KR100933329B1 - 터널 매핑 자동화 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널시공 현장에 매핑분석을 위한 지질전문가가 상주하지 않더라도 시공현장에서 터널막장 매핑을 가능토록 하기 위해, 터널 시공 현장에서 터널막장을 3D 레이저 스캐너로 스캐닝한 자료와 디지털 카메라로 영상 촬영한 자료 및 현장 측정 자료를 자동 분석하여 터널 막장 매핑도를 구성하고, 암반을 규정에 따라 등급화하여 암반등급판정 시트를 자동으로 작성하며, 해당 등급에 적용할 보강패턴을 선정한 후 이를 터널 시공 현장에 적용하여 터널을 보강하도록 하고, 보강 후에는 스캐닝 장비를 사용하여 터널 내공에 대한 변형을 분석하여 터널의 역학적 안정성을 검증할 수 있고,

또한, 터널굴착 중 반복하여 새롭게 나타난 터널막장면의 레이저스캐닝과 디지털 카메라 영상촬영 정보를 해당 현장별로 축적하여 관리하며 이를 종합하여 터널 막장 전방의 절리분포 및 규모를 예측할 수 있도록 데이터베이스화할 수 있는 터널 매핑 자동화 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

막장 매핑, 3D 레이져 스캐너, 디지털 카메라부, 자동매핑분석, 절리규모확인

Description

터널 매핑 자동화 장치 및 방법{AUTOMATIC CONTROL EQUIPMENT AND METHOD FOR TUNNEL MAPPLING}

본 발명은 터널 현장에 설치된 3D 레이져 스캐너로 스캐닝한 자료와 디지털 카메라부로 영상 촬영한 자료 및 현장 측정 자료를 원격지의 매핑분석제어부로 보내고, 그 매핑분석제어부에서 암석의 물리적 특성과 절리 분포를 자동 분석하여 터널 막장 매핑도를 구성하고, 암반을 규정에 따라 등급화하여 암반등급판정 시트를 자동으로 작성하며, 해당 등급에 적용할 보강패턴을 선정한 후, 이를 원격지의 터널 시공 현장의 휴대용 단말기로 전송시켜, 작업자로 하여금 보다 빠르고, 정확한 시공을 할 수 있도록 자동 제어하는 원격제어를 통한 터널 매핑 자동화 장치 및 방법에 관한 것이다.

국내 터널 시공시 체계적인 시공관리 시스템 미비로 터널 현장마다 독립적으로 지반등급 산정 및 보강체제 결정을 하고 있으며, 계측결과에 의한 안정성 확인 작업을 하고, 이에 적용되는 객관적인 데이터를 수집, 분석하여 체계적 시공정보 관리시스템을 구축하고자 노력하여 왔으며, 일부 건설사는 자기가 시공 중인 현장에 이미 부분적인 터널 시공용 관리시스템 구축을 위하여 노력하고 있는 것으로 파악되고 있다.

따라서, 국내 터널설계 및 시공관리상의 여러 문제점을 개선하고 객관적 판단기준에 의한 시공성과 안정성 확보를 통해 선진 외국의 터널공사와 같은 수준의 경제적인 터널 시공이 가능하도록 특정 시공관리시스템의 개발이 필요하다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 국내공개특허공보 10-2005-0044973호에서는 경터널 막장에 임의의 간격으로 설치된 다수의 측정타깃을 기준타깃부터 순차적으로 스캐닝하는 단계; 상기에서 스캐닝한 영상 중 측정타깃들의 영상을 추출하여 획득하는 단계; 상기에서 추출한 측정타깃의 영상을 이용하여 각 측정타깃의 위치좌표를 계산하고 결정하는 단계; 상기에서 결정된 각 측정타깃의 위치좌표와 메모리에 미리 설정된 각 측정타깃의 최초 위치좌표를 상호 비교하는 단계; 및 상기에서 비교한 결과 위치좌표가 변경된 측정타깃이 있을 경우 변경된 좌표값을 분석하여 해당 측정타깃에 속하는 절리면의 전단거동 변위 및 지반 변위 정도를 판단하는 단계로 이루어진 레이저스캐너를 이용한 경터널 막장의 계측 방법이 제시된 바 있으나,

이는 절취사면의 일부경사 단면과 숏크리트 타설면의 일부분에 대한 포인트 자료를 얻는 수준이므로, 발파 단면이 불규칙한 터널의 현장 조건을 감안하면 각 단면에 대한 입체적, 정량적 분석에 한계를 나타내는 문제점이 있었다.

또한, 기존의 현장 매핑도 제작 방법은 기술자가 직접 터널 막장에서 막장면 을 살피면서 작업을 하여야 하므로, 작업자가 낙석이나 토사물과 같은 위험요소에 노출된 상태에서 2시간~6시간 동안 계속해서 작업해야 하는 문제점이 있었다.

