[논문]UAV 기반의 공간정보와 무한사면해석모형을 활용한 산사태 위험도 평가

이근상; 최연웅

doi:10.22640/lxsiri.2015.45.2.161

UAV 기반의 공간정보와 무한사면해석모형을 활용한 산사태 위험도 평가
Landslide Hazard Evaluation using Geospatial Information based on UAV and Infinite Slope Stability Model 원문보기

지적과 국토정보 = Journal of cadastre & land informatix, v.45 no.2 = no.371, 2015년, pp.161 - 173

이근상 (전주비전대학교 지적토목학과) , 최연웅 (조선이공대학교 토목건설과)

초록
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최근 기후변화에 따른 집중호우로 산사태 및 토석류가 발생하여 많은 인명 및 재산피해가 발생하고 있다. 본 연구에서는 UAV 측량기술을 활용하여 산사태 평가에 필요한 DSM과 정사영상을 신속하게 구축하였으며, 이를 무한사면해석모형에 적용하여 산사태 위험도를 평가하였다. 대상지역에 대한 산사태 위험도를 평가한 결과, 산사태 위험도 구간인 $SI{\leq}1.0$에서의 분포면적이 $46,396m^2$로 분석되었으며 분포비율로는 전체지역의 18.2%로 나타났다. 특히 산사태 발생이 매우 심각하여 사면보강 대책을 시급히 시행해야 되는 구간인 $SI{\leq}0.0$의 면적은 $7,988m^2$로서 전체지역의 0.8%를 차지하는 것으로 분석되었다. 또한 사면안정지수에 의한 산사태 위험도와 물골분석에 의한 토석류 위험도를 종합적으로 검토함으로써, 집중호우 시 산사태에 따른 토석류 위험지역을 선정할 수 있었다. 본 연구에서 분석한 산사태 및 토석류 위험지역은 향후 사면보강이나 주민안전대책 수립을 위한 의사결정 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The influence of climate change on rainfall patterns has triggered landslide and debris flow with casualties and property damage. This study constructed DSM and Orthophoto by using UAV surveying technique and evaluated landslide risk area by applying GIS data into the infinite slope stability model. As a result of the estimation of slope stability in a site, the slope instability has $SI{\leq}1.0$ with cover area 46,396m2, and the distribution percentage was 18.2%. The most dangerous section has $SI{\leq}0.0$ with its cover area 7,988m2, and the ratio was 0.8%. The reviews regarding the risk of landslide and debris flow risk by stability index and river channel analysis respectively help being able to designate the hazard zone due to heavy rainfall. Therefore the analysis result of this study will need to reinforce soil slope and plan their safety measures in the future.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 SINMAP 프로그램 기반의 무한사면해석모형을 적용한 것은 UAV를 통해 취득한 DSM(Digital Surface Model)이나 경사도와 같은 최신의 지형정보를 활용하여 물의 흐름방향과 누적셀 그리고 이를 통한 산사태 및 물골을 분석할수 있고, 그 결과물을 UAV로 촬영한 정사영상과 함께 검토할 수 있어 산사태 및 토석류와 같은 지반재해 업무에 효과적이기 때문이다. SINMAP 프로그램의 입력자료(input)는 DSM과 경사도와 같은 공간정보를 비롯하여 중력가속도, 토양과 식생의 점착력, 토양 내부마찰각, 토양의 단위중량 등과 같은 매개변수가 이용되며 출력자료(output)는 SI 등급도 및 물골분석 등이있다.
최근 도심지 주변의 산지를 중심으로 토사붕괴나 산사태가 발생하여 인명 및 재산피해가 크게 증가하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 UAV 공간정보와 무한사면해석모형을 이용하여 여름철 집중호우로 인한 산사태 및 토석류 위험도를 평가하였다. 특히 도심지 주변 개발로 인한 최신의 지형 변화를 반영하기 위해 무인비행시스템인 UAV를 활용하였다.
본 연구에서는 도심지 주변의 산사태 위험도 평가에 이용되는 지형정보와 영상정보를 구축하기 위해 2015년 7월에 스위스 SenseFly사에서 제작한 eBee 모델을 활용하여 촬영을 수행하였다. eBee 모델은 순항 속도는 40～90㎞/h, 최대풍속은 12m/s, 그리고 약 50분 정도 비행이 가능한 고정익 UAV이다.
본 연구에서는 도심지 주변의 산사태 위험도를 평가하기 위해 UAV를 이용하여 최신의 지형 및 영상정보를 구축하였으며, 이를 무한사면안정해석 모델인 SINMAP(Stability Index Mapping)에 적용하여 산사태 위험도 등급이나 토석류에 직접적인 연관이 있는 물골의 분포 특성을 분석하는데 목적을 두었다.
본 연구에서는 수치지형도를 중첩하여 산사태 위험지역과 물골을 고려한 토석류 위험지역을 종합적으로 검토하였다. 이를 통해 산사태 위험도가 높아 시급히 보강이 필요한 구간(SI≤0.

