2008년 11월 26일 접수, 2008년 12월 22일 채택
* 교신저자･정회원･상지대학교 건설시스템공학과 교수 ([email protected])
** 여주대학 인테리어디자인과 교수 ([email protected])
*** 상지대학교 일반대학원 토목공학과 석사과정 ([email protected]) 연구논문
항공레이저측량 데이터를 이용한 노천광산 생태복원 모니터링 Ecological Restoration Monitoring of Open-Pit Mines using
Airborne Laser Scanning
이현직* ･ 양승룡** ･ 이규만***
Lee, Hyun Jik ･ Yang, Seung Ryong ･ Lee, Kyu Man
要 旨
자연적 경관이 빼어난 지역에 위치한 석회석 노천광산의 경우 친환경생태학적 개발 및 복원에 대한 요구가 증대됨 에 따라 각종 환경 및 경관 관련 민원이 지속적으로 야기되고 있다. 따라서 본 연구에서는 백두대간에 위치한 석회석 노천광산을 대상으로 항공레이저측량과 지상레이저측량을 융합하여 대상지역의 지능형국토정보 구축을 수행함으로써 대상지역의 석회석 채광으로 인한 지속적인 모니터링 방안을 정립하고, 고품질 지형정보를 통한 각종 환경 관련 문제 및 복원계획의 합리적인 추진에 기여하고자 한다.
핵심용어 : 항공레이저측량, 라이다, 수치표고모형, 복원
Abstract
Due to increased interest in environmental friendly ecological development and restoration, civil appeals concerning various environmental and landscape problems are continuously being lodged in cases where open-pit limestone mines are situated in places with eminent natural landscape. In this study, with the open-pit limestone mines located in the Baekdu mountain range as a study area, intends to contribute in recognition of various environmental problems and in the promotion of a reasonable restoration plan through high quality geo-spatial information. And it is planning to establish a method for sustained monitoring of the limestone mining by building intelligent national land information of the study area through combining Airborne Laser Scanning and Terrestrial LiDAR based surveying.
Keywords : Airborne Laser Scanning, LiDAR, DEM, Restoration
1. 서 론
우리나라는 석회석이 풍부하여 시멘트 산업이 발달하 였고 전국적으로 12곳의 석회석 광산이 운영 중이다. 석 회석 광산은 갱내채광 방식이 아닌 노천채광법으로 채광 이 이루어지고 있어서 광산의 규모가 방대할 뿐만 아니 라 대상지역이 주로 산악지역으로 무분별한 채굴이 이루 어질 경우 심각한 자연생태환경의 파괴가 우려된다.1)
석회석 광산은 석탄광이나 금속광에 비해 오염원으로 존재하는 유해광물의 함량이 낮거나 거의 존재하고 있지 않는 경우가 많기 때문에 광산개발에 의한 광해영향이 적은 것으로 알려져 있으나 산림훼손, 폐석 및 광재(鑛
滓)의 퇴적, 광미(鑛尾)의 배출, 분진, 폐수, 소음, 지반침 하, 토사유출, 산사태 등의 환경재해 유발요인들을 내재 하고 있다.3)
노천채굴방식은 갱내채광에 비해 비교적 작업이 안전 하고 채수율이 높으며 생산 원가가 저렴하여 대량생산과 공급이 가능하다는 장점이 있으나 산림파괴 현장이 시각 적으로 잘 드러날 뿐만 아니라, 개발에 따른 산림 훼손 면적이 광범위하여 대표적 환경규제의 대상으로 흔히 지 적되고 있다.
