멀티빔 음향측심기를 이용한 하상지형 관측에 관한 연구: 백마강 레저파크를 중심으로

A Study on the Observations of Riverbed Topography Using Multibeam Echo-Sounder Near Baeckma River Leisure Park

Abstract

With the recent development of bathemetry technology, the hydrographic surveying method has been changed from single beam depth device use to multi beam acoustic sounding technology. Also, various studies have been reported to obtain high accuracy and precision in the process of river bed topographic data. Especially south korea is geographically on three sides of the sea and the river topography is very developed. To build information about the underwater, and riverbed status, the public investigations has been continuously progressed. In this study, We investigasted the riverbed topography near Baeckma river leisure park. for this purpose, In this study, as the first preliminary survey, location of navigational dangerous objects and reefs and the dangerous areas are identified. Also, ground control points is selected for the optimal GPS surveying. Secondary, through test surveying the Gain, TVG, and pulse length are determined. In addition, the investigation of dangerous objects for navigation is also conducted. As the last step, the error analysis are conducted for the acquired data, and this process involves the removal and adjustments of errors. This section includes the analysis of tide level and navigational contributions, and finally generates a submarine topographic map.

1. 서론

하천은 일반적으로 물과 그 물이 지나가는 길을 의미한다. 즉 물은 그 자체의 속성으로 인하여 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르게 되며, 스스로 길을 생성하게 된다. 또한 그 물길이 모여서 큰 호소나 바다에 도달하는데 이 길을 하도라고 하며 유수에 접하는 지면을 하상이라 칭하고, 하도와 하상을 통칭하여 하천이라 한다. 하천은 법률적으로 하천구역과 각종 하천시설을 포함한다. 기존의 하천관리는 수위관측소 및 하도계획을 중심으로 이뤄졌으나 최근에는 드론, 에코 사운더, 항공측량, GPS기반 측량 등과 같은 첨단기술(ICT)을 이용하여 탐사가 진행되고 있다. 최근의 하상변동조사를 위한 방법은 하천법에 따라 현장 직접 계측을 통해 실시되고 있다. 기존 방식이 고비용의 특성 등으로 인하여 최근에는 신기술을 통한 효율화가 점차 진행되고 있다.

멀티빔 에코사운더는 정확성을 높이기 위하여 1960년대 초 심해용으로 미 해군에서 만들었으나 현재에 이르러 천해용 및 심해용 수심측량기로 발전하여 연안해역 및 내륙 담수지의 정밀 수심측량이 가능해짐으로서 싱글빔보다 정확하고 많은 데이터를 획득할 수 있게 되었다. 멀티빔을 적용할 수 있는 업무로는 수로측량, 항해위험물 조사측량, 준설 확인 측량, 인공어초 조사, 해저 시설물 확인 측량 등이 있으며 그 목적에 따라 정확도 및 사용되는 장비사양의 기준이 다양하며 그에 적합한 고해상도의 데이터 제공이 가능하다. 본 연구에서 사용된 멀티빔 시스템은 SeaBat 8125 (Reson)로서 음파생성(Beamforming)기법을 이용하여 데이터를 획득하는 장비로서 발생된 음원을 240개의 센서로 받아들임으로서 240개의 빔을 구성하고 있으며, 주사폭은 120°로서 수심이 깊어질수록 얻어지는 데이터의 폭도 넓어짐을 알 수 있다. 기존의 싱글빔 음향측심기는 직하방향의 수심만 측정이 가능하였으므로 정확한 저면 수심 및 지형을 알지 못하였지만 멀티빔을 이용한 측량은 댐 본류 및 지류의 정확한 저면 표고 및 형상 파악, 이상 물체의 존재유무 파악 및 퇴사, 절사 지역 파악 등의 댐 전반적인 정보를 분석하는데 필요한 수심 기초자료를 제공할 수 있는 장점을 가지고 있다.

