[논문]드론 영상 및 NFLOW를 활용한 토석류 수치해석 연구

이승주; 임현택; 이무재; 이응범; 이강일; 김용성

doi:10.12814/jkgss.2020.19.3.001

드론 영상 및 NFLOW를 활용한 토석류 수치해석 연구
Numerical Analysis of Debris Flow Using Drone Images and NFLOW 원문보기

한국지반신소재학회논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.19 no.3, 2020년, pp.1 - 8

이승주 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University) , 임현택 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University) , 이무재 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University) , 이응범 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University) , 이강일 (Department of Civil Engineering, Daejin University) , 김용성 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University)

초록
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본 연구에서는 토석류 매커니즘 분석을 위해 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 기법을 사용하여 토석류 수치해석을 수행하고 선행연구와 비교하여 토질정수의 적용성을 검증하였다. 또한, 자굴산 유역 계곡부를 대상으로 드론을 이용하여 항공사진측량을 수행한 후 이를 기반으로 지형모델을 생성하고 NFLOW를 활용하여 토석류 수치해석을 수행한 후 결과값을 위성영상 기반의 기존의 방법과 비교·분석하였다. 본 연구 결과, 드론 영상 및 NFLOW를 활용한 수치해석 기법은 위성 영상기반의 기존 방법보다 실제 지형을 잘 반영할 수 있어 토석류 영향 예측에 적용성이 높은 것으로 나타났다. 따라서 드론영상 및 NFLOW를 활용한 토석류 분석 기법은 사방댐 위치선정 등 토석류 예방 대책 수립 시 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, numerical analysis of debris flow was performed using the SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) technique to analyze the mechanism of debris flow, and the applicability of soil parameters was verified by comparison with previous studies. In addition, after performing aerial photographic survey using a drone, a topographic model was created based on this survey to check the applicability of the site to the valley part of Jagul Mountain basin. And after numerical analysis of debris flow was performed using NFLOW, and the result was compared and analyzed with the existing satellite image based method. As a result of this study, the numerical analysis method using drone image and NFLOW was found to have a higher applicability to predicting the impact of debris flow, because it can reflect the actual topography better than the existing method based on satellite imagery. Therefore, it is considered that this study can be used as basic data to establish the preventive measures for debris flow such as location selection of the eruption control dam.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. Position Change of Flow Fronts over Time
그림 Fig. 2. Thickness Change over Time
표 Table 1. Analysis Conditions
그림 Fig. 3. Debris‐flow Flume, Oregon (Iverson et al. (2010))
그림 Fig. 4. Debris‐flow Flume, 3D Modeling
그림 Fig. 5. UAV Photograph
그림 Fig. 6. GCP Coordinate Input
그림 Fig. 7. Pix4Dmapper 3D
그림 Fig. 8. 3D Terrain Model
그림 Fig. 9. Terrain Setting
표 Table 2. Flow Chart of Data Processing Procedure
그림 Fig. 10. Observation Point Setting
그림 Fig. 11. Debris Flow Height over Time
표 Table 3. Case of Debris Flow
표 Table 4. Maximum Height of Debris Flow at the Observation Point
표 Table 5. Reaching Time of Debris Flow to the Observation Point
그림 Fig. 12. Debris Flow Density at the Observation Point
그림 Fig. 13. Debris Flow Velocity
표 Table 6. Debris Flow Velocity at the Observation Point