가설 설정

따라서 무한사면해석 모형은 우리나라 산지와 같이 기반암 위에 형성된 2~3m 정도의 비교적 얕은 토층에서 지하수 포화에 의해 발생하는 슬라이딩 형태의 산사태를 모의 하는데 효과적이다. 무한사면해석모형은 깊이에 비해 사면의 길이가 길 때 파괴면은 사면에 평행하게 형성되며 사면의 길이는 거의 무한대이므로 양 끝의 영향은 무시하고 침투수압이 사면에 평행하게 작용한다고 가정한다(정남수 등, 2011).

제안 방법

특히 도심지 주변 개발로 인한 최신의 지형 변화를 반영하기 위해 무인비행시스템인 UAV를 활용하였다. UAV 비행설계는 eMotion SW를 활용하였으며, 영상매칭및 접합에 필요한 GCP 설정은 RTK 측량을 통해 수행하였다. UAV 측량을 통해 영상과 DSM 자료를 취득하였으며, 이를 무한 사면해석모형인 SINMAP 프로그램에입력하였다.
UAV 측량을 통해 대상지역에 대해 총 129장의 사진이 취득되었으며, 지상기준점(Ground Control Point; GCP)은 [그림 4]에 제시된 바와 같이 6점에 대해 RTK(Real Time Kinematic) 측량을 수행하였다. <표 1>은 GRS80 타원체 직각좌표계 기반의 GCP 측량성과이며, [그림 6]은 GCP 중 천주교 전주교구청에 대공표지 형태로 설치한 3번 지점에 대해 RTK 측량을 수행하는 화면이다.
UAV 비행설계는 eMotion SW를 활용하였으며, 영상매칭및 접합에 필요한 GCP 설정은 RTK 측량을 통해 수행하였다. UAV 측량을 통해 영상과 DSM 자료를 취득하였으며, 이를 무한 사면해석모형인 SINMAP 프로그램에입력하였다.
UAV로 촬영한 사진에 대해 Postflight Terra 3D SW를 이용하여 영상접합을 수행하였으며, 이 때 좌표매칭은 RTK 측량을 통해 취득한 6개 GCP 좌표를 이용하였다. [그림 7]은 UAV 측량을 통해 취득한 1m 해상도의 DSM과 경사도를 보여 주고 있으며, 평균고도와 평균경사는 각각 79.
본 연구에서는 UAV를 활용하여 DSM과 정사 영상을 구축하였으며, 이를 무한사면해석모형인 SINMAP에 활용하여 산사태 위험도를 평가하였다. 또한 수문학적 개념을 고려하여 지하수포화대및 물골을 분석함으로서 토석류 발생 위험지역도 함께 평가하였다.
본 연구에서는 UAV를 활용하여 DSM과 정사 영상을 구축하였으며, 이를 무한사면해석모형인 SINMAP에 활용하여 산사태 위험도를 평가하였다. 또한 수문학적 개념을 고려하여 지하수포화대및 물골을 분석함으로서 토석류 발생 위험지역도 함께 평가하였다.
비행출발은 대상지역에 인접해 있는 천주교 전주교구청에서 시작하였으며, [그림 5]와 같이 eMotion SW를 활용하여 종중복도 85%, 횡중복도 70%, 비행고도 약 160m 그리고 해상도는 5㎝급로 촬영계획을 수립하였다.
5가 밀집된 지역을 파악할 수 있었으며, 물골이 집중되어 토석류 발생이 우려되는 지역을 도면에서 확인할 수 있었다. 특히 UAV를 통해 촬영한 정사영상을 함께 활용하여 산사태와 토석류 발생지역에 대한 확인이 용이하도록 하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 도심지 주변의 산사태 위험도 평가를 위해 [그림 4]와 같이 전북 전주시 풍남동에 위치하고 있는 ○○산 주변지역을 선정하였으며 대상지 면적은 255,083 ㎡이다. 연구대상지역은 주변에 한옥마을을 비롯하여 오목대, 전주향교, 전주전통문화관 등 문화적으로 매우 중요한 시설물들이 위치하고 있으며 특히 전주와 남원을 연결하는 국도 17호선이 인접하고 있어 산사태 발생 시 매우 큰 피해가 우려될 가능성이 높다.
본 연구에서는 도심지 주변의 산사태 위험도 평가를 위해 [그림 4]와 같이 전북 전주시 풍남동에 위치하고 있는 ○○산 주변지역을 선정하였으며 대상지 면적은 255,083 ㎡이다. 연구대상지역은 주변에 한옥마을을 비롯하여 오목대, 전주향교, 전주전통문화관 등 문화적으로 매우 중요한 시설물들이 위치하고 있으며 특히 전주와 남원을 연결하는 국도 17호선이 인접하고 있어 산사태 발생 시 매우 큰 피해가 우려될 가능성이 높다.
eBee 모델은 순항 속도는 40～90㎞/h, 최대풍속은 12m/s, 그리고 약 50분 정도 비행이 가능한 고정익 UAV이다. 촬영에 이용되는 카메라는 일본 Canon사의 IXUS 127 모델을 이용하였다.

