은(Ag+)을 이용한 persulfate 활성화 및 유기오염물질 분해 연구

장하이롱 안동대학교 2016 국내석사

20세기 이후 급격한 산업화와 고도화로 인하여 다양한 화학물질이 개발 및 사용되었으며 공업, 농업, 의료, 교통, 주거환경 등 인간의 생활권 전반을 윤택하게 하였다. 그러나 화학물질의 과다사용, 무단배출 및 유출사고 등의 경로로 환경매체로 유입되어 환경오염을 유발하고 있으며, 일부 지역에서는 인간과 생태계에 유해한 영향을 초래하고 있다. 환경 매체는 수질(하천, 호소, 해양 등), 대기(실내, 실외), 토양(지하수)으로 구분될 수 있으며, 각 매체에 따라 오염물질의 작용 및 처리기술 등이 크게 달라진다. 특히 토양-지하수 오염의 경우에는 자연적 저감을 기대하기 어려우며 또한 처리에 많은 시간과 노력이 요구된다. 지난 30여년간 유기오염물질에 대한 토양-지하수 오염은 큰 문제로 대두되어 왔다. 현재까지 많은 오염지역이 복원되었음에도 수천 곳 이상의 오염지역이 남아있으며1), 매년 수천 곳의 오염이 발생하고 있는 것으로 알려져 있다2). 지난 20여년간 다양한 새로운 기술들이 개발되었으나, 일부 오염지역에서는 여전히 효과적인 처리가 이루어지지 않고 있는 실정이다. 토양-지하수오염 복원기술은 매우 다양하며, 크게 물리적, 화학적, 생물학적 처리방법으로 구분할 수 있다 (Table 1-1) 3). 아울러 각 처리공법은 기술적 장, 단점 또는 경제적 특성을 가지므로 오염물질의 종류와 농도, 토양 및 지하수의 물리, 화학적 특성, 오염부지의 사회적, 환경적 특성 등을 고려하여 실제 오염부지에 적용된다. 물리-화학적 토양오염복원기법 고형화 및 안정화(solidification/stabilization) 토양증기추출법(soil vapor extraction) 공기주입확산법(air sparging) 토양세척법(soil washing) 토양세정법(soil flushing) 동전기법(electrokinetic separation) 투수성반응벽체(permeable reactive barriers) 열처리법(thermal treatment) 자연저감기법(monitored natural attenuation) 원위치화학적산화법(in-situ chemical oxidation) 생물학적 토양오염복원기술 생물학적통풍법(bioventing) 토양경작법(land farming) 원위치생물복원법(in-situ bioremediation) 식물복원기법(phytoremediation) Table 1. 주요 토양-지하수 오염복원공법 3) 1.1 원위치화학적산화법(In-situ Chemical Oxidation, ISCO) 다양한 토양-지하수 오염복원기술 가운데 원위치화학적산화법(In-situ Chemical Oxidation, ISCO)은 유기오염물질에 대하여 신속하고 광범위한 적용이 가능하며 4-8), 비교적 간단하게 오염공정을 설계할 수 있다. 일반적인 처리 개념은 Figure 1.1과 같이 구성할 수 있다. ISCO는 일부 선진국을 중심으로 다수의 연구 및 기술개발이 수행되었으며, 미국의 경우 superfund site를 통하여 많은 현장적용 사례를 찾을 수 있다 4). ISCO에서 주요하게 사용 되는 산화제로는 과산화수소(H2O2), 과망간산(MnO4-), 오존(O3), 과황산(S2O82-) 등이다. 각각의 산화제는 반응성, 안정성, 산화력 등 물리, 화학적 장, 단점을 가지며, 이에 공학적 이용 시 다양한 고려사항을 가지고 있다. 과산화수소의 경우 그 자체로도 강력한 산화제이나, 철 이온(Fe2+, 또는 Fe3+)의 촉매 반응을 이용하여 수산화라디컬(˙OH)을 생성하는 펜톤 반응 (Fenton’s reaction) 9)을 유도하여 유기오염물질을 분해하는 기술이며 활성화 반응은 아래 식 (1)과 같다. Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH- + ˙OH (1) 펜톤 산화법에서 발생되는 수산화라디컬은 매우 강력한 산화력을 가짐은 물론 다양한 유기오염물질과 높은 반응성을 가진다 (Table 2). 또한 산화제의 분해산물에 의한 오염을 고려할 필요가 없으며, 사용되는 촉매 또한 철 이온을 이용하므로 매우 친환경적인 산화제로 평가된다. 그러나 토양-지하수환경에서 토양 내의 철 이온과 반응하여 과산화수소가 활성화 반응이 시작하며, 또한 연쇄반응을 통하여 과산화수소가 스스로 분해 되는 문제점을 가지고 있다. 이에 토양 내 오염지역에 도달하기 전 다량의 과산화수소 소모가 이루어지게 되며, 주입되는 산화제의 양에 의한 경제적 문제 또는 효과적인 처리가 이루어지지 않는 기술적 문제점을 가지고 있다. 과망간산을 이용한 산화법은 ISCO에서 가장 전통적인 방법으로 토양 내에서의 높은 안정성과 현장적용 시 공학적 편리함이 가장 큰 장점으로 들 수 있다. 그러나 좁은 범위의 유기물질과 반응하는 것이 문제점으로 들 수 있다. 오존은 가스 형태로 주입되는 산화법으로써 높은 산화력을 가지며, 불포화수대 토양의 유기오염 처리에 효과적이다. 그러나 오존은 쉽게 분해되며, 물에 대한 용해도가 낮아 지하수 또는 포화지역의 오염 처리에는 제한적이다. 또한 다른 ISCO공법에 비하여 초기 시설비가 과다하게 소요되며, 안전상의 주의가 요구된다. 과황산은 최근에 ISCO에 적용된 산화제로써 2000년대 이후 미국의 ‘Superfund’ 지역의 복원을 중심으로 일부 적용되기 시작하여 일부 토양 복원업체를 중심으로 사업화가 이루어진 상태이다 4).   