최근 국내에서는 이상기온으로 인한 국지성 폭우와 여름철 태풍과 집중호우로 인한 다양한 재해 유형 중 산악지역을 중심으로 토사재해의 피해가 증가하는 추세이다. 국내 지형의 특성상 국토의 65% 이상이 산지로 형성되어 있어 개발이 필요하며 급격한 도시화로 인해 급경사지 및 산지가 도심지와 인접해 있다. 지속적인 도시화 산업화로 인하여 주거지 및 산업단지에 대한 피해가 지속적으로 증가하고 있으며, 도심지 인구밀도가 높은 우리나라는 토사재해 발생 시 그 피해 규모가 외국과 달리 크게 발생하고 있다. 최근 10년간(2001~2010년) 연평균 인명피해 68명, 재산피해 1조 7,044억원과 비교해 볼 때 인명피해는 20%, 재산피해는 25%, 수준으로 감소하는 것으로 보이지만, 도심지의 피해는 오히려 증가하고 있다. 이와 같은 도심지 토사재해를 예방하기 위해서는 도심지의 건물 등을 고려하여 시뮬레이션이 가능한 토사재해 3D시뮬레이터 개발이 필요한 실정이다. 본 논문에서는 3D 시뮬레이터 개발을 위한 자료 수집 및 분석 및 현재까지 개발 된 시뮬레이터를 통해 실제 피해지역인 우면산의 피해상황을 가시화를 실시하여 시뮬레이터의 성능을 검증하였다.
최근 국내에서는 이상기온으로 인한 국지성 폭우와 여름철 태풍과 집중호우로 인한 다양한 재해 유형 중 산악지역을 중심으로 토사재해의 피해가 증가하는 추세이다. 국내 지형의 특성상 국토의 65% 이상이 산지로 형성되어 있어 개발이 필요하며 급격한 도시화로 인해 급경사지 및 산지가 도심지와 인접해 있다. 지속적인 도시화 산업화로 인하여 주거지 및 산업단지에 대한 피해가 지속적으로 증가하고 있으며, 도심지 인구밀도가 높은 우리나라는 토사재해 발생 시 그 피해 규모가 외국과 달리 크게 발생하고 있다. 최근 10년간(2001~2010년) 연평균 인명피해 68명, 재산피해 1조 7,044억원과 비교해 볼 때 인명피해는 20%, 재산피해는 25%, 수준으로 감소하는 것으로 보이지만, 도심지의 피해는 오히려 증가하고 있다. 이와 같은 도심지 토사재해를 예방하기 위해서는 도심지의 건물 등을 고려하여 시뮬레이션이 가능한 토사재해 3D 시뮬레이터 개발이 필요한 실정이다. 본 논문에서는 3D 시뮬레이터 개발을 위한 자료 수집 및 분석 및 현재까지 개발 된 시뮬레이터를 통해 실제 피해지역인 우면산의 피해상황을 가시화를 실시하여 시뮬레이터의 성능을 검증하였다.
The frequent regional torrential or heavy rain and typhoon mostly caused by climate change has resulted in sediment disasters particularly in mountainous or hilly areas. More than 65% of South Korea is mountainous and development and rapid urbanization has brought lots of steep sloping industrial co...
The frequent regional torrential or heavy rain and typhoon mostly caused by climate change has resulted in sediment disasters particularly in mountainous or hilly areas. More than 65% of South Korea is mountainous and development and rapid urbanization has brought lots of steep sloping industrial complexes, which are adjacent to cities. Such continuous urbanization and industrialization can result in an increase in serious damage to those places. Korea has very high population density so sediment disaster could result in a tremendous loss of property and life. A recent 10-year (2001~2010) study of the average annual loss shows 68 casualties and property loss of 1.7044 trillion Won(?), which indicates a 20% and 25% decrease for both life and property, respectively, but urban areas are experiencing increasing damage. In this paper, a comprehensive simulator composed by references, analyses, and the recent technologies was applied to visualize the scale of the damaged Woomyeon-san (Mt.) and verify the performance of the simulator.
The frequent regional torrential or heavy rain and typhoon mostly caused by climate change has resulted in sediment disasters particularly in mountainous or hilly areas. More than 65% of South Korea is mountainous and development and rapid urbanization has brought lots of steep sloping industrial complexes, which are adjacent to cities. Such continuous urbanization and industrialization can result in an increase in serious damage to those places. Korea has very high population density so sediment disaster could result in a tremendous loss of property and life. A recent 10-year (2001~2010) study of the average annual loss shows 68 casualties and property loss of 1.7044 trillion Won(?), which indicates a 20% and 25% decrease for both life and property, respectively, but urban areas are experiencing increasing damage. In this paper, a comprehensive simulator composed by references, analyses, and the recent technologies was applied to visualize the scale of the damaged Woomyeon-san (Mt.) and verify the performance of the simulator.
