국문초록 : 국내 동굴의 경우, 학술연구 및 관광사업을 목적으로 동굴에 대한 학술연구가 이루어지고 있으 나, 동굴조사의 기초작업이라 할 수 있는 동굴내부의 정밀한 측량은 아직까지 이루어지지 못하였다. 동굴내 부에 대해 정밀한 측량을 실시하고 지리정보시스템(GIS)을 구축하는 것은 동굴에 대한 체계적인 관리와 동 굴의 변화과정을 추정하는데 효율적인 기초자료가 될 것이다. 이를 위해 최신의 디지털 측량기법들을 복합 적으로 실시하는 3차원 동굴측량에 대해 소개하고자 한다.
주요어 : 디지털 측량기법, 3차원 동굴측량, 지리정보시스템
1. 서론
동굴의 특성은 긴 세월을 통하여 형성된 아름 답고 정교하고 오묘한 창조물로서 감탄이 절로 나오게 하는 조헝물이다. 옛부터 인간이 안식할 수 있는 거주지로써 활용되기도 하고 재물의 보 관처로, 그리고 심신연마의 도장으로도 이용되 어 왔으며 최근에는 동굴의 생성물에 대한 심미 적인 이용을 위하여 개방되고 있다.
동굴이 공개되고 관광객이 드나들게 되면 동 굴환경은 의례적으로 훼손된다. 현재 공개된 천 연기념물로 지정된 동굴은 울진의 성류굴을 비 롯하여 영월의 고씨동굴, 단양의 고수동굴, 온달 동굴, 노동굴, 제주도의 금녕사굴 만장굴, 협제 굴, 쌍룡굴, 삼척의 환선굴 등이 있으며 그밖에 지방기념물로 지정된 동굴 중에서 개발된 동굴
은 정선의 화암동굴, 부산의 천아산동굴, 단양의 천동굴, 태백의 용연동굴 등이 있으나 이용, 관 리 측면에서 문제점이 나타나 동굴내부의 오염, 조형물의 변형 등 동굴환경의 훼손현상이 나타 나고 있다.
국내의 학술적 가치가 있는 동굴의 경우, 여 러 차례 학술연구가 진행되고는 있지만 동굴조 사의 기초작업이라 할 수 있는 동굴내부의 정밀 한 측량은 아직까지 이루어지지 못한 상태로 기 초자료가 부재하여 체계적인 관리가 안 되고 있 는 실정이다.
이에 제주의 용암동굴 가운데, 생성시기가 매 우 오래되었지만 동굴의 내부구조나 각종의 많 은 동굴생성물이 잘 보존되어 경관이 매우 뛰어 나며 세계적으로 뛰어난 학술적 가치와 경관을 지는 동굴을 대상으로 최근의 디지털 측량기법
* 주)한진정보통신 상무이사, [email protected]
그림 1. 3차원 동굴측량 대상지 을 이용한 3차원 동굴측량을 실시하여 지형학적
데이터베이스를 구축하여 동굴에 대한 정확한 측량자료를 제시하고, 동굴의 개관, 발달방향, 동굴내부의 기본적인 특징을 파악하는데 중요한 근거자료로 삼아 동굴의 효율적 관리에 기여하 고자 한다.
2. 디지털 3차원 동굴측량
동굴내부만의 측량을 통해서는 정밀한 3차원 동굴 공간정보를 얻어낼 수 없다. 최신의 디지털 측량기법을 이용한 동굴 상부의 상세수치지도 제작, 기준점 확보 및 측량, 동굴내부의 정밀 3D 스캐너 측량 등 복합적인 측량의 결과들이 서로 융합되어 나오는 산출물이어야 가능하다.
대상지에 대한 3차원 공간정보 및 모델링을 제작하기 위해서 항공사진 측량, 기준점 측량 및 상세지도 제작, 동굴내부의 정밀 3차원 스캐너 측량, 3차원 모델링 등의 작업들이 필요하고 가 상체험을 위한 3차원 시뮬레이션 동영상 제작이 후속작업으로 수행된다.
2.1 디지털 항공측량
대상지에 대한 상세수치지도 제작을 위해서
항공사진용 디지털 카메라를 이용한 항공정사 사진촬영 및 항공레이저 측량을 실시하며 GPS/INS 장비를 이용하여 촬영한다. 정밀한 위 치확보를 위해 지상에서는 DGPS용으로 GPS기 준점이 설치된다. 지상에 설치되는 GPS 지상기 준점은 항공기 운항으로부터 반경 30Km를 벗어 나지 않도록 설계하여 위치를 결정한다.