Figure 1. ISCO 공정도, A) 지하수 오염복원, B) 토양 오염복원 1.2 과황산의 특성 과황산은 기존의 산화제(과산화수소, 오존, 과망간산 등)와 비교하여 토양 내에서 더욱 효과적인 산화제로 평가된다. 과망간산에 비하여 더 많은 유기오염물질에 대하여 높은 반응성을 보여주며, 과산화수소에 비하여 토양 내에서 매우 안정하다. 또한 오존과 비교하여 지하수나 포화수대의 유기오염물질의 처리에도 효과적이다. 즉 기존의 산화제들이 가지는 주요 문제점들을 전반적으로 개선할 수 있는 산화제로 평가할 수 있다. 과황산은 2.01 V의 표준산화전위를 가지는 산화제이며 (식 2), 이는 과산화수소, 과망간산에 비해 높으며, 오존에 비해 조금 낮은 정도이다 (Table 3). 또한 일부 유기오염물질과 직접적으로 반응하는 것으로 알려져 있으나, 유기오염물질 분해속도는 비교적 느린 것으로 알려져 있으며, 반응물질의 범위도 넓지 않은 것으로 알려져 있다5-6). S2O82- + 2e- → 2SO42- (2) 그러나 과황산 활성화 반응을 통하여 2.5 V의 표준산화전위를 가지는 강력한 활성종을 발생시킬 수 있으며, 이 때 발생되는 활성종에 의해 다양한 유기오염물질을 빠르게 분해 할 수 있다고 알려져 있다7-8, 11). S2O82- + activator → 2SO4-‘ (or SO4-‘ + SO42-) (3) Table 2. ISCO 주요 산화제의 공학적 특성3) Oxidant Reactive Species Form Persistence Permanganate MnO4- Powder/liquid > 3 months Hydrogen peroxide OH∙, O2∙, OH2∙, OH2- Liquid minutes – hours Ozone O3, OH∙ Gas minutes – hours Persulfate SO4-· Powder/liquid hours – weeks Table 3. 주요 산화제의 표준산화환원전위 10) Chemical species Standard redox potential (V) Relative strength (chlorine = 1) Hydroxyl radical(OH.) 2.8 2.0 Sulfate radical 2.5 1.8 Ozone 2.1 1.5 Sodium persulfate 2.0 1.5 Hydrogen peroxide 1.8 1.3 Permanganate(Na/K) 1.7 1.2 Chlorine 1.4 1.0 Oxygen 1.2 0.9 황산 라디컬은 짧은 발생시간 동안 유기오염물질을 강력하게 산화시킬 수 있다. 또한 염화에틸렌, 클로로페놀, PAHs, VOCs와 같은 넓은 범위의 유기오염물질을 분해할 수 있다11). 황산 라디컬은 친전자성 물질이므로 아미노기 (-NH2), 수산화기 (-OH), 알콕시기 (-OR)과 같은 electron-donating groups을 가지는 물질과 반응하는 경우 반응속도는 더욱 증가하게 되며, 이와는 반대로 electron withdrawing groups을 가지는 나이트로기 (-NO2), 카르보닐기(C=O)와 반응하는 경우 그 반응속도는 느려지는 것으로 알려져 있다5). 초기 과황산 연구에서는 염소의 존재가 반응속도를 느리게 한다고 여겨졌으나, Bennedsen 등의 2012년 연구에서 염소나 탄산염에 의한 반응속도에의 특별한 영향은 없다고 보고하고 있다11).   1.3 과황산 활성화법과 ISCO의 적용 대표적인 과황산 활성화 방법으로는 열, 빛, 염기조건, 전이금속을 이용하는 방법이 있으며, 그 반응식은 아래 식 4-7과 같이 알려져 있다12-25). 최근에는 자연적으로 존재하는 금속산화물을 또한 활성화 반응을 유도할 수 있는 것으로 알려져 있다26). 그러나 최근까지도 명확한 활성화 매커니즘은 밝혀지지 않은 것으로 평가된다4, 11). 발생된 황산 라디컬은 다른 화학종과 연쇄반응을 일으킬 수 있으며, 물환경에서 식 8-9와 같이 물 또는 수산화 이온과 반응하여 수산화 라디컬을 발생시킬 수 있다. 이는 용액의 pH에 크게 영향을 받게 된다. 산성영역의 pH에서는 황산 라디컬이 우점종이며, 염기성영역의 pH에서는 수산화 라디컬이 우점종이 된다4). S2O82- + heat/UV → 2SO4-• (4) S2O82- + 2H2O + OH- → HO2- + 2SO42- + 3H+ (5) HO2- + S2O82- → SO4-• + SO42- + H+ + O2-• (6) S2O82- + Mn+ → SO4-• + SO42- + Mn+1 (7) SO4-• + H2O → OH• + SO42- + H+ (8) SO4-• + OH- → OH• + SO42- (9) 기존의 활성화 방법들은 각각의 장단점을 가지고 있으며, ISCO에 적용하는데 있어 여러 한계점 가지고 있다. 광활성화법 (photo activation)은 식 4와 같이 라디컬 발생이 효율적이며 반응속도 등 운전이 용이하며, 다양한 데이터가 축적되어 있다. 그러나 지중에서 활성화를 유도하는 것은 거의 불가능하며, 지상에서 활성화하여 주입하는 경우 활성종이 오염지역에 주입되기 전에 다량 소모되는 문제를 가지고 있다. 열적활성화법 (thermal activation) 또한 라디컬 발생이 효율적이나 지중에서 적용하는 경우 비효율적 에너지가 소요되며 또한 토양환경에 열오염을 야기할 수 있다. 