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승욱 류(유)
5 years ago
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1 한국터널지하공간학회논문집 2011년 5월제 13 권제 3 호, pp 차원레이저스캐너를활용한터널시공관리 이강현 1, 허인욱 2, 김도훈 3, 이인모 4* The construction management of tunnel using 3D laser scanner Kang-Hyun Lee, In-Wook Heo, Do-Hoon Kim, In-Mo Lee ABSTRACT A 3D laser scanner is widely used in various fields such as games, movies, medicines, art, design, etc. Many studies for utilizing the 3D laser scanner in the fields of civil engineering have also been carried out, for example, for systematically managing tunnel and/or bridge construction. However, since a software which is directly applicable to Korean construction system does not exist, the amount of data obtained from existing the 3D laser scanner is too much to handle in a systematic way. Therefore, in this paper, a new data processing technique was established which can rapidly and effectively treat the 3D laser scanning data. Moreover, a software that can systematically manage the tunnel construction was developed. The developed software can assess the construction quality of tunnel excavation such as under-break, over-break, cracks, leakage and efflorescence, etc. A 3D laser scanner and the developed software was applied to an in-situ tunnelling site, and verified usefulness of the 3D laser scanner. The developed software may be useful for tunnel maintenance as well as for systematic management of tunnel construction. Keywords: 3D laser scanner, tunnel, data processing, construction management 요약현재 3차원레이저스캐너는게임, 영화, 의료, 미술, 디자인분야등다양한분야에서널리사용되고있다. 토목분야에서는교량및터널에 3차원레이저스캐너를이용한시공관리방안및적용에관한연구가다수수행되었다. 그러나 3차원레이저스캐너로얻어진데이터의용량이너무크고우리나라현장실정에적합한소프트웨어가없는것이현실이다. 따라서본연구에서는 3차원레이저스캐너의데이터를신속하게처리할수있도록데이터베이스를구축하였으며, 터널의미굴 여굴여부판단, 균열 누수 백태를확인할수있는소프트웨어를개발하였다. 또한실제터널현장에 3차원레이저스캐너를사용하여 3차원레이저스캐너와소프트웨어를검증하였다. 이는터널시공중시공관리및시공후유지관리에도기여할수있을것으로예상된다. 주요어 : 3차원레이저스캐너, 터널, 데이터처리, 시공관리 접수일 ( ), 수정일 ( ), 게재확정일 ( ) 1 정회원, 고려대학교건축사회환경공학부박사과정 2 비회원, ( 주 ) 바이텍코리아과장 3 정회원, 고려대학교건축사회환경공학부박사수료 4 정회원, 고려대학교건축사회환경공학부교수 * 교신저자 : 이인모 ( inmolee@korea.ac.kr) Vol. 13, No. 3, May

2 1. 서론 현재산업현장에서는광파기등의광학장비를이용하거나 GPS를이용한측량이주로사용되고있다. 광파기는측량하고자하는위치에레이저를발사하고목표물에반사되어돌아오는레이저의위상차를이용하여거리를측정한후에측정된거리와레이저가발사된각도를이용하여목표물의좌표를계산한다. 그리고광학장비에의한위치측정방법의단점을해결한 GPS 측량은위성에서수신기까지의거리를측정하여수신기의 3차원위치를결정하고좌표를획득한다. 그러나광파기측량은많은시간이소요되는데비하여적은데이터를획득하고, GPS는수신기의정밀도에따라서오차율이수센티미터등에이르는단점이존재한다. 광파기의적은데이터양과오랜측정시간, GPS의정밀도문제를보완하기위한장비로써최근 3차원레이저스캐너가주목받고있다. 3차원레이저스캐너는현재다양한분야에서널리사용되고있는데, 토목분야에서는 3차원레이저스캐너를활용한연구및적용방안이주를이루고있으며, 현장에사용한사례는극히일부이다. 3차원레이저스캐너를이용하여구조물및교량의외관, 시공오차분석등에대한연구가수행되었으며실제현장에사용한사례도존재한다 (Gordon et al., 2001; 한수희등, 2008). 또한터널에서는암반사면의절리및안정성평가 ( 이승호등, 2004; 곽영주등, 2005; 임은상등, 2006) 터널에스캐너를적용하기위한방안및개발에관한연구등이이루어졌다 ( 사공명등, 2006; 사공명등, 2007; Yoon et al., 2009; 이강현등, 2010). 그중에서도 3차원레이저스캐너를이용하여터널의여굴및미굴량산출, 내공변위에대한계측에대한연구및적용이다수이루어졌다 (Lindenbergh et al., 2005; 이종출등, 2006; 김인섭과임수봉, 2007; 노태호등, 2008; 이태형등 2008). 그러나기존의연구에서사용된대부분의도달시간 (TOF, Time of Flight) 측정방식의스캐너는터널의형상을완벽하게구현할만큼의데이터를취득하는데많은시간이소요되어터널시공공정에지장을초래하므로실제현장에적용하기어렵다. 또한 3차원레이저스캐너로얻어진데이터의용량이너무크고우리실정에맞는소프트웨어가없어서측정된데이터를 3차원형상으로보기만하는수준에머무를뿐이라실제현장에서필요로하는가공된데이터가부족하여현장에서실제로사용하기에는어려움이존재한다. 따라서본연구에서는위상차측정 (phase shift) 방식의 3차원레이저스캐너를사용하여짧은시간에대용량의데이터를취득하고, 스캐닝데이터를가공하여거리와각도로추출되는데이터를 x, y, z의좌표를가지는 3차원데이터로변환한후에터널의특성을고려하여초고용량의스캐닝 160 한국터널지하공간학회논문집

