http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2015.24.5.291 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
지질특성 관측용 센서를 이용한 산사태 모니터링 기법 현황
채병곤+·송영석·최정해·김경수
The Current Methods of Landslide Monitoring Using Observation Sensors for Geologic Property
Byung-Gon Chae+, Young-Suk Song, Junghae Choi, and Kyeong-Su Kim
Abstract
There are many landslides occurred by typhoons and intense rainfall during the summer seasons in Korea. To predict a landslide trig- gering it is important to understand mechanisms and potential areas of landslides by the geological approaches. However, recent climate changes make difficult to predict landslide based on only conventional prediction methods. Therefore, the importance of a real-time monitoring of landslide using various sensors is emphasized in recent. Many researchers have studied monitoring techniques of land- slides and suggested several monitoring systems which can be applicable to the natural terrain. Most sensors of landslide monitoring measure slope displacement, hydrogeologic properties of soils and rocks, changes of stress in soil and rock fractures, and rainfall amount and intensity. The measured values of each sensor are transmitted to a monitoring server in real-time. The ultimate goal of landslide monitoring is to warn landslide occurrence in advance and to reduce damages induced by landslides. This study introduces the current situation of landslide monitoring techniques in each country.
Keywords: Landslide monitoring, Real-time, Sensors, Monitoring system, Natural terrain
1. 서 론
전 지구적인 기후변화와 관련하여 우리나라는 매년 한반도 주 변을 통과하는 태풍이나 수 일 간의 집중호우로 인해 하절기 동 안 많은 산사태재해가 발생하고 있다. 특히, 2011년 서울 우면 산 산사태, 춘천펜션 산사태 등은 지금까지 우리 사회에 큰 상 처를 남기고 있는 주요한 산사태재해이며, 이 외에도 전국 도시 와 산지에서 대형 산사태가 동시다발적으로 발생하여 국민 안 전과 재산의 막대한 피해가 발생하고 있다. 소방방재청(2008) 통계에 의하면 최근 10년간 산사태로 인해 국내 연평균 사망자 는 약 32명에 이르며, 이는 전체 자연재해로 인한 사망자의 27.8% 에 이르는 큰 피해에 해당한다. 단일 유형의 재해가 전체 자연재해 사망자의 약 30%에 이르는 피해를 발생시키는 것은
상당히 심각한 재해의 유형이라 할 수 있다. 한편, 피해복구비 는 연평균 1,379억원(통계청 e-나라지표)으로서, 최근의 집중강 우에 따른 산사태 발생빈도 증가로 인해 피해규모가 급격히 늘 어나고 있는 추세이다.
우리나라와 같이 강우에 의해 산사태가 주로 발생하는 경우 산사태의 탐지 또는 조기경보는 실시간 산사태 모니터링을 수 행하는 것이 가장 효율적인 방법이다. 기후변화에 영향을 받는 대부분의 국가에서는 국가별 기술력 정도에 관계없이 사회기반 시설과 주민들이 산사태, 토석류 및 낙석 등과 같은 지질재해에 항상 노출되어 있으며, 해마다 반복적으로 발생하는 산사태 피 해를 저감하고자 하는 노력의 일환으로 산사태 모니터링 기술 의 개발이 이루어지고 있다. 특히 유럽에서는 다국적 산사태 공 동 프로젝트 수행(Landslide-Risks/European project, SafeLand) 을 통하여 산사태 감지기술, 모니터링 기술 고도화 및 예경보 통합시스템 구축을 통한 안전한 국가와 국민보호에 힘쓰고 있 다. 획기적인 산사태 지도제작 기술 개발 및 모니터링 기술 개 발은 산사태 위험지역의 산사태 위험성 평가 및 예경보시스템 설계방법을 개선할 수 있으므로, 지난 수년간 다양한 모니터링 기술 개발이 이루어졌다. 산사태 모니터링은 다양한 시스템 구 축 및 기술을 통해 가능하다(Fig. 1). 유럽의 경우, 이러한 산사 태 모니터링을 위한 기술과 계측장비들은 원격탐사, 위성기술, 사진측량기술, 측지학적 관측기술, 지반공학적 또는 물리적 탐