염기적활성화법 (base activation)은 토양환경에는 비교적 쉽게 적용할 수 있으나 식 5-6과 같이 라디컬 발생 효율이 낮으며, 또한 토양의 pH가 변하여 토착미생물 사멸 등 2차 오염이 염려되는 기술이다. 전이금속 활성화법 (transition metal activation)은 식 7과 같이 과황산 활성화를 유도할 수 있다. 전이금속을 활성화제로 사용하는 경우 토양환경에 적용이 용이하며, 사용되는 대표적 전이금속인 2가 철 (Fe2+)에 의한 환경적 영향도 크지 않아, 현재 ISCO에 적용하는 대표적인 활성화법이다. 그러나 2가 철은 촉매가 아닌 반응물로 작용하여 지속적인 주입이 요구되며, 활성화 반응 초기에 과황산이 과소모 되는 문제점을 가지고 있다. 따라서 최근에는 EDTA 등과 같은 킬레이트제를 같이 주입하여 전이금속의 반응성을 낮추어 과황산 과소모를 예방하기도 한다. 그러나 주입되는 킬레이트제에 의한 2차오염 문제와 경제적 부담을 동시에 가지고 있는 실정이다. 가장 최근에 연구된 활성화 방법으로 영가철 (zero valent iron)을 이용한 과황산 활성화법은 토양환경에 적용하기 적합한 기술이며, 기존의 투수성 반응벽체 (Permeable Reactive Barriers, PRBs)와 병행하여 사용이 가능하여 향후 적용성이 매우 큰 기술로 평가할 수 있다. 그 매커니즘이 명확하지 않으나, 용출되는 2가철에 의한 활성화 반응은 명확한 메커니즘 가운데 하나이다 (식 7). 즉 영가철이 2가철 발생원이 되며, pH 조절에 의해서 반응속도 제어가 가능하다. 그러나 낮은 pH 조건에서는 2가 철 이온이 다량으로 용출되어 과황산 과소모가 일어나게 된다. 이외에도 초음파(sonification)를 이용한 활성화 방법과 Cu, Mn 등의 금속이온, 그리고 토양 내의 마그네타이트, 헤마타이트와 같은 철 산화물을 이용한 활성화 방법 등이 있다. 그러나 대부분 초기 연구수준이며, 과황산 활성화 효율 또는 오염물질 제거 속도가 비교적 낮은 것으로 알려져 있다.   1.4 은 이온(Ag+)를 이용한 과황산 활성화 과황산은 활성화 반응은 은 이온에 의해서도 가능하며, 활성화 메커니즘은 앞서 기술한 전이금속 활성화법과 같으나 많은 연구가 이루어 지지 않은 활성화법 가운데 하나이다. 활성화 반응은 아래 식 10과 같으며, 식 10-15와 같이 개시반응 및 라디컬 전달 연쇄반응이 이루어지며, 식 16-17과 같이 라디컬의 재조합 반응으로 연쇄반응이 종료된다27-28). Ag+ + S2O82- → SO4-• + SO42- + Ag2+ (10) Ag+ + S2O82- → 2SO42- + Ag3+ (11) Ag+ + Ag3+ → Ag2+ (12) SO4-• + H2O → HSO4- + OH• (13) Ag3+ + 2H2O → 2OH• + Ag+ + 2H+ (14) Ag2+ + H2O → OH• + Ag+ + H+ (15) 2OH• → H2O2 (16) 2H2O2 → 2 H2O + O2 (17) 은 이온을 이용한 과황산 활성화 반응은 다른 전이금속 활성화법과 몇 가지 다른 특징을 가진다. 먼저 2가 또는 3가 상태로 산화된 은 이온은 식 14-15와 같이 물 또는 다른 유기물과 반응하여 1가 상태로 환원될 수 있다. 1가 상태로 환원된 은 이온은 다시 과황산 활성화 반응을 유도시킬 수 있으며, 이는 다른 전이금속이 반응물로 지속적인 주입이 필요한 것과 반하여 촉매로써 작용할 수 있음을 의미한다. 또한 은 이온이 환원되는 과정에서 물과 반응하여 수산화 라디컬을 생성하거나 또는 유기오염물질을 직접적으로 분해 할 수 있다. 이는 기존의 전이금속을 이용한 과황산 활성화법의 근본적인 문제점을 해결할 수 있는 방법인 것과 동시에 일부 오염물질에 대하여 반응속도가 더욱 향상될 수 있다32-36).   1.5 연구목표 최근 국내외 여러 지역에서 유기오염물질에 의한 토양오염이 확인 되고 있다. 군사시설, 지하유류저장시설, 산업단지 인근부지 등이 대표적인 오염 확인지역이며, 이외에도 확인되지 않은 오염이 상당히 존재하는 것으로 추정된다. 미국 등 선진국을 중심으로 오염된 토양의 복원에 상당한 관심을 가지고 많은 복원사업을 수행 중에 있으며, 이에 경제적이며 친환경적인 토양오염복원기술의 개발이 요구되고 있다. 유기물로 오염된 토양의 복원을 하기 위해서 물리적, 화학적, 생물학적 처리 등 다양한 기술을 이용할 수 있으나, 경제적이고 빠른 처리를 위해서 ISCO는 매우 효과적인 기술로 평가 할 수 있다. ISCO에 사용 가능한 산화제 가운데 과황산은 기존의 여러 산화제가 가지는 문제점(예, 과산화수소의 토양 내 낮은 안정성, 과망간산의 유기오염물질과의 좁은 적용성 등)을 해결할 수 있는 대안으로 평가된다. 그러나 과황산은 활성화 과정에서 일부 문제점을 가진다. 지중에서 활성화 반응을 유도하기 위해 2가 철과 같은 전이금속을 사용하고 있으나, 2가철은 촉매로 작용하지 않아 지속적으로 주입해 주어야 하며, 또한 초기 과황산 과소모를 유발하여 EDTA 등 킬레이트제를 추가로 주입하여야 하는 문제점을 가진다. 따라서 본 연구에서는 기존의 활성화법이 가지는 한계점을 극복하기 위하여 은 이온을 이용한 활성화법을 연구하고자 하며, 활성화 특성을 상세히 연구하기 위하여 황산 라디컬에 반응성이 높은 아니졸 (KSO4∙- = 4.9 X 109)과 반응성이 낮은 것으로 알려진 나이트로벤젠 (KSO4∙- < 106), 그리고 대표적인 지하수 오염물질인 트리클로로에틸렌을 모델 오염물질로 하여 연구를 수행하였다.