3 3 차원레이저스캐너를활용한터널시공관리 데이터를적절한방법으로배열하여원하는위치의데이터정보를신속하게추출할수있도록데이터베이스를구축하였다. 데이터베이스를바탕으로실제터널현장에서미굴 여굴여부를판단하고터널표면에서의균열과누수, 침하등을관리할수있는소프트웨어를개발하였다. 개발된소프트웨어를이용하여여굴량과미굴량, 내공변위등을계산함으로써시공물량및시공오차, 터널상태및안정성을평가할수있으며, 시공중시공관리및시공후유지관리에도기여할것으로예상된다. 2. 기존연구의고찰및연구방향 토목분야에서교량, 사면, 터널등에 3차원레이저스캐너를활용한연구가다수수행되었다. 그러나스캐닝속도, 스캐닝오차, 데이터베이스, 소프트웨어등의문제로실제현장에서사용하는데는어려움이존재하며, 전문가만사용할수있는단점이존재한다. 표 1에 3차원레이저스캐너를터널에적용한연구사례를정리하였다. 표 1에서보는것처럼터널에 3차원레이저스캐너를사용한경우대부분이도달시간측정방식을사용하였는데, 이는측정시간이약 20분정도소요된다. 또한소프트웨어의경우 Rapid Form 2006, 3D Extractor는단순한데이터처리만가능하며, 3차원레이저스캐너제조업체에서제공하는소프트웨어인 RealWorks Survey도스캐닝데이터를 3차원좌표로변환하고, 구조물의단순한형태를제공하는수준이다. 따라서설계단면과비교를통한터널시공관리및유지관리에활용하기위해서는별도의작업등이필요하며, 터널전체구간의대용량의스캐닝데이터를처리하는데수시간이소요된다. 따라서 RealWorks Survey 소프트웨어로부터얻어진데이터를활용하수있도록노태호등 (2008) 은터널단면관리시스템을개발하여프로그램상에서터널설계단면과의비교를통한여굴량및미굴량을파악할수있도록하였다. 표 1. 기존연구문헌내용요약 정리 저자스캔방식소프트웨어시공관리개념 이종출등 (2006) 김인섭과임수봉 (2007) 이종출등 (2007) 노태호등 (2008) 위상차측정 도달시간측정 도달시간측정 도달시간측정 Rapid Form D Extractor RealWorks Survey RealWorks Survey, 터널단면관리시스템 설계단면과비교를통한터널여굴량산정 설계단면과비교를통한터널여굴량과미굴량산정 설계단면과비교를통한터널여굴량과미굴량산정 설계단면과비교를통한터널여굴량과미굴량산정및총굴착량산정, 터널의전체적인단면파악 Vol. 13, No. 3, May

기존연구를통해살펴봤을때 3차원레이저스캐너를실제현장에적용하기위해서는터널시공공정에지장을주지않도록측정시간이짧아야할것이고, 현장의상황을빠른시간내에파악할수있도록고용량의스캐닝데이터를빠르게처리할수있어야한다.

