A Study of Monitoring in Slopes of High Collapse Risk Using Terrestrial LiDAR

(1)

한 국 방 재 학 회 논 문 집 제10권 6호 2010년 12월

pp. 45 ~ 52

방재정책

지상 LiDAR를 이용한 위험관리사면의 변위 모니터링

A Study of Monitoring in Slopes of High Collapse Risk Using Terrestrial LiDAR

박재국*

Park, Jae-Kook

···

Abstract

One of the ways to minimize damage by a slope collapse is to set up preventive measures in advance by measuring displacements in a slope and predicting a collapse. There have been many different technologies developed to predict a collapse with diverse measuring equipment. Especially recently, attempts have been made to utilize terrestrial LiDAR, a high-tech imaging equipment to measure displacements on a scope. Terrestrial LiDAR generates three-dimensional information about an object with millimeter-level accuracy from hundreds of meters away and has been used in an array of fields including restoration of cultural assets, three-dimensional modeling, and making of topographic maps. In recent years, it has been used to measure displacements in structure as well. This study monitored displacements in slopes of high collapse risk with terrestrial LiDAR. As a result, it was able to confirm the applicability of terrestrial LiDAR to the field, and proposed monitoring methods.

Key words : Terrestrial LiDAR, Monitoring, Slope, Displacement, Measurement

요 지

사면붕괴로인한피해를최소화하기위한방법중하나는사면의 변위발생을계측하고붕괴를 예측하여사전에 방재대책을 수립하는것이다. 이를위해다양한계측장비들을활용하여붕괴를예측할수있는기술들이개발되고있다. 특히최근에는사 면의변위발생을계측하기위해첨단촬영장비인지상라이다를 활용하려는노력이 시도되고있다. 지상 LiDAR는수백미터 의거리에서도수 mm^의^정확도로^대상물의 3^차원 ^정보를 ^획득^할^수^있기 ^때문에^문화재 ^복원, 3^차원 ^모델링, ^지형도 ^작성

등다양한분야에서활용되고있으며최근에는구조물의변위계측에도활용되고있다. 본연구에서는이러한지상라이다를이용 하여붕괴위험이높은위험관리사면을대상으로변위모니터링수행하였다. 그결과지상라이다의현장적용가능성을확인할수 있었으며모니터링방법에대해제시할수있었다.

핵심용어 : 지상라이다, 모니터링, 사면, 변위, 계측

···

1. 서 론

매년 반복되는 수해로 인해 많은 인명피해와 재산손실이 발생하고있다

.

^특히 ^강우로^인해 ^사면이^{붕괴되거나}^도로가

유실되는등 그 피해로 인한 복구비용은 천문학적인비용이 소요된다

.

사면의 경우 복구 후 사면의

2

차 붕괴 또한 그 피해가매우 심각하다

.

따라서복구현장의사후관리가매우중요시되며

,

특히사면 변위에대한 주기적인관리가요구된다

.

그러나 대부분의 사면이 접근이 어렵고 육안판독에 의한 변위관찰이불가능함으로 사면에대한정보 획득이용이하고 신속하고정확한계측이 가능한모니터링기법이 요구된다

.

사면의변위를계측하기위한방법으로는무타깃 토털스테 이션과

GPS

와 같은 측량장비를활용하는 기술과 사진 측량

학 분야의기술을응용한영상기반 모니터링기술등이있다

.

또한 광섬유센서나 센서기반의

3

축 변위를 모니터링 할 수 있는 기술등이 있다

.

이러한 기술들은장비의 특성과현장조건에따라적용범위 에 있어제약이 따른다

.

^따라서^현장^조건에 ^따라^이에 ^맞는

다양한 계측기술이요구된다

.

최근에는지상라이다를활용한 사면관측기술들이국외사례 를 통해 활발히소개되고있다

.

기후변화에 따른 빙하의 지형변화를

7

년간 모니터링한 사

례

(Rigel, 2008),

지진으로 붕괴된 사면의 산사태 전후를 비

교 분석한 사례

(Rigel, 2007)

등이 있으며

,

산사태 발생지의

지형특성을 추출하거나

(Abellan

등

, 2006; Van Den Eeckhaut

등

, 2007)

산사태 발생지의 토공량을 산정하는데

(Du

등

,

2007)

지상라이다가활용되고있다

.