또한, 작업자가 비숙련된 비전문 기술자이기 때문에 항상 작업 현장 주위에 숙련된 지질 전문 기술자가 상근하여 작업자가 시공한 작업 현장을 일일이 둘러보면서 체크해야 하므로, 숙련된 지질전문 기술자의 수가 절대적으로 모자라는 국내 실정에 의하여 현장에서 작성되는 매핑도의 정확성은 많이 떨어지는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 터널시공 현장의 위험요소에 노출된 레이저 스캐너와 디지털 카메라부를 보호할 수 있도록 차량에 탑재시키고, 터널시공 현장에서 실측한 현장조사 자료와, 레이져 스캐너로 스캐닝한 자료, 그리고 디지털 카메라부로 영상 촬영한 자료를 원격지의 매핑분석제어부로 보내고, 그 매핑분석제어부에서 암석의 물리적 특성과 절리분포를 자동 분석하고, 암반을 규정에 따라 등급화하여, 해당 등급에 적용할 보강패턴을 선정한 후, 이를 원격지의 터널 시공 현장의 휴대용 단말기로 다시 전송시켜, 작업자로 하여금 보다 빠르고, 정확한 시공을 할 수 있도록 자동 제어하는 원격제어를 통한 터널 매핑 자동화 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 터널 매핑 자동화장치는,

터널 막장의 바닥 일측에 고정되어, 절대 좌표를 알고 있는 터널 내면의 기준점을 측량하고, 그 기준점 측량과, 위치주사에서 얻어진 데이터 및, 표면주사에서 얻어진 데이터를 처리하여 3차원 위치정보를 추출하고, 측정하고자 하는 터널 내면을 스캐닝한 3차원 형상데이터를 인터넷망을 통해 원격지의 매핑분석제어부로 전송시키는 레이져 스캐너부(100)와,

그 3D 레이져 스캐너부 일측에 설치되어 터널 공사 현장을 실시간으로 촬영 하고, 그 촬영한 영상을 인터넷망을 통해 원격지의 매핑분석제어부로 전송시키는 디지털 카메라부(200)와,

원격지의 터널시공 현장에서 터널 막장을 레이져스캐너로 스캐닝한 자료와 디지털 카메라부로 영상 촬영한 자료를 기준으로, 암석이 물리적 특성과 절리분포를 자동 분석하여 터널 막장 매핑도를 구성하고, 암반을 규정에 따라 등급화하여 암반등급판정 시트를 자동으로 작성하며, 해당 등급에 적용할 보강패턴을 선정한 후, 이를 원격지의 터널 시공 현장의 휴대용 단말기로 전송시키고, 작업공정의 전반적인 제어를 하는 매핑분석제어부(300)와,

그 매핑분석제어부로부터 전달된 암반등급과, 그 암반등급에 해당되는 보강 지시 및 보강 작업 내용을 액정화면상에 실시간으로 전송받고, 이에 따른 작업 결과를 사진으로 찍어서 매핑분석제어부로 전송시키는 휴대용 단말기(400)로 구성되는 것으로 구성됨으로서 달성된다.

또한, 본 발명에 따른 원격제어를 통한 터널 매핑 자동화 방법은,

3D 레이져 스캐너(100)를 차량에 탑재한 후 기준점에 알맞게 차량 일측에 고정시키는 단계(S100)와,

이어서, 3D 레이져 스캐너를 통해 절대 좌표를 알고 있는 터널 내면의 기준점을 측량하며, 그 기준점 측량과, 위치주사에서 얻어진 데이터 및, 표면주사에서 얻어진 데이터를 처리하여 3차원 위치정보를 추출하고, 측정하고자 하는 터널 내면을 스캐닝한 3차원 형상데이터를 형상화하는 단계(S110)와,

이어서, 기준점 측량 및 위치주사에서 얻어진 데이터, 표면주사에서 얻어진 데이터를 처리하여 측정한 3차원 위치정보 측정 데이터, 그리고 스캐닝한 3차원 형상데이터를 메모리부에 저장시키는 단계(S120)와,

이어서, 메모리부에 저장된 3차원 위치정보 데이터 및 3차원 형상데이터를 제1 무선송수신부의 제어를 통해 압축하여 원격지의 매핑분석제어부로 전송시키는 단계(S130)와,

이어서, 3D 레이져 스캔부(100)의 기준점 측량과, 위치주사 및 표면주사를 통한 터널 내면에 대한 표면 스캐닝 작업이 끝났는지 체크한 후, 스캐닝 작업이 끝나면, 디지털 카메라부를 구동시키는 단계(S140)와,

이어서, 디지털 카메라부(200)가 구동되면 촬영한 영상을 인터넷망을 통해 원격지의 매핑분석제어부로 실시간으로 전송시키는 단계(S150)와,

이어서, 매핑분석제어부(300)에서 원격지의 터널시공 현장에서 터널 막장의 3D 레이져스캐너로 스캐닝한 자료와 디지털 카메라부로 영상 촬영한 자료를 제3 무선송수신부(310)를 통해 수신받아 데이터베이스부(320)에 저장시키는 단계(S160)와,