사전수화된 토목섬유차수재의 공학적 특성

박종익 인천대학교 대학원 2009 국내석사

군 지역에서의 비점오염 특성

김종수 호남대학교 산업경영대학원 2007 국내석사

우리나라에서의 수질관리는 1980년대 중반까지 주로 도시하수, 공장폐수 등 점오염원에 치중한 나머지 유역 전반에 걸쳐 발생되는 비점오염원에 대해 관심을 기울이지 못하고 적절히 관리되지 못했다. 근대화이후 우리나라는 끊임없는 도시와, 산업화의 진전으로 토지개발이 가속화되고 비점오염원이 수질에 미치는 영향도 커졌으며 비점오염원의 중요도가 증가되었다. 정부에서도 2004년 3월 정부합동으로 “4대강 비점오염원 관리 종합대책”을 수립하여 비점오염원을 제도적으로 관리하게 되었다. 군부대는 다수가 상수원지역에 위치하고 군의 특성상 부대공사, 훈련, 작전시 불가피한 자연훼손 발생이 가능하고 병영생활로 인한 대규모 환경오염 유발요인이 상존하고 있다. 이러한 환경오염을 인식한 군은 국제적인 환경보전 움직임에 적극적으로 부응하기 위하여 환경정책을 강화시켜 나가고 다양한 환경오염 방지활동을 위해 노력하여 왔으나 아직까지 비점오염원에대한 인식이 확산되어있지 않고 비점오염원의 발생을 억제하거나 확산을 방지하기 위한 대책이 마련되지 않았다. 따라서 본 연구는 군 지역에서의 비점오염의 발생유형을 크게 진지 / 훈련장 지역, 집단 거주 지역, 군에서 운용하는 각종 정비공장 및 병원 등의 전투근무지원시설지역, 기타지역으로 구분하여 비점오염원 관리방안을 제시하고자 하였다. 진지 및 훈련장은 주로 산지에 위치하므로 토사유출을 최대한 억제해야 하고 토양침식이 많은 지역은 인공습지, 저류지 등 비점오염물질 저감시설을 설치하여 훈련장으로부터 배출되는 오염부하량 저감시켜야 한다. 집단 거주 지역은 불투수층의 면적을 줄이고 유출수는 습지를 통과하도록 함으로서 수질개선과 경관개선의 효과를 동시에 달성할 수 있으며 소규모 군부대 주둔지 및 격오지는 간이 오수정화시설 운용시 주기적인 여재교체 / 침전물 제거하고 갈대, 미나리, 노랑꽃 창포 등 정화식물을 식재하여 수질오염을 예방하여야 하며 특히 지자체 하수처리시설과 연계하여 처리 할 수 있도록 하수도 정비 기본계획 수립시 하수처리 구역에 포함되도록 협조하는 등 대책을 강구해야 한다. 전투근무지원 시설은 폐기물등에서 발생하는 오염물질로 인한 토양오염등의 2차오염을 방지하기 위하여 오염물질 발생지역는 불투수층으로 설계하여 오염물질이 토양에의 침투를 방지하며 강우시 유출수를 집수한후 유수분리기를 통하여 오염물질을 제거토록 하여야 한다. 공사장에서의 비점오염원 관리는 오염방지대책을 수립하여 공사계획 반영될 수 있도록 하고 토양침식의 억제, 침식발생시 토사유출 관리, 토사침전관리를 통해 오염을 최소화할수 있으며 골프장은 적정 비료와 농약의 사용을 준수하고 초기우수의 오염물질을 처리하기 위하여 저류지를 조성하여야 한다. 결론적으로 군이 환경보전을 위해 많은 노력을 기울여 왔으며 앞으로도 환경보전의 파수꾼으로서의 역할을 다할 것으로 판단된다. 그러나 군 주둔지역의 특성상 최근 군의 환경오염 실태에 대한 외부의 관심과 민원이 증가되고 있는 실정을 고려할 때 환경보전 노력의 향상이 필요하며 앞으로 그 중요도가 증가되고 있는 비점오염원에 대한 관심을 높이고 이에 대한 대책을 조기에 수립하고 준비함으로써 군의 환경보전활동에 좀 더 발전이 있었으면 한다. Today increased national and international concern for the environment, coupled with tightly national criteria, are generating increased interested in nonpoint source wastewater loading. Military areas are located in water source conservation area and the pollution in military activity increased. The characteristics of nonpoint source are divided the following. 1. In encampment and training area, the outflow control of soil is necessary, the wetland constructed for the outflow of soil and nonpoint source. 2. In living area, the impermeability area constructed for soil conservation and the scene, the constructed wetland is used for the small wastewater treatment plant. 3. In supporting area, the waste control is necessary for outflow of nonpoint source in rain. In future, the detail study on the characteristics of nonpoint source is necessary for seasonal and rainfall loading.

Development of Street Environment Evaluation Model Considering Perceptions by Statistical and Rough Sets Techniques

Wang, Weijie 원광대학교 2008 국내박사

최근 쾌적한 도시환경에 대한 관심의 증대와 삶의 질적인 향상으로 인하여 도심지의 도로환경에 대한 중요성이 부각되고 있다. 도로횡단면의 구조설계에 있어 도로의 경관은 수목대와의 조화에 따라 보행자는 물론 운전자에게 안락감과 쾌적감 등을 주는 중요한 요인이라고 볼 수 있다. 그러나 지금까지 물리적 요소나 법적 기준을 바탕으로 도로의 환경이 결정되어 보도가 개설됨으로서 보행자의 감성적인 측면은 무시되어 왔다. 그리고 발달된 인공지능기술이 수집된 자료를 더욱 유용한 정보를 추출하술 있어서 의사결정에 큰 도움이 될 것이다. 이에 본 연구에서는 보도횡단면구성요소와 이용자들이 감성인지의 관계를 규명하기 위하여 보도환경 특성에 따라 보도 이용자들의 감성인지 차이가 있을 것이라는 가정 하에 감성공학을 이용한 보도경관의 감성인지에 대한 실험을 실시하였다. 본 연구에서는 수집된 data에 대해서 아래 분석을 실시했다. 1) 요인분석과 공분산분석에 통해 감성인지data의 의미구조를 파악하고 평가적 인지와 개인속성, 보도환경 특성의 물리적 구조, 의미구조 사이의 인과관계를 규명했다. 2) 비선형주성분분석에 통해 감성인지의 pattern을 파악했다. 3) rough set theory에 통해 토목과 학생과 비토목과 학생의 평가적인지 차이를 파악했다. 4) rough set theory에 통해 보도환경의 물리적 구조와 감성인지 의미구조 사이의 인과관계를 의사결정규칙 형식으로 규명했다.

