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문제 정의
- 본 연구를 통해 3차원 스캐너의 정밀도와 생산성을 검토하였으며, 토공현장 적용가능성을 확인하였다. 하지만, 본 실험은 한정된 특정 타겟을 대상으로한 계측결과를 바탕으로 생산성 검증이 이루어진 한계를 지니고 있다.
- 건설 현장 내외를 이동하는 굴삭기, 그레이더, 덤프트럭 등 다수의 건설장비군의 움직임을 모니터링하고 토공량을 산정을 통한 자동화된 공정관리를 실현하기 위해서는 토공 현장의 3차원 지반지형에 대한 계측데이터의 취득이 필수적이다. 본 연구에서는 디지털화된 지반지형 구현을 위해 사용이 가능한 3차원 스캐너의 정밀도와 생산성을 분석하고자 하였다.
- 본 연구에서는 토공현장의 정밀계측을 위해 주로 사용되는 토탈스테이션과 최근에 주목받고 있는 3차원 스캐너의 정밀도 및 생산성을 비교하고자 한다. 두 계측기의 정밀도와 생산성을 비교하여 정략적인 측면과 정성적인 측면의 적용효과를 규명하고 스마트 시공관제를 위한 가장 적합한 계측형태를 정의하고자 한다.
가설 설정
- 경사에 따른 정밀도를 분석하기 위해, 바닥으로부터 1m 지점에 첫 번째 타겟을 부착하고 첫 번째 타겟으로부터 1m 상단에 두번째 타겟을 다시 1m 상단에 세 번째 타겟을 위치시켰다. 이는 실제 환경에서 고저차가 있는 지형에 산재하여 위치한 타겟을 가정한 배치하였다.
제안 방법
- 3차원 스캐너의 정밀도를 분석하기 위해, 우선 토탈스테이션을 이용하여 모든 타겟의 중심점을 측량한 후 이를 기준좌표로 하고 3차원 스캐너의 4가지 타겟 취득방법을 통해 취득된 타겟 중심점 좌표를 기준좌표와 비교하였다.
- 5m 내에서 거리를 달리한 임의 설정 7개 지점에 타겟을 배치하였으며 각 지점마다 3개의 타겟을 동일 수직선상에 배치하였다. 경사에 따른 정밀도를 분석하기 위해, 바닥으로부터 1m 지점에 첫 번째 타겟을 부착하고 첫 번째 타겟으로부터 1m 상단에 두번째 타겟을 다시 1m 상단에 세 번째 타겟을 위치시켰다. 이는 실제 환경에서 고저차가 있는 지형에 산재하여 위치한 타겟을 가정한 배치하였다.
- 본 실험을 통하여 다양한 계측방법에 따른 타겟의 위치정보와 계측 시 소요되는 시간을 측정하였다. 계측방법에 따른 정밀도는 토탈스테이션을 이용한 정밀측정값을 기준으로 3차원 스캐너를 이용한 다양한 측정값의 오차율을 계산하여 검증하였다. 또한, 토탈스테이션과 3차원 스캐너의 생산성은 각 측량기의 계측 프로세스를 분석하고 소용되는 작업 및 작업현장의 비정형성등을 고려하여 분석하였다.
- 낮은 해상도로 인해 스캔이 되지 않은 저해상도 기반스캔 결과 값과 사용자 타겟지정 오류로 인해 스캔이 완료되지 않은 이미지기반 스캔 결과 값을 제외한 중해상도 스캔 값과 고해상도 스캔 값을 바탕으로 3차원 스캔측량의 오차율을 아래 표와 같이 산출하였다. 중해상도와 고해상도의 평균오차율은 각각 0.
- 본 연구에서는 토공현장의 정밀계측을 위해 주로 사용되는 토탈스테이션과 최근에 주목받고 있는 3차원 스캐너의 정밀도 및 생산성을 비교하고자 한다. 두 계측기의 정밀도와 생산성을 비교하여 정략적인 측면과 정성적인 측면의 적용효과를 규명하고 스마트 시공관제를 위한 가장 적합한 계측형태를 정의하고자 한다.
- 계측방법에 따른 정밀도는 토탈스테이션을 이용한 정밀측정값을 기준으로 3차원 스캐너를 이용한 다양한 측정값의 오차율을 계산하여 검증하였다. 또한, 토탈스테이션과 3차원 스캐너의 생산성은 각 측량기의 계측 프로세스를 분석하고 소용되는 작업 및 작업현장의 비정형성등을 고려하여 분석하였다.