이어서, 3차원 영상데이터 처리부(330)를 통해 데이터베이스부(320)에 저장된 3D 레이저 스캐닝 작업후 캡쳐된 점데이터(Point Clouds)를 3차원 영상화 프로그램을 통해 자동 삼각화, 정렬, 병합하여 폴리곤 모델을 생성함으로서 절리면의 좌표변환 및 좌표값들의 평균값을 가지는 절리면을 3D영상으로 가시화하여 비교·분석부(340)로 전송시키는 단계와(S170)와,

이어서, 비교·분석부(340)를 통해 원격지의 터널시공 현장에서 터널 막장을 3D 레이져스캐너로 스캐닝한 자료 중 대상 구조물의 표면을 구성하는 격자점의 3차원 좌표와 해당 측점의 반사강도(intensity)값으로 이루어지는 기초자료(raw data)를 분석하고, 데이터베이스에 미리 입력된 암반의 등급데이터와 상호 비교해서, 암반 등급을 설정하는 단계(S180)와,

이어서, 제3 무선송수신부(310)를 통해 비교·분석부(340)로부터 설정된 암반 등급에 해당되는 보강패턴을 원격지의 터널 시공 현장의 휴대용 단말기(400)로 전송시키는 단계(S190)와,

이어서, 휴대용 단말기(400)를 통해 매핑분석제어부(300)로부터 전달된 암반등급과, 그 암반등급에 해당되는 보강 지시 및 보강 작업 내용을 액정화면상에 실시간으로 전송받고, 이에 따른 작업 결과를 사진으로 찍어서 매핑분석제어부(300)로 전송시키는 단계(S200)로 이루어짐으로서 달성된다.

따라서, 본 발명에서는 레이저 스캐너와 디지털 카메라부를 차량에 탑재한 후 이동시키면서 측정함으로서, 터널시공 현장의 위험요소로부터 안전하게 보호할 수 있고,

또한, 터널시공 현장에서 레이져 스캐너로 스캐닝한 자료와 디지털 카메라부로 영상 촬영한 자료를 원격지의 매핑분석제어부로 보내고, 그 매핑분석제어부에서 암석의 물리적 특성과 절리분포를 자동 분석하고, 암반을 규정에 따라 등급화하여, 해당 등급에 적용할 보강패턴을 선정한 후, 이를 원격지의 터널 시공 현장의 휴대용 단말기로 다시 전송시켜 줌으로서, 숙련된 매핑 전문가가 상근하지 않아도, 원격지에서 터널 시공 작업 현장을 실시간으로 모니터링하여, 보수 및 보강작업을 지시할 수 있어, 작업자가 보다 안전하고, 정확하게 시공을 할 수 있으며,

또한, 터널굴착 중 반복하여 새롭게 나타난 터널 막장의 레이저스캐닝과 디지털 카메라 영상촬영 정보를 해당 현장별로 축적하여 관리하며 이를 종합하여 터널 막장 전방의 절리분포를 예측할 수 있도록 데이터베이스화함으로서, 추후 터널 시공 작업에 따른 암반의 균열 예측 자료 및 막장전방 예측 자료로서 이용할 수 있는 좋은 장점이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 살펴보고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 원격제어를 통한 터널 매핑 자동화 장치의 구성요소를 도시한 구성도에 관한 것으로, 이는 레이져 스캐너(100), 디지털 카메라부(200), 매핑분석제어부(300), 휴대용 단말기(400)로 구성된다.

먼저, 본 발명에 따른 레이져 스캐너(100)에 관해 설명한다.

레이져 스캐너(100)는 터널 막장의 바닥 일측에 고정되어, 절대 좌표를 알고 있는 터널 내면의 기준점을 측량하고, 그 기준점 측량과, 위치주사에서 얻어진 데이터 및, 표면주사에서 얻어진 데이터를 처리하여 3차원 위치정보를 추출하고, 측 정하고자 하는 터널 내면을 스캐닝한 3차원 형상데이터를 인터넷망을 통해 원격지의 매핑분석제어부로 전송시키는 역할을 한다.

본 발명에 따른 레이져 스캐너는 하단에 부착된 삼각 지지대의 각도조정과는 별도로 수평, 수직으로 회전가능이 가능하도록 회전수단이 구성된다.

이러한 회전수단은 현장에 있는 매핑 전문가가 회전시키고자 하는 방향 및 각도로 정밀하게 회전되도록 스테핑모터, 방향제어부, 각도제어부로 이루어진다.

그리고, 본 발명에 따른 레이저 스캐닝을 통한 3차원 위치정보를 추출하는 방법은 기본적으로 타임 오브 플라이트(Time of Flight) 원리를 이용하는 방식과 트라이앵귤레이션(Triangulation)방식으로 이루어진다.

상기 타임 오브 플라이트(Time of Flight) 방식은 레이저 주사부, 수신부, 시간측정치로 구성되며, 레이저를 수신한 후, 시간차를 이용하여 거리를 측정한다.

이를 수학식 1과 같이 표현할 수가 있다.