한국지질자원연구원 지질재해연구실(Geologic Hazards Department,Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM)) KIGAM, 124 Gwahangno, Yuseong-gu, Daejeon 34132, Korea
+Corresponding author: bgchae@kigam.re.kr (Received: Aug. 18, 2015, Accepted: Sep. 18, 2015)
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사기술 등으로 분류된다. 정밀한 모니터링 시스템 개발과 계측 장비와 계측에 사용되는 방법의 선택은 사면안정성 평가에 영 향을 미치는 변형의 형태에 따라 달리 적용한다. 일반적인 모니 터링 전략은 지상 및 원격탐사 기술개발, 과거 산사태 연구결과 를 토대로 하고 있다. 현재 가장 많이 활용되는 방법은 다중규 모 분석을 통한 다양한 산사태 관측기술이며, 동역학적 특성(변 위, 변형, 지형학적 변화 등), 수문기상학적 특성(간극수압, 기상, 수리화학), 지진학적 특성에 대한 변수들을 모니터링하는 것으 로 구분된다. 산사태 동력학 모니터링은 시공간적 해상도를 속 도의 함수로써 표현하는 기술이다. 일반적으로 태키오미트리 (Tacheometry), 지상 레이저스캐너(Terrestrial Laser Scanning), 지상 합성개구레이더(GB-SAR), GPS를 사용한다. 또한 지하수 위계, 간극수압계, 경사계, 인장계 등을 사용하여 사면의 활동면 거동을 관찰하기도 한다. 모니터링 방법을 요약하면, 산사태 신 속감지 기술, 산사태 발생 및 산사태 규모에 대한 정보 특성화, 사면지형 변화감지 및 변화지점에 대한 반자동적 이미지 프로 세싱을 통한 신속 지도제작, 시계열적 분석방법을 이용한 사면 변형 모니터링, 발생형태의 지속적 자료 수집을 통한 장기적 모 니터링 수행 등이다. 이 논문에서는 다양한 센서와 계측장치를 이용한 산사태 모니터링 기술의 현황을 설명하고, 센서를 이용 한 산사태재해 저감을 위한 향후의 발전방안을 모색하는 기반 을 구축하고자 한다.
2. 각종 센서를 이용한 산사태 모니터링 기술
산사태 모니터링에 대해 전통적인 측지기술에서 고성능 레이 저나 전파탐지기 등을 통해 다양한 분야의 전문기술이 적용되 고 있다. 전통적인 지반공학적 적용사례들에 의한 신축계, 경사 계, 하중계, 지하수위계 및 광섬유 센서를 통한 지반계측센서의 활용성이 있다. 최근에는 표적의 현재 위치를 정밀히 관측할 수
있는 GPS와 토탈스테이션을 통한 모니터링 기술이 발전했고, 지상 라이다(LiDAR)를 이용하거나 휴대용 디지털카메라를 통 한 이미지 분석기술 등이 사용되고 있다. 전통적으로 사용되고 있는 지상 산사태 모니터링 기술은 아래와 같다.
2.1 지반계측 센서를 이용한 모니터링
신축계는 벼랑이나 지표면의 인장균열을 사이에 두고 설치하 기도 하고 또는 하부에서 압축변형이 발생하는 위치에 사면활 동 조사 측선을 따라 운동방향에 평행하게 설치한다. 신축계는 인장균열 등을 사이에 두고 보통은 20 m 이내의 간격으로 고정 말뚝에 설치하고 이것과 이동 말뚝과의 사이에 선팽창계수가 극 히 작은 인바선을 일정한 장력으로 붙여 사면계측에 이용한다.
그러나 사면활동 지역에서도 운동의 조짐이 불확실한 경우에는 어떤 한정된 두 점간의 상대 변위량 계측이기 때문에 설치위치 를 선정하는 것이 곤란한 경우가 많고, 강선이 기후특성, 동식 물의 활동, 인간의 활동 등에 의해 영향을 받는 경우가 있기 때 문에 위치 선정에 관해서는 신중한 검토가 요구된다.
경사계는 지반내의 수평변위의 발생방향, 크기, 속도 등을 측 정하는데 이용되며, 측정된 변위를 설계치와 비교하여 구조물의 안정성을 검토하고 운동의 징후가 뚜렷하지 않은 사면의 갑작 스런 붕괴 가능성이 있는 지역에 설치된다.
하중계는 지주(strut) 및 어스앵커(earth anchor)에 작용하는 인 장력 및 압축력을 측정하여 공사 중이나 완료 후 구조물 또는 지반의 변형을 측정하는데 이용되는데 하중계에는 진동현식, 전 기저항식, 수압식 등이 있다.
강우 등에 의한 지층 내 침투수는 흙이나 암반 자체의 강도 를 저하시켜 사면 붕괴를 초래하는 가장 큰 요소이기 때문에 지 하수위의 계측은 중요하다. 지하수위의 계측에는 수동형 지하수 위계와 자동형 지하수위계로 크게 분류할 수 있는데 장기간에 걸쳐 경제적인 계측을 위해서는 자동형 지하수위계인 전기식 수 압계를 이용한다.
간극수압계는 추정되는 활동면에 매설하여 지반에 작용하는 간극수압을 측정하기 위한 것으로서, 장기적으로 안정성이 뛰어 나며 비교적 정확한 측정이 가능하다는 것이 특징이다. 간극수 압계는 측정원리에 따라 개방식, 유압식, 공기압축식, 진동형식, 전기식으로 분류할 수 있으며, 일반적으로 계측 관리시에는 전 기식 간극수압계가 이용된다.
