KR100636000B1 - 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정방법 및 시스템 - Google Patents

암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

암반의 불연속면에 대한 거칠기를 측정하여 이를 도면화하여 거칠기 계수(JRC)를 용이하고 정확하게 산출할 수 있으므로 전체 암반영역에서의 절리면의 공학적 전단강도 특성 파악 및 거동을 분석하는 것이 가능하도록, 측정하고자 하는 불연속면으로부터 일정한 거리를 두고 레이저 스캐너를 설치하고, 레이저 스캐너를 일정 각도 간격으로 상하좌우로 회전시키면서 레이저빔을 불연속면에 주사하고 반사되는 레이저빔을 수광하여 각 측점에 대한 3차원 위치정보를 수집하고, 컴퓨터를 이용하여 수집된 3차원 위치정보를 삼각망으로 연결하여 프레임을 형성하고 랜더링처리를 행하여 3차원 형상을 구현하고, 3차원 형상에서 임의의 절리면 구간을 설정하면 그 구간을 소정의 간격으로 세분화하여 x축 값을 설정하고 각 간격마다의 위치값을 y축 값으로 설정하여 그 구간에서의 거칠기 프로파일 그래프 및 도면을 작성하고, 구간의 x값과 이에 대응하는 y값을 이용하여 거칠기 계수(JRC)를 산출하는 과정으로 이루어지는 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법을 제공한다.
암반, 불연속면, 거칠기 계수, 도면, 프로파일, 컴퓨터, 3차원 형상, 레이저 스캐너, 측정

Description

암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법 및 시스템 {Remote Roughness Measurement Method for Discontinuities of Rock Mass by Laser Scanning and System of The Same}
도 1은 선형 종단면 방법으로 불연속면의 거칠기를 측정하는 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 컴파스 및 클리노메터 방법으로 불연속면의 거칠기를 측정하는 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 프로파일 게이지 방법으로 불연속면의 거칠기를 측정하는 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 핀형 게이지 방법으로 불연속면의 거칠기를 측정하는 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 Barton과 Choubey가 1977년에 제시한 대표적인 단면곡선 군에 0에서 20까지의 거칠기 계수(JRC)를 할당하여 만든 도표이다.
도 6은 본 발명에 따른 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 시스템의 일실시예를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 레이저스캐너의 일실시예를 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 기준좌표대의 일실시예를 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 기준좌표대의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법의 일실시예를 나타내는 순서도이다.
도 11은 본 발명에 따른 레이저스캐너를 이용하여 불연속면을 측량한 각 측점을 나타내는 이미지 사진이다.
도 12는 각 측점을 삼각망으로 연결하여 프레임을 구성한 상태를 나타내는 이미지 사진이다.
도 13은 프레임을 랜더링처리하여 3차원 형상으로 구현한 상태를 나타내는 이미지 사진이다.
도 14는 3차원 형상에서 임의의 절리면 상의 구간을 설정한 경우 이를 컴퓨터에서 단면도로 표시하는 상태를 나타내는 이미지 사진이다.
도 15는 불연속면의 3차원 형상을 좌표변환하기 전의 상태를 나타내는 이미지 사진이다.
도 16은 불연속면의 3차원 형상을 좌표변환한 상태를 나타내는 이미지 사진이다.
본 발명은 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 스캐너를 이용하여 불연속면을 스캔하여 얻은 3차원 위치정보로 3차원 형상을 구현하고 이로부터 주어진 직선구간에 대한 거칠기 프로파일 그래프 및 거칠기계수를 실시간으로 매우 용이하고 정확하게 산출하는 것이 가능한 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 암반역학에서 불연속면(discontinuity)은 암반(rock mass)에서 나타나는 모든 연약면을 총괄적으로 의미하며, 불연속면은 그 크기면에서 작은 열극(fissure)에서 큰 단층(fault)까지 다양하다. 이 불연속면을 경계로 암석(intact rock)은 구조적으로 불연속적이며, 불연속면이 반드시 분리면은 아니지만, 실제로 대부분의 불연속면은 분리면이고 매우 작은 인장강도를 갖거나 인장강도가 없다. 불연속면으로는 주로 절리(joint)나 층리(bedding plane), 습곡(fold), 단층(fault) 및 파쇄대, 벽개(cleavage), 편리(schistosity), 열극(fissure) 등이 있다.
그리고 지표로부터 수백m 내에 있는 대부분의 암반은 역학적 거동을 결정하는 불연속면을 내포함으로써 불연속체의 거동을 하게 되므로, 암반의 구조와 불연속면의 성질이 암석의 종류와 함께 매우 중요하다. 따라서 암반사면 안정성의 경우에는 불연속면의 방향, 위치, 연속성, 절리의 수압, 전단응력 등이 직접적인 자료로 되며, 거칠기, 벽면의 강도, 풍화정도, 충전물의 형태, 지하수의 용출흔적 등이 공학적인 면에서 중요한 간접적인 자료로 된다. 즉 암반에서는 암석 자체의 강도보다는 암반에 포함된 불연속면이 암반 전체의 공학적 특성을 지배하기 때문에 암반을 대상으로 하는 공사에서는 암석 강도가 아무리 높다고 하더라도 불연속면에 서의 파괴가 있을 수 있으므로, 건설 및 토목 공사시의 안정성은 암석 자체에 대한 평가가 아니라 전체적인 암반으로서의 평가가 이루어져야 한다.
