하상재료 조사는 유사량 계산 및 하상변동과 같은 하도 계획에 필요한 기초 자료로서 입도분포, 비중, 다공성 등을 조사하는 것이다. 원칙적으로, 조사 지점은 하천 종단 방향으로 1 km 간격이고 하나의 횡단면에 3 개 이상이다. 따라서 조사 대상 하천의 종단 길이에 따라 조사 지점이 아주 많아지기 때문에 조사에 소요되는 시간과 비용이 상당히 증가한다. 본 연구는 입도분석법인 체적법과 화상해석법의 작업 효율성과 비용을 비교하고, 화상해석법의 적용 가능성을 검토하였다. 화상해석법에 의하여 환산된 등가원의 직경이 하상재료 입도분석에 적용될 수 있음을 확인하였다. 또한, 체적법과 화상해석법의 작업효율성과 비용을 분석한 결과 약 80%의 절감효과가 있음을 입증하였다.
하상재료 조사는 유사량 계산 및 하상변동과 같은 하도 계획에 필요한 기초 자료로서 입도분포, 비중, 다공성 등을 조사하는 것이다. 원칙적으로, 조사 지점은 하천 종단 방향으로 1 km 간격이고 하나의 횡단면에 3 개 이상이다. 따라서 조사 대상 하천의 종단 길이에 따라 조사 지점이 아주 많아지기 때문에 조사에 소요되는 시간과 비용이 상당히 증가한다. 본 연구는 입도분석법인 체적법과 화상해석법의 작업 효율성과 비용을 비교하고, 화상해석법의 적용 가능성을 검토하였다. 화상해석법에 의하여 환산된 등가원의 직경이 하상재료 입도분석에 적용될 수 있음을 확인하였다. 또한, 체적법과 화상해석법의 작업효율성과 비용을 분석한 결과 약 80%의 절감효과가 있음을 입증하였다.
The riverbed material survey is to investigate the particle size distribution, specific gravity, porosity, etc. as basic data necessary for river channel plan such as calculation of sediment transport and change of river bed. In principle, the survey spots are 1 km interval in the longitudinal direc...
The riverbed material survey is to investigate the particle size distribution, specific gravity, porosity, etc. as basic data necessary for river channel plan such as calculation of sediment transport and change of river bed. In principle, the survey spots are 1 km interval in the longitudinal direction of the river and 3 points or more in the 1 cross section. Therefore, depending on longitudinal length of the river to be investigated, the number of surveyed sites is very large, and the time and cost for the investigation are correspondingly required. This study is to compare the particle size analysis method with the volumetric method and the image analysis method in work efficiency and cost and to examine the applicability of the image analysis method. It was confirmed that the diameter of the equivalent circle converted by the image analysis method can be applied to the analysis of bed material particle size. In the gravel stream with a particle size of less than 10 cm and a large shape factor, the analytical result of the bed material by the image analysis method is accurate. However, when the shape factor decreases as the particle size increases, the error increases. In addition, analysis results of the work efficiency and cost of the volume method and the image analysis method showed a reduction of about 80%.
The riverbed material survey is to investigate the particle size distribution, specific gravity, porosity, etc. as basic data necessary for river channel plan such as calculation of sediment transport and change of river bed. In principle, the survey spots are 1 km interval in the longitudinal direction of the river and 3 points or more in the 1 cross section. Therefore, depending on longitudinal length of the river to be investigated, the number of surveyed sites is very large, and the time and cost for the investigation are correspondingly required. This study is to compare the particle size analysis method with the volumetric method and the image analysis method in work efficiency and cost and to examine the applicability of the image analysis method. It was confirmed that the diameter of the equivalent circle converted by the image analysis method can be applied to the analysis of bed material particle size. In the gravel stream with a particle size of less than 10 cm and a large shape factor, the analytical result of the bed material by the image analysis method is accurate. However, when the shape factor decreases as the particle size increases, the error increases. In addition, analysis results of the work efficiency and cost of the volume method and the image analysis method showed a reduction of about 80%.
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문제 정의
또한, 동일 하상재료를 사용하여 작성한 중량 및 표면적 기준의 입도분포곡선을 작성하고 대표입경을 산출한 결과 대표입경에 큰 차이는 없었기 때문에 화상해석법의 활용 가능성을 확인하였다. 따라서 자갈하천의 경우 실무에서 발생하는 문제점을 고려하여 기존의 중량 기준의 입경분석법 보다는 표면적 기준의 입경분석법을 적용하는 것을 제안한다.