광섬유 센서는 극히 미세한 변동에도 감지 능력이 탁월하여 산사태 발생을 조기에 탐지할 수 있는 장점을 가지고 있기 때 문에 산사태 위험지역에 광섬유 센서를 설치하여 산사태 발생 초기에 발생여부를 감지하는데 이용된다. 그러나 산사태 위험지 역이 광범위하고 다수이기 때문에 고가의 광섬유 센서를 설치 하는데 많은 비용이 소요되는 이유로 최근 우리나라에서는 연 구는 이루어지고 있으나 실용화에는 어려움이 따르고 있다. 현 재 산사태 모니터링에 이용되고 있는 광섬유 센서는 FBG 센서, Fig. 1. Techniques of landslide monitoring using various sensors and
equipments .
분포형 광섬유 센서(OTDR, BOTDR, TOTDR), MDM 시스템 으로 분류할 수 있다.
2.2 GPS를 이용한 모니터링
GPS 는 미 국방성에 의해 개발된 것으로 전 세계 어느 곳에서 든 24시간 위성으로부터 데이터를 수신하여 관측점의 3차원 좌 표를 결정할 수 있는 체계이다. 처음에는 군사목적과 항법을 위 해 개발되었지만, 수 mm의 높은 정확도를 가지며 장거리 측량 이 가능하고 기상의 영향을 받지 않아 경제적이고 효율성이 좋 다. 이러한 강점에 의하여 구조물 및 지반 사면의 거동을 모니 터링 하는 것이 가능하며, 사면붕괴 또는 산사태 예측과 측지지 술의 발전에 힘입어 측지·측량분야, 지도제작 등 각종 분야에 서 활용되고 있다. GPS를 이용한 변위측정은 특정한 점에서의 변위를 관측하고 있어 전체 사면의 자동계측을 위한 설치비용 부담과 지속적인 유지, 관리의 어려움으로 현장적용이 어려운 실정이며, 수평방향으로 ±1 cm, 수직방향으로 ±2 cm의 정밀도 를 갖고 있어 비교적 예민한 거동을 보이는 수 mm 산사태 변 위 계측에 한계를 갖고 있다.
2.3 토털스테이션을 이용한 모니터링
토털스테이션은 전자식 데오돌라이트(theodolite)가 갖고 있는 각 측정 기능과 전자파거리 측정기가 갖고 있는 거리측정 기능 을 동시에 갖고 있으며, 측정거리는 일반적으로 약 3~5 km 정도 이고 정확도는 약 2 mm+2 ppm 정도이다. 토털스테이션은 컴퓨 터 시스템과 간단한 소프트웨어가 내장되어 있어 각과 거리가 측 정되는 즉시 측점에 대한 좌표계산 등이 가능하다. 또한 토털스 테이션은 입력 자료를 포함한 모든 자료가 메모리 카드와 같은 저장장치나 내장된 기억장치에 보관되어 주 컴퓨터에 의한 추가 적인 계산에 활용이 가능하다. 최근에는 토털스테이션의 기능을 확장하여 레이저 스캐닝 기능을 포함한 무 프리즘 토털스테이션 이 활용되고 있다. 토털스테이션은 반사프리즘을 사용하는 토털 스테이션과 무 프리즘을 사용하는 토털스테이션 그리고 레이저 스캐닝 기능을 가진 토털스테이션으로 분류할 수가 있다. 반사 프리즘이 도달할 수 있는 범위로 측량범위가 한정된 반사프리즘 토털스테이션과 달리 무 프리즘 토털스테이션은 프리즘 없이 대 상물을 직접 시준하여 거리를 측정하는 것이 가능하며 대상물의 형상이나 접근하기 곤란한 환경에서도 활용이 가능한 장점이 있 다. 이동성, 신속성, 호환성, 경제성 등에 있어 그 효율성이 인정 되고 있으나, 변위측정을 위해 동일 지점을 지속적으로 측정하기 위해 많은 타겟의 설치와 유실에 대한 부담을 안고 있으며, 사용 자의 숙련도에 따라 정확도에 차이를 나타내고 있다.