빌딩풍 해석을 위한 3차원 공간정보 생성 기법 연구

장영재 한국해양대학교 대학원 2021 국내석사

최근 고층 빌딩의 밀집지역이 많아짐에 따라 도심지의 풍환경 예측에 관한 관심도 또한 높아지고 있다. 이러한 풍환경 예측에 반드시 필요한 요소 중 하나는 도심지의 3차원 모델이다. 그러나 도심의 3차원 모델 생성의 어려움으로 인해 현재 대부분의 연구들은 정확한 도시의 환경을 재현하지 못한 모델을 사용하거나 매우 국지적인 지역에 대한 수치 시뮬레이션만으로 진행하고 있는 실정이다. 게다가 건축 구조 기준 조차 주변 환경을 고려하지 못한 단일 건물의 풍하중만을 고려하여 설계하는 등 빠르게 변화하는 3차원 도심 공간에 대한 대처가 미흡한 실정이다. 한편 GIS분야에서 3차원 공간정보는 일조권 계산, 가시면적 계산, 경사도, 토공량 산정 등 기하적인 계산을 요구하는 분야 및 재난, 환경, 자연, 기후, 토양, 산업, 행정 등 높은 활용성으로 인해 지속적인 요구가 있었으며, 이에 국토교통부에서는 ‘Vworld’플랫폼을 기반으로 전국의 건물과 구조물 등에 대해 3차원 지도를 제작하고 있다. 제작 중인 3차원 공간정보는 대부분 항공영상 기반으로 수작업으로 모델링이 진행되고 있으며, 서울과 각 광역시 등 대도시를 중심으로 제작이 시작되었지만, 여전히 많은 도시들에 대한 3차원 도시정보는 제공되지 않고 있다. 또한 셀 수 없이 많은 건물들의 외관을 손수 모델링해야하는 작업의 특성상 한정된 인력으로는 비주기적으로 변화하는 도심지의 모습이나 외곽 도시들의 모델링 등에 대한 대처는 매우 힘든 일이다. 본 연구에서는 항공영상과 대축척 수치지도를 혼합하여 최신의 3차원 모델링을 생성하기 위한 방법을 비교하고, 각 방법별 모델링 결과를 풍환경 수치 시뮬레이션에 적용하여, 모델 생성방안의 장단점 및 수치 시뮬레이션에 미치는 영향을 파악해 보았다. 첫 번쨰 방안은 고해상도 항공영상을 이용하여 정밀 수치 도화 기법을 통해 복잡한 3차원 정밀 모델을 생성하는 기법이다. 다양한 형상의 건물과 구조물에 대해 정확한 형상을 재현해낼 수 있지만 작업시간이 면적과 크게 비례하는 단점을 가진다. 두 번째 모델링 방법은 항공영상만을 이용해 입체 영상 매칭을 통해 DSM (Digital Surface Model)을 생성하고 이를 바로 3차원 모델로 변환하는 방식이다. 이 방법은 자동화된 기법으로서 빠른 시간 내에 모델을 생성 가능한 장점이 있으나, 자동화에 따른 오차의 내포가능성이 있다. 셋째로 항공사진을 활용하지 않고 국토지리정보원에서 제공하는 대축척 수치지도만을 이용한 3차원 모델링 방안이다. 국가에서 약 2년 주기로 수치지도를 제작 무상 배포 중이므로, 경제적으로 넒은 도심 지역에 대한 3차원 모델을 제작할 수 있지만 2차원 건물 형상을 기본으로 하는 수치지도의 특성 상 층수 정보만 제공되어 건물 높이를 정확히 알 수 없는 등 3차원 지형을 정밀하게 재현해 내기는 어려운 단점이 있다. 또한, 빠르게 변화하는 도심의 경우 신속하지 못한 업데이트로 인해 누락되는 건물이 발생할 가능성이 높다. 넷째로는 대축척 수치 지도 건물레이어와 항공영상으로 생성된 DSM 및 DTM (Digital Terrain Model)을 융합 활용해 모델을 생성하는 방법이다. 해당 기법은 수치지도의 2차원 건물 정보에 항공사진 DSM에서 추출된 표고 정보를 융합하여 3차원 도시 모델을 생성하는 방법이며, 표고 정보의 최신성 확보가 가능하나, 여전히 수치지도 형상에 의존하고, 누락된 건물 등에 대한 대응은 어렵다. 마지막 다섯 번째로 수치지도에서 누락된 건물 정보를 보완하기 위해 수치지도와 항공사진 DSM 간의 변화탐지 기법을 적용하여 두 자료를 비교하고 누락된 건물의 모델을 따로 추가해 주는 방안을 사용하였다. 3차원 도시모델 제작 및 풍환경 예측 적용 실험을 위해 밀집된 고층빌딩과 다양한 형상의 건축물이 공존하는 부산시 해운대구 일대를 실험 대상지역으로 선정하였다. 2019년 촬영된 항공영상과 2016년 제작된 국토지리정보원에서 제공하는 수치지도를 확보하여 실험을 진행하였다. 앞서 제시한 5가지의 공간 정보 제작 방안을 이용해 5가지의 서로 다른 모델을 생성하였으며 각 모델의 특성과 장단을 확인하였으며 일반적인 조건에서의 각 모델 별 풍환경 특성을 알아보았으며 한계상황에서의 바람의 이동과 빌딩풍의 최대풍속 등을 알아보기 위해 2020년 부산에 내습한 마이삭 태풍당시의 조건을 대입해 각 모델에 적용하여 그 특성을 파악해 보았다. 공선조건식을 이용해 직접 모델링한 3차원 모델을 기준으로 수치지도와 항공사진으로 생성된 모델들의 유사도를 알아보았으며 변화탐지 기법을 이용해 현실적인 모델을 재성성한 모델이 실제와 가장 유사한 풍환경 특성을 보이는 것을 확인하였다. Recently, as the number of densely populated areas of high-rise buildings increases, the interest on predicting the wind environment in urban areas is also increasing. One of the essential elements for predicting the wind environment is 3D building models of urban area. However, due to the difficulty of creating an accurate 3D city model, most of the current studies conducted numerical simulations with coarse models that do not reproduce the exact urban environment. In addition, many studies only consider the wind load of a single building that does not take into account the surrounding environment even by the architectural structure standards. This has been insufficient to cope with rapidly changing 3D urban spaces. In the field of GIS (Geographic Information System), 3D spatial information has been required for disaster management, environmental study, and climate analysis, etc. Therefore, the Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korea has been producing 3D models for nationwide in the 'Vworld' platform. Since most of the accurate 3D spatial information has been manually modeled using aerial images, and the production had started from large cities such as Seoul and each metropolitan city, 3D city information for other cities has not been provided. Due to limitation of the manual production, it is very difficult to cope with the irregular changes in urban areas or to produce models for local city with limited labors. In this study, we proposed methods for efficiently generating the latest 3D modeling by mixing aerial images and large-scale digital maps and compared them in perspective of building wind analysis. The modeling results from proposed methods are used and compared for the numerical simulation of the wind environment. The first proposed method is to generate a complex 3D precision model through a precision digital drawing technique using high-resolution aerial images. Accurate shapes can be reproduced for buildings and structures of various shapes, but the working time is largely proportional to the size of area and building complexity. The second modeling method is to create a DSM (Digital Surface Model) through the automated 3D image matching only using aerial images for a 3D model. This method is an automated technique and has the advantage of creating a model in a short time, but there is a possibility of geometric noises from the inaccurate matching results. Third method is to use only large-scale digital maps provided by National Geographic Information Institute in Korea. Since Korea produces and updates digital maps every two years, it is possible to economically produce a 3D model for a large urban area. But due to the nature of the digital map based on the 2D building shape, the information to accurately determine the height of the building is not enough but the floor information. In addition, there is a high possibility of missing buildings due to late map updates for a rapidly changing city. Fourth method is fusion of the large-scale digital map building layer and DSM/DTM (Digital Terrain Model) generated from aerial images. This technique is a method of creating a 3D city model by fusion of the elevation information extracted from DSM from aerial photos with 2D building information in the digital map. It is possible to secure the latest elevation information from aerial photos, but it still depends on the shape of the digital map. It is difficult to respond to missing buildings. Finally, in order to compensate for the missing building information in the digital map, a change detection technique between the digital map and DSM from aerial photos was applied. For the experiments, we selected the area of ​​Haeundae-gu, Busan, where dense high-rise buildings and buildings of various shapes coexist. The experiment was conducted with aerial images taken in 2019 and digital maps from National Geographic Information Institute produced in 2016. Five different models were created based on aforementioned methods, and the characteristics of each model were identified. Then the wind environment characteristics differences between the generated 3D models were investigated under a general simulation condition. In conclusion, the model recreated from the aerial photos and digital maps with the change detection technique show the most similar wind environment characteristics to the reference which is the manually generated model.

