[논문]3D Laser Scanner를 이용한 대규모 불연속면의 굴곡도 측정 연구

김용; 이수곤; 김치환

doi:10.9720/kseg.2017.2.119

3D Laser Scanner를 이용한 대규모 불연속면의 굴곡도 측정 연구
A study on Waviness of Large Discontinuity using 3D Laser Scanner 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.27 no.2, 2017년, pp.119 - 124

김용 (대한콘설탄트) , 이수곤 (서울시립대학교 토목공학) , 김치환 (우석대학교 토목공학)

초록
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대규모 불연속면의 굴곡도는 암반의 안정성을 판단하는 중요한 요소 중 하나이다. 그러나, 주로 실시하는 불연속면의 굴곡도 측정시험은 대형암반의 작은 코어를 채취하여 채취한 작은 코어의 굴곡도에 계수를 사용하여 대형 암반의 굴곡도를 환산하고 있다. 이러한 점을 보완하고자 3D Laser Scanner를 사용하여 대규모 불연속면의 굴곡도를 직접 측정하는 방안에 대해 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 3D Laser Scanner를 이용하여 실제 X,Y,Z의 좌표를 가지는 3D 모델을 구축하였고, CAD 프로그램을 사용하여 대규모 불연속면의 굴곡도를 산정한 데이터와 현장에서 Disc-Clinometer로 측정한 Data 결과를 비교 분석 하였다. 그 결과 Mean Dip과 Mean I 측정결과 모두 $1^{\circ}$ 이내로서 측정 장비의 기계오차 $1{\sim}2^{\circ}$ 사이에 속 하기 때문에 3D Laser Scanner를 이용한 데이터 취득 및 분석은 기존의 조사법을 보완할 수 있는 효율적이고 신뢰성 있는 조사법이라고 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The waviness of Large Discontinuity rock is the one of important elements that judges the stability of rock slope. When the waviness of large discontinuity is measured in the field, there are many limitations Therefore this research was carried out to measure waviness of large rock discontinuities using 3D laser scanner to supplement this problem. This research established one 3D model that actual X, Y and Z coordinates through the integrated data gained from one that calculates waviness of base lock using CAD program was compared and analyzed to that of disc-clinometer. As its results, the high reliability of results could be recognized as it belongs to mechanical tolerance $1{\sim}2^{\circ}$ and the results belong to the measured values of Mean DIP and Mean are all within $1^{\circ}$. So, the investigation method of waviness of large discontinuity rock face using 3D laser scanner was verified as more prompt, effective and reliable method than conventional direct site measuring method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나, 이러한 실내시험은 실제 붕괴 사면의 작은 시추공 하나에서 채취한 것이므로 이 시료가 실제 붕괴사면의 전체 암반특성을 대변하기는 어렵다고 판단 된다(Hencher and Lichards, 1989). 따라서, 대형불연속면의 거칠기를 조사하기 위해선 Fecker and Rengers (1971)가 제시한 Roughness 보정법을 사용한 실측치(ISRM, 1978), (Goodman, 1989)와 대규모 스캔이 가능한 3D Laser Scanner 장비를 활용하여 대규모 굴곡도를 측정치와 비교 분석하고자 한다.
본 연구는 울산 혁신도시 O O 지구 내 북측 인접 사면 상부에 인장 균열이 발생한 대상사면에 대한 안정성 검토에 대해 현장 측정 굴곡도와 3D Laser Scanner를 사용한 굴곡도를 비교 분석 하였다.
본 연구에서는 기존 대형 암반사면 굴곡도 조사 방법의 단점을 보완할 수 있는 새로운 측정방법을 제안하기 위하여 3D Laser Scanner를 이용하여 울산에 위치한 대형암반사면에 대한 굴곡도를 측정하였으며, 직접 측정한 61 개소에 대해 굴곡도를 3D Laser Scanner를 이용하여 대형암반의 굴곡도를 측정한 결과는 다음과 같은 결과를 도출 하였다.