지상표본거리 디지털 카메라 해상도(GSD)는 10㎝ 이내로 하고 측량의 사진은 반드시 실체할 수 있는 사진이여야 하며 사진의 중복도는 진행 방향으로 60%, 인접코스간의 중복도는 30%로 한다. 단, 밀집시가지의 경우에는 진행방향으로 70%이상 인접코스간의 중복도는 40%이상으로 수행하여 폐쇄지역을 최소화한다.
GPS/INS 장비를 이용하여 촬영할 경우에는 항공기 이륙전과 착륙후 정지 상태에서 초기화 를 시켜야 하며, 촬영경로 변경 시 항공기의 날 개의 수평각이 25° 미만을 유지하여야 한다.
GPS/INS의 외부표정 요소를 이용한 사진기준점 측량의 정확도를 향상시키기 위하여 촬영이 완 료된 후 1코스 이상을 촬영방향 수직으로 촬영 을 실시한다.
(1) 지상기준점 측량
기준점은 GPS/INS를 사용하나, 보다 정확한 기준점 측량을 위하여 측량법에 의거한 지상기 준점 측량을 실시하며 사진기준점 측량 및 수치 도화 작업에 필요한 기준점의 성과를 확보한다.
그림 3. GPS 관측계획도
지상기준점은 평면 기준점 측량(삼변, 삼각, 다각, GPS 측량)과 표고 기준점 측량(직접 수준 측량)을 통해 성과를 취득한다. 이는 동굴입구의 정확한 지리학적 위치정보를 제공하는 측량 기
시추공 주변의 현지지형에 적합하도록 평탄하고 안전한 장소를 선정하여야 하며, 동굴입구 및 시 추공의 위치관계를 고려한 합리적인 기준점의 수량을 파악하여 최소한 3개소의 기준점을 설치 한다.
그림 4. 삼변측량 계획도
(2) 사진기준점 측량
도화기 또는 좌표측정기에 의하여 항공사진 상에서 측정된 구점의 모델좌표 또는 사진좌표 를 지상기준점 및 GPS/INS 외부표정 요소를 기 준으로 지상좌표로 전환시킨다.
a) 촬영 항공사진 b)도화기 기준점 관측 c) 사진 기준점측량 s/w
그림 4. 사진기준점 측량
수치도화 장비 수치도화 s/w 수치도화 산출물 그림 5. 수치도화
(3) 수치도화
기준점측량 성과와 도화기를 사용하여 요구 하는 지역의 지형지물을 지정된 축척으로 측정
묘사 하는 실내작업으로, 좌표전개, 정리점검, 가편집데이터 제작을 실시한다.
그림 6. 현지 지리조사
그림 7. 지형편집 S/W
그림 8. 3차원 위치측량 흐름도 든 인공 및 지형지물과 이에 관련되는 모든 지
명 및 도화작업 시 판독이 불명확한 지형지물 등을 그 대상으로 한다.
(5) 정위치편집
현지조사 및 항측 보완측량에서 얻어진 성과 및 자료를 이용하여 도화성과 또는 지리데이터 입력성과를 수정․보완하는 정위치편집 작업을 실시한다. 데이터의 작성은 편집 장치를 이용하 여 도화원도 데이터에 추가, 삭제, 수정 한다. 모 델간의 접합 역시 편집 장치를 이용하며, 행정경 계, 주기데이터의 입력은 현지조사 자료를 이용 하여 입력한다.
2.3 동굴 내부측량
동굴 내부의 3차원 위치 측량을 통해 지상에 표현되는 기준점과의 상관관계를 알 수 있도록 동굴 내부의 조건과 스캐닝 작업의 장애 요소 파악코자 먼저 현장조사를 통해 스캐닝의 최적 경로와 이동시간 추정하고 전원 및 작업 안전성 점검 등 주도면밀한 관측계획수립과 원만한 자 료처리를 위한 작업절차를 수립하였다.
