Monitoring of the Natural Terrain Behavior Using the Terrestrial LiDAR

大 韓 土 木 學 會 論 文 集 第30卷 第2D 號·2010年 3月 pp. 191~198

測量 및 地形空間情報工學

지상라이다 자료를 이용한 자연사면의 변위 모니터링

Monitoring of the Natural Terrain Behavior Using the Terrestrial LiDAR

박재국*·이상윤**·양인태***·김동문****

Park, Jae Kook·Lee, Sang Yun·Yang, In Tae·Kim, Dong Moon

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Abstract

The displacement of slope is a key factor in predicting the risk of a landslide. Therefore, the slope displacement should be continuously observed with high accuracy. Recently, high-tech equipment such as optical fiber sensor, GPS, total station and measuring instrument have been used. However, such equipment is poorly used in fields due to economics, environment, con- venience and management. Because of this, development of substantial observational techniques for varied slope observation and field applications is needed. This study analyzed the possibility of terrestrial LiDAR for slope monitoring and suggested it as information-obtaining technique for slope investigation and management. For that, this study evaluated the monitoring accu- racy of terrestrial LiDAR and performed GRID analysis to read the displacement area with the naked eye. In addition, it sug- gested a methodology for slope monitoring.

Keywords : landslide, terrestrial lidar, monitoring, grid analysis, natural terrain

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요 지

사면의 변위는 산사태의 위험성을 예측할 수 있는 매우 중요한 인자이다. 따라서 사면의 변위는 지속적인 관측과 높은 정 밀도의 관측이 요구된다. 최근에는 사면관측을 위해서 광섬유센서, GPS, Total Station, 계측기 등의 첨단장비가 활용되고 있다. 그러나 이러한 관측 장비는 경제성, 환경성, 편리성과 유지관리 측면에서 장비의 제약으로 인해 실제 현장적용이 부진 한 상태이다. 그러므로 다양한 사면관측과 현장적용을 위해서는 실질적인 관측기술개발이 요구된다. 본 연구에서는 지상라이 다의 사면 모니터링에 대한 적용 가능성을 분석하고자 하였으며, 사면조사와 사면유지관리를 위한 정보획득 기술로 제시하고 자 하였다. 이를 위해서 본 연구에서는 지상라이다의 모니터링 정확도를 평가하였으며, 변위 발생 지역의 육안판독을 위한 그리드 분석을 실시하였다. 또한 사면 모니터링을 위한 방법론을 제시하였다.

핵심용어 : 산사태, 지상라이다, 모니터링, 격자형 분석, 자연사면

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1. 서 론

우리나라는 매년 되풀이 되는 여름철 집중호우와 태풍 등으 로 인해 많은 인명피해와 경제적 손실이 발생되고 있다. 특히 강원도 지역은 대부분 지역이 산지지형으로 되어 있어 집중호 우시 산사태에 취약하여 산사태가 빈번이 발생되고 있다.

따라서 산사태 발생의 위험성을 사전에 예측하고 재해를 방지하여 피해를 최소화하기 위해서는 지속적인 사면관리가 필요하다. 특히 수 mm의 지반거동을 모니터링하여 변위를 계측하는 하는 것은 산사태의 위험성을 예측하는 매우 중요 한 인자이다.

사면변위 관측기술은 외적인 사면의 초기 변위를 감지하여 낙석 및 산사태로 인한 피해를 사전에 예방할 수 있는 피해

저감기술로써, 계측기를 이용하는 방법, 공간정보를 활용하 는 방법, IT 기술을 활용하는 방법 등 다양한 방법이 있으 며, 관측 규모에 따라서 광역적인 지역과 국부적인 지역을 대상으로 관측을 수행할 수 있다.

구체적인 관측기술로는 광역적인 방법으로 항공라이다 (LiDAR), 간섭 SAR를 예로 들 수 있으며 국부적인 방법으 로는 광섬유센서, GPS, 무타깃 토탈스테이션, CCD 사진기 를 이용한 영상기반 모니터링 기술, 센서를 이용한 3축 변 위 감지 기술들을 예로 들 수 있다.

광역적인 방법은 사면을 관측하는데 있어 소요 정확도 확 보와 실시간 또는 주기적인 모니터링 능력 등의 제약조건에 따라 선택적으로 사용되고 있다.