본 연구는 자갈하천의 하상재료 조사법을 개선하기 위하여 면적격자법과 화상해석법을 병용하는 하상재료 조사법의 적용성을 분석하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구는 하상재료 분석 시 여러 분야에서 다양하게 활용되고 있는 디지털 이미지 처리기법을 실무적으로 적용하기 위한 방법을 검토한 것이며, 실험실에서 체분석에 의한 입도분석이 곤란한 평균입경 100 mm 이상의 자갈 하천을 대상으로 공개 소프트웨어인 ImageJ를 이용하여 하상재료의 입경 분포 특성을 분석하였다. 특히, 하상재료 조사의 효율향상, 비용절감을 위한 방안으로 디지털 이미지 처리기법에 의한 입도분석 방법의 가능성에 대해서 검토하였다.
본 연구에서는 자갈하천인 남강 12개 지점, 왕피천 9개 지점 및 섬진강2개 지점을 선정하고 하상재료 분석 절차에 따라 수행함에 있어서 소요되는 인력 및 시간을 기준으로 실무 적용성을 검토하였다.
본 연구는 하상재료 분석 시 여러 분야에서 다양하게 활용되고 있는 디지털 이미지 처리기법을 실무적으로 적용하기 위한 방법을 검토한 것이며, 실험실에서 체분석에 의한 입도분석이 곤란한 평균입경 100 mm 이상의 자갈 하천을 대상으로 공개 소프트웨어인 ImageJ를 이용하여 하상재료의 입경 분포 특성을 분석하였다. 특히, 하상재료 조사의 효율향상, 비용절감을 위한 방안으로 디지털 이미지 처리기법에 의한 입도분석 방법의 가능성에 대해서 검토하였다.
가설 설정
또한 입경가적곡선을 작성하기 위해서는 하상재료의 체적과 무게가 필요하다. 그래서 일반적인 하상재료의 형상을 회전타원체로 간주하여 회전축방향의 직경은 계측된 최대입경, 회전축에 직각방향의 직경은 계측된 최소입경으로 가정하고, 각 하상재료의 체적을 추정할 수 있다.
기존의 체분석은 임의두께로 채취한 재료의 입도분포를 구하는 것이며, 여기에서 제안하는 이미지 분석 기술은 표면에 보이는 재료의 입도 분포를 구하는 것이지만, 양자는 상관이 있다는 가설을 전제로 하는 것이다. Masato et al.
, 2001). 또한, 표층샘플링에서는 입도분포가 연직방향으로 균일하다는 것을 가정하고 있다. 면적격자법, 선격자법으로서 조사한 결과는 개수(個數)밀도를 누가 하는 것으로서 용적샘플링법에 있어서 입경누가곡선에 일치하지만 그 점에 관해서는 연직방향의 불균일성은 검정되지 않고 있다.
모든 입자가 동일한 화상에 있기 때문에, 입자의 형상 특성이 동일하다고 가정할 수 있을 것이다. 그러므로 등가원의 직경 d는 Eq.
따라서 하상재료의 표면적을 추출하여 등가원의 면적으로 환산한 후 직경을 산정한다. 화상의 하상재료는 소류력에 의하여 가장 안정한 형태로 하상에 위치하기 때문에 장축과 중축으로 이루어진 표면이 촬영된 것으로 가정한다. 따라서 화상에서 하상재료의 윤곽선으로 이루어진 폐곡선에서 측정된 면적으로부터 하상재료의 표면적과 같은 등가원의 직경을 산정하였다.
제안 방법
(2012)은 2차원 화상에서 타원, 직사각형, 원과 같은 다른 모양의 영향을 자갈의 입도곡선(gradation curve)으로서 기술했으며, 체분석을 통해 타원 형상이 대표 입도곡선을 제공한다는 것을 발견했다. 따라서 이 논문에서 수행된 화상 분석에서 입도곡선은 입자에 대한 타원형을 사용하여 결정하였다.
그러나 현실적으로 자갈 이상의 하천에 대한 하상재료 조사 및 분석은 체분석을 적용해야 한다는 고정관념으로 인하여 하도의 현황과 다른 체분석이 가능한 시료를 채취하여 분석하고, 자료를 제시함으로써 하천조사 자체를 왜곡시키고 있다. 따라서 이러한 문제점을 개선하기 위해서 앞에서 언급한 선행연구들은 체분석이 불가능한 자갈 이상의 하천에 대한 하상재료 조사 및 분석기법으로서 화상해석법의 적용성을 검증하였다. 본 연구에서는 자갈하천인 남강 12개 지점, 왕피천 9개 지점 및 섬진강2개 지점을 선정하고 하상재료 분석 절차에 따라 수행함에 있어서 소요되는 인력 및 시간을 기준으로 실무 적용성을 검토하였다.