- 본 실험에서는 현업에서 주로 사용하는 Target All 즉, 3차원 스캐너가 스캔 가능한 모든 범위(수평방향 360°*수직방향 270°)를 스캔하는 방식으로 실험을 진행하였다.
- 본 실험을 통하여 다양한 계측방법에 따른 타겟의 위치정보와 계측 시 소요되는 시간을 측정하였다. 계측방법에 따른 정밀도는 토탈스테이션을 이용한 정밀측정값을 기준으로 3차원 스캐너를 이용한 다양한 측정값의 오차율을 계산하여 검증하였다.
- 본 연구에서는 토탈스테이션의 측량 값을 기준으로 하여 3차원 스캐너 측정 타겟 좌표 값을 비교하여 정밀도를 평가하였다. 오차는 3차원 Vector 방법을 적용하여 계산하였으며 이는 토탈스테이션 측량 값과 3차원 스캐너 측량 값 간의 3차원 공간상에서 Euclidean Distance를 의미한다.
- 삼각대 거치 후 토탈스테이션의 측정은 작업자가 측정이 필요한 측점을 광학장치를 이용하여 시준한 후 측정 버튼을 눌러 측량을 실시하는 방식으로 이루어졌다. 아래 그림은 토탈스테이션을 이용하여 취득한 좌표점을 3차원 공간에 도시한 것이다.
- 생산성 비교를 위해 실험환경을 대상으로 토탈스테이션과 3차원 스캐너의 계측 시간을 측정하였다. 실험에서 사용된 타겟 중심점 측정에 소요된 시간은 아래표와 같다.
- 실험은 전용 삼각대를 설치하고 먼저 토탈스테이션으로 모든 타겟에 대한 측량 값을 측정한 후 동일 삼각대에 3차원 스캐너를 거치한 후 3차원 스캔을 실시하였다. 앞에서 밝힌 바와 같이, 토탈스테이션은 거치 후 모든 타겟 좌표를 취득하는 것으로 실험을 완료하였으나 3차원 스캐너의 경우 아래와 같은 총 4가지 방식으로 실험을 진행하였다.
- 아래의 표는 총소요시간을 타겟수로 나눈 결과로 내장카메라 기반 관측과 저해상도 스캔의 경우 21개의 전체 타겟을 측정하지 못하고 각각 19개, 6개의 타겟만을 취득 하였으므로 이를 반영하여 타겟당 계측에 소요되는 시간을 측정 하였다.
- 앞 절에서는 3차원 스캐너의 측정값이 얼마나 정밀한지를 비교분석하였다. 현장의 지반지형을 정확하게 계측하는 것은 측량에 있어 가장 중요한 목적임에 틀림없다.
- 실험은 전용 삼각대를 설치하고 먼저 토탈스테이션으로 모든 타겟에 대한 측량 값을 측정한 후 동일 삼각대에 3차원 스캐너를 거치한 후 3차원 스캔을 실시하였다. 앞에서 밝힌 바와 같이, 토탈스테이션은 거치 후 모든 타겟 좌표를 취득하는 것으로 실험을 완료하였으나 3차원 스캐너의 경우 아래와 같은 총 4가지 방식으로 실험을 진행하였다. 4개의 3차원 스캔 방식 중 첫 번째 방식(내장카메라 기반 스캔)을 제외하고는 모두 현장이 아닌 사무실에서 소프트웨어를 통해 타겟의 좌표를 취득하는 후처리 과정이 요구되는 방식이다.
- 위와 같은 3차원 스캐너 세팅 요소를 기초로 하여 아래와 같이 대별하여서는 네 가지 방법으로 타겟 중심점 취득 테스트를 실험하였다.
- 하지만, 광범위한 작업현장을 측량하기 위해서는 계측 생산성 또한 반드시 고려해야할 요소이다. 이번 절에서는 토탈스테이션과 3차원 스캐너의 작업 프로세스와 계측 소요시간 등을 비교하여 3차원 스캐너의 생산성을 분석하였다.
- 두 개의 좌표계의 좌표정합을 위해서는 최소 3개 이상의 레퍼런스 포인트가 필요하며, 3개의 레퍼런스 포인트는 가능한 커다란 삼각형 형태를 이루는 것이 이상적이다. 이에 본 실험에서는 총 21개의 타겟 중 3개의 특정 타겟을 토탈스테이션과 3차원 스캐너 데이터 간 좌표정합을 위한 레퍼런스 포인트로 사용하였다.
