AI 기술을 활용한 낙석 위험 평가에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

열적외선 영상은 암반 내 불연속면을 탐지하고 특성을 규명하는 데 있어 높은 잠재력을 지니고 있으나, 방사 보정 왜곡, 기하학적 불일치, 환경 잡음 등의 영향으로 정량적 활용에는 한계가 존재해 왔다. 본 연구에서는 화강암 사면을 대상으로 균열 거동과 불안정성 잠재력을 평가하기 위해, 화소 단위 방사 보정, 주·야간 온도차(ΔT) 분석, 그리고 시공간적 열–구조 해석을 통합한 완전 정량적 분석 프레임워크를 제안한다. COMAP3 기반 방사 보정 절차를 적용하여 방사율 이방성, 거리 감쇠, 대기 흡수 효과를 화소 단위로 보정함으로써, 관측 기하에 의존하지 않는 절대 표면온도를 복원하였다. 보정된 열영상은 주·야간 다중 시계열 자료를 대상으로 분석되어 ΔT 분포, 열 민감도 지수, 균열 개구 패턴을 도출하였다.
분석 결과, ±2 °C를 초과하는 ΔT 이상치는 주요 개방형 균열 및 균열 교차부와 1–2 화소 수준의 매우 높은 공간적 일치를 보였으며, 이는 열 축적 및 냉각의 불균일성이 구조적 불연속면의 직접적인 지시자임을 입증한다. 높은 ΔT 영역은 공극이 확장된 열적 차폐 균열을 의미하는 반면, 음의 이상치는 박리된 얇은 암편, 수분에 의한 증발 냉각, 또는 미세 음영면에서 기인하는 것으로 해석된다. 반복 관측 결과, 동일 균열 내에서도 시간에 따라 상이한 열 민감도를 보이는 구간이 존재함이 확인되었으며, 이를 통해 구조적으로 활성화된 균열 구간과 비활성 구간을 구분할 수 있었다. 또한 열–구조적 관계와 이론적 열팽창 계수(α≈5×10⁻⁶ °C⁻¹)를 기반으로 일일 미세 개구량은 약 0.05 mm로 추정되었으며, 이는 열 피로가 반복될 경우 소규모의 비가역 성분이 누적되어 연간 수 mm 규모의 균열 성장으로 이어질 수 있음을 시사한다. ΔT 진폭, 시간적 변동성, 균열 면적 변화를 통합한 위험지수 모델에 따르면, 전체 암반 표면의 약 3–4%가 지속적인 분리 또는 박리 가능성이 높은 고위험 구역으로 예측되었다.
본 연구는 방사 보정된 열영상이 균열 활동성 정량화, 암반 불안정성 평가, 장기적 균열 진화 예측을 위한 신뢰성 높은 비접촉식 도구로 활용될 수 있음을 입증한다. 제안된 분석 체계는 자동화된 열 기반 재해 감시 시스템 구축을 위한 기초를 제공하며, 다양한 지질·기후 환경에서의 확장 적용 가능성을 뒷받침한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Thermal infrared imaging offers significant potential for detecting and characterizing rock-mass discontinuities; however, its quantitative application has been limited by radiometric distortions, geometric inconsistencies, and environmental noise. This study develops a fully quantitative framework that integrates pixel-level radiometric correction, diurnal temperature-difference (ΔT) analysis, and spatiotemporal thermal–structural interpretation to evaluate crack behavior and instability potential in a granitic rock slope. Using a COMAP3-based radiometric workflow, emissivity anisotropy, distance attenuation, and atmospheric absorption were corrected for each pixel, enabling the reconstruction of absolute surface temperatures independent of viewing geometry. The corrected thermal images were then analyzed across multiple daytime and nighttime sequences to derive ΔT distributions, thermal sensitivity indices, and crack-opening patterns.
Results show that ΔT anomalies exceeding ±2 °C exhibit near-perfect spatial correspondence (1–2 pixels) with major open cracks and fracture intersections, confirming that thermal retention and cooling irregularities are direct indicators of structural discontinuities. High ΔT zones represent thermally insulated cracks with enlarged voids, whereas negative anomalies originate from thin flakes, moisture-induced evaporative cooling, or shaded microfacets. Repeated observations further reveal that crack segments show heterogeneous thermal sensitivity through time, enabling the identification of structurally active versus dormant crack zones. Based on thermal–structural relationships and theoretical thermal expansion (α≈5×10⁻⁶ °C⁻¹), daily micro-opening is estimated at ∼0.05 mm, implying that a small but persistent irreversible component may accumulate to several millimeters of annual crack growth under cyclic thermal fatigue. A risk-index model integrating ΔT amplitude, temporal variability, and crack-area fluctuations predicts that 3–4% of the rock surface represents high-risk zones susceptible to continued separation or detachment.
