KR100998063B1 - 교량의 변형량 측정방법 - Google Patents

교량의 변형량 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교량의 변형량 측정방법에 관한 것으로, 특히 비용을 절감하면서 간소화 된 방법을 이용하여 교량의 3차원에 대한 변형량을 측정할 수 있는 교량의 변형량 측정방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 교량의 변형량 측정방법은 교량의 일면에 목표점을 설정하는 제 1 단계, 교량에 열차 진입 이전에 목표점의 3차원 좌표를 측정하는 제 2 단계, 교량에 열차가 진입 시에 목표점의 3차원 좌표를 재측정하는 제 3 단계, 및 제 2 단계와 제 3 단계에서의 목표점에 대한 3차원 좌표의 변형량을 산출하는 제 4 단계를 포함한다.

Description

교량의 변형량 측정방법{Mesuring Method for Deformation of Bridge}
본 발명은 교량의 변형량 측정방법에 관한 것으로, 특히 비용을 절감하면서 간소화 된 방법을 이용하여 교량의 3차원에 대한 변형량을 측정할 수 있는 교량의 변형량 측정방법에 관한 것이다.
교량과 같은 구조물의 안전진단은 재하시험을 수행하여 그 결과를 분석함으로써 이루어질 수 있다.
이때 재하시험은 교량의 변형율을 측정하기 위한 스트레인 게인지 및 교량의 이용 대상물의 변형측정을 위한 가속도계 등을 포함하는 재하시험기를 이용하여 측정한다. 이러한 재하시험기는 각각의 비용이 고가일 뿐만 아니라, 재하시험을 위해서는 다수 개의 재하시험기를 교량의 곳곳에 설치하여야 하는 번거러움이 있다. 또한 재하시험기는 각각이 교량의 1차원적인 변형량 만을 산출할 수 있는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 및 기술 개발의 필요성을 해결하기 위해 안출된 것으로, 비용을 절감할 수 있는 교량의 변형량 측정방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명은 재하시험의 과정을 간소화할 수 있는 교량의 변형량 측정방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 간소화된 방법으로 교량의 3차원에 대한 변형량을 측정할 수 있는 교량의 변형량 측정방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 의한 교량의 변형량 측정방법은 교량의 일면에 목표점을 설정하는 제 1 단계; 교량에 열차 진입 이전에 목표점의 3차원 좌표를 측정하는 제 2 단계; 교량에 열차가 진입 시에 목표점의 3차원 좌표를 재측정하는 제 3 단계; 및 제 2 단계와 제 3 단계에서의 목표점에 대한 3차원 좌표의 변형량을 산출하는 제 4 단계;를 포함한다.
제 3 단계는 교량에 열차가 진입한 상태에서 목표점의 3차원 좌표를 측정하는 단계 및 교량에 열차가 지나간 직후의 목표점의 3차원 좌표를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 제 2 및 제 3 단계는 목표점을 촬영하기 위한 제 1 카메라와 제 1 카메라와 이격되어 제 1 카메라와 동시에 목표점을 사진 촬영하는 제 2 카메라를 이용한 사진측량으로 3차원 좌표점을 획득하는 것을 특징으로 한다.
이때, 제 2 및 제 3 단계는 공선조건을 이용할 수 있다.
그리고 본 발명에 의한 교량의 변형량 측정방법은 제 2 단계 이전에 측량 장비를 이용하여 기준점이 되는 목표점의 3차원 직각좌표를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서 제 2 단계는 기준점 좌표 데이터를 바탕으로 공선조건식의 내부표정요소 및 외부표정요소를 확정하는 단계와 내부표정요소 및 외부표정요소를 포함하는 공선조건식을 이용하여 목표점의 3차원 좌표를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 재하시험기를 이용하지 않고도 교량의 변형량을 측정할 수 있기 때문에 재하시험에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
그리고 본 발명에 의하면 재하시험을 수행할 때마다 교량에 재하시험기를 설치하여야 하는 번거로움을 개선할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 동일한 사진촬영 과정을 통해서 교량의 3차원에 대한 변형량을 측정할 수 있기 때문에 좀 더 정확한 재하시험을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 교량의 변형량 측정방법을 나타내는 순서도.
도 2는 본 발명에 의한 교량의 변형량 측정방법의 예를 나타내는 도면.
도 3은 목표점의 3차원 좌표를 산출하는 방법을 나타내는 예시도.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 교량 변형량 측정방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 교량 변형량 측정방법은 먼저 교량의 일면에 목표점을 설정한다(S1).
목표점을 설정한 다음에는 목표점의 3차원 좌표를 측정한다(S2).
그리고 열차가 진입한 이후에 목표점에 대해서 2차적인 3차원 좌표를 측정한다(S3). 제 2 단계와 제 3 단계에서의 목표점에 대한 3차원 좌표 측정은 사진촬영을 이용할 수 있다. 또한 열차의 진입 이후에는 열차가 진행하는 도중 및 열차가 완전히 지나간 다음에 각각 목표점에 대한 3차원 좌표를 측정한다.
그리고 열차가 진입 이전과 열차가 진입하여 지나가는 도중 및 열차가 완전히 지나간 이후에 각각의 목표점에 대한 3차원 좌표의 변형량을 산출한다(S4)
이러한 본 발명에 의한 교량의 변형량 측정방법에 대한 각각의 단계를 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에 의한 교량의 변형량을 측정하기 위해서는 먼저 교량에 목표점을 설정한다. 교량에 목표점을 설정하는 것은 사진촬영을 위한 기준점을 설정하는 것으로 사진 촬영시 알아보기 쉬운 표식을 이용할 수 있다. 일례로 이러한 목표점은 도 2에서와 같이 교량(20)의 일면에 특정 표식을 부착함으로써 정할 수 있다. 목표점(100)이 설정되는 위치는 사진촬영을 위한 제 1 및 제 2 카메라(110,120)의 배치 위치에 따라 설정될 수 있다. 또한 목표점(100)은 열차의 진입 시에 교량의 변화량을 측정하기 쉽게 교각(10)이 위치된 영역을 벗어나서 설정될 수 있다.