2.4 지상 LiDAR를 이용한 모니터링
LiDAR(Light Detection And Ranging) 시스템은 레이저 펄스
를 주사하여 반사된 레이저 펄스의 도달시간을 측정함으로써 반 사지점의 공간 위치 좌표를 계산해 내어 3차원의 정보를 추출 하는 측량기법이다. LiDAR는 항공라이다와 지상라이다의 두 종 류가 있는데, 항공 라이다 측량은 GPS의 기술이 도입된 1980 년대 후반부터 본격적인 개발이 시작되어 1990년대 중반에 상 용화된 제품이 출시되었다. 상용화된 제품 출시 이후 장비 성능 과 측량 정확도의 향상, 자료처리 활용 등을 위한 꾸준한 기술 개발로 인하여 현재 고밀도/고정확도의 수치표고자료 획득에 항 공레이저측량 기술이 활용되고 있다. 특히 지상 LiDAR는 스캐 닝 방식의 3차원 좌표 관측 장비로서 기존의 토털스테이션과 같 은 1점 시준 방식을 탈피하여 관측 대상물의 표면에 조밀한 간 격으로 무수히 많은 레이저 광선을 주사하여 얻은 3차원 좌표 값을 이용해 대상물의 형태를 직관적으로 취득하는 첨단 레이 저 측량장비이다. 또한 토털스테이션과 호환하여 대상물 전체의 3차원 좌표 취득을 통해 모델링하는 신 개념의 측량방법으로써 지상에 설치되어 각종 현황측량, 문화재측량, 체적측량, 터널측 량, 구조물 변위 계측 등에 활용된다.
3. 국내외 산사태 모니터링 기술
3.1 유럽권 국가의 모니터링 기술
이탈리아는 전통적으로 산사태가 빈발하는 자연조건 하에서
산사태에 대한 많은 연구가 이루어 졌다. 이탈리아는 지상에 다
양한 센서를 설치한 지상관측 외에도 최근에는 자국의 활발한
인공위성 연구를 기반으로 공중관측 기술이 매우 크게 발달하
였다. 특히, 개구합성레이더(SAR) 인공위성을 이용한 산사태 모
니터링을 최근 집중적으로 연구하고 있다. InSAR 기법을 이용
한 지표변위 탐지는 첫 번째와 두 번째 SAR 영상 획득 사이에
발생한 변위에 의한 위상 변화를 관측하여 지표의 움직임을 밀
리미터~센티미터 스케일에서 관측하는 기술이다. 국내 지역과
같이 산림으로 피복된 지역의 자료처리에는 제한적으로 작동한
다. 즉 최적의 자료를 이용한 경우를 제외하고는 자료의 특징,
연구지역의 특징, 관측 변위의 특징 등을 고려하여, 적합한 자
료처리 수행을 하여야만 유의한 결과를 구할 수 있다. 다중시기
SAR 영상을 이용한 정밀 지표변위를 관측하기 위한 시계열 분
석 기법 중 지표의 고정 산란체(permanent scatterer)를 이용한
PS 간섭 기법(Permanent Scatterer Interferometric SAR, PSInSAR)
은 1990년대 말 이탈리아 POLITECNICO DIMILANO에서 개
발된 알고리즘이다. PSInSAR 기법에서 사용하는 PS란 영상에
서 한 화소 내에서 우세한 반사 강도를 제공하는 산란체(아래
그림의 적색 화소)가 있을 경우 위상관측의 정밀도는 높아지는
데, 이러한 화소를 고정 산란체라 한다. 최근에 TRE 그룹은 기
존의 고정 산란체를 이용한 PSInSAR 기술을 한층 개선하여, 고
정 산란체 뿐만 아니라 분포 산란체(DS, 아래 그림에서 하늘색
화소)에서도 매우 정확한 지표 변위 정보를 추출하는 새로운 SqueeSAR 기술을 발표하였다(Fig. 2) [1].
또한, 동일한 SAR 자료를 이용하여 이탈리아의 산간 지역의 변위 분석을 PSInSAR와 SqueeSAR 기법을 적용하여 수행한 결 과에서와 같이, SqueeSAR는 기존의 PSInSAR보다 관측점의 밀 도가 비약적으로 증가함에 따라 국지적으로 발생하는 변위에 대 한 정밀 분석이 가능하게 되었다.
스위스의 산사태 모니터링 시스템은 유럽에서 사용되는 모니 터링 시스템을 동일하게 적용된다. 다만 알프스 지역의 환경으 로 인해 암석사태가 광범위하게 발생하기 때문에 GPS, TLS, 레 이더 간섭계(산사태 거동측정 및 위해도 작성 InSAR, 변위모니 터링 IPTA) 등을 이용한 산사태 모니터링 시스템과 광섬유센서 를 이용한 암반사면의 변형계측 모니터링 등을 사용한다. 이러 한 방법들은 높은 정밀도와 광범위하게 적용 가능한 방법이다.
하지만, 실시간 모니터링의 한계점이 분명하고, 산지가 초목과 눈으로 덮인 경우 정확한 측정방법에는 많은 선행보정작업이 필 요하다. 마이크로 변형 해상도를 가진 광섬유 변형센서는 산사 태 실측지반을 모니터링 하는 기술이다. Fig. 3은 섬유 브래거 격자 센서(fiber Bragg grating sensor)를 기반으로 한 광섬유 센 서 기반의 산사태 모니터링 시스템의 위치를 나타내는 것으로 서, 스위스 란다암반사태연구실(Randa Rockslide Laboratory)에 설치된 시스템이다. 시추공을 통한 타설형과 표면 인장계를 통 한 두 가지 센서가 설치된다[2]. 이 시스템은 전통적 방법에 의 한 센서와 광섬유센서를 통한 모니터링 방법에 대한 높은 신뢰 도를 보유하고 있으나, 적용시 열전달과 온도보정 등을 통해 각 기 센서의 차이를 보일 수 있다.
