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문제 정의
- , 2012), 이러한 토목 건설현장의 효율적인 관리를 위해서는 직접 현장을 방문하여 빈번하게 그 공사 진행사항을 확인하고 미리 짜인 공정일정에 맞게 올바른 구조물이 만들어가고 있는가를 수시로 비교하고 평가하여야 한다. 건설현장 주변의 환경에 관한 정보를 획득하기 위하여 본 연구에서는 유비쿼터스 센서망(USN)을 이용하여 건설현장에서 필요한 다양한 환경정보를 수집하고 현장에서 측정처리 도시할 수 있도록 하였다. 또한 지형공간정보와 GPS 정보 등을 이용하여 체계적인 현장관리를 계획하여 실시할 수 있도록 항공사진과 수치지도를 이용하여 정밀좌표보정 후에 3차원으로 도시하도록 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 건설현장에 무선통신이 가능한 환경 센서를 이용하여 각 노드센서로부터 싱크센서로 측정된 환경 데이터를 송신하면 싱크센서는 이들 데이터를 수집하여 TinyOS 기반 PC가 이를 처리하고 그 결과를 출력 이미지 및 출력 데이터로 나타내는 시스템을 구성하여 3차원 지형공간에서의 건설현장의 변화를 확인할 수 있도록 하는 것을 연구 목적으로 하였다. 따라서 본 연구는 공간정보의 3차원 생성이 가능한 4대강 이포대교 공사현장을 중심으로 3차원 지형공간을 생성하였고 지상의 건설현장 뿐만 아니라 터널 및 동굴과 같은 지하공간에서의 건설 환경정보를 수집하여 다각적인 사전환경조사가 이루어지도록 하여 이것을 공간정보와 결합할 수 있는 방안을 도출하고자 하였다.
- 또한 지형공간정보와 GPS 정보 등을 이용하여 체계적인 현장관리를 계획하여 실시할 수 있도록 항공사진과 수치지도를 이용하여 정밀좌표보정 후에 3차원으로 도시하도록 하였다. 따라서 본 연구에서는 건설현장에 무선통신이 가능한 환경 센서를 이용하여 각 노드센서로부터 싱크센서로 측정된 환경 데이터를 송신하면 싱크센서는 이들 데이터를 수집하여 TinyOS 기반 PC가 이를 처리하고 그 결과를 출력 이미지 및 출력 데이터로 나타내는 시스템을 구성하여 3차원 지형공간에서의 건설현장의 변화를 확인할 수 있도록 하는 것을 연구 목적으로 하였다. 따라서 본 연구는 공간정보의 3차원 생성이 가능한 4대강 이포대교 공사현장을 중심으로 3차원 지형공간을 생성하였고 지상의 건설현장 뿐만 아니라 터널 및 동굴과 같은 지하공간에서의 건설 환경정보를 수집하여 다각적인 사전환경조사가 이루어지도록 하여 이것을 공간정보와 결합할 수 있는 방안을 도출하고자 하였다.
제안 방법
- 또한 기존에 존재하는 CAD와 GIS 데이터를 이용해서 3차원데이터를 보여줄 수 있도록 하였다. DEM 의한 표고 데이터로 여러 가지 표고모델을 다양하게 표현하기 위하여 지상측량 방식보다는 항공기 및 인공위성에 의한 디지털 공간모형을 공간정보와 3차원 레이저측량으로 일시적으로 위치좌표로 매칭하여 건설현장의 변화와 형상이 어떻게 이동되어가는 것으로 지속적으로 모니터링 할 수 있도록 하였다.
- 건설공사 현장 주변 환경과 현장의 공간정보의 정사투영에 의한 항공사진을 우선 생성하여야 한다. 공간에서의 경도, 위도의 수평좌표 위에 일대일 대응 값으로 수직 변환된 DEM의 표고 값을 연결하여, 3차원 지형공간을 생성하여 실험대상지역의 항공사진과 DEM 매칭 후의 투시조감도를 각 방향에서 자유롭게 투영할 수 있도록 하였다. 그 다음에 실험대상지역의 3차원 지형분석을 위하여 가시권분석, 투시조감도, 토공량 산정을 산출할 수 있는 종횡 단면도를 지상 레이져 스캐닝에 의한 표고데이터를 이용하여 항공사진으로부터 계획단면도를 생성하도록 하였다.
