KR101009657B1 - Probabilistic stability analysis method of slopes using terrestrial lidar - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A statistical rock slope stability analysis method is provided to improve the reliability of the interpretation result by excluding subjective error using quantitive conversion technique in JRC(Joint Roughness Coefficient) determination and statistical parameter. CONSTITUTION: A geometric condition of the surface and profile of the discontinuity surface are calculated from point group data about the terrestrial LiDAR(Light Detection And Raging)(S20). The quantitive JRC is calculated using the discontinuity surface profile(S40). The JCS(Joint Compressive Strength) is calculated using the SHV(Schmidt Hammer Value) about the discontinuity surface(S50). The PDF(Probability Density Function) and CDF(Cumulative Density Function) are obtained using JCS and JRC as the random variable. The damage probability is calculated from the probability value of the unsafe region boundary(S60).

Description

지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법 {Probabilistic Stability Analysis Method of Slopes Using Terrestrial LiDAR}Probabilistic Stability Analysis Method of Slopes Using Terrestrial LiDAR}

본 발명은 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존 확률론적 안정해석의 한계로 지적되었던 충분한 자료확보 문제를 해소하고 해석결과의 신뢰성 향상에 기여할 수 있는 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법에 관한 것이다.The present invention relates to a stochastic rock slope stable analysis method using ground lidar, and more particularly, to solve the sufficient data securing problem pointed out as a limitation of the conventional stochastic stability analysis and to improve the reliability of the analysis results. A stochastic rock slope stability analysis using LiDAR.

최근 기상이변 및 이상기후의 영향으로 국지적인 집중호우 같은 예상치 못한 재난재해가 빈번하게 발생하고 있다. 이로 인하여 토목구조물 붕괴와 그로 인한 인명피해가 증가하는 추세이고, 특히 사면붕괴로 인한 피해는 더욱 증가하는 추세이다.Recently, unexpected disasters such as localized torrential rain occur frequently due to extreme weather and abnormal weather. As a result, civil engineering structures collapse and the resulting damage to life is increasing, especially the damage caused by slope collapse is increasing.

특히 암반사면의 경우에는 토사사면과는 달리 암석의 풍화정도나 불연속면의 특성 등에 의해 다양하고 복잡한 형태의 파괴 형태를 가지게 되며, 사면에 내재된 구조적 결함은 암반의 강도를 저하시키고 굴착면에 대해서 특정방향으로 응력을 집중시키는 결과를 가져와 사면의 안정성을 떨어뜨리게 되므로 사면안정해석을 통해 구조적 결함을 미연에 분석하는 것이 중요하다.Particularly, in case of rock slope, unlike soil slope, it has various and complicated forms of destruction depending on the weathering degree of the rock and the characteristics of discontinuity. It is important to analyze structural defects through slope stability analysis because it results in concentration of stress in the direction, which reduces slope stability.

사면안정해석을 포함한 지반공학적인 문제에는 자연물을 대상으로 하는 만큼 불확실이 포함되고, 이러한 불확실 요소들은 해석과정 및 결과에 대한 신뢰성을 저하시킨다. 따라서 이러한 불확실성을 해석모델에 고려함으로써 해석모델 자체의 합리성 확보는 물론, 효율적인 설계나 경제성 분석을 도모하고자 하는 노력들이 진행중이다.Geotechnical problems, including slope stability analysis, include uncertainties as they target natural objects, and these uncertainties reduce the reliability of the process and results. Therefore, by considering such uncertainties in the analytical model, efforts are being made to secure the rationality of the analytical model itself and to promote efficient design and economic analysis.

예를 들면, 지반공학적 문제에 있어 불확실성을 고려할 수 있는 방법으로 확률론적 해석이 효과적인 것으로 알려져 있으며, 해석결과의 신뢰성을 높이기 위해 기존 결정론적인 방법을 확률론적인 방법으로 대체하는 추세이다.For example, probabilistic analysis is known to be effective as a method to consider uncertainty in geotechnical problems, and the trend of replacing existing deterministic methods with probabilistic methods in order to increase the reliability of analysis results.

