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문제 정의
- 하지만 이 두 방법 모두 조사사 간의 비효율성, 조사자의 숙련도에 따른 조사결과의 상이성과 조사지역의 접근성 등과 같은 한계점이 꾸준히 제기되고 있다. 국내외의 많은 연구자들이 이런 한계점을 보완하기 위해서 디지털 암반 절리 조사법을 연구하였다. 디지털 암반 절리 조사법을 크게 두 종류로 구분하면 디지털 사진을 이용한 조사법과 3D Laser Scanner를 이용한 조사법이 있다.
- 따라서 본 연구에서는 3D Laser Scanner와 미국 Split사에서 만든 Split-FX를 이용하여 울산광역시 울주군 언양면 대곡리에 위치하고 있는 반구대암각화 주변의 암반사면을 대상으로 3D Laser Scanner로 스캔한 결과를 Split-FX로 분석하여 기존 절리 측정법의 한계점을 보완하고 새로운 측정법의 신뢰도를 분석하여 실무 적용 가능성에 대하여 연구하고자 하였다(Park, 2015).
제안 방법
- 각 구역의 점군 데이터를 Split-FX 프로그램에 입력시킨 후 노출된 절리를 추출할 수 있는 삼각요소망(Mesh)을 생성하였으며, 특정 삼각요소망과 그 주변의 여러 삼각요소망이 모여 하나의 패치(Patch)를 구성하는데 이를 하나의 절리로 볼 수 있다. 절리 각각의 경계를 구하기 위해서 하나의 삼각면을 선택하여 수직벡터를 계산하고 그 주변에 있는 삼각면들의 수직벡터와 방향을 비교하여 그 차이가 주어진 허용범위 안에 있을 때 하나의 패치로 결정한다.
- 따라서 본 연구에서는 연구 대상의 측정 거리와 제한된 시간을 고려하여 TOF 방식의 3D Laser Scanner인 스위스 Leica사의 ‘Scanstation 2’를 이용하여 연구를 진행하였다.
- 본 연구에서는 기존 암반 절리 조사방법의 한계점을 보완할 수 있는 새로운 조사법의 하나인 3D Laser Scanner를 이용하여 절리의 방향성을 자동으로 추출하였으며, 직접 측정한 절리 방향 데이터 38개와의 비교를 통하여 3D Laser Scanner를 이용한 절리 방향 측정의 신뢰도에 대한 연구를 통해 다음과 같은 결과를 도출할 수 있었다.
- 본 연구에서는 울산광역시 울주군 언양면 대곡리에 위치한 반구대암각화 주변의 암반사면을 조사 대상으로 선정하여 3D Laser Scanner로 스캔하여 얻은 점군 데이터를 Split-FX 소프트웨어로 처리하여 절리면의 방향을 추출하였고, 실제 클리노미터를 이용하여 얻은 절리 데이터와 동일 지역을 선정하여 비교, 분석하였다. 이때 절리 방향 데이터의 원활한 추출을 위해서 연구지역을 절리의 위치를 고려하여 연장성이 긴 절리가 끊어지는 것을 최소화하여 총 5개의 구역으로 나누어서 절리 방향 추출을 실시하였다.
- 앞에서 추출된 495개의 절리 데이터 중에서 현장에서 직접 측정한 40개의 절리와 동일한 절리를 선정하여 절리 방향을 직접 비교 분석하고 신뢰도를 분석하였다. Figure 3은 비교한 절리의 위치를 각 구역별로 표시한 그림이다.
- 본 연구에서는 울산광역시 울주군 언양면 대곡리에 위치한 반구대암각화 주변의 암반사면을 조사 대상으로 선정하여 3D Laser Scanner로 스캔하여 얻은 점군 데이터를 Split-FX 소프트웨어로 처리하여 절리면의 방향을 추출하였고, 실제 클리노미터를 이용하여 얻은 절리 데이터와 동일 지역을 선정하여 비교, 분석하였다. 이때 절리 방향 데이터의 원활한 추출을 위해서 연구지역을 절리의 위치를 고려하여 연장성이 긴 절리가 끊어지는 것을 최소화하여 총 5개의 구역으로 나누어서 절리 방향 추출을 실시하였다. Figure 1은 총 5개의 구역을 항공사진에 표시한 것이다.
- 이때 패치의 형성 여부를 결정할 때 필요한 삼각면의 방향 차이에 대한 허용범위를 직접 설정 할 수 있는데 본 연구에서는 최소 10개 이상의 삼각요소망이 밀집되고, 10° 내의 방향 차이를 허용범위로 설정하여 절리를 추출하였다.
- , 1999). 이를 통해 추출된 절리 중에서 현장에서 클리노미터를 이용하여 직접 측정한 절리 38개와 동일한 절리를 선정하였으며, 각각의 데이터를 매치시켜 절리 방향 데이터를 비교･분석을 실시하였고, 절리의 종류에 따라서 분석을 실시하였다.