- 광대한 건설현장 중에서 일부구간을 선정하여 집중적으로 현장을 투시도로 조감할 수 있는 환경으로 만들고 구조물이 시공되고 있는 지역에 건설이 진행되고 있는 지점에서의 사전환경조사를 진행할 수 있도록 유비쿼터스 센서를 이용하여 환경정보를 수집할 수 있는 기반을 조성하도록 하였다. 주로 현장의 온도, 습도, 조도, 적외선 상태를 기본으로 하여 CO₂량을 측정할 수 있는 센서노드를 마련하여 시스템을 구성하였다.
- 정사투영의 항공사진에서의 경도, 위도의 수평좌표 위에 일대일 대응 값으로 수직 변환된 그림4의 DEM의 표고 값을 연결하여 3차원 지형공간을 생성하여 실험 대상지역의 항공사진과 DEM 매칭 후의 투시 조감도를 각 방향에서 자유롭게 투영할 수 있도록 하였다. 그 다음에 그림 5에 그 결과를 실험대상지역의 3차원 지형분석을 위하여 가시권분석, 투시조감도, 토공량 산정을 산출할 수 있는 종횡 단면도를 레이져 스캐닝에 의한 표고데이터를 이용하여 항공사진으로부터 계획 단면도를 생성하도록 하였다.
- 공간에서의 경도, 위도의 수평좌표 위에 일대일 대응 값으로 수직 변환된 DEM의 표고 값을 연결하여, 3차원 지형공간을 생성하여 실험대상지역의 항공사진과 DEM 매칭 후의 투시조감도를 각 방향에서 자유롭게 투영할 수 있도록 하였다. 그 다음에 실험대상지역의 3차원 지형분석을 위하여 가시권분석, 투시조감도, 토공량 산정을 산출할 수 있는 종횡 단면도를 지상 레이져 스캐닝에 의한 표고데이터를 이용하여 항공사진으로부터 계획단면도를 생성하도록 하였다. 정사투영의 항공사진에서의 경도, 위도의 수평좌표 위에 일대일 대응 값으로 수직 변환된 그림4의 DEM의 표고 값을 연결하여 3차원 지형공간을 생성하여 실험 대상지역의 항공사진과 DEM 매칭 후의 투시 조감도를 각 방향에서 자유롭게 투영할 수 있도록 하였다.
- 지형에 대한 DEM은 지형도 또는 수치지도, 현장에서의 고저차 측량, 입체사진측량에 의한 사진영상의 중첩 및 해석 등으로부터 얻어진 등고선을 대상지역에 대한 표고분포를 수치적으로 표현한 것이므로 본 연구대상지역은 제천에서 단양에 이르는 중앙선 복선 경로에 대한 DEM을 생성하여 중앙선과 영월에 이르는 태백선의 복선 궤도를 영상위에 매칭시켜 표현하였다. 그리고 고해상도 위성영상을 정사보정하혀 정위치 편집 후에 DEM을 매칭하여 계획된 철도노선을 중첩하여 최적노선 선정 및 궤도추적을 위한 3차원 모델을 생성하여 시뮬레이션 하였다(그림 8, 9, 10, 11 참조)
- 이것은 빠른 랜더링 속도를 내기 위해서 여러 장으로 나누어진 그래픽정보 데이터베이스에서 실시간으로 그래픽 정보를 보여주며, 이를 통해서 보다 빠른 렌더링이 가능하게 되었다. 또한 기존에 존재하는 CAD와 GIS 데이터를 이용해서 3차원데이터를 보여줄 수 있도록 하였다. DEM 의한 표고 데이터로 여러 가지 표고모델을 다양하게 표현하기 위하여 지상측량 방식보다는 항공기 및 인공위성에 의한 디지털 공간모형을 공간정보와 3차원 레이저측량으로 일시적으로 위치좌표로 매칭하여 건설현장의 변화와 형상이 어떻게 이동되어가는 것으로 지속적으로 모니터링 할 수 있도록 하였다.