국부적인 방법은 높은 정확도 확보와 주기적인 모니터링이

*정회원·교신저자·남서울대학교 지리정보공학과 교수 (E-mail : [email protected])

**(주)백율엔지니어링 대표이사·공학박사 (E-mail : [email protected])

***정회원·강원대학교 공과대학 토목공학과 교수 (E-mail : [email protected])

****정회원·남서울대학교 지리정보공학과 교수 (E-mail : [email protected])

가능하나 면적대비 경제성이 떨어지고 지속적이 유지관리가 필요하며 사용자의 분석 능력과 자료처리 소프트웨어의 신 뢰성에 따라 신뢰도가 평가되어 효율적인 사면관측에 있어 제약이 따르고 있다.

그러므로 효율적인 사면 관측을 위해서는 이러한 제약을 극복할 수 있는 첨단장비의 발굴과 신기술에 대한 연구가 요구되고 있다.

최근에는 수 mm 정밀도를 갖는 첨단장비가 개발되어 그 활용성에 대한 연구가 진행되고 있으며, 그 중 지상라이다를 이용한 첨단 측량기술에 대한 활용성이 검토되고 있다.

국외의 경우 사면관측기술에 지상라이다를 활용하고 있다.

낙석 예상지역과 산사태 발생지의 지형특성을 신속하고 정확 하게 추출하거나(Abellan 등, 2006; Van Den Eeckhaut 등, 2007), 산사태 발생지역의 토공량을 산정하는데 활용하고 있 다(Du 등, 2007). 특히 Du 등(2007)은 대규모 산사태 발생 지역에 대해서 토공량을 산정할 목적으로 지상라이다를 이 용하여 대상지역을 스캐닝하고 GPS를 이용하여 좌표체계를 등록한 후 관측자료로부터 DTM(Digital Terrain Model)을 생성하였다. 이후 산사태 발생전의 50m 등고선도와 비교하 여 토공량을 산정함으로써 신속하고 효율적인 토공량 산정 방법을 제시하였다.

Bitelli(2004) 는 지상라이다 측량과 사진측량을 통해서 시계 열로 산사태 발생지의 자료를 획득한 후 DSM(Digital Surface Model) 과 DTM을 생성하여 산사태 모니터링을 수 행함으로써 수 cm 지형변위를 검출하였다. 그러나 미세변위 에 대한 산사태 모니터링 적용 가능성과 정확도 평가에 대 한 연구결과는 제시되지 않았다.

국내의 연구동향을 살펴보면 이임평 등(2004)은 지상라이 다를 이용하여 건물의 정밀 모델링을 위한 3차원 좌표를 생 성하고 건물의 설계단면도와 토털스테이션에서 획득된 건물 의 외측길이를 측정하여 비교함으로써 건물의 정밀 모델링 을 위한 유효성을 확인하였으며, 지상라이다 측량을 통해서 3 차원 정보 구축에 대한 기존의 데이터 획득 방법인 항공라 이다의 정확도 개선을 위한 대안으로 제시하였다.

이홍민 등(2007)은 구조물의 변위계측에 있어 지상라이다 를 이용하여 구조물의 변위를 계측함으로써 구조물의 특정 한 점의 이동량은 물론 변형된 구조물의 형상을 표현하여 구조물의 합리적인 모니터링 평가방법으로 제시하였고 2mm 내, 외의 오차로 처짐량을 계측할 수 있음을 확인하였다.

박세훈 등(2009)은 지상라이다를 이용하여 댐의 변위를 관 측하는데 활용하였다. 그 결과 스캔성과와 설계단면과의 변 형 상태를 비교분석할 수 있었고, 댐체의 전체적인 거동을 분석하는데 유용할게 활용 될 수 있음을 확인하였다.

이재원·윤분열(2007)은 터널의 변위관측을 위해 지상라 이다를 이용하여 터널의 3차원 정보를 획득한 후 토털스테 이션을 이용한 측정기법과 비교·분석함으로써 토털스테이 션보다 능률적으로 관측값을 획득하고 신뢰성 있는 변위량 측정결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.

김인섭·윤분열(2007)은 지상라이다를 이용하여 터널의 내 공단면 측량시 토탈스테이션에 비해 75% 이상의 시간 단축 과 터널시공의 정밀도 향상에 기여할 수 있음을 확인하였고 공사비를 정확히 파악하는데 효과적임을 확인하였다.

