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문제 정의
- 본 연구에서는 레이저스캐너의 반사강도를 이용하여 구조물의 변상현상 탐지 가능성 및 객체화 가능성에 대한 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 짧은 소요시간으로 대량의 점군데이터를 취득할 수 있는 장점이 있는 레이저스캐너를 이용하여 수집된 물체의 반사강도에 따른 구조물의 변상 현상탐지 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 도로하단부의 수로터널과는 달리 평면 스캐닝만으로도 데이터 수집이 가능하여 스캐너 마운트의 각도를 0°로 설치한 후 스캐닝하였다. 대상체의 정밀 스캐닝 범위를 설정하기 위해 1차적으로 전체 스캐닝(overview) 작업을 수행하였으며, 2차적으로 선정된 구간 스캐닝을 위해 수평, 수직각을 설정하여 정밀 스캐닝을 실시하는 방법으로 데이터를 취득하였다. 정밀스캐닝 작업과 더불어 점군데이터의 컬러 병합을 위한 고해상도 이미지 촬영도 각각의 현장마다 추가적으로 실시하였다.
- 0m 범위로 선정하여 스캐닝을 수행하였다. 도로하단부의 수로터널과는 달리 평면 스캐닝만으로도 데이터 수집이 가능하여 스캐너 마운트의 각도를 0°로 설치한 후 스캐닝하였다. 대상체의 정밀 스캐닝 범위를 설정하기 위해 1차적으로 전체 스캐닝(overview) 작업을 수행하였으며, 2차적으로 선정된 구간 스캐닝을 위해 수평, 수직각을 설정하여 정밀 스캐닝을 실시하는 방법으로 데이터를 취득하였다.
- 저장된 ASCII 파일은 백태, 누수 등 변상현상이 일어난 부분을 Cloud Compare, Matlab software를 이용하여 각 현상 별 샘플을 추출하여, 샘플별 반사강도 차이를 확인, 분석하였다. 또한, 현장에서 취득한 고해상도 컬러이미지를 이용하여 수집된점군데이터와 병합해주어 점군데이터의 컬러화작업을 수행하였다(Fig. 8~Fig. 11).
- 변상현상에 대한 자료 취득을 위해 구조물의 벽면 중 변상 현상이 다수 발생한 벽체를 5.0m×3.0m 범위로 선정하여 스캐닝을 수행하였다. 도로하단부의 수로터널과는 달리 평면 스캐닝만으로도 데이터 수집이 가능하여 스캐너 마운트의 각도를 0°로 설치한 후 스캐닝하였다.
- 2). 스캐닝 점군자료획득을 위해 천정부 범위까지 스캐닝이 가능하도록 스캐너 마운트의 각도를 90°로 고정한 후 스캐닝 작업을 수행하였다. 콘크리트 건축물의 벽면은 15년 이상 된 철근콘크리트 구조물의 옥상부(Fig.
- 출력된 반사강도(I)의 단위는 데시벨(dB)로서, 0에 가까울수록 반사강도가 높은 것이다. 저장된 ASCII 파일은 백태, 누수 등 변상현상이 일어난 부분을 Cloud Compare, Matlab software를 이용하여 각 현상 별 샘플을 추출하여, 샘플별 반사강도 차이를 확인, 분석하였다. 또한, 현장에서 취득한 고해상도 컬러이미지를 이용하여 수집된점군데이터와 병합해주어 점군데이터의 컬러화작업을 수행하였다(Fig.
- 점군데이터의 식생 및 지장물 등 주변 환경에 따른 노이즈 오차를 최소화하기 위해 우선적으로 불필요한 점군을 제거해주는 클리닝작업과 파라미터 조절을 통해 필요구간만을 추출할 수 있는 필터링 작업을 수행하였다(Fig. 6).
- 대상체의 정밀 스캐닝 범위를 설정하기 위해 1차적으로 전체 스캐닝(overview) 작업을 수행하였으며, 2차적으로 선정된 구간 스캐닝을 위해 수평, 수직각을 설정하여 정밀 스캐닝을 실시하는 방법으로 데이터를 취득하였다. 정밀스캐닝 작업과 더불어 점군데이터의 컬러 병합을 위한 고해상도 이미지 촬영도 각각의 현장마다 추가적으로 실시하였다. Fig.
