大 韓 土 木 學 會 論 文 集 第31卷 第2D 號·2011年 3月 pp. 335~342
測量 및 地形空間情報工學
3차원 공간정보 기술을 활용한 지반정보 활용시스템 개발
Geotechnical Information Application System Using 3D Geo-Spatial Information Technique
이지영*·장용구**·강인준***
Lee, Ji-Young·Jang, Yong-Gu·Kang, In-Joon
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Abstract
Geotechnical Information which had been constructing and offering by Minister of Land, Transport and Maritime Affairs (MLTM) has been target on the whole of country. Today, the 100,000 number of geotechnical data has been managed as 2d GIS database. But, it is difficult to apply this database for analyzing and designing geotechnical works. In this paper, we have developed Geotechnical Information Application System (GIAS) based 3d geo-spatial information technique for the effective uses. First, GIAS based on GIS framework was implemented to effectively find out spatial geologic structure of study area.
Second, we invited some experts from each field and listened their opinions. According to the surveying on the applicability- ratio, the experts showed higher interest in this system. In this study, it was verified that the 3d GIS-based system was very use- ful for the usability-ratio.
Keywords : MLTM, geotechnical information, 3D Geo-Spatial information technique, GIS
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요 지
현재 국토해양부에서 구축 및 제공 중인 지반정보는 전 국토를 대상으로 약 10만 공 정도이다. 그러나 지반정보 DB가 2차원적인 기능으로 제공되고 있기 때문에 지반의 해석 및 설계 업무에서의 활용성이 부족하다는 지적이 제기되었다. 본 연 구에서는 지반정보의 효과적인 활용을 위하여 3차원 공간정보 기술기반의 지반정보 활용시스템을 개발하였다. 먼저, 부산광 역시의 만덕과 동래의 일부 지역을 대상으로 지반정보 활용시스템을 적용하였다. 또한, 10명의 지반정보 관련 전문가들로부 터 설문조사 및 의견수렴을 시행하여 시스템의 적용성을 검토하였다. 본 연구를 통하여 3차원 기반의 사용자 중심의 지반정 보 활용시스템을 개발할 수 있었으며, 적용성 검토 수행을 통하여 활용 가능성을 충분히 확인할 수 있었다.
핵심용어 : 국토해양부, 지반정보, 3차원 공간정보 기술, 지리정보시스템
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1. 서 론
국토지반정보 DB구축사업은 국토해양부가 2000년부터 시작하여 현재까지 지속적으로 추진하고 있는 사업으로, 약 10만 공의 지반정보 DB를 국토지반정보 DB포털 시스 템을 통하여 제공하고 있다(장용구 등, 2007; 이상훈 등, 2007).
국토해양부에서 발표한 국토지반정보 사용자별 지반정보 활용현황에서는 정부기관의 경우 입지선정, 타당성검토, 사 업비 선정 등 정책입안 측면에서의 지반정보 활용이 높으며, 발주기관에서는 공사계획 및 예비조사, 기본설계 등에서의 지 반정보 활용이 이루어지고 있다. 그리고 건설사에서는 기본 설계, 시공 업무 수행 시 지반정보의 활용성이 높은 것으로 파악되고 있다. 그림 1은 국토해양부 국토지반정보 통합DB
센터에서 제시하고 있는 지반정보 유통자료 활용 통계 현황 을 보여준다(국토지반정보 통합DB센터, 2010).
지반정보의 활용도는 공사계획, 기본설계 분야보다는 기 본 및 실시설계, 시공, 유지관리 등에서의 활용성이 더욱 높다. 그러나 국토해양부에서 발표한 통계결과에서는 공사 계획 및 기본설계단계에서의 참고자료로의 활용성이 높은 것으로 제시되어 있다. 이와 같은 문제점은 충분한 지반정 보 DB가 구축되어 있지 못한 것이 가장 큰 이유이지만, 현재 제공 중인 10만 공의 지반정보를 활용하기 위한 시스 템의 기능 지원의 한계성도 큰 문제점으로 지적되고 있다.