특히 조형식 등(2008)은 지상라이다를 이용하여 터널의 내 공단면 측량시 타겟 좌표의 정확도가 1mm로 스캐닝 시 최 소 1.732mm에서 최대 13.416mm의 좌표차가 있음을 확인 하였고 RMSE는 6.843mm의 결과를 보여주었다.

이인수·강상구(2006)는 지상라이다를 이용한 현황측량을 통해서 실험결과 대상물의 선형 특징 추출의 가능성과 토털 스테이션 측량성과에 필적하는 위치결정 정확도를 얻을 수 있음을 확인하였다.

유창호 등(2006)은 소일네일링 공법으로 보강된 절토사면 을 대상으로 사면거동의 정확한 변위계측을 위해 지상라이 다와 토털스테이션을 이용하여 정밀 계측을 실시하였고, 그 결과 변위량에 대해서 두 장비의 계측결과가 동일한 결과값 을 보임에 따라 절토사면에 대한 사면거동계측에 있어 지상 라이다 장비의 활용 가능성을 보여주었다.

이와 같이 국내의 경우 지상라이다는 대부분 건물의 3차 원 매핑, 문화재의 3차원 복원, 구조물의 변위계측, 절토사면 의 사면거동계측 등 철근이나 콘크리트 또는 목조 구조물을 대상으로 활용되고 있다. 그러나 방재분야에 있어 지상라이 다를 이용하여 산사태 발생 전 수 mm의 미세변위 검출 가 능성과 모니터링 기법에 대한 연구는 초기단계에 있으며 특 히 자연사면에 대한 활용은 전무한 상태이다.

따라서 본 연구에서는 환경의 영향에 제약을 적게 받고 특정 위치가 아닌 대상물 전체의 형상을 획득할 수 있으며 항공용 라이다보다 더 조밀하고 정밀한 3차원 좌표를 생성 할 수 있는 지상라이다(Terrestrial LiDAR)를 이용하여 시범 사면을 측량함으로써 자연사면의 변위 모니터링에 대한 적 용가능성을 분석하고자 하였다.

2. 지상라이다의 개요

지상 LiDAR는 스캐닝 방식의 3차원 좌표 관측 장비로서 기존의 토털스테이션과 같은 1점 시준 방식을 탈피하여 관 측 대상물의 표면에 조밀한 간격으로 무수히 많은 레이더광 선을 주사하여 얻은 3차원 좌표 값을 이용해 대상물의 형태 를 직관적으로 취득하는 첨단 레이저 측량장비이다. 또한 토 털스테이션과 호환하여 대상물 전체의 3차원 좌표 취득을 통해 모델링하는 신 개념의 측량방법으로써 지상에 설치되 어 각종 현황측량, 문화재측량, 체적측량, 터널측량, 구조물 변위 계측 등에 활용된다.

2.1 지상라이다의 원리

지상라이다의 원리는 3D 레이저 스캐닝으로서 측량용 무 타깃 토털스테이션과 동일한 원리로 작동된다. 즉, 근적외선 또는 가기광선 파장대의 레이저를 송신하고 물체에 반사되 어 돌아오는 레이저를 수신하여 거리를 측정하고, 거리 측정 과 동시에 레이저 빔의 수평, 수직각을 정밀히 측정하여 이 를 3차원 좌표로 환산하는 것이다.

기존의 토털스테이션이 측정하고자 하는 특정한 점에 레이

저 빔의 각도를 조정하고 그 점을 측정하는데 반하여, 3D

레이저 스캐닝은 1초당 1,000~10,000 포인트 이상의 측정

속도를 가짐으로 측정하고자 하는 3차원 영역을 원하는 간

격으로 조밀하게 측정하고 컴퓨터상에서 원하는 특정점의 좌

표를 계산해내는 방식을 취하고 있다.

3D 레이저 스캐닝의 거리측정 방식은 삼각측량방식 (Triangulation Method) 과 시간차방식(Time of Flight)이 있 다. 삼각측량방식은 레이저를 대상물에 발사한 후 광전소자 (CCD) 에 맺히는 반사 빔의 위치를 삼각법으로 역산하여 위 치를 결정하는 방식이며, 시간차방식은 레이저를 대상물에 발사한 후 레이저가 반사되어 돌아오는 시간차를 계산하여 위치를 결정하는 방식으로 이 연구에 사용된 장비는 시간차 방식을 이용하여 위치를 결정한다. 기본 계산식은 식 (1)과 같고 원리는 그림 1과 같다.