대상 데이터
- 도로하단부에 위치한 구조물은 규격 2.0m×2.5m, 총연장 39.0m의 수로터널이다(Fig. 2). 스캐닝 점군자료획득을 위해 천정부 범위까지 스캐닝이 가능하도록 스캐너 마운트의 각도를 90°로 고정한 후 스캐닝 작업을 수행하였다.
- 레이저스캐너의 반사강도를 이용한 구조물의 변상 탐지를 위해 건물 옥상 벽체와 도로하단부에 위치한 수로터널 등 누수, 백태, 박리가 발생된 현장에 레이저 스캐너를 설치하여 데이터를 수집하였다. 스캐닝 시 각 현장마다 효율적인 해상도(point to point 간격: 약 2mm 내외)를 설정하고, 대상체와의 거리 10m 이내에 스캐너를 설치한 후 점군데이터를 취득하였다.
- 설치하여 데이터를 수집하였다. 스캐닝 시 각 현장마다 효율적인 해상도(point to point 간격: 약 2mm 내외)를 설정하고, 대상체와의 거리 10m 이내에 스캐너를 설치한 후 점군데이터를 취득하였다. 스캐너 현장 설치 후 데이터 취득까지 약 10~15분 정도가 소요되었으나, 이는 레이저스캐너와 카메라와의 보정 작업을 포함한 시간으로 실제 정밀 스캐닝 수행에 소요된 시간은 2분 미만이다.
- 스캐닝 점군자료획득을 위해 천정부 범위까지 스캐닝이 가능하도록 스캐너 마운트의 각도를 90°로 고정한 후 스캐닝 작업을 수행하였다. 콘크리트 건축물의 벽면은 15년 이상 된 철근콘크리트 구조물의 옥상부(Fig. 3)를 선정하였다. 대상 벽체는 외부노출에 의한 박리, 백태와 같은 변상이 다양하게 발생하였으며 특별한 보수흔적은 없었다.
데이터처리
- 대상체 구간 중 변상구간의 신뢰성 있는 분석을 위해 Riegl사의 레이저스캐너 전용프로그램인 Riscan Pro를 이용하였다. 점군데이터의 식생 및 지장물 등 주변 환경에 따른 노이즈 오차를 최소화하기 위해 우선적으로 불필요한 점군을 제거해주는 클리닝작업과 파라미터 조절을 통해 필요구간만을 추출할 수 있는 필터링 작업을 수행하였다(Fig.
이론/모형
- 2001), 시간차방식과 달리 단거리용이다. 본 연구에서는 도로하단부에 위치한 수로터널, 일반 건물의 벽체 구조물 등 건물외관이나 큰 대상물의 점군데이터 취득에 효과적인 시간차방식을 이용한 Riegl사의 VZ-400 모델을 사용하여 연구를 수행하였다.
성능/효과
- 변상현상이 없는 정상적인 부분 반사강도의 분포 분석 결과, -3~-4dB 범위에 집중되어 있는 것으로 분석되었으며, 백태현상이 일어난 구간은 -2~-3dB 범위 내에 집중적으로 분포되어 변상이 없는 정상부 부분의 반사 강도 보다 높은 값을 나타내는 특성을 보였으며, 백태가 발생한 중심부에서 점차 멀어질수록 반사강도가 낮아지는 경향을 확인할 수 있었다. 누수현상과 박리현상은 -5~-6.5dB의 낮은 범위에 분포가 집중되어 있는 것으로 분석되었으며, 누수가 시작된 지점의 반사 강도는 누수가 진행된 주변부와 비교하여 더 낮은 반사 강도를 나타내는 특징을 보였다. 또한, 집중되어있는 반사 강도 수치를 이용하여 임시 분류인덱스 산정을 통한 변상 현상 탐지가 가능하였다.
- 5dB의 범위 내에 많이 분포하는 것으로 분석되었다. 누수현상이 발생한 경우에는 정상부의 벽체 반사강도 수치보다 낮은 -5.5~-6.5dB의 범위 내에 많이 분포하는 것으로 나타났다. 즉, 정상부의 콘크리트와 비교하였을 때, 백태가 발생한 콘크리트는 반사강도가 높았으며, 박리가 발생한 콘크리트는 반사 강도가 낮은 것으로 분석되었다.