지난 10년 동안 유럽국가에서는 산사태 거동을 이해하거나 위해저감기술 개발과 위험지 사전피해 감지 등의 연구를 수행 하고자 산사태 모니터링 기술에 많은 노력을 기울였다. 특히 자 동적인 센서의 감지기능 및 고도화와 지속적인 지반변위의 측 정이 중요한 관심대상이었으며, 와어어센서형 침하계(wire extensometer)는 이들 가운데 하나이다. 지중변위계는 지반표면 이나 시추공내에 설치할 수 있다. 변위계는 두 점 사이에서 발 생하는 변위를 측정하는 것으로 하나는 사면의 안정부에 고정 시키고 다른 하나는 산사태 내부 또는 사면의 움직임이 발생하
는 저면에 설치하는 것이 특징이며, 표면에서는 작은 변위가 관 측되고 시추공 내에서는 큰 변위가 발생되는 것이 일반적이다.
시추공 내 상부에서 하부로 변위는 지하수위의 변화와 경사계 에서 측정된 변위를 비교 분석할 수 있다. 시추공 내 와이어센 서형 지중변위계(borehole wire extenso-metry)는 저비용 고효율 을 고려한 다양한 활용성 측면에서 산사태 모니터링에 적합한 것으로 발표되었다[3]. 스페인 산사태 연구팀에서 개발된 시추 공 내 와이어센서형 지중변위계는 Fig. 4와 같다. 그림에서 보 는 바와 같이 중앙부에는 앵커로 고정한 후 도르래, 눈금판 및 전위차계를 설치함으로써 지중변위를 측정하고자 하였다. 산사 태 모니터링에 대한 주요 개선사항은 지중변위계로부터 변위의 측정이다. 움직임에 대한 일반적인 경향성이 밝혀지지 않는 경 우 산사태를 해석하기 어려운데, 이는 지중변위계의 변위와 산 사태의 변위 사이에 직접적인 관계식이 성립하지 않기 때문이 다. 시추공 직경, 산사태 발생 메카니즘, 파괴면의 각도, 전단활 동면의 두께와 존재여부 등에 따라 전체의 산사태 변위가 달라 지기 때문이다. 와이어센서형 지중변위계를 통한 산사태 변위 측정은 전체적인 부분에 대한 것으로, 수직과 수평방향 움직임 을 분리하여 감지할 수 없으며 또한 다양한 사면 파괴활동면의 존재를 확인할 수 없다는 단점이 있다. 예를 들어, 얕은 심도의 산사태가 단일 파괴활동면을 가질 때 지표의 산사태 변위와 와 이어 변위 사이에는 분석 가능한 방정식이 도출될 수 있는데, 시추공 길이를 짧게 하고, 누적 산사태 변위가 시추공 지름보다 작은 경우, 각 방정식은 시추공 케이싱에 와이어가 접촉한 형태 로 단계별 특성화할 수 있으며, 작은 변화에 대해 부(-)의 변위 를 나타낼 수 있다. 산사태의 누적 변위가 큰 경우, 와이어는 시 추공을 당기게 되고 이로 인해 와이어 변위가 발생하게 된다.
일반적으로 산사태 변위는 사면의 파괴활동면의 두께보다 훨씬 큰 값을 가지며, 지표변위와 와이어센서형 지중변위계 사이에서 발생되는 변위속도는 일치하게 된다.
프랑스 정부 산하 산사태 연구팀의 주된 산사태 모니터링 현 장은 프랑스 남부 알프스 지방 Super-Sauze 산사태 현장이다.
이 곳에 적용된 산사태 모니터링 시스템은 저비용 지상광학이 미지의 보정방법을 통한 활동사면의 변위를 모니터링하는 방법 이 사용되었다[4]. 2008∼2009년에 걸쳐 2년간 산사태 이동성 과 관련된 이미지를 취득하기 위하여 프랑스 남부 산사태 발생 현장에 위치한 안정지대에 고해상도 광학카메라를 설치하였다.
Fig. 2. Concept of landslide monitoring using a SAR satellite
Fig. 3. Landslide monitoring system at Randa, Switzerland and the
measurement data of the landslide
이를 통해 보정방법을 거쳐 시간과 공간의 함수로써 산사태 이 방성 변위장을 이차원으로 계산하였다. 이때 GPS을 통한 관측 은 참고용으로 사용되었다. 이러한 이미지 분석기술은 이미지 간 오차를 포함한 기상학적 조건, 명암 및 지상 조건 등에 대해 제한적으로 사용될 수 있다. 또한 카메라의 미세한 움직임과 DEM의 사용은 변위장 보정문제에 영향을 미칠 수 있다. 하지 만 이러한 방법이 일반화되고 자동화 기능이 추가된다면, 조기 경보시스템에 있어 응용분야에 활용될 수 있을 것이다.