, (1) 여기서, ρ는 거리이며 c는 빛의 속도, ∆t는 시간차이다.

구하고자하는 특정점의 좌표를 x, y, z하면 α는 수평각, β 수직각이다.

2.2 지상라이다를 이용한 정보획득

이 연구에 사용된 지상라이다는 지상에 라이다를 고정시켜 물체의 3차원 좌표를 획득 할 수 있다. 대상물체의 좌표 획 득은 대상물체와의 거리가 100m 이하일 경우 물체에 반사 되어 돌아오는 레이저 펄스의 에너지가 10% 이상이면 측정 이 가능하며, 300m 이하일 경우 물체에 반사되어 돌아오는 레이저 펄스의 에너지가 80% 이상이면 측정이 가능하다.

기기의 오차는 라이다와 물체와의 거리 50m를 기준으로

±6mm 정도를 나타내며, 수평방향으로 0

~360

, 수직방향으 로 0

~80

의 스캐닝 범위와 0.001

의 분해력을 갖고 있다.

레이저 펄스는 초당 8,000개에서 11,000개 발사되며 반사 되어 되돌아오는 시간과 거리를 자동으로 계산하여 물체의 3 차원 좌표를 획득하게 된다. 물체의 3차원 좌표는 라이다를

중심으로 상대좌표로 획득되며, 좌표값이 표준 ASCII 문자 형식으로 출력된다.

그림 1은 본 연구에 사용된 지상라이다를 사진으로 나타 낸 것이며, 표 1은 지상라이다의 제원을 나타낸 것이다.

3. 사면변위 모니터링 3.1 연구방법

그림 3의 연구흐름도와 같이 지상라이다의 사면변위 모니 터링을 위해 시범사면에 대해서 변위전과 인위적변위를 발 생한 변위후에 대해 각각 측량을 실시하였다. 다음으로 변위 전과 변위후에 대한 사면변위의 정량적 평가와 모니터링을 수행하기 위해 DEM을 생성하고 그리드 분석을 통해서 변 위발생에 대한 변화량과 가시화를 위한 심벌화 및 삼차원화 를 실시하였다.

3.2 시범지역 선정

지상라이다를 이용한 사면변위 모니터링을 수행하기 위해 서 강원대학교 내에 30

정도의 경사에 낮은 초목과 조경수 로 이루어져 있는 면적이 대략 63m

인 경사지를 시범지역 으로 선정하였다.

시범지역에 대한 변위측량을 위해서 6개의 장소를 선정하 ρ 1

2 ---c ∆t

=

x y z

ρ cos β cos α ρ cos β α sin

ρ β sin

=

그림 1. 시간차방식(Time of Flight)

그림 2. RIGLE LMS-Z390

표 1. 지상라이다(RIGLE LMS-Z390) 제원

Model RIGLE LMS-Z390

스캐닝 범위 최대 30 m , 최소 1m

시 계 수평 360

, 수직 80

선형에러 6 mm

데이터취득속도 Typical 11,000 px/sec, Max 8,000 px/sec 스캐닝 시간 0.01

/sec ~ 15

/sec

분해력 0.001

스캐닝 파장대역 근적외선

데이터인터페이스 Ethemet TCP/IP, 10/100 Mbit/sec

전력 12-28V DC( 스캐너)

그림 3. 연구흐름도

고, 그 지점에 대해 임의로 지형에 변화를 주었다. 또한 좌 표계를 통일하기 위해서 시범지역 내의 4곳에 표정점을 설 치하였다.

그림 4와 그림 5는 표정점의 위치와 강제로 지형의 변화 를 준 여섯 곳에 대한 위치와 유형을 그림으로 나타낸 것이

다. 그림 5에서 각각의 인위적변위는 다음과 같다.

①번은 5mm 두께의 스티로폼을 배치시켰다가 제거 후의 변위를 측량하기 위한 것이며, ②번은 58mm, 60mm, 20mm 두께의 다양한 크기로 자갈을 놓았다가 제거한 상태 이고 ③, ④번은 원래의 상태에서 각각 20mm, 30mm의 높 이로 성토한 것이다. ⑤, ⑥번은 원래의 상태에서 각각 100mm, 200mm 의 깊이로 절토한 것이다.