하천과 관련된 많은 연구들이 진행되어왔다. Yeo et al.(2016)은 무인항공기를 이용한 소하천의 지형자료를 구축하는 연구가 시도되었으며. Kim and Yo (2020)은 하천과 그 주변 환경의 변화를 시계열 국가 공간정보와 드론영상을 이용하여 정량적인 변화분석을 시도하였다[1][2]. 수심측량과 관련된 연구 성과로서 Oh et al. (2017)은 드론을 고도 100m에서 촬영한 고해상도영상으로부터 전해의 해저지형을 측량을 시도하였다. 이러한 성과는 선박 등을 이용한 상세 수심측량은 해저의 수심이 2m 이내의 경우에는 거의 불가능하므로 상당히 적합한 시도인 것으로 판단된다[3]. Yoo et al.(2019) 등은 해저지형정보 취득을 통하여 해양수치 모델 전용 수심자료를 제작하였다 [4]. Park et al. (2019)은 음향측심기와 GNSS 기반의 수로측량에 대한 성과를 발표하였다. 이 성과는 타원체 기반의 수로측량을 수행할 경우 측량 구역의 변동을 빠르게 반영함으로서 일관성 있는 해저지형을 제작하였다[5]. Choi et al.(2014) 등은 항공 라이다를 이용하여 하천이 종⋅횡단측량이 성과를 제시하였다 [6].

본 연구에서는 멀티빔 에코사운더를 활용하여 하상의 정교한 3차원 지형을 생성하고 다양한 측면에서 정확도의 검증을 목표로 한다.

Fig. 1 Resoulution of seabat 8125S Sonar head and acqusition distance according to the water depth

2. 해상 위치결정

Network RTK-GPS는 GPS 상시 관측소들을 네트워크로 연결하고 삼각망 내부에 오차를 보정한 가상기준점을 생성하여 가상기준점의 데이터와 보정 신호를 이동국에 전송하는 방식으로 기준국과 이동국의 거리에 관계없이 높은 정밀도로 위치측정을 하였다. GPS의 정보를 쉽게 가시화하기 위해서 수치 지도와 연결하여 수치해도 및 GPS의 정확도를 확인하였다. 조사선이 계획된 항정선을 정확하게 항해할 수 있도록 도와주고 실시간으로 조사선의 위치를 결정하기 위해 RTK-GPS를 사용하였다. 본 연구의 좌표체계는 GRS80(Geodetic Reference System 1980) 타원체를 이용하여 UTM(Universal Transverse Mercator) 도법으로 평면에 표기하였다.

Table 1. Main specifications of RTK-GPS

3. 멀티빔 음향측심

3.1 수심관측

멀티빔 음향측심기는 조사측선에 대한 1차원적인 수심값을 얻는 기존의 싱글빔 에코사운더 조사에 비해 해저면을 정밀 조사하여 2D 및 3D로 형상화할 수 있는 최첨단 정밀 조사장비이다. 본 연구에서는 IHO 특등급인 RESON 사의 Seabat 8125 MBES 시스템을 이용하여 해저의 수심을 파악하였다. 본 연구에 사용된 Seabat 8125(RESON, USA) 는 120°의 방사각 내에 0.5°간격의 240개 빔 수를 가지므로 평균 수심이 20m 정도일 때 0.29m 간격으로 수심자료를 취득할 수 있었다. 또한 모션센서를 연동하여, 선박의 해상에서의 공간적 움직임(Roll, Pitch, Heave)에 의한 수심 값의 오측을 실시간 보정하고, 자이로콤파스를 연동하여 선박의 방위각 오차에 따른 위치를 실시간 보정하며, SVP(Sound Velocity Profiler)를 사용하여 수심별로 음속을 측정하여 정확한 측심을 하였다.