그리고 제 1 및 제 2 카메라(110,120)를 이용하여 목표점(100)에 대한 사진촬영을 실시한다. 제 1 및 제 2 카메라(110,120)는 목표점(100)을 동시에 촬영하는 것이 바람직하다. 이를 위해서 제 1 및 제 2 카메라(110,120)는 각각의 카메라를 동시에 원격 조정할 수 있는 리모콘(미도시)을 이용하여 사진촬영을 할 수 있다. 그리고 제 1 및 제 2 카메라(110,120)와 목표점(100) 간의 간격은 카메라 렌즈의 종류 및 화소 등의 요인에 의해 결정될 수 있다. 또한 제 1 및 제 2 카메라(110,120)와 목표점(100) 간의 간격은 교량의 위치 및 주변 환경에 의해 결정될 수도 있다.
제 1 및 제 2 카메라(110,120)를 이용한 사진촬영의 2차원 데이터를 이용하여 목표점(100)의 3차원 좌표를 산출한다. 목표점(100)의 3차원 데이터를 산출하는 방법은 공선조건을 이용할 수 있다. 공선조건은 도 3에서와 같이 노출점(C2), 목표점(P1) 및 목표점의 영상점(P2)이 한 직선을 이룬다는 조건을 일컫는다. 이때 노출점(C2)은 카메라 렌즈 중심의 3차원 위치를 말하고, 목표점의 영상점(P2)은 사진에 촬영된 목표점의 2차원 좌표를 일컫는다.
그리고 이러한 목표점의 기준점을 측량한다. 기준점은 3차원 직각 좌표계 상의 좌표로 표현된다. 목표점의 3차원 좌표는 토탈스테이션을 이용하여 구할 수 있다.
이러한 목표점의 3차원 좌표(X',Y',Z')는 사진 촬영을 이용하여 목표점의 입체촬영을 수행할 때의 내부표정요소와 외부표정요소를 구하기 위한 인자로 이용될 수 있다.
이러한 공선조건을 수학식으로 표현하면 다음과 같이 [수학식 1] 및 [수학식 2]로 표현할 수 있다.
Figure 112010001040796-pat00001
Figure 112010001040796-pat00002
여기서, Δx 및Δy는 렌즈 왜곡 보정량을 나타내고, f는 카메라의 초점거리를 나타낸다. 그리고 m11 내지 m33은 목표점(X,Y,Z) 3축에 대한 회전인자(ω,Φ,κ)가 포함된 회전행렬요소를 나타낸다.
이러한 공선조건식을 이용하여 목표점의 3차원 좌표(X',Y',Z')를 구하기 위해서는 먼저 내부표정요소(Interior Orientation Parameters; IOPs)인 렌즈왜곡 보정량(Δx 및Δy) 및 초점거리(f)와 외부표정요소(Exterior Orientation Parameters; EOPs)인 카메라 렌즈의 3차원 위치 좌표(X0,Y0,Z0) 및 회전행렬요소(m11 내지 m33)를 확정하여야 한다.
또는 내부표정요소 및 외부표정요소는 목표점의 지상 기준점을 측정하여 상술한 [수학식 1] 및 [수학식 2]에 대입함으로써 구할 수 있다. 이때 목표점의 지상 기준점을 측량 장비, 예컨대 토탈스테이션을 이용하여 구할 수 있다.
또는 제 1 및 제 2 카메라(110,120)의 상대적인 외부표정요소만을 구하고자 할 경우에는 공면조건식을 이용한 상호표정 방법을 이용할 수 있다. 이때 제 1 및 제 2 카메라 렌즈 중심간 거리만 정확히 측량하면 지상 기준점 측량은 생략할 수 있다.
이와 같이 내부표정요소와 외부표정요소가 확정되면, 사진촬영을 통해서 구해지는 목표점의 2차원 좌표(x,y)를 이용하여 목표점의 3차원 좌표(X',Y',Z')를 상술한 공선조건식인 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 이용하여 구할 수 있다.
또한 목표점에 대한 3차원 좌표(X',Y',Z')를 구하는 방법은 공간 교차식을 이용하여 구할 수도 있다. 공간 교차식은 중복된 제 1 및 제 2의 영상에서 임의의 동일점을 찾았을 경우에 제 1 및 제 2 카메라 투영중심에 의해 두 개의 직선(또는 공선)이 형성된다는 원리에 근거한다. 이때 일반적으로 외부표정요소를 결정할 때와 제 1 및 제 2 영상의 동일지점 결정에서 피할 수 없는 오차들로 인하여 두 공선은 서로 d(=[dxdydz]T)만큼 교차하지 않는다. 따라서 실제에 있어서는 두 직선의 최단 거리인 벡터 κ·d를 찾아 이것의 중간점을 교차점으로 간주하여 다음과 같은 [수학식 3]으로 목표점의 3차원 좌표(X',Y',Z')를 계산할 수 있다.
Figure 112010001040796-pat00003
여기서 λ는 제 1 카메라 렌즈 중심으로부터 영상면까지의 벡터와 렌즈중심으로부터 대상면까지의 벡터 비이고, κ는 최단 거리 d에 대한 방향벡터의 스칼라이다. 그리고 MT는 회전행렬의 전치행렬이다.
이러한 방법으로 열차가 진입하는 순간 및 열차가 지나간 이후에도 교량의 목표점에 대한 3차원 좌표(X',Y',Z')를 구할 수 있다.
즉, 본 발명에 의한 교량의 변형량 측정방법은 철로(30)에 열차가 진입하기 이전에 1차적인 사진촬영을 하는 단계와, 열차가 진행하고 있는 동안에 2차적인 사진촬영을 하는 단계 및 열차가 완전히 지나간 다음에 3차적인 사진촬영을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 실제 교량의 변형량 측정 결과를 살펴보면 [표 1]과 같다. 이 때 본 발명에 의한 교량의 변형량 측정에 대한 신뢰도를 알아보기 위해서 실제 재하시험기를 이용한 변형량 측정을 동시에 실시하였다. 피실험 교량은 순천교이고, 피실험 교량의 목표점은 제 1 내지 제 15 목표점(no.1 내지 no.15)을 설정하였다. 제 1 내지 제 15 목표점(no.1 내지 no.15)의 배치는 도 2와 같은 형태로 설정하였다. 그리고, 제 9 내지 제 11(no.9 내지 no.11) 및 제 14 목표점(no.14)의 위치에서는 재하시험기를 이용한 변형량 측정을 동시에 실시하였다.
이때 피실험 교량과 제 1 및 제 2 카메라(110,120)와의 거리는 약 10m 이고, 제 1 및 제 2 카메라(110,120)의 초점거리는 55mm 이다. 그리고 제 1 및 제 2 카메라(110,120)에 대한 내부표정요소 및 외부표정요소는 열차 진입 전 입체영상에서 7개의 목표점에 대한 데이터를 바탕으로 공선조건식을 이용하여 획득하였다. 이때 내부표정요소는 f=57.9mm, Δx=0.02화소, Δy=-0.06화소로 결정되었다. 그리고 제 1 카메라(110)의 외부표정요소는 X0=8530mm, Y0=11521mm, Z0=45453mm, ω=0.182rad. Φ=-0.282rad., κ=0.049rad로 결정되었고, 제 2 카메라(120)의 외부표정요소는 X0=11579mm, Y0=11648mm, Z0=45642mm, ω=0.150rad. Φ=0.022rad., κ=0.030rad로 결정되었다.
그리고 [표 1]에 기재된 변화량의 단위는 mm 이다.
목표점