3.2 미국의 모니터링 기술
미국에서는 미국지질조사소(USGS)에서 산사태 발생 위험 높 은 광범위한 지역에 대해서 실시간 모니터링을 실시하고 있으 며, 모니터링 대상지역은 서부지역이 14개소에 해당한다. 그리 고 모니터링 방법은 지역에 따라 다양하게 실시하고 있다. 남부 캘리포니아 지역의 경우 겨울 강우에 의해 토석류 발생 위험성 이 높은 지역에 해당하여 토석류의 감지, 크기 및 속도를 측정 하는 센서를 설치하여 운영한다. 콜로라도의 경우는 여름 폭풍 우로 인해 경사가 급한 깊은 계곡들이 쉽게 무너져서 토석류가 발생하기 때문에 이런 지역은 토석류가 시작되는 단계를 장기 간 모니터링 하는 장비를 운영한다. 태평양 연안지역은 겨울 폭 풍과 해일 등의 영향으로 복합적인 산사태가 발생하는데, 이러 한 지역은 실시간으로 강우량, 토층 함수비 등을 측정하여 산사 태가 발생하는 시점을 모니터링하고 있다.
미국의 포틀랜드, 오레곤, 샌프란시스코 만 등에서는 토양 함 수비가 산사태를 유발하는 주요인자로 파악되고 있으므로, 강우 량과 토양의 간극수압을 측정하여 실제 변위와 비교한 자료로 서 토양 간극수압을 심도별로 측정하였다. 얕은 센서의 경우 강 우량이 적어도 간극수압이 빨리 증가하지만, 깊은 지점은 누적 강우가 훨씬 더 많아 져야 증가한다. 깊은 지점에 설치한 센서 에서 거의 포화상태를 알려주는 시점에 실제 사면의 움직임이 시작되고 있다. 이처럼 각 지역별로 모니터링 자료를 축적하여 그 지역에 적합한 모델을 개발하고 이를 이용하여 향후 조기경 보 시스템의 기반자료로 사용하고 있다. 미국의 캘리포니아주에 위치한 시에라네바다 산맥의 일부인 요세미티 국립공원에서 2006 년에 산사태가 발생하여 수 천톤의 암석이 무너져 고속도
로를 덮치는 사고가 발생하였다. 고속도로는 92일 이후에 반대 편 사면으로 임시 개통하였지만 본 사면의 상부는 계속적으로 위협이 되고 있는 상황이었다. 미국지질조사소에서는 다른 기관 들과 협력 하에 신속하고 계속적으로 감시할 수 있는 실시간 모 니터링 시스템을 사면 상부에 실시하였다. 이를 위해 ‘spider unit’ 이라 불리는 활화산 지역에서 사용되던 원격 모니터링 장 비를 설치하였으며, 본 장비는 고해상도의 GPS를 탑재하고 있 어 사면의 작은 변위도 측정이 가능하다. 본 장비에서 측정되는 원격탐사 자료는 무선신호을 기반으로 미국지질조사소로 전송 되며, 산사태의 모니터링 자료는 지질학자, 지질공학자, 미국산 림청, 국립공원관리처, 캘리포니아 주에 인터넷을 통해 실시간 으로 전송된다(Fig. 5).
3.3 아시아 국가의 모니터링 기술
대만은 국가재해저감과학기술센터(NCDR)의 주관으로 산사 태 재해저감을 위해 전국을 485개 토석류 하천의 권역으로 구 분하고 위험등급을 부여하여 관리하고 있다. 그리고 위험성 평 가를 위해 전국을 대상으로 산사태 DB 구축과 산사태 발생가 능성 평가시스템을 완성하였으며, 고위험 산사태 지역 중 13개 소를 대상으로 토석류 산사태 모니터링 스테이션 및 시스템을 구축하여 실시간으로 산사태 발생을 관찰하고 있다. 또한 이동 식 산사태 모니터링 스테이션을 개발하여 13개 지역외 고위험 산사태 지역에 대한 모니터링을 실시하고 있다. Fig. 6는 대만 에서 운영되고 있는 13개 토석류 산사태 모니터링 스테이션의 분포를 나타낸 것이다.