여기서, C는 빛의 속도를 나타내고, t₁-t₀는 레이저 펄스(laser pulse)의 위상차를 말한다.

상기 트라이앵귤레이션(Triangulation)방식은 일반적인 측정시 3~5mm정도, 정밀측정시에는 0.5~2mm 정도의 오차가 발생하며, 시간차를 이용하는 특성상 가까 운 거리에서 정밀도가 다소 저하되는 특성이 있다.

트라이앵귤레이션(Triangulation)방식은 레이저를 목표물에 주사한 후 CCD 카메라를 사용하여 목표물의 레이저 점(laser spot)을 기록한다. 이때 레이저 점의 위치와 내부적으로 기록된 레이저 빔의 주사각도, 레이저 주사부와 CCD 카메라의 거리(Base)에 의해 기하학적으로 거리를 측정하며 다음의 수학식 2 및 수학식 3으로 나타낼 수가 있다.

여기서, p는 레이저 점의 영상에서의 위치이며, f0는 렌즈의 초점거리이며, d는 CCD와 레이저 주사부간의 거리를 나타낸다.

본 발명에서는 타임 오브 플라이트(Time of Flight) 및 트라이앵귤레이션(Triangulation)방식을 사용하여, 3차원 위치정보를 추출할 수가 있다.

그리고, 본 발명에 따른 레이저 스캐닝 기법은 레이저 주사방식에 따라 포인트(Point), 라인(Line), 면적(Area) 단위의 스캐닝 방식으로 이루어진다.

포인트 단위의 스캐닝은 레이져를 이용한 광삼각법 또는 자동초점(Auto-Focusing)기능을 응용한 1차원 변위센서를 3차원 좌표측정기와 같은 기계적인 구동시스템에 장착하여 3차원 형상을 측정하는 방식이다.

즉, 송출부에서 보내 접속광이 물체에 부딪혀 돌아와서 수광부에 있는 PSD의 착상위치를 이용하여 그 거리를 알아내는 방식으로, 이 기법은 전기적인 간섭을 받지 않기 때문에 내잡음성이 좋으며 레이저의 파장을 짧게 하면 더욱 높은 정확도로 측정할 수 있다.

라인 단위의 스캐닝은 슬릿 빔(Slit-beam)을 사용하는 방법이 가장 일반적인데 한 단면씩 측정하여 형상을 재현하는 방식이며, 슬릿 레이저를 주사하고, 렌즈를 통해 CCD에 그 영상을 기록함으로서 측정 데이터를 획득하게 된다.

조밀한 데이터를 얻기 위해서는 슬릿의 미세이동장치가 필요하며, 정확도는 80㎛~1mm 정도이다.

면적 단위의 스캐닝은 공간코트화법, 모아레기법, 위상차 측정법(PMP)가 사용된다.

공간코트화법은 측정대상에 패턴을 투사하고 카메라로 물체에 투영된 패턴을 촬영하고 이를 분석하여 3차원 데이터를 획득하는 시스템이다.

모아레기법은 일정한 범위의 형상을 한번에 재현하는 방식으로 한 쌍의 같은 피치를 가지는 동일한 직선 격자가 각각 투영격자와 기준격자로 사용된다. 광원에 의해 조명되어진 투영격자는 투영렌즈에 의해 측정 대상물체에 투영되게 되고, 투영된 직선형태의 격자는 물체의 높낮이에 따라서 휘어지게 되는데, 이 변형된 격자 를 결상렌즈에 의해 기준격자 상에 결상되도록 하는 시스템이다.

위상차 측정법은 모아레기법에서 광학계를 대폭 간소화한 방법으로 고속으로 회전하고 있는 회전다면경에 레이저 다이오드를 이용한 슬릿광을 영사하여 측정영역을 스캐닝하는 방법이다.

본 발명에 따른 레이져 스캐너는 기준점 측량 및 위치주사에서 얻어진 데이터, 표면주사에서 얻어진 데이터를 처리하여 측정한 3차원 위치정보 측정 데이터, 그리고 스캐닝한 3차원 형상데이터를 메모리부에 저장시킨다.

그 메모리부에 저장된 3차원 위치정보 데이터 및 3차원 형상데이터는 제1 무선송수신부의 제어를 통해 압축하여 원격지의 매핑분석제어부로 전송된다.

그리고, 본 발명에 따른 레이져 스캐너는 차량에 탑재한 후 이동시키면서 측정함으로서, 터널시공 현장의 위험요소로부터 안전하게 보호할 수가 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 디지털 카메라부(200)에 관해 설명한다.

디지털 카메라부(200)는 레이져 스캐너부 일측에 설치되어 터널 공사 현장을 실시간으로 촬영하고, 그 촬영한 영상을 인터넷망을 통해 원격지의 매핑분석제어부로 전송시키는 곳으로, 이는 메모리부, 영상신호 디코더, 제2 무선송수신부로 구성된다.

메모리부는 디지털 카메라부에서 촬영한 영상을 저장하는 역할을 한다.