이론/모형

본 연구에서는 산사태 위험도를 평가하기 위해 SINMAP 모형을 이용하였다. 먼저 수문학적인 개념을 고려한 지형처리를 위해 DSM 자료로부터 흐름방향도를 계산한 결과는 [그림 8]과 같으며, 해당 픽셀로 유입되는 상류방향의 누적셀을 분석한 결과는 [그림 9]와 같다.
본 연구에서는 산사태 위험도를 평가하기 위해 무한사면해석모형을 기초로 미국 유타대학에서 개발한 SINMAP 프로그램을 활용하였다(Pack 등, 2005). 국내외적으로 무한사면해석모형을 활용하여 토석류 및 산사태 모델링을 수행한 연구가 진행되었다.
본 연구에서는 UAV 공간정보와 무한사면해석모형을 이용하여 여름철 집중호우로 인한 산사태 및 토석류 위험도를 평가하였다. 특히 도심지 주변 개발로 인한 최신의 지형 변화를 반영하기 위해 무인비행시스템인 UAV를 활용하였다. UAV 비행설계는 eMotion SW를 활용하였으며, 영상매칭및 접합에 필요한 GCP 설정은 RTK 측량을 통해 수행하였다.

성능/효과

대상지역에 대한 산사태 위험도를 평가한 결과, 산사태 위험도 구간인 SI≤1.0에서의 분포면적이 46,396㎡로 분석되었으며 분포비율로는 전체지역의 18.2%로 나타났다.
SINMAP은 수문학적 개념을 고려한 유출특성을 반영하도록 설계되었으며, 이를 통해 지하수 포화대 및 물골을 분석할 수 있다. 또한 중력가속도, 흙의 단위중량, 점착력, 내부마찰각 등의 매개변수를 통해 상류방향의 누적셀과 지형경사를 기준으로 포화정도를 고려한 SI를 계산할 수 있었다.
분석 결과, 과 같이 산사태 위험도 구간(SI≤1.0)의 분포면적은 46,396㎡로서 전체의 18.2%를 나타내었다.
이를 통해 산사태 위험도가 높아 시급히 보강이 필요한 구간(SI≤0.0) 이거나 산사태 가능성이 높은 0.0<SI≤0.5가 밀집된 지역을 파악할 수 있었으며, 물골이 집중되어 토석류 발생이 우려되는 지역을 도면에서 확인할 수 있었다.
특히 산사태 발생이 매우 심각하여 사면보강 대책을 시급히 시행해야 되는 구간인 SI≤0.0의 면적은 7,988㎡로서 전체지역의 0.8%를 차지하는 것으로 분석되었다.