특히 태백산맥 일대의 백두대간 지역은 백리향, 금강애 기나리, 솔나리, 꼬리조팝나무 등 희귀식물 군락지와 함 께 삵, 고슴도치, 수달 등 멸종 위기에 처한 희귀동물 서
표 1. 항공레이저측량 제원 및 영상처리
장비명 Optech ALTM 30/70 촬영고도 약 1500m
레이저주파수 60kHz 해상도 3~6(point/m2)
촬영폭 700m
블록구성 ∙ 사진 103매
∙ 9스트립
사용장비 미국 Intergraph 사의 Image Station Z (DPW)
사용프로그램 미국 Intergraph 사의 Phtogrammerty 5.0 (ISAT)
표정정확도 ∙ 절대표정 : 5.6μm (X=4.3μm, y=4.8μm)
그림 1. 정사영상과 DEM 생성 식지가 산 전체에 걸쳐 펼쳐졌던 곳이고, 자연적 경관이
빼어난 지역으로 산림 및 환경보호에 대한 관심도가 높 아 이곳에 위치한 대상지역인 석회석 노천광산의 경우 친환경생태학적 개발 및 복원에 대한 요구가 증대됨에 따라 지속적인 각종 환경 및 경관 관련 민원이 야기되고 있다.
따라서 석회석 노천광산에 대한 지형 및 환경 문제에 대처하고 개발 및 복원을 위해서는 정확한 현황 자료와 DEM, 정사사진 등의 자료의 제공이 필요하지만 현재까 지는 수치지형도와 현지측량 현황자료에 의존하고 있는 실정이다.
수치지형도의 경우 1/5000과 1/25000 축척의 자료들을 이용하여 DEM(Digital Elevation Model)을 생성할 수 있 지만 품질, 갱신주기 및 축척 등의 한계를 가지고 있어 현재의 정확한 정보를 표현하는데 적합하지 않으며, 현 지측량을 실시하여 측량자료를 기초로 현황 정보를 얻는 경우는 많은 비용과 시간이 소요될 뿐 만 아니라 대부분 급경사 사면 등 현장 여건이 다양하기 때문에 정확한 측 량에 어려움이 있다.
따라서 보다 정교한 최신 자료들이 필요한 경우 시간에 따라 변화하는 지표의 형상에 관한 정밀한 시계열 자료 가 없으면 공간정보의 이용에 한계를 가지며, 보다 정교하 고 동적인 지형자료를 요구하는 목적을 달성하기 위하여 지형도 및 DEM 제작에 항공레이저 측량(Airborne Laser Scanning 또는 LiDAR(Light Detection And Ranging))이 이용되고 있다.5),6),8)
이 기술은 높은 효율성과 정확도로 항공기에 탑재된 레 이저 스캐너를 이용하여 전천후 자료획득이 가능하다.
스캐너로부터 지표면까지 거리를 직접 산출하여 고밀도 의 표고정보를 신속하고 효율적으로 획득할 수 있으며, 접근이 어려운 지역의 위치정보 취득에 효과적으로 이용 될 수 있다.5),7),9)
본 연구에서는 백두대간에 위치한 석회석 노천광산을 대상으로 항공레이저측량과 지상레이저측량을 융합하여 대상지역의 지능형국토정보를 구축하였으며, 대상지역 의 석회석 채광으로 인한 지형변화를 기존 수치지형도와 항공레이저 측량 자료를 이용하여 비교분석하였다. 또한 지속적인 모니터링 방안을 정립하고, 고품질 지형정보의 제공을 통하여 각종 환경 관련 문제에 대처하고 합리적 인 개발 및 복원계획의 수립에 기여하고자 하였다.
2. 연구범위 및 방법
2.1 연구자료
본 연구에서는 대상지역의 고품질 3차원 지형정보의
취득을 위하여 항공 및 지상레이저측량을 수행하였다.
항공레이저측량데이터는 0.2m의 점밀도를 가지고 있으 며, 디지털항공사진카메라를 이용하여 동시에 0.25m급 의 대상지역 디지털항공사진을 103매 취득하였다(표 1).