3.3 시범지역 측량 3.3.1 지상라이다 측량

시범지역에 대한 측량은 변위전 변위후로 나누어 각각 1mm 격자간격으로 레이저스캐닝을 수행하였다. 측량된 자료 는 측량작업과 동시에 장비와 연결된 노트북에 실시간으로 전달되며, 전달된 자료는 물체의 3차원 좌표로써 표준 텍스 트 문서의 형태로 출력된다.

그림 6은 이 연구에서 사용된 지상라이다 장비를 그림으 로 나타낸 것이며, 그림 7은 시범지역에 대한 지상라이다 측량 성과를 그림으로 나타낸 것이다.

표 2는 1mm 간격으로 대상지역을 관측하는데 소요된 측 량 시간과 측점수를 나타낸 것이다.

3.3.2 무 프리즘 토털스테이션 측량

무 프리즘 토털스테이션을 이용하여 시범지역의 기준점 측 량을 수행하였고 4점의 표정점에 대해서 좌표를 획득하였다.

표정점의 좌표획득은 지상라이다 자료의 상대좌표를 절대좌 표로 변경하여 공통된 좌표를 공유함으로써 두 성과를 상호 그림 4. 시범지역 설정

그림 5. 필드 설정

그림 6. 지상라이다 측량

그림 7. 지상라이다 측량 성과

표 2. 지상라이다 측량을 통해서 획득된 측점수

변위 측량내역 측점수 측량소요시간

변위전 1mm 격자간격 226,232 7 분

변위후 1mm 격자간격 207,009 7 분

비교할 수 있도록 하기 위한 것이다. 또한 표정점의 측량은 측량을 다시 수행할 때 항상 동일한 절대좌표와 성과를 얻 기 위한 것이다.

그림 8은 이 연구에 사용된 무 프리즘 토털스테이션 (5601) 을 그림으로 나타낸 것이며, 표 3은 제원을 나타낸 것 으로 최대 600m까지 무 타깃 측량이 가능하다.

3.4 지상라이다 자료처리 3.4.1 좌표변환

지상라이다 측량에서 획득된 3차원 좌표는 상대좌표이기 때문에 무 프리즘 토털스테이션에 의해서 획득된 표정점 좌 표를 이용하여 절대좌표로 변환하였다. 좌표변환에 사용된 소프트웨어는 지상라이다 전용 소프트웨어인 Leica의 Cycolon 5.8 버전을 사용하였다. 이 소프트웨어는 토털스테 이션에서 획득된 좌표를 입력하면 쉽게 좌표변환을 수행하 며 2mm 이하의 정확도로 좌표등록을 수행한다.

그림 9는 기계설치 지점과 시범사면과의 위치관계를 나타 낸 것이다.

표 4는 지상라이다 자료의 좌표변환을 수행하여 정확도를 분석한 것으로 X, Y, Z축의 표준편차, RMSE를 나타낸 것 으로 RMSE는 X방향으로 4mm, Y방향으로 4mm, Z방향으 로 3mm로 나타났다.

3.4.2 DEM 구축

지상라이다를 통해 획득된 3차원 좌표는 벡터 형태의 점 들로 이루어져 있다. 따라서 지반의 변위를 쉽고 정확하게 모니터링을 수행할 수 있도록 공간상에 나타난 연속적인 기 복변화를 수치적으로 표현할 수 있는 DEM을 제작하여 GIS

의 격자형(그리드) 분석을 통해 변위를 모니터링하였다.

지상라이다를 자료를 이용하여 DEM을 구축하기 위해 지 상라이다의 3차원 좌표로 표현된 점들을 이용하여 오차점(시 범지역 외각 지역의 고층건물, 차량, 도로와 같은 3차원 좌 표점)들을 제거한 후 DSM을 구축하였고, DSM에서 건물, 수목과 같은 대상물을 제거한 지형의 높이값 만으로 표현된 DEM 을 구축하였다.

이때 Microstation과 TerraScan을 이용하여 지표면과 식생 을 분류한 후 지표점만을 가지고 ArcGIS에서 DEM을 생성 하였다.

지표면과 식생의 분류과정은 특정 영역 내에 있는 관측점 의 높이값 중에서 최소값을 찾고, 그 찾은 최소값과 영역내 의 관측점의 높이를 비교하고 그 비교한 값이 특정 임계값 보다 클 경우, 그 관측점을 비지면점으로 분류하여 비지면점 을 점차적으로 제거하는 방식으로 지표면을 분류하였다.