국내 지형의 약 70%는 산악지역이어서 국가 산업 활동의 대동맥 역할을 수행하는 기존의 도로 및 철도에는 무수한 암반사면이 존재하고, 국가 정책적 인프라 구축에 병행되어 새로운 사면개착이 계획되고 있으며, 암반을 대상으로 한 터널, 지하비축기지, 핵폐기물처리장 등의 암반 구조물이 산업화가 가속화됨에 따라 그 수요와 필요성이 증대되고 있다. 따라서 암반과 관련된 구조물의 안정성 문제와 관련하여 대상 암반의 역학적 거동을 파악, 이해하는 것은 설계 및 시공에 있어 매우 중요한 요소로 된다.
일반적으로 전 세계적으로 암반사면 및 암반 구조물에 대한 최적의 설계안을 수립하기 위하여 현지 암반에 발달된 불연속면의 분포특성을 조사하고, 이에 따른 암반구조 분석결과에 의거하여 개착 사면의 거동 양상을 예측하는 일련의 해석방법이 활용되고 있다.
특히 절리면과 관련해서는 절리면의 상태, 하중의 조건, 거칠기 등에 따른 암석의 전단강도 및 변형 거동 등에 대한 연구, 조사가 필요하다. 즉 불연속면인 절리면의 거칠기는 전단강도의 잠재적 중요한 인자이며, 절리면의 거칠기는 전단 변형에 영향을 준다. 따라서 절리면의 전단강도와 팽창 정도를 평가하기 위하여 절리면의 거칠기를 측정할 필요가 있다. 일반적으로 불연속면의 거칠기(roughness)는 평균 평면에 대한 불연속면에 나타나는 작은 규모의 요철(unevenness)이나 큰 규모의 만곡(waveness)으로 정의되며, 실제에 있어서 만곡은 전단변위의 초기 방향에 영향을 주는 반면에 요철은 중간 규모의 현지 직접 전단강도 시험이나 실험실 시험에서 구해지는 전단강도에 영향을 준다.
전단강도를 표현하는 식으로 Patton이 제시한 τ=σntan(φu+i)(여기에서 τ는 전단강도를 나타내고, σn은 수직응력을 나타내고, φu는 마찰각을 나타내고, i는 거칠기 각을 나타낸다) 및 Barton이 제시한 τ=σntan(JRC X log(JCS/σn)+φb )(여기에서 τ는 전단강도를 나타내고, σn은 수직응력을 나타내고, JRC는 거칠기 계수를 나타내고, JCS는 절리면 압축강도를 나타내고, φb는 기본 마찰각을 나타낸다)이 주로 사용된다. 상기 2개의 식을 보면, 거칠기 각(i) 또는 거칠기 계수(JRC)가 중요한 변수로 사용되고 있다.
종래 불연속면의 거칠기를 조사 측정하는 방법으로는 선형 종단면(linear profile) 방법, 컴파스 및 클리노메터(compass and clinometer) 방법, 사진측량(photogrammetric) 방법, 프로파일 게이지(profile gauge) 또는 핀형 게이지(pin-type gauge) 방법 등이 알려져 있다.
상기에서 선형 종단면 방법은 도 1에 나타낸 바와 같이, 2m 이상의 직선자(접자)나 줄자를 불연속면의 가장 높은 점과 점들에 접촉하여 가능한 한 직선이 되도록 작은 돌이나 점토 덩어리를 이용하여 직선자나 줄자와 불연속면 사이를 군데 군데 받혀 불연속면의 평균방향에 대하여 평행하게 놓은 다음, 직선 형태의 접선방향 거리(x)에 대하여 직선자 또는 줄자로부터 불연속면까지의 직선거리(y)를 측정하여 단위로 표시하고, 이를 이용하여 그래프로 거칠기의 프로파일(profole)을 작 성하는 과정으로 이루어진다. 상기에서 접선방향 거리(x)의 간격은 전체 측정 길이의 대략 2% 정도로 선택하면, 전체 거칠기를 나타내는 데 충분한 것으로 알려져 있다.
그리고 컴파스 및 클리노메터 방법은 도 2에 나타낸 바와 같이, 여러가지 직경(5cm, 10cm, 20cm, 40cm)을 갖는 원판 중에서 가장 큰 원판을 작은 규모의 거칠기 각도의 불연속면의 표면에 놓고, 적어도 25개의 다른 위치에서 각 측점의 경사방향과 경사를 측정하며, 이러한 작업을 다른 크기의 원판 위에서 차례로 반복하여 행하고, 각 원판의 크기에 따라 측정된 경사방향과 경사 데이터를 서로 다른 스테레오 네트 상에 극점 형태로 작도하고, 각 극점을 연결하는 등고선을 그려 거칠기를 표시하는 과정으로 이루어진다.
또 프로파일 게이지 또는 핀형 게이지 방법은 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 프로파일 게이지나 핀형 게이지를 이용하여 불연속면의 상태를 본뜨고, 종이에 프로파일 게이지나 핀형 게이지를 대고 본뜬 형태를 기록하고, 본뜬 그림과 거칠기 표준등급을 디지타이징(digitizing)하고, 각각의 거칠기를 표준등급과 비교하여 등급을 결정하는 과정으로 이루어진다.