건설 현장 활용을 위한 모델 기반 AR 정합 기술의 성능 특성 및 현장 적용성 분석

이용주 명지대학교 대학원 2026 국내박사

스마트 건설 환경의 확산과 함께, 설계 단계에서 구축된 BIM(Building Information Modeling) 데이터를 시공 및 유지관리 단계에서 직관적으로 활용하기 위한 증강현실(AR) 기술의 중요성이 대두되고 있다. 특히 대형 토목 구조물의 정밀 시공 관리 및 검측 업무를 위해서는 가상 모델을 실제 구조물과 정확히 일치시키는 고정밀 AR 정합 기술이 필수적이다. 그러나 기존의 센서 기반 방식은 mm 단위의 정밀도를 확보하는 데 한계가 있고, 마커 기반 방식은 대형 구조물의 규모와 현장 특성상 설치 및 유지관리에 실질적인 제약이 따른다. 이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로, 구조물의 3차원 형상 정보를 직접 추적 기준으로 활용하는 모델 기반 마커리스 AR 정합 기술이 대안으로 주목받고 있다. 이 기술은 별도의 인공 표식 없이도 고정밀 정합이 가능하다는 이론적 강점을 지니나, 실제 야외 건설 현장을 대상으로 한 적용성 검증과 성능 평가 방법론은 아직 미비한 실정이다. 기존 연구들은 주로 통제된 실험실 환경이나 소형 객체에 국한되어 수행되었으며, 대형 구조물이 위치한 야외 환경의 복합적인 변수들이 정합 성능에 미치는 영향을 체계적으로 규명한 연구는 부족하다. 이에 본 연구는 대표적인 대형 토목 구조물인 철근 콘크리트 교각을 대상으로, 모델 기반 AR 정합 기술의 성능 특성과 현장 적용성을 실증적으로 분석하였다. 특히 야외 현장에서의 절대 참값 확보가 구조적으로 어려운 현실적 제약을 고려하여, 실험실 환경과 실제 현장을 연계하는 단계적 이원화 평가 전략을 수립하고 이를 적용하였다. 연구의 첫 단계에서는 정밀 모형을 활용한 실험실 환경에서의 실험을 통해 정합 알고리즘의 초기화 및 추적 단계에서의 거동 특성을 정량적으로 분석하였다. 초기 위치 및 회전 오차를 체계적으로 제어하며 정합 성공률, 재투영 오차, 영역 중첩도를 분석한 결과, 모델 기반 AR 기술이 초기 조건에 대해 높은 비선형성과 민감도를 지니며, 수렴 영역으로의 진입 여부가 전체 성능을 좌우하는 핵심 요소임을 규명하였다. 두 번째 단계에서는 실제 교각 구조물을 대상으로 한 현장 실험을 통해 야외 적용성을 평가하였다. 정적 관찰, 근·원경 이동, 시점 전환 등 사용자 행동 기반 시나리오를 적용하여 분석한 결과, 통제된 환경에서의 잠재적 성능이 유지되는 것을 확인했으나 객체 폐색의 영향으로 상당히 저하될 수 있음을 확인하였다. 특히 초기화 실패, 오차 고착화, 시야 이탈 시의 재초기화 필요성이 현장 운용의 주요 난제임을 실증적으로 밝혔다. 아울러 본 연구는 고정밀 참값 확보가 불가능한 야외 환경에서도 정합 품질을 객관적으로 평가할 수 있는 현실적 대안으로, 재투영 오차와 영역 중첩도를 활용한 투영 기반 성능 평가 방법론을 제시하였다. 이는 3차원 절대 좌표 기반의 이상적인 데이터 환경을 전제로 하지 않으면서도, 실제 사용자가 인지하는 시각적 정합 품질을 정량적으로 검증할 수 있는 실효성 있는 평가 기준을 제공한다. 종합적으로 본 연구는 모델 기반 AR 정합 기술을 실험실 수준에서 벗어나 야외 건설 현장이라는 극한 환경으로 확장하여 그 성능 특성과 한계를 체계적으로 규명하였다. 또한 현장에서 신뢰할 수 있는 데이터를 확보하기 위한 정량적 평가 기준과 실무적 운용 가이드라인을 제시함으로써, 모델 기반 AR 기술이 스마트 건설의 실질적인 도구로 활용되기 위한 공학적 기반을 마련하였다. 본 연구의 결과는 향후 하이브리드 정합 프레임워크, 지능형 영상 분석, 드론 기반 구조물 점검 등 관련 분야의 확장 연구에 있어 중요한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