그런데 확률론적 안정해석은 해석과정이 난해하고, 충분한 양의 실험자료가 요구되기 때문에 실무에 활용되지 못하는 한계를 노출하고 있다. 이 중에서 해석과정의 난해함은 사용자 편의를 강조하는 상용 솔루션의 발달에 의해 어느 정도 극복되고 있지만, 충분히 많은 실험자료의 확보문제는 여전히 확률론적 안정해석의 걸림돌로 작용하고 있다.Probabilistic stable analysis, however, exposes limitations that cannot be used in practice because the interpretation process is difficult and a sufficient amount of experimental data is required. The difficulty of the analysis is somewhat overcome by the development of a commercial solution that emphasizes the user's convenience, but the problem of securing enough experimental data still acts as an obstacle to probabilistic stability analysis.

본 발명은 상기와 같은 점에 조감하여 이루어진 것으로서, 지상라이다를 이용하여 사면의 기하학적 조건과 불연속면의 프로파일(profile)을 신속하게 다량으로 추출하는 것이 가능하여 충분히 많은 실험자료의 확보문제를 해결할 수 있는 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above points, and it is possible to quickly extract a large amount of geometrical conditions and profiles of discontinuous surfaces using ground lidar to solve the problem of securing a sufficient number of experimental data. To provide a stochastic rock slope stability analysis method using a ground lidar.

본 발명의 다른 목적은 지상라이다를 이용하여 얻어진 데이터를 정량적인 산출을 위한 파라미터에 적용함으로써 신뢰성과 효용성이 높이는 것이 가능한 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법을 제공하기 위한 것이다.It is another object of the present invention to provide a stochastic rock slope stability analysis method using terrestrial lidar that can increase reliability and utility by applying data obtained using terrestrial lidar to a parameter for quantitative calculation.

본 발명의 실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법은 지상라이다를 이용하여 측정한 사면 표면에 대한 점군자료로부터 사면 연장, 높이, 방위, 경사 등의 기하학적 조건과 불연속면의 프로파일(profile)을 산출하고, 절리면의 벽면강도를 간접적으로 얻을 수 있도록 불연속면에 대한 SHV(Schmidt Hammer Valve)를 측정하고, 측정된 SHV를 이용하여 JCS(Joint Compressive Strength)를 산출하고, 불연속면의 프로파일을 이용하여 정량적인 JRC(Joint Roughness Coefficient)를 산출하고, 산출된 JCS 및 JRC를 확률변수로 이용하여 몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo simulation)을 시행하여 확률밀도함수(PDF;Probabilistic Density Function) 및 누적밀도함수(CDF;Cumulative Density Function)를 구하고 불안정영역 경계의 확률값으로부터 파괴확률을 산정하는 과정을 포함하여 이루어진다.The stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to the embodiment of the present invention is based on the geometric conditions and the discontinuity of slopes, heights, orientations, and slopes from point group data on the slope surface measured using the ground lidar. Calculate the profile, measure the Schmidt Hammer Valve (SHV) on the discontinuous surface to indirectly obtain the wall strength of the joint surface, calculate the JCS (Joint Compressive Strength) using the measured SHV, and profile the discontinuous surface. Probabilistic Density Function (PDF) and Cumulative Density Function by calculating quantitative Joint Roughness Coefficient (JRC) and Monte Carlo simulation using the calculated JCS and JRC as random variables (CDF; Cumulative Density Function) and estimating the probability of failure from the probability value of the unstable area boundary. Lose.

상기 불연속면의 프로파일을 이용하여 정량적인 JRC를 산출하는 과정에서는 Z2 및 Ai 파라미터의 경험식을 이용하여 주관적인 오차를 배제하는 것이 바람직하다.In the process of calculating the quantitative JRC using the profile of the discontinuous surface, it is preferable to exclude subjective error using the empirical formula of the Z 2 and Ai parameters.