화상의 하상재료는 소류력에 의하여 가장 안정한 형태로 하상에 위치하기 때문에 장축과 중축으로 이루어진 표면이 촬영된 것으로 가정한다. 따라서 화상에서 하상재료의 윤곽선으로 이루어진 폐곡선에서 측정된 면적으로부터 하상재료의 표면적과 같은 등가원의 직경을 산정하였다.
본 연구에서는 실험실에서 체분석에 의한 입도분석이 곤란한 자갈 하천을 대상으로 면적격자법과 화상해석법을 병용하여 하상재료 특성을 분석하였다. Fig.
자갈 하천에서는 하상표면을 구성하는 재료의 입도분포를 파악하는 것이 아주 중요하기 때문에 3개 하천 23개 지점에 대하여 각 지점에서 1 m × 1 m 면적격자에 대한 하상표면을 디지털 카메라로 촬영하여 화상해석을 수행하였으며, 화상을 정사한 후 화상해석법으로 하상재료의 경계를 설정하여 확인한 후 경계가 불확실한 부분에 대해서는 사진을 중첩시켜인위적으로 분할하였다.
1.4 입경의 추정
추출된 하상재료의 각 입자에 대하여, 평균입경, 최대입경, 최소입경을 자동 계측한다
. 또한, 화상해석 소프트웨어에서는 그 외의 항목으로서 면적, 원상률(circularity) 및 환률(roundness) 등도 계측이 가능하다.
｢3.1.2 촬영화상의 보정｣에서 얻어진 하상재료의 가장자리(edge)를 강조한 화상으로부터 하상재료의 각 입자의 윤곽을 추적하여, 각각의 측정대상을 검출한다(Fig. 2(b)).
성능/효과
Fig. 6은 3차원 입체 평균입경과 2차원 표면 평균입경의 상관관계를 나타낸 것으로서 표면 평균입경이 입체 평균입경에 비하여 약 125% 큰 것으로 분석되었으며 상관계수는 약0.99로서 아주 높게 나타났다.
b-축 길이는 a-축 길이의 약65%, c-축 길이는 a-축 길이의 약40%와 b-축의 약59%인 것으로 분석되었다. a-축, b-축 및 c-축 길이의 상관관계는 약0.86~0.90 범위인 것으로 나타났으며, 특히 20 cm 이하의 범위에서는 명확한 상관관계를 보이고 있다. 그러나 각 축의 길이가 호박돌의 입경에 근접하는 25 cm를 초과하게 되면 그 상관성이 다소 떨어짐을 확인하였다.
본 연구에서는 면적격자법과 화상해석법을 이용함으로써 직접 하상면에 접촉하지 않고 대표입경까지 산정하는 것이 가능하고, 작업상 안전성, 경제성 및 하천환경의 배려 등을 고려할 수 있는 방법이라는 것을 확인했다. 또한, 동일 하상재료를 사용하여 작성한 중량 및 표면적 기준의 입도분포곡선을 작성하고 대표입경을 산출한 결과 대표입경에 큰 차이는 없었기 때문에 화상해석법의 활용 가능성을 확인하였다. 따라서 자갈하천의 경우 실무에서 발생하는 문제점을 고려하여 기존의 중량 기준의 입경분석법 보다는 표면적 기준의 입경분석법을 적용하는 것을 제안한다.
본 연구에서 시료를 분석한 결과에 따르면, 평균입경 10 cm 이하의 범위에서 형상계수가 클 경우는 측정중량과 계산중량이 거의 일치하는 것으로 분석되었으므로 화상해석법의 적용이 가능하지만, 입경이 증가하여 형상계수가 작아지면 화상해석법에 의한 입경분석의 오차가 증가함을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 면적격자법과 화상해석법을 이용함으로써 직접 하상면에 접촉하지 않고 대표입경까지 산정하는 것이 가능하고, 작업상 안전성, 경제성 및 하천환경의 배려 등을 고려할 수 있는 방법이라는 것을 확인했다. 또한, 동일 하상재료를 사용하여 작성한 중량 및 표면적 기준의 입도분포곡선을 작성하고 대표입경을 산출한 결과 대표입경에 큰 차이는 없었기 때문에 화상해석법의 활용 가능성을 확인하였다.