상기에서 프로파일 게이지는 폭이 작고 길이가 긴 직사각형으로 이루어지며, 불연속면에 대고 일정 정도의 압력을 가하면 불연속면과 접하는 면이 변형되고, 그 변형된 상태가 유지되어 불연속면을 본뜨는 것이 가능하도록 이루어진다. 상기 핀형 게이지는 좁은 간격으로 다수의 핀이 조립되어 이루어지며, 불연속면에 핀을 대고 일정 정도의 압력을 가하면 불연속면에 대응하여 핀의 돌출길이가 변형되어 불 연속면을 본뜨는 것이 가능하도록 이루어진다.
그러나 상기한 종래의 거칠기 측정 방법은 사람(측정자)이 접근할 수 있고 전단파괴가 일어날 수 있는 전형적인 표면을 가지는 불연속면을 선택하여 행하기 때문에, 불연속면 전체의 상황을 파악하는 데에는 일정한 제약이 있다. 또한 측정 간격이 너무 넓으면 데이터가 정확하지 않으며, 너무 좁으면 측정에 장시간이 소요된다는 문제가 있다.
또 상기와 같이 측정된 거칠기에 대한 데이터는 종이에 불연속면의 상태를 얻어진 측정값을 중심으로 그래프로 표기하고, Barton과 Choubey에 의해 제시되는 거칠기 종단면과 거칠기 계수(JRC)와의 관계(도 5 참조)로부터 거칠기 계수를 선정하는 데 이용된다. 즉 Barton과 Choubey는 1977년에 거칠기에 따라 10개의 대표적인 단면곡선 군을 만들고, 거칠어질수록 각각 0에서 20까지의 거칠기 계수(JRC)를 할당하여 도 5에 나타낸 도표(이하에서 "표준등급"이라 한다)를 제시하였다.
상기와 같이 측정되고 선정된 거칠기 및 거칠기 계수를 이용하여 전단강도를 해석하는 경우에도, 현장 암반에 자연적으로 생성된 불연속면들은 지역적으로 분포 양상이 크게 변화되기 때문에 종래 거칠기 측정 방법을 활용한 특정 구역에서의 분석 결과는 전체 영역의 암반구조를 대표할 수 없으며, 현재 설계, 시공을 위하여 대부분의 현장에서 적용하고 있는 기술은 실제 불연속면의 분포 특성에 의거한 최적 사면설계 및 보강 계획을 제공하지 못하고 있는 실정이다.
상기와 같은 종래 암반의 불연속면에 대한 조사의 한계성을 극복하기 위해서는 전체 암반영역에서의 불연속면 측정 및 각종 정보의 획득이 필요하며, 조사 인 력 및 시간을 절약하고 현장 접근성의 난이도를 극복하기 위한 원격 자동 측정(측량) 방법의 개발이 절실하게 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 점에 조감하여 이루어진 것으로서, 레이저 스캐너를 이용하여 암반의 불연속면에 대한 거칠기를 측정하고 이 데이터를 이용하여 도면화하고 정확한 거칠기 계수(JRC)를 계산하는 것에 의하여 전체 영역의 암반구조를 파악하는 것이 가능하고 전체 암반영역에서의 절리면의 공학적 전단강도 특성을 정확하게 파악하고 거동을 분석하는 것이 가능한 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법을 제공하는 데, 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 암반의 불연속면에 대한 거칠기를 실시간으로 측정하고 이 데이터를 이용하여 도면화하고 정확한 거칠기 계수(JRC)를 계산하는 것에 의하여 전체 영역의 암반구조를 파악하는 것이 가능하고 전단강도 특성을 정확하게 파악하고 거동을 분석하는 것이 가능하도록 레이저 스캐너를 이용한 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 제안하는 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법은 측정하고자 하는 불연속면으로부터 일정한 거리를 두고 레이저 스캐너를 설치하고, 상기 레이저 스캐너를 일정 각도 간격으로 상하좌우로 회전시키면서 레이저빔을 불연속면에 주사하고 반사되는 레이저빔을 수광하여 각 측점에 대한 3차원 위치정보를 수집하고, 컴퓨터를 이용하여 수집된 3차원 위치정보를 삼각망으로 연결하여 프레임을 형성하고 랜더링처리를 행하여 3차원 형상을 구현하고, 3차원 형상에서 임의의 절리면 구간을 설정하면 그 구간을 소정의 간격으로 세분화하여 x축 값을 설정하고 각 간격마다의 위치값을 y축 값으로 설정하여 그 구간에서의 거칠기 프로파일 그래프 및 도면을 작성하고, 상기 구간의 x축 값과 이에 대응하는 y축 값을 이용하여 거칠기 계수(JRC)를 산출하는 과정으로 이루어진다.
상기 컴퓨터에서 작성된 거칠기 프로파일 그래프 및 도면을 표준등급(Barton과 Choubey가 1977년에 거칠기에 따라 10개의 대표적인 단면곡선 군을 만들고 거칠어질수록 각각 0에서 20까지의 거칠기 계수(JRC)를 할당하여 만든 등급)과 이미지 비교를 수행하여 가장 근접한 거칠기 계수(JRC)를 산출하도록 이루어지는 것도 가능하다.
