하천의 체계적 관리와 계획을 위해서는 정확도 높은 측량자료가 요구되며, 이를 통해 재해예방과 환경보호, 주요 인프라인 댐이나 보 같은 하천의 관리가 가능해 진다. 본 연구는 재난관리, 건설산업의 지원 등에 다양하게 활용되는 하천측량을 현재의 토털스테이션을 이용한 측량 방법과 최근 들어 활발히 이용되고 있는 항공라이다측량 방법을 이용하여 동일지역의 데이터를 취득하고 그 성과를 비교 분석하는데 목적을 두었으며, 실험 대상지로는 강원도 북한강 상류지역을 선정 하였다. 선정된 실험 지역을 대상으로 총 2개의 횡단면도를 추출하였으며, 추출된 횡단면도를 상호 비교 분석하였다. 분석 결과 일반적인 육지부에서는 두 자료간 수준고의 평균제곱근 오차가 0.017m로 그 차이가 거의 없었으나 수직위치만 변하는 특이점이나 수심부에서는 항공라이다측량이 해당 지점의 수준고를 정확하게 측정하지 못하는 것을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 도출된 문제점을 극복하기 위해서는 향후 지속적인 연구와 실험으로 항공라이다측량을 이용한 세부 시설물의 정확한 측정 방안이나 수심부를 투과하여 하천 바닥면을 육지부와 동일한 오차범위 내로 측정할 수 있는 대안이 마련되어야 할 것으로 보이며, 실용화 단계가 될 시점에서는 대규모 지역이나 사람의 접근이 불능한 지역에 대하여 하천뿐만 아니라 각종 엔지니어링 사업분야에서도 계획 및 설계 등 의사결정 수단으로 다양한 활용이 기대된다.
하천의 체계적 관리와 계획을 위해서는 정확도 높은 측량자료가 요구되며, 이를 통해 재해예방과 환경보호, 주요 인프라인 댐이나 보 같은 하천의 관리가 가능해 진다. 본 연구는 재난관리, 건설산업의 지원 등에 다양하게 활용되는 하천측량을 현재의 토털스테이션을 이용한 측량 방법과 최근 들어 활발히 이용되고 있는 항공라이다측량 방법을 이용하여 동일지역의 데이터를 취득하고 그 성과를 비교 분석하는데 목적을 두었으며, 실험 대상지로는 강원도 북한강 상류지역을 선정 하였다. 선정된 실험 지역을 대상으로 총 2개의 횡단면도를 추출하였으며, 추출된 횡단면도를 상호 비교 분석하였다. 분석 결과 일반적인 육지부에서는 두 자료간 수준고의 평균제곱근 오차가 0.017m로 그 차이가 거의 없었으나 수직위치만 변하는 특이점이나 수심부에서는 항공라이다측량이 해당 지점의 수준고를 정확하게 측정하지 못하는 것을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 도출된 문제점을 극복하기 위해서는 향후 지속적인 연구와 실험으로 항공라이다측량을 이용한 세부 시설물의 정확한 측정 방안이나 수심부를 투과하여 하천 바닥면을 육지부와 동일한 오차범위 내로 측정할 수 있는 대안이 마련되어야 할 것으로 보이며, 실용화 단계가 될 시점에서는 대규모 지역이나 사람의 접근이 불능한 지역에 대하여 하천뿐만 아니라 각종 엔지니어링 사업분야에서도 계획 및 설계 등 의사결정 수단으로 다양한 활용이 기대된다.
The river plan executes the role for prevention of disaster and protection of environment, and requires the surveying results with high accuracies for managing river, dam, reservoir which will be the major infrastructures. The purpose of this study is for comparing and analyzing the results of river...
The river plan executes the role for prevention of disaster and protection of environment, and requires the surveying results with high accuracies for managing river, dam, reservoir which will be the major infrastructures. The purpose of this study is for comparing and analyzing the results of river surveying which is used widely for disaster management and construction industry support. The results are gathered by using LiDAR which is being used in Korea recently and by using Total station. Study area is chosen at upper area of Bukhan River which is located at Gangwon-do. Total 2 cross-sections of the two methods are extracted from the study area. The standard deviation of land part is about 0.017m which shows little difference between two methods, but the Airborne LiDAR results cannot survey the heights of the points accurately at the singular points with vertical structure and water body part. To overcome the problems through this study, there should be ways to survey the bottom river through transmission of water level within the same margin scope as land part and to survey detailed facilities used by laser exactly through continuous research and experiment. When implementation stage comes, this study expect that this document will be utilized variously for making decision in the area of planning and drawing of business and engineering not just for river regarding the major area or the area that people cannot access.