 사진측량 재하시험기 이용
열차 진입 상태 열차 지나간 이후 열차진입상태 열차 지나간 이후
X Y Z X Y Z Y Y
1 -0.61 -4.77 4.06 -0.57 -1.24 3.03
2 -0.21 -4.55 1.71 -0.33 -0.70 0.90
3 0.18 -4.47 -0.51 0.25 -0.26 -0.39
4 0.29 -4.04 -1.17 0.94 -0.21 -0.94
5 -0.45 -4.62 -4.62 -0.30 -1.00 2.33
6 -0.13 -4.73 -4.73 0.16 0.16 -0.37
7 0.47 -4.34 -4.34 1.24 1.24 -2.99
8 -0.73 -4.32 -4.32 -0.38 -0.38 2.13
9 -0.63 -4.75 3.03 -0.46 -1.21 1.49 -3.03 -0.09
10 -0.49 -4.88 1.26 0.06 -0.69 -0.40 -3.02 -0.02
11 0.78 -4.35 -2.77 0.90 -0.64 -2.70 -2.13 -0.01
12 -0.90 -3.35 1.20 -0.85 -1.61 3.03
13 -0.52 -3.70 0.28 0.03 -0.86 0.46
14 0.47 -3.68 -1.52 1.17 -0.32 -4.05 -0.92 -0.01
15 0.72 -3.77 -2.42 1.58 -0.68 -3.59
사진측량을 이용하여 교량의 변형량을 측정한 결과 열차가 진입한 상태에서 의 제 9 내지 제 11 및 제 14 목표점의 Y축 변형량은 각각 -4.75, -4.88, -4.35, -3.68(mm)로 나타났다. 동일한 목표점에 대해서 재하시험기를 이용하여 측정한 Y축 변형량은 각각 -3.03, -30.2, -2.13, -0.92(mm)로 나타났다. 변형량이 (-)를 나타내는 것은 열차가 진입 상태에서는 교량이 처지는 것을 나타낸다. 그리고 [표 1]의 결과에서 알 수 있듯이, 종래의 재하시험기를 이용한 변형량 측정 결과와 본 발명에 의한 사진측량을 이용한 변형량 측정 결과값은 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 즉, 본 발명은 종래의 재하시험기를 이용하지 않고 교량의 변형량을 측정할 수 있기 때문에 측량 비용을 절감할 수 있다. 또한 종래에는 재하시험을 측정할 때마다 교량에 재하시험기를 부착하는 번거로운 과정을 거쳐야 하였다. 반면에 본 발명에 의한 교량의 변형량 측정방법은 교량에 부착한 반영구적인 목표점을 이용하기 때문에 이러한 번거로움을 제거할 수 있다.
그리고, 종래의 재하시험기를 이용한 변형량 측정은 일방향에 대한 측정만이 가능하기 때문에, 다방향으로의 변형량을 측정하기 위해서는 더 많은 재하시험기를 부착하여야 하지만 본 발명에 의한 변형량 측정방법은 간소화 된 장비와 방법을 통해서 3차원의 변형량을 측정할 수 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100 : 목표점 110,120 : 제 1 및 제 2 카메라