따라서, 전 국토에 대한 지속적인 지반정보DB구축과 함께 3차원 기반의 GIS DB로 구축되어 있는 지반정보의 활용 향상을 위하여 3차원 GIS 기술 기반 활용지원시스템의 개 발이 필요하다.
*정회원·부산대학교 지형정보협동과정 석사과정 (E-mail : [email protected])
**정회원·교신저자·한국건설기술연구원 U-국토연구실 수석연구원·공학박사 (E-mail : [email protected])
***정회원·부산대학교 사회환경시스템공학부 토목전공 교수·공학박사 (E-mail : [email protected])
1.1 연구동향
본 연구 수행을 위하여 지반정보를 활용한 3차원 공간정 보 기술구현에 관한 국내외 연구동향을 살펴보았다. 먼저, 국 외의 동향을 살펴보면, 지반정보 및 지질정보 활용 및 3차 원 GIS 활용프로그램 개발 연구가 가장 활발한 프랑스에서 는 국가 주도하의 3차원 지하정보 구축 및 활용 연구가 이 루어지고 있다(www.gdm.brgm.fr). 또한, 독일에서는 Holoseis 를 통해 지하 암체를 가시화하여 탐사, 3차원 해석은 물론 시간을 고려한 4차원 해석할 수 있도록 지원하고 있으며, Seis3DV와 GeoVIZ를 통해 저류층 개발 탐사 및 해석에 이용한 연구도 이루어지고 있다(www.odplegacy.org). 그리고 일 본에서는 여러 기관에서 시추데이터를 데이터베이스화하여 설 계 자료로 이용할 수 있도록 관리·검색·출력기능이 가능한 웹기반의 통합관리시스템을 제공하고 있다(www.jiban.co.jp).
한편, 국내에서는 국토해양부의 국토지반정보 DB구축사업 이 전국규모로 추진되고 있으며, 서울시에서만 지반정보관리 시스템(SIS : Soil Information System)을 운영하고 있으며, 시추지질조사자료를 전산화하여 지반공학도를 작성할 수 있 도록 제공하고 있다(soil.seoul.go.kr).
1.2 연구목적
본 연구에서는 부산광역시의 만덕과 안락의 일부 지역을 대상으로 국토지반정보 DB포털시스템(www.geoinfo.or.kr)에 서 제공 중인 지반정보를 기반으로 발주기관 및 건설사의 설 계, 시공시 지반정보를 연계, 활용할 수 있는 3차원 공간정 보 기술기반의 지반정보 활용시스템을 개발하였다.
또한, 본 연구를 통하여 개발한 지반정보 활용시스템의 활 용성을 검토하기 위하여 분야별 관련 전문가들로 구성된 10 인을 방문 설문조사를 실시하였다. 이를 통하여 시스템의 활 용성을 검토하고, 추가기능 개발, 사용자 편의성, 타 시스템
과의 연계성 등 향후 시스템 개발의 방향을 고찰하였다.
2. 시스템 개발 관련 이론 2.1 3차원 GIS기술
이전의 GIS는 2차원상으로 Mapping된 데이터를 대상으로 버퍼, 부울, 네트워크 등의 분석 기능을 제공하는 2차원 GIS이다(Bruce, 2001). 3차원 GIS 기술이란 3차원 공간정 보를 기반으로 공간 검색, 분석, 질의, 가시화, 매핑 등을 수행할 수 있는 기술을 의미한다.
3차원 GIS기반의 지반정보 활용시스템의 공간정보는 지상 의 수치지도 및 영상을 기반으로 한 모델링정보와 지반정보 를 활용한 지하의 3차원 공간모델정보로 구성된다. 또한, 속 성정보는 지반시추조사에 대한 사업정보, 지형지질정보, 시 료채취정보, 시험정보 등으로 구성된다. 그림 2는 지상과 지 하의 3차원 공간정보를 구축한 모습을 보여준다.
그림 1. 지반정보 유통자료의 활용목적별 연도별 다운로드 통계 현황
그림 2. 수치지도+영상(지상) / 지반정보(지하)
구성된 3차원 공간정보를 기반으로 3차원 공간 검색 및 분석, 가시화 및 매핑 등의 3차원 GIS 기술 구현이 가능하 다(Raper, 2000).