The river plan executes the role for prevention of disaster and protection of environment, and requires the surveying results with high accuracies for managing river, dam, reservoir which will be the major infrastructures. The purpose of this study is for comparing and analyzing the results of river surveying which is used widely for disaster management and construction industry support. The results are gathered by using LiDAR which is being used in Korea recently and by using Total station. Study area is chosen at upper area of Bukhan River which is located at Gangwon-do. Total 2 cross-sections of the two methods are extracted from the study area. The standard deviation of land part is about 0.017m which shows little difference between two methods, but the Airborne LiDAR results cannot survey the heights of the points accurately at the singular points with vertical structure and water body part. To overcome the problems through this study, there should be ways to survey the bottom river through transmission of water level within the same margin scope as land part and to survey detailed facilities used by laser exactly through continuous research and experiment. When implementation stage comes, this study expect that this document will be utilized variously for making decision in the area of planning and drawing of business and engineering not just for river regarding the major area or the area that people cannot access.
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문제 정의
이와 같이 라이다 데이터를 이용한 선행 연구들은 다양한 형태로 진행되어 왔으나 라이다를 이용한 하천측량의 가능성을 분석하거나 비교한 연구 성과는 그 사례를 찾아보고 어렵다. 따라서 본 연구에서는 항공라이다측량을 통해 취득한 수치표고모델 성과와 토털스테이션을 이용한 측량성과를 비교 분석하여 그 정도의 차이를 해석하고 활용 목적에 어느 정도 부합하는지를 평가하였다.
현재 하천부문 외에 도로 및 철도 설계, 단지설계, 공항설계 등의 대상부지 계획에 따른 종· 횡단 측량은 토털스테이션으로 작업하는 것이 일반적이다. 본 실험에서도 항공라이다측량을 이용하여 추출한 횡단면도를 비교, 분석하기 위하여 현장 측량을 실시하고 횡단면도를 제작하였다. 현장 측량은 하천 제방 양쪽에 위치한 3점의 현장 도근점을 확보하여 하천 종단측량을 우선적으로 실시하였으며, 종단측량은 지형현황측량 성과를 기초로 하여 계획 제방선형에 따라 100m 간격으로 약 1㎞ 구간을 설정하여 실시하였다.
본 연구의 목적은 국가하천 및 지방하천, 소하천 등의 각종 하천 종합계획 수립과 대상지역의 환경문제, 무분별한 개발행위의 제한, 홍수 등의 재난관리, 건설 산업의 지원 등에 다양하게 활용되는 하천측량을 토털스테이션 측량 방법과 항공라이다측량 방법으로 실시한 후 그 성과를 비교하여 목적에 맞는 적절한 측량 방법을 제시하기 위해 연구를 진행 했다. 현재의 하천측량은 토털스테이션을 이용하여 하천의 중심 및 종·횡단 데이터를 취득하고 있으며 위치 및 수준고의 기준은 국가 삼각점과 수준점을 기반으로 한 골조측량 성과를 이용한다.
종단측량은 하천의 양안에 설치된 거리표, 양수표, 수문, 기타 중요한 장소의 표고를 측정하는데 그 목적이 있다. 측량은 수준기점으로부터 다음의 수준기점에 결합하는 방법으로 시행하며 반드시 1왕복 이상 관측하여 충분한 정밀도를 확보하여야 한다.
제안 방법
Fig. 6과 같이 중심 말뚝의 위치를 직접 측량하여 종· 단면도를 제작하고 본 연구에서 관측 대상이 될 횡단선형을 STA 1 ~ STA 2 까지 계획하였다.
관측 횡단면은 총 2개의 라인이며 1개의 횡단면 당 길이는 약 100m 정도로 관측하였으며, STA 1는 총 46포인트, STA 2는 51포인트를 관측하였다. 또한 관측을 통한 성과는 현황도를 활용하여 포인트마다 3차원 정보를 부여하고 별도의 야장에 기록하였으며 항공라이다측량을 이용한 횡단면 도를 추출하여 분석 자료로 활용하였다(Fig. 7).
