현재 자연동굴을 대상으로 한 측량은 간이평판측량과 기록지측량의 두 가지 방법을 사용하고 있다. 이러한 방법을 통해 작성된 도면은 2차원이며, 간이평판과 기록지를 이용하기 때문에 전체 단면 및 모든 생성물들의 정확한 제원 파악이 어렵다. 이에 본 연구에서는 세계자연유산으로 등재된 용암동굴 중 당처물동굴(천연기념물 제 384호)을 대상으로 지상라이다와 고해상도 카메라를 활용하여 3차원 공간정보를 구축하였다. 또한 구조 분석, 단면 분석, 형태 분석, 생성물 분석을 통해 변형 및 변화 탐지의 기초데이터로써 3차원 공간정보의 활용가능성을 제시하였다.
현재 자연동굴을 대상으로 한 측량은 간이평판측량과 기록지측량의 두 가지 방법을 사용하고 있다. 이러한 방법을 통해 작성된 도면은 2차원이며, 간이평판과 기록지를 이용하기 때문에 전체 단면 및 모든 생성물들의 정확한 제원 파악이 어렵다. 이에 본 연구에서는 세계자연유산으로 등재된 용암동굴 중 당처물동굴(천연기념물 제 384호)을 대상으로 지상라이다와 고해상도 카메라를 활용하여 3차원 공간정보를 구축하였다. 또한 구조 분석, 단면 분석, 형태 분석, 생성물 분석을 통해 변형 및 변화 탐지의 기초데이터로써 3차원 공간정보의 활용가능성을 제시하였다.
There are two methods to survey the natural cave. One is plane table surveying and the other is recording chart surveying. The drawing maps drawn by these methods are 2D. Furthermore, it is difficult to figure out the accurate dimension about full sections and whole interior products because of use ...
There are two methods to survey the natural cave. One is plane table surveying and the other is recording chart surveying. The drawing maps drawn by these methods are 2D. Furthermore, it is difficult to figure out the accurate dimension about full sections and whole interior products because of use of plane table and recording chart. Accordingly, in this study, the 3D spatial information about Dangcheomuldonggul was constructed by the Terrestrial LiDAR and high resolution digital camera where is belong to Jeju Volcanic Island and Lava Tubes as the first World Natural Heritage of the Republic of Korea. Also, the utilization possibility of 3D spatial information was suggested to the basic data of deformation and change detection through structure analysis, section analysis, shape analysis, and interior products analysis.
There are two methods to survey the natural cave. One is plane table surveying and the other is recording chart surveying. The drawing maps drawn by these methods are 2D. Furthermore, it is difficult to figure out the accurate dimension about full sections and whole interior products because of use of plane table and recording chart. Accordingly, in this study, the 3D spatial information about Dangcheomuldonggul was constructed by the Terrestrial LiDAR and high resolution digital camera where is belong to Jeju Volcanic Island and Lava Tubes as the first World Natural Heritage of the Republic of Korea. Also, the utilization possibility of 3D spatial information was suggested to the basic data of deformation and change detection through structure analysis, section analysis, shape analysis, and interior products analysis.
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문제 정의
본 연구는 제주특별자치도 당처물동굴을 대상으로 지상라이다 측량기법을 통해 보다 현실감 있는 3차원 공간 정보를 획득하여 분석한 결과 다음의 결론을 얻었다.