- 얻어진 점군 데이터를 처리하기 위해서는 전용 프로그램이 있어야 하는데 많은 소프트웨어들이 주로 기계설계, 건축설계 등에 활용할 목적으로 만들었기 때문에 암반 공학적 특성을 분석하기에는 적합하지 않다. 하지만 본 연구에서 사용한 미국 Split사의 Split-FX 소프트웨어는 점군 데이터를 이용하여 암반 절리를 자동으로 추출하고 그 절리면의 방향, 넓이와 형상, 절리면의 거칠기와 같은 암반 공학적 특성을 분석할 수 있도록 만들어졌다. 그리고 추출된 절리를 방향에 따라 절리군으로 자동 분류할 수 있고 피셔상수(Fisher Constant) 등 절리특성을 통계 처리하여 계산하는 기능이 있고, 자동으로 인식하여 분류된 절리를 평사투영(Stereonet)으로 출력할 수 있으며, 이미지처리(Image Processing) 기능으로 점군 데이터와 디지털 사진을 겹친 후 절리면의 경계 또는 절리를 따라 선을 그리면 절리의 간격과 길이, 방향 등을 추가로 계산할 수 있다.
데이터처리
- 38개의 절리자료를 비교･분석한 결과에서 오차가 큰 절리를 이용하여 오차의 원인을 분석하였다. 클리노미터와 3D Laser Scanner를 이용한 절리의 방향을 비교하였을 때 오차가 발생하는 가장 큰 요인은 절리면의 굴곡도와 측정 방법의 차이로 판단된다.
이론/모형
- 암반사면을 안전하고 효율적으로 설계하기 위해서는 암반의 역학적 특성인 암반의 절리 방향, 길이 등과 같은 암반 내 절리의 특성 조사가 정확하게 이루어져야 한다. 지금까지 현장에서 절리의 특성을 조사하기 위해서는 클리노미터(Clinometer)를 이용하여 조사자가 직접 암반사면에 접근하여 절리의 방향을 측정하고 암반의 역학적 특성을 정성적으로 기록하는 전통적인 방법을 사용하였고, 이를 더 체계적으로 조사하기 위해서 조사선 조사법(Scanline Method)과 조사창 조사법(Window Method)을 적용하였다(Priest, 1993). 하지만 이 두 방법 모두 조사사 간의 비효율성, 조사자의 숙련도에 따른 조사결과의 상이성과 조사지역의 접근성 등과 같은 한계점이 꾸준히 제기되고 있다.
성능/효과
- 1. 3차원 모델에서 자동 추출한 절리는 총 495개이고, 절리의 방향에 따라서 수평으로 발달한 층리면, 암각화면에 수직으로 교차하는 두 종류의 수직절리와 암각화면과 평행하게 발달하는 수직절리와 같이 총 4개의 절리군이 연구지역에 발달되어 있었으며, 각 절리군의 평균 방향은 10/254, 78/246, 83/046과 80/327로 측정되었다.
- 2. 연구대상 지역을 클리노미터로 직접 측정한 38개의 절리 방향 데이터와 3D Laser Scanner를 통해 추출된 절리 방향 데이터를 비교･분석한 결과 경사는 ±4°, 경사방향은 ±5° 내외의 편차가 발생하였으며, 본 연구에서 설정한 경사/경사방향의 허용 오차범위인 ±7°, ±12°를 초과하지 않았기 때문에 본 연구 결과는 신뢰할만한 수준의 자료로 판단된다.
- 3. 오차 원인을 분석한 결과 절리의 굴곡도와 측정 위치 및 측정 방법의 차이로 인해서 오차가 발생한 것으로 분석되었다. 특히, 클리노미터를 이용하여 절리 방향을 직접 측정하는 경우에는 위의 3가지 요인에 영향을 많이 받는다는 것을 알 수 있었다.
- Table 3은 38개의 절리의 경사/경사방향 데이터를 비교한 것으로 38개 데이터의 경사와 경사방향에 대한 오차의 평균은 Table 3에서 볼 수 있듯이 경사의 평균 오차는 ±4°이고, 경사방향의 평균 오차는 ±5°로 분석되었다. 38개의 자료에서 본 연구에서 설정한 허용 오차범위를 넘는 데이터는 총 12개이고 이 중에서 8개의 데이터가 경사의 허용 오차를 벗어나고, 경사방향의 허용 오차를 벗어나는 데이터는 5개이고, 특히 39번 절리는 경사와 경사방향 모두 허용 오차를 벗어나는 것으로 분석되었다.
- 4. 3D Laser Scanner를 이용한 절리 측정법과 기존 측정법의 조사시간이 모두 약 3시간 정도 소요되었는데, 3D Laser Scanner를 이용하였을 때 12배 이상의 자료를 획득할 수 있었기에 효율적이라는 것을 본 연구를 통해서 확인할 수 있었다. 또한, 기존 절리 조사법의 단점인 지형적 제약의 문제점을 해결할 수 있으며, 조사자의 안정성을 확보하여 조사의 효율성을 극대화할 수 있다고 판단되었다.