항공레이저 데이터는 Terrasolid 프로그램을 이용하여 데이터의 검증 및 보정, 필터링 및 분류과정을 수행하였 으며 비교분석에 이용하기 위해 격자크기 1m의 DSM (Digital Surface Model)과 DEM을 생성하였으며, 디지털 항공사진 자료는 photogrammetry 5.0프로그램의 ISAT모 듈을 이용하여 표정정확도 5.6의 모자이크 처리된 정사영상을 생성하였다(그림 1).
지상레이저측량 데이터는 항공레이저측량에서 표현이 어려운 고각도 사면에 대해 5cm의 점밀도를 가지고 있으 며 향후 지속적인 모니터링을 위해 촬영점 선점 후 촬영 망을 구성하여 촬영을 수행하였다.
표 2. 지상레이저측량 제원
장비명 Optech ILRIS 3D
점 스캔 범위 3m~1500m
점 스캔 간격 5cm
획득 포인트 2500(point/sec) 오차율 7~8mm(100m당) 촬영폭 수평 360° 수직 -90°~90°
그림 2. 지상레이저측량
(a) 항공레이저측량 데이터
(b) 지상레이저측량 데이터 그림 3. 데이터 비교
그림 4. 항공 및 지상레이저 측량데이터의 융합 처리
(a) DSM (b) DEM
그림 5. DSM과 DEM
그림 6. 연구대상지역 항공레이저측량 데이터는 수직촬영으로 인해 경사부
분 지형표현의 섬세함이 다소 떨어지는 반면 지상레이저 측량 데이터는 수평으로 촬영되어지기 때문에 평지부분 지형표현의 섬세함이 다소 떨어진다(그림 3).
따라서 상호 데이터의 장단점을 보완하기위하여 경사 부분에서는 지상레이저측량 데이터를 추출하고 평지부 분에서는 항공레이저측량 데이터를 추출하여 두 데이터 에 대한 융합 처리를 실시하였다. 그림 4에 나타낸 것과 같이 경사부분 및 평지부분의 지형이 모두 세밀하게 표 현되어 정밀한 DEM을 생성할 수 있었다.
이러한 처리를 통하여 얻어진 정밀 DEM은 수치지형 도의 점 표고와 등고선 데이터로 생성된 DEM과 상대적
인 비교분석과 노천광산의 3차원 모델링을 수행하는 자 료로 사용하였다.
2.2 연구대상지역
본 연구의 대상지역(그림 6)은 향로봉에서 시작된 백두 대간 산줄기가 청옥산과 두타산으로 이어지는 접점인 자 병산(872.5m)의 노천광산 (2.466km2)으로 1979년부터 30 년 동안 석회석을 채광해온 노천광산 지역이며 강원도 강릉시 옥계면에 위치해 있다.
자병산은 해발고도는 비교적 낮은 산이지만 백두대간
그림 7. 연구방법
그림 8. 참조 DEM
그림 9. Field DEM
그림 10. LiDAR DEM
의 주능선에 해당하는 중요한 환경자원이므로 노천광산 개발을 수행함에 있어 각종 환경 관련 문제 및 복원 계획 수립에 친환경 생태학적 합리적 추진방안이 요구된다.
따라서 고품질 3차원 지형정보 자료를 활용하여 대상 지역의 현황을 효율적으로 파악하고 정확한 지형을 파악 하기 위하여 항공레이저측량과 지상레이저측량을 동시 수행하여 정확도 향상방안을 도모하였다.
2.3 연구방법
본 연구의 수행 방법(그림 7)은 생산관리에 활용할 수 있는 10여년의 지형변화량(절토지역과 성토지역)을 추출 하고 광산지역의 개발 및 복원계획 수립을 위한 3차원 모델링 및 생태복원 모니터링을 구축함으로서 노천광산 지역에 대한 효율적인 관리 방안을 제시하는 것이다.