오염하천 생태계 관리를 위한 생태정보학 기반 통합수질지수 연구

최정혜 한국해양대학교 대학원 2008 국내박사

A significant amount of various wastewaters including domestic and industrial wastewaters was increasingly discharged into the environmental since 1980s in South Korea which experienced a rapid population growth and a fast industrialization and urbanization, causing a serious ecological perturbation and destruction in aquatic ecosystems. Physico-chemical parameters have been conventionally used to monitor water quality, and then biological indicators were introduced to monitor water qualities in the late 1970s for streams, lakes and other water bodies (Wang, 2001). One of the major limitations in management of water quality in the field is that the management is performed based on maximum allowable concentration levels for control parameters, and a number of biological indicators which reflect a limited information of biological influences caused by the pollution. Physico-chemical monitoring of aquatic environments is effective in providing a rapid and specific information for water quality management but it has a significant limitation in demonstrating an overall status of an aquatic ecosystem affected by the exposure of biological communities to the various pollutants. Therefore, it will be necessary to develop an intergrative water quality index which makes possible a comprehensive analysis of water quality based on an understanding of ecosystem function on spatial and temporal scales. The purpose of this study was to develop an integrative water quality index for the management of stream ecosystems. In order to effectively evaluate the water quality for the ecosystems, it will be necessary to combine physicochemical parameters and biological parameters complementarily, which may comprehensively represent the quality of the ecosystem. This study, therefore, focused on development of an integrative water quality index that took into account the community structures of producers (algae), consumers (macro-invertebrates) and degraders (microorganisms) and their environmental factors as the ecosystem components. Data for the biological and environmental parameters were periodically collected from 21 sites in the five different pollution sources (domestic sewage, farming, livestock, industry and restoration sites). The biological parameters included population densities of algae, macroinvertebrates and microorganisms, and the environmental parameters were atmospheric temperature, water temperature, pH, conductivity, DO, BOD, turbidity, water depth, flow rate, COD, TOC, T-P, T-N and NO3--N. The microbial community analysis was performed by PCR-DGGE (denaturing gradient gel electrophoresis) of amplified 16S rDNA fragments. Total data collected were 3,289 (13 items × 253 sites) for the environmental parameters, 21,505 (85 family × 253 sites) for macro-invertebrates, 29,095 (115 species × 253 sites) for microorganisms and 15,180 (60 species × 253 sites) for algae. All the environmental and biological parameters were first processed through SOM analysis to pattern the complex ecological data sets. SOM patterning of sampling sites using macroinvertebrate densities as an input showed generally a good correlation between the site pollution status and their relevant species while there was little correlation in case of microorganisms and algae. In fact, the macroinvertebrate community was clustered according to the pollution gradient while microbial and algal communities appeared to cluster on a seasonal basis. The SOM analysis was also performed for the representative indices calculated from these taxa data. This procedure was necessary to obtain an essential data useful for development of the integrative water quality index. The correlations between macroinvertebrate and algal communities were significant to a certain level while the microbial community showed little correlations with the other taxa. The correlation analyses between environmental parameters and the three taxa indicated that each taxon reflected the water quality independently. Microbial index has been barely developed and the microbial populations showed little correlations with the environmental parameters in this study, which made difficult the development of the index. To circumvent this problem, an attempt has been made to develop a microbial water quality index that could represent the environmental status. For development of the index, microbial populations which could well represent the environmental status were first selected and characterized based upon multi-variate analysis (factor analysis) and the probability model of the microbial communities. This trial, however, was not successful because of non-linear responses of the microbial populations to the environmental parameters. The factor analysis made it possible to extract a common factor out of the high-dimensional environment variables (parameters) that could well represent a pollution status of the environment. The data for the common factor were essentially classified into clean site () and relatively polluted site (), leading to a better elucidation of relationships between the common factor and the environmental parameters. Emergence patterns for the microbial populations were analyzed based on the probabilistic model derived from the microbial densities for each site. The microbial index for the water quality was developed by utilizing characters and emergence pattern of each microbial population. A water quality index based on macroinvertebrate community data was also developed in the same way. Each index developed from microbial and macroinvertebrate community data was evaluated against the measured environmental data to see if they could reflect the environmental parameters well. The evaluation results for the microbial and macroinvertebrate indices generally showed a good predictability for the water quality. However, their prediction capability becomes lower in the highly polluted area (e.g., industrial pollution sites) and the mid-level pollution (BOD, 14.65 ~ 35.08 mg/L ) sites. By the way, the microbial index was able to better predict the water quality in the extremely polluted (BOD, 44.66 ~ 76 mg/L) environment than the macroinvertebrate index. This is mainly because most of the microbial population data were collected from the clean sites and the highly polluted sites, and hence the data were less representative of mid-level pollution sites, and had more missing values than the data of environmental parameters and the other taxa. To avoid this kind of bias, it will be necessary to collect data from more diverse sites of different levels of pollution and to secure more diversified microbial populations that could represent the environmental pollution status more extensively. Furthermore, the macroinvertebrates cannot be a good indicator for the extremely polluted sites and oligotrophic sites since they could not survive at these sites. The developed macroinvertebrate index was also compared with the indices of BMWP for macroinvertebrates to test and evaluate the efficacy of the index. It was shown that the site evaluation results based upon the indices developed in this study were similar to those based upon BMWP. It was concluded that the integrative index developed in this study was able to predict the water quality in the polluted streams when compared with the conventional BMWP index of macroinvertebrates used to monitor the water quality of the stream ecosystems.