*정회원·남서울대학교지리정보공학과교수 (E-mail : [email protected])

(2)

국내에서도이와유사한시범연구가수행되고 있다

.

^국내의

지상라이다를 이용한 사면계측 사례를 살펴보면 유창호 등

(2008)

은소일네일링 공법을적용하여시공한 인공사면에대

해서 사면거동을계측하였으며

,

장용구 등

(2006)

은 접도사면 의 위험평가 및 관리를 위해 지상라이다로촬영된 암반사면 의

3

차원정보를활용하여 암반의불연속면을결정하였다

.

김성학등

(2008)

은 실내 모형사면의모니터링을 통해높은

정확도로변위를 계측함으로써 향후 실제 사면의 변위 측정 가능성을제시하였다

.

박재국 등

(2010)

은 자연사면에 인위적으로 조성된 변위에

대해서 모니터링함으로써 자연사면의 변위 모니터링 가능성 여부를확인하였다

.

이외에도지상라이다가원격지에서 수

mm

^의 ^높은 ^정확도

로 대상물의

3

차원 정보를 쉽고 빠르게 획득할 수 있는 장 점으로 인해 문화재 복원

, 3

차원 모델링

,

지형도 작성 등과

같은분야에서다양하게 활용되고있다

(

장경수

, 2004;

이인수

,

2007;

^이인수

,

^강상구

, 2006).

뿐만아니라구조물의변위 계측

(

이홍민등

, 2007),

터널의

내공변위계측

(

이재원

,

윤부열

, 2007),

댐의변위관측

(

박세훈

등

, 2009)

등에서도높을신뢰성을 갖고활용되고있다

.

그러나 여전히 지상라이다를 이용한 사면계측대상이 실내 모형실험을통한 정확도 평가나 관측이 수월한 암반이나 옹 벽또는 절토사면에집중되고있어다양한지형조건 및환경 을갖고 있는자연사면을대상으로 한 연구가미흡한실정이 다

.

이에본 연구에서는강우로인해 붕괴된사면이복구된후 사후관리가필요한

3

개의 위험관리사면을대상으로지상라이 다를 이용하여주기적으로 촬영을 실시하고 그 결과를 비교 분석하여변위를모니터링하고자 하였다

.

^또한 ^본^연구의 ^모

니터링대상인다양한지형조건의 사면관측을통해서지상라 이다의현장 적용가능성을확인하고자하였다

.

2. 지상라이다의 개요 2.1 지상라이다의 원리

지상라이다의 원리는

3D

레이저 스캐닝으로서 측량용 무 타깃 토털스테이션과 동일한 원리로 작동된다

.

즉

,

근적외선 또는가시광선파장대의레이저를송신하고물체에반사되어 돌아오는 레이저를 수신하여 거리를 측정하고

,

거리 측정과 동시에레이저빔의 수평

,

^수직각을^정밀히^측정하여^이를

3

차원좌표로 환산하는것이다

.

기존의토털스테이션이측정하고자 하는특정한 점에레이 저 빔의 각도를 조정하고 그 점을 측정하는데 반하여

, 3D

레이저 스캐닝은

1

^초당

1,000 ~ 10,000

^포인트 ^이상의 ^측정

속도를가짐으로측정하고자 하는

3

차원영역을원하는간격 으로조밀하게측정하고컴퓨터상에서원하는특정점의좌표 를계산해내는방식을 취하고있다

.

3D

^레이저 ^스캐닝의 ^거리측정 ^방식은 ^{삼각측량방식}

(Triangulation Method)

과시간차방식

(Time of Flight)

이있다

.

삼각측량방식은 레이저를 대상물에 발사한 후 광전소자

(CCD)

에 맺히는 반사 빔의 위치를 삼각법으로역산하여 위

치를 결정하는방식이며

,

^{시간차방식은} ^레이저를^대상물에 ^발

사한 후 레이저가반사되어 돌아오는 시간차를 계산하여 위 치를 결정하는방식이다

.

본 연구에서 사용된 장비는 시간차 방식을 이용하여 위치 를 결정하며 기본 계산식은 식

1

^과 ^같고 ^원리는 ^그림

1

^과

같다

.