본 발명의 실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법에 의하면, 지상라이다를 이용하여 측정한 사면 표면에 대한 점군자료로부터 사면 연장, 높이, 방위, 경사 등의 기하학적 조건과 불연속면의 프로파일(profile)을 산출하므로, 기존 육안에 의한 사면조사시 각종 기하학적 정보를 얻기 위해 측점까지 조사자가 직접 이동하여 측정해야 하는 번거로움이 없다. 또 지상라이다를 이용하면, 사면 높이나 불연속면의 방향성을 측정하기 위해 사면 정상까지 이동할 필요가 없고, 원격으로 얻은 점군자료로부터 실내분석과정을 거쳐 손쉽게 필요한 데이터를 얻을 수 있는 장점이 있다. 나아가 사면의 규모가 커지거나, 낙석이나 추가 붕괴의 가능성이 클수록 이러한 비접촉식 원격측정 방식의 효용성은 증대된다.According to the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to the embodiment of the present invention, the geometric conditions such as slope extension, height, azimuth, slope, and the like from point group data on the slope surface measured using the ground lidar Since the profile of the discontinuities is calculated, there is no hassle that the investigator has to move directly to the station to measure various geometrical information in order to obtain various geometrical information during the existing visual survey. In addition, the use of the ground lidar does not need to move to the top of the slope to measure the slope height or the direction of the discontinuous surface, and has the advantage that the necessary data can be easily obtained through the indoor analysis process from the point cloud data obtained remotely. Furthermore, the larger the slope, the greater the likelihood of falling rocks or further collapse, the greater the effectiveness of this contactless telemetry.

그리고 종래에는 JRC의 측정을 위하여 프로파일게이지(profile gauge)를 이용하므로, 원하는 위치에서의 자료를 얻기 위한 접근조건이나 조사 횟수에 제약이 많았다. 그러나 본 발명의 경우에는 지상라이다를 이용하므로, 실내분석과정에서 충분한 양의 JRC를 원하는 위치에서 추출하는 것이 가능하며, 직접적인 측정작업에 비하여 안전하게 조사업무를 수행하는 것이 가능하다.In addition, since a profile gauge is used to measure JRC, there are many limitations on the access conditions and the number of surveys for obtaining data at a desired location. However, in the case of the present invention, since the ground lidar is used, it is possible to extract a sufficient amount of JRC at a desired location in the indoor analysis process, and it is possible to safely perform the investigation work as compared to the direct measurement work.

본 발명의 실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법에 의하면, JRC 판정시에 정량적인 환산기법과 통계 파라미터를 도입하여 주관적인 오차를 배제하는 것이 가능하므로, 해석결과의 신뢰성을 담보할 수 있다.According to the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to the embodiment of the present invention, it is possible to exclude subjective errors by introducing quantitative conversion techniques and statistical parameters when determining JRC, thereby improving reliability of the analysis results. Can be secured