- 상기 언급된바와 같이 백태가 발생한 지점의 반사 강도는 기존 정상부 벽체의 반사강도보다 높은 값을 나타내는 짙은 붉은색으로 표출된 것을 알 수 있었다. 또한 백태형태, 규모를 컬러이미지를 활용한 구분보다 명확한 형태의 구분이 가능한 것으로 나타났다.
- 또한 연구를 통해 레이저스캐너의 반사강도는 색, 방향각, 입사각, 거칠기 등 다양한 요소에 따라 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 본 연구에서는 대상구조물이 2개소에 국한되어 있어, 다양한 요소에 변화하는 반사강도를 이용한 정량적인 분류인덱스 산정에는 한계가 있었다.
- 5dB의 낮은 범위에 분포가 집중되어 있는 것으로 분석되었으며, 누수가 시작된 지점의 반사 강도는 누수가 진행된 주변부와 비교하여 더 낮은 반사 강도를 나타내는 특징을 보였다. 또한, 집중되어있는 반사 강도 수치를 이용하여 임시 분류인덱스 산정을 통한 변상 현상 탐지가 가능하였다.
- 14는 박리 발생지점에 대한 반사강도 이미지(상) 와 컬러이미지(하)를 나타낸 것이다. 박리에 의한 변상 현상 구간은 주변부의 정상적인 구간의 반사강도보다 낮은 반사강도를 나타냈으며, 반사강도를 이용한 이미지에서도 주변부 변상이 없는 벽체보다 낮은 반사강도를 나타내는 것으로 분석되었다.
- 의한 변상현상이 관찰되었다. 백태, 박리에 의한 변상 현상은 수집된 점군데이터의 반사강도 분석결과 주변의 정상적인 구간의 반사강도 수치에 비해 차이를 보였다. Fig.
- 백태현상은 Fig. 16과 같이 백태가 일어난 중심부에서 멀어질수록 반사강도의 수치는 낮아지는 경향이 나타나는 것을 알 수 있었으며, 측벽 내에 3~4개소의 누수 발생 흔적이 있었다. 누수발생 구간에서는 변상이 없는 부분의 반사강도 수치(-2.
- 변상현상이 없는 정상적인 벽체의 반사강도는 -3.5~ -4.5dB 범위 내에 밀집되어 분포하는 경향을 보였으며, 백태현상이 발생한 벽체는 변상이 없는 벽체의 반사 강도보다 높은 수치인 -0.5~-1.5dB의 범위 내에 많이 분포하는 것으로 분석되었다. 누수현상이 발생한 경우에는 정상부의 벽체 반사강도 수치보다 낮은 -5.
- 있었다. 변상현상이 없는 정상적인 부분 반사강도의 분포 분석 결과, -3~-4dB 범위에 집중되어 있는 것으로 분석되었으며, 백태현상이 일어난 구간은 -2~-3dB 범위 내에 집중적으로 분포되어 변상이 없는 정상부 부분의 반사 강도 보다 높은 값을 나타내는 특성을 보였으며, 백태가 발생한 중심부에서 점차 멀어질수록 반사강도가 낮아지는 경향을 확인할 수 있었다. 누수현상과 박리현상은 -5~-6.
- 13은 백태가 발생한 지점 중 일부를 반사 강도로 표현한 이미지(왼쪽)와 컬러이미지(오른쪽)를 비교한 것이다. 상기 언급된바와 같이 백태가 발생한 지점의 반사 강도는 기존 정상부 벽체의 반사강도보다 높은 값을 나타내는 짙은 붉은색으로 표출된 것을 알 수 있었다. 또한 백태형태, 규모를 컬러이미지를 활용한 구분보다 명확한 형태의 구분이 가능한 것으로 나타났다.
- 연구결과 변상현상에 따른 각 현장(건물옥상벽면, 수로터널)의 벽면부에 발생한 변화를 탐지할 수 있었다. 변상현상이 없는 정상적인 부분 반사강도의 분포 분석 결과, -3~-4dB 범위에 집중되어 있는 것으로 분석되었으며, 백태현상이 일어난 구간은 -2~-3dB 범위 내에 집중적으로 분포되어 변상이 없는 정상부 부분의 반사 강도 보다 높은 값을 나타내는 특성을 보였으며, 백태가 발생한 중심부에서 점차 멀어질수록 반사강도가 낮아지는 경향을 확인할 수 있었다.
