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문제 정의
- 본 연구에서는 기존의 센서를 설치하여 측정하는 방식과 비교하여 설치 및 계측에 제약이 상대적으로 적고 3차원 변위를 정밀하게 측정할 수 있는 사진측량기법을 이용하여 사면모형에서 발생하는 변위와 파괴형상을 측정하는데 목적을 두고 수행하였다.
제안 방법
- 대상물의 사진촬영은 그림 8과 같이 사면모형 주위로 수렴 촬영을 하였으며 촬영거리는 약1.5∼2.0m로 하였다.
- 또한, 기준점의 좌표축은 CP04를 원점으로 하고 CP05를 X축으로 고정한 뒤, CP01 방향을 -Y축, CP07 방향을 Z축으로 설정하여 좌표변환을 실시하였다. 기준점 성과 및 위치는 표 2, 그림 7과 같다.
- 또한, 타겟 중심점의 영상좌표, 기준점 측량성과와 내부표정요소를 초기값으로 하여 표정 및 광속조정(standard deviation of unit weight: 0.1 pixel)을 수행함으로써 실험 1∼실험 7의 타겟 중심점에 대한 3차원 좌표값을 모두 계산하였다.
- 반사타겟의 중심 영상좌표를 효과적으로 추출하기 위하여 촬영된 영상을 영상처리기법을 이용하여 원형타겟과 구형타겟의 형태 추출을 위한 히스토그램 분석을 실시하고 이진영상처리를 실시하였다. 이진영상처리는 영상 데이터의 경계값(threshold)을 처리하는 과정으로 경계값 처리는 입력 영상의 각 화소에 대해서 명도가 있는 일정값 이상이 경우에 대응하는 출력 영상의 화소값을 1로서, 그 외의 경우는 0으로 처리하였다.
- 본 연구는 사면 안정성을 평가하기 위한 진동실험시 사면모형의 3차원 변위 및 파괴 형상을 근거리 사진측량 기법을 이용하여 측정하였으며 기준점 측량, 이진영상처리를 통한 영상좌표 추출, 진동실험 후 구형타겟의 3차원 좌표 측량, 실험별 변위량 산출 및 파괴 형상 도화 순으로 실험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
- 연구를 위하여 진동대를 이용하여 사면모형에 지진파를 일정 시간간격으로 부가함으로써 사면 파괴 시까지 실험을 진행하고 각 단계별로 촬영된 사진을 이용하여 사면 모형 지표부 및 내부에 설치한 측점의 3차원 변위와 파괴부의 형상을 정밀하게 측정함으로써 사면변형 및 파괴를 해석하기 위한 기초자료로 활용할 수 있도록 하였다.
- 진동대를 이용한 지진파 실험에 앞서 데이터 처리시 정확도를 높이기 위하여 사면모형 챔버에 설치된 원형타겟 중 7점을 선정하여 기준점 측량을 실시하였다. 기준점 측량은 대상물에 인바 스케일바를 설치하고 총 30매의 사진을 촬영하여 사진측량에 의해 계산하였으며 진동 실험시 사면모형의 변위를 측정하기 위한 기준점으로 이용하였다(S.
- 진동실험은 4m/s2의 진동가속도로 14초 간격으로 실시하였으며 진동 실험전 초기상태를 측정하기 위하여 사진촬영을 실시(실험1)하고 사면파괴시까지 각 단계별로 6회(실험2∼실험7) 사진촬영을 하여 총 7회(실험1∼실험7)를 진행하였다.
- 촬영한 영상은 경계값을 120, 140, 160으로 구분하여 이진화하고 이진영상에서 원형 형상의 중심좌표를 추출하였다.
대상 데이터
- 둘째, 실험에서 사용된 57개의 구형타겟은 실험 1에서 실험 6까지 모두 추출 되었으나, 사면파괴가 발생한 실험 7에서 토사에 매몰된 5개의 구형타겟을 제외한 52개의 구형타겟이 추출되었다.