그리고 본 발명의 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 시스템은 소정의 각도로 회전하면서 불연속면에 레이저빔을 주사하고 불연속면에서 반사되는 레이저빔을 수광하여 측량을 행하는 레이저 스캐너와, 상기 레이저 스캐너를 안정적으로 지지하는 지지대와, 상기 레이저 스캐너에서 측량한 불연속면의 각 측점을 삼각망으로 연결하여 프레임을 형성하고 랜더링처리를 행하여 3차원 형상을 구현하고 임의의 절리면 상의 직선구간을 설정하면 그 구간에 대한 거칠기 프로파일 그래프 및 도면, 거칠기 계수 등를 산출하는 컴퓨터를 포함하여 이루어진다.
또 본 발명의 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 시스템은 수준계가 설치되는 수평판과 나침반이 설치되는 진북판으로 이루어지고 불연 속면에 근접된 위치에 설치되는 기준좌표대를 더 포함하는 것도 가능하다.
상기 지지대와 기준좌표대는 굴곡이 있는 지형에서도 안정적으로 지지할 수 있도록 삼각대로 구성한다.
다음으로 본 발명에 따른 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법 및 시스템의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저 본 발명에 따른 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 시스템의 일실시예는 도 6∼도 8에 나타낸 바와 같이, 소정의 각도로 회전하면서 레이저빔을 불연속면(2)에 주사하고 불연속면(2)에서 반사되는 레이저빔을 수광하여 측량을 행하는 레이저 스캐너(20)와, 상기 레이저 스캐너(20)를 안정적으로 지지하는 지지대(30)와, 상기 레이저 스캐너(20)에서 측량한 불연속면(2)의 각 측점을 삼각망으로 연결하여 프레임을 형성하고 랜더링처리를 행하여 3차원 형상을 구현하고 임의의 절리면 상의 직선구간을 설정하면 그 구간에 대한 거칠기 프로파일 그래프 및 도면, 거칠기 계수 등을 산출하는 컴퓨터(40)를 포함하여 이루어진다.
또 본 발명에 따른 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 시스템의 일실시예는 도 6 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 수준계(13)가 설치되는 수평판(12)과 나침반(15)이 설치되는 진북판(14)으로 이루어지고 암반 불연속면(2)에 근접된 위치에 설치되는 기준좌표대(10)를 더 포함한다.
상기와 같이 기준좌표대(10)를 설치하는 경우에는 상기 레이저 스캐너(20)에서 불연속면(2)을 스캔할 때에 기준좌표대(10)의 수평판(12) 및 진북판(14)도 함께 스캔하여 3차원 위치정보를 수집하도록 구성한다.
상기 컴퓨터(40)에서는 수집된 3차원 위치정보를 이용하여 기준좌표대(10)에 대한 3차원 형상을 구현하고, 상기 기준좌표대(10)의 수평판(12) 및 진북판(14)의 3차원 형상을 기준좌표계로 설정하고, 기준좌표계를 이용하여 불연속면(2)의 3차원 형상을 기준좌표계로 좌표변환하도록 구성한다.
상기 기준좌표대(10)에는 굴곡이 있는 지형에서도 안정된 상태로 설치할 수 있도록 3개의 다리(16)를 설치한다.
상기 3개의 다리(16)를 길이를 변경시킬 수 있도록 구성하며, 서로의 각도를 변경시키는 것도 가능하도록 구성하는 것이, 필요에 따라 다양하게 변화시켜 대응하는 것이 가능하므로 바람직한다.
상기 3개의 다리(16)는 일반적으로 카메라나 측량기구 등에 많이 사용하는 삼각대의 구성을 이용하여 실시하는 것이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.
그리고 상기 기준좌표대(10)의 수평판(12)과 진북판(14)의 이웃하는 한쪽 모서리에는 수직판(19)을 설치하여 수평판(12)과 진북판(14)의 위치가 구조적으로 안정된 상태를 유지하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 진북판(14)에 설치하는 나침반(15)은 진북판(14)의 방향을 진북(도북)에 정확하게 일치시키기 위한 것으로, 진북판(14)의 윗면에는 나침반(15)의 N극 또는 S극의 일치여부를 확인할 수 있는 표시를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 수평판(12)에 설치하는 수준계(13)는 수평판(14)의 수평여부를 정확하게 맞추기 위한 것으로, 도 8에 나타낸 바와 같이 직각을 이루는 2개의 직선형상으 로 구성하는 것도 가능하고, 도 9에 나타낸 바와 같이 십자표시가 있는 원형상으로 구성하는 것도 가능하다.
상기 지지대(30)는 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 굴곡이 있는 지형에서도 안정적으로 레이저 스캐너(20)를 지지할 수 있도록 삼각대형상으로 구성한다.
상기 지지대(30)는 도 6에 나타낸 바와 같이 수평상태로 레이저 스캐너(20)를 위치시키는 것도 가능하고, 도 7에 나타낸 바와 같이 수직상태로 레이저 스캐너(20)를 지지하는 것이 가능하도록, 각도를 변경시키는 것이 가능하게 구성하는 것이 바람직하다.
상기 지지대(30)는 상기 레이저 스캐너(20)를 회전가능하게 지지하는 축지지부(32)와, 상기 축지지부(32)의 밑면에 설치되는 제1브라켓(33)과, 상기 제1브라켓(33)과 소정의 각도로 변화시키는 것이 가능하도록 연결되는 제2브라켓(34)과, 상기 제2브라켓(34)의 밑면에 설치되는 3개의 다리(36)로 이루어진다.
