[논문]디지털 사진측량에 의한 암석의 절리면 거칠기 측정에 관한 연구

서현교; 엄정기

doi:10.7474/tus.2012.22.6.438

디지털 사진측량에 의한 암석의 절리면 거칠기 측정에 관한 연구
A Study on Measurement of Rock Joint Roughness Using the Digital Photogrammetry 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.22 no.6 = no.101, 2012년, pp.438 - 448

서현교 (부경대학교 에너지자원공학과) , 엄정기 (부경대학교 에너지자원공학과)

초록
AI-Helper

이 연구는 암석 절리면의 거칠기 측정을 위하여 범용의 일안반사식 디지털카메라를 이용한 사진측량의 방법론 및 적용성을 고찰하였다. 암석 절리면에 대한 사진측량 및 레이저 프로파일러에 의한 측정을 통하여 다양한 이차원적 거칠기 단면을 구성하고 통계적 거칠기 파라미터를 산정한 결과 디지털 사진측량이 레이저 프로파일러에 비하여 거칠기를 과소평가 하는 것으로 나타났다. 거칠기의 정도에 따른 거칠기 파라미터의 변화양상은 두 측정법에서 매우 유사하게 나타났다. 카메라의 촬영방향은 거칠기 측정에 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 분석되었다. 디지털 사진측량은 현장에서 비교적 큰 제약 없이 저비용으로 다양한 규모의 거칠기를 측정하는 데에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Applicability of the digital photogrammetry technique for measurement of rock joint roughness is addressed in this study using the DSLR camera. Measurements of roughness were performed for two rock joint specimens using the laser profiler and the digital photogrammetry technique. The statistical roughness parameters were estimated for two dimensional roughness profiles constructed from each method. Obtained results showed that the statistical roughness parameters estimated from the digital photogrammetry technique were lower than that based on the laser profilometer, even though a high degree of correlation might exist between them. The effects of camera direction on roughness measurements were found to negligible in practice. The digital photogrammetry could be a cost effective method to measure the roughness of rock joints with various scale at the fields.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이와 같이 사진측량 및 레이저 프로파일러에 의해 추출된 거칠기 단면에 대하여 통계적 거칠기 파라미터를 산정하고 두 측정방법에 의한 결과가 제시되었다. 또한, 이 연구는 사진촬영 조건이 측정 결과에 미치는 영향에 대해서도 분석하였다.
이 연구는 레이저 프로파일러를 이용하여 측정한 절리면 거칠기를 기준으로 사진측량에 의한 절리면 거칠기를 비교함으로서 거칠기 연구를 위한 사진측량 기법의 적용 가능성을 고찰하는 것이 주목적이다. 이를 위하여 이 연구에서 사용된 암석 시료는 국내에 널리 분포하는 화강암이다.
예로서 측점 간의 간격이 10 mm 정도로 큰 경우라고 가정 하면 레이저 프로파일러나 사진측량에 의한 방법 모두 매우 평탄한 절리면에 해당하는 거칠기 파라미터 값을 도출할 것이다. 이 연구는 사진측량 기법이 가질 수 있는 문제점 및 현장적용 가능성을 고찰하는 데에 초점을 두고자하며 측점 간의 거리에 의한 거칠기 값의 변화에 관계된 사항은 논외로 한다.
이 연구는 암석 절리면의 거칠기 측정을 위하여 범용의 일안반사식 디지털카메라를 이용한 사진측량의 방법론 및 적용성을 고찰하였다. 이를 위하여 암석 절리면에 대한 거칠기 측정이 사진측량 및 레이저 프로파일러를 통하여 수행되었으며, 절리 거칠기 면에 대한 각각의 수치표고모델로부터 다양한 거칠기 정도를 갖는 거칠기 단면이 추출되었다.
이 연구에서는 카메라의 촬영방향과 절리면의 수직방향이 이루는 각도를 40° 이내로 제한하고 이에 따른 거칠기 파라미터의 변화를 고찰하였다.
8에 나타난 GR-2의 결과에서도 디지털 사진측량에 의한 거칠기 값이 레이저 프로파일러에 의한 거칠기 값보다 전체적으로 낮은 값을 나타내지만 거칠기의 정도에 따른 파라미터의 변화양상은 유사하다는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과는 범용의 디지털 카메라에 의한 근접사진측량이 미세 거칠기의 진폭 또는 기울기를 레이저 프로파일러 만큼의 정밀도로 고려하기에는 어려움이 있을 수 있지만 디지털 사진측량이 거칠기의 측정에 유용하게 활용될 수 있는 가능성을 지시한다.

