지상 LiDAR를 이용한 암반사면의 특성 및 안정성 해석에 관한 연구 = Research about the analysis of the characteristics and the stability on rock slope using terrestrial LiDAR

국문 초록 (Abstract)

우리나라 국토의 대부분 지역이 산악지형이기 때문에 국가 산업 활동의 대동맥 역할을 하는 도로 및 철로에는 수 많은 암반사면이 존재한다. 강원도 지역의 경우 대부분이 산악지형으로 되어 있어 여름철 강우가 많을 때에는 산사태가 많이 발생한다. 암반사면에서 발생하는 자연 재해 및 인재에 대한 효과적인 대처를 위해 공간정보를 데이터베이스화하여 관리 할 필요성이 크게 증가하고 있다.
암반사면의 산사태나 낙석, 사면 붕괴등의 위험을 사전 방지하려면 불연속면 조사를 해야 한다. 그러나 조사 방법으로는 현장 접근성, 조사인력 및 시간 등 한계가 있다. 암반사면의 자료를 얻었다 해도 암반사면의 현장 접근성으로 인한 일부 지역을 조사한 자료라 신뢰성에도 한계가 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 현재 가장 정밀한 3차원 공간정보를 얻을 수 있는 지상 LiDAR(Light Detection And Ranging)를 활용하여 본 연구를 수행하였다.
지상 LiDAR를 이용한 방법은 암반사면의 정확한 위치를 얻을 수 있고, 측정시간이 짧고, 대절토사면 및 접근이 불가능한 지역에서도 데이터를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 한번의 조사로 데이터를 영구적으로 보관 및 관리 할 수 있어 많은 연구자들이 컴퓨터상에서 분석, 연구, 해석되어 최상의 결과를 도출 할 수 있다.
본 연구에서는 암반사면을 지상 LiDAR를 이용하여 3차원 공간좌표(x, y, z) 값을 가지는 수 많은 점군 데이터를 취득 할 수 있다. 암반사면의 3차원 공간 좌표를 가지는 수 많은 점군 데이터로부터 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
첫째, 지상 LiDAR를 이용하여 측정된 point cloud에 카메라로 찍은 이미지를 합쳐서 3차원 형상을 구현하였다.
둘째, 기존의 암반 불연속면 측정방법인 클리노미터(clinometer)에 의해 측정된 주향(strike)/경사(dip)와 지상 LiDAR를 이용하여 측정한 주향/경사를 비교한 결과, 주향은 ±1.6° 경사는 ±0.28° 정도의 오차 범위를 확인 할 수 있었다. 이러한 측정 결과를 바탕으로 지상 LiDAR를 이용하여 측정한 불연속면의 측정방법의 정확성을 확인 하였다.
셋째, 지상 LiDAR를 이용하여 측정한 실제 암반사면의 3차원 모델을 이용하여 암반사면의 여러 가지 특성을 분석하였다. 불연속면의 방향성을 추출하고 절리면의 거칠기를 정량화하여 이방성 분석과 활동면의 거칠기 통계분석을 실시하였다.
본 연구는 향후 토목 분야에서 지상 LiDAR를 적용할 수 있다는 자료가 될 것이라 판단되며, 앞으로 더 많은 정보와 더 정확한 데이터 취득으로 토목 분야 뿐만 아니라 여러 분야에서도 활용과 응용이 가능 할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Because most of our country has mountainous topography, the road and the railway which play the role as the main arteries of the national industrial activities have numerous slopes. Because Kangwon province is composed of mountainous topography, landslide occurs frequently during heavy rainy season in summer. It is increasing the need for constructing and managing the database of the spatial data, to cope with natural disaster and man-made disaster from the slop efficiently.
The surface of discontinuity has to be researched to prevent the dangers such as landslide, rockslide, and collapse of the rock slope. However, there are restrictions such as access to the spot, man power for the research , and time in research methods. Even though the data about the rock slope are acquired, there is also the restriction with the reliability of the data, because the data will be a part of some places due to the restriction of the access to the spot. To compensate the above limitations, this research was performed using terrestrial LiDAR (Light Detection And Ranging) which can acquire the most specific spatial information of three dimensions currently.
The method using the terrestrial LiDAR can acquire the exact location of the rock slope and take short period for measurement. And it also has the advantage that it can get the data from the Large Cut Slope and the place where it is impossible to access. In addition, because the data can be stored and managed permanently through just one research, a lot of researchers can get the best results through analyzing, researching, and interpreting with the computer.