상기 지지대(30)의 제1브라켓(33)과 제2브라켓(34)은 일정 각도(예를 들면 0.1°단위, 0.5°단위, 1°단위 또는 5°단위 등)단위로 각도를 변경시킨 다음 위치를 고정할 수 있도록 구성한다.
상기 지지대(30)의 제1브라켓(33)과 제2브라켓(34)의 각도는 최대 90°까지 변경가능하게 구성한다.
상기 지지대(30)의 제1브라켓(33)과 제2브라켓, 3개의 다리(36) 등의 구성은 일반적으로 카메라 또는 측량기구의 삼각대에 사용하는 구성을 이용하여 실시하는 것이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 레이저 스캐너(20)는 예를 들면 320°회전가능하게 구성되고, 레이저빔을 주사하는 발광부(22)와, 반사되어 돌아오는 레이저빔을 수광하는 수광부(24)와, 레이저빔을 주사할 때에 불연속면(2)의 촬영을 행하는 카메라부(26)를 포함하여 이루어진다.
상기에서 발광부(22)의 미러(mirror)(도면에 나타내지 않음) 또는 카메라부(26)의 렌즈(도면에 나타내지 않음)를 소정의 각도(예를 들면 46°정도)로 회전하도록 구성하면, 레이저 스캐너(20)가 320°회전하면서 다시 좌우로 46°회전하므로, 구의 일부를 이루는 면적에 대하여 폭넓게 레이저를 주사하는 것이 가능하고 선이 아닌 면에 대하여 측량하는 것이 가능하다.
그리고 상기 지지대(30)의 제1브라켓(33)과 제2브라켓(34) 사이의 각도를 조절하는 것에 의하여 1개의 지점에 고정된 상태에서 보다 넓은 면적을 측량하는 것이 가능하다.
상기 카메라부(26)는 CCD 카메라 등을 이용하여 이루어진다.
상기 레이저 스캐너(20)는 다양한 방식으로 구성하여 사용하는 것이 가능하며, 기본적인 구성은 일반적인 레이저 측정방법에서 사용하는 다양한 시스템을 적용하여 실시하는 것이 가능하므로, 구체적인 구성에 대한 설명은 생략한다.
다음으로 상기와 같이 구성되는 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 시스템의 일실시예를 이용하여 암반 불연속면의 거칠기를 측정하는 본 발명에 따른 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법의 일실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법의 일실시예는 도 10∼도 13에 나타낸 바와 같이, 측정하고자 하는 불연속면(2)으로부터 일정한 거리를 두고 레이저 스캐너(20)를 설치하는 단계(S10)와, 상기 레이저 스캐너(20)를 일정 각도 간격으로 상하좌우로 회전(예를 들면 320°×46°×90°)시키면서 레이저빔을 불연속면(2)에 주사하고 반사되는 빛을 수광하여 각 측점에 대한 3차원 위치정보를 수집하는 단계(S20)와, 컴퓨터(40)에서 수집된 3차원 위치정보를 삼각망으로 연결하여 프레임을 형성하고 랜더링처리를 행하여 3차원 형상을 구현하는 단계(S30)와, 사용자가 3차원 형상에서 임의의 절리면 상의 직선구간을 설정하는 단계(S40)와, 컴퓨터(40)에서 설정된 직선구간을 소정의 간격으로 세분화하여 x축 값을 설정하고 각 간격마다의 위치값을 y축 값으로 설정하는 단계(S50)와, 컴퓨터(40)에서 설정된 x값과 이에 대응하는 y값을 이용하여 해당 직선구간에서의 거칠기 프로파일 그래프 및 도면을 작성하는 단계(S60)와, 컴퓨터(40)에서 상기 직선구간의 x값과 이에 대응하는 y값을 이용하여 거칠기 계수(JRC)를 산출하는 단계(S70)를 포함하여 이루어진다.
상기 단계(S20)에서 레이저 스캐너(20)는 소정의 각도(예를 들면 320°)로 회전하면서 불연속면(2)에 대한 스캐닝을 행한 다음, 발광부(22) 미러(mirror)의 각도를 일정 간격(예를 들면 0.1°)으로 조정하고, 다시 소정의 각도로 회전하면서 스캐닝을 행하는 과정을 반복하여 불연속면(2)에 대한 측량을 수행한다.
상기에서 레이저 스캐너(20)에 의하여 측량이 가능한 각 측점 사이의 간격은 0.1㎜ 정도까지 정밀하게 설정하는 것이 가능하므로, 매우 정밀하고 정확하게 불연 속면(2)에 대한 3차원 위치정보를 얻을 수 있다.
상기와 같이 불연속면(2)에 대한 측량을 행하는 경우 불연속면(2)의 특정 지점(측점)을 기준점으로 설정하고, 얻어진 위치정보를 기준점을 기준으로 상대적인 값으로 수집하는 것도 가능하다.
또는 레이저 스캐너(20)의 발광부(22)를 기준점으로 설정하고, 이 기준점을 기준으로 상대적인 값으로 불연속면(2)의 각 측점에 대한 3차원 위치정보를 수집하도록 구성하는 것도 가능하다.
상기 지지대(30)의 제1브라켓(33)과 제2브라켓(34)의 각도를 조정하면 레이저 스캐너(20)로 스캔하여 측량할 수 있는 범위가 매우 폭넓은 범위로 확대된다.