Fig. 2 Resolution of seabat 8125S Sonar head and acqusition distance according to the water depth

수중에 방출되어 해저면에서 반사된 음향을 좁은 지향각(0.5°x 1°)을 갖는 1회당 240개의 수신 채널을 이용하여 수신한다. 다양한 각도로 수신되는 240개의 음파 빔은 심도별 음속 층 구조의 영향을 받기 때문에 최신의 자동화된 음속, 수압 (수심으로 변환) 측정기(SV & P Smart Sensor) 로심도별 음속을 계측하여 음파의 전달 속도를 적용하고 정확한 심도를 보정한다. 수신되는 240개 빔의 수심과 위치 값은 선박의 움직임에 끊임없이 영향을 받는다. 선박의 공간적인 변위량을 실시간 계측하고 실시간 선박 요동(roll, pitch, yaw, heave) 보정 수행한다. 효율적인 조사측선의 중첩을 수행하기 위하여 디지털 방위계를 운영한다. 측위는 RTK-GPS 시스템에 의하여 제어되며 조사 선박의 위치는 실시간 항적 관리에 의해 제어한다.

3.2 멀티빔 음향측심기를 이용한 인공어초처리

모션센서를 연동하여 선박의 해상에서의 공간적 움직임(Roll, Pitch, Heave)에 의한 수심값의 오측을 실시간 보정하고, 자이로콤파스를 연동하여 조사선의 방위각 오차에 따른 위치를 실시간 보정하며, SV&P(Sound Velocity & Profiler)를 사용하여 수심별로 음속을 측정하여 정확한 수심 값을 산정하였다.

또한, 정밀한 관측을 위하여 선박의 무게중심에 멀티 빔 음향측심기의 송수파기 설치가 가능한 전용 조사선을 이용하여 조사선의 공간적인 움직임을 최소화 하였다.

3.3 측심오차 관측

멀티빔 음향측심기는 빔의 각도가 크고 하방으로 발진되기 때문에 배의 유동에 따른 송수 파기의 움직임 또한 크다. 검⋅교정(Calibration)은 멀티 빔 음향측심기 송수파기가 최초 설치되는 선박에 대해서 실시하는 테스트로 특정 조건의 해저 면에서 얻어진 두 측심의 수심자료를 비교하여 멀티 빔 음향측심기 송수파기의 기하학적 설치상태를 수치로 계산 후 수심자료의 오차가 최소가 되는 멀티 빔 음향측심기 송수파기의 보정값을 구하는 과정이다. Fig. 3은 센서의 옵셋 및 선박의 3성분 지향 각을 도식화한 것으로, 검⋅교정은 Roll, Pitch, Yaw 및 Latency를 보정하기 위해 특정지역에서 300∼500m의 라인을 중첩하여 실시한다. 검⋅교정(Calibration)은 여러 차례에 걸쳐 전회의 검⋅ 교정값을 적용 후 실시하며, 전회의 검⋅교정 적용한 값과 비교하여 그 오차가 최소가 될 때까지 수행한다.

Fig. 3 Three dimensional rotation angle and offset

검⋅교정 장소선정에 있어 배가 자주 다니는 항로는 피하고, 주변에 해수의 밀도 변화를 줄 수 있는 담수 유입이 없는 곳으로 하며, 주변보다 깊어 해저에 밀도가 큰 수괴가 존재하지 않는 곳을 선택한다. 선박의 움직임에 대해서 시스템 보정을 위한 3성분의 지향각(Pitch, Roll, Yaw)과 Latency 의 값은 선박에 부착되는 각 센서의 위치에 따라 큰 영향을 받으므로 각 센서의 옵셋을 측정하여 검⋅교정에 반영하였다

3.4 검교정

장비의 검교정을 수행한 후 Patch Test에 의한 GPS 시간 지연 및 회전 의한 보정을 수행하였다.

3.4.1 GPS 시간 지연 보정

시간은 측심 관측치의 선수방향 변위에 영향을 주는 측위시각 오차의 보정을 위하여 관측하여 해저지형은 경사가 심하거나 목표물이 있는 지형에서 실시하고 같은 라인에 대해 같은 방향으로 속도를 반속으로 항해한 후 라인방향과 같은 방향으로 라인을 생성 후 보정을 수행하였다.