따라서본연구에서는터널시공공정에지장을주지않도록측정시간이 5분미만인위상차측정방식의스캐너를이용하고,

이를이용하여미굴 여굴뿐만아니라내공변위, 터널표면상태를종합적으로시공관리할수있는소프트웨어를개발하였다. 3.

3 차원레이저스캐너의성능비교표 제조사 / 스캐너모델명 Trimble GS101 Leica HDS3000 Z+F Imager 5003 FARO LS 880 HE 모델사진 스캔방법 도달시간 (time

4 기존연구를통해살펴봤을때 3차원레이저스캐너를실제현장에적용하기위해서는터널시공공정에지장을주지않도록측정시간이짧아야할것이고, 현장의상황을빠른시간내에파악할수있도록고용량의스캐닝데이터를빠르게처리할수있어야한다. 또한전문지식없이도현장인력이사용할수있도록스캐닝데이터를자동으로처리하고, 간편하게사용할수있는소프트웨어의개발이필요하다. 따라서본연구에서는터널시공공정에지장을주지않도록측정시간이 5분미만인위상차측정방식의스캐너를이용하고, 스캐닝데이터를자동으로신속하게처리할수있도록터널특성에적합한알고리즘을개발하여수초내에데이터처리가가능한데이터베이스를구축하였다. 이를이용하여미굴 여굴뿐만아니라내공변위, 터널표면상태를종합적으로시공관리할수있는소프트웨어를개발하였다 차원레이저스캐너 3 차원레이저스캐너는레이저광선을쏘아물체에반사되어오는시간또는위상차이를측정하 여물체와의거리를계산하고반사율을통해색깔을인식하여흑백의 3 차원형상을구현하는장비이 표 2. 3 차원레이저스캐너의성능비교표 제조사 / 스캐너모델명 Trimble GS101 Leica HDS3000 Z+F Imager 5003 FARO LS 880 HE 모델사진 스캔방법 도달시간 (time of flight) 측정 위상차 (phase shift) 측정 스캔시야 [ ] 스캔거리 [m] < 78 스캔속도 [Pts/''] 각 수직 해상도 [ ] 수평 스캔정밀도 [mm] ±3/10m 스캐너조작장치 노트북 노트북 노트북 노트북 / 내부 PC 카메라장착여부 비디오카메라장착디지털카메라장착 선택사항 선택사항 162 한국터널지하공간학회논문집

3 차원레이저스캐너를활용한터널시공관리 다. 초당수십만점에이르는측정속도를가진 3차원레이저스캐너는짧은시간에거의실제형상과같은데이터를획득할수있기때문에, 산업현장뿐만아니라게임, 영화, 의료, 미술, 디자인분야등 3차원형상을필요로하는모든분야에서이용가능하며실제로사용되고있다 ( 이강현, 2010).

본연구에서는고용량의 3차원데이터를터널특성에맞게변환하고이를실제현장에적용하기위한연구이므로, 공기지연이발생하지않도록초당측정속도가빨라서스캔시야전구간을스캐닝하는데걸리는시간이약 3.5분정도인 Z+F Imager 5003 레이저스캐너를이용하였다. 4. 3 차원레이저스캐너데이터분석 3차원레이저스캐너의스캐닝데이터는포인트클라우드형태의무수히많은포인트로수집된다.

5 3 차원레이저스캐너를활용한터널시공관리 다. 초당수십만점에이르는측정속도를가진 3차원레이저스캐너는짧은시간에거의실제형상과같은데이터를획득할수있기때문에, 산업현장뿐만아니라게임, 영화, 의료, 미술, 디자인분야등 3차원형상을필요로하는모든분야에서이용가능하며실제로사용되고있다 ( 이강현, 2010). 3차원레이저스캐너는레이저방식이외에도카메라방식이있으나, 본연구에서는레이저방식의고정밀대용량스캐너를사용하였다. 레이저방식의 3차원스캐너중현재일부국내에들어와있거나외국에서사용되는 3차원스캐너의성능을표 2에정리하였다. 본연구에서는고용량의 3차원데이터를터널특성에맞게변환하고이를실제현장에적용하기위한연구이므로, 공기지연이발생하지않도록초당측정속도가빨라서스캔시야전구간을스캐닝하는데걸리는시간이약 3.5분정도인 Z+F Imager 5003 레이저스캐너를이용하였다 차원레이저스캐너데이터분석 3차원레이저스캐너의스캐닝데이터는포인트클라우드형태의무수히많은포인트로수집된다. 따라서대용량데이터를쉽게저장하고추출할수있는최적화된데이터베이스를구축해야하고, 그데이터베이스를처리하기쉽도록소프트웨어를구성, 개발해야효율적인작업이가능하다. 따라서본연구에서는 3차원레이저스캐너로부터얻어진스캐닝데이터에대한분석을먼저수행하였다 차원레이저스캐너측정방식분석 3차원레이저스캐너는수직회전운동과수평회전운동을동시에수행하며, 빠른속도로수직회전운동을하는동안 180도이상의수평회전이이루어지면서스캐닝작업이완료된다. 연직방향이픽셀 (pixel) 방향이고, 수평방향을라인 (line) 방향이라하면고속의연직회전운동과동시에천천히 (a) 픽셀정보수집 (b) 라인정보생성 (c) 수집된데이터표현 그림 1. 3D 레이저스캐너의측정방식 Vol. 13, No. 3, May

