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문제 정의
- 본 연구에서는 지반정보에 대한 원표고와 현표고, 지층일괄구축과 지층 개별구축 결과의 RMSE 비교를 통해 현재까지 통일되지 않았던 3차원 지반정보구축 방안을 정확도, 구축효율성 등을 고려하여 제시하고자 한다. 그림 2는 본연구의 흐름도를 나타낸다.
- 본 연구에서는 지하안전관리에 활용될 3차원지반정보 구축을 위해 정확성·활용성·구축 효율성 측면에서 비교·검토하여 최적의 구축 방안을 도출하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이 경우 정확성도 중요한 검토 내용이 되겠지만 수작업으로 이루어지는 지반정보구축에 있어서 구축 효율성도 주요 검토 내용이었다. 이에 따라, 정확성과 구축효율성을 비교하여 최적의 방안을 도출하고자 하였다.
- 이에 본 연구에서는 원표고 및 현표고 기반의 3차원 지반정보 구축 결과, 지층 일괄구축 및 개별 지층 구축 기반의 구축 결과의 시추공 높이 비교검토를 통한 3차원 구축 방안을 도출하고자 한다.
- 현재의 표고를 반영할 경우 3차원 지도 상에서 시각적으로는 뛰어날 수 있으나 표고를 수정하면서 원 데이터에 있는 지층이 사라지거나 기존 지층보다 더욱 매립되는 경우도 발생하는 등의 문제점도 안고있었다. 이에 본 연구에서는 지반정보를 구축함에 있어서 가장 기본적인 표고 반영 문제 해결을 위해 각각의 정확성과 활용성을 비교분석하였다.
제안 방법
- 3차원 지반정보 구축 프로그램을 이용하여 동일 위치의 원표고 및 현표고 기반의 군집분석 및 도로중심 지반정보를 구축하였다. 본 연구에서는 서울 용산구 일대의 4개 군집과, 2개의 도로중심 3차원 지반정보를 샘플로 구축하여 비교 분석하였다.
- 3차원 지반정보 구축을 위해 용산구 내의 시추정보를 대상으로 국토지반정보 통합DB센터에서 제시한 최적의 군집거리인 250m 기반으로 군집분석을 수행하였다. 또한, 군집 외 지역의 도로를 감싸고 분포하고 있는 시추공을 추출하였다.
- 3차원 지반정보의 구축 방안은 원표고 기반의 구축과 현표고 기반의 구축, 지층 일괄 구축과 지층별 구축 등 크게 두 가지 측면을 고려하였다.
- 다음으로 전체 지층을 일괄 구축하는 방법과 개별 지층으로 구축하는 방법에 대한 정확성 비교분석을 실시하였다. 적용 표고에 따른 정확성 비교와 동일한 방법으로 RMSE값을 산출하였으며, 표 6 그 결과를 보여준다.
- 3차원 지반정보 구축을 위해 용산구 내의 시추정보를 대상으로 국토지반정보 통합DB센터에서 제시한 최적의 군집거리인 250m 기반으로 군집분석을 수행하였다. 또한, 군집 외 지역의 도로를 감싸고 분포하고 있는 시추공을 추출하였다. 그림 3은 3차원 지반정보 구축 절차를 보여준다.
- 본 연구에서는 서울 용산구 일대의 4개 군집과, 2개의 도로중심 3차원 지반정보를 샘플로 구축하여 비교 분석하였다.
- 원표고와 현표고 기반의 3차원 지반정보 정확성 비교를 위하여 국토지반정보 포털시스템에서 제공받은 시추데이터 내의 표고정보를 활용한 원표고 기반의 지반정보를 구축하고 DEM을 기반으로 표고를 수정한 현표고 기반의 지반정보를 구축하였다. 이 때, 군집 내에 포함된 시추공 한공씩을 제거하면서 동일 지반정보를 구축하고 제외하였던 시추공의 실표고 및 DEM보정 표고를 참값으로 보고 그 차이를 구하였다.