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법의 수행과정을 개념적으로 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법에 있어서 지상라이다를 이용하여 스캔을 행하여 점군자료를 취득하는 과정을 개념적으로 나타내는 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법에 있어서 점군자료를 이용하여 DSM을 생성하는 과정을 개념적으로 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법에 있어서 점군자료를 이용하여 DSM을 생성하는 과정에서 발생하는 중첩, 뒤집힘, 꼬임 등이 발생한 상태를 개념적으로 나타내는 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법을 적용하여 안정해석을 행한 암반사면을 촬영한 사진이다.
도 6은 도 5의 암반사면을 스캔하여 취득한 점군자료를 이용하여 DSM을 생성하고 프로파일을 생성한 상태를 나타내는 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법에 있어서 프로파일의 통계적 파라미터를 산출하기 위한 모형도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법를 적용하여 도 5의 암반사면에 대한 프로파일 및 JRC를 산출한 결과를 나타내는 도표이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법을 적용하여 도 5의 암반사면에 대한 JRC를 산출한 데이터를 나타내는 도표이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법을 적용하여 도 5의 암반사면에 대하여 Z2 파라미터를 적용하여 JRC를 산출한 결과를 나타내는 히스토그램이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법을 적용하여 도 5의 암반사면에 대하여 Ai 파라미터를 적용하여 JRC를 산출한 결과를 나타내는 히스토그램이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법에 있어서 SHV를 JCS로 환산하기 위한 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법을 적용하여 도 5의 암반사면에 대하여 측정한 SHV를 JCS로 환산한 데이터를 나타내는 도표이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법을 적용하여 도 5의 암반사면에 대하여 측정한 SHV를 JCS로 환산한 결과를 나타내는 히스토그램이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법에 있어서 몬테카를로 시뮬레이션을 행하는 과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 16은 도 5의 암반사면에 대한 해석단면 캐드도면 파일을 dxf로 변환하여 모델링을 행한 결과를 나타내는 이미지이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법을 적용하여 도 5의 암반사면에 대하여 Z2 파라미터를 이용하여 몬테카를로 시뮬레이션을 행하여 확률밀도함수를 산정한 결과를 나타내는 히스토그램이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법을 적용하여 도 5의 암반사면에 대하여 Ai 파라미터를 이용하여 몬테카를로 시뮬레이션을 행하여 확률밀도함수를 산정한 결과를 나타내는 히스토그램이다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법에 있어서 도 17 및 도 18의 확률밀도함수를 이용하여 누적밀도함수를 산정한 결과를 나타내는 히스토그램이다.
1 is a block diagram conceptually illustrating a process of performing a stochastic rock slope stability analysis method using a ground lidar according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram conceptually illustrating a process of acquiring point group data by scanning using a ground lidar in the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram conceptually illustrating a process of generating a DSM using point cloud data in a stochastic rock slope stability analysis method using a ground lidar according to an embodiment of the present invention.
4 conceptually illustrates a state in which overlapping, flipping, and twisting occur in a process of generating a DSM using point cloud data in a stochastic rock slope stability analysis method using a ground lidar according to an embodiment of the present invention. The image to represent.
5 is a photograph of a rock slope in which a stable analysis is performed by applying a stochastic rock slope stability analysis method using a ground lidar according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an image illustrating a state in which a DSM is generated and a profile is generated using the point cloud data acquired by scanning the rock reflecting surface of FIG. 5.
7 is a model diagram for calculating statistical parameters of a profile in the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating a result of calculating a profile and JRC of a rock slope of FIG. 5 by applying a stochastic rock slope stability analysis method using a ground lidar according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a table illustrating JRC calculations for rock slopes of FIG. 5 by applying a stochastic rock slope stability analysis method using a ground lidar according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a histogram showing a result of calculating JRC by applying a Z 2 parameter to a rock slope of FIG. 5 by applying a stochastic rock slope stability analysis method using a ground lidar according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a histogram showing a result of calculating JRC by applying an Ai parameter to a rock slope of FIG. 5 by applying a stochastic rock slope stability analysis method using a ground lidar according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph showing a relationship for converting SHV into JCS in the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a table showing data converted from JV to SHV measured on the rock slope of FIG. 5 by applying the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to an embodiment of the present invention.
14 is a histogram showing the results of converting the SHV measured on the rock slope of FIG. 5 into JCS by applying the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to an embodiment of the present invention.
15 is a conceptual diagram schematically illustrating a process of performing Monte Carlo simulation in the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to the embodiment of the present invention.
FIG. 16 is an image illustrating a result of modeling by converting an analysis section CAD drawing file of a rock reflection surface of FIG. 5 into dxf. FIG.
17 is a result of calculating the probability density function by performing Monte Carlo simulation using the Z 2 parameter on the rock slope of FIG. 5 by applying the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to an embodiment of the present invention. Histogram indicating.
FIG. 18 illustrates the results of calculating the probability density function by performing Monte Carlo simulation using the Ai parameter on the rock slope of FIG. 5 by applying the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to an embodiment of the present invention. It is a histogram.
19 is a histogram showing the result of calculating the cumulative density function using the probability density functions of FIGS. 17 and 18 in the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to an embodiment of the present invention.

다음으로 본 발명에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Next, a preferred embodiment of the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법은 도 1에 나타낸 바와 같이, 지상라이다(Terrestrial LiDAR)를 이용하여 사면 표면에 대한 점군자료를 취득하는 과정(S10)을 포함한다.First, the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to an embodiment of the present invention is a process of acquiring point cloud data on the slope surface using Terrestrial LiDAR as shown in FIG. S10).

상기 지상라이다(Terrestrial LiDAR)는 대상물체에 빛을 조사하고, 대상물체의 표면에서 반사된 빛을 다시 수광함으로써 대상물체 표면에 대한 거리나 기타 정보를 획득할 수 있는 원격탐사기술이다.Terrestrial LiDAR is a remote sensing technology that can obtain a distance or other information on the