상기와 같이 측량된 불연속면(2)의 각 측점에 대한 3차원 위치정보는 컴퓨터(40)에서 점으로 표시된다(도 11 참조). 상기 컴퓨터(40)에서는 점으로 표시된 각 측점을 이웃하는 측점끼리 삼각망으로 연결하여 프레임을 만들고(도 12 참조), 프레임에 랜더링처리를 행하므로 면을 구성하는 것에 의하여 불연속면(2)을 3차원 형상으로 구현한다(도 13 참조).
상기에서 레이저 스캐너(20)를 사용하여 측량을 행하는 경우 각 측점의 간격은 0.1㎜ 까지도 가능하므로, 소규모의 불연속면에 대한 측량도 가능하다.
또 상기 각 측점을 삼각망으로 구성하여 면처리(랜더링처리)를 수행하므로 면을 용이하게 구성할 수 있으며 정확하게 구현하는 것이 가능하다.
도 13에는 암반 불연속면(2)의 3차원 형상에 사용자가 임의의 직선구간(Point ① - Point ②)을 설정한 상태를 나타낸다.
상기와 같이 얻어진 불연속면(2)의 3차원 형상에서 임의의 직선구간(Point ① - Point ②)을 설정하면, 그 직선구간을 소정의 간격으로 세분화하여 x축 값을 설정하고, 각 간격마다의 위치값(3차원 위치정보로부터 얻은 값)을 y축 값으로 설정한다.
상기 단계(S50)에서는 사용자가 컴퓨터(40)의 모니터에 나타난 불연속면(2)의 3차원 형상에서 임의의 직선구간(Point ① - Point ②)을 설정하면, 컴퓨터(40)에서는 그 직선구간(Point ① - Point ②)에 대응하는 직선을 x축으로 설정하고, 이 직선을 소정의 간격(예를 들면 1mm, 5mm, 1cm 등)으로 세분화하여 x값을 설정하고, 상기 세분화된 각각의 x값에 대응하는 불연속면(2)의 각 측점의 3차원 위치정보로부터 y값(도 14와 같은 단면도에 있어서 임의의 기준 수평선과의 수직거리)을 설정한다.
상기 단계(S60)에서는 도 14에 나타낸 바와 같이, 상기 컴퓨터(40)에서 상기와 같이 얻어진 x값과 이에 대응하는 y값을 임의의 x-y 좌표계에 점으로 표시하고, 표시된 점을 서로 하나의 선으로 연결하여 해당 직선구간에 대한 거칠기 프로파일 그래프 및 도면(단면도)을 작성하여 모니터에 나타내고, 필요한 경우 프린터로 출력한다. 즉 상기 컴퓨터(40)에서 해당 직선구간에 대한 단면도로 도면화하는 것이 가능하고, 이를 그래프로 나타내는 것이 가능하다.
상기 컴퓨터(40)의 프로그램을 상기와 같이 얻어진 거칠기 프로파일 그래프 및 도면(단면도)을 컴퓨터(40)에 미리 입력된 표준등급을 나타내는 거칠기 그래프와 이미지 비교를 수행하여 가장 근접한 거칠기 계수(JRC)를 산출하도록 구성하는 것도 가능하다.
상기 컴퓨터(40)에 미리 입력되는 표준등급을 나타내는 거칠기 그래프로는 예를 들면, Barton과 Choubey가 1977년에 거칠기에 따라 10개의 대표적인 단면곡선 군을 만들고 거칠어질수록 각각 0에서 20까지의 거칠기 계수(JRC)를 할당하여 만든 도 5에 나타낸 도표 등을 사용하는 것이 가능하다.
상기 단계(S70)에서는 상기와 같이 얻어진 x값과 이에 대응하는 y값을 이용하여 거칠기 계수(JRC)를 산출한다.
예를 들면 다음의 수학식 1과 같이 Mayers의 1차 미분을 이용하여 RMS(Z2) 값을 산출하고, 이를 Tse와 Cruden이 1979년에 제시한 다음의 수학식 2에 Z2 값을 대입하여 거칠기 계수(JRC)를 산출한다.
Figure 112004055035523-pat00001
Figure 112004055035523-pat00002
상기와 같이 얻어진 거칠기 계수(JRC)는 전단강도를 표현하는 식인 Barton이 제시한 다음의 수학식 3에 대입하여 사용된다.
Figure 112004055035523-pat00003
상기에서 τ는 전단강도를 나타내고, σn은 수직응력을 나타내고, JRC는 거칠기 계수를 나타내고, JCS는 절리면 압축강도를 나타내고, φb는 기본 마찰각을 나타낸다.
따라서 본 발명에 의하면 보다 정확하고 신속하게 암반 불연속면(2)에 대한 거동을 분석하는 것이 가능하다.
그리고 본 발명에 따른 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법의 일실시예는 상기 단계(S10)에서 레이저 스캐너(20)를 설치할 때에 수준계(13)가 설치되는 수평판(12)과 나침반(15)이 설치되는 진북판(14)으로 이루어지는 기준좌표대(10)를 측량하고자 하는 암반의 불연속면(2)과 근접한 위치에 설치하고, 상기 단계(S20)에서 레이저 스캐너(20)로 불연속면(2)을 스캔할 때에 상기 기준좌표대(10)의 수평판(12)과 진북판(14)을 함께 스캔하도록 구성하는 것도 가능하다.