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문제 정의
본 논문에서는 해석 된 DATA를 가시화 할 수 있는 3D 시뮬레이터 개발내용과 성능 검증을 위해 피해가 발생한 우면산에 적용하여 3D 시뮬레이터의 성능을 검증하였다. 성능 검증 결과 Fig 28과 Fig 30과 같이 3D 시뮬레이터의 결과물에 대해 가시화를 실시 한 경우 거의 실제와 같은 표현이 가능하며, 공학자는 물론 일반 시민들도 토사재해의 피해범위 등에 대해 쉽게 알 수 있을 것으로 판단된다.
토사 가시화는 크게 사실적인 가시화와 Contour 가시화로 나눌 수 있다. 여기에서 Contour 표현은 토사 해석 결과인 토사의 밀도, 속도 등을 가시적으로 보는 것이 목적이다. 토사의 밀도나 속도 등을 가시적으로 보기 위해서는 토사를 표현하는 표면 Mesh가 필요하다.
제안 방법
3D 시뮬레이터를 사용자에게 직접 입력을 받고 해석을 수행하고 결과 값을 보여줄 수 있는 Window 프레임 기반의 프로그램을 개발하였다.
Fig.15와 같이 결과 파일을 2개로 분리하여 저장하는 이유는 작게는 수백MB에서 수십GB 까지 용량을 가질 수 있으므로, 해당정보를 PC 메모리에 모두 저장하기에는 문제가 있으므로, 필요한 부분만 읽어 들일 수 있도록 시스템을 구성하기 위해 2개로 분리하여 저장하도록 시스템을 구성하였다.
통합 모델에서는 아래 그림과 같이 지형과 구조물이 별도로 나타내어 사실감을 표현하지만 해석에서는 Fig 26과 같이 하나로 합쳐진 Mesh형식으로 변환시켜진 정보가 전달되어 해석이 수행된다. 따라서 지형 격자망에 해당하는 구조물의 상면을 검색하여 해당 격자의 높이 값을 변경시켜 해석용 Mesh를 만들어 낸다.
해석결과를 전부 화면에 표현 하게 되면 아주 작은 값까지 3D 모델 상에 표현되므로 크게 영향이 없는 부분까지 화면을 덮게 됨에 따라 Fig 29과 같이 토석류의 주류를 파악하기 어려우므로 특정값 이하의 값을 제거하여 표현하면 Fig 30과 같이 실사 이미지의 배경과 보다 자연스럽게 융화된 해석 결과물을 얻을 수 있다. 또한 해석된 결과를 그대로 표현하게 되면 산지 지형의 굴곡에 묻혀 토석류의 양적인 변화를 관찰하기가 어려우므로 보다 과장된 표현을 통하여 토석류의 양적 변화를 확인 할 수 있도록 Scale기능을 추가하였다. Scale기능을 이용하면 토석류량을 늘려 표현되므로 보다 극대화된 영상을 얻을 수 있으므로 공학자 및 일반 사용자도 보다 쉽게 이해를 도울 수 있다.
이와 같은 문제점을 통해 발생 할 수 있는 재해를 예방하기 위해서는 도심지의 건물 등을 고려한 토사재해 3D 시뮬레이션 개발이 필요한 실정이다. 본 논문에서 개발된 3D 시뮬레이터를 실제 피해가 발생한 우면산 지역에 적용하여 그 성능을 검증하였다.
본 연구에서는 공간정보산업진흥원의 데이터를 활용하기 위해 Shape File를 이용하였으며, 이 파일도 DEM 자료와 같이 좌표계가 존재하기 때문에 DEM 자료와 같은 좌표계를 적용해줘야 지형데이터에 맞게 Shape File의 데이터가 표시된다. 본 연구에서 개발한 3D 프로그램은 Shape File의 데이터로 구조물을 만드는데 사용하며, 주로 Polyline이나 Polygon의 vertex와 레코드 내용 중 높이 정보를 이용하여 구조물은 만든다.