본 연구에서는 이러한 관리 방안으로 지상라이다 측량을 통해 종유석. 석순’ 석주 등의 동굴생성물에 대한 정확한 제원을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 천연기념물 제 384호로 지정된 제주특 별자치도 당처물동굴을 대상으로 3D 영상모형을 제작하기 위하여 지상라이다 및 디지털카메라(DMC)를 통해 획득된 데이터를 처리함으로써 정확한 3차원 위치정보는 물론, 실물과 같은 현실감을 사용자에게 제공할 수 있는 3차원 공간정보를 구축하였다. 이를 통하여 보존 및 관리가 필요한 자연동굴을 대상으로 지상라이다를 이용한 3D 모델링 제작 기법을 정립하고, 텍스처 매핑 기법 등을 활용하여 보다 현실감 있는 3차원 공간정보의 구축 및 활용 방안 등을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 이러한 관리 방안으로 지상라이다 측량을 통해 종유석. 석순’ 석주 등의 동굴생성물에 대한 정확한 제원을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 천연기념물 제 384호로 지정된 제주특 별자치도 당처물동굴을 대상으로 3D 영상모형을 제작하기 위하여 지상라이다 및 디지털카메라(DMC)를 통해 획득된 데이터를 처리함으로써 정확한 3차원 위치정보는 물론, 실물과 같은 현실감을 사용자에게 제공할 수 있는 3차원 공간정보를 구축하였다. 이를 통하여 보존 및 관리가 필요한 자연동굴을 대상으로 지상라이다를 이용한 3D 모델링 제작 기법을 정립하고, 텍스처 매핑 기법 등을 활용하여 보다 현실감 있는 3차원 공간정보의 구축 및 활용 방안 등을 제시하고자 한다. 그림 1은 본 연구의 흐름도를 나타낸다.
제안 방법
1. 지상라이다를 이용하여 지하에 위치한 자연동굴의 정확한 3차원 위치정보와 색상정보를 갖는 점군데이터를 획득할 수 있었고, 자료처리 프로그램을 이용하여 3차원 모델을 생성할 수 있었다. 또한 고해 상도 카메라에 의해 획득한 종유석, 석순, 석주 등의 동굴 내부생성물들의 표면 영싱을 텍스처 매핑 프로그램을 이용하여 보다 현실감 있는 3차원 공간 정보로 표현할 수 있었다.
NURBS 형태로 작성된 데이터를 평면으로 펼쳐서 고 해상도 디지털카메라를 통해 획득한 사진자료를 매핑하였다. 이를 통해 실사에 가까운 질감으로 동굴을 표현할 수 있었다.
각 기계점별로 스캔된 점군데이터를 결합하여 각 기 준점의 오차값을 확인하고, 최적의 원시데이터를 획득 하는 작업인 데이터 정합을 시행하였다. 획득된 점군데이터는 지상라이다 설치위치를 스캐닝 대상물과의 거리 10m를 기준으로 하여 10mm 간격으로 스캐닝한 179, 992, 720개의 점으로서 각 점들은 x, y, z 좌표값, RGB 값, 그리고 반사강도(intensity)의 정보를 모두 포함하는 ASCII 파일로 출력하였다.
구축된 3차원 공간정보를 이용하여 동굴의 단면 분석을 수행하였다. 그림 20은 임의 지점에서의 단면 분석을 나타낸다.
기존의 측량 방식으로는 동굴의 폭, 높이, 길이의 표현 방법이 단순하여 활용가치가 없었으나 본 연구를 통해 생성된 3차원 공간정보는 동굴에 대한 표현 방법이 구체적이고, 정확한 데이터를 구현하였다.
노이즈 필터링은 동굴 내부의 난반사로 인해 발생된 노이즈를 Station 및 Object 별로 색상을 구분하고, 직접 선택하여 제거하는 방법을 사용하였으며, 노이즈 제거 후의 데이터를 대상으로 자동 샘플링 기능을 이용하여 높은 정확도의 데이터만 취급하였다. 그림 6은 노이즈 필터링 전 .
렌더링 프로그램인 Maya를 이용하여 Lighting, Reflecting, Shading 등의 처리를 통해 자연스러운 모델링 데이터를 생성하였디. 그림 11에 보이는 바와 같이 밝은 부분과 어두운 부분을 표현하기 위해 가상 조명의 방향을 설정하였고, 그림 12와 같이 빛의 반사에 의한 음영 효과를 적용시켰으며, 그림 13과 같이 그림자로 인해 어두워진 부분을 표현하였다.
본 연구를 통해 구축된 공간정보를 2003년에 기록된 “제주도 천연동굴 일제조사 보고서” 상의 조사표를 기초로 현재의 동굴 바닥, 천장, 벽면에 대한 각 부분별 형태 를분석하였다.