상기 기준좌표대(10)는 수평판(12)을 수평면으로 맞추고, 진북판(14)을 진북방향과 일치하도록 위치맞춤을 행하여 설치한다. 즉 상기 기준좌표대(10)의 수평판(12)에 설치된 수준계(13)를 이용하여 수평을 맞추면서 3개의 다리(16) 높이 및 각도를 조절하여 설정된 기준위치로 수평판(12)을 위치맞춤하고, 상기 진북판(14) 에 설치된 나침반(15)을 이용하여 진북판(14)의 방향을 진북(도북)방향으로 위치맞춤한다.
상기와 같이 수평면과 진북방향으로 위치맞춤된 기준좌표대(10)의 수평판(12), 진북판(14), 수직판(19)이 만나는 내부의 꼭지점을 기준좌표계의 기준원점(0,0,0)으로 설정하고, 수평판(12)과 수직판(19)이 만나는 안쪽 모서리를 위도축으로 설정하고, 진북판(14)과 수평판(12)이 만나는 안쪽 모서리를 경도축(또는 진북축)으로 설정하고, 수직판(19)과 진북판(14)이 만나는 안쪽 모서리를 높이축으로 설정한다.
상기에서 기준원점은 토탈스테이션(Total Station) 또는 GPS 등과 같은 측량기로 측량을 실시하여 원점에 절대좌표를 이식하는 것도 가능하다.
상기에서는 기준좌표대(10)를 설치하여 기준원점을 설정하는 것으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 불연속면(2)의 특정 위치를 선정하여 기준원점으로 설정하도록 이루어지는 것도 가능하다. 이와 같이 불연속면(2)의 특정 위치를 기준원점으로 설정하는 경우에는 별도로 기준좌표대(10)를 설치하지 않아도 된다.
그리고 상기 레이저 스캐너(20)에서 측량한 기준좌표대(10)의 각 측점에 대한 3차원 위치정보를 이용하여 상기한 컴퓨터(40)에서 형상화한 기준좌표대(10)의 수평판(12), 진북판(14), 수직판(19)에 대한 3차원 형상을 기준좌표계로 설정한다.
상기와 같이 구현되는 기준좌표계를 기준으로 불연속면(2)의 3차원 형상을 위도와 경도에 맞추어 기준좌표계로 좌표변환을 행하면, 실제 암반 불연속면(2)의 주향과 경사에 관한 정보도 함께 알 수 있다.
도 15에는 좌표변환을 수행하기 전의 상태를 나타내고, 도 16에는 좌표변환을 수행한 상태를 나타낸다. 즉 직육면체로 표시되는 사용자가 설정한 좌표계(화면상 위도와 경도 및 높이를 나타내는 좌표계)와 기준좌표계가 소정의 각도로 어긋난 상태로 표시되는 도 15와 같은 상태에서 기준좌표계를 사용자가 설정한 좌표계와 방향을 일치시키는 것에 의하여 도 16과 같은 상태로 불연속면(2)에 대한 3차원 형상의 좌표변환이 이루어진다. 따라서 좌표변환이 매우 용이하게 이루어진다.
상기와 같이 사용자 및 기계 자체에 의한 좌표계와 기준좌표계가 일치되면, 암반 불연속면(2)에 대한 3차원 형상에 있어서, 기준좌표계와의 사이각으로부터 주향과 경사 등의 데이터를 산출하고 분석하는 것이 가능하다. 상기에서 불연속면(2)에 대한 주향과 경사를 산출하면, 해당 불연속면(2)의 거동을 보다 정확하게 분석하는 것이 가능하다.
상기에서는 본 발명에 따른 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법 및 시스템의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법 및 시스템에 의하면, 불연속면으로부터 일정 거리 떨어 진 상태에서 거칠기를 측정하는 것이 가능하므로, 작업자가 접근하기 어려운 지점에 대해서도 정확하게 거칠기를 측정하는 것이 가능하고, 작업자의 안전과 정확도를 동시에 만족시키는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법 및 시스템에 의하면, 불연속면 전체에 대한 측정이 가능하므로, 부분적인 분석이 아닌 전체적인 암반의 거동 및 전체 암반영역에서의 절리면의 공학적 전단강도 특성 등을 분석하는 것이 가능하고, 암반 불연속면에 대한 안전성의 예측이 보다 정확하게 이루어진다.
그리고 본 발명에 따른 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법 및 시스템에 의하면, 기준좌표대가 불연속면과 일체화된 상태로 레이저 스캐너에 의하여 함께 스캔되어 각 측점에 대한 3차원 위치정보가 얻어지므로, 불연속면을 3차원 형상화함과 동시에 기준좌표계가 구현된다. 따라서 불연속면의 기계(레이저 스캐너) 자체의 좌표에 의한 3차원 형상을 자유롭게 기준좌표계로 좌표변환하는 것이 가능하고, 좌표변환작업이 매우 용이하게 이루어진다.
상기와 같이 좌표변환을 용이하게 행하는 것에 의하여 불연속면의 3차원 형상에 있어서 주향과 경사를 거칠기와 함께 정확하고 빠르게 산출하는 것이 가능하다.