6 그림 2. 스캐닝데이터파일의기본구조 수평회전을하면서픽셀값과라인값을추출한다. 장비의가려지는부분으로인하여수직운동은 140 도이내에서만데이터취득이가능하고, 수평운동은 360도영역에서가능하다 ( 그림 1. (a), (b)). 수집된데이터를각각의좌표에배치해서출력한결과물은 3D 형태로나타나며이에대한예가그림 1. (c) 에나타나있다. 4.2 스캐닝데이터파일분석스캐닝데이터는스캐너의회전, 이동, 수평- 수직모터의속도등의기본데이터를가지는헤더부분과스캐너로부터들어오는배열데이터를바로저장하는데이터섹션부분으로이루어져있다 ( 그림 2). 여기서데이터섹션부분에각각의포인트에대한수평각, 수직각, 거리, 강도가저장되고, 각도, 거리를통하여 x, y, z좌표를계산하고강도를통하여색상정보를계산한다. 변환된데이터로부터스캐닝된상태를 2D 형태의이미지로볼수있고, 3D 형태로표현할수도있다. 4.3 스캐닝데이터의포인트정보분석 3차원레이저스캐너를이용하여얻어진터널의스캐닝데이터를 x, y, z의 3차원좌표로변환하여프로그램상에도시한화면이그림 3에나타나있다. 이화면에서마우스를이용해이동, 확대, 회전을할수있으며터널의형태를직관적으로파악할수있다. 그러나 3차원좌표로변환한포인트들은기계오차로인하여일정범위의두께로분포된점데이터들이므로원하는터널벽면을추출하기위해서는추가작업이필요하다. 그림 4는터널처럼굴곡진벽면을스캐닝한데이터로서 3차원상에포인트정보로출력한결과의정면도와평면도이다. 평면도를살펴보면일정한두께로점 164 한국터널지하공간학회논문집

3 차원레이저스캐너를활용한터널시공관리 군을형성한것을살펴볼수있는데, 이는레이저스캐너가 1 2 mm

따라서측정된데이터로표현된일정한두께를가진면을실제로존재하는하나의면으로만들기위하여근사곡면을이용하였다.

대부분이연직회전운동이며그과정에서오차가가장크게포함되어있다. 따라서연직운동에서거리오차를줄이 그림 3.

7 3 차원레이저스캐너를활용한터널시공관리 군을형성한것을살펴볼수있는데, 이는레이저스캐너가 1 2 mm 정도의측정오차를가지고있기때문이다. 또한실제콘크리트구조물의경우면이거칠기때문에측정오차가더욱커질수있다. 따라서측정된데이터로표현된일정한두께를가진면을실제로존재하는하나의면으로만들기위하여근사곡면을이용하였다. 적절한곡면모델을만들기위해서스캐너의데이터수집과정을고려해보면, 대부분이연직회전운동이며그과정에서오차가가장크게포함되어있다. 따라서연직운동에서거리오차를줄이 그림 3. 3 차원자표로배치된스캐닝데이터 (a) 정면도 그림 4. 곡면을스캐닝한데이터 (b) 평면도 그림 5. 실제측정값 ( 스캐닝데이터 ) 와추세데이터와의비교 Vol. 13, No. 3, May