- 이 때, 군집 내에 포함되는 시추공 중 한공씩을 제외하고 구축하여, 구축 결과와 시추공 원시데이터를 참값으로 보고 시추공 최상단 표고에서부터 각 지층의 시작 표고까지의 값을 교차검증하였다. 또한, 교차검증을 통해 획득한 원시데이터와의 차이를 이용하여 평균제곱근오차(Root Mean Square Error, RMSE)를 도출하여 지반정보의 정확도를 비교분석하였다.
- 원표고와 현표고 기반의 3차원 지반정보 정확성 비교를 위하여 국토지반정보 포털시스템에서 제공받은 시추데이터 내의 표고정보를 활용한 원표고 기반의 지반정보를 구축하고 DEM을 기반으로 표고를 수정한 현표고 기반의 지반정보를 구축하였다. 이 때, 군집 내에 포함된 시추공 한공씩을 제거하면서 동일 지반정보를 구축하고 제외하였던 시추공의 실표고 및 DEM보정 표고를 참값으로 보고 그 차이를 구하였다. 참값의 표고와 구축된 지반정보의 표고 차이를 이용하여 식 (1)과 같은 방법으로 RMSE를 산출하여 비교분석하였다.
- 3안은 모든 정보를 3차원으로 구축하는 것으로 가장 이상적인 방법이긴 하나 한정적인 시간과 비용적 측면에서 현 단계에서는 어려운 것으로 판단되었다. 이에 따라 기본계획에서는 3차원의 시추공 및 관정 점(point)정보와 시추정보 기반의 3차원 지층정보 위에 2차원의 지질정보를 중첩하여 구축하는 방안을 선정되었다.
- 지하공간통합지도 구축 시범사업에서 적용하였던 원표고 기반의 지층일괄구축 방법과 본사업에서 적용하였던 현표고 기반의 지층별 개별 구축 방법에 따른 3차원 지반정보를 비교분석 하였다. 지반정보 구축을 위하여 지반정보 구축 상용 S/W인 MVS와 MakeJiban을 이용하였어며, 250m 군집 분석에 따라 군집별 지반정보를 구축하였다.
- 지하공간통합지도 구축 시범사업에서 적용하였던 원표고 기반의 지층일괄구축 방법과 본사업에서 적용하였던 현표고 기반의 지층별 개별 구축 방법에 따른 3차원 지반정보를 비교분석 하였다. 지반정보 구축을 위하여 지반정보 구축 상용 S/W인 MVS와 MakeJiban을 이용하였어며, 250m 군집 분석에 따라 군집별 지반정보를 구축하였다.
- 표고 중심의 3차원 지반정보 구축 기법 선정을 위해 먼저 시추 당시의 표고 정보를 현재의 표고로 변환하는 과정을 수행하였다. 표고 변환을 위해 수치표고모형(DEM)을 이용하였으며, 표 3은 시추공의 원표고와 변환 표고의 일부를 보여준다.
- 효율적인 3차원 지반정보 구축을 위해 전체지층 일괄 구축 방법과 개별 지층 구축 방법에 대한 구축 소요시간을 비교분석하였다. 소요시간 비교분석에서는 1개의 지반정보 모델 제작 시 평균 12공의 시추정보 8개의 지층 제작을 기준으로 산출하였다.
대상 데이터
- 지층별 구축의 경우 군집 내 시추공 간의 지층별 표면을 구축하고 표면과 표면사이의 Surface를 개별 구축하였다. 구축 대상은 1개의 군집분석 기반 지반정보, 1개의 도로중심 기반 지반정보이다. 그림 6은 군집분석기반의 지층 일괄 구축과 지층별 구축의 결과를보여며, 그림 7은 도로중심 기반의 결과를 보여준다.