Claims (13)

  1. 측정하고자 하는 불연속면으로부터 일정한 거리를 두고 레이저 스캐너를 설치하는 단계와,
    상기 레이저 스캐너를 일정 각도 간격으로 상하좌우로 회전시키면서 레이저빔을 불연속면에 주사하고 불연속면으로부터 반사되는 레이저빔을 수광하여 각 측점에 대한 3차원 위치정보를 수집하는 단계와,
    컴퓨터를 이용하여 수집된 3차원 위치정보를 삼각망으로 연결하여 프레임을 형성하고 랜더링처리를 행하여 3차원 형상을 구현하는 단계와,
    사용자가 3차원 형상에서 임의의 직선구간을 설정하는 단계와,
    컴퓨터에서 설정된 직선구간을 소정의 간격으로 세분화하여 x축 값을 설정하고 각 간격마다의 위치값을 y축 값으로 설정하는 단계와,
    설정된 x값과 이에 대응하는 y값을 이용하여 해당 직선구간에서의 거칠기 프로파일 그래프를 작성하는 단계와,
    설정된 x값과 이에 대응하는 y값을 이용하여 해당 직선구간의 거칠기 계수를 산출하는 단계를 포함하는 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    사용자가 컴퓨터에 나타난 불연속면의 3차원 형상에서 임의의 직선구간을 설 정하면, 컴퓨터에서는 그 직선구간에 대응하는 직선을 x축으로 설정하고, 이 직선을 소정의 간격으로 세분화하여 x값을 설정하고, 상기 세분화된 각각의 x값에 대응하는 불연속면의 각 측점의 3차원 위치정보로부터 y값을 설정하는 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 컴퓨터에서는 설정된 x값과 이에 대응하는 y값을 임의의 x-y 좌표계에 점으로 표시하고, 표시된 점을 서로 하나의 선으로 연결하여 해당 직선구간에 대한 거칠기 프로파일 그래프를 작성하는 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 컴퓨터에서는 작성된 거칠기 프로파일 그래프를 컴퓨터에 미리 입력된 표준등급을 나타내는 거칠기 그래프와 이미지 비교를 수행하여 가장 근접한 거칠기 계수를 산출하는 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 스캐너를 설치할 때에 수준계가 설치되는 수평판과 나침반이 설치되는 진북판으로 이루어지는 기준좌표대를 측량하고자 하는 암반의 불연속면과 근접한 위치에 설치하고,
    상기 레이저 스캐너로 불연속면을 스캔할 때에 상기 기준좌표대의 수평판과 진북판을 함께 스캔하고,
    상기 레이저 스캐너에서 측량한 기준좌표대의 각 측점에 대한 3차원 위치정보를 이용하여 상기한 컴퓨터에서 형상화한 기준좌표대에 대한 3차원 형상을 기준좌표계로 설정하는 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 기준좌표계를 기준으로 불연속면의 3차원 형상을 위도와 경도에 맞추어 기준좌표계로 좌표변환을 행하는 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 방법.
  7. 소정의 각도로 회전하면서 불연속면에 레이저빔을 주사하고 불연속면에서 반사되는 레이저빔을 수광하여 측량을 행하는 레이저 스캐너와,
    상기 레이저 스캐너를 안정적으로 지지하는 지지대와,
    상기 레이저 스캐너에서 측량한 불연속면의 각 측점을 삼각망으로 연결하여 프레임을 형성하고 랜더링처리를 행하여 3차원 형상을 구현하고 임의의 직선구간을 설정하면 그 구간에 대한 거칠기 프로파일 그래프와 거칠기 계수를 산출하는 컴퓨터를 포함하는 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    수준계가 설치되는 수평판과 나침반이 설치되는 진북판으로 이루어지고 불연속면에 근접된 위치에 설치되는 기준좌표대를 더 포함하는 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 지지대는 상기 레이저 스캐너를 회전가능하게 지지하는 축지지부와, 상기 축지지부의 밑면에 설치되는 제1브라켓과, 상기 제1브라켓과 소정의 각도로 변화시키는 것이 가능하도록 연결되는 제2브라켓과, 상기 제2브라켓의 밑면에 설치되는 3개의 다리를 포함하는 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 시스템.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 레이저 스캐너는 레이저빔을 주사하는 발광부와, 반사되어 돌아오는 빛을 수광하는 수광부와, 레이저빔을 주사할 때에 불연속면의 촬영을 행하는 카메라부를 포함하는 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 시스템.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 컴퓨터는 사용자가 불연속면의 3차원 형상에서 임의의 직선구간을 설정하면, 그 직선구간에 대응하는 직선을 x축으로 설정하고, 이 직선을 소정의 간격으로 세분화하여 x축 값을 설정하고, 상기 세분화된 각각의 x축 값에 대응하는 불연 속면의 각 측점의 3차원 위치정보로부터 y축 값을 설정하는 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 컴퓨터는 설정된 x값과 이에 대응하는 y값을 임의의 x-y 좌표계에 점으로 표시하고, 표시된 점을 서로 하나의 선으로 연결하여 해당 직선구간에 대한 거칠기 프로파일 그래프를 작성하는 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 시스템.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 컴퓨터는 작성된 거칠기 프로파일 그래프를 컴퓨터에 미리 입력된 표준등급을 나타내는 거칠기 그래프와 이미지 비교를 수행하여 가장 근접한 거칠기 계수를 산출하는 암반 불연속면의 레이저스캐닝에 의한 원격 거칠기 측정 시스템.
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