가설 설정

측점 간의 간격이 거칠기 파라미터 값에 미치는 영향에 대해서는 기존에 여러 연구자들에 의하여 논의된 바 있으며(Seo and Um, 2012), 간격이 커질수록 두 방법에 의한 결과가 더욱 일치할 것으로 사료된다. 예로서 측점 간의 간격이 10 mm 정도로 큰 경우라고 가정 하면 레이저 프로파일러나 사진측량에 의한 방법 모두 매우 평탄한 절리면에 해당하는 거칠기 파라미터 값을 도출할 것이다. 이 연구는 사진측량 기법이 가질 수 있는 문제점 및 현장적용 가능성을 고찰하는 데에 초점을 두고자하며 측점 간의 거리에 의한 거칠기 값의 변화에 관계된 사항은 논외로 한다.

제안 방법

3은 이 연구에서 사용한 시편의 사진이다. 두 개의 화강암 절리면에 대한 수치표고모델이 레이저 프로파일러와 디지털 사진측량에 의하여 각각 구현되었다.
이 연구는 암석 절리면에 대하여 범용의 디지털 카메라에 의한 근접사진측량과 레이저 프로파일러에 의한 측정을 통하여 절리면 거칠기에 대한 수치표고모델을 구현하고 통계적 거칠기 파라미터를 적용하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
포인트 클라우드를 이루는 각각의 점에 대한 공간좌표는 식 (1)에 의하여 산정될 수 있다. 이 연구에서는 디지털영상으로부터 포인트 클라우드를 구현하기까지 렌즈의 화각에 따른 왜곡 보정과 일련의 공정을 수행할 수 있는 3G사의 ShapeMetrix3D 소프트웨어를 사용하였다.
이를 위하여 GR-1 시편의 66.5 mm×66.5 mm 면적에 대하여 촬영방향을 연직방향으로 설정하고 절리면을 0°, 20°, 40°의 경사를 유지시키면서 촬영한 디지털 영상으로부터 각각에 대한 수치표고모델을 구현하였다.
이 연구는 암석 절리면의 거칠기 측정을 위하여 범용의 일안반사식 디지털카메라를 이용한 사진측량의 방법론 및 적용성을 고찰하였다. 이를 위하여 암석 절리면에 대한 거칠기 측정이 사진측량 및 레이저 프로파일러를 통하여 수행되었으며, 절리 거칠기 면에 대한 각각의 수치표고모델로부터 다양한 거칠기 정도를 갖는 거칠기 단면이 추출되었다. 이와 같이 사진측량 및 레이저 프로파일러에 의해 추출된 거칠기 단면에 대하여 통계적 거칠기 파라미터를 산정하고 두 측정방법에 의한 결과가 제시되었다.
이를 위하여 암석 절리면에 대한 거칠기 측정이 사진측량 및 레이저 프로파일러를 통하여 수행되었으며, 절리 거칠기 면에 대한 각각의 수치표고모델로부터 다양한 거칠기 정도를 갖는 거칠기 단면이 추출되었다. 이와 같이 사진측량 및 레이저 프로파일러에 의해 추출된 거칠기 단면에 대하여 통계적 거칠기 파라미터를 산정하고 두 측정방법에 의한 결과가 제시되었다. 또한, 이 연구는 사진촬영 조건이 측정 결과에 미치는 영향에 대해서도 분석하였다.