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 토석류 매커니즘 분석을 위해 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 기법을 사용하여 토석류 수치해석을 수행하고 선행연구와 비교하여 토질정수의 적용성을 검증하였다. 또한, 드론을 이용하여 항공사진측량을 수행한 후 이를 기반으로 지형모델을 생성하고 NFLOW를 활용하여 토석류 수치해석을 수행하고 결과값을 기존의 방법과 비교･분석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 Iverson et al.(2010)의 연구를 참고하여 토석류 현장 모형실험을 제시된 물성값과 동일한 지반조건으로 SPH기반 프로그램인 NFLOW를 사용하여 수치해 석을 수행하였다. NFLOW는 유체 물리적 특성 해석에 따라 특화된 유체해석 시뮬레이션 소프트웨어로 Multi-Phase, 강체와의 상호작용, 자유수면 해석, 입자표현 등 비선형 자유표면 유동을 탁월하게 분석할 수 있다.
, 2010)의 토석류 현장 모형 실험에서 시간에 대한 토석류 변위값(Fig. 1(a))과 특정 관측 지점(32m, 66m, 90m)에서의 토석류 퇴적 높이(Fig. 2 참조)를 NFLOW 수치해석 결과와 비교하였다. NFLOW 수치해석을 통해 얻어진 시간에 따른 토석류 변위값(Fig.
본 연구에서는 경남 의령시 자굴산 산림생태문화체험 단지 유역 계곡부 Fig. 9(a)를 대상으로 SPH 기법을 적용한 토석류 수치해석을 수행하였다. 해당 계곡부는 Fig.
6)를 획득하였으며, 획득된 각 좌표들은 3D모델의 오차범위를 줄이기 위해 보정하는데 사용되었다. 3D 지형모델 구축을 위해 eMotion2 소프트웨어를 통해 UAV 측량 데이터와 비행 로그 파일을 결합한 뒤 .p4d 파일을 생성하였다.
p4d 파일을 생성하였다. Pix4Dmapper 3D 소프트웨어(Fig. 7)를 통해 모자이크 파일을 제작한 후 Virtual Surveyor 소프트웨어에서 해당 파일을 로드하여 최종적으로 3D지형모델을 생성하였다. Table 2는 지형 데이터를 추출하는 과정을 나타낸다.
SPH 토석류 해석시 Table 3과 같이 해석조건에 따른 변화를 관찰하기 위해 Fig. 10과 같이 토석류 발생지점으 로부터 45m 90m, 135m 떨어진 3개의 관측지점에서 토석류의 높이, 속도, 밀도값을 모니터링 하였다.
UAV(Unmanned Aerial Vehicle)와 자동 항로 소프트웨어 eMotion2를 사용하여 대상지역을 Fig. 5와 같이 촬영하였으며, 높이는 650m/ATO, 지반 해상도는 18.4cm/px, 촬영 중첩도는 종방향, 횡방향 각 80%로 설정하여 측량오차를 최소화하였다. 취득영상의 왜곡을 방지하기 위해 대상 지역의 지상기준점 조사를 실시하였다.
본 연구에서는 선행연구의 토석류 모형 실험(Fig. 3)과 같은 조건으로 모델링(Fig. 4) 하였으며, 이후 단상유동해석으로 토석류 해석을 수행하였다. 토석류 해석조건은 정리해서 Table 1로 나타내었다.
본 연구에서는 토석류 매커니즘 분석을 위해 드론을 이용하여 항공사진측량을 수행한 후 이를 기반으로 지형모델을 생성하고 SPH 기법의 토석류 수치해석을 수행하고 결과값을 기존의 방법과 비교･분석하였으며, 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
4cm/px, 촬영 중첩도는 종방향, 횡방향 각 80%로 설정하여 측량오차를 최소화하였다. 취득영상의 왜곡을 방지하기 위해 대상 지역의 지상기준점 조사를 실시하였다.
9(b) 와 같이 수직거리 50m, 수평거리 125m, 계곡길이 135m, 계곡 폭 3∼10m이며 경사는 약 22°이다. 토석류 수치해석시 도로부, 계곡부 해석구역을 Area A, Area B로 나눠 마찰계수를 다르게 적용하여 해석을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 선행연구(Iverson et al.(2010))에서의 모형실험과 비슷한 유역규모의 현장 적용성을 확인하기 위해 경남 의령시 자굴산 산림생태문화체험단지 유역 계곡 부를 대상으로 해석을 수행하였다.
본 현장은 북위 35°22′40″, 동경 128°12′43″, 해발 897m 로서 본 분석에 필요한 지형자료를 추출을 위하여 고정익타입의 eBee 무인항공기를 사용하였다. 드론 촬영 시 광학센서는 Sony WX RGB 카메라를 사용하였으며, 지상기준점의 현장측량으로 Sokkia사의 GRX2를 사용하여 좌표를 취득하였다.
본 현장은 북위 35°22′40″, 동경 128°12′43″, 해발 897m 로서 본 분석에 필요한 지형자료를 추출을 위하여 고정익타입의 eBee 무인항공기를 사용하였다.

데이터처리

본 연구에서는 토석류 매커니즘 분석을 위해 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 기법을 사용하여 토석류 수치해석을 수행하고 선행연구와 비교하여 토질정수의 적용성을 검증하였다. 또한, 드론을 이용하여 항공사진측량을 수행한 후 이를 기반으로 지형모델을 생성하고 NFLOW를 활용하여 토석류 수치해석을 수행하고 결과값을 기존의 방법과 비교･분석하였다.

이론/모형

SPH 기법은 입자 방법으로 세포법(PIC)의 입자 (Harlow, 1957)와 달리 SPH는 공간적 파생물을 계산하기 위해 그리드가 불필요하다. SPH의 중심에는 모든 함수를 난해한 점집합에서 값의 관점으로 표현할 수 있는 보간법(Lucy, 1977; Gingold and Monaghan, 1977; Monaghan, 1985)을사용하며 입자들의 관계로부터 물리량을 계산한다. SPH는 자유표면 해석 및 유동해석 등 다양한 유체해석에 적용되고 있다.