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 교량의 일면에 목표점을 설정하는 제 1 단계;
    서로 이격되어 배치되는 제 1 및 제 2 카메라를 이용하여 상기 목표점을 동시에 사진측량하고, 공면조건식의 상호표정방법을 이용하여 외부표정요소를 확정하는 제 2 단계;
    내부표정요소 및 상기 외부표정요소를 포함하는 공선조건식을 이용하여 상기 목표점의 3차원 좌표를 산출하는 제 3 단계;
    상기 교량에 열차가 진입 시에 상기 제 1 및 제 2 카메라를 통한 사진측량을 더 수행하고, 상기 공선조건식을 이용하여 상기 목표점의 3차원 좌표를 재측정하는 제 4 단계; 및
    상기 제 3 단계 및 상기 제 4 단계에서의 상기 목표점의 3차원 좌표의 변형량을 산출하는 제 5 단계;를 포함하는 교량의 변형량 측정방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 공선조건식은 다음과 같은 수학식을 이용하는 것을 특징으로 하는 교량의 변형량 측정방법.
    Figure 112010063406341-pat00007

    Figure 112010063406341-pat00008

    여기서, x 및 y는 사진상에서 목표점의 2차원 좌표, Δx 및Δy는 렌즈 왜곡 보정량, f는 카메라의 초점거리, m11 내지 m33은 목표점(X',Y',Z') 3축에 대한 회전인자(ω,Φ,κ)가 포함된 회전행렬요소, X0,Y0 및 Z0는 카메라 렌즈의 3차원 위치 좌표.
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