영상신호 디코더는 메모리부로부터 저장된 영상 신호를 입력받아 디지털 영 상 데이터로 변환·압축하여 매핑분석제어부로 출력하는 역할을 한다.

제2 무선송수신부는 영상신호 디코더에서 얻어진 디지털 영상 데이터를 원격지로 전송하는 역할을 한다.

그리고, 본 발명에 따른 디지털 카메라부는 차량에 탑재한 후 이동시키면서 측정함으로서, 터널시공 현장의 위험요소로부터 안전하게 보호할 수가 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 매핑분석제어부(300)에 관해 설명한다.

매핑분석제어부(300)는 원격지의 터널시공 현장에서 터널 막장을 레이져스캐너로 스캐닝한 자료와 디지털 카메라부로 영상 촬영한 자료를 기준으로, 암석이 물리적 특성과 절리분포를 자동 분석하여 암반을 규정에 따라 등급화하고, 해당 등급에 적용할 보강패턴을 선정한 후, 이를 원격지의 터널 시공 현장의 휴대용 단말기로 전송시키고, 작업공정의 전반적인 제어를 하는 역할을 한다.

이는 제3 무선송수신부(310), 데이터베이스부(320), 3차원 영상데이터 처리부(330), 비교·분석부(340)로 구성된다.

상기 제3 무선송수신부(310)는 원격지의 터널시공 현장에서 터널 막장을 레이져스캐너로 스캐닝한 자료와 디지털 카메라부로 영상 촬영한 자료를 인터넷망을 통해 수신받고, 매핑전문가의 입력을 통해 암반 등급에 해당되는 보강패턴을 원격지의 터널 시공 현장의 휴대용 단말기로 전송시키며, 휴대용 단말기를 통해 작업자가 작업한 결과를 사진이나 문자, 또는 동영상으로 전송받는 역할을 한다.

상기 데이터베이스부(320)는 원격지의 터널시공 현장에서 터널 막장을 레이져스캐너로 스캐닝한 자료와 디지털 카메라부로 영상 촬영한 자료, 그리고, 암반 규정에 관한 등급데이터와, 암반 등급에 따른 보강공사에 관한 보강패턴 데이터를 해당 현장별로 축적하여 관리하며, 이를 종합하여 터널 막장 전방의 절리분포를 예측할 수 있도록 비교·분석부(340)에 백데이터 자료를 제공하는 역할을 한다.

이처럼, 본 발명에서는 데이터베이스부에서 터널굴착 중 반복하여 새롭게 나타난 터널막장면의 레이저스캐닝과 디지털 카메라 영상촬영 정보를 해당 현장별로 축적하여 관리하며 이를 종합하여 터널 막장 전방의 절리분포를 예측할 수 있어, 추후 터널 시공 작업에 따른 암반의 균열 예측 자료 및 막장전방 예측 자료로서 이용할 수 있는 효과가 있다.

상기 3차원 영상데이터 처리부(330)는 데이터베이스부(320)에 저장된 레이저 스캐닝 작업후 캡쳐된 점데이터(Point Clouds)를 3차원 영상화 프로그램을 통해 자동 삼각화, 정렬, 병합하여 폴리곤 모델을 생성함으로서 절리면의 좌표변환 및 좌표값들의 평균값을 가지는 절리데이터를 3D영상으로 가시화하여 비교·분석부로 전송시키는 역할을 한다.

여기서, 3차원 영상화 프로그램은 지표지질조사의 노두 및 기존 터널 막장의 현황을 정확하게 조사하여 각종 공학적 데이터를 3D영상으로 추출하는 프로그램이다.

이러한 3차원 영상화 프로그램을 통한 3 차원 모델링 기법은 무 타켓 토탈 스테이션을 자동화한 측량기법의 일종으로 측량할 범위를 결정하고 간격을 설정하면 레이저 스캐너가 1 초당 3 천번의 측량을 자동으로 실행하고 전체터널 막장을 30~50mm 간격으로 스캐닝을 실시하며, 정밀조사구간에 대해서는 2~3mm 단위로 정밀측정하여 절리면의 거칠기를 구하여 실험에 의한 Ø 값을 계산 Ｃ를 얻을 수가 있다.

또한 터널 막장의 DB 화 및 3 차원 표현기법으로, 터널 막장의 방향성, 절리면의 경사 및 경사방향,절리면(크기)간격, 절리면 연속성, 절리면 거칠기, 예상 활동면의확장 등을 정밀하고 객관성 있게 조사분석하여 터널 막장 조사자료의 객관화, 조사기간의 단축, 조사경비의 절감 등의 효과를 볼 수 있다.

본 발명에 따른 3 차원 모델링에 사용된 소프트웨어는 3 차원모델링 전용 소프트웨어로 각측점의 점 데이터군의 불필요한 부분을 제거하고 서로 접합할 기준점을 정한 후, 각 측점의 점 데이터군을 합쳐 하나의 개체를 생성시킨다.

이하, 본 발명에 따른 3차원 영상데이터 처리부에서 절리데이터를 3D영상으로 가시화하는 과정을 설명한다.