2.2 공간 검색 및 분석기술
공간정보의 검색 및 분석기술은 도형자료와 속성자료의 통 합분석에 의해 가능하며, 차원별 검색 및 분석기술을 구현할 수 있다. 먼저, 0차원 검색 및 분석기술은 공간질의, 지오코 딩, 근접성분석, 근린분석 등이 있다. 또한, 1차원 검색 및 분석기술인 네트워크기술은 선형정보를 이용한 네트워크란 상호 연결된 선형의 객체가 형성하는 일정패턴이나 프레임 을 검색 및 분석하는 기술이다. 그리고 2차원 검색 및 분석 기술인 영향권 분석은 주요정보에 대한 선형·원형¸ 등의 영 향범위를 통하여 관련정보를 검색·분석할 수 있는 기술이 다. 중첩분석(overlay analysis)은 가장 많이 쓰는 공간분석 방법으로 각각의 레이어가 가지고 있는 정보를 동일 좌표계 를 이용하여 중첩시켜 새로운 자료를 만들어 내거나 원하는 분석을 할 수 있는 기술이다. 그림 3은 지반시추자료에 대 한 3차원 공간 검색 기능을 수행한 모습이다(김영표 등, 2004).
2.3 가시화기술
일반적인 의미에서의 가상현실(Virtual Reality, VR)이란 컴퓨터가 만들어낸 가상의 세계를 사용자에게 다양한 감각 채널을 통해 제공함으로써 사용자로 하여금 이 가상세계에 몰입(immerse)하도록 하는 동시에, 가상세계 내에서 현실 세 계에서와 같은 자연스러운 상호작용(interaction)을 가능하도 록 구현해주는 기술이다(원광연, 1997). 그림 4는 가상현실
기술을 활용하여 지하공간정보를 가시화시킨 모습을 보여준 다(Bruin, 1998).
3. 시스템 개발 및 적용
본 연구에서는 먼저 시스템 개발을 위하여 이론적 고찰, 시스템 설계를 통한 개별 모듈 개발 및 통합시스템을 개발 하였으며, 모델지역에 대한 적용 수행 및 전문가 설문 및 의견수렴을 통하여 시스템의 활용성을 검토하였다. 그림 5는 본 연구의 수행 흐름도를 보여준다.
3.1 모델지역 선정 및 DB구축 3.1.1 모델지역 선정
본 연구의 모델지역은 지반정보 활용 활성화가 기대되는 지자체 중 지반정보 사업에 초기부터 참여한 부산광역시를 대상지로 하였다. 공간 데이터 구축을 위하여 1:1,000 부산 시 수치 지도와 항공사진을 이용하였고, 속성 데이터를 표현 한 지역은 공동주택지 개발할 때 지반조사가 이루어진 곳으 그림 3. 사업검색(좌) / 영향권분석(우)
그림 4. 지하공간정보의 가시화 수행 결과 그림 5. 연구수행흐름도
로 동래구 안락동과 북구 만덕동 일원을 기준으로 데이터베 이스를 구축하였다. 그림 6은 시스템 활용성 검토를 위하여 선정한 모델지역을 보여준다.
3.1.2 DB 구축
지반조사자료는 건설현장에서 지반시추조사를 통하여 분석 된 지층, 지하수위, 공학정보 등 지하의 속성정보를 공간정 보와 함께 GIS DB화 된다. DB의 구축은 지반정보 활용시 스템에 대해 효과적으로 고찰할 수 있도록 GIS를 기반으로 하는 데이터베이스를 구축을 크게 공간 DB와 속성 DB로 입력하였다.
공간DB는 속성정보를 데이터베이스화하고 이를 시각화된 시추공에 연결하기 위하여, 공간DB를 생성하였다. 공간자료 의 경우, 기본이 되는 수치지형도와 위성영상 그리고 유통자료 를 통해 공간자료를 구축하였다. 그림 7은 지반정보 활용시스 템 개발을 위해 수행한 DB 구축의 흐름도를 보여준다.