(1)

여기서

,

ρ는 거리이며 c는 빛의 속도

,

∆t 는 시간차이다

.

구 하고자하는 특정점의 좌표를 x

,

^y

,

^z하면 ^α는 ^수평각

,

^β ^수

직각이다

.

2.2 지상라이다의 제원

이연구에사용된지상라이다는라이카

(Leica)

^의

ScanStation2

로써 물체의

3

차원 정보를 빠르고 정확하게 획득 할 수 있 다

(

그림

2).

대상물체의 좌표획득은 대상물체와의거리가

130 m

이하 일 경우 물체에 반사되어돌아오는 레이저 펄스의 에너지가

18%

이상이면 측정이 가능하며

, 300 m

이하일 경우 물체에

반사되어 돌아오는 레이저 펄스의 에너지가

90%

이상이면

측정이 가능하다

.

이 라이다장비는초당

50,000

^점 ^이상의

3

^차원^{좌표획득이}

가능하다

.

특히

, 50 m

거리에서

4 mm

간격으로측점군을 형

성하여 자료취득이가능하다

.

기기의 오차는 라이다와 물체의 거리

50 m

를 기준으로

±6 mm

^정도를 ^나타내며

,

^후처리된^{지형모델링의}^경우

2 mm

정확도로 모델링이 가능하다

.

측정범위는 수평방향으로 ρ 1

2---^{c t} xy z

,

∆ ρ cosβ cosα ρ cosβ sinα

ρ sinβ

= =

그림

1.

^{시간차방식}

(Time of Flight)

(3)

0

^o

~360

^o

,

^{수직방향으로}

0

^o

~270

^o^의 ^스캐닝 ^범위와

1''

^의 ^분해

력을갖고 있다

.

표

1

은 본 연구에 사용된 지상라이다의제원을 나타낸 것 이다

.

3. 지상라이다 촬영 3.1 연구대상지 선정

연구대상지는

2007

년 여름에 발생한 폭우로 인해 붕괴된 사면을 수해복구한현장으로 그 중 사후관리가 필요한 사면

3

개를 선정하여주기적으로지상라이다촬영을 실시하였다

.

이 사면은

44

^번 ^국도상에 ^위치한 ^한계령^{휴게소에서} ^양양

까지의도로변에위치하며 그림

3

에 연구대상지의위치를나 타내었다

.

3.2 사면의 정보

모니터링 대상사면은총

3

개소로

1

구역

, 2

구역

, 3

구역으로 구분하여

2008

년

8

월부터

2009

년

4

월까지

9

개월 동안 각각

7

회에 걸쳐지상라이다촬영을 실시하였다

.

표

2

^는 ^모니터링 ^대상 ^사면의 ^특성을 ^나타낸 ^것이며

,

^그

림

4

는 각각의사면에 대한현장사진을나타낸 것이다

.

그림

2. ScanStation2

표

1. ScanStation2

^의^제원

구분 제원

제품명 Leica ScanStation2

스캐닝범위 최대 300 m , 최소 1 m

시계 수평 360^o, 수직 270^o

위치오차 6mm @ 50m

지형모델링정밀도 2 mm

데이터취득속도 50,000 point/sec 이상

분해력 1''

소프트웨어 Cyclone 5.8 이상

그림

3.

연구대상지위치선정

표

2.

사면변위모니터링대상지의세부정보

위치 내용

1구역

0+400, 1+200

과거붕괴발생

계곡부 1개소에본선 3개소가 S자형으로통과함 우기시유실발생우려

2구역

1+340 ^사면붕괴(슬라이딩) 발생후보강지역

최대절토고가 50 m에달하며우기시사면붕괴가능성 높음

3구역

5+660 ^절토부_{붕괴위험이}^{낙석방지망}_높아_{계측관리가}^부착부^붕적토층_요구됨^들뜸으로

그림

4.

^모니터링^대상^사면

(4)

3.3 기준점 및 표정점 설치

촬영이용이한지점을선정하여기준점을설치하고표정점 으로사용될 반사타겟을설치하였다

.

그림

5

는

1

구역의 기준점과표정점의 위치를 나타낸 것이 다

.