이 세가지 성과의 취득은 2013년에 측량을 실시한 자료를 활용하여 하천 중심라인의 설정, 횡단 측량의 구간설정, 횡단측량실시, 횡단측량 야장기록, 횡단면도 작성 등의 토털스테이션을 이용한 횡단면도 제작을 수행하였다. 또한 하천측량의 성과와 수치표고모델성과를 비교하여 항공라이다측량을 이용한 횡단면도도 작성하였다.
본 실험에서는 전처리 과정을 거쳐 생성된 “원시LAS파일”을 대상으로 연무나 구름 등과 같은 기상현상이나 상공 미확인 물체 및 동·식물에 의한 과대 오차점, 원인 불명의 하저부 점을 제거하여 DSD(Digital Surface Data)자료를 DTD(Digital Terrain Data)자료로 변환하였다.
북한강 일대의 하천구간을 대상으로 실험지역을 선정하여 우선적으로 토털스테이션을 이용한 횡단면을 야장성과와 단면도로 나누어 추출하였으며, 이를 기준으로 동일 GCP point에 대한 항공라이다측량 성과의 횡단점 수준고를 추출하였다. 이렇게 얻어진 두 가지 동일형태 결과물의 분석은 육지부의 지형에 대한 비교와 옹벽 등의 구조물 표현방법의 비교, 수심부의 수준고 차이로 나누어 분석하였다.
비분류된 점은 작업자의 수작업에 의해 확인되며, 이를 Terra Scan에서 제공하는 “편집도구” 모듈을 이용하여 개별 포인트 단위로 분류 및 제거하거나 점군 단위로 선택 하여 한번에 많은 점을 동시에 제거 또는 분류하는 과정으로 진행 되었다.
연구를 위하여 확보해야 하는 자료는 실험 대상지의 수치지형도와 대상지역의 도근점, 항공라이다측량 성과 등이다. 이 세가지 성과의 취득은 2013년에 측량을 실시한 자료를 활용하여 하천 중심라인의 설정, 횡단 측량의 구간설정, 횡단측량실시, 횡단측량 야장기록, 횡단면도 작성 등의 토털스테이션을 이용한 횡단면도 제작을 수행하였다. 또한 하천측량의 성과와 수치표고모델성과를 비교하여 항공라이다측량을 이용한 횡단면도도 작성하였다.
북한강 일대의 하천구간을 대상으로 실험지역을 선정하여 우선적으로 토털스테이션을 이용한 횡단면을 야장성과와 단면도로 나누어 추출하였으며, 이를 기준으로 동일 GCP point에 대한 항공라이다측량 성과의 횡단점 수준고를 추출하였다. 이렇게 얻어진 두 가지 동일형태 결과물의 분석은 육지부의 지형에 대한 비교와 옹벽 등의 구조물 표현방법의 비교, 수심부의 수준고 차이로 나누어 분석하였다.
최초의 LAS자료에서 발견되는 이상점은 라이다 데이터 처리에 많이 활용되는 소프트웨어인 Terra Scan의 분류기능 중 특정 구간의 높이를 지정하여 제거하는 방법(Classify by absolute elvation)을 적용했으며, 실험에서는 그라운드 높이를 기준으로 지하 -100m, 지상 50m에 존재하는 이상점을 제거하는 과정을 거쳤다. 이상점 제거가 완료되면 다음으로 혼재되어 있는 각종 구조물 및 식생, 건물 등을 제거한 순수한 그라운드 자료를 분류하게 되며, 이 또한 Terra Scan의 분류기능을 활용하였다. 그라운드의 분류도 이상점제거와 방법은 동일하다.
현장 측량은 하천 제방 양쪽에 위치한 3점의 현장 도근점을 확보하여 하천 종단측량을 우선적으로 실시하였으며, 종단측량은 지형현황측량 성과를 기초로 하여 계획 제방선형에 따라 100m 간격으로 약 1㎞ 구간을 설정하여 실시하였다. 종단측량시 구조물 설치지점, 지형의 변화가 큰 지점, 곡선부 등 필요한 지점에는 추가 측점을 선점하였으며 측량성과로 작성하는 종단면도의 축척은 종 1/100, 횡 1/1,000으로 작성하였다.