제안 방법

네 번째, 생성된 3D 생성 모델을 Auto CAD(3D 모델링)에 불러와 실제 Disc-Clinometer 같은 원판을 생성하여 굴곡도를 측정하였다(Fig. 4).
다섯 번째, 추출된 굴곡도와 현장에서 실측한 Data를 비교 분석 하였다.
세 번째, 획득한 Point Clouds를 병합(Merge), 필터링(Filter Noise) 등의 과정을 통하여 실제 암반의 형상을 가지는 3D 모델을 생성하였다(Fig. 3).
첫 번째로, 3D Laser Scanner와 현장 Disc-Clinomete측정결과의 비교를 위해 현장에서 직접 10~40 cm 크기 별 Disc-Clinometer를 가지고, 굴착공사 중에 길이 45 m 폭 55 m인 대규모로 노출된 불연속면의 굴곡도를 격자형식으로(가로, 세로) 총 61곳을 각기 다른 크기(10, 20, 30, 40(cm))의 Disc-Clinometer로 측정하였다(Fig. 1).

대상 데이터

두 번째, 3D Laser Scanner를 가지고 연구대상 Data(Point Clouds)를 획득하였다(Fig. 2).
측정방법으로는 시간화 방식과 삼각측량 방식이 있다. 따라서 본 연구에 사용된 측정 장비는 미국 RIEGL 사의 RIEGL VZ-1000을 사용하였다. 이 장비의 제원은 아래 Table 1과 같으며 높은 해상도와 플래시 메모리를 내장하고 있으며 GPS, 기울기센서, 레이저 구심, 디지털 나침반 등이 통합되어 있다.

데이터처리

3D Laser Scanner 로 대규모 암반사면의 표면 굴곡도를 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm 원으로 측정한 결과의 평사투영한 내용은 Fig. 7와 같고, ‘Mean Dip’는 3D Laser Scanner로 측정한 평균경사를 의미하고, ‘Mean i’는 평균경사와 각각의 경사 측정값 간의 차이들의 평균 값인 평균 편차를 나타내었다.

성능/효과

(1) Face Mapping한 Disc-Clinometer의 크기를 10 cm~40 cm로 변경시켜 가면서 측정한 결과 평균편차(Mean i)값이 2.0763, 1.65546, 1.5597, 1.3431로 점차 줄어드는 것을 알 수 있었다. 그래서 Disc-Clinometer 의 크기를 크게 할수록 작은 굴곡도는 무시되어 편차가 줄어드는 것을 알 수 있었다.
(2) 3D Laser Scanner를 사용한 원의 크기를 10 cm~40 cm 로 변경시켜 가면서 측정한 결과 평균편차(Mean i)값이 2.6402, 2.3783, 2.2553, 1.9564로 점차 줄어드는 것을 알 수 있었다. 그래서 원의 크기를 크게 할수록 작은 굴곡도는 무시되어 편차가 줄어드는 것을 알 수 있었다.
(3) Face Mapping과 3D Laser Scanner 측정결과 에서는 경사/경사방향의 차이가 10 cm에서는 0.8360o/0.5639o, 20 cm에서는 0.9180o/0.7229o, 30 cm에서는 0.9180o/0.6955o, 40 cm에서는 1.0100o/ 0.6132o의 차이가 나는걸 알 수 있었으며, 0.9179o/0.5948o의 평균 차가 나는 걸 알 수 있었으며 Ewan and West (1981)가 제시한 ±5o의 오차 범위 안에 속하므로 신뢰할만한 수준의 자료로 판단된다.
결론적으로, 본 연구를 통하여 기존의 Disc-Clinometer와 3D Laser Scanner 의 측정 결과를 비교 하여 신뢰성을 얻을 수 있었으며, 3D Laser Scanner를 사용하여 대규모 암반의 굴곡도를 측정 하는 것이 신속성, 안정성, 주관적인 평가 및 차후관리에 더 효율성이 있다는 것을 알 수 있었다. 또한, 대규모 암반의 굴곡도를 측정 시 일정간격의 격자형식을 이루어 준다면 원하는 임의의 위치의 굴곡도를 측정할 수 있을 것이라고 판단되며, 좀더 가까운 거리에서 3D Laser Scanner를 측정하고, 측점간격을 좁히면 좀 더 정확한 측정결과가 나올 것 이라고 판단된다.
3431로 점차 줄어드는 것을 알 수 있었다. 그래서 Disc-Clinometer 의 크기를 크게 할수록 작은 굴곡도는 무시되어 편차가 줄어드는 것을 알 수 있었다.
현장에서 직접 대규모 암반사면의 표면 굴곡도를 측정한 총 61 곳의 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm Disk-Clinometer로 조사 결과를 평사투영한 결과 Fig. 6와 같았고, Table 2에서 ‘Mean Dip’는 실제로 클리노메터로 측정한 평균경사를 의미하고, ‘Mean i’는 평균경사와 각각의 경사 측정값 간의 차이들의 평균 값인 평균 편차를 나타내었다.