- 3차원 지반정보의 경우 정확도 외에도 구축효율성과 사용자 활용성을 고려하여야 한다. 본연구에서는 활용성 검토를 위해 지반정보 전문가 31명을 대상으로 3차원 지반정보 구축 방안 설문조사를 수행하였다. 특히, 설문내용 중 원표고 기반의 구축과 현표고로 변환한 지반정보 구축의 활용성에 대한 설문도 포함되었다.
- 지하안전관리 지원을 위한 최적의 3차원 지반정보 구축 기법 도출을 위해 지하안전사고가 발생했던 서울특별시 용산구 지역을 공간적 범위로 선정하고 국토지반정보 통합DB센터에서 보유한 시추정보를 활용 하였다. 용산구의 면적은 21.91㎢이며, 용산구 내 893공의 시추공을 기반으로 3차원 지반정보를 구축하였다(그림 1).
- 지하안전관리 지원을 위한 최적의 3차원 지반정보 구축 기법 도출을 위해 지하안전사고가 발생했던 서울특별시 용산구 지역을 공간적 범위로 선정하고 국토지반정보 통합DB센터에서 보유한 시추정보를 활용 하였다. 용산구의 면적은 21.
데이터처리
- 이 때, 군집 내에 포함되는 시추공 중 한공씩을 제외하고 구축하여, 구축 결과와 시추공 원시데이터를 참값으로 보고 시추공 최상단 표고에서부터 각 지층의 시작 표고까지의 값을 교차검증하였다. 또한, 교차검증을 통해 획득한 원시데이터와의 차이를 이용하여 평균제곱근오차(Root Mean Square Error, RMSE)를 도출하여 지반정보의 정확도를 비교분석하였다. RMSE는 잔차 제곱의 평균에 제곱근을 취한 것으로 식 (1)과 같이 도출하였다.
- 다음으로 전체 지층을 일괄 구축하는 방법과 개별 지층으로 구축하는 방법에 대한 정확성 비교분석을 실시하였다. 적용 표고에 따른 정확성 비교와 동일한 방법으로 RMSE값을 산출하였으며, 표 6 그 결과를 보여준다. 전체 지층을 일괄 구축한 지반정보의 RMSE는 0.
- 이 때, 군집 내에 포함된 시추공 한공씩을 제거하면서 동일 지반정보를 구축하고 제외하였던 시추공의 실표고 및 DEM보정 표고를 참값으로 보고 그 차이를 구하였다. 참값의 표고와 구축된 지반정보의 표고 차이를 이용하여 식 (1)과 같은 방법으로 RMSE를 산출하여 비교분석하였다. 표 4는 원표고 기반의 3차원 지반정보에 대한 RMSE값이며, 표 5는 현표고 기반의 3차원 지반정보에 대한 RMSE값을 보여준다.
이론/모형
- 표고 중심의 3차원 지반정보 구축 기법 선정을 위해 먼저 시추 당시의 표고 정보를 현재의 표고로 변환하는 과정을 수행하였다. 표고 변환을 위해 수치표고모형(DEM)을 이용하였으며, 표 3은 시추공의 원표고와 변환 표고의 일부를 보여준다.
성능/효과
- 관정정보가 2차원으로 구축될 경우 지하공간 안전사고예방 및 분석에 있어 활용성이 떨어진다는 단점이 있다. 2안은 시추정보와 관정정보를 3차원으로 만들고 지질정보는 2차원의 표면정보로 만드는 것으로 1안에 비해 비교적 정보의 활용성이 높고, 시간적, 비용적 측면에서 가장 현실적이고 이상적인 방법으로 판단되었다. 3안은 모든 정보를 3차원으로 구축하는 것으로 가장 이상적인 방법이긴 하나 한정적인 시간과 비용적 측면에서 현 단계에서는 어려운 것으로 판단되었다.