3. 지형변화 분석
3.1 DEM 분석
지형의 변화량을 추정하기 위해선 국토지리정보원에 서 1998년에 제작된 1/5000, 1/25000 축척의 수치지형도 의 표고점과 등고선 레이어를 추출하여 GIS 프로그램인 ArcGIS를 사용하여 TIN(Triangle Irregular Network)을 생성한 후에 격자구조의 DEM을 제작하였다.
이 자료들은 참조 DEM으로 사용하기 위하여 1/5000 DEM과 1/25000 DEM의 그리드 연산을 통하여 잔차 DEM 을 구하고 1/5000 DEM보다 높은 지역의 고도값을 ArcGIS GRID의 CON 함수를 이용하여 추출하고 1/5000 DEM에 병합시켰다(그림 8).
또한 2002년 성과인 1/1000 축척의 현황측량 자료에서 도 위와 같은 과정을 거쳐 1m 격자크기의 DEM을 생성 (그림 9)하여 참조 DEM과 비교분석을 수행하였다.
대상 자료의 표고 분석에서 참조 DEM은 최소 표고값
표 4. 토량변화 구분 참조DEM -
Field DEM
참조DEM - LiDAR DEM
Field DEM - LiDAR DEM 절토량 64,998,438ton 62,428,791ton 4,760,525ton 성토량 10,512,185ton 12,865,862ton 9,683,850ton
절토
면적 1.837km2 1.624km2 0.661km2 성토
면적 0.629km2 0.842km2 1.805km2
(a) 절토지역 (b)성토지역
그림 11. 절토(채광)지역과 성토(복원)지역 (참조 DEM - LiDAR DEM)
그림 12. 절토 지역과 정사영상
그림 13. 성토 지역과 정사영상 199.925m, 최대 표고값 872.000m로 나타났으며, Field
DEM과 LiDAR DEM은 최소 표고값 196.044m, 204.090m, 최대 표고값 802.516m, 803.858m로 각각 분석되었다.
3.2 지형변화량
DEM간의 잔차 DEM을 이용한 지형분석에서 토량의 변화량은 표 4와 같이 추정할 수 있었다.
참조 DEM과 최근 DEM의 비교에서는 절토량이 약 6 천만톤(토량환산계수 적용시 1억5천만), 성토량은 폐석 율 약 20%와 유사한 약 1천만톤으로 추정되었다.
이런 토량의 참조 DEM의 원자료인 수치지형도의 제 작연도가 1998년이지만 그 이전에 제작된 자료를 바탕으 로 수치화 작업을 수행했기 때문에 비교적 장기간의 채 광 기록을 추정할 수 있었던 것으로 판단된다.
Field DEM과 LiDAR DEM의 분석에서는 비교적 정확 한 기간의 절토량(채광량) 정보를 추정할 수 있을 것으로 판단되며, 2002년 이후 연간 약 90만톤(토량환산계수 적 용시 약 220만톤)이 채광된 것으로 추정되었으며 또한 절토량보다 성토량이 크게 나타났다.
이런 결과는 최근 환경에 대한 인식이 부각되고 복원에 대한 민원의 제기로 일부 지역에 대한 복원이 실시되었
고, 패석 적치량 때문인 것으로 판단된다.
그림 11은 참조 DEM과 LiDAR DEM의 잔차 DEM으 로 표고차 ±15m의 지역은 소거한 후 완성하였다.
절토지역과 성토지역의 비교분석에서 참조 DEM과 Field DEM의 최대 절토고는 175.255m, 최대 성토고는 84.388m로 나타났으며, 참조 DEM과 LiDAR DEM의 최 대 절토고는 183.196m, 최대 성토고는 89.222m로 추정 되었고 Field DEM과 LiDAR DEM의 최대 절토고는 55.212m, 최대 성토고는 56.474m인 것으로 나타났다.