8 는작업을수행하면원하는곡선을얻을수있다. 스캐닝데이터의점들을이용하여추세선을구한결과, 하나의추세선으로는오차를크게줄일수없었다. 따라서측정전구간에서추세선을계산하고, 평균오차가 5 mm를넘는다면구간을반으로나눠서다시추세선을계산하는과정을반복하여여러개의추세곡선을얻은결과, 실제측정값과근사한결과가나타났으며측정데이터와의평균오차는 ±0.005 mm로나타났다 ( 그림 5). 5. 스캐닝데이터 DB 구축 스캐닝데이터를효과적으로사용하기위해서는사용목적에따라서데이터를가공해야한다. 또한원하는구간의데이터를신속하게검색해서불러올수있어야하고, 원하는지점의정확한위치좌표를얻을수있어야한다. 따라서본연구에서는터널특성을고려하여스캐닝데이터를신속하게처리하고시간에따른터널의변형특성을알수있도록각기다른시점에측정된여러개의스캐닝데이터를비교분석할수있는구조를가진데이터베이스를구축하였다. 5.1 스캐닝데이터획득및처리터널현장에서스캐닝데이터를얻기위해서는먼저터널내부특정지점의절대좌표를획득해야한다. 따라서막장면근처에표적지를 4곳에설치하고, 광파기로표적지의절대좌표 (global coordinate, TM) 를획득한다. 그리고 Z+F Imager 5003 레이저스캐너를이용하여스캐닝데이터를획득한다. 이때얻어지는데이터파일형태는 ZFS스캐너원본파일로상대좌표를가진포인트형태로저장되므로, 스캐닝데이터에포함된표적지의절대좌표를이용하여구성한변환매트릭스를통해상대좌표를가진스캐닝포인트데이터파일을절대좌표로변환한다 ( 그림 6). 이를통해절대좌표로구성 그림 6. 상대좌표로구성된스캐닝데이터의절대좌표변환과정 166 한국터널지하공간학회논문집

9 3 차원레이저스캐너를활용한터널시공관리 된스캐닝파일과선형정보, 종구배정보를조합한터널설계단면의절대좌표를일치시킴으로써스캐닝으로얻어진단면과설계단면과의비교가가능하다. 여러시점에서의스캐닝데이터를얻기때문에데이터베이스를구축할때필연적으로중첩구간이발생하게되는데, 이때중첩구간의데이터중어느것이좀더정확하다고판단하기어렵다. 따라서중첩구간의모든포인트를고려하여추세선을구한후에곡면을구성하도록데이터를처리하였다. 5.2 데이터베이스구성프로세스데이터베이스를구축하는데있어필요한데이터를손쉽게불러올수있도록하기위해서는무엇을기준으로데이터정렬을하는것이효과적인지를고려해야한다. 터널의경우단면에비하여길이방향 ( 종방향 ) 으로긴구조물이기때문에기준점으로부터종방향거리에따라서데이터를정렬하는것이효과적으로판단된다. 그림 7. 데이터추출기프로세스 Vol. 13, No. 3, May

10 따라서스캐닝포인트데이터로부터 3차원좌표로변환하고 Station이라는종방향길이에따라정렬을수행한후에그림 7과같은처리순서를가지는데이터추출기를이용하여좌표를가지는 Geo파일과표면의상태를확인할수있는이미지파일로저장하였다. 이러한일련의데이터베이스처리과정이그림 8에나타나있다. 터널의경우 Station이라는종방향길이에따라서데이터를관리하는것이용이하기때문에그림 8에나타나있듯이종방향길이에따라서스캐닝데이터를관리할수있도록데이터베이스를구축하였다. 그림 8. 데이터베이스흐름도 그림 9. 데이터베이스구성과정 168 한국터널지하공간학회논문집

11 3 차원레이저스캐너를활용한터널시공관리 그림 10. 대용량데이터베이스처리흐름도 3차원레이저스캐너를이용하여취득된데이터와구조물의설계데이터 ( 선형정보, 종구배정보, 단면정보 ) 를이용하여그림 9와같은순서로본연구에서개발되는소프트웨어의통합데이터베이스를구성하였다. 구조물의설계곡면을 u, v 좌표로정의하고수집된데이터를해당곡면에투영한값으로변환한후에구간별로잘라서저장을하였고, 마지막그림은구간별로이미지를불러온화면을보여준다. 터널의경우종방향길이가매우길기때문에스캐닝파일이많이생성된다. 그러나스캐닝파일을한번에모두불러와서변환하는방식은컴퓨터의메모리에부담을주기때문에, 데이터처리에있어서중간과정이필수적이다. 따라서중간정렬과정을거쳐서중간파일형태로변환하고, 순차적으로중간파일을읽도록데이터를처리하도록하였다 ( 그림 10). 이러한방식으로데이터베이스를처리하면, 파일을열었을때큰메모리를요구하지않기때문에많은수의스캐닝파일을동시에빠르게처리할수있다. 6. 소프트웨어구성및기능 터널의이상유무를검사하기위해현재사용되는방법은현장인력이육안으로직접검사하는 방식과사진측량차량을이용하는방식이있다. 그러나이방법들은현실적으로터널의상태를판 단하고관리하는데있어서객관성이결여되고한계점이존재한다. 따라서본연구에서는터널의 Vol. 13, No. 3, May