Fig. 4 Time Calibration

3.4.2 x축 회전각 보정

x축 회전각(Roll)은 해저 지형이 완만한 지형에서 실시하며 같은 라인을 반대방향, 같은 속도로 측량한 후 측량 라인과 직각으로 라인을 그은 후 검⋅교정을 실시하였다.

Fig. 5 Roll calibration

3.4.3 y축 회전각 보정

y축 회전각(Pitch)은 오차에 의한 해저지형의 경사도 변화는 수심에 비례하여 커지므로 해저지형의 경사가 심하거나 목표물이 있는 지형에서 실시하며 같은 라인을 반대방향, 같은 속도로 항해한 후 라인방향과 같은 방향의 라인으로 검⋅교정을 수행하였다.

Fig. 6 Pitch calibration

3.4.4 z축 회전각 보정

z축 회전각(Yaw)은 선박의 피칭운동에 의한 빔의 선수방향 수평 및 수직위치를 보정하기 위해 목표물이 있는 지형에서 실시하며 목표물을 가운데 두고 다른 라인을 같은 방향, 같은 속도로 항해한 후 라인방향과 직각으로 라인을 생성 후 검⋅교정을 수행하였다.

Fig. 7 Yaw calibration

4. 하상 지형정보 제작

앞 선 3장에서 설명한 바와 같이 다양한 핵심보정 처리를 통하여 하천하상이 수심도를 생성하였다. Fig. 8은 충남 백마강 유역 연구지역을 나타낸 그림으로서 하천의 중심부를 기준으로 하여 좌측에서 우측방향으로 수심측량을 수행한 것을 나타낸다. Fig. 9는 대상지역의 수심을 색상별로 표현한 것이다. 전체적인 분포는 –0.2m∼-0.39m의 값을 포함하고 있다. 이 수치가 의미하는 바는 수면을 0의 값으로 기준으로 하였을 경우 하상의 수직위치의 값은 음수로 표현한 것이다. 전체적인 형상은 하천의 양단이 높은 형상이며, 특히 우측하단의 급격한 경사를 나타내고 있다. 전체적인 하상의 높이는 양단의 영역을 제외하고 상당히 평탄한 것으로 나타났다.

Fig. 8 Research area and traverse line(Cyan line color) in the digital map

Fig. 9 Orthographic riverbed water depth map

Fig. 10은 수심의 높이를 3차원으로 도시한 것이다. 이러한 도시 방법은 미세한 돌출부위 등을 고찰하는데 상당히 유용하다. 그림상의 노란색 박스로 표현된 부분이 하상에서의 돌출된 부위를 표현한 것이다. 왼쪽 영역에서 일부 돌출 되었으며 강의 중심부에서도 약간 돌출되었다.

Fig. 10 Three topographic view

5. 결론

본 연구에서는 충남 백마강 레저파크 인근 지역을 대상으로 멀티빔 음향측량 측심기를 이용하여 하상의 지형을 파악하였다. 그 결과 하상의 평균수심은 3.4m인 것으로 나타났으며, 양단을 제외하고 대부분 평탄한 것으로 나타났다.

이러한 연구 성과는 정부 및 지방단치자체 차원의 하상변화조사와 연계된 자료로 활용될 수 있으며, 홍수시 준설지역의 퇴적량 등과 같은 토공량을 높은 정확도로 파악할 수 있을 것으로 기대된다. 향후 일정한 간격으로 동일 지역을 반복 관측하여 하상정보를 취득한다면 시계열 자료를 확보하게 됨으로써 보다 수리⋅수문학적, 지질학적 연구에 적용할 수 있을 것으로 판단한다.

감사의 글

본 연구는 2020학년도 청운대학교 학술연구조성연구비에 의해 지원되었습니다.