- 본 실험에서 사용된 타겟은 일반적으로 ‘Black and White 타겟’이라고 부르는 타겟이며 이는 흑과 백의 색상 대비를 통해 타겟을 인식하는 방식으로 사용되는 타겟이다. 토탈스테이션의 경우 작업자가 시준을 통해 중점을 찾는 방식으로 진행하였고 3차원 스캐너는 타겟 자동 인식 기능을 이용하여 소프트웨어를 통해 타겟을 중점을 자동으로 찾는 방식(해상도별 스캔)과 현장에서 타겟 추정 점을 작업자가 지정하면 스캐너 스스로 해당영역을 추가 스캔을 통해 타겟 중점을 찾는 반자동 방식(내장카메라 기반 스캔) 모두를 적용 하였다. 토탈스테이션의 경우 전용 타겟의 사용 시 원거리 정밀 측정이 가능하나 이는 광파기전용 타겟으로 3차원 스캐너에서 타겟 인식이 불가능하여 본 연구에서는 사용치 않았다.
대상 데이터
- 타겟의 위치는 x, y, z의 3차원 좌표로 나타나며, 토탈스테이션과 타겟 간 거리도 함께 나타냈다. 21개의 포인트 가운데 1, 14, 16번 타겟은 3차원 스캔 데이터와의 좌표 정합을 위한 레퍼런스 포인트로 사용하였다.
- 본 실험에서 사용된 타겟은 일반적으로 ‘Black and White 타겟’이라고 부르는 타겟이며 이는 흑과 백의 색상 대비를 통해 타겟을 인식하는 방식으로 사용되는 타겟이다.
- 본 실험을 위해서 실험실내 측정기로부터 최소 2.6m ∼ 최대 12.5m 내에서 거리를 달리한 임의 설정 7개 지점에 타겟을 배치하였으며 각 지점마다 3개의 타겟을 동일 수직선상에 배치하였다.
- 본 연구를 위한 실험은 한국건설기술연구원 내에 위치한 면적 약 100㎡ 크기인 건설자동화 실험실에서 진행하였다. 본 실험을 위해서 실험실내 측정기로부터 최소 2.
- 본 연구에 사용한 3차원 스캐너의 경우 ‘Target All’ 설정 시 총 260여 장의 이미지를 취득하게 되며 개별 이미지는 500만 화소의 해상도를 갖는다.
성능/효과
- 저해상도는 빠른 데이터 처리 속도를 보여주나 6개의 타겟만을 인식하였으며, 중, 고 해상도에서는 정보처리에 시간이 소요되는 대신 21개의 모든 타겟을 성공적으로 취득하였다. 개별 해상도별 자동 타겟 분석을 위한 소요 시간은 데이터의 사이즈에 비례하여 시간이 소요됨을 확인하였다.
- 아래 표는 고해상도로 스캔한 결과 값이다. 고해상도 스캔 또한 중해상도 스캔과 동일하게 모든 타겟의 중심점 좌표 취득이 성공적으로 이루어짐을 확인할 수 있다.
- 위의 표에서 확인 가능하듯 1개 타겟 취득에 소요되는 총 시간은 3차원 스캐너를 이용하여 중해상도 스캔을 진행하였을 때가 가장 우수한 것으로 나타났다. 두번째로 토탈스테이션을 이용한 정밀측정이 타겟당 계측 소요시간이 작은 것으로 나타났다.
- 014%로 고해상도 평균오차율이 조금 작기는 하나 거의 비슷함을 알 수 있다. 또한 토탈스테이션을 통한 정밀측정과 비교해서 3차원 스캐너의 평균오차율은 0.015% 수준으로 정확도가 99% 이상임을 확인할 수 있다.
- 생산성 측면에서는 단순 타겟당 소요시간 비교를 통해 중해상도 스캔시 토탈스테이션을 이용한 정밀측정에 비해 71%의 시간절감효과가 있는 것으로 나타났으며, 고해상도 스캔은 정밀측정에 비해 생산성이 떨어지는 것으로 나타났다. 하지만, 계측 타겟의 수가 많을수록 실제 토공현장과 같은 비정형일수록, 3차원 스캐너의 생산성이 점점 커진다는 결론을 얻을 수 있었다.