성능/효과

(1) 기존의 토석류 현장 모형 실험에 대해 NFLOW SPH 기법으로 수치해석한 결과, 토석류의 이동거리, 속도, 높이의 결과값이 양호한 정확도로 모의되어 수치해석 시 입력된 토질정수는 토석류 유동 및 퇴적을 합리적으로 해석하는데 적용 가능함을 확인하였다.
(2) 드론 영상 기반으로 생성한 3D지형은 매쉬 크기 1m의 높은 정확도로 대상지역을 나타내어 기존의 GPS와 GIS 기반의 3D지형에 비해 계곡부와 도로부를 정확히 구분되고 마찰계수도 구분하여 적용할 수 있어 드론 기반의 토석류 수치해석이 토석류의 영향범위 예측에 더 적절한 것으로 판단한다.
(3) 자굴산 토석류 SPH 수치해석 시 계곡부에서 토석류 높이와 속도는 마찰계수보다 토석류 규모에 영향을 크게 받는 것으로 나타났으며 토석류 규모가 작을수록 마찰계수의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다.
계곡부에 곡선 구간이 존재하고 단면이 불규칙하여 단순 비교하기 어렵지만 대체적으로 계곡부 상류에 해당하는 Fig. 11(a)의 45m 관측지점에서 토석류 높이를 보면 마찰계수보다 토석류 규모에 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 계곡부 중류에 해당하는 Fig.
(b) 90m 관측지점에서 토석류 규모가 576m3 조건일 때 토석류 높이 4.5m∼ 4.9m, 288m3 조건일 때 토석류 높이 2.9m∼3.8m로 토석류 규모가 작을수록 마찰계수의 영향을 크게 받아 토석류 높이차의 폭이 큰 것으로 나타났다.
데이터 처리를 통해 Fig. 8과 같은 3D지형모델을 생성 하였는데 드론 촬영 데이터를 기반으로 생성된 3D지형의 매쉬의 크기는 1m이며 계곡부와 도로, 건물 지형이 선명하게 나타남을 볼 수 있다. 이는 Google Earth에서 데이터를 추출하여 생성한 매쉬 크기 10m인 3D지형 Fig.
본 연구에서의 적용한 흙의 밀도는 선행연구와 동일한 2,010kg/m³를 적용하였으며 점성계수도 Dilute Slurry의점성계수를 참고하여 0.1kg/(m･s)를 적용하였는데 해석결과를 통해 이러한 값들은 적절한 것으로 판단된다.
12는 Case A1에서 45m, 90m 관측지점의 토석류 밀도를 나타낸다. 토석류 높이의 절반을 기준으로 상하로 나눠 밀도를 측정한 결과 Point A 관측지점에서 하부구간 최대밀도 2,273.1kg/m³, 상하부 전체 평균밀도 2,125.2kg/m³, Point B 관측지점에서 하부구간 최대밀도 2,141.3kg/m³, 상하부 전체 평균밀도 2,068.0kg/m³로 토석류 하부구간 밀도가 더 크게 나타났다.