속성DB는 지반정보 유통시스템에서 다운로드하여 가공하 였다. 속성정보 중의 시추주상도, 실내시험보고서, 현장시험 보고서 등의 자료를 텍스트파일로 입력하고, 이를 ArcGIS에 서 읽어들임으로써 DB 테이블로 변환하여 저장될 수 있도 록 하였다.
3.2 지반정보 활용시스템 개발 3.2.1 프로그램 개발 환경
본 연구에서는 시스템을 통하여 지반정보 검색의 효율성을 위하여 검색하고자 하는 시추공 선택 방법을 다양화하여 사 용자가 쉽게 시추공을 선택할 수 있도록 하였다. 또한 지반 정보의 직관적인 전달을 위하여 단순히 시추공 데이터베이 스에 저장된 내용을 출력하여 주는 수준에서 한 단계 더 나 아가 사용자가 직관적으로 정보를 획득할 수 있도록 GUI (Graphic User Interface)를 활용할 수 있도록 구축하였다.
그리고 지반정보를 효율적으로 전달하기 위하여 데이터베이 스에서 검색되는 모든 내용을 한 번에 출력하지 않고, 사용 자가 알고자 하는 정보만을 우선으로 출력하도록 시스템의 장점을 극대화하였다.
3.2.2 기능별 모듈 구축
지반정보 활용시스템의 주요기능은 검색, 분석, 뷰어, 매핑 기능으로 구성하였다.
1) 검색기능
검색은 풀다운 메뉴 또는 아이콘의 선택을 통해 사업정보 검색, 속성검색, 보고서검색이 가능하도록 구현하였다. 사업 정보 검색은 평면뷰상에서 시추공을 선택하면 수치지도 및 위성영상 뷰와 함께 사업검색이 가능하도록 하였다. 또한 속 그림 6. 모델지역((좌)안락동 / (우)만덕동)
그림 7. DB 구축 흐름도 그림 8. 검색기능의 메뉴와 아이콘
성검색은 모든 뷰상에서 시추공을 선택하면 공통정보를 가 지는 경우는 모두 선택되며 전체속성검색이 가능하도록 하 였으며, 각각 다른 정보를 가지는 경우는 하나만 선택되어 해당 속성검색만 가능하도록 하였다. 그리고 보고서 검색은 평면뷰상에서 시추공을 선택하면 각각에 대한 시추주상도, 현장시험정보, 실내시험정보 등의 보고서 검색이 가능하도록 개발하였다. 그림 8은 검색기능의 메뉴와 아이콘을 구축한 모습을 보여준다.
2) 분석기능
분석은 풀다운 메뉴 또는 아이콘의 선택을 통해 볼륨산정, 활용범위, N치분포에 대한 분석이 가능하도록 구현하였다.
볼륨산정 분석은 공학적인 분석으로 3차원뷰상에서 지층별 부피 산정이 가능하도록 하였다. 또한 활용범위는 시추공에 서부터 일정한 직선거리까지의 범위를 분석하여 기초설계에 이용 가능하도록 하였다. 그리고 N치 분포분석는 기초지반 의 강도를 측정하기 위해 보링 시 표준관입시험을 실시하여 얻은 N치를 이용하여 각 시추공에 대한 분포도를 분석할 수 있도록 구현하였다. 그림 9는 분석기능의 메뉴와 아이콘을 구축한 모습을 보여준다.
3) 뷰기능
뷰는 풀다운 메뉴 또는 아이콘의 선택을 통해 맵 뷰, 테 이블 뷰, 단면 뷰가 가능하도록 구현하였다. 맵 뷰는 2차원
과 3차원 뷰상에서 맵을 볼 수 있도록 구현하였으며, 테이 블 뷰는 시추공에 대한 속성을 나타낼 수 있도록 구현하였 다. 또한 단면 뷰는 원하는 시추공을 선택하면 선택된 시추 공에대한 단면을 볼 수 있도록 개발하였다. 그림 10은 뷰기 능의 메뉴와 아이콘을 구축한 모습을 보여준다.
