Characteristics of Rock Slope Joint Using UAV

무인항공기를 활용한 암반비탈면 절리 특성 연구

Abstract

In this study, joint analysis was conducted on the rock slope by aerial surveying using UAV. Aerial photos were taken using UAV to measure the directionality of the rock slope exposed to the site, and the directionality of the joint was analyzed using the photographed photos. UAV photography was taken under conditions of 90% overlap and an altitude of 50m. The photographing path was measured in the horizontal, vertical, and oblique directions based on the slope, and the joint characteristics were analyzed. Aerial surveying research on the joint directionality analysis of rock slopes is still incomplete, and the method for accurate joint directionality analysis is not presented strategically, so it is difficult to apply it in design. Through the results of this study, we would like to propose an flight photographing technique for the investigation of rock joints. As a result of the study, in the case of the joint investigation of the rock slope using UAV, it was necessary to change conditions such as altitude, aerial photography route, and overlap according to the size of the joint according to the site conditions.

1. 서론

무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle: UAV) 를 활용한 공간정보 분야 적용 연구는 4차 산업 혁명 시대에 다양한 형태로 적용되고 있다. 최근 디지털트윈, AI, 증강현실, 자율주행자동차 등이 현실 세계에서 등장하면서 항공 촬영 기술이 일반화되는 것이 현실이다. 특히, 국토교통부, 한국국토정보공사, 한국토지주택공사 등에서는 무인항공 기를 업무에 활용하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 초기 항공 촬영은 전경 촬영, 시계열 분석 등 촬영을 통한 현황 분석이 대부분이었으나, 이제는 공간정보 분야에 다양하게 적용되는 정착기에 접어들었다고 판단된다.

무인항공기를 이용한 항공 촬영 기술은 비교적 많이 활용되는 항공측량 분야는 정착기에 접어들었지만, 그 외 다양한 분야에 적용하기 위해서는 앞으로 지속적인 투자와 연구, 활용이 시도되어야 한다. 하지만 새로운 분야 적용하기 위한 촬영 방법과 현장 조건에 따른 무인항공기 적용 방법이 따로 정립되지 않아 실무에서는 혼란이 야기되고 있는 것이 현실이다.

무인항공기를 이용한 기존 연구로 Yun and Lee(2014)는 국내에 공간정보 구축을 위한 각종 규정에 대해 조사하고, 적용방안에 대해 연구하였다[1]. Lee and Yun(2016)은 무인항공기에 규격화된 공간정보의 활용을 위하여 작업규정과 표준 품셈(안)을 제시하는 연구를 수행하였다[2]. 또한 최근 국토지리정보원에서는 공공측량 분야에 무인 항공기에서 제작한 성과물을 활용하기 위해 항공 법규의 정합성에 대해 분석하여 공공측량, 일반측량 등의 작업규정에 대한 작업지침서를 제시하였다. 또한 무인항공기 활용방안으로 수치 지형도 제작에 대한 성과 검증으로 측량 분야의 발전 방안에 대해 연구하였다.

Lee et al.(2018)는 카메라의 다양한 각도에 의 한 정사영상과 3차원 모델에 대한 정확도 분석을 통해 정사영상 제작에 대한 중요성 연구를 수행하였다[3]. Yun and Sung(2018)은 정사영상의 품질 향상을 위한 지상기준점 수에 따른 정확도 분석으로 정사영상 제작 방안을 제시하였다[4]. Yun and Yoon(2018)은 무인항공기를 이용한 항공측량 작업 시 항공촬영기법에 따른 정확도 결과를 분석하여 최적의 촬영방법을 제안하였다[5].

기존 연구를 종합해보면, 무인항공기를 통한 항공측량에서 정사영상 결과에 따른 중요성을 제시한 연구가 많이 제안되어 향후 연구 결과의 활용도는 높은 것으로 분석되었다.

따라서 본 연구에서는 암반비탈면 절리 조사를 위한 방법으로 최근 많이 활용되고 있는 항공 촬영 방법을 적용하였다. 항공 촬영 방법에 따른 결과를 이용하여 암반비탈면 절리 방향 측정의 정확도를 분석하고, 최적의 촬영기법을 제안하고자 한다.

2. 연구 방법 및 자료 분석

2.1 연구 방법

무인항공기를 이용해 암반비탈면의 절리 조사를 위해 Fig. 1과 같이 현장실험을 계획하고, 자료를 취득하여 암반비탈면 조사를 실시하였다.