토석류 산사태 모니터링 스테이션은 주로 현장의 자료수집을 Fig. 4. Schematic description of a borehole wire extensometry and a
photograph of its installation in the field
Fig. 5. Concept of landslide monitoring and data transmission in the
USA
위한 긴급 모니터링과 토석류 산사태에 대한 정보 및 경보에 대 한 정확도를 향상시키기 위하여 활용되며, 이러한 시스템은 경 보발령을 위한 전체적인 정보를 실시간으로 제공한다. Fig. 7은 토석류 산사태 모니터링 센서를 나타내는 것으로서, 각 모니터 링 스테이션에 이와 같은 센서들이 설치되어 있다. 현장에 구축 된 모니터링 스테이션에는 컴퓨터, 비디오 서버, 모니터링 장치 의 회로모듈, UPS, ATS, 배터리 세트, 전원공급장치, 발전기 등 이 설치되어 있다. 각 계측장치로부터 측정된 자료를 유무선 통 신을 통하여 모니터링 스테이션으로 보내고 이들 자료들은 다 시 인공위성을 통하여 중앙재해운영센터로 전송되며, 정부는 이 자료를 분석하여 전화기, 핸드폰, 인터넷 등을 통하여 국민에게 경보를 통보된다.
일본에서 기본적으로 산사태 모니터링에 활용되는 센서는 지 하수의 변위를 관측하기 위한 수압식 수위센서, 시추공내 경사, 지표 경사, 지중변위, 지표변화 및 미끄러짐 면을 측정할 수 있
는 매립식 경사센서, 지표의 변위를 측정할 수 있는 GPS 등의 위치센서, 자연전위를 측정할 수 있는 SP(self-potential)센서, 그 리고 강수량을 측정 할 수 있는 강우센서 등을 활용하여 지속 적으로 산사태에 대한 모니터링을 실시한다(Fig. 8). 현재 이러 한 센서를 활용한 기술은 산지에서 전원의 공급 및 실시간 데 이터의 전송에 대한 문제점을 야기할 수 있다. 이러한 점을 보 완하기 위해서 새롭게 개발되고 있는 시스템들은 현장에서 모 니터링을 실시하는 모니터링 유닛과 이를 컨트롤 할 수 있는 컨 트롤 유닛으로 구분하여 운용된다. 평상시의 모니터링 유닛의 전원을 관리하기 위해서 휴면상태로 유지되다가 특정조건에서 컨트롤 유닛으로부터 데이터의 전송과 측정을 요청받게 되면 실 시간으로 데이터를 저장하고 분석하여 컨트롤 유닛으로 전송하 는 역할을 한다. 이때 컨트롤 유닛과 모니터링 유닛간의 통신은 유선통신뿐만 아니라 무선통신을 통해서 전송 할 수 있도록 한다.
이 시스템의 장점은 하나의 컨트롤 유닛으로 여러 장소에 설 치한 모니터링 유닛을 제어할 수 있다는 것이다. 이를 적극 활 용하여 여러 곳에 분포하는 위험요소에 모니터링 유닛을 설치 하고 특정한 조건에서의 모니터링을 실시할 경우 차량 등을 이 용하여 실시간으로 넓게 분포되어 있는 모니터링 유닛의 데이 터를 측정하고 분석하여 위험을 인식할 수 있다. 이 시스템은 집중강우기간 혹은 이외의 특정 조건하에서 차량에 장착된 컨 트롤 유닛을 활용하여 여러 장소에 설치된 모니터링 유닛을 제 어하여 데이터를 측정하고 측정된 데이터의 분석 및 전송을 받 아 관리서버로 전송한다. 이렇게 수집된 정보는 관리서버에서 분석하여 실시간으로 산사태 위험에 노출된 사면을 결정하고 산 사태에 대한 예경보를 발생한다.
한편, 사진계측 및 레이저 프로파일계측은 지표면형상을 3차 원 좌표데이터로 파악하는 방법이다. 정기적으로 산사태가 예측 되는 지형의 지표면 데이터를 계측하고 관측점의 좌표 또는 지 표면형상을 비교하여 차분해석을 실시하는 것으로 지표 이동량 의 관측 또는 변형개소의 발견이 가능하다. 또한 획득된 3차원 좌표데이터를 이용하여 평면도, 등고선도, 임의의 단면도, 3차원 면의 작성 및 흙의 부피 등 형상계측을 단기간에 걸쳐 해석할 수 있다. 카메라 또는 레이저 거리측정기 등을 헬리콥터 또는 항공기에 장착하여 공중에서 계측을 하는 방법은 광역지역의 상 Fig. 6. Location of the debris flow monitoring stations in Taiwan.
Fig. 7. Monitoring sensors installed at each monitoring station in Tai- wan. (a) infrared CCD camera, (b) ultrasonic water level, (c) wire sensor, (d) rain gauge, (e) pore-water pressure, (f) geo- phone.
Fig. 8. An example of landslide monitoring and data transmission in
Japan.