11(b)는 각 입자의 하상재료 분류입경 기준(AGU)에 의해 작성된 입경분포곡선이다. 분석결과 중량 기준의 통과백분율에 의한 대표입경(dR)(d50 = 253 mm)과 표면적 기준의 통과백분율에 의한 대표입경(dR)(d50 = 235 mm)을 산정한 결과 약7%의 차이를 보이지만, 중량과 표면적 기준의 입도분포곡선은 거의 유사한 분포특성을 보인다.
시료의 표면적-중량 및 등가원 입경-중량의 상관관계를 분석한 결과 아주 높은 상관성을 보였으며, 화상해석법에 의하여 추출된 표면적을 등가원으로 환산하여 산정한 하상재료 입경분석에 적용할 수 있음을 확인하였다.
앞에서 언급한 바와 같이 전체 시료중량의 1%인 시료의 한계입경인 약 20 cm 범위 내에서는 상관성이 아주 높게 나타났다. 측정측량에 비하여 계산중량이 약114%로 분석된 결과는 입경이 굵은 자갈 이상의 시료에서 형상계수가 감소함에 따라 나타나는 현상이며, 평균입경 10 cm 이내의 범위에서는 측정측량과 계산중량이 거의 일치하는 것으로 분석되었다.
현재 실무에서 적용하는 하천기본계획 및 유역의 조사비 산정 기준에 따르면 기존의 체적법(체분석법)과 화상해석법의 작업효율성과 비용을 분석한 결과 약 80%의 절감효과가 있음을 확인하였다.
후속연구
현재 하천의 조사, 설계 및 계획에 관련된 하상재료 조사 및 분석은 흙의 입도시험을 기준으로 하고 있기 때문에 실무자들은 실제의 하상재료와 다른 체분석에 의한 흙의 입도시험이 가능한 하상재료를 채취하고 분석함으로써 하상재료 특성 조사결과를 왜곡시키는 것이 현실이다. 향후 면적격자와 화상 해석법이 해당하천 고유의 하상특성을 조사하는 데 활용되기를 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하상재료의 분석결과가 불일치하거나 신뢰성의 저하가 일어나는 이유는?
하천사업과 관련된 계획 및 설계에서는 하상재료조사를 수행하고 있으나 일반적으로 체분석 방법에만 의존하고 있다. 따라서 하상재료의 종단적 분포특성을 고려하지 않고 체분석이 가능한 지점의 하상재료를 채취하여 분석함으로써 수리계산에서 적용되는 조도계수와 하상재료 분석결과가 불일치하거나 하상변동예측 결과의 신뢰성도 저하되는 것이 현실이다.
하상재료 조사는 무엇인가?
하상재료 조사는 유사 이동량이나 하상변동 계산 등 하도의 계획 ․ 설계에 필요한 하도특성의 나타내는 자료로서 입도 분포, 비중 및 공극률 등의 조사를 수행하는 것이다. 하상재료의 입도 특성 자료를 확보하기 위해서는 현지 조사, 시료 채취, 운반, 건조 및 실험실에서 체분석까지 상당한 비용과 시간을 필요로 하는 작업이다.
큰 입경이 혼합 분포하는 하상에서 사용하는 자갈하천의 하상재료조사법의 특징은?
자갈하천의 하상재료조사법은 용적샘플링법과 표층샘플링의 2가지로 분류할 수 있으며, 호박돌(64~256 mm)과 같이 큰 입경이 혼합 분포하는 하상에서 용적샘플링법은 재료채취의 관점에서 적절한 방법이라고 할 수 없으므로 표층샘플링법이 이용되고 있다. 표층샘플링법은 면적격자법, 선격자법, 평면채취법 및 사진측정법으로 분류되며, 실제적으로는 면적격자법과 선격자법이 이용되는 데 그 차이는 주로 격자 설정방법이다(Kristin et al., 2001). 또한, 표층샘플링에서는 입도분포가 연직방향으로 균일하다는 것을 가정하고 있다. 면적격자법, 선격자법으로서 조사한 결과는 개수(個數)밀도를 누가 하는 것으로서 용적샘플링법에 있어서 입경누가곡선에 일치하지만 그 점에 관해서는 연직방향의 불균일성은 검정되지 않고 있다.
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