^동일한^방법으로

2

^구역과

3

^구역에 ^대해서도^기준점과^표

정점을설치하였다

.

3.4 지상라이다 촬영 및 자료획득

지상라이다가설치된위치는 모니터링대상사면의시작부

에서

1

구역의 경우 약

15 m, 2

구역의 경우 약

35 m, 3

구역

의 경우 약

10 m

떨어진 곳에 설치하였고

, 1''

간격으로 촬

영을실시하였다

.

각 구역의 촬영날짜와측점수는 표

3

^과 ^같으며 ^대상지 ^면

적이가장 작은

3

구역의 측점수가가장 적었다

.

지상라이다촬영 자료는

3

차원 포인트군으로구성되며

,

파

일은

ASCII

포맷이나

ScanStation2

전용 포맷인

IMP

로 저

장되고 파일은

X, Y, Z, COLOR

^등 ^{대상물체의}

3

^차원 ^정

보를담고 있다

.

그림

6, 7, 8

은 각각의 구역에 대해 촬영된

3

차원 정보를

나타낸것이다

.

그림

5.

^기준점과^표정점^설치

표

3.

^{지상라이다}^촬영

촬영 일자

1차 2008. 8. 8

2차 2008. 8. 25

3차 2008. 9. 10

4차 2008. 9. 19

5차 2008. 10. 10

6차 2008. 10. 26

7차 2009. 04. 28

측점수

1구역 5,658,954점-6,538,254점

2구역 5,658,954점-6,538,254점

3구역 1,580,108점-1,943,255점

그림

6. 1

^구역^{지상라이다}^촬영

그림

7. 2

그림

8. 3

(5)

3.5 자료처리

3

차원 포인트 정보는 사용자의 필요에 따라

IMP(Cyclone

전용포멧

), COE, ASCII(XYZ, SVY, PTS, PTX, TXT), DXF,

XML, DXF(AutoCAD)

등 다양한 포맷으로 자료를 변환할

수있다

.

본연구에서는촬영된

IMP

기본포멧을라이다 전용프로그

램인

Cyclone

에서 읽어들여 자료를처리하였다

.

우선적으로다른구역과 달리

1

구역의경우시야를확보하 기위해

2

^개의^{기준점에서}^촬영을^{실시하였음으로}

3

^차원^공간

상의상대적인위치정합에관련한레지스트레이션

(registration)

을수행하여스캐닝자료를 정합하였다

.

다음으로촬영당시불필요하게 촬영된 원하지않는데이터 를 제거하였다

.

^이러한 ^불필요한 ^점들을 ^노이즈

(Noise)

^라 ^하

는데 사람

,

장비

,

건물

,

차량 등을 예로 들 수 있다

.

본 연 구에서는대부분수목의 나뭇잎들이이에해당되었다

.

특히

1

구역의노이즈가가장 많게나타났다

.

마지막으로날짜별로촬영된 각각의영상에대해서좌표를 통일하기 위해 최초 촬영된 표정점의 상대좌표를 이용하여 나머지스캐닝 자료에 대해서레지스트레이션을 실시하였다

.

그 결과

2 mm

이하의정확도로 좌표등록을실시할 수 있었

다

.

4. 사면 모니터링 분석 4.1 점변위 계측 및 분석

3

개 구역에 대해서 각각 변위를 계측하기 위해 모니터링

대상사면에가상 기준점을설정한후

Cyclone

의 내장기능을

이용하여각각의 높이 값을 추적하여변위를 모니터링 하였 다

.

그결과

9

개월간

3

개소에대해서점변위가 없는것으로나 타났다

.

이러한 분석과정에서

2

구역의 경우 경사가 매우 급 해 가상 기준점 설정에 오류가 발생하기도 하였으며

,

^이 ^때

문에가상 기준점설정이 매우어려웠다

.

3

구역의 경우 낮은 초목이 많이 자라고 있어 가상 기준점

설정에많은 어려움이있었으며

,

계절변화에따른초목의 크 기 변화로인해 변위에 대한 편차가 다른구역에 비해 크게 나타났다

.

하지만

2

구역

, 3

구역의 반복된 가상 기준점 선정을 통해 최적의위치를선정할수 있었다

.