선형정보, 종구배정보, 단면정보그리고스캐닝된이미지를바탕으로구성된데이터베이스를기반으로하는소프트웨어 Mextunnels를개발하였다. 본연구에서개발한소프트웨어는크게설계정보를입력하는설계화면, 설계정보와실제측정된스캐닝데이터를기반으로하는데이터베이스생성화면, 설계정보와스캐닝데이터를비교하고분석할수있는보기화면으로구성된다 ( 그림 11).

12 선형정보, 종구배정보, 단면정보그리고스캐닝된이미지를바탕으로구성된데이터베이스를기반으로하는소프트웨어 Mextunnels를개발하였다. 본연구에서개발한소프트웨어는크게설계정보를입력하는설계화면, 설계정보와실제측정된스캐닝데이터를기반으로하는데이터베이스생성화면, 설계정보와스캐닝데이터를비교하고분석할수있는보기화면으로구성된다 ( 그림 11). 설계화면에서는터널의선형설계정보, 종구배정보, 단면정보를입력할수있으며, 데이터베이스생성화면에서앞서설명한프로세스처럼터널에적합한데이터베이스를생성한다. 보기화면에서는터널의설계단면과실제시공단면을측정한스캐닝데이터를 2차원이미지로변환하여 2개의 그림 11. 소프트웨어구성도 (a) 설계정보 2 차원이미지로변환 (b) 스캐닝데이터 2 차원이미지로변환 그림 차원이미지변환과정 170 한국터널지하공간학회논문집

13 3 차원레이저스캐너를활용한터널시공관리 이미지파일을비교함으로써미굴 여굴여부를분석할수있다 ( 그림 12). 또한스캐닝데이터를 기반으로균열 백태 누수검출, 가상현실기능을제공한다. 또한이외에도보고서자료출력, 엑셀 이나캐드같은범용프로그램에서사용할수있도록데이터출력등의부가적인기능을제공한다. 7. 현장적용성시험 3D 레이저스캐너와본연구에서개발된소프트웨어의현장적용성을평가하기위하여굴착공정이진행중인 2개의현장, 라이닝타설중인 1개의현장에서현장시험을진행하였다. 충주- 제천 공구의 3개의터널중현재시공중인 터널의 STA.3910 STA.4060 구간에서미굴 여굴여부를파악하기위한현장시험을하였다. 현장시험이진행된터널은현재굴착공정이진행중이기때문에숏크리트면에대한스캐닝을수행하였다. 설계단면과스캐닝파일을 2차원이미지로변환후비교를통해미굴 여굴여부를분석한결과중, Station 구간에대한단면을그림 13에나타냈다. 그림 13에서숫자는설계단면과숏크리트면의차이를 m단위로출력한것이다. 설계면과시공단면의그림으로살펴보았을때굴착이대체적으로잘된것으로판단된다 ( 그림 13). 그러나터널바닥면에서미굴이많은것으로나타났는데, 시공중에발생된버럭들이완전히치워지지않고바닥면에쌓여있기때문에스캐닝데이터에반영이된것으로보인다. 또한소프트웨어상의기능을이용하여미굴및여굴량을체적을계산한결과여굴량은 m 3, 미굴량은 m 3 으로나타났는데, 여굴량이꽤큰것으로나타나서추후라이닝작업시에콘크리트가많이소요되므로좀더정확한굴착이필요할것으로판단된다. (a) Station 4000 지점 (b) Station 4020 지점 그림 13. 설계단면과시공단면비교 Vol. 13, No. 3, May

이번시험에서는현장여건상최종숏크리트타설면만스캐닝하였는데실제현장에서 3차원레이저스캐너를시공관리용도로사용할때는굴착직후, 숏크리트타설후에스캐닝을수행함으로써숏크리트와라이닝의시공물량을측정할수있을것이다.