최초의 LAS자료에서 발견되는 이상점은 라이다 데이터 처리에 많이 활용되는 소프트웨어인 Terra Scan의 분류기능 중 특정 구간의 높이를 지정하여 제거하는 방법(Classify by absolute elvation)을 적용했으며, 실험에서는 그라운드 높이를 기준으로 지하 -100m, 지상 50m에 존재하는 이상점을 제거하는 과정을 거쳤다. 이상점 제거가 완료되면 다음으로 혼재되어 있는 각종 구조물 및 식생, 건물 등을 제거한 순수한 그라운드 자료를 분류하게 되며, 이 또한 Terra Scan의 분류기능을 활용하였다.
횡단 측량은 하천 중심선 라인에 설치된 말뚝을 기준으로 하여 중심점에서 중심선의 접선에 대한 직각방향으로 선상에 있는 종단 변화점을 토털스테이션으로 관측하였다. 토털스테이션에 의한 수심부 횡단측량은 반사경과 스타프를 이용하여 실시했으며, 스타프를 하저부 바닥까지 내려 수직 위치를 결정하고 그 위치에 반사경을 거치하여 수평위치를 결정했다. 관측 횡단면은 총 2개의 라인이며 1개의 횡단면 당 길이는 약 100m 정도로 관측하였으며, STA 1는 총 46포인트, STA 2는 51포인트를 관측하였다.
항공라이다측량 횡단성과 추출에는 Terra Scan 편집 도구가 사용되었으며 현장 측량을 통해 얻어진 평면좌표를 항공라이다측량 데이터에 적용시켜 횡단라인과 수준고를 추출하였다(Fig. 8).
본 실험에서도 항공라이다측량을 이용하여 추출한 횡단면도를 비교, 분석하기 위하여 현장 측량을 실시하고 횡단면도를 제작하였다. 현장 측량은 하천 제방 양쪽에 위치한 3점의 현장 도근점을 확보하여 하천 종단측량을 우선적으로 실시하였으며, 종단측량은 지형현황측량 성과를 기초로 하여 계획 제방선형에 따라 100m 간격으로 약 1㎞ 구간을 설정하여 실시하였다. 종단측량시 구조물 설치지점, 지형의 변화가 큰 지점, 곡선부 등 필요한 지점에는 추가 측점을 선점하였으며 측량성과로 작성하는 종단면도의 축척은 종 1/100, 횡 1/1,000으로 작성하였다.
6과 같이 중심 말뚝의 위치를 직접 측량하여 종· 단면도를 제작하고 본 연구에서 관측 대상이 될 횡단선형을 STA 1 ~ STA 2 까지 계획하였다. 횡단 측량은 하천 중심선 라인에 설치된 말뚝을 기준으로 하여 중심점에서 중심선의 접선에 대한 직각방향으로 선상에 있는 종단 변화점을 토털스테이션으로 관측하였다. 토털스테이션에 의한 수심부 횡단측량은 반사경과 스타프를 이용하여 실시했으며, 스타프를 하저부 바닥까지 내려 수직 위치를 결정하고 그 위치에 반사경을 거치하여 수평위치를 결정했다.
대상 데이터
토털스테이션에 의한 수심부 횡단측량은 반사경과 스타프를 이용하여 실시했으며, 스타프를 하저부 바닥까지 내려 수직 위치를 결정하고 그 위치에 반사경을 거치하여 수평위치를 결정했다. 관측 횡단면은 총 2개의 라인이며 1개의 횡단면 당 길이는 약 100m 정도로 관측하였으며, STA 1는 총 46포인트, STA 2는 51포인트를 관측하였다. 또한 관측을 통한 성과는 현황도를 활용하여 포인트마다 3차원 정보를 부여하고 별도의 야장에 기록하였으며 항공라이다측량을 이용한 횡단면 도를 추출하여 분석 자료로 활용하였다(Fig.
본 연구를 수행하기 위한 항공라이다측량은 2013년에 Fig. 4의 강원도 일대 북한강 상류 지역을 대상으로 했으며 대상지의 평균 수심은 3m였다. 총 연장 64㎞의 항공라이다측량 성과 중 하천 종·횡단 측량 실험 대상지인 춘천시 신북읍 북한강 상류지역 약 1㎞ 구간을 대상으로 수치표고자료를 추출 하였으며, 동 구간에 대하여 1/1,000수치지도 자료도 함께 활용하였다.