본 연구에서 획득된 3차원 데이터는 후처리 후 모델링 을 위해 OBJ 파일이나 ASCII 등 필요한 형식의 데이터로 포맷을 변환하였으며, 동굴 생성문든의 다양한 곡면을 표현하기 위해 NURBS 모델링을 수행하였다. 그림 9 는 생성물들에 대한 NURBS 모델을 나타낸다.
본 연구에서는 동굴의 3차원 측량을 위해 입구 주변에 3개의 기준점을 설치하고, 연구대상지 인근 도시기준점 을 기지점으로 GPS 정지측량 및 수준측량을 실시하여 3개 기준점들의 위치성과를 획득하였다. 이 기준점들을 이용하여 토털스테이션측량과 수준측량으로 동굴의 지 하기준점 성과를 획득하였고, 지하기준점들은 동굴 스 캐닝을 위한 지상라이다의 후시점으로 사용하였으며, 기계점 좌표 산출에 활용하였다.
지상라이다 설치 위치는 전 단면과 모든 생성물들을 스캐닝하기 위해 사각지역을 우선적으로 고려하여 5곳을 선정하였으며, 이를 통해 데이터의 손실을 최소화 하였다. 스캐닝 간격은 10cm X 10cm로, 종유석, 석순, 석주 등이 발달된 부분은 1cm X 1cm로 설정하였다. 그림 2는 동굴 내부 지상라이다 측량, 그림 3은 라이다 측량을 통해 획득한 점군데이터 및 사진을 나타낸다.
획득된 점군데이터는 지상라이다 설치위치를 스캐닝 대상물과의 거리 10m를 기준으로 하여 10mm 간격으로 스캐닝한 179, 992, 720개의 점으로서 각 점들은 x, y, z 좌표값, RGB 값, 그리고 반사강도(intensity)의 정보를 모두 포함하는 ASCII 파일로 출력하였다. 오차량은 타겟을 이용하여 자동으로 계산하였고, 지상라이다와 타겟 간의 Δx,Δy, Δz 값을 2mm 이하로 구현하였으며, 정밀도가 낮은 타겟은 삭제하여 정밀도를 향상시켰다. 그림 4는 일부 Sphere Ball의 설치 위치를 나타내며, 표 1은 Sphere Ball의 중심 좌표, 그림 5는 획득한 데이터의 정합을 나타낸다.
그림 8의 매쉬 데이터는 3차원 폴리곤 생성이나 NURBS(Non Uniform Rational B-Spline) 모델링을 위한 기초자료로 사용할 수 있고, 매쉬 데이터 형태로 편집 및 보완이 가능하다. 이 과정에서 미확보된 부분의 데이터 보간 및 연결을 실시하였다.
본 연구에서는 동굴의 3차원 측량을 위해 입구 주변에 3개의 기준점을 설치하고, 연구대상지 인근 도시기준점 을 기지점으로 GPS 정지측량 및 수준측량을 실시하여 3개 기준점들의 위치성과를 획득하였다. 이 기준점들을 이용하여 토털스테이션측량과 수준측량으로 동굴의 지 하기준점 성과를 획득하였고, 지하기준점들은 동굴 스 캐닝을 위한 지상라이다의 후시점으로 사용하였으며, 기계점 좌표 산출에 활용하였다. 지상라이다 설치 위치는 전 단면과 모든 생성물들을 스캐닝하기 위해 사각지역을 우선적으로 고려하여 5곳을 선정하였으며, 이를 통해 데이터의 손실을 최소화 하였다.
대상 데이터
단면 분석은 입구에서 직선거리 약 50m 떨어진 지점을 대상으로 하였다. 이 지점은 동굴이 갈라지기 시작하는 지점으로 석순, 석주 및 종유석 등 내부 생성물이 다양하게 발달되어 있다.
이 기준점들을 이용하여 토털스테이션측량과 수준측량으로 동굴의 지 하기준점 성과를 획득하였고, 지하기준점들은 동굴 스 캐닝을 위한 지상라이다의 후시점으로 사용하였으며, 기계점 좌표 산출에 활용하였다. 지상라이다 설치 위치는 전 단면과 모든 생성물들을 스캐닝하기 위해 사각지역을 우선적으로 고려하여 5곳을 선정하였으며, 이를 통해 데이터의 손실을 최소화 하였다. 스캐닝 간격은 10cm X 10cm로, 종유석, 석순, 석주 등이 발달된 부분은 1cm X 1cm로 설정하였다.