- 앞 절의 옥상건물 벽체의 수치적 분포경향과 유사한 양상을 나타내었다. 정상부 콘크리트의 반사강도를 기준으로 백태가 발생한 콘크리트의 반사강도는 높았으며, 누수가 발생한 콘크리트의 반사강도는 낮은 특징을 보였다. 이러한 수치적인 결과는 다양한 현장 데이터를 추가적으로 수집하여 정량적인 현상별 분류인덱스 산출과 같은 레이저스캐너의 반사 강도만을 이용한 변상유무의 분류가 가능할 것으로 판단된다.
- 5dB의 범위 내에 많이 분포하는 것으로 나타났다. 즉, 정상부의 콘크리트와 비교하였을 때, 백태가 발생한 콘크리트는 반사강도가 높았으며, 박리가 발생한 콘크리트는 반사 강도가 낮은 것으로 분석되었다.
후속연구
- 그러므로 변상현상의 발생 시점, 열화 양상 등 시간적인 분석에 있어서는 한계가 있었다. 따라서 주기적인 데이터 수집을 통한 시계열 분석 시 발생 시점 및 변상 양상에 대한 보수/보강 시 기초자료의 역할 또한 기대할 수 있을 것이다.
- 레이저스캐너의 반사강도를 이용한 구조물 변화탐지는 인력에 의한 육안조사가 가지는 단점을 보완하고, 인력 접근성의 한계가 있는 특수 환경에 위치하는 구조물을 대상으로 자동화 유지관리 및 점검 방안으로 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
- 정상부 콘크리트의 반사강도를 기준으로 백태가 발생한 콘크리트의 반사강도는 높았으며, 누수가 발생한 콘크리트의 반사강도는 낮은 특징을 보였다. 이러한 수치적인 결과는 다양한 현장 데이터를 추가적으로 수집하여 정량적인 현상별 분류인덱스 산출과 같은 레이저스캐너의 반사 강도만을 이용한 변상유무의 분류가 가능할 것으로 판단된다.
- 이러한 특징을 활용하여 육상 구조물과는 달리 인력의 접근성이 불리한 해저 터널과 같은 구조물에서의 변상에 대한 모니터링 방안으로 레이저스캐너의 반사 강도를 이용하는 것이 가능한 것으로 판단된다. 즉, 신뢰도 있는 데이터 수집에 따른 각 점군데이터의 반사 강도를 이용한 변상유형 분류 및 폴리곤 영역 객체화를 통하여 인력접근의 한계성에 의한 자동화 유지관리가 요구되는 구조물에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
- 이용하는 것이 가능한 것으로 판단된다. 즉, 신뢰도 있는 데이터 수집에 따른 각 점군데이터의 반사 강도를 이용한 변상유형 분류 및 폴리곤 영역 객체화를 통하여 인력접근의 한계성에 의한 자동화 유지관리가 요구되는 구조물에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
- 것을 확인할 수 있었다. 하지만 본 연구에서는 대상구조물이 2개소에 국한되어 있어, 다양한 요소에 변화하는 반사강도를 이용한 정량적인 분류인덱스 산정에는 한계가 있었다. 하지만, 향후 추가적인 연구 진행을 통해 변상현상에 대한 정량적인 상관관계 추출 및 반사 강도에 영향을 미치는 인자에 대한 보정식을 마련하여 정량적인 분류인덱스 산정이 이루어진다면 레이저스캐너의 반사강도를 이용한 분류에 있어 높은 신뢰성을 추가적으로 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- 하지만 본 연구에서는 대상구조물이 2개소에 국한되어 있어, 다양한 요소에 변화하는 반사강도를 이용한 정량적인 분류인덱스 산정에는 한계가 있었다. 하지만, 향후 추가적인 연구 진행을 통해 변상현상에 대한 정량적인 상관관계 추출 및 반사 강도에 영향을 미치는 인자에 대한 보정식을 마련하여 정량적인 분류인덱스 산정이 이루어진다면 레이저스캐너의 반사강도를 이용한 분류에 있어 높은 신뢰성을 추가적으로 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
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