14 그림 14. 단면비교및단면의스캐닝이미지 소프트웨어상에있는평면처리기능을이용하여특정 Station 영역의단면을선택하면그부근의 2차원이미지와함께미굴, 여굴상태를칼라로표현된이미지를얻을수있으며이를등고선형태로표현할수도있다. 이를통하여현장에서측정된데이터를등고선형태로변환하여그림 14에나타냈는데, 빨간색부분은여굴부분을나타내며, 파란색부분은미굴부분을나타낸다. 그리고녹색부분은미굴이나여굴이거의없이설계단면과거의비슷하게굴착된부분을의미한다. 이번시험에서는현장여건상최종숏크리트타설면만스캐닝하였는데실제현장에서 3차원레이저스캐너를시공관리용도로사용할때는굴착직후, 숏크리트타설후에스캐닝을수행함으로써숏크리트와라이닝의시공물량을측정할수있을것이다. 특정시점에서스캐닝된데이터로만든곡면 1과, 일정시간이지난후에스캐닝된데이터로만든곡면 2를서로겹쳐서비교하면일정시간동안발생한천단변위, 내공변위를파악할수있다. 따라서 그림 15. 다른시점의스캐닝데이터비교를통한미굴, 여굴및내공변위산출 172 한국터널지하공간학회논문집

3 차원레이저스캐너를활용한터널시공관리 별도의계측과정없이스캐닝만으로만터널의변형을측정할수있다. 실제터널현장에서는터널천단과측벽부에표적을부착한후에광파기를통해위치를측량하여내공변위를측정하는데, 3차원레이저스캐너를이용하여스캐닝하게되면광파기로표적을측량하는과정이필요치않기때문에스캐닝하는시간으로인하여공기지연은발생하지않을것으로판단된다.

15 3 차원레이저스캐너를활용한터널시공관리 별도의계측과정없이스캐닝만으로만터널의변형을측정할수있다. 실제터널현장에서는터널천단과측벽부에표적을부착한후에광파기를통해위치를측량하여내공변위를측정하는데, 3차원레이저스캐너를이용하여스캐닝하게되면광파기로표적을측량하는과정이필요치않기때문에스캐닝하는시간으로인하여공기지연은발생하지않을것으로판단된다. 철도터널현장에서스캐닝을한번수행하여데이터를획득하고 23일후에스캐닝을수행하여터널의천단및측벽의변위를비교하여그림 15에나타냈다. 첫번째숫자는설계단면과굴착면과의미굴 여굴량을나타내며, 두번째숫자는설계단면에수직방향으로의이전스캐닝데이터와현재스캐닝데이터의차이인내공변위를의미한다. 비교결과약 23일동안천단에서 16 mm, 우측벽 25 mm, 좌측벽 2 mm가발생한것을확인할수있었다. 결과에서볼수있듯이우측벽에서 25 mm의변위가나타났지만우측벽보다약간상부에서는 66 mm의변위가나타났다. 일반적으로허용되는변위기준치보다좀더큰것으로판단되며, 터널안정성에영향을끼칠것으로생각된다. 즉기존의측량방식은천단변위와내공변위만파악할수있으나, 3차원레이저스캐너를이용하면전체적인단면에서의변위를파악할수있으므로터널의안정성을평가하는데좀더도움이될것으로판단된다. 다만본연구에서사용된스캐너의정밀도가 6 mm이고기준점보정에대한과정에서발생하는오차로인하여내공변위의정밀한측정에는어려움이있음으로이에대한고려가수반되어야한다. 라이닝타설중인터널현장에 3차원레이저스캐너를이용하여라이닝표면에대한스캐닝을수행하였다. 실제현장에서는터널내부는어둡기때문에육안으로라이닝표면에서균열, 백태, 누수등을찾기어려우나, 스캐닝데이터를이용하여보다쉽게라이닝단면에서백태, 누수를파악할수있었다. 터널단면에물이있는경우레이저반사강도가약하기때문에속성정보로변환시어두운색으로변환되서표시되기때문에어두운부분은누수로파악할수있으며, 백태의경우콘 그림 16. 라이닝단면을통한백태, 누수검출 Vol. 13, No. 3, May