각 기계점별로 스캔된 점군데이터를 결합하여 각 기 준점의 오차값을 확인하고, 최적의 원시데이터를 획득 하는 작업인 데이터 정합을 시행하였다. 획득된 점군데이터는 지상라이다 설치위치를 스캐닝 대상물과의 거리 10m를 기준으로 하여 10mm 간격으로 스캐닝한 179, 992, 720개의 점으로서 각 점들은 x, y, z 좌표값, RGB 값, 그리고 반사강도(intensity)의 정보를 모두 포함하는 ASCII 파일로 출력하였다. 오차량은 타겟을 이용하여 자동으로 계산하였고, 지상라이다와 타겟 간의 Δx,Δy, Δz 값을 2mm 이하로 구현하였으며, 정밀도가 낮은 타겟은 삭제하여 정밀도를 향상시켰다.
성능/효과
3. 3차원 공간정보를 통해 동굴의 폭, 길이, 높이 측정은 물론, 역설계를 통해 기존의 부정확한 도면을 대체할 높은 정확도의 도면제작이 가능할 것으로 판단된다.
구축된 데이터를 이용하여 동굴의 폭, 높이, 길이를 산정할 수 있었으며, 이를 통해 기존의 고고학이나 지질학 관련 자료에 제시된 “길이 110m, 폭 5.5m~18.4m, 높이 0.3~2.7m 규모의 동굴”이라는 단편적인 정보가 아닌 동굴 전체 단면에 대한 시작점에서부터 끝점까지의 경사거리, 수평거리, 수직거리에 대한 정확한 제원의 표시가 가능하였다. 그림 17은 동굴의 폭으로, No.
그림 16은 제주도동굴연구소에서 기존의 동굴측량 방법을 통해 작성한 도면(김범훈, 2007)과 지상라이다 측 량의 결과를 나타낸다. 기존의 측량방법을 통해 제작된 도면에서는 동굴의 평면적인 형태만을 대략적으로 파악 할 수 있으나, 본 연구를 통해 구축된 3차원 공간정보에 서는 세부적인 형태는 물론, 내부 생성물들의 정확한 형상까지도 파악할 수 있다.
당처물동굴의 전체 직선거리는 약 83m정도였으며, 동굴의 입구 부근이 안쪽보다 약 1m정도 높다는 것을 알 수 있었다.
당처물동굴의 최대 폭은 약 17m정도였으며, 입구에서 내부로 갈수록 폭이 좁아지다가 다시 넓어지면서 두 갈래로 갈라지는 구조로 이루어져 있음을 알 수 있었다. 그림 18은 동굴의 높이이며, 표 3은 그 제원을 나타낸다.
동굴의 높이는 2m~3m 정도였으며, 입구 부근에서 약 3m, 동굴이 갈라지는 부근에서 약 2m로 나타났다. 그림 19 는 동굴 전체의 길이이고, 표 4에 그 제원을 나타내었다.
지상라이다를 이용하여 지하에 위치한 자연동굴의 정확한 3차원 위치정보와 색상정보를 갖는 점군데이터를 획득할 수 있었고, 자료처리 프로그램을 이용하여 3차원 모델을 생성할 수 있었다. 또한 고해 상도 카메라에 의해 획득한 종유석, 석순, 석주 등의 동굴 내부생성물들의 표면 영싱을 텍스처 매핑 프로그램을 이용하여 보다 현실감 있는 3차원 공간 정보로 표현할 수 있었다.
확대 단면에서 폭이 약 11m인 타원형이었다. 또한, 빗물의 유입을 통해 생성된 종유석이 천장 중앙부에 집중 분포되어 있고, 왼쪽 벽면에는 천장과 바닥이 이어진 석주가 존재하며, 오른쪽 벽면은 비교적 매끈한 상태의 수직면 또는 급사면이 형성되어 있는 것을 알 수 있었다.