반면에

1

구역은 바위나들 어난 지표면으로구성되어 있어 큰 문제없이 변위를 모니터 링할 수 있었다

.

그림

9, 10, 11

은

3

개 구역에 대한 가상 기준점의 위치를

나타낸 것이며

,

표

4, 5, 6

은 가상 기준점의 변위를 나타낸

것이다

.

4.2 평가

2

차

3

차촬영결과를

1

차 촬영결과와비교한결과 초반에는 미세한 변위가 추적되었으나

4, 5, 6, 7

^차 ^촬영이 ^거듭되면

서 후반부로 갈수록 상대적 변위발생추이가 안정화되고 있 는것을 알 수있었다

.

지상라이다를 이용한최적의사면 모니터링을위한조건은 노이즈가 거의 없고

,

산림이나 초목이 거의 없는 바위나 암 반사면 등으로 구성된 사면이 모니터링 대상으로 최적일 것 으로 판단된다

.

단 산림이나 초목이 있는 사면의 경우 단위 면적당비지면을통과한지면포인트군이 일정한밀도이상 의 점군으로구성되어있을때는이러한사면도허용될수 있 을 것이다

.

그러나아직 지면의점군에대한밀도의한계를 지정한연 그림

9.

^가상^기준점

(1

^구역

)

그림

10.

^가상^기준점

(2

^구역

)

그림

11.

가상기준점

(3

구역

)

(6)

구가미흡함으로이에 대한후속연구가이루어져야 할것이 다

.

4.3 검증

그림

12

는

3

개소 중

1

구역에 대한 종단선형을 나타낸 것 으로해당 종단선형의위치에 대해서그림

13

과 같이

1

차와

7

^차에 ^대한 ^{종단선형을} ^{비교하였다}

.

^그 ^결과 ^종단의 ^변화가

없음을확인할수 있었다

.

뿐만아니라 토털스테이션을이용하여

2008

년

6

월부터

8

월

29

일까지

5

회에걸쳐 계측한결과를지상라이다자료와비교

한 결과 변위가없음을알 수 있었다

(

^그림

14).

즉

,

지상라이다는

3

개 유형의 사면에대해서각각 사면 모 니터링이 가능하며

,

이는위험관리사면에 대한붕괴를예측하 거나 관리에필요한기초의사결정자료를효과적으로생성할 수 있을 것으로판단된다

.

표

4. 1

^구역의^점변위

측점 Z 1차 2차 3차 4차 5차 6차 7차 편차

A1 38.066 0.000 -0.057 0.026 -0.029 -0.023 -0.026 -0.019 0.027

A2 30.486 0.000 -0.099 0.012 -0.099 -0.024 -0.026 -0.017 0.046

A3 30.312 0.000 -0.052 0.006 -0.087 -0.071 -0.074 -0.094 0.036

A4 27.144 0.000 -0.039 0.012 -0.081 -0.042 -0.038 -0.030 0.030

: : : : : : : : : :

A15 17.691 0.000 0.000 -0.036 0.020 -0.011 -0.015 -0.024 0.019

A16 14.675 0.000 -0.035 0.010 -0.095 -0.086 -0.083 -0.095 0.043

A17 7.384 0.000 -0.095 -0.071 -0.070 -0.069 -0.065 -0.052 0.014

A18 6.374 0.000 0.000 0.001 -0.012 -0.011 -0.015 -0.018 0.008

A19 6.487 0.000 -0.011 0.026 -0.008 -0.010 -0.011 -0.006 0.015

A20 6.408 0.000 -0.068 -0.095 -0.094 -0.096 -0.092 -0.068 0.014

사면전체평균변위(Z) -0.037 -0.008 -0.059 -0.043 -0.044 -0.042

표

5. 2

B1 52.370 0.000 0.029 0.001 0.025 0.012 0.008 0.006 0.011

B2 51.574 0.000 -0.027 -0.021 0.000 0.005 0.010 0.008 0.016

B3 51.653 0.000 -0.026 0.000 0.000 0.002 0.005 0.003 0.012

B4 51.776 0.000 -0.026 0.016 -0.021 -0.015 -0.011 -0.014 0.015

: : : : : : : : : :