- RMSE 산출 결과 원표고 기반의 3차원 지반정보의 RMSE가 0.148, 현표고 기반의 3차원지반정보의 RMSE값이 0.198로 나타나 현표고 기반의 3차원 지반정보 보다 원표고 기반의 3차원 지반정보 구축 정확도가 더 높은 것을 확인 할 수 있었다.
- 둘째, 지반정보의 활용성 측면에서는 원표고 기반의 지반정보 구축이 시추 당시의 지반 상태와 현재의 상태의 동시에 파악할 수 있어 지반전문가가 활용하기에 더욱 뛰어나다는 의견이 74% 이상으로 나타났다.
- 특히, 설문내용 중 원표고 기반의 구축과 현표고로 변환한 지반정보 구축의 활용성에 대한 설문도 포함되었다. 설문결과 원표고 기반의 3차원 지반정보 구축이 필요하다는 의견이 74%로 나타났다. 지반정보의 경우 건설, 재해·재난 등의 분야에서 지반정보전문가들의 활용이 가장 높은데 시추조사 당시의 표고정보가 지반을 해석하고 활용하는데 더욱 효과적이라는 의견이 대다수였다.
- 셋째, 지반정보의 구축 효율성 측면에서는 전체 지층을 일괄적으로 구축하는 것이 개별 지층을 구축하는 방법보다 약 1/2 정도의 시간이 소요되는 것으로 파악되어 뛰어나다고 판단된다. 특히, 시추공 및 지층의 수가 늘어난다면 작업소요시간 차이가 더욱 커질 것으로 예상된다.
- 전체 지층을 일괄적으로 제작하는 경우에 소요되는 시간은 3.1시간 정도이며, 개별 지층으로 구축할 경우 약 2배인 6.4시간이 소요되는 것으로 파악되었다. 이는 초기 군집분석이나 시추공 보정 공정에서는 차이가 없으나, 개별 지층정보를 구축하는 모델링 시점부터 시간적 차이가 발생하게 되는 것을 보여준다.
- 종합적으로 살펴보면, 정확성, 활용성, 효율성 측면에서 원표고 기반의 전체 지층 일괄 구축이 가장 적합한 것으로 판단된다. 향후 연구에서는 3차원 지반정보와 GIS분석 기반의 지하안전영향평가 지원 기술 개발을 수행할 예정이다.
- 만약 시추공의 개수가 늘어나거나 지층의 수가 늘어날 경우 소요되는 작업시간은 2배 이상으로 발생할 것이다. 즉, 지반정보 구축 효율성 측면에서도 전체 지층을 일괄적으로 구축하는 것이 뛰어나다는 것을 보여준다.
- 지반정보의 정확성, 활용성, 구축 효율성을 고려하였을 때, 원표고 기반의 지층 일괄 구축 방법이 적합한 것으로 판단되었다. 개별 지층구축이 활용성 측면에서는 일괄 구축보다 뛰어날 수 있으나 현재 구축되는 지반정보의 지층별 속성 및 분석기법이 전무한 상황에서 약 2배 정도의 구축 시간이 소요되는 지층별 구축은 무의미하다고 판단된다.
- 첫째, 지반정보의 구축 정확성 측면에서는 원표고기반 지반정보 구축이 RMSE 0.148로 현표고 기반의 지반정보 구축결과의 RMSE 0.196 보다 더 낮게 나타났으며, 전체 지층 일괄 구축이 개별 지층 구축보다 RMSE 0.122,0.176로 낮게 나타나 원표고 기반의 전체 지층 일괄 구축 방법이 정확성 측면에서 우수한 것으로 판단되었다.
후속연구
- 종합적으로 살펴보면, 정확성, 활용성, 효율성 측면에서 원표고 기반의 전체 지층 일괄 구축이 가장 적합한 것으로 판단된다. 향후 연구에서는 3차원 지반정보와 GIS분석 기반의 지하안전영향평가 지원 기술 개발을 수행할 예정이다.
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