그림 12, 13에서 절토(채광)지역은 자병산 일대가 가장 크게 나타났으며 성토지역은 복원지역과 폐석 적치지역 인 것을 확인할 수 있었다. 향후 대상지역에 대한 지속적 인 항공레이저 측량 기술을 적용을 통하여 정확한 변화 량의 분석이 가능할 것으로 판단된다.
그림 14. 3차원 표면생성
그림 15. 현재지형모델과 계획모델의 병합
그림 16. 현재 지형의 3차원 모델링
그림 17. 최종 채광후의 3차원 모델링
그림 18. 단계별 채광 및 복원계획 3차원모델링
4. 3차원 모델링
4.1 지형편집 및 생성
본 연구에서는 항공 및 지상레이저측량데이터와 대상 지역의 정사사진 및 캐드기반의 설계데이터들을 활용하 여 기존 현황 및 복원계획의 3차원 모델링을 수행하였다.
우선 캐드기반의 2차원 설계데이터를 이용하여 종단 및 횡단계획을 수립하고, 종단 체인의 구간별 각각의 횡 단면 데이터를 3차원 골조형태로 변환한 후 골조에 대한 면(폐합) 처리를 수행하였다.
위의 과정을 통하여 처리된 3차원 골조들을 지형 표면 모델 데이터로 변환하였으며, 생성된 계획지형 표면모델 들은 외곽경계라인(Breakline)을 토대로 현재 3차원 모델 인 DEM에서 기존 지형을 제거한 후 해당 위치에 정확히 병합시켜 새로운 형태의 개발후 지형들을 생성하였다.
그림 14는 대상지역의 평면도와 종･횡단면도를 이용한 3차원 표면의 생성과정을 나타낸 것이며, 그림 15는 현재 지형모델과 새롭게 편집된 채광지역에 대한 표면모델이 병합된 지형표면모델을 나타낸 것이다.
4.2 3차원 복원 모델링
3차원 지형편집 및 생성을 통하여 그림 16, 17과 같이 현재 지형모델과 채광 완료후의 지형모델을 생성하여 전 체 복원 계획 수립을 위한 모델을 제공할 수 있었으며, 이와 같은 결과를 이용하여 지형모델을 채광 및 복원 단 계별로 제작하였다.
3차원 모델링자료는 현재 지형을 정확한 3차원 지형으 로 표현하고 있으므로 향후 채광 및 복원계획 수립시 유 용하게 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 광산 채광자
료와 융합한 채광관리 및 시설관리, 폐재지역의 친환경 생태학적 복원계획의 모델링 및 모니터링 계획에 효과적 으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 토목분야 중에서 노천광산 생태복원 모니터 링에 다차원공간정보의 활용성 검증과 적용방안을 제시 하고자 하였으며 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
첫째, 노천광산의 채광시기가 장기간 경과한 후 원지형 의 변화를 추정할 수 있는 방법으로 수치지형도의 참조 DEM을 생성하고 최근 측량 자료를 비교분석하여 대상 지역의 절토(채광)량과 성토(복원)량을 산정할 수 있었 다.
둘째, 채광 및 복원계획의 3차원 모델링 기법을 수행하 여 생산관리에 용이한 자료로서 활용이 가능하며 3차원 및 동적 경관분석이 가능하였다.
셋째, 기존 작업 공정 및 시스템의 변경 없이 활용이 가능하고 정확한 지형공간정보자료를 통하여 계획 및 설 계 변경 요인을 최소화하여 중복예산을 절감시킬 수 있 을 것이라 판단된다.
넷째, LiDAR자료의 식생정보를 활용하여 생태학적 계 획 및 설계의 기초자료로 활용이 가능하였으며, 향후 친 환경생태학적 복원계획 수립 및 모니터링, 각종 환경 관 련 민원 및 위원회의 평가 심의 및 자문시 활용이 가능할 것이라 판단된다.
감사의 글
본 연구는 2007년 상지대학교 교내연구비를 지원 받아 수행되었으며, 이에 감사드립니다.
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