이 연구에서는 지표면, 낮은 식생, 중간 식생으로 분류를 실시하였다. 그 결과 164,164점의 원시 자료점들로 부터 지 표면 79,576점, 낮은 식생 81,083점, 중간 식생 3,397점, 미분류 108점으로 분류되었다.

그림 10(c)는 지상라이다 자료를 이용하여 분류를 수행한 후 지표점만을 추출하여 그림으로 나타낸 것이며, 그림 11은 변위전·후의 지표점만을 이용하여 2mm 격자크기로 DEM 그림 8. 무 프리즘 토털스테이션 측량

표 3. 무 프리즘 토털스테이션 측량

모델명 Trimble 5601

측각 측량정확도 1

최소측량단위 0.1

정확도 거리

2m ~ 200m ±(3mm+3ppm) 200m ~ 600m ±(5mm+3ppm) 거

리 측 정

무 타 깃

Kodak gray 18% 최대 200m Kodak gray 90% 최대 600m 콘크리트 표면 200M ~ 300M

목 재 표 면 150M ~ 300M 금 속 표 면 150M ~ 200M 밝 은 암 석 150M ~ 250M 어 두 운 암 석 100M ~ 150M

그림 9. 관측점의 위치관계

표 4. 자상라이다 측량의 위치정확도

표정점 X(m) Y(m) Z(m)

1 +0.001 +0.002 -0.001

2 -0.004 +0.003 +0.004

3 -0.006 -0.005 +0.002

4 -0.003 -0.004 -0.004

STD 0.003 0.004 0.003

RMSE 0.004 0.004 0.003

을 제작하여 그림으로 나타낸 것이다. 3.4.3 변위발생 지역 추출

변위발생 지역에 대한 정보 추출은 그리드 연산자인 Local 연산자 중 산술연산자를 이용하여 변위전과 변위후의 DEM 을 빼는 방법으로 변위량을 추출하였다. 격자 기반의 산술연 산과정을 식으로 표현하면 다음과 같이 표현할 수 있다.

(2) 여기서, Z

: 개별 격자의 변위량

Z

(1) : 변위전 개별 격자의 높이 Z

(2) : 변위후 개별 격자의 높이

i : 라인의 수 j : 행의 수

그림 12는 식 (2)에 의해서 생성된 변위발생지역을 그림으 로 나타낸 것이다. 그림에서 인위적변위를 준 6개소가 잘 표 현되고 있으며 5와 6 지점의 절토시 발생한 토공을 좌측에 성토하였는데 5-1과 6-1 지점에 그 형상이 잘 나타나 있다.

또한 낮은 식생이 분포된 지역에 대해서는 변위가 발생하 지 않아 필터링이 적절하였던 것으로 판단된다. 그러나 중간 식생과 높은 식생의 경우 변위 가 검출되는 오류가 발생하 였다. 이는 식생대에 의해 가려진 음영지역 때문인 것으로 판단된다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해서는 장비의 설 치가 가능할 경우 여러 기준점에서 지상라이다를 설치하여 스캐닝 함으로써 해결이 가능할 것으로 판단된다.

4. 모니터링 분석 4.1 정확도 분석

그림 12의 5-1과 6-1을 제외한 인위적변위 발생지역 6개 소에 대해서 횡단면도를 작성하였으며, 6개소에 대해서 인위 적 변위에 대한 위치좌표와 지상라이다에서 검출된 평균 변

∆Z

= Z

( ) Z 1 –

( ) 2

그림 10. 지상라이다 데이터 분류

그림 11. 지상라이다 데이터의 DEM

그림 12. 변위지역 추출

그림 13. 변위지역 횡단면도

위값을 비교하여 오차를 계산하였다.

그 결과 인위적변위 발생지역에 대한 절토, 성토 구간을 잘 반영하고 있음을 확인할 수 있었으며, 오차는 1mm~10mm의 오차범위로 변위발생지역을 추출할 수 있었다.

따라서 사면변위 검출시 지상라이다를 이용한 모니터링기 법의 적용은 적절한 대응기술로 판단된다.

그림 13은 6개소의 변위지역에 대한 횡단면도를 그림으로 나타낸 것이며, 표 5는 지상라이다의 자료의 변위추출 정확 도를 나타낸 것이다.