DEM의 파일 종류는 USGS DEM, ASCII, Raster(GeoTiff)등이 있는 USGS는 Raster 기반의 디지털 모델을 저장하기 위해 미국 지질 조사(USGS)에 의해 개발된 지리 정보 파일 포맷이고 ASCII는 Text문서로 저장되어 있으며, Raster(GeoTiff)는 이미지 데이터로 2차원 표면을 작은 픽셀 단위로 나누어 표현하는 방법이다. 본 연구에서는 공간정보산업진흥원이 운용하는 VWorld에서 사용하고 있는 데이터를 활용하기 위해 Raster(GeoTiff)형식의 데이터를 불러오는 기능을 구현하였고, 데이터 추출 및 좌표계 변환, 데이터 입력의 과정을 거쳐서 지형을 생성하게 된다. Raster(GeoTiff)에서 추출할 수 있는 데이터는 격자의 시작좌표, 격자수, 격자 크기, 좌표계, 격자의 높이 값의 추출이 가능하며, 추출된 데이터와 좌표계 변환 등의 절차를 거쳐 지형을 생성하며 Fig 6과 같다.
Fig 8,9와 같이 내부 혹은 외부 구조물 데이터는 Fig 10과 같이 정점 정보로 이루어지며, 이 구조물은 다시 정적인 구조물과 동적인 구조물로 구분되어 진다. 본 프로그램에서는 정적인 구조물을 사용하였으며, 구조물 데이터 생성 프로그램을 통해 생성된 구조물 데이터를 가시화 한 결과는 Fig 10과 같다.
앞서 설명한 지형 생성 기술은 2차원 Grid에 Height Map를 합쳐서 지형을 생성하였지만, 본 연구에서는 Height Map를 DEM(Digital Elevation Model)로 대체하여 지형을 생성하였다. 여기서, DEM 이란 ‘수치표고 모형’, 혹은 ‘수치고도데이터’라고 하며, Fig 3의 2차원 Grid와 같이 일정한 격자 상에서의 높이 값을 가지고 있는 데이터이다.
기존의 GIS 정보들을 활용하여 위도, 경도좌표를 기준으로 하여 원하는 지역에 대해서 빠르게 3D 시뮬레이터 모델을 구축하는 자동화 기능이다. 지형정보를 가진 DEM정보로부터 지형의 각 좌표별 높이를 산출하여 지형 격자망정보를 구성하고, 2D형식의 정보를 가지는 Shape파일로부터 읽어들인 2D 도형의 외곽을 기준으로 각 건물의 높이만큼의 수직벽면을 생성하고 상부와 하부 면을 생성하여 3D 구조물을 자동으로 생성한다. 이러한 방식으로 정해진 범위내의 정보를 계산하여 한 번에 지형과 구조물을 자동으로 생성시켜 모델을 완성하는 기능이다.
첫 번째 입력방식으로는 구조물의 평면을 하나하나 직접 입력하는 Plane 및 Plane List 2개의 입력방식을 제공하며, 이 두 방법은 각 평면의 모서리 3차원 좌표를 입력 하여 구조물을 구성한다.
대상 데이터
Fig 7과 같이 구조물 데이터를 생성하기 위해서는 크게 외부 구조물 데이터/내부 구조물 데이터로 구분할 수 있다. 외부 구조물 데이터는 3D Max나 Maya와 같이 3D Mesh 데이터를 생성하는 소프트웨어에서 제작된 데이터이며, 내부구조물 데이터는 시스템 내부에서 생성하는 구조물 데이터 이다. 외부 구조물 데이터를 개발된 프로그램에 가시화하기 위해서는 외부 구조물 데이터의 자료구조를 본 프로그램에 맞게 변경하는 작업이 필요하며, Fig 8과 같이 구현된다.
성능/효과
마지막으로, 현재 개발한 콘투어 외에 Shader를 통한 토석류 표현 및 유속에 대한 Vector 표현 기능을 추가 개발 한다. Shader표현은 보다 사실감 있는 토석류의 표현이 가능하여 공하자가 아닌 일반인들에게 보다 현실감 있는 내용의 전달이 가능하며, Vector표현과 콘투어 기능은 해석결과를 확인하는 공학자들에게 빠른 결과값에 대한 판단을 도울 수 있을 것으로 판단된다.
본 논문에서는 해석 된 DATA를 가시화 할 수 있는 3D 시뮬레이터 개발내용과 성능 검증을 위해 피해가 발생한 우면산에 적용하여 3D 시뮬레이터의 성능을 검증하였다. 성능 검증 결과 Fig 28과 Fig 30과 같이 3D 시뮬레이터의 결과물에 대해 가시화를 실시 한 경우 거의 실제와 같은 표현이 가능하며, 공학자는 물론 일반 시민들도 토사재해의 피해범위 등에 대해 쉽게 알 수 있을 것으로 판단된다.