- 외부와는 모든 여건이 불리함으로 본 연구에서는 USN을 20m 마다 설치하여 각 지점에서의 서로 다른 데이터의 변화를 모니터링 하였다. 또한 동굴에서의 입구와 출구 및 중앙부에서의 온도 및 습도, 이산화탄소, 이산화탄소 등을 감지할 수 있는 센서를 연결하여 그 정도를 비교하여 Tiny OS 기반에서 처리 할 수 있도록 하였다. 또한 동굴이나 공사가 진해되고 있는 터널 현장을 선정하여 USN 환경계측을 실시하여 동굴에서의 환경저해 요인이 되고 있는 일산화탄소에 대한 측정치를 비교하여 검토하였으며, 건설 환경이 열악한 고속도로 현장의 터널공사 지역을 방문하여 다양한 공간정보와 USN에 의한 환경 공간정보를 측정하였다.
- 또한 동굴에서의 입구와 출구 및 중앙부에서의 온도 및 습도, 이산화탄소, 이산화탄소 등을 감지할 수 있는 센서를 연결하여 그 정도를 비교하여 Tiny OS 기반에서 처리 할 수 있도록 하였다. 또한 동굴이나 공사가 진해되고 있는 터널 현장을 선정하여 USN 환경계측을 실시하여 동굴에서의 환경저해 요인이 되고 있는 일산화탄소에 대한 측정치를 비교하여 검토하였으며, 건설 환경이 열악한 고속도로 현장의 터널공사 지역을 방문하여 다양한 공간정보와 USN에 의한 환경 공간정보를 측정하였다. 그림 15는 고수동굴에서의 온도, 습도, 조도, 이산화탄소의 측정결과를 나타낸 결과이며, 그림 16은 천동동굴에서의 온도, 습도, 조도, 이산화탄소의 측정결과를 나타낸 결과이다.
- 건설 현장 공간정보 수집을 위하여 항공 레이져 센서 기술에 의하여 지형 및 구조물을 정밀하게 측정하고 도형화할 수 있을 뿐 아니라 GPS 위성의 수신센서가 위치한 지점의 다양한 자연 환경정보까지도 무선센서노드에 의하여 멀리까지 전송이 가능해지고 있다. 또한 복잡한 도시공간모델은 GIS 기반 개방형 객체모델에 의하여 3차원 공간모델링을 보다 효율적으로 보강하기위하여 개발하여 사용하고 있다(Gang et al., 2012), 이러한 토목 건설현장의 효율적인 관리를 위해서는 직접 현장을 방문하여 빈번하게 그 공사 진행사항을 확인하고 미리 짜인 공정일정에 맞게 올바른 구조물이 만들어가고 있는가를 수시로 비교하고 평가하여야 한다. 건설현장 주변의 환경에 관한 정보를 획득하기 위하여 본 연구에서는 유비쿼터스 센서망(USN)을 이용하여 건설현장에서 필요한 다양한 환경정보를 수집하고 현장에서 측정처리 도시할 수 있도록 하였다.
- 건설현장 주변의 환경에 관한 정보를 획득하기 위하여 본 연구에서는 유비쿼터스 센서망(USN)을 이용하여 건설현장에서 필요한 다양한 환경정보를 수집하고 현장에서 측정처리 도시할 수 있도록 하였다. 또한 지형공간정보와 GPS 정보 등을 이용하여 체계적인 현장관리를 계획하여 실시할 수 있도록 항공사진과 수치지도를 이용하여 정밀좌표보정 후에 3차원으로 도시하도록 하였다. 따라서 본 연구에서는 건설현장에 무선통신이 가능한 환경 센서를 이용하여 각 노드센서로부터 싱크센서로 측정된 환경 데이터를 송신하면 싱크센서는 이들 데이터를 수집하여 TinyOS 기반 PC가 이를 처리하고 그 결과를 출력 이미지 및 출력 데이터로 나타내는 시스템을 구성하여 3차원 지형공간에서의 건설현장의 변화를 확인할 수 있도록 하는 것을 연구 목적으로 하였다.
- 무선통신이 가능한 USN 환경 센서들은 프로그램 다운로더용 Adaptor를 통해 TinyOS 기반 윈도우시스템의 노트북 또는 휴대용 컴퓨터에 직접 인터페이스 되어 각 노드센서로부터 측정된 데이터를 처리하도록 구성하였다. 측정된 데이터들은 이미지 또는 적절한 단위의 데이터들로 출력결과 및 변화를 보여준다.