후속연구

본 연구에서 UAV를 통해 구축한 DSM과 정사 영상을 무한사면해석모형과 연계하여 분석한 산사태 및 물골 위험지역 분석 결과는 사면보강이나 주민안전대책 수립을 위한 지반재해 분야의 의사 결정 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 다만 향후 UAV를 이용하여 구축한 지형자료에 대한 정확도 검증이나 지형변화가 발생하여 수치지형도의 지형으로는 최신성을 반영하기 곤란한 지역에 대한 적용성평가가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 분석된 산사태 위험도 평가 결과는 집중호우로 인한 산사태 및 토석류 발생지역을 사전에 예측함으로서 사면보강을 위한 위치 선정이나 지반재해 발생에 대비한 안전대책을 수립하는데 중요한 의사결정 자료로 활용될 수 있으리라 판단된다.
본 연구에서 UAV를 통해 구축한 DSM과 정사 영상을 무한사면해석모형과 연계하여 분석한 산사태 및 물골 위험지역 분석 결과는 사면보강이나 주민안전대책 수립을 위한 지반재해 분야의 의사 결정 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 다만 향후 UAV를 이용하여 구축한 지형자료에 대한 정확도 검증이나 지형변화가 발생하여 수치지형도의 지형으로는 최신성을 반영하기 곤란한 지역에 대한 적용성평가가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산사태 위험도 평가에 이용되는 무한사면해석 모형은 무엇인가?	산사태 위험도 평가에 이용되는 무한사면해석 모형은 중력에 의한 불안정 요소와 지표면과 평행한 면에 작용하는 마찰 및 점착력에 의한 안전 요소 간의 균형을 기초로 하고 있으며, 토층의 두께가 비교적 얕은 것으로 가정하여 사면의 안정 해석을 수행하는 모형이다. 따라서 무한사면해석 모형은 우리나라 산지와 같이 기반암 위에 형성된 2~3m 정도의 비교적 얕은 토층에서 지하수 포화에 의해 발생하는 슬라이딩 형태의 산사태를 모의 하는데 효과적이다.
	도시계획 분야를 비롯하여 재해, 수자원, 환경 등 다양한 분야에서 UAV 측량이 활용되는 이유는 무엇인가?	UAV 측량은 빠른 시간 내에 3차원 공간정보를 취득할 수 있어서 도시계획 분야를 비롯하여 재해, 수자원, 환경등 다양한 분야에서활용되고있다(김 석구, 2014; 최경아 등, 2011). 국내 활용연구를 살펴보면 유환희 등(2006)과 정성혁 등(2010)은 대축척영상지도 제작이나 3차원 공간정보 취득을 위해 무인비행시스템을 활용하였으며, 최경아 등(2011) 도 저고도 무인항공기를 이용하여 실시간 공중 모니터링을 수행한 바 있다.
	산사태 위험도 평가에 이용되는 무한사면해석 모형이 우리나라에서 효과적인 이유는 무엇인가?	산사태 위험도 평가에 이용되는 무한사면해석 모형은 중력에 의한 불안정 요소와 지표면과 평행한 면에 작용하는 마찰 및 점착력에 의한 안전 요소 간의 균형을 기초로 하고 있으며, 토층의 두께가 비교적 얕은 것으로 가정하여 사면의 안정 해석을 수행하는 모형이다. 따라서 무한사면해석 모형은 우리나라 산지와 같이 기반암 위에 형성된 2~3m 정도의 비교적 얕은 토층에서 지하수 포화에 의해 발생하는 슬라이딩 형태의 산사태를 모의 하는데 효과적이다. 무한사면해석모형은 깊이에 비해 사면의 길이가 길 때 파괴면은 사면에 평행하게 형성되며 사면의 길이는 거의 무한대이므로 양 끝의 영향은 무시하고 침투수압이 사면에 평행하게 작용한다고 가정한다(정남수 등, 2011).

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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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