대상 데이터

촬영 거리는 절리면에서 카메라까지 300 mm이며, 수평으로 50 mm 이동하여 촬영하는 방식으로 각각의 시편에서 두개의 디지털영상이 취득되었다. 각각의 절리면에서 취득된 영상으로부터 왜곡 보정과 영상 정합 과정을 통하여 포인트 클라우드가 산정되었으며 0.5 mm의 정방형 격자로 수치표고모델을 위한 자료가 추출되었다.
디지털 일안반사식 카메라인 D90의 유효화소수는 약 1200만 화소로 이며, 연구에 사용된 영상의 크기는 L size(4288×2848 화소)이다.
디지털 일안반사식 카메라인 D90의 유효화소수는 약 1200만 화소로 이며, 연구에 사용된 영상의 크기는 L size(4288×2848 화소)이다. 렌즈는 Sigma사의 50 mm 접사렌즈를 사용하였다. 촬영 거리는 절리면에서 카메라까지 300 mm이며, 수평으로 50 mm 이동하여 촬영하는 방식으로 각각의 시편에서 두개의 디지털영상이 취득되었다.
이 연구에서 디지털 사진측량에 사용된 카메라는 Nikon 사의 D90 기종이다. 디지털 일안반사식 카메라인 D90의 유효화소수는 약 1200만 화소로 이며, 연구에 사용된 영상의 크기는 L size(4288×2848 화소)이다.
이 연구에서 사용된 삼차원 레이저 프로파일러는 최대 200 mm × 200 mm의 면적을 측정할 수 있으며 높이 조절은 100 mm 까지 가능하다(Fig. 4).
이 연구는 레이저 프로파일러를 이용하여 측정한 절리면 거칠기를 기준으로 사진측량에 의한 절리면 거칠기를 비교함으로서 거칠기 연구를 위한 사진측량 기법의 적용 가능성을 고찰하는 것이 주목적이다. 이를 위하여 이 연구에서 사용된 암석 시료는 국내에 널리 분포하는 화강암이다. 현장에서 절리를 포함하는 화강암 블록을 채취하고 실내 성형을 통하여 GR-1(66.
5 mm 이다. 이와 같은 이차원적 거칠기 단면이 시료의 길이 방향으로 0.5 mm 간격으로 추출되었으며, 거칠기 단면의 총 개수는 GR-1, GR-2에서 각각 148개, 166개이다. Fig.
렌즈는 Sigma사의 50 mm 접사렌즈를 사용하였다. 촬영 거리는 절리면에서 카메라까지 300 mm이며, 수평으로 50 mm 이동하여 촬영하는 방식으로 각각의 시편에서 두개의 디지털영상이 취득되었다. 각각의 절리면에서 취득된 영상으로부터 왜곡 보정과 영상 정합 과정을 통하여 포인트 클라우드가 산정되었으며 0.
현장에서 절리를 포함하는 화강암 블록을 채취하고 실내 성형을 통하여 GR-1(66.5 mm×73.5 mm) 및 GR-2(65.5 mm× 82.5 mm) 두 개의 시편이 제작되었다.

데이터처리

이 연구에서는 거칠기 크기에 대한 정량적 분석을 위하여 Fig. 6과 같이 수치표고모델에서 추출한 이차원적 거칠기 단면에 대하여 기존에 통계적 거칠기 분석을 통하여 제안된 다양한 거칠기 파라미터 중 일차미분의 제곱평방자승근(Z₂), 평균기울기(SL_ave), 기울기의 표준편차(SD_SL) 등을 적용하였다. 이차원적 거칠기 단면에서 측점간격(∆x)이 일정하고 전체 측점수가 N일 때 각각의 통계량을 산정하는 식은 다음과 같다(Seo and Um, 2012).

이론/모형

이와 같은 거칠기 파라미터를 산정하기 위하여 초창기의 프로파일게이지(Barton and Choubey, 1977; Brown and scholz, 1985)를 비롯하여, 촉침식 프로파일러(Swan, 1983; Lee et al., 1990, Kulatilake et al., 1995), 레이저 프로파일러(Huang et al., 1992, Jermy, 1995, Lee et al., 1997, Bea and Lee, 2002, Jang et al., 2010, Park et al., 2012), 라이더(Kim and John, 2009) 등을 이용한 거칠기 측정 방법으로 암석 절리면의 표고가 측정되었다. 이들 중 레이저 프로파일러가 고해상도로 비교적 정밀하게 암석표면의 형상화 할 수 있는 것으로 인식되고 있으나, 이러한 장점에도 불구하고 실내실험실에서만 사용 가능하다는 점과 장비가 고가라는 점으로 인하여 현장 기술자들은 현재에도 프로파일게이지를 이용한 JRC에 의한 거칠기 정량화를 선호하는 실정이다.