- 비교적 레이져 측량을 우리 실정에 적합한 3차원 지형분석 및 건설구조물에 적용하여 데이터의 생성기법을 개발하여 3차원 공간에서의 최적의 현장관리가 가능하도록 하였다. 이를 위하여 LiDAR Data를 중심으로 하는 높이 값을 DEM으로 변환하고, 디지털 영상의 매칭 및 정확도 평가 등을 통한 벡터와 래스터의 실시간 통합 및 전환으로 3차원 공간모델의 생성을 통한 변화과정을 추적관리가 가능하도록 하였다.
- 터널내부에서 건설공사를 수행하기 위해서는 건설 환경 데이터를 수시로 확인하여 적합한 공법을 채택하여야 하며 사전에 온도, 습도, 조도량, 일산화탄소량을 수시로 각 지점에서 확인할 수 있어야 한다. 외부와는 모든 여건이 불리함으로 본 연구에서는 USN을 20m 마다 설치하여 각 지점에서의 서로 다른 데이터의 변화를 모니터링 하였다. 또한 동굴에서의 입구와 출구 및 중앙부에서의 온도 및 습도, 이산화탄소, 이산화탄소 등을 감지할 수 있는 센서를 연결하여 그 정도를 비교하여 Tiny OS 기반에서 처리 할 수 있도록 하였다.
- 대상지역으로는 현재 4대강 하천 정비 사업이 진행되고 있는 경기도 이포지구와 세명대학교 캠퍼스 중 건물한 곳을 선택하여 현장방문 관측을 할 수 있는 준비를 통하여 현장에서의 공간정보를 취득하여 적용 하였다. 우선 항공사진을 정사 보정하여 2차원의 정사사진으로 파일을 재생성하고 수치지도로부터 획득한 등고선으로부터 DEM을 생성한 후에 사진과 표고데이터를 매칭하여 3차원의 건설현장을 재구성하였다(그림 1).
- 비교적 레이져 측량을 우리 실정에 적합한 3차원 지형분석 및 건설구조물에 적용하여 데이터의 생성기법을 개발하여 3차원 공간에서의 최적의 현장관리가 가능하도록 하였다. 이를 위하여 LiDAR Data를 중심으로 하는 높이 값을 DEM으로 변환하고, 디지털 영상의 매칭 및 정확도 평가 등을 통한 벡터와 래스터의 실시간 통합 및 전환으로 3차원 공간모델의 생성을 통한 변화과정을 추적관리가 가능하도록 하였다.
- 그 다음에 실험대상지역의 3차원 지형분석을 위하여 가시권분석, 투시조감도, 토공량 산정을 산출할 수 있는 종횡 단면도를 지상 레이져 스캐닝에 의한 표고데이터를 이용하여 항공사진으로부터 계획단면도를 생성하도록 하였다. 정사투영의 항공사진에서의 경도, 위도의 수평좌표 위에 일대일 대응 값으로 수직 변환된 그림4의 DEM의 표고 값을 연결하여 3차원 지형공간을 생성하여 실험 대상지역의 항공사진과 DEM 매칭 후의 투시 조감도를 각 방향에서 자유롭게 투영할 수 있도록 하였다. 그 다음에 그림 5에 그 결과를 실험대상지역의 3차원 지형분석을 위하여 가시권분석, 투시조감도, 토공량 산정을 산출할 수 있는 종횡 단면도를 레이져 스캐닝에 의한 표고데이터를 이용하여 항공사진으로부터 계획 단면도를 생성하도록 하였다.
- 광대한 건설현장 중에서 일부구간을 선정하여 집중적으로 현장을 투시도로 조감할 수 있는 환경으로 만들고 구조물이 시공되고 있는 지역에 건설이 진행되고 있는 지점에서의 사전환경조사를 진행할 수 있도록 유비쿼터스 센서를 이용하여 환경정보를 수집할 수 있는 기반을 조성하도록 하였다. 주로 현장의 온도, 습도, 조도, 적외선 상태를 기본으로 하여 CO₂량을 측정할 수 있는 센서노드를 마련하여 시스템을 구성하였다. 그리고 지형의 기복과 분포를 확인하기 위하여 DEM을 이용한 RGB 위사영상을 작성하여 지형의 기복을 한눈으로 확인할 수 있도록 그림 2와 같이 생성 하였다.