This study demonstrates that radiometrically corrected thermal imaging can serve as a robust, non-contact tool for quantifying crack activity, assessing rock-mass instability, and forecasting long-term fracture evolution. The proposed framework provides a foundation for automated thermal-based hazard monitoring systems and supports its broader applicability across diverse geological and climatic environments.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1. 연구목적과 연구방법론 1
• 가. 연구목적 1
• 나. 연구동향 2
• 다. 연구방법론 5
• 제2장 이론적 배경 8
• 1. 낙석 발생과 암반 균열의 물리적 메커니즘 9
• 가. 낙석 발생과 암반 균열의 물리적 메커니즘 9
• 나. 환경 요인과 열팽창 반복에 의한 암반 균열 발달 메커니즘 11
• 2. 암반 균열의 열적 거동과 열화상 영상의 물리적 원리 12
• 가. 적외선 열복사와 방사율의 이론 12
• 나. 균열부와 건전 암반의 열적 특성 차이 16
• 다. 시간대별 열반응 관측의 이론적 의미 17
• 3. 열화상 영상의 공간적 한계와 영상 보정의 이론적 필요성 18
• 가. 시간대별 열반응 관측의 이론적 의미 18
• 나. 지형 기복과 방사 특성 왜곡의 발생 원인 18
• 다. 열화상 영상 보정의 개념적 접근 19
• 4. 3차원 라이다 점군의 기하학적 특성과 균열 표현 가능성 19
• 가. 라이다 점군의 공간 정보 특성 19
• 나. 암반 균열의 공간적 분포와 기하학적 표현 23
• 5. 균열 탐지 및 위험 평가를 위한 인공지능 분석의 이론적 배경 23
• 가. 기존 균열 분석의 한계와 자동화 필요성 23
• 나. 영상 기반 균열 탐지를 위한 인공지능 접근의 개념 24
• 다. 다중 특성 융합과 인공지능 기반 분류의 이론적 필요성 24
• 제 3 장 열화상 기반 균열 변화 분석 결과 26
• 1. 연구 대상지 선정 및 현장 개요 26
• 2. 연구 방법 31
• 가. 시계열 열영상 로드 및 시간 정렬 31
• 나. 영상별 실제 온도 범위 설정 및 화소 온도 변환 31
• 다. 영상 정합과 열구배 기반 균열 탐지 32
• 라. 이상 프레임 자동 검출 및 제거 33
• 마. 관심영역 선택 및 국부 균열 거동 분석 34
• 바. 시계열통계 분석 및 대표 시점 선정 35
• 사. 온도 변화, 미세변위 추정 및 위험도 지수 산정 37
• 3. 열화상3차원 점군 정합 및 방사율 보정 방법 40
• 4. COMAP3 확장 및 인공지능 통합 기반 낙석 위험 평가 방법론 42
• 가. COMAP3 기반 열화상점군 정합 알고리즘의 확장 43
• 나. 열변위 추정 및 환경 변수 보정 모듈 43
• 다. 인공지능 기반 균열 탐지 및 낙석 위험도 분류 44
• 라. 기존 COMAP3 적용 사례 대비 본 연구의 방법론적 확장 45
• 5. 연구 대상지 및 현장 자료 취득 개요 46
• 6. 데이터 보정 및 정합 52
• 7. 열영상 기반 균열 특성 분석 결과 56
• 가. 최소 균열 면적 시점의 열적구조적 특성 분석 57
• 나. 중간 균열 면적 시점의 열적 반응 분석 60
• 다. 최대 균열 면적 시점의 열적 활성도 평가 63
• 라. MINMEDIANMAX 기반 균열 열구조 거동의 종합 비교 분석 66
• 8. 열적 이상 영역 분석 76
• 9. 크랙 미세변위 추정과 위험도 평가 87
• 제 4 장 열반응 특성과 균열 변위의 정량적 해석 및 위험성 고찰 94
• 1. 열화상 기반 주야간 온도차 분석의 신뢰도 및 한계 94
• 2. 열적 이상과 균열 구조의 상관성 96
• 3. 일교차 유발 열변형과 균열 변위의 정량적 비교 98
• 4. 균열 개구 패턴의 시공간적 변동성 100
• 5. 위험도 평가 및 장기 예측 102
• 가. ΔT 기반 단기 위험도 평가 102
• 나. 열기반 미세변위와 누적 변화에 따른 중기 위험도 평가 103
• 다. 장기 예측 모델을 통한 균열 성장 가능성 평가 103
• 라. 통합적 위험도 평가의 의의 104
• 제 5 장 결 론 106
• 참 고 문 헌 108
• ABSTRACT 114