괴를 예측할 수 있는 기술들이 개발되고 있다. 특히 최근에는 사면의 변위발생을 계측하기 위해 첨단 촬영 장비인 지상라이다를 활용하려는 노력이 시도되고 있다. 지상 LiDAR는 수백 미터의 거리에서도 수 mm의 정확도로 대상물의 3차원 정보를 획득 할 수 있기 때문에 문화재 복원, 3차원 모델링, 지형도 작성 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며 최근에는 구조물의 변위계측에도 활용되고 있다. 본 연구에서는 이러한 지상라이다를 이용하여 붕괴위험이 높은 위험관리사면을 대상으로 변위 모니터링 수행하였다. 그 결과 지상라이다의 현장적용 가능성을 확인할 수 있었으며 모니터링 방법에 대해 제시할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

One of the ways to minimize damage by a slope collapse is to set up preventive measures in advance by measuring displacements in a slope and predicting a collapse. There have been many different technologies developed to predict a collapse with diverse measuring equipment. Especially recently, attempts have been made to utilize terrestrial LiDAR, a high-tech imaging equipment to measure displacements on a scope. Terrestrial LiDAR generates three-dimensional information about an object with millimeter-level accuracy from hundreds of meters away and has been used in an array of fields including restoration of cultural assets, three-dimensional modeling, and making of topographic maps. In recent years, it has been used to measure displacements in structure as well. This study monitored displacements in slopes of high collapse risk with terrestrial LiDAR. As a result, it was able to confirm the applicability of terrestrial LiDAR to the field, and proposed monitoring methods.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이에 본 연구에서는 강우로 인해 붕괴된 사면이 복구된 후 사후관리가 필요한 3개의 위험관리사면을 대상으로 지상라이다를 이용하여 주기적으로 촬영을 실시하고 그 결과를 비교 분석하여 변위를 모니터링하고자 하였다. 또한 본 연구의 모니터링 대상인 다양한 지형조건의 사면관측을 통해서 지상라이다의 현장 적용 가능성을 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 과거 붕괴 발생 후 복구된 사면 중 사후관리가 필요한 사면을 대상으로 시범적으로 지상라이다를 이용하여 변위를 모니터링 하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 촬영된 IMP 기본포멧을 라이다 전용프로그램인 Cyclone에서 읽어 들여 자료를 처리하였다.
이에 본 연구에서는 강우로 인해 붕괴된 사면이 복구된 후 사후관리가 필요한 3개의 위험관리사면을 대상으로 지상라이다를 이용하여 주기적으로 촬영을 실시하고 그 결과를 비교 분석하여 변위를 모니터링하고자 하였다. 또한 본 연구의 모니터링 대상인 다양한 지형조건의 사면관측을 통해서 지상라이다의 현장 적용 가능성을 확인하고자 하였다.

제안 방법

3개 구역에 대해서 각각 변위를 계측하기 위해 모니터링 대상 사면에 가상 기준점을 설정한 후 Cyclone의 내장기능을 이용하여 각각의 높이 값을 추적하여 변위를 모니터링 하였다.
마지막으로 날짜별로 촬영된 각각의 영상에 대해서 좌표를 통일하기 위해 최초 촬영된 표정점의 상대좌표를 이용하여 나머지 스캐닝 자료에 대해서 레지스트레이션을 실시하였다. 그 결과 2 mm 이하의 정확도로 좌표등록을 실시할 수 있었다.
우선적으로 다른 구역과 달리 1구역의 경우 시야를 확보하기위해 2개의 기준점에서 촬영을 실시하였음으로 3차원 공간 상의 상대적인 위치정합에 관련한 레지스트레이션(registration)을 수행하여 스캐닝 자료를 정합하였다.
지상라이다의 원리는 3D 레이저 스캐닝으로서 측량용 무타깃 토털스테이션과 동일한 원리로 작동된다. 즉, 근적외선 또는 가시광선 파장대의 레이저를 송신하고 물체에 반사되어 돌아오는 레이저를 수신하여 거리를 측정하고, 거리 측정과 동시에 레이저 빔의 수평, 수직각을 정밀히 측정하여 이를 3차원 좌표로 환산하는 것이다.

대상 데이터

모니터링 대상 사면은 총 3개소로 1구역, 2구역, 3구역으로 구분하여 2008년 8월부터 2009년 4월까지 9개월 동안 각각 7회에 걸쳐 지상라이다 촬영을 실시하였다.
연구대상지는 2007년 여름에 발생한 폭우로 인해 붕괴된 사면을 수해복구한 현장으로 그 중 사후관리가 필요한 사면 3개를 선정하여 주기적으로 지상라이다 촬영을 실시하였다.
이 연구에 사용된 지상라이다는 라이카(Leica)의 ScanStation2로써 물체의 3차원 정보를 빠르고 정확하게 획득 할 수 있다(그림 2).
지상라이다 촬영 자료는 3차원 포인트군으로 구성되며, 파일은 ASCII 포맷이나 ScanStation2 전용 포맷인 IMP로 저장되고 파일은 X, Y, Z, COLOR 등 대상물체의 3차원 정보를 담고 있다.
지상라이다가 설치된 위치는 모니터링 대상 사면의 시작부에서 1구역의 경우 약 15 m, 2구역의 경우 약 35 m, 3구역의 경우 약 10 m 떨어진 곳에 설치하였고, 1'' 간격으로 촬영을 실시하였다.

이론/모형

본 연구에서 사용된 장비는 시간차 방식을 이용하여 위치를 결정하며 기본 계산식은 식 1과 같고 원리는 그림 1과 같다.