- 사면모형 챔버는 스테인레스 스틸과 투명 아크릴로 제작되었으며 형상 및 크기는 그림 1과 같다. 또한, 실험에서 사용한 원형타겟 및 구형타겟은 빛반사 재질로 제작하였으며 형상은 그림 2, 그림 3과 같다.
- 본 연구에서는 사면모형 진동실험을 위하여 사면모형 챔버 및 진동대에 직경 5mm의 원형타겟을 부착하였으며 사면모형의 지표부 및 내부측면에 57개의 구형타겟을 설치하였다.
- 사진촬영에는 카메라 검정이 이루어진 Canon EOS 5D 카메라와 Canon EF 50mm f/1.4 USM 렌즈를 이용하였으며 실험에 이용한 카메라 내부표정요소는 표 1과 같다.
- 실험에서 사용된 57개의 구형타겟은 실험 1에서 실험 6까지 모두 추출 되었으며 사면파괴가 발생한 실험 7에서 토사에 매몰된 5개의 구형타겟을 제외한 52개의 구형타겟이추출되었다.
- 지진파에 의한 사면의 진동변위를 실험하기 위한 실험 환경은 그림 6과 같이 진동대, 진동모터(shaker), 사면모형 챔버로 구성하였다.
이론/모형
- 진동대를 이용한 지진파 실험에 앞서 데이터 처리시 정확도를 높이기 위하여 사면모형 챔버에 설치된 원형타겟 중 7점을 선정하여 기준점 측량을 실시하였다. 기준점 측량은 대상물에 인바 스케일바를 설치하고 총 30매의 사진을 촬영하여 사진측량에 의해 계산하였으며 진동 실험시 사면모형의 변위를 측정하기 위한 기준점으로 이용하였다(S. H. Jung, 2008).
성능/효과
- 분석결과 그림 9와 같이 원형타겟의 경우 경계값이 120에서 160으로 처리된 이진영상에서 명확히 원형의 형상을 추출할 수 있었으며 구형타겟의 경우 120에서 140 사이에서 대부분 추출 할 수 있었다.
- 셋째, 각 실험별 평균제곱근오차를 계산한 결과 실험 6-7에서 X 방향 1.495mm, Y 방향 23.328mm, Z 방향 10.910mm로 가장 큰 변위가 발생하였으며 진동방향인 Y 축방향에서 변위가 크게 발생하였다.
- 실험별 발생한 변위량으로 평균제곱근오차(RMSE)를 계산한 결과 표 3과 같이 실험 6-7에서 가장 많은 변위가발생하였으며 X방향으로 1.495mm, Y방향으로 23.328mm, Z방향으로10.910mm이었다.
- 실험시 촬영한 동영상 자료와 비교한 결과 초기 진동이후 실험 2에서 실험 5(그림 19)까지 사면은 미세한 크랙만 발생할 뿐 안정적으로 유지가 되었으나 실험 6(그림 20)에서 뚜렷한 변위가 발생하기 시작하여 실험 7(그림 21)에서 사면이 파괴가 되었으며 실험결과와 일치하고 있음을 확인하였다.
- 첫째, 이진영상처리를 실시하여 타겟의 중심 영상좌표를 효과적으로 자동 추출하였으며 원형 형상크기를 제한함으로써 타겟 이외의 잡음성분이 추출되는 것을 줄일 수있었다.
후속연구
- 이상과 같이 연구를 통해 근거리 사진측량을 이용하여 진동으로 인한 모형사면의 지표부 및 내부에서 발생한 3차원 변위와 파괴부의 형상을 정밀하게 측정함으로써 사면변위 및 파괴형상을 해석하기 위한 기초자료로 활용할 수 있었으며, 향후 다양한 조건 및 환경에서 실험을 통해 측정 정확도를 평가하고 사면 유형별 측정방법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단한다.
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