- 경사의 오차 중에서 가장 큰 오차를 가지는 절리는 37번 절리로 28°의 오차를 가지며, 경사 방향의 경우 22번 절리가 37°의 오차를 가지는 것으로 분석되었다.
- 3D Laser Scanner를 이용한 절리 측정법과 기존 측정법의 조사시간이 모두 약 3시간 정도 소요되었는데, 3D Laser Scanner를 이용하였을 때 12배 이상의 자료를 획득할 수 있었기에 효율적이라는 것을 본 연구를 통해서 확인할 수 있었다. 또한, 기존 절리 조사법의 단점인 지형적 제약의 문제점을 해결할 수 있으며, 조사자의 안정성을 확보하여 조사의 효율성을 극대화할 수 있다고 판단되었다. 마지막으로 3D Laser Scanner를 통해 측정된 자료는 컴퓨터 파일로 남아있기 때문에 터널이나 사면 보강 공사 후에도 조사된 자료로 체계적인 사면 관리가 가능하고, 사면 붕괴가 발생하였을 때 신속하고 정확한 대안을 강구하는 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 스테레오네트 상에서 확인한 결과 4개의 절리군이 명확하게 구분되는 것을 알 수 있었다. Set 1은 빨간색 사각형으료 표시되어 있으며, 많은 양의 절리가 Set 1에 분포하고 있는 것을 알 수 있다.
- 이번 연구를 통해서 3D Laser Scanner를 이용한 절리 방향 데이터의 신뢰성을 확보할 수 있었다. 그러나 추출된 자료를 활용하기 위해서는 조사자의 경험이나 숙련도 등에 따라서 신뢰성이 달라질 수 있기 때문에 3D Laser Scanner를 이용하여 절리를 자동으로 추출하는 기능에서 중요 절리 설정과 빈도수 조정에 대한 추가적인 연구가 이루어진다면 3D Laser Scanner를 이용한 절리 조사의 신뢰도를 높여 앞으로 암반 사면 절리 조사에 3D Laser Scanner의 활용이 활성화 될 것이라고 생각된다.
- 점군 데이터 분석 프로그램을 통해서 대상 사면의 절리를 추출한 결과 총 495개의 절리가 추출되었으며, 추출 결과 절리의 방향에 따라서 총 4 Set의 절리가 연구 지역에 발달되어 있음을 알 수 있었다. Table 2는 대상 사면에 발달한 절리를 절리군에 따라서 분류한 기준과 평균 절리방향이고, Figure 2는 495개의 절리 데이터를 평사투영망에 투영시킨 결과이다.
- Table 2는 대상 사면에 발달한 절리를 절리군에 따라서 분류한 기준과 평균 절리방향이고, Figure 2는 495개의 절리 데이터를 평사투영망에 투영시킨 결과이다. 총 4개의 절리군은 수평으로 발달한 층리면(Set 1)과 암각화면과 수직으로 교차하는 절리면(Set 2, Set 3)와 암각화 면과 평행하게 발달한 절리면(Set 4)으로 구분할 수 있었으며, 방향(Dip / Dip Direction)은 각각 10/254, 78/246, 83/046과 80/327을 평균적으로 가지는 것을 알 수 있었다. 총 495개의 절리 중에서 4개의 절리군에 총 409개의 절리가 속하는 것을 알 수 있다.
- 허용 오차범위를 초과하는 오차들의 평균 편차를 분석하면, 경사의 평균 편차는 4.75°로 분석되었으며, 경사방향의 경우 7.4°로 분석되었는데 이를 통해서 경사보다 경사방향의 편차가 더 크다는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 이번 연구를 통해서 3D Laser Scanner를 이용한 절리 방향 데이터의 신뢰성을 확보할 수 있었다. 그러나 추출된 자료를 활용하기 위해서는 조사자의 경험이나 숙련도 등에 따라서 신뢰성이 달라질 수 있기 때문에 3D Laser Scanner를 이용하여 절리를 자동으로 추출하는 기능에서 중요 절리 설정과 빈도수 조정에 대한 추가적인 연구가 이루어진다면 3D Laser Scanner를 이용한 절리 조사의 신뢰도를 높여 앞으로 암반 사면 절리 조사에 3D Laser Scanner의 활용이 활성화 될 것이라고 생각된다.
- 또한, 기존 절리 조사법의 단점인 지형적 제약의 문제점을 해결할 수 있으며, 조사자의 안정성을 확보하여 조사의 효율성을 극대화할 수 있다고 판단되었다. 마지막으로 3D Laser Scanner를 통해 측정된 자료는 컴퓨터 파일로 남아있기 때문에 터널이나 사면 보강 공사 후에도 조사된 자료로 체계적인 사면 관리가 가능하고, 사면 붕괴가 발생하였을 때 신속하고 정확한 대안을 강구하는 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
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