먼저, 터널 막장을 스캐닝하여 얻어낸 3차원 좌표값을 갖는 점데이터(Point clouds)를 3차원 영상 프로그램을 이용하여 불필요한 데이터는 삭제(필터링)하고, 각 위치(View Point)에서 스캐닝한 데이터를 결합하기 위해 상호기준점을 선정하여 하나의 구조체로 형성시킨다.

이러한 과정에서 불필요한 일부 점데이터를 필터링하고, 그 필터링한 점데이터군을 상호연결(Polygon)하여 삼각망을 구성한 후 면으로 처리한 다음 실제치수를 가지는 입체영상(3D Modeling)으로 재현한다.

입체영상을 재현한 후, 측정하고자 하는 절리면의 상대좌표값을 절대좌표값으로 변환하여 좌표값들의 평균값을 갖는 평면으로 구성하여 얻고자 하는 절리면의 데이터를 획득할 수가 있다.

이러한 절리 데이터의 획득이 가능한 이유는 절리면을 이루는 각각의 점데이터가 3차원 좌표값을 가지고 있기 때문이며, 절리면을 이루는 점데이터의 평균값을 갖는 면의 형성에 의한 오차는 균일하게 배분되어 결과에 큰 영향을 주지 못하기 때문이다.

이처럼 3차원 영상화 프로그램을 통해 3D영상으로 가시화된 절리데이터는 비교·분석부로 전송된다.

상기 비교·분석부(340)는 3차원 영상데이터 처리부로부터 얻어진 대상 구조물의 표면을 구성하는 격자점의 3차원 좌표와 해당 측점의 반사 강도(intensity)값으로 이루어지는 기초자료(raw data)를 분석프로그램을 통해 분석하고, 데이터베이스에 미리 입력된 암반의 등급데이터와 상호 비교해서, 암반 등급을 설정하고, 이 에 따른 보강패턴을 선정하는 역할을 한다.

여기서, 암반등급은 암반의 지질구조와 물리적 성질을 암반특성에 따라 암반공학적으로 분류한 RMR(Rock Mass Rating)등급을 적용할 수 있으며, 그 등급에 따라서 극경암, 경암, 보통암, 연암, 풍화암 등으로 이루어지며, 아래의 표 1에 나타낸 바와 같은 방법으로 보강패턴을 설정하여 보강하는 것이 바람직하다.

도로공사 사용 보강 패턴(예시)

구분		본 선 터 널
		TYPE-1	TYPE-2	TYPE-3	TYPE-4	TYPE-5	TYPE-6
표준단면
지반등급		Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ	Ⅵ
RMR/Q		100~81/ 40이상	80~61/ 40~4	60~41/ 4~1	40~21/ 1~0.1	20이하/ 0.1이하	-
굴착공법		전단면	전단면	전단면	반단면	반단면	반단면
굴진장 (상/하)m		3.5	3.5	2.0	1.5/3.0	1.2/1.2	1.0/1.0
숏크리트 (mm)	형식	일반	강섬유보강	강섬유보강	강섬유보강	강섬유보강	강섬유보강
	두께	50	50	80	120	160	160
록볼트(m)	길이	3.0	3.0	4.0	4.0	4.0	4.0
	종방향	랜덤 (Randum)	3.5	2.0	1.5	1.2	1.0
	횡방향	랜덤 (Randum)	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5
강지보 (m)	규격	_	_	_	TYPE- 50×20×30	TYPE- 70×20×30	TYPE- 70×20×30
	간격	_	_	_	1.5	1.2	1.0
라이닝 (m)	두께	300	300	300	300	300	300
	형식	무근	무근	무근	무근	보강	보강
적용 및 보조공법		_	_	_	필요시 Forepoling (퍼폴링)	퍼폴링(Forepoling) 필요시 강관다단 그라우팅	강관다단 그라우팅

즉, 터널 막장의 타입이 상기 도면의 TYPE-2이고, 암반등급이 II이면, 굴착공법은 전단면으로 하고, 굴진장(상/하) 길이는 3.5m로 하며, 숏크리트 형식은 강섬유보강으로 50mm 두께로 하고, 록볼트 길이는 3.0m로 하며, 라이닝 두께는 300mm가 되도록 보강패턴을 설정한다.

다음으로, 본 발명에 따른 휴대용 단말기에 관해 설명한다.

휴대용 단말기(400)는 매핑분석제어부로부터 전달된 암반등급과, 그 암반등급에 해당되는 보강 지시 및 보강 작업 내용을 LCD 모니터로 실시간으로 전송받고, 이에 따른 작업 결과를 사진으로 찍어서 매핑분석제어부로 전송시키는 역할을 한다.

이는 동영상지원 및 디지털 카메라 기능이 가능한 핸드폰, PDA폰, 전자수첩 등으로 이루어진다.