4) 매핑기능
매핑은 풀다운 메뉴 또는 아이콘의 선택을 통해 2D 주제 도와 3D 주제도 매핑이 가능하도록 구현하였다. 매핑은 평 면 뷰와 3차원 뷰 상에서 공간정보와 속성정보를 함께 볼 수 있는 형태로 구현하였다. 2D 주제도와 3D 주제도는 맵 에 영상과 수치지도를 기반으로 한 다양한 주제도, 또는 건 물을 3차원 매핑을 통하여 시각적인 효과를 극대함으로써 공간에 대한 이해가 명확해지도록 하는 기능으로 구현하였 다. 그림 11은 매핑기능의 메뉴와 아이콘을 구축한 모습을 보여준다.
3.2.3 지반정보 활용시스템 인터페이스
본 연구에서는 일반 사용자까지도 이미 구축된 시추공 정 보를 쉽게 검색하게 하려고 GIS 데이터베이스에 직접 접속 하거나 혹은 원하는 정보를 얻기 위하여 복잡한 SQL 구문 을 설계할 필요 없이, 직관적으로 원하는 정보를 검색하고 원하는 정보를 획득할 수 있도록 지반정보 활용 인터페이스 를 설계하였다.
먼저 시추공 GIS 데이터베이스에서 크게 원하는 시추공을 선택하는 부분, 선택된 시추공의 일반 정보를 보여주는 부분, 그리고 선택된 시추공 중에서 선택된 층에 대한 상세정보를 보여주는 부분으로 이루어져 있다.
기존의 시스템에서는 단순히 GIS 데이터베이스에 저장되 어 있는 정보를 2차원적으로 출력하는 형태였으나 사용자에 게 혼란을 주는 것을 피하고자 원하는 정보를 3차원상에서 표현함으로써 이를 해결하였다. 또한, 시추공의 각 층의 정 보를 좀 더 상세하게 검색하고자 할 때에는 사용자의 입력 을 받아 사용자가 원하는 층의 정보를 출력하여 주는 방식 으로 인터페이스를 설계하였다.
3.2.4 시스템 개발
본 연구에서 응용프로그램 개발을 위한 플랫폼은 Windows 그림 9. 분석기능의 메뉴와 아이콘
그림 10. 뷰기능의 메뉴와 아이콘
그림 11. 매핑기능의 메뉴와 아이콘
XP를 기본운영체제로 하였으며, 본 연구에 사용된 데이터베 이스 시스템은 관계형 데이터베이스 프로그램인 Access 2007을 사용하였다.
그리고 프로그래밍 언어로는 객체지향 프로그램 언어인 Visual Basic과 C++을 사용하였고, 수지지형도의 수정 및
변환은 대표적인 CAD 프로그램인 Autodesk 사의 AutoCAD 2008과 ESRI사의 ArcGIS 9.2를 사용하였다. 여기서 C++과 ArcObjects를 이용하여 COM(Component Object Model) 기반 프로그래밍을 수행하였다. 이를 통해 생성된 소스 코드 를 컴파일하여 DLL 파일을 만들고, 이렇게 만들어진 DLL 파일은 ArcMap과 연결할 수 있도록 구현하였다. 그림 12는 본 연구를 통하여 개발을 완료한 지반정보 활용시스템 메인 화면을 보여준다.
3.3 지반정보 활용시스템 적용 및 검토 3.3.1 활용시스템 적용
본 연구에서는 개발된 지반정보 활용시스템에 대한 사례를 분석하기 위하여 용도지역과 주변 여건과의 적합성 등에 따 른 부산의 만덕지구와 안락지구를 대상으로 적용하였다.
그림 13은 검색에 대한 수행 화면으로 좌측은 사업정보를 검색 수행한 화면이다. 원하는 시추공을 선택하면 같은 사업 정보를 가진 시추공들이 모두 선택되면서 사업정보화면이 나 타난다. 지형·지질정보는 버튼으로 원할 때만 검색할 수 있 그림 12. 지반정보 활용시스템 메인화면
그림 13. 검색화면(사업정보(좌) / 시추주상도(우))
그림 14. 분석화면(N치분포(좌) / 활용범위(우))
그림 15. 주제도 매핑화면(2D(좌) / 3D(우))
다. 또한, 우측의 시추주상도 검색화면은 사용자가 원하는 시 추공을 선택했을 때 해당 시추주상도를 사업지역 화면과 함 께 보인다.