석주와 종유석이 매우 밀집된 당처물동굴의 측면에서 줄자를 이용하여 석주의 길이를 측정하는 것은 동굴의 훼손 가능성이 매우 높으므로, 본 연구에서와 같이 정밀하게 구축된 3차원 공간정보를 활용하는 것이 효과적일 것으로 판단된다. 표 7은 구축된 3차원 공간정보를 통해 분석한 석주의 제원을 나타낸다.
천장의 경우, 그림 22에서 보이는 바와 같이 불규칙적으로 생성된 다양한 종류의 종유석들을 확인할 수 있었다. 이를 통해 천장의 균열을 따라 뻗어 내린 식물의 뿌리들을 축으로 종유석들이 다양하게 생성된다는 것을 알 수 있었다.
후속연구
2. 동굴 내부 생성물 중 대표적인 종유석, 석순, 석주를 추출하여 형상을 분석함으로써 추후 변형 및 변화 탐지의 기초데이터로 활용 가능함을 제시하였다.
4.향후 기존의 간이평판과 기록지를 이용하는 동굴 관리에 지상라이다를 적용한다면, 지하공간의 효율적 관리 및 보존을 위한 자료로 그 활용도가 매우 높을 것으로 기대된다.
이와 같이 지상라이다를 통해 구축된 3차원 공간정보를 이용하여 동굴 내부 주요 생성물들의 제원 추출이 가능하였다, 기존의 일부 표본 추출과 줄자를 이용하던 동굴생성물들의 제원 관리에 지싱라이다를 적용한다면 더욱 효과적인 관리가 이루어질 것이다. 또한, 이를 통해 획득한 데이터들은 고고학, 동굴학, 지질학 등 관련 연구의 기초자료로 활용 가능할 것이며, 특정 지역에 대한 주기적인 데이터 획득을 통해 동굴 내부 생성물들의 변형 및 훼손 정도를 모니터링 할 수 있을 것이다.
이와 같이 지상라이다를 통해 구축된 3차원 공간정보를 이용하여 동굴 내부 주요 생성물들의 제원 추출이 가능하였다, 기존의 일부 표본 추출과 줄자를 이용하던 동굴생성물들의 제원 관리에 지싱라이다를 적용한다면 더욱 효과적인 관리가 이루어질 것이다. 또한, 이를 통해 획득한 데이터들은 고고학, 동굴학, 지질학 등 관련 연구의 기초자료로 활용 가능할 것이며, 특정 지역에 대한 주기적인 데이터 획득을 통해 동굴 내부 생성물들의 변형 및 훼손 정도를 모니터링 할 수 있을 것이다.
당처물동굴의 석순은 그 높이가 전체적으로 높지 않고, 옆으로 퍼져있는 형태가 대부분이지만 동굴의 양 측면의 경우, 천장과 거의 맞닿을 정도로 높은 석순도 분포되어 있다. 향후, 지속적인 데이터 갱신을 통해 석순에 대한 석주로의 발달 과정 이나 자연 노출로 인한 훼손 추이 정도를 파악할 수 있을 것으로 판단된다. 그림 26 은 석순을 나타내며.
참고문헌 (8)
김경수, 배대석, 김중열 (2008), 지하연구시설(KURT) 슬림흘 광학스캐너를 이용한 단열구조 입체화 연구, 대한지질공학회 2008년 학술대회 논문집, 대한지질공 학회, pp.185-190.
김범훈 (2007), 제주도 용암동굴의 보존 및 관리 방안 : 천연기념물 및 제주도기념물 지정 동굴을 대상으로, 석사학위논문, 제주대학교.
문화재청 (2003), 제주도 천연동굴 일제조사 보고서.
윤운상, 박정훈, 박성욱, 동승환, 임형규, 이근병 (2007), 특수지질에서의 암반구조물에 대한 레이저스캐너를 이용한 조사 적용사례 연구, 한국암반공학회 특별 심포지엄, 한국암반공학회, pp.341-349.
최원일 (2009), 철도 NATM터널의 효율적 시공을 위한 터널계측 방법에 관한 연구, 석사학위논문, 서울산업대학교.
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