본 발명에 따른 휴대용 단말기는 터널 막장 현장의 작업자 또는 현장 감시자가 사용함으로서, 실시간으로 원격지의 매핑분석제어부로부터 전송된 암반 분석 데이터와 보강지시 및 보강 작업 내용을 전달받을 수 있고, 작업한 결과를 사진으로 찍어서 보낼 수가 있다.

이하, 상기와 같은 본 발명에 따른 레이져 스캐너(100), 디지털 카메라부(200), 매핑분석제어부(300), 휴대용 단말기(400)를 이용한 원격제어를 통한 터널 매핑 자동화 방법에 관해 설명한다.

먼저, 레이져 스캐너(100)를 차량에 탑재한 후 기준점에 알맞게 차량 일측에 고정시킨다(S100).

이때, 기준점은 발파 및 보강공사 과정에서 분진 및 발파 풍압에 의해 위치가 변경되었는지의 여부를 레이저 스캐너를 차량 바닥에 설치하기 전후에 측량하여 점검한다.

이처럼 레이저 스캐너를 설치하기 전에 기준점의 위치를 측량하는 경우에는 일반적인 토목, 건설 현장에서 사용하는 측량기법과 측량기기를 사용하는 것도 가능하다. 이 경우 기준점을 설치할 때에 절대좌표를 측량하는 방법과 동일한 방법을 사용하는 것도 가능하다.

이어서, 절대 좌표를 알고 있는 터널 내면의 기준점을 측량하며, 그 기준점 측량과, 위치주사에서 얻어진 데이터 및, 표면주사에서 얻어진 데이터를 처리하여 3차원 위치정보를 추출하고, 측정하고자 하는 터널 내면을 스캐닝한 3차원 형상데이터를 형상화한다(S110).

여기서, 3차원 위치정보를 추출하는데는 트라이앵귤레이션(Triangulation)방식을 이용한다.

즉, 레이저를 목표물에 주사한 후 CCD 카메라를 사용하여 목표물의 레이저 점(laser spot)을 기록한다.

이때 레이저 점의 위치와 내부적으로 기록된 레이저 빔의 주사각도, 레이저 주사부와 CCD 카메라의 거리(Base)에 의해 기하학적으로 거리를 측정하며, 앞에서 설명한 수학식 2 및 수학식 3을 통해 3차원 위치정보를 추출한다.

그리고, 상기 레이져 스캐닝은 포인트 단위의 스캐닝 방식을 이용한다.

즉, 송출부에서 보내 접속광이 물체에 부딪혀 돌아와서 수광부에 있는 PSD의 착상위치를 이용하여 그 거리를 알아내는 방식을 통해, 3차원 형상을 형상화한다.

이어서, 기준점 측량 및 위치주사에서 얻어진 데이터, 표면주사에서 얻어진 데이터를 처리하여 측정한 3차원 위치정보 측정 데이터, 그리고 스캐닝한 3차원 형상데이터를 메모리부에 저장시킨다(S120).

이어서, 메모리부에 저장된 3차원 위치정보 데이터 및 3차원 형상데이터를 제1 무선송수신부의 제어를 통해 압축하여 원격지의 매핑분석제어부로 전송시킨다(S130).

이어서, 레이져 스캔부(100)의 기준점 측량과, 위치주사 및 표면주사를 통한 터널 내면에 대한 표면 스캐닝 작업이 끝났는지 체크한 후, 스캐닝 작업이 끝나면, 디지털 카메라부를 구동시킨다(S140).

이어서, 디지털 카메라부(200)가 구동되면 촬영한 영상을 인터넷망을 통해 원격지의 매핑분석제어부로 실시간으로 전송시킨다(S150).

이어서, 매핑분석제어부(300)에서는 제3 무선송수신부를 통해 원격지의 터널시공 현장에서 터널 막장을 레이져스캐너로 스캐닝한 자료와 디지털 카메라부로 영상 촬영한 자료를 제3 무선송수신부(310)를 통해 수신받아 데이터베이스부에 저장시킨다(S160).

여기서, 데이터베이스부(320)는 원격지의 터널시공 현장에서 터널 막장을 레이져스캐너로 스캐닝한 자료와 디지털 카메라부로 영상 촬영한 자료, 그리고, 암반 규정에 관한 등급데이터와, 암반 등급에 따른 보강공사에 관한 보강패턴 데이터를 해당 현장별로 축적하여 관리하며, 이를 종합하여 터널 막장 전방의 절리분포를 예측할 수 있도록 비교·분석부(340)에 백데이터 자료를 제공하는 역할을 한다.

이처럼, 본 발명에서는 데이터베이스부에서 터널굴착 중 반복하여 새롭게 나타난 터널막장면의 레이저스캐닝과 디지털 카메라 영상촬영 정보를 해당 현장별로 축적하여 관리하며 이를 종합하여 터널 막장 전방의 절리 분포를 예측할 수 있어, 추후 터널 시공 작업에 따른 암반의 균열 예측 자료 및 막장전방 예측 자료로서 이용할 수 있는 효과가 있다.