B8 64.368 0.000 0.027 -0.013 0.015 0.011 0.015 0.012 0.013

B9 54.155 0.000 -0.005 -0.025 0.000 0.014 0.017 0.014 0.016

B10 9.857 0.000 -0.012 -0.027 -0.022 -0.016 -0.013 -0.018 0.006

B11 59.306 0.000 0.029 0.009 -0.024 -0.018 -0.014 -0.016 0.020

사면전체평균변위(Z) 0.002 -0.005 -0.004 -0.001 0.001 -0.001

표

6. 3

C1 24.955 0.000 0.050 0.092 0.097 0.095 0.078 0.056 0.021

C2 22.464 0.000 0.084 0.071 0.071 0.075 0.076 0.051 0.005

C3 21.869 0.000 0.097 0.038 0.086 0.087 0.088 0.059 0.023

C4 20.185 0.000 0.099 0.077 0.094 0.099 0.055 0.028 0.019

C5 14.339 0.000 0.000 0.092 0.083 0.085 0.078 0.039 0.038

C6 16.063 0.000 0.000 0.000 0.092 0.095 0.088 0.069 0.050

C7 3.37 0.000 0.044 0.050 0.044 0.045 0.029 0.017 0.008

C8 1.808 0.000 0.041 0.031 0.030 0.035 0.034 0.024 0.004

사면전체평균변위(Z) 0.052 0.056 0.075 0.077 0.066 0.043

(7)

5. 결 론

본 연구에서는과거 붕괴 발생 후 복구된 사면 중 사후관 리가필요한사면을대상으로시범적으로 지상라이다를이용 하여 변위를 모니터링 하였다

.

^그 ^결과 ^다음과 ^같은 ^결론을

얻을수 있었다

.

1)

각 사면에 대해서

7

회에 걸쳐 촬영한 결과 중

2

차

3

차

촬영결과를

1

차 촬영결과와비교한결과 초반에는미세 한 변위가 추적되었으나

4, 5, 6, 7

^차 ^촬영이 ^거듭되면

서 후반부로갈수록상대적변위발생추이가안정화되고 있는 것을 알수 있었다

.

2)

지상라이다의사면모니터링연구를통해서최적의사면 모니터링을 위한 조건은 노이즈가 거의 없고

,

^산림이나

초목이 거의없는 바위나암반사면등으로 구성된사면 이 모니터링대상으로 최적일것으로판단된다

.

단산림 이나 초목이있는 사면의경우 단위면적당비지면을통 과한 지면 포인트 군이 일정한 밀도 이상의 점군으로 구성되어있을때는 이러한사면도허용될 수 있을것이 다

.

그러나 아직지면의 점군에 대한밀도의 한계를 지 정한 연구가미흡함으로이에 대한후속 연구가이루어 져야 할 것이다

.

3)

기존의국내 연구성과를살펴보면실내 모형실험을 통

해서 이미지상라이다의 정확도에대한신뢰성이검증되 었다

.

본 연구에서도 현장적용 결과와 토탈스테이션 결

과를 비교 검토 분석한 결과 약 수

mm

에서

5 cm

이

하의 정확도로변위를모니터링 할수 있었다

.

4)

^{사면계측기술에} ^있어^{지상라이다의}^활용은 ^대부분 ^기존

연구가 실내모형 실험에국한되거나토공산정또는 절 취사면에국한되어있어 다양한환경 조건의사면에 대 한 연구가 미흡한 실정이었다

.

본 연구를 통해 다양한 사면의 현장적용 가능성을확인함으로써사면계측기술 의 다양한접근방법을 제시할수있을것으로기대되며

,

위험관리사면에 대한 붕괴를예측하거나관리에 필요한 기초의사결정자료를효과적으로제시할 수있을 것으로 판단된다

.

감사의 글

이 논문은

2008

^년도 ^{남서울대학교} ^{학술연구비지원에} ^의해

연구되었으며이에 감사를드립니다

.

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그림

12.

^종단선형^위치

그림

13.

^종단선형^위치 그림

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◎논문접수일 : 10년 07월 20일

◎심사의뢰일 : 10년 07월 27일

◎심사완료일 : 10년 11월 02일