- 즉, 건설현장을 공간정보 기반으로 재생성하고 나서 USN 시스템으로 구성한 u-노드센서로부터 온도, 습도, 조도, GPS위치정보 및 CO2 가스 농도 등에 관한 측정 데이터는 함께 처리하여 볼 수 있도록 하여 토목공사 및 건축 등의 건설현장의 환경변화를 사전에 분석 하였다.
- 지형에 대한 DEM은 지형도 또는 수치지도, 현장에서의 고저차 측량, 입체사진측량에 의한 사진영상의 중첩 및 해석 등으로부터 얻어진 등고선을 대상지역에 대한 표고분포를 수치적으로 표현한 것이므로 본 연구대상지역은 제천에서 단양에 이르는 중앙선 복선 경로에 대한 DEM을 생성하여 중앙선과 영월에 이르는 태백선의 복선 궤도를 영상위에 매칭시켜 표현하였다. 그리고 고해상도 위성영상을 정사보정하혀 정위치 편집 후에 DEM을 매칭하여 계획된 철도노선을 중첩하여 최적노선 선정 및 궤도추적을 위한 3차원 모델을 생성하여 시뮬레이션 하였다(그림 8, 9, 10, 11 참조)
- 본 연구에서는 20012년 건설당시에 건설현장을 방문하여 TOPCON DLS 1000장비를 사용하여 측량하였다. 측정값을 영상처리하여 입체적인 건설구조물의 위치정보를 공간영상으로 생성하였다(그림 6, 7 참조).
- 지상 라이다 측량을 이용한 3차원 도시 공간 정보 구축 방법은 수 mm 정도의 매우 정확한 고정밀의 3차원 공간정보를 획득할 수 있으므로 특정한 영역을 대상으로 정밀한 자료의 구축에 유용하게 사용할 수 있다. 획득된 데이터는 일종의 점의 집합체로 시스템에 입력되며 이들을 폴리곤으로 변환하고 메쉬를 생성함으로써 3차원 모델을 구성하였다.
대상 데이터
- 최근에는 레이저 측량기술과 GPS를 결합한 고밀도 고정도의 높이 값을 얻을 수 있는 LiDAR 데이터의 이용으로 그러한 한계를 극복하고 있는 추세이다. 3차원의 건설현장을 구성하기 위하여 항공사진 1:5000과 수치지도, 아리랑 위성영상을 이용하였다. 대상지역으로는 현재 4대강 하천 정비 사업이 진행되고 있는 경기도 이포지구와 세명대학교 캠퍼스 중 건물한 곳을 선택하여 현장방문 관측을 할 수 있는 준비를 통하여 현장에서의 공간정보를 취득하여 적용 하였다.
- 3차원의 건설현장을 구성하기 위하여 항공사진 1:5000과 수치지도, 아리랑 위성영상을 이용하였다. 대상지역으로는 현재 4대강 하천 정비 사업이 진행되고 있는 경기도 이포지구와 세명대학교 캠퍼스 중 건물한 곳을 선택하여 현장방문 관측을 할 수 있는 준비를 통하여 현장에서의 공간정보를 취득하여 적용 하였다. 우선 항공사진을 정사 보정하여 2차원의 정사사진으로 파일을 재생성하고 수치지도로부터 획득한 등고선으로부터 DEM을 생성한 후에 사진과 표고데이터를 매칭하여 3차원의 건설현장을 재구성하였다(그림 1).
- 무선통신용 유비쿼터스 센서들(측정용 센서노드)로부터 획득한 데이터는 싱크 센서노드에서 수집된 후 LM3S8962 마이크로프로세서 (미 TI사)에 전송되고 마이크로프로세서는 이를 그래픽 기반의 LabView를 사용하여 C 코드를 생성하고 컴파일링하여 실행하게 된다. 데이터 처리 결과는 TinyOS 기반으로 동작하는 PC에 그래프 등으로 나타나게 된다.
- 본 연구에서는 20012년 건설당시에 건설현장을 방문하여 TOPCON DLS 1000장비를 사용하여 측량하였다. 측정값을 영상처리하여 입체적인 건설구조물의 위치정보를 공간영상으로 생성하였다(그림 6, 7 참조).