이어서, 3차원 영상데이터 처리부(330)를 통해 데이터베이스부(320)에 저장된 레이저 스캐닝 작업후 캡쳐된 점데이터(Point Clouds)를 3차원 영상화 프로그램을 통해 자동 삼각화, 정렬, 병합하여 폴리곤 모델을 생성함으로서 절리면의 좌표변환 및 좌표값들의 평균값을 가지는 절리면을 3D영상으로 가시화하여 비교·분석부로 전송시킨다(S170).

이어서, 비교·분석부를 통해 원격지의 터널시공 현장에서 터널 막장을 레이져스캐너로 스캐닝한 자료 중 대상 구조물의 표면을 구성하는 격자점의 3차원 좌표와 해당 측점의 반사강도(intensity)값으로 이루어지는 기초자료(raw data)를 분석하고, 데이터베이스에 미리 입력된 암반의 등급데이터와 상호 비교해서, 암반 등급을 설정한다(S180).

즉, 터널 막장의 타입이 상기 도면의 TYPE-2이고, 암반등급이 II이면, 굴착공법은 전단면으로 하고, 굴진장(상/하) 길이는 3.5m로 하며, 숏크리트 형식은 강섬유보강으로 50mm 두께로 하고, 록볼트 길이는 3.0m로 하며, 라이닝 두께는 300mm가 되도록 보강패턴을 설정한다.

이어서, 제3 무선송수신부(310)를 통해 비교·분석부로부터 설정된 암반 등급에 해당되는 보강패턴을 원격지의 터널 시공 현장의 휴대용 단말기로 전송시킨다(S190).

이어서, 휴대용 단말기를 통해 매핑분석제어부(300)로부터 전달된 암반등급과, 그 암반등급에 해당되는 보강 지시 및 보강 작업 내용을 액정화면상에 실시간으로 전송받고, 이에 따른 작업 결과를 사진으로 찍어서 매핑분석제어부로 전송시키시킨다(S200).

도 1은 본 발명에 따른 터널 매핑 자동화 장치의 구성요소를 도시한 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 터널 매핑 자동화 장치 중 매핑분석제어부의 구성요소를 도시한 블록도,

도 3은 본 발명에 따른 원격제어를 통한 터널 매핑 자동화 방법을 도시한 순서도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 3D 레이져 스캐너부 200 : 디지털 카메라부

300 : 매핑분석제어부 400 : 휴대용 단말기

Claims (3)

1. 터널 막장 시공현장의 일측에 설치되어 터널 매핑을 자동화하는 장치로 이루어지고, 상기 터널 막장의 바닥 일측에 고정되어, 바닥이 고정된 위치에서의 절대 좌표를 터널 내면의 기준점으로하여 측량하고, 그 기준점 측량과, 위치주사에서 얻어진 데이터 및, 표면주사에서 얻어진 데이터를 처리하여 3차원 위치정보를 추출하고, 측정하고자 하는 터널 내면을 스캐닝한 3차원 형상데이터를 인터넷망을 통해 원격지의 매핑분석제어부로 전송시키는 레이져 스캐너부(100)와,

   레이져 스캐너부 일측에 설치되어 터널 공사 현장을 실시간으로 촬영하고, 그 촬영한 영상을 인터넷망을 통해 원격지의 매핑분석제어부로 전송시키는 디지털 카메라부(200)와,

   원격지의 터널시공 현장에서 터널 막장을 레이져스캐너로 스캐닝한 자료와 디지털 카메라부로 영상 촬영한 자료를 기준으로, 암석이 물리적 특성과 절리분포를 자동 분석하여 터널 막장 매핑도를 구성하고, 암반을 규정에 따라 등급화하여 암반등급판정 시트를 자동으로 작성하며, 해당 등급에 적용할 보강패턴을 선정한 후, 암반 규정에 관한 등급데이터와, 그 암반등급에 해당하는 보강 지시 및 보강 작업내용을 원격지의 터널 시공현장의 휴대용 단말기로 전송시키고, 작업공정의 전반적인 제어를 하도록 제3 무선송수신부(310), 데이터베이스부(320), 3차원 영상데이터 처리부(330), 비교·분석부(340)로 이루어진 매핑분석제어부(300)와,

   매핑분석제어부로부터 전달된 암반등급과, 그 암반등급에 해당되는 보강 지시 및 보강 작업 내용을 액정화면상에 실시간으로 전송받고, 이에 따른 작업 결과를 사진으로 찍어서 매핑분석제어부로 전송시키는 휴대용 단말기(400)로 구성된 터널 매핑 자동화 장치에 있어서,

   상기 3차원 영상데이터 처리부(330)는 데이터베이스부(320)에 저장된 레이저 스캐닝 작업후 캡쳐된 3차원 좌표값을 갖는 점데이터(Point clouds)를 3차원 영상화 프로그램을 통해 자동 삼각화, 정렬, 병합하여 폴리곤 모델을 생성함으로서 절리면의 좌표변환 및 좌표값들의 평균값을 가지는 절리면을 3D영상으로 가시화하여 비교·분석부로 전송시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 터널 매핑 자동화 장치.
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