16 (a) 흑백이미지 (b) 컬러이미지 그림 17. 개발된소프트웨어 (Mextunnels) 에서구현된가상현실화면 크리트가흰색으로변질되어있기때문에흰색의특성상반사강도가강하고속성정보로변환시밝은색으로표시되기때문에백태로파악할수있다 ( 그림 16). 또한스캐닝데이터이외에카메라등의영상장비를추가적으로이용하여획득된 2D 이미지와스캐닝데이터를합치는처리과정을거치면균열, 백태, 누수의좀더정확한상태를파악할수있는데, 현장여건상조명시설로인하여추가적인영상장비를활용하기어려웠다. 다만현재개발된소프트웨어는사용자가수동으로균열, 백태, 누수를찾아야하기때문에전문가가아닌경우에는이를찾기가다소어려운단점이존재하기때문에추후에스캐닝데이터로부터자동으로균열, 백태, 누수를찾아주는기능을개발할예정이다. 현장에서얻은터널종방향길이별스캐닝파일은개별적으로저장되어, 일일이단면별로터널의상태를관찰하는것은시간이많이소요되는단점이있었다. 따라서실제터널종방향으로걸어가면서터널을관찰하는형태로표현된가상현실기능을이용하여, 개별적으로저장된모든스캐닝파일을열어보지않고필요한곳 ( 균열, 백태, 누수가관찰된곳 ) 만스캐닝파일을열어볼수있었다. 이기능을이용하여터널의전체적인상태를파악하는데 80 m 구간을살펴보는데있어서약 2분정도의시간이소요되었다 ( 그림 17). 8. 결론 본연구에서는 3D 레이저스캐너를이용하여얻어진고용량데이터를빠르게처리할수있도록 터널현장에적합한데이터베이스프로세스를구축하고, 이를터널현장에적용하여시공관리에활용 할수있는소프트웨어를개발하였다. 이상의연구로부터얻어진주요내용을요약하면다음과같다. 174 한국터널지하공간학회논문집

17 3 차원레이저스캐너를활용한터널시공관리 1. 3D 레이저스캐너로부터얻어지는스캐닝데이터파일을분석하고종방향으로길이가긴터널특성을고려하였다. 따라서종방향길이에따라서데이터를관리하도록터널현장에적합한데이터베이스를구성하였다. 또한다수의스캐닝파일을중간과정을거쳐서적은메모리로동시에신속하게처리할수있는데이터베이스를구축하였다. 2. 설계정보와스캐닝데이터로부터터널특성에적합한데이터베이스를구축하고이를비교함으로써터널의단면및변형형상을볼수있는소프트웨어를개발하였다. 3. 터널현장에스캐닝을수행하고본연구에서개발된소프트웨어를적용하여숏크리트면에대한스캐닝을통해미굴 여굴을판단하고실제소요될라이닝물량을계산할수있었으며, 시간에따른터널전체단면에대한내공변위를구할수있었다. 또한스캐닝데이터의외관이미지를이용하여라이닝표면의백태 누수를검출하였다. 이는터널의시공관리및유지관리에기여할것으로판단된다. 감사의글 본연구는국토해양부건설기술혁신사업의 첨단센서기반의대형건설현장실시간시공관리 기술개발 연구비지원 (09 기술혁신 E05) 에의해수행되었습니다. 참고문헌 1. 곽영주, 장용구, 강인준 (2005), 사면재해평가의 3 차원스캐닝기법적용, 한국지형공간정보학회논문집, 제 13 권, 제 2 호, pp 김인섭, 임수봉 (2007), 터널굴착시 3 차원레이저스캐너에의한내공단면측량에관한연구, 대한토목학회논문집, 제 27 권, 제 4D 호, pp 노태호, 김진수, 이영도 (2008), 지상레이저스캐닝자료를이용한터널단면관리시스템개발, 한국지리정보학회지, 제 11 권, 제 1 호, pp 사공명, 문철이, 이준석, 황선근, 김병홍 (2006), 3D 레이저스캐너기반의터널스캐너개발, 한국터널공학회논문집, 제 8 권, 제 4 호, pp 사공명, 문철이, 윤정숙, 이준석 (2007), 유도주행장치에탑재된레이저기반의터널스캐닝시스템, 한국터널공학회정기학술발표대회논문집, 서울, pp 이강현, 허인욱, 한병원, 이인모 (2010), 3 차원레이저스캐너의고용량데이터처리및터널현장적용연구, 한국방재학회정기학술발표대회논문집, 서울, pp Vol. 13, No. 3, May

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