성능/효과
- 최근에는 고밀도 높이값을 얻어낼 수 있는 전용 항공기를 이용한 레이저 측량방식으로 이루어지고 있어 도로 및 철도의 최적 노선 선정과 더불어 도로 및 철도건설과 주변 시설물과의 종합적인 공간 정보수집과 관리가 용이해졌다. 또한 이동하는 교통시설을 4차원 공간에서 실시간으로 영상 변환하여 활용할 수 있게 되어 이동하는 다양한 교통수단과의 연계를 통하여 평면이 아닌 입체공간에서의 실제적인 건설공사의 설계와 시공을 과학적으로 진행하며 관리 할 수 있게 되었다. 따라서 현재의 건설현장에서의 효율적인 공간정보 구축을 위하여 자동차가 도로 위를 주행하며 외부요소와 결합하듯이 도로 및 철도선로라는 이미 그어진 노선에서 이동하는 차량의 경우에도 보다 안정적이고 정확한 공간정보와의 연계에 의하여 그 활용도를 높여갈 수 있는 많은 연구가 이루어져야 할 것이다.
- 본 연구결과에서 나타난 대로 공간정보를 이용하여 건설현장의 지형과 구조물에 대하여 3차원 공간에서 공사현장의 사진영상을 재생성하여 활용할 수 있는 결과를 얻어냈으며, 지속적으로 건설현장의 변화과정을 추적하기 위한 디지털 영상의 공간자료의 활용이 다양한 센서네트워크와의 융합에 의하여 매우 용이해짐에 따라 점차 고해상도의 사진 영상의 3차원 시각화와 모델링이 GIS와 GPS 및 USN을 통합하여 동시에 적용하여 결과를 도출하였다.
후속연구
- 또한 이동하는 교통시설을 4차원 공간에서 실시간으로 영상 변환하여 활용할 수 있게 되어 이동하는 다양한 교통수단과의 연계를 통하여 평면이 아닌 입체공간에서의 실제적인 건설공사의 설계와 시공을 과학적으로 진행하며 관리 할 수 있게 되었다. 따라서 현재의 건설현장에서의 효율적인 공간정보 구축을 위하여 자동차가 도로 위를 주행하며 외부요소와 결합하듯이 도로 및 철도선로라는 이미 그어진 노선에서 이동하는 차량의 경우에도 보다 안정적이고 정확한 공간정보와의 연계에 의하여 그 활용도를 높여갈 수 있는 많은 연구가 이루어져야 할 것이다. 또한 다양한 유비쿼터스 기반의 여러 종류의 환경 센서가 개발되고 있어 새로운 방법의 원격관리가 가능한 건설현장이 등장 할 것으로 예상된다.
- 따라서 현재의 건설현장에서의 효율적인 공간정보 구축을 위하여 자동차가 도로 위를 주행하며 외부요소와 결합하듯이 도로 및 철도선로라는 이미 그어진 노선에서 이동하는 차량의 경우에도 보다 안정적이고 정확한 공간정보와의 연계에 의하여 그 활용도를 높여갈 수 있는 많은 연구가 이루어져야 할 것이다. 또한 다양한 유비쿼터스 기반의 여러 종류의 환경 센서가 개발되고 있어 새로운 방법의 원격관리가 가능한 건설현장이 등장 할 것으로 예상된다. 최근 들어 2차원 평면의지도 및 영상을 3차원 이상의 입체적 공간으로 전환하여 활용할 수 있는 공간정보와의 결합에 의한 건설현장의 시각적인 복원 및 생성과 그 흐름을 추적할 수 있는 유비쿼터스 기반의 환경 센서가 포함된 4차원 건설현장의 공간정보 모니터링 기법의 지속적인 연구가 이루어진다면 다양한 솔루션이 통합될 수 있는 가능성을 시사해주고 있다.
- 본 연구대상지역의 건설현장의 사전에 환경조건을 수시로 확인하여 공사 진행을 위한 중요한 의견결정 자료로 항상 이용할 수 있도록 하기 위해서는 2010년부터 동일한 지점에서의 변화 과정을 지속적으로 2012까지 주기적인 혹은 실시간 관측이 이루어져야 할 것이지만 연구기간과 그 관측의 제한이 있으므로 많은 부분이 누락될 수 밖에 없을 것이므로 이에 대한 대책을 마련해야 할 것으로 사료된다.
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