Fig. 1 Flow chart of research performance

무인항공기를 이용한 암반비탈면 조사는 적용 사례가 많지 않으며, 암반비탈면의 조사에 적용하기 위해서는 다양한 연구가 이루어져야 한다. 특히, 실무 현장에서 암반비탈면 조사 시 가장 중요한 결과값은 절리의 경사/경사방향이며, 기존 실무에서는 시추조사를 통한 공내영상촬영과 기술자가 콤파스를 이용하여 직접 측정하는 방식이 주로 이용되었다. 하지만 기존 방식의 경우 시추조사가 필수이거나, 기술자의 진입이 가능한 구간 외에는 조사가 불가능한 단점이 있었다.

하지만 항공 촬영을 이용하면, 기술자의 진입이 불가능하거나, 시추조사가 불필요하여 현장 적용성은 매우 높은 것으로 판단된다. 항공 촬영을 통한 조사 시 재난, 재해에 대한 피해조사(피해 규모, 피해 현황 등)와 도심지내 옹벽, 축대 등의 안전관리에도 적용이 가능한 장점이 있어 향후 다양한 분야 적용이 가능하였다.

다양한 장점이 있는 항공 촬영법을 이용한 조사는 적용 사례가 많지 않아 정확한 조사가 이루어지지 못하고 있다. 이러한 문제 해결을 위해 본 연구에서는 비행경로, 중첩도 등의 제한된 연구 조건으로 암반비탈면 절리 조사 방법에 대한 연구를 수행하였다.

2.2 연구 대상지역

본 연구의 대상지역은 Fig. 2와 같이 경남 창원시 진해구에 있는 해안가 근처 지역으로 선정하였다. 촬영 면적은 약 500m × 50m이며, 고도차이는 비탈면 하단과 첫소단까지의 고도로 약 20m 정도 차이를 보였다.

Fig. 2 Study area (source: www.naver.com)

2.3 영상취득 및 분석 방법

본 연구에서 촬영에 사용된 무인비행체는 Fig. 3과 같이 회전익 비행체로 DJI사의 Mavic 2 Enterprise 를 이용하였으며, 사용된 카메라는 무인비행체에 기본 장착된 카메라로 촬영하였다. 카메라의 영상 해상도는 48만화소(8000×6000)이며, FOV는 84°이다.

Fig. 3 Mavic 2 enterprise

촬영고도는 50m로 촬영하였으며, 촬영 영상의 중복도는 90%를 적용하였다. 촬영 경로는 비탈면의 가로방향과 세로방향, 사선방향으로 촬영하였다. 카메라는 절리 방향성 측정을 위해 60°의 각도로 촬영하였다.

촬영된 영상의 처리는 Pix4D를 통해 전처리를 실시하였으며, 절리 방향성 측정은 국내에서 개발된 Smart Construction을 이용하여 절리 방향성을 분석하였다. 국내에서 개발된 Smart Construction 프로그램은 국내 동방티씨에스사에서 독자 개발한 입체영상촬영기법으로 3차원 분석기법이 적용된 프로그램이다.

상용 카메라를 이용하여 무타겟, 비접촉 방식으로 비탈면, 터널, 지형의 Metric 3D Image 및 3D Point Cloud가 자동 생성되는 솔루션 기법이 적용되어 비탈면, 암반, Tunneling, Mining 등 다양한 지반 및 지형조사가 가능한 프로그램이다.

Fig. 4는 각 촬영 경로별 취득된 사진이다. 중첩도 90%로 촬영하였으나, 경로별로 취득된 사진양은 차이를 보였다.

Fig. 4 Aerial photography route

3. 실험 결과 분석

본 연구에서는 드론을 활용한 암반비탈면 절리 특성을 분석하기 위해 항공 촬영 영상 분석을 실시하였다. 항공 촬영 경로는 가로방향, 세로방향, 사선방향과 세가지 경로를 모두 포함한 경로 4가 지 조건으로 분석하였다. 각 조건에 대해 비탈면의 방향과 절리 방향에 대해 비교하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

3.1 가로방향

가로방향으로 촬영 경로를 설정하여 절리를 분석한 결과는 Fig. 5와 같다. 가로방향의 경우 하부구간은 선명하게 표현되지만, 상부구간은 스캔점이 부족하여 비탈면이 표현이 부족하였으며, 중복도 90%의 조건에서도 측량 품질은 낮았다.

Fig. 5 Program window

Fig. 6(a)는 암반비탈면 경사와 경사방향을 분석한 결과이다. Fig. 6(b)는 암반비탈면내 특정 절리 에 대해 분석한 결과이며, Table 1은 암반비탈면과 절리의 경사/경사방향을 정리한 결과이다.

Table 1. Horizontal measurement result

Fig. 6 Horizontal measurement result

분석 결과 비탈면의 경사는 61°, 경사방향은 220° 로 분석되었다. 절리 경사는 18°, 경사방향은 212°로 분석되었다.