그림 14는 분석에 대한 수행화면으로 좌측은 모델지역의 지반정보 중 N 치에 대한 분포를 분석하는 화면이다. 우측 의 활용범위 분석 화면은 시추공으로부터 일정 거리에 대한 활용범위를 분석하는 화면이다.
그림 15는 매핑화면으로 2차원과 3차원 주제도 모두 제공 하며, 이는 보고서 제출 시 출력하여 사용 가능하도록 구현 하였다.
3.3.2 시스템 활용성 검토
본 연구를 통해서 개발한 3차원 GIS 기술 기반의 국토지 반정보 활용시스템 개발과 관련하여 설문을 시행하였다. 그 림 16은 본 연구에 쓰인 설문양식으로, 기본조사 4문항과 본 조사 7문항으로 이루어져 있으며 국토지반정보 활용시스 템 개발의 방향 및 활용도를 조사하기 위하여 실시하였다.
설문대상자는 각 기관의 전문가와 실무자로 구성하며, 대학
2명, 공공기관 3명, 연구원 2명, 건설사에서 3명 총 10명의 의견을 수렴하여 활용성을 검토하였다.
그림 17은 지반정보활용시스템 개발 설문조사 통계 결과 그래프로 그 결과 활용도에 대한 문항인 2번과 6번에서의 답변이 3차원 지하공간모델의 활용도가 높을 것이라는 항목 에 집중된 것으로 보아, 본 연구에서 개발한 시스템의 활용 도는 매우 높은 것으로 나타났다. 또한 활용분야에 대한 문 항인 4번의 답변 결과 공사계획 및 예비조사 분야와 기본 및 실시설계 분야에서 많이 활용되어 질 것으로 나타났다.
추가로 다양한 지반모델의 생성, 시뮬레이션, 데이터 변환 및 내보내기 등의 기능이 요구되는 것을 파악할 수 있었다.
4. 결 론
본 연구에서는 3차원 GIS 기술 기반의 지반정보 활용시스 템을 개발하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 지반정보유통시스템에서 제공되는 GIS-DB를 활용하여 속 성자료를 재가공하여, 수치지도, 위성영상 등의 공간자료 와 연계하여 3차원 GIS 기반의 지반정보 활용시스템을 개발하였다.
2. 3차원 GIS 기술 기반의 활용시스템은 검색, 분석, 뷰, 매 핑의 4가지로 구성된 하위 기능 모듈로 구성되어 있으며 사용자로 하여금 쉬운 분석 환경을 지원해 줄 수 있는 구현 환경을 제공하였다.
3. 설문조사를 통한 활용성 검토결과로 3차원 지반정보 활용 시스템의 활용성이 매우 큰 것을 확인할 수 있었다. 또한 시스템 활용 가능분야로는 공사계획에서 실시설계단계까 지 매우 활용성이 높을 것으로 판단되었다.
더 나아가 GIS 시스템 기반의 VR, Simulation, Data Convert 기능 등이 추가된다면 지반정보 활용이 더욱더 활 발해질 것으로 기대된다.
그림 16. 설문양식
그림 17. 설문조사 통계 결과 그래프
감사의 글
본 연구는 2009년도 국토해양부가 출연하고 국토연구원에 서 위탁 시행한 공간정보 전문인력 양성사업의 지원과 정부 (교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수 행된 기초연구사업(20090781000)을 통해 연구가 진행되었으 며, 지원에 감사드립니다.
참고문헌
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장용구, 이상훈, 구지희(2007) 지반정보 DB 활용향상을 위한 유 통시스템개발. 한국지리정보학회지, 한국지리정보학회, Vol.
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Raper. J. (2000) Multidimensional geographic information science, Taylor & Francis, pp. 121-171.
(접수일: 2010.12.6/심사일: 2011.1.25/심사완료일: 2011.1.25)