총 연장 64㎞의 항공라이다측량 성과 중 하천 종·횡단 측량 실험 대상지인 춘천시 신북읍 북한강 상류지역 약 1㎞ 구간을 대상으로 수치표고자료를 추출 하였으며, 동 구간에 대하여 1/1,000수치지도 자료도 함께 활용하였다.
이론/모형
본 연구에 활용된 항공라이다측량의 수치표고모델성과 및 1/1,000수치지도, 국가 기준점을 활용한 골조측량 성과는 측량법 제34조 제2항의 규정에 의한 성과를 사용하였다. 항공라이다측량 성과의 경우 라이카사의 ALS50 장비를 이용하여 제곱미터당 5～6점의 점밀도로 취득하였다.
성능/효과
본 실험에서의 그라운드 자동 분류 특성치는 북한강 전체 데이터에 일률적으로 적용할 수 없는 부분으로 그라운드 추출 상태를 점검하여 확인후 부분데이터 단위로 이상적인 분류 데이터가 도출될 때까지 환류과정을 거쳤다.
본 연구의 전체적 실험 결과를 분석하여 얻은 결과는 크게 세가지로 일반적인 육지부에서는 수준고의 표준편차가 0.017m로 그 차이가 거의 없었으나 수직위치만 변하는 특이점이나 수심부에서는 항공라이다측량이 해당 지점의 수준고를 정확하게 측정하지 못하는 것을 알 수 있었다.
이렇게 현장에 있는 세부 구조물이나 수직으로 위치 값이 변하는 지점은 지상라이다나 가상기준점측량 등 현장의 추가 조사 및 측량이 수반되어야 하며, 수심부 또한 별도의 현장 측량 방법을 동원하여 직접 측량을 실시하여야만 정확한 값을 산출할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 이번 실험과 분석을 통해 하천 부분은 항공라이다측량을 통하여 종·횡단 자료를 추출하는데 그 한계가 있다는 결론을 얻을 수 있었다.
후속연구
본 연구의 실험결과에서 나타나 듯 토털스테이션과 항공라이다측량을 이용한 하천 횡단면도에 대하여 제작방안 및 결과물의 형태, 오차의 분포형상 등을 다루었지만 이 두가지 방법의 비교 검토에는 해당지역의 지형적 특성과 하천수량을 감안한 시기적 특성, 면적과 방안별 경제성도 검토되어야 할 것이며, 항공라이다측량의 결과물에 대한 오차 최소화 방안도 향후 지속적으로 연구되어야 할 것이다.
이번 실험과 분석을 통해 하천 부분은 항공라이다측량을 통하여 종·횡단 자료를 추출하는데 그 한계가 있다는 결론을 얻을 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하천은 무엇인가?
하천이라 함은 지표면에 내린 빗물 등이 모여 흐르는 물길로서 공공의 이해에 밀접한 관계가 있어 하천법의 구분에 따라 국가하천 또는 지방하천으로 지정된 것을 말하며, 하천구역 및 하천시설과 함께 하천법에 정의되어 있다(Ministry of Land, 2009).
하천측량은 무엇인가?
하천측량은 하천의 형상, 수위 수심, 단면, 구배 등을 측정하여 하천의 평면도와 종․횡 단면도를 작성함과 동시에 유향, 유속, 유량, 부유물, 기타 구조물을 조사하여 각종 수공설계 및 시공에 필요한 자료를 얻기 위해 실시하는 측량이다. 일반적으로 하천측량을 통해 하천의 종․ 횡단면을 측정하고 디지털 유속계 및 부자에 의한 유속을 측정하여 관측 값에 의한 하천의 단면적과 각 지점별 유속을 이용하여 최종적으로 유량을 산출한다.
종단측량은 어떠한 방법으로 시행되는가?
종단측량은 하천의 양안에 설치된 거리표, 양수표, 수문, 기타 중요한 장소의 표고를 측정하는데 그 목적이 있다. 측량은 수준기점으로부터 다음의 수준기점에 결합하는 방법으로 시행하며 반드시 1왕복 이상 관측하여 충분한 정밀도를 확보하여야 한다. 종단측량에서는 거리표의 표고 및 거리표 위치의 지반고를 측정함과 동시에 제방의 높이, 지반고, 수문, 통문, 용수로, 배수로 등의 높이, 교량의 상판, 교각, 교대의 높이 등 필요한 구조물의 높이를 측정하여 종단면도를 작성한다 (Choi, 2009).
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