성능/효과

1. 측점 간의 간격이 0.5 mm인 거칠기 단면에 대하여 통계적 거칠기 파라미터를 산정한 결과 디지털 사진 측량이 거칠기를 과소평가 하는 것으로 나타났다. 이는 범용의 디지털카메라와 렌즈를 사용한 사진측량이 미세 거칠기의 진폭 또는 기울기를 레이저 프로파일러의 정밀도로 고려하기 어렵기 때문인 것으로 판단된다.
2. 거칠기의 정도에 따른 거칠기 파라미터의 변화 양상은 두 측정법에서 매우 유사하게 나타났다. 두 측정법에 의한 결과 간에 상관성이 존재할 수 있다고 사료되며 이를 위하여 다수의 거칠기 시편에 대한 측정･분석을 통한 후속 연구가 필요하다.
3. 절리면의 수직방향에 대하여 촬영방향이 이루는 각이 40° 이내인 경우 카메라의 촬영방향이 거칠기 측정에 주목할 만한 영향을 미치지 못하는 것으로 분석되었다. 차후 촬영기선거리비 및 렌즈의 초점거리 등과 같은 촬영조건에 대한 적절한 지침이 수립된다면 현장적용성이 확보될 수 있을 것으로 기대된다.
GR-1 및 GR-2에 대한 수치표고모델 결과를 육안으로 관찰하였을 때 절리면 거칠기에 의한 기복을 재연함에 있어서 두 측정방법 간의 차이가 크지 않다는 것을 알 수 있다. 그러나 미세 거칠기에 의한 표면기복을 재현함에 있어서는 레이저 프로파일러에 의한 결과가 디지털 사진측량에 의한 결과보다 우수함을 인지할 수 있다.
5 mm인 경우 레이저 프로파일러에 비해 낮은 값을 나타내나 측점 간의 간격이 1 mm에서는 두 결과가 거의 유사하다고 보고한 바 있다. 또한, 사진측량을 이용한 방법에서 측점 간의 간격이 0.5 mm에서 1 mm, 2 mm로 늘어남에 따라 더욱 낮은 JRC 값을 도출하였다. 측점 간의 간격이 거칠기 파라미터 값에 미치는 영향에 대해서는 기존에 여러 연구자들에 의하여 논의된 바 있으며(Seo and Um, 2012), 간격이 커질수록 두 방법에 의한 결과가 더욱 일치할 것으로 사료된다.
(2006)은 카메라 방식의 3-D 스케너를 이용하여 암석 거칠기를 측정하고 거칠기가 레이저 프로파일러에 의한 방법보다 10% 정도 더 크게 평가된다고 보고한 바 있다. 또한, 신속성, 정밀성 및 정확성 면에서 카메라 방식의 3-D 스케너에 의한 거칠기 측정법이 갖는 장점을 개진하였다. 그러나 장비의 고가성과 소규모의 절리면에 대한 실내측정만 가능한 점은 다양한 현장조건에 대하여 보편적으로 적용하기에는 제약이 따를 수 있다고 사료된다.
Table 1은 GR-1 및 GR-2에 대하여 계산한 통계적 거칠기 파라미터의 평균, 표준편차, 최대값, 최소값 등을 수록하고 있다. 수치표고모델에서 각각의 거칠기 단면에 대한 통계적 거칠기 파라미터의 평균은 Z₂, SL_ave, SD_SL 모두 GR-1의 경우 약20%, GR-2의 경우 약 30% 가량 디지털 사진측량에 의한 값이 레이저 프로파일러에 의한 값보다 낮게 나타났다. Fig.
여기서, 가로축은 레이져 프로파일러에 의한 값을, 세로축은 디지털 사진측량에 의한 값으로 두 측정방식에 의한 파라미터 값이 같다면 파라미터 값은 오차 0%선 상에 위치할 것이다. 이 연구에서 사용한 모든 파라미터 공히 디지털 사진측량에 의한 값이 낮게 나타남을 알 수 있다. 레이저 프로파일러에 의한 파라미터 값이 높게 산정된 거칠기 단면일수록 두 방법 간의 차이가 더욱 커지는 경향을 확인할 수 있지만 전체적으로 20～30% 범위의 오차 내에 파라미터 값이 산포한다.