3.2 세로방향 촬영

세로방향으로 촬영 경로를 설정하여 분석한 결과는 Fig. 7과 같다. 세로방향의 경우 비탈면 하단과 상단이 모두 선명하였다. 중복도 90%의 조건에서 측량 품질은 높게 나타났다.

Fig. 7 Program window

Fig. 8(a)는 암반비탈면 전체 경사와 경사방향을 분석한 결과이며, Fig. 8(b)는 암반비탈면내 특정 절리에 대한 분석 결과이다. Table 2는 암반비탈면과 절리의 경사/경사방향 분석 결과로 비탈면 경사는 27°, 경사방향은 213°, 절리 경사는 15°, 경사방향은 211°로 분석되었다.

Table 2. Vertical measurement result

Fig. 8 Vertical measurement result

3.3 사선방향 촬영

사선방향으로 촬영 경로를 설정하여 분석한 결과는 Fig. 9와 같다. 사선방향의 경우 비탈면 하단과 상단이 모두 선명하였다. 세로방향과 마찬가지로 중복도가 90% 조건에서 측량 품질은 높게 나타났다.

Fig. 9 Program window

Fig. 10(a)는 암반비탈면의 경사와 경사방향을 분석한 결과이며, Fig. 10(b)는 암반비탈면내 특정 절리 분석 결과이다. Table 3은 암반비탈면과 절리의 경사와 경사방향을 정리한 결과이다. 분석 결과 비탈면 경사는 53°, 경사방향은 207°로 분석되었다. 절리 경사는 40°, 경사방향은 212°로 분석되었다.

Table 3. Oblique direction measurement result

Fig. 10 Oblique direction measurement result

3.4 경로 합성 촬영

가로, 세로, 사선방향을 모두 합쳐 분석한 결과는 Fig. 11과 같다. 영상분석 결과 암반비탈면은 선명하게 표현되어 품질은 우수하였다. Fig. 12와 Table 4는 암반비탈면과 절리를 분석한 결과이다. 분석 결과 비탈면의 경사는 52°, 경사방향은 206° 로 분석되었다. 절리 경사는 22°, 경사방향은 210° 로 분석되었다.

Table 4. Combined direction measurement result

Fig. 11 Program window

Fig. 12 Combined direction measurement result

3.5 비교 분석

암반비탈면의 비탈면 방향과 절리 방향에 대해 분석한 결과를 비교하면 다음과 같다. 비탈면 전체적인 경사와 경사방향은 사선방향과 경로 합성의 촬영 결과를 반영한 분석 방법이 결과가 유사하였다. 가로방향과 세로방향의 경우 스캔점의 분포도가 낮아 결과에 대한 신뢰도는 비교적 낮았다. 특정 절리에 대한 절리 방향과 경사를 비교하 면 경사방향은 모두 유사하였으나, 경사는 사선방 향이 다른 촬영 방법에 비해 2배 이상 크게 나타났다. 이는 프로그램 화면상에 절리면을 선택하는 과정에서 스캔점 선택의 오차로 인한 결과로 판단 된다.

절리 분석을 위한 항공사진 처리 결과의 품질은 가로방향 결과가 가장 낮았으며, 세로방향과 사선방향은 품질은 높았으나, 스캔점이 부족하여 화면상 절리의 형태가 실제 절리 모양과 다르게 표현되었다. 합성방향 방법이 품질과 절리 발생 형태가 가장 우수하였다. 암반비탈면의 정밀한 절 리 분석을 위해서는 가로방향, 세로방향, 사선방향 촬영 결과 모두를 이용하는 것이 필요하였다.

Table 5. Measurement result

4. 결론

본 연구에서는 암반비탈면의 경사와 경사방향, 특정 절리의 경사와 경사방향을 분석하기 위해 항공 측량을 통한 연구를 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

1. 항공 경로는 가로방향, 세로방향, 사선방향으 로 촬영하였으며, 가로방향과 세로방향이 품질이 가장 낮게 나타났다.

2. 가로방향, 세로방향, 사선방향에서 절리의 경사와 경사방향은 스캔점 선택과 항공 촬영 경로에 따라 스캔점 양이 차이가 있어 일부 오차가 존재하였으나, 대부분 유사하였다.

3. 암반비탈면의 정확한 정보를 획득하기 위해서는 일반적인 항공 촬영의 방식보다 대상 구조물의 가로방향, 세로방향, 사선방향에 대해 모두 촬영하여 반영된 분석이 필요하였다.

4. 본 연구에서는 노출된 노두면이 비교적 넓고, 많은 비탈면에 대한 제한된 연구로 향후 고도, 중첩도와 구조물 종류를 고려한 추가적인 연구가 필요하였다.