4.2 3차원 가시화

3 차원 가시화를 통해서 사면정보를 육안으로 판독할 수 있 도록 변위전과 변위후에 대한 DEM을 이용하여 3차원으로 표현하였다. 그 결과 변위가 발생한 지역에 대한 위치를 쉽 게 확인할 수 있었다. 그림 14(a)와 14(b)는 변위전, 변위후 를 3차원으로 나타낸 것이며, 그림 14(c)는 변위후에 대해서 5 번, 6번 지점을 확대해서 그림으로 나타낸 것이다. .

그러나 미세변위 판독시 변위전과 변위후의 영상을 비교해 야 하는 번거로움과 육안 판독시 미세변위를 잘 못 판정할 경우가 발생 할 수 있다.

따라서, 본 연구에서는 그림 12의 변위추출 영상을 대상으 로 본 연구에서 정의한 식 (3)을 적용하여 영상강조를 실시 하였다.

그 결과 그림 15와 같이 변위 발생지역을 육안으로 쉽게 확인할 수 있었다.

(3) 여기서, Z

: 강조된 변위량

∆Z

: 개별 격자의 변위량

Int : 정수형 형태로 값을 변경하는 함수

5. 결 론

본 연구에서는 시범사면에 인위적으로 변위를 발생시킨 후, 지상라이다를 이용하여 변위전과 변위후에 대해서 각각 측량 을 수행하였다. 획득된 측량결과를 이용하여 전처리 과정을 거친 후 모니터링 결과를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 지상라이다를 자료를 이용하여 사면변위를 검출하기 위해 적용된 필터링 방법은 낮은 식생이 분포된 지역에 대해서 변위가 발생되지 않아 필터링이 적절하였던 것으로 판단 된다. 그러나 중간 식생과 높은 식생의 경우 변위가 검출 되는 오류가 발생하였다. 이는 식생대에 의해 가려진 음영 지역을 보간하는 과정에서 발생된 것으로 판단된다. 이러 한 문제점들을 해결하기 위해서는 장비의 설치가 가능할 경우 여러 기준점에서 지상라이다를 설치하여 스캐닝 함 으로써 해결이 가능할 것으로 판단된다. 즉, 음영지역이 발생하지 않도록 지상라이다를 설치하여 관측하는 것만이 자연사면의 변위를 정확히 모니터링 할 수 있을 것으로 판단된다.

2. 시범사면의 6개소에 대해서 인위적변위 발생 후 각각의 개별 변위의 초기값과 지상라이다에서 검출된 변위값을 비 교한 결과 1mm~10mm의 오차범위 내에서 변위를 검출 할 수 있었다. 이는 산사태 모니터링을 위한 소요정확도를 만족함으로써 향후 지상라이다의 산사태 모니터링 활용이 기대된다.

3. 3 차원 가시화 및 영상강조를 통해서 수치화된 변위량 뿐 만 아니라 미세변위 발생지역을 육안으로 쉽게 판독할 수 있었다.

4. 본 연구에서는 높이에 대한 변화를 중점으로 자연사면의 변위를 모니터링 하였다. 그러나 높이의 변화가 없이 변 위가 발생할 경우 반사 타겟의 설치를 고려하거나 더 넓 은 지역을 관측함으로써 이에 대한 해결이 가능할 것으 Z

= ( Int ( ∆Z

× 1000 ) )

표 5. 지상라이다 자료의 변위추출 정확도 분석 (단위:mm) 변위지역

(No) 인위적변위

( ∆Z1) 평균변위값

( ∆Z2) 오차

( ∆Z3)

No. 1 -5.0 -9.4 -4.4

No. 2 -20.0~-60.0 -24.0~-61.0 -4.0~-1.0

No. 3 +20.0 +14.0 +6.0

No. 4 +30.0 +33.0 +3.0

No. 5 -100.0 -110.0 -10.0

No. 6 -200.0 -190.0 -10.0

그림 14. 시범사면의 3차원 가시화

그림 15. 변위발생지역(4, 5, 6)의 3차원 가시화

로 판단된다. 따라서 이에 대한 후속연구가 이루어져야 할 것이다.

감사의 글

본 연구는 건설교통부 지역기술혁신 사업(강원권역)의 연 구비지원(05지역특성 B02-01)에 의해 수행되었습니다.

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( 접수일: 2007.10.1/심사일: 2007.11.13/심사완료일: 2010.1.22)