(1) 지하기준점
지상의 국가 DATUM과 연결된 동굴내부의 기준점은 동굴의 과학적인 학술연구 및 3차원 공간정보 구축 시 동굴의 내부 형상 및 각 부분 의 제원 등 각 부분의 정확한 지리학적 위치정 보를 제공하는 측량 기준점으로서, 동굴의 출입 구 바닥 및 시추공 아래 바닥에 휴대용 드릴을
그림 8. 지하기준점 평면도 및 단면도
(2) 고품질 3차원 데이터 취득 및 고해상도 작업사진 촬영
고품질의 데이터 획득을 위해 정각스캔을 원 칙으로 하며, 작업 환경상 공간이 확보되지 않는 곳은 주변 자연물을 파손하지 않는 선에서 최대 정각에 가깝도록 스캔작업을 수행한다.
데이터 취득에 있어서, 종유석이나 석순 등이 밀집한 구간에서는 동굴 벽과 석순은 포인트 간 격 1㎝이내(mm), 기타 지역은 10㎝이내로 스캔 측량을 실시한다. 또한 동굴 입구 및 입구 주변 지형에 대하여도 스캐닝을 실시하여 동굴내부와 항공사진의 이미지와 결합을 시켜 동영상 제작 시 동굴입구부터 보이도록 하여야 하며 아래의 순서에 의해 스캐닝을 실시한다.
① 지상기준점 및 지하기준점측량의 결과로 결정된 기준점의 조서에 의해 기준점의 위치를 파악하고 스캐닝에 필요한 기준점에 스캐닝용 타겟을 설치한다.
② 스캐너에서 방출되는 레이저 포인트가 동 굴벽체 또는 동굴내부의 석순 등에서 반사되는
그림 9. 동굴내부 스캔
(3) 3차원 데이터 처리
정확한 성과를 얻기 위해 스캐너용 타겟을 선 행공정에서 설치된 지하 기준점에 설치하고 측 량하여 획득된 cloud DATA는 S/W를 이용하여 결합(Registration)하고 georeferencing한다. 또한 후처리 작업 시 표면에 입히는 사진은 정각에서 촬영한 것을 사용하며, 데이터도 정각을 기준으 로 한다.
2.4 동굴 3차원 모델링 및 텍스쳐 매핑 장비의 특성상 스캔 데이터의 정밀도를 높이 고 미 스캔 부분이 발생하지 않도록 다각도에서 스캔 대상의 표면을 여러 번 스캔하고, 각각의 스캔 데이터의 좌표값은 일치하지 않기에 수동
그림 10. 3차원 동영상
으로 정합한다. 3차원 스캔 데이타와 작업사진 의 칼라 이미지를 접합하여 실사 처리하는 텍스 쳐 매핑을 수행한다.
2.5 가상체험 3차원 시뮬레이션 동영상 제작
시각효과를 위한 3차원 동영상은 정밀히 실측 한 3차원 스캔 데이터를 토대로 폴리곤 작업을 거쳐 고해상도 디지털 카메라로 촬영한 실물 동 일 컬러값을 매핑 한 뒤 실제의 모습과 흡사하 도록 생동감 있게 제작한다. 이때 동굴의 표면 질감은 실영상에 가깝게 처리되도록 하고, 1902*1080 크기에서 픽셀 깨짐이 없도록 하며, 프레임 수는 30FPS 이상으로, 화질은 HD급으로 동영상을 제작한다. 각 동영상의 재생시간은 7-10분 내외로 한다.
3. 결론
최근의 디지털 측량기법을 이용한 3차원 동굴 측량은 전통적인 동굴 구현기법 및 관리방법에 혁신을 가져다 줄 수 있을 것이라 사료된다. 동 굴의 정확한 형상정보를 통해서 관리와 보존을 위한 명확한 의사결정을 지원할 수 있고, 유비쿼 터스 신기술을 적용하기 위한 정밀한 공간정보 제공이 가능하다.
동굴에 대한 3차원 동영상 제작은 일반인들이 직접 탐방할 수 없는 미개방 동굴을 간접 체험 할 수 있는 기회를 제공하고 동굴의 훼손을 최 소화 할 수 있을 것이고, 지역의 자연동굴 관광 사업을 촉진할 수 있는 매개체가 될 것으로 보 인다.
대상지에 대한 최근의 디지털 측량기법을 적
오규식, 2008, 계획 실무자를 위한 GIS 워크샵, 기 문당
이강원, 2003, 지리정보시스템용어사전, 구미서관.
Parker Robert Nash Asencio Emily K. 2008, GIS and Spatial Analysis for the Social Sciences, Taylor Francis
村山祐司 編, 2008, GISの理論, 朝倉書店.