후속연구

(4) SPH 기법으로 수행한 토석류 수치해석 시 속도, 높이, 유량 뿐만 아니라 토석류 밀도 및 압력을 구할 수 있으며 이는 토석류 제어시설인 사방댐 위치선정 및 토석류 충격량 계산 등에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 드론 영상 및 NFLOW를 활용한 토석류 분석기법은 사방댐 위치선정 등 토석류 예방 대책 수립 시 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	토석류(Debris Flow)는 지질 현상으로 어떻게 형성되는가?	토석류(Debris Flow)는 지질 현상으로 집중 호우 등에 의해 물로 포화된 토양과 조각난 암석이 물과 함께 하류로 밀려 떠내려가면서 경로 상에 물체를 혼입 시켜 계곡 바닥에 두꺼운 진흙 퇴적물을 형성한다. 토석류는 발생부로부터 수십 킬로미터를 이동하면서 넓은 지역에 막대한 피해를 입힌다.
	SPH 기법의 토석류 수치해석을 수행하고 결과값을 기존의 방법과 비교･분석한 결과는?	(1) 기존의 토석류 현장 모형 실험에 대해 NFLOW SPH 기법으로 수치해석한 결과, 토석류의 이동거리, 속도, 높이의 결과값이 양호한 정확도로 모의되어 수치해석 시 입력된 토질정수는 토석류 유동 및 퇴적을 합리적으로 해석하는데 적용 가능함을 확인하였다. (2) 드론 영상 기반으로 생성한 3D지형은 매쉬 크기 1m의 높은 정확도로 대상지역을 나타내어 기존의 GPS와 GIS 기반의 3D지형에 비해 계곡부와 도로부를 정확히 구분되고 마찰계수도 구분하여 적용할 수 있어 드론 기반의 토석류 수치해석이 토석류의 영향범위 예측에 더 적절한 것으로 판단한다. (3) 자굴산 토석류 SPH 수치해석 시 계곡부에서 토석류 높이와 속도는 마찰계수보다 토석류 규모에 영향을 크게 받는 것으로 나타났으며 토석류 규모가 작을수록 마찰계수의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. (4) SPH 기법으로 수행한 토석류 수치해석 시 속도, 높이, 유량 뿐만 아니라 토석류 밀도 및 압력을 구할 수 있으며 이는 토석류 제어시설인 사방댐 위치선정 및 토석류 충격량 계산 등에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
	토석류 해석을 위해서 어떤 해석이 필수적인가?	토석류는 높은 부피 밀도를 갖지만, 높은 기공 유체 압력에 의한 광범위한 퇴적 액화로 인해 거의 물처럼 유동적으로 흐른다. 따라서 토석류 해석을 위해서는 토질역학, 유체역학, 수문학적 해석이 필수적이며, 최근 국내에서는 최신 공간 정보를 기반으로 하는 GIS(Geographic Information System), RS(Remote Sensing)기술을 적용한 토석류 해석 및 위험평가 연구들이 수행되고 있다.

참고문헌 (15)

Kim, P. G. and Han, K. Y. (2017) "Numerical Modeling for the Detection of Debris Flow Using Detailed Soil Map and GIS", KOREAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS, Vol.37, No.1, pp.43-59. (in Korean)
Choi, S. K. and Kwon, T. H. (2017) "Effect of Barrier Location on Debris Flow Behaviors: A Numerical Study", J. Korean Soc. Hazard Mitig, Vol.17, No.6, pp.383-388. (in Korean)

상세보기
Choi, J. R. (2018), "An Analysis of Debris-Flow Propagation Characteristics and Assessment of Building Hazard Mapping Using FLO-2D - The Case of Chuncheon Landslide Area", Crisisonomy, Vol.14, No.2, pp.91-99. (in Korean)

상세보기
Cascini, L., Cuomo, S., Pastor, M., Sorbino, G. and Piciullo, L. (2014), "SPH run-out modelling of channelised landslides of the flow type", Geomorphology, Vol.214, pp.502-513.

상세보기
Curry, R. R. (1966), "Observation of alpine mudflows in the Tenmile Range, central Colorado", Geological Society of America Bulletin, Vol.77, No.7, pp.771-776.

상세보기
Gingold, R. A. and Monaghan, J. J. (1977), "Smoothed particle hydrodynamics: theory and application to non-spherical stars", Monthly notices of the royal astronomical society, Vol.181, No.3, pp-375-389.
Harlow, F. H. (1957), "Hydrodynamic problems involving large fluid distortions", Journal of the ACM (JACM), Vol.4, No.2, pp.137-142.

상세보기
Harlow, F. H. (1962), "The particle-in-cell method for numerical solution of problems in fluid dynamics", Los Alamos Scientific Lab., N. Mex. No. LADC-5288.
Iverson, R. M. (1997), "The physics of debris flows", Reviews of geophysics, Vol.35, No.3, pp.245-296.

상세보기
Iverson, R. M., Logan, M., LaHusen, R. G. and Berti, M. (2010), "The perfect debris flow? Aggregated results from 28 large-scale experiments", Journal of Geophysical Research: Earth Surface, Vol.115, Is.F3.

상세보기
Lucy, L. B. (1977), "A numerical approach to the testing of the fission hypothesis", The astronomical journal, Vol.82, pp.1013-1024.
Monaghan, J. J. (1985), "Particle methods for hydrodynamics", Computer Physics Reports Vol.3, No.2, pp.71-124.

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Pastor, M., Blanc, T., Haddad, B., Petrone, S., Morles, M. S., Drempetic, V., Issler, D., Crosta, G. B., Cascini, L., Sorbino, G. and Cuomo, S. (2014), "Application of a SPH depthintegrated model to landslide run-out analysis", Landslides, Vol.11, No.5, pp.793-812.

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Pierson, T. C. (1981), "Dominant particle support mechanisms in debris flows at Mt Thomas, New Zealand, and implications for flow mobility", Sedimentology, Vol.28, No.1, pp.49-60.

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Zhang, S. (1993), "A comprehensive approach to the observation and prevention of debris flows in China", Natural Hazards, Vol.7, No.1, pp.1-23.

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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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