This research can acquire numerous point clouds data that have three dimensional spatial coordinates values (x, y, z) from rock slope using terrestrial LiDAR. The following results can be acquired from numerous point clouds data which have three dimensional spatial coordinates of the slope.
First, three dimensional shape can be developed after being combined the point clouds data measured using terrestrial LiDAR with the images taken by the camera together.
Second, according to the results comparing the strike and the dip measured by the clinometer, the method that measures the surface of discontinuity of the existing bedrock with those measured by terrestrial LiDAR, it is confirmed that there is the margin of the error with 1.6 of strike and 0.28 of dip. Based on the measured results, it is confirmed that the method that measures the surface of discontinuity using terrestrial LiDAR has the exactness.
Third, using three dimensional model of the rock slope measured by terrestrial LiDAR, the characteristics of the rock slope are analyzed. After extracting the direction of the surface of discontinuity and conducting quantitative analysis of the rock joint roughness, the analysis of the anisotropy and the statistical analysis of the roughness in slip surface were performed.
This research will not only be the data that the terrestrial LiDAR can be applied to in the area of civil engineering in the future, but also be applied and utilized to a variety of areas as well as civil engineering by acquiring more information and more exact data.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구배경 및 목적 1
• 2. 연구동향 3
• 3. 연구 방법 3
• Ⅱ. 기본 이론 6
• 1. 지상 LiDAR 6
• 1.1 지상 LiDAR 구성 및 원리 6
• 1.1.1 Time Of Flight Method 7
• 1.1.2 Triangulation Method 8
• 1.2 지상 LiDAR를 통한 3차원 모델링 12
• 2. GPS 16
• 2.1 절대측위 16
• 2.1.1 절대측위의 선형모형 16
• 2.2 상대측위 20
• 2.2.1 단일차(Single Differencing) 기법 20
• 2.2.2 이중차(Double Differencing) 기법 21
• 2.3 미지정수(Integer Ambiguity) 해결 21
• 2.4 OTF(On-The-Fly) 기법 23
• 2.5 기선 관측 방법 25
• 2.5.1 Static Surveying (정지측량) 26
• 2.5.2 FastStatic Surveying (빠른 정지측량) 27
• 2.5.3 Kinematic Surveying (동적측량) 27
• Ⅲ. 측량 및 자료처리 29
• 1. LiDAR 측량 29
• 1.1 조사 지역 29
• 1.2 스캔 장비 30
• 1.3 자료 취득 32
• 2. LiDAR 자료처리 34
• 2.1 Calibration 35
• 2.1.1 카메라 위치보정 36
• 2.1.2 카메라 위치보정 과정 37
• 2.2 좌표변환 41
• 2.2.1 Box를 이용한 좌표변환 41
• 2.2.2 측량 좌표를 이용한 좌표변환 45
• 2.2.3 GPS 상대측위를 이용한 좌표변환 50
• 2.3 Registration 51
• 2.3.1 측정 방법 51
• 2.4 Texture Mapping 56
• 2.4.1 Texture Mappping 방법 57
• 2.4.2 Texture Mappping 결과 58
• 3. GPS 측량 59
• 3.1 관측 지역 59
• 3.2 관측 장비 60
• 3.3 자료 취득 61
• 4. GPS 자료처리 62
• Ⅳ. 암반사면의 특성 및 안정성 해석 65
• 1. 불연속면의 방향성 조사 및 분석 65
• 1.1 불연속면의 정의 65
• 1.1.1 주향/경사(strike/dip) 65
• 1.1.2 경사/경사방향(dip/dip-direction) 65
• 1.2 불연속면의 조사이유 66
• 1.3 기존의 불연속면 측정 방법 67
• 1.4 지상 LiDAR를 이용한 측정 방법 68
• 1.4.1 불연속면의 벡터 해법 68
• 1.4.2 불연속면의 방향성 수동 추출 68
• 1.4.3 불연속면 방향성 자동 추출 71
• 1.5 측정 결과 비교 분석 73
• 2. 절리면의 거칠기 조사 및 분석 75
• 2.1 거칠기의 정의 75
• 2.2 거칠기 측정이유 76
• 2.3 기존 절리면 거칠기(JRC) 측정방법 77
• 2.4 절리면 거칠기 계수의 정량적 분석방법 78
• 2.5 지상 LiDAR를 이용한 거칠기 추출 81
• 2.6 거칠기의 이방성 분석 84
• 2.6.1 거칠기의 이방성 원리 및 측선설정 84
• 2.6.2 이방성 측정 결과 84
• Ⅴ. 결론 87
• 참고문헌 89
• 부록 94
• Abstract 104
• 감사의 글 107