후속연구

4. 디지털 사진측량이 현장에서 저비용으로 다양한 규모의 거칠기 측정에 활용되기 위해서는 측정 절차에 관련된 표준시험법의 제정과 거칠기 평가 기준의 확립이 선행되어야 한다.
거칠기의 정도에 따른 거칠기 파라미터의 변화 양상은 두 측정법에서 매우 유사하게 나타났다. 두 측정법에 의한 결과 간에 상관성이 존재할 수 있다고 사료되며 이를 위하여 다수의 거칠기 시편에 대한 측정･분석을 통한 후속 연구가 필요하다.
디지털 사진측량에 의한 파라미터 값에 대하여 두 측정법 간의 오차를 평균한 25%를 증가시킨 결과 두 측정법에 의한 결과가 유사해 짐을 확인할 수 있다. 이는 디지털 사진측량에 의한 파라미터 값과 레이저 프로파일러에 의한 파라미터 값의 상관성에 대한 적절한 지침이 수립된다면 현장적용성이 확보될 수 있다고 사료되며, 이를 위하여 체계적인 후속 연구가 뒷받침 되어야 할 것이다.
절리면의 수직방향에 대하여 촬영방향이 이루는 각이 40° 이내인 경우 카메라의 촬영방향이 거칠기 측정에 주목할 만한 영향을 미치지 못하는 것으로 분석되었다. 차후 촬영기선거리비 및 렌즈의 초점거리 등과 같은 촬영조건에 대한 적절한 지침이 수립된다면 현장적용성이 확보될 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 사용되는 거칠기 측정법에 따라 거칠기에 대한 평가가 달라지므로 측정법에 따라 측정 절차에 관련된 표준시험법의 제정과 거칠기 평가 기준을 확립하는 것이 무엇보다도 중요하다고 사료된다. 현재 암반공학 분야에서 국내외적으로 많은 연구자들이 사진측량과 관련된 연구를 수행하고 있으며, 차후 촬영거리와 관계된 촬영기선거리비에 의한 영향, 사용하는 렌즈에 따른 초점거리에 의한 영향 등과 같은 촬영조건에 대한 다양한 연구결과가 도출된다면 사진측량에 의한 거칠기 측정법의 현장적용성이 확보될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이저 프로파일러의 단점은 무엇인가?	, 2012), 라이더(Kim and John, 2009) 등을 이용한 거칠기 측정 방법으로 암석 절리면의 표고가 측정되었다. 이들 중 레이저 프로파일러가 고해상도로 비교적 정밀하게 암석표면의 형상화 할 수 있는 것으로 인식되고 있으나, 이러한 장점에도 불구하고 실내실험실에서만 사용 가능하다는 점과 장비가 고가라는 점으로 인하여 현장 기술자들은 현재에도 프로파일게이지를 이용한 JRC에 의한 거칠기 정량화를 선호하는 실정이다.
	암석 절리면 거칠기는 무엇에 지대한 영향을 미치는가?	암석 절리면 거칠기는 암반의 강도 및 변형, 수리학적 특성, 파괴 거동 등을 좌우하는 데에 지대한 영향을 미친다. 절리면 거칠기가 암반의 전단강도에 미치는 영향을 파악하기 위하여 국내외적으로 많은 연구가 수행된 바 있으며 현재에도 암석 절리면의 거칠기는 암반공학 분야에서 중요한 연구 주제 중 하나로 인식되고 있다.
	픅점 간의 간격이 0.5mm인 거칠기 단면에 대하여 통계적 거칠기 파라미터를 산정한 결과 디지털 사진 측량이 거칠기를 과소평가 하는 이유는 무엇인가?	5 mm인 거칠기 단면에 대하여 통계적 거칠기 파라미터를 산정한 결과 디지털 사진 측량이 거칠기를 과소평가 하는 것으로 나타났다. 이는 범용의 디지털카메라와 렌즈를 사용한 사진측량이 미세 거칠기의 진폭 또는 기울기를 레이저 프로파일러의 정밀도로 고려하기 어렵기 때문인 것으로 판단된다.

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저자의 다른 논문 :

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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