성능/효과

1) 각 사면에 대해서 7회에 걸쳐 촬영한 결과 중 2차 3차촬영결과를 1차 촬영결과와 비교한 결과 초반에는 미세한 변위가 추적되었으나 4, 5, 6, 7차 촬영이 거듭되면서 후반부로 갈수록 상대적 변위발생 추이가 안정화되고 있는 것을 알 수 있었다.
2) 지상라이다의 사면 모니터링 연구를 통해서 최적의 사면 모니터링을 위한 조건은 노이즈가 거의 없고, 산림이나 초목이 거의 없는 바위나 암반사면 등으로 구성된 사면이 모니터링 대상으로 최적일 것으로 판단된다. 단 산림이나 초목이 있는 사면의 경우 단위면적당 비지면을 통과한 지면 포인트 군이 일정한 밀도 이상의 점군으로 구성되어있을 때는 이러한 사면도 허용될 수 있을 것이다.
2차 3차 촬영결과를 1차 촬영결과와 비교한 결과 초반에는 미세한 변위가 추적되었으나 4, 5, 6, 7차 촬영이 거듭되면서 후반부로 갈수록 상대적 변위발생 추이가 안정화되고 있는 것을 알 수 있었다.
3) 기존의 국내 연구성과를 살펴보면 실내 모형 실험을 통해서 이미 지상라이다의 정확도에 대한 신뢰성이 검증되었다. 본 연구에서도 현장적용 결과와 토탈스테이션 결과를 비교 검토 분석한 결과 약 수 mm에서 5 cm 이하의 정확도로 변위를 모니터링 할 수 있었다.
마지막으로 날짜별로 촬영된 각각의 영상에 대해서 좌표를 통일하기 위해 최초 촬영된 표정점의 상대좌표를 이용하여 나머지 스캐닝 자료에 대해서 레지스트레이션을 실시하였다. 그 결과 2 mm 이하의 정확도로 좌표등록을 실시할 수 있었다.
그 결과 9개월간 3개소에 대해서 점변위가 없는 것으로 나타났다. 이러한 분석과정에서 2구역의 경우 경사가 매우 급해 가상 기준점 설정에 오류가 발생하기도 하였으며, 이 때문에 가상 기준점 설정이 매우 어려웠다.
그림 12는 3개소 중 1구역에 대한 종단선형을 나타낸 것으로 해당 종단선형의 위치에 대해서 그림 13과 같이 1차와 7차에 대한 종단선형을 비교하였다. 그 결과 종단의 변화가 없음을 확인할 수 있었다.
3) 기존의 국내 연구성과를 살펴보면 실내 모형 실험을 통해서 이미 지상라이다의 정확도에 대한 신뢰성이 검증되었다. 본 연구에서도 현장적용 결과와 토탈스테이션 결과를 비교 검토 분석한 결과 약 수 mm에서 5 cm 이하의 정확도로 변위를 모니터링 할 수 있었다.
뿐만 아니라 토털스테이션을 이용하여 2008년 6월부터 8월 29일까지 5회에 걸쳐 계측한 결과를 지상라이다 자료와 비교한 결과 변위가 없음을 알 수 있었다(그림 14).

후속연구

그러나 아직 지면의 점군에 대한 밀도의 한계를 지정한 연구가 미흡함으로 이에 대한 후속 연구가 이루어져야 할 것이다.
4) 사면계측기술에 있어 지상라이다의 활용은 대부분 기존연구가 실내 모형 실험에 국한되거나 토공산정 또는 절취사면에 국한되어 있어 다양한 환경 조건의 사면에 대한 연구가 미흡한 실정이었다. 본 연구를 통해 다양한 사면의 현장 적용 가능성을 확인함으로써 사면계측기술의 다양한 접근방법을 제시할 수 있을 것으로 기대되며, 위험관리사면에 대한 붕괴를 예측하거나 관리에 필요한 기초 의사결정자료를 효과적으로 제시할 수 있을 것으로 판단된다.
즉, 지상라이다는 3개 유형의 사면에 대해서 각각 사면 모니터링이 가능하며, 이는 위험관리사면에 대한 붕괴를 예측하거나 관리에 필요한 기초 의사결정자료를 효과적으로 생성할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	삼각측량방식이란 무엇인가?	삼각측량방식은 레이저를 대상물에 발사한 후 광전소자(CCD)에 맺히는 반사 빔의 위치를 삼각법으로 역산하여 위치를 결정하는 방식이며, 시간차방식은 레이저를 대상물에 발사한 후 레이저가 반사되어 돌아오는 시간차를 계산하여 위치를 결정하는 방식이다.
	지상라이다의 장점 및 활용처는 무엇인가?	이외에도 지상라이다가 원격지에서 수 mm의 높은 정확도로 대상물의 3차원 정보를 쉽고 빠르게 획득할 수 있는 장점으로 인해 문화재 복원, 3차원 모델링, 지형도 작성 등과 같은 분야에서 다양하게 활용되고 있다(장경수, 2004;이인수, 2007;이인수, 강상구, 2006).
	지상라이다는 어떤 분야에서 높은 신뢰성을 갖고 활용되고 있는가?	뿐만 아니라 구조물의 변위 계측(이홍민 등, 2007), 터널의 내공 변위 계측(이재원, 윤부열, 2007), 댐의 변위관측(박세훈 등, 2009) 등에서도 높을 신뢰성을 갖고 활용되고 있다.

참고문헌 (15)

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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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