세지형도의 작성, 미세한 지형의 파악 및 산사태 지형의 검출 등에 사용될 수 있다. 사진계측은 아래의 방법으로 실시된다. 항 공사진계측이 대표적인 예로서 각기 다른 방향에서 획득한 스 테레오 면상을 활용한 카메라, 관측점, 면상 관측점의 기하학적 관계로부터 3차원 좌표를 산출하는 방법이다. 최근에는 디지털 카메라의 급속한 발달로 지상측정의 응용이 급속하게 진화하고 있다.
레이저 프로파일을 활용한 모니터링 시스템은 계측대상물에 레이저를 주사하여 반사광이 돌아오는 시간을 측정하여 계측하 는 방법으로서, 레이저로 지표면을 고속으로 스캔하여 단시간에 지표면의 측점데이터를 대항 획득하는 방법이다. 일반적으로 가 능한 계측거리는 200~1000 m, 측정 정밀도는 수 mm~수 cm 정 도이다. 또한 2시간 측정데이터의 차분으로부터 산사태의 지표 이동량 계측이 가능하다(Fig. 9).
우리나라에서는 국내 지질종류별, 산사태 다발지역별로 자연 사면 산사태 모니터링 시스템을 구축하고, 산사태가 발생하는 순간의 강우와 지질요소별 특성값의 변화를 실제 관측하고 있 으며, 한국지질자원연구원은 국립공원지역에 실시간 산사태 모 니터링 시스템을 일차적으로 설치하여 운영하고 있다(Fig. 10).
우리나라의 산사태가 대부분 집중호우에 의해 발생하기 때문에 강우와 강우에 의한 지질특성 변화 관측이 중요하다. 따라서, 설 치된 센서는 체적함수비/온도/전기전도도 센서, 흡입응력센서, 사면변위 센서, 토석류 감지용 와이어 센서, 강우량계, 데이터 로거 등이며, 이를 통해 강우침투에 따른 토층 내부의 수리적·
물리적·역학적 상태 변화를 관찰할 수 있다. 사면변위센서는 사면의 움직임을 미세하게 감지하기 위한 것이고, 와이어 센서 는 계곡 종방향을 따라 상부, 중부, 하부에 복수로 설치하여 산 사태로 인한 토석류 발생시 이를 신속히 감지할 수 있도록 하 였다. 강우량계는 모니터링 시스템 설치지역의 실제 강우를 관 측함으로써 강우와 지질인자의 반응에 대한 정확한 해석이 가 능하도록 하였다. 데이터 로거에 일차적으로 저장된 센서별 측
정 데이터는 CDMA 통신방식을 통해 원격지 모니터링 서버에 무선으로 실시간 전송되어 분석된다[5]. 국내의 산사태 모니터 링 시스템은 장기적으로 운영되어 산사태 발생 기준 설정에 활 용되며, 궁극적으로 산사태 조기경보 기준 개발의 자료로 활용 될 예정이다.
4. 요 약
우리나라와 같이 강우에 의해 산사태가 주로 발생하는 경우 산사태의 탐지 또는 조기경보는 실시간 산사태 모니터링을 수 행하는 것이 가장 효율적인 방법이다. 그러나, 국내에서는 인공 사면 계측을 제외하고 자연사면 산사태를 대상으로 연구된 사 례가 상당히 드물고, 비교적 최근에 관련 연구가 시작되었다. 자 연사면 산사태와 인공사면 붕괴는 메커니즘이 서로 상이하므로, 모니터링의 개념과 기법도 서로 다르게 접근하여야 한다. 따라 서 국내 산사태의 90%이상을 차지하는 자연사면 산사태에 대 한 실시간 모니터링 기술이 적극적으로 연구되고 관련기술이 개 발되어야 한다. 특히 최근의 극한강우에 의한 산사태는 전통적 개념의 개별 모니터링 센서를 이용한 방법으로는 측정의 정확 성이나 신속성에 한계가 있기 때문에 재해탐지의 효율성을 높 이기 위해 복수의 모니터링 항목을 결합하여 다각도의 모니터 링 및 발생시점 예측이 반드시 필요하다. 현재 국내에서 사용 중인 산사태 모니터링 관련 센서는 80% 이상이 해외에서 개발 된 제품을 그대로 수입하여 사용하고 있어 고가의 비용을 지속 적으로 지출하고 있을 뿐만 아니라, 해당 기술에 대한 원천성을 확보하지 못한 상태이다. 따라서, 국내의 산사태재해 증가추세 와 기후변화 등을 고려할 때, 산사태 모니터링 센서의 수요가 더욱 증가할 것이 확실시 되며, 이를 대비하여 다학제적 연구과 기술개발을 통해 기술 및 장치의 국산화가 이루어져야 하고, 이 를 기반으로 실질적인 재해방지 노력이 필요하다.
감사의 글
이 연구는 한국지질자원연구원 주요사업의 하나인 ‘실시간 모 니터링 기반의 산사태 신속탐지기술 개발(15-3413)의 일환으로 수행되었습니다.
REFERENCES