- 아래의 그래프는 거리별 오차 분포를 도식화한 것이다. 스캐너로부터 4m 이하 근거리의 경우 내장카메라기반, 중해상도 스캔이 고해상도 스캔보다 더 정확한 것으로 나타났다. 하지만, 4m 이상 원거리의 경우 고해상도 스캔이 더 정밀한 것으로 나타났으며, 거리가 멀어질수록 고해상도 스캔 결과가 더 적은 오차를 보이고 있다.
- 하지만, 4m 이상 원거리의 경우 고해상도 스캔이 더 정밀한 것으로 나타났으며, 거리가 멀어질수록 고해상도 스캔 결과가 더 적은 오차를 보이고 있다. 오차 결과 값들을 분석하면 고해상도 스캔이 가장 적은 오차를 보이며 중해상도 스캔이 가장 큰 오차를 갖는 것을 확인할 수 있다.
- 위의 표에서 확인 가능하듯 1개 타겟 취득에 소요되는 총 시간은 3차원 스캐너를 이용하여 중해상도 스캔을 진행하였을 때가 가장 우수한 것으로 나타났다. 두번째로 토탈스테이션을 이용한 정밀측정이 타겟당 계측 소요시간이 작은 것으로 나타났다.
- 이는 타겟 자동 추출을 위해 필요한 수준의 데이터의 밀도에 미치지 못하여 발생한 것으로 보인다. 저해상도 스캔의 결과를 고려할 때, 저해상도 스캔은 대강의 지형을 빠르게 파악하고자 할 때 유용하며, 클라우드 포인트를 통해 정밀한 정보를 취득하기에는 무리가 있는 것으로 확인된다.
- 저·중·고 해상도로 설정한 후 취득한 데이터를 이용하여 자동 타겟 인식에 소요된 시간과 성공적으로 타겟 취득된 좌표수를 아래표와 같이 정리하였다. 저해상도는 빠른 데이터 처리 속도를 보여주나 6개의 타겟만을 인식하였으며, 중, 고 해상도에서는 정보처리에 시간이 소요되는 대신 21개의 모든 타겟을 성공적으로 취득하였다. 개별 해상도별 자동 타겟 분석을 위한 소요 시간은 데이터의 사이즈에 비례하여 시간이 소요됨을 확인하였다.
- 정밀도 측면에서 중해상도와 고해상도 스캔을 통해 얻은 데이터 값이 토탈스테이션을 통해 정밀 측정한 데이터의 좌표와 비교하여 99%이상의 정밀도를 나타내었으며, 평균 2.0mm이내의 오차가 발생하는 것으로 분석되어 토공현장 계측에 적용 가능한 것으로 나타났다. 그에 반해, 내장카메라 기반 스캔과 저해상도 스캔의 경우, 일부 타겟을 인식하지 못하여 현장에 적용하기가 어려울 것으로 판단된다.
- 아래 표는 중해상도 스캔 결과값의 오차를 나타내고 있다. 최대오차는 4.4mm이고 평균오차는 1.9mm로 내장 카메라 기반의 관측 결과보다 정밀도가 조금 떨어지는 것으로 나타났다.
- 아래 표는 내장 카메라 기반의 관측 결과값의 오차를 나타내고 있다. 타겟 인식에 실패한 9번, 11번 좌표를 제외한 19개의 타겟에서 발생한 오차의 평균은 1.7mm정도로 나타났다.
- 생산성 측면에서는 단순 타겟당 소요시간 비교를 통해 중해상도 스캔시 토탈스테이션을 이용한 정밀측정에 비해 71%의 시간절감효과가 있는 것으로 나타났으며, 고해상도 스캔은 정밀측정에 비해 생산성이 떨어지는 것으로 나타났다. 하지만, 계측 타겟의 수가 많을수록 실제 토공현장과 같은 비정형일수록, 3차원 스캐너의 생산성이 점점 커진다는 결론을 얻을 수 있었다.
후속연구
- 본 연구를 통해 3차원 스캐너의 정밀도와 생산성을 검토하였으며, 토공현장 적용가능성을 확인하였다. 하지만, 본 실험은 한정된 특정 타겟을 대상으로한 계측결과를 바탕으로 생산성 검증이 이루어진 한계를 지니고 있다. 향후 실제 토공현장을 대상으로 실질적인 생산성 검토가 이루어질 필요가 있다.
- 하지만, 본 실험은 한정된 특정 타겟을 대상으로한 계측결과를 바탕으로 생산성 검증이 이루어진 한계를 지니고 있다. 향후 실제 토공현장을 대상으로 실질적인 생산성 검토가 이루어질 필요가 있다.
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