콘크리트의 염소이온 침투 저항성에 미치는 시멘트 종류 및 환경 조건의 영향

박재임 안동대학교 2008 국내석사

염해환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 내구수명을 예측하기 위하여 콘크리트의 염소이온 확산계수, 표면 염소이온량 및 임계 염화물량 등이 주요 인자로 사용된다. 이들 중 염소이온 확산계수는 콘크리트의 물-시멘트비, 재령, 사용재료, 양생조건, 주변 환경의 염소이온량 및 건습조건 등에 많은 영향을 받으며, 이에 따라 콘크리트 구조물의 내구수명이 크게 달라지기 때문에 염소이온 확산계수는 내구수명을 예측하는 데 매우 중요한 인자로 평가되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 콘크리트의 염소이온 침투 저항성에 미치는 주요 인자로서 시멘트 종류 및 환경 조건을 채택하였는데, 시멘트 종류로서 보통 포틀랜드 시멘트(OPC), 2종류의 2성분계 시멘트(binary blended cement, BBC) 및 2종류의 3성분계 시멘트(ternary blended cement, TBC)를 선정하였으며, 환경 조건으로서 표준양생과 해양폭로 조건을 선정하였다. 이 같은 시멘트 종류 및 환경 조건이 콘크리트의 염소이온 침투 저항성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 전위차를 이용한 전기화학적 촉진시험법으로서 북유럽에서 규격화되어 있는 NT BUILD 492(Chloride Migration Coefficient from Non-Steady-State Migration Experiments) 방법에 의하여 물-결합재비 32%, 38% 및 43%에 대하여 시멘트 종류 및 환경 조건에 따른 염소이온 침투 저항성을 재령별(7, 28, 91일)로 평가하였다. To predict service life of concrete structures exposed to chloride attack, surface chloride content, diffusion coefficient for chloride ion, and critical chloride content for corrosion in concrete, are considered as important factors. Of these, the diffusion coefficient for chloride ion in concrete may significantly change the service life of structures. The qualitative factors affecting the penetration and diffusion of chloride ion into concrete are water-binder(W/B) ratio, cement type and constituents, age, chloride ion concentration of given environment, wet and dry condition, etc. In this paper, the influence of cement types and environmental conditions on the diffusion characteristics for chloride ion in concrete were investigated through the chloride ion diffusion test by the Nordtest method(NT BUILD 492). For this purpose, the diffusion characteristics in concrete with several cement types such as ordinary portland cement(OPC), binary blended cement(BBC), and ternary blended cement(TBC) were measured for the concrete specimens with W/B ratios of 32%, 38%, and 43%, respectively. It was observed from the test that the resistance against chloride ion penetration increased with decreasing W/B ratio and that of TBC concrete was the most excellent of the cement types used in this study and under different environmental conditions that of standard curing concrete was more or less better than offshore exposure case in the case of same mix proportions of concrete. Furthermore, the service life of concrete structures was predicted by using the measured values of the diffusion coefficients of concrete.

주거환경개선사업지구 거주자의 의식구조와 주거환경평가에 관한연구 : 경북 상주시 낙양동 사업지구를 대상으로

이동희 금오공과대학교 산업대학원 2010 국내석사

This study focuses on the issues regarding the insignificant effects of housing improvement projects due to lack of determination among residents. To address the problem, the present study examines the consciousness of inhabitants in the area of housing improvement and their evaluation on residential environment based on a questionnaire survey. As a result, the following conclusions have been reached through the analysis in this study: 1) In terms of housing improvement projects, agreement and disagreement rates are similar. Also, respondents prefer moving in apartment houses or single family houses within five years once they join the project. Further, it is temporary housing and low-interest loans that they demand more than anything else. 2) Regarding the satisfaction with housing area, such neighborhood factors as relationship with neighbors, kindness of residents in the neighborhood, and cohesion among residents were found highly satisfactory, while the safety factors including fire, crime and traffic accident prevention facilities turned out very dissatisfactory. The results indicate that satisfaction with housing area will rise if the safety factors are improved. 3) In addition, as those who want to live in housing area are highly satisfied with houses and convenience while their satisfaction level is low in neighborhood and safety factors, it is necessary to raise the level of neighborhood and safety aspects so that existing communities among inhabitants will not fall to pieces. 4) Concerning the necessity of facilities, it was found that most of facilities except joint work-places, welfare centers and child-care centers are needed. Above all, roads, water supply and sewage systems, footpaths, and bathing facilities are required more than anything else. In particular, respondents are more willing to join housing improvement projects if roads and footpaths are repaired, which accounts for the correlation between infrastructure maintenance and the consciousness over improving housing environment. 5) With regard to the correlation between the satisfaction with housing area and the infrastructure, there is a positive correlation with the convenience of housing and the footpaths, that is, the more they are satisfied with the convenience of housing area, the more they demand footpaths. By contrast, there is a negative correlation with the safety and the roads in housing area, so the more they are dissatisfied with safety in housing area, the more they need roads. 6) It was found that respondents are hardly dissatisfied with the infrastructure except roads. In fact, roads were found very dissatisfactory. This implies that to raise the satisfaction level with housing area, it is a must to deal with the dissatisfactory aspects in relation to roads, and that road maintenance is a prerequisite task for housing environment improvement projects.

2000년대 以後의 公共아파트 建築에 나타난 親環境的 特性에 관한 硏究

윤대석 금오공과대학교 산업대학원 2010 국내석사

Public housing policy for the administrative system has been developed and influenced by government policy. Public housing policy has the purpose of proving decent, affordable, safe, and sanitary housing to low-income families to offer equal quality of living environment. To achieve the purpose of affordable housing, it is necessary to develop strategies related to "environment-friendly housing" which can integrate three key components including environmental friendliness, economic efficiency and sociality. From many environmental friendly housing strategies, this study investigated the design of road sand sidewalk, the ratio between ground and underground parking lot. In addition, this study also studied the problems associated with walking corridor, water space and the "Flat Type" layout which influenced on air ventilation and a view. From this study, it is possible to recommend environmental friendly housing strategies which can help to minimize those problems and provide environmental friendly housing. In addition, the developed environmental friendly housing strategies can apply for similar types of housing project in the future to provide better living environment to low income families.