통합 해석결과 파일은 토석류 깊이, 방향별 속도, 절대 속도값을 보관하고 있으며 이를 Result Option을 통해 원하는 값의 표현이 가능하다. 또한 해석의 결과 치를 표현하는 콘투어의 값 표현 방식에 다양한 기능이 포함되어져 있다.
후속연구
마지막으로, 현재 개발한 콘투어 외에 Shader를 통한 토석류 표현 및 유속에 대한 Vector 표현 기능을 추가 개발 한다. Shader표현은 보다 사실감 있는 토석류의 표현이 가능하여 공하자가 아닌 일반인들에게 보다 현실감 있는 내용의 전달이 가능하며, Vector표현과 콘투어 기능은 해석결과를 확인하는 공학자들에게 빠른 결과값에 대한 판단을 도울 수 있을 것으로 판단된다.
앞으로, 현재까지 개발 된 변환모듈(토석류 높이, 유속X, 유속Y,등)과 추가 항목에 대한 변환 모듈 개발 및 통합 해석 결과 정보 변환 모듈을 추가 개발을 하고자 한다. 또한 복수의 해석결과 관리 모듈 개발로 시뮬레이션 결과 정보들을 자동으로 검색하여 결과 목록을 구성하여 사용자에게 보여줌으로 사용자는 간단하게 목록만을 선택하는 것으로 여러 시뮬레이션 결과를 확인 할 수 있도록 구성한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
OpenGL APL를 활용한 3D 가시화 기술은 무엇이 있는가?
· 지형정보 가시화(지형렌더링)
· 구조물 가시화(구조물 렌더링)
· 토사해석 데이터 가시화(토사 렌더링 및 결과 표현)
국내 지형의 특성상 국토의 65% 이상은 무엇인가?
최근 국내에서는 이상기온으로 인한 국지성 폭우와 여름철 태풍과 집중호우로 인한 다양한 재해 유형 중 산악지역을 중심으로 토사재해의 피해가 증가하는 추세이다. 국내 지형의 특성상 국토의 65% 이상이 산지로 형성되어 있어 개발이 필요하며 급격한 도시화로 인해 급경사지 및 산지가 도심지와 인접해 있다. 지속적인 도시화 산업화로 인하여 주거지 및 산업단지에 대한 피해가 지속적으로 증가하고 있으며, 도심지 인구밀도가 높은 우리나라는 토사재해 발생 시 그 피해 규모가 외국과 달리 크게 발생하고 있다.
지속적인 도시화 산업화로 인해 어떤 피해가 증가하는가?
국내 지형의 특성상 국토의 65% 이상이 산지로 형성되어 있어 개발이 필요하며 급격한 도시화로 인해 급경사지 및 산지가 도심지와 인접해 있다. 지속적인 도시화 산업화로 인하여 주거지 및 산업단지에 대한 피해가 지속적으로 증가하고 있으며, 도심지 인구밀도가 높은 우리나라는 토사재해 발생 시 그 피해 규모가 외국과 달리 크게 발생하고 있다. 최근 10년간(2001~2010년) 연평균 인명피해 68명, 재산피해 1조 7,044억원과 비교해 볼 때 인명피해는 20%, 재산피해는 25%, 수준으로 감소하는 것으로 보이지만, 도심지의 피해는 오히려 증가하고 있다.
참고문헌 (5)
J. J. Monaghan, "Smoothed Particle Hydrodynamics," Annual Review of Astronomy and Astrophysics, No. 30, pp.543-574, 1992. DOI: http://dx.doi.org/10.1146/annurev.aa.30.090192.002551
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M. Muller, S. Schirm, S. Duthaler, "Screen Space Meshes," In Proceedings of ACM SIGGRAPH/EUROGRAPHICS Symposium on Computer Animation (SCA), pp.9-15, 2007.
Y. V. Vassilevski, K. D. Nikitin, M. A. Olshanskii, and K. M. Terekhov, "CFD Technology for 3D Simulation of Large-Scale Hydrodynamic Events and Disasters," Vol. 27, No. 4, pp.399-412, 2012.
D. Y. Kim, O. Y. Song, and H. S Ko. "A Semi-Lagrangian Cip Fluid Solver without Dimensional Splitting," Computer Graphics Forum (Proc. Eurographics), Vol. 27, No. 2, pp.467-475, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.1111/j.1467-8659.2008.01144.x
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