후속연구

(5) 측정한 자료는 컴퓨터로 저장되어 있으며 3D Laser Printer를 사용하여 실제사면을 축소된 모형의 사면으로 제작 가능하여 사후 사면관리에 용이하기 때문에(Kim, Y. 2016) 정확한 대안을 강구하는 자료로 활용 할 수 있다고 판단된다.
결론적으로, 본 연구를 통하여 기존의 Disc-Clinometer와 3D Laser Scanner 의 측정 결과를 비교 하여 신뢰성을 얻을 수 있었으며, 3D Laser Scanner를 사용하여 대규모 암반의 굴곡도를 측정 하는 것이 신속성, 안정성, 주관적인 평가 및 차후관리에 더 효율성이 있다는 것을 알 수 있었다. 또한, 대규모 암반의 굴곡도를 측정 시 일정간격의 격자형식을 이루어 준다면 원하는 임의의 위치의 굴곡도를 측정할 수 있을 것이라고 판단되며, 좀더 가까운 거리에서 3D Laser Scanner를 측정하고, 측점간격을 좁히면 좀 더 정확한 측정결과가 나올 것 이라고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D Laser Scanner란?	3D Laser Scanner는 지상 레이져 시스템의 한가지로 대상체의 표면으로부터 3차원(x, y, z)공간 좌표를 Point Data로 기록하므로 기존의 Total Station과 같은 1점 만을 측량할 수 밖에 없었던 것에 비해 더욱 발전된 장비이다((RIEGL Laser Measurement Systems, 2014). Total Station과 비교해 3차원적으로 도면을 작성할 수 있으며, 우연오차나 데이터 손실을 최소화 할 수 있다.
	Total Station과 비교해 3D Laser Scanner의 장점은?	3D Laser Scanner는 지상 레이져 시스템의 한가지로 대상체의 표면으로부터 3차원(x, y, z)공간 좌표를 Point Data로 기록하므로 기존의 Total Station과 같은 1점 만을 측량할 수 밖에 없었던 것에 비해 더욱 발전된 장비이다((RIEGL Laser Measurement Systems, 2014). Total Station과 비교해 3차원적으로 도면을 작성할 수 있으며, 우연오차나 데이터 손실을 최소화 할 수 있다.
	3D Laser Scanner는 어느 분야에 활용되는가?	따라서 3D Laser Scanner는 신속하고 정확히 3차원 모형을 사용하는 자동차, 항공, 문화재, 및 터널 등 많은 곳에서 활용되고 있다(Pack, et al., 2015), (Cynthia and Hwang, 2001).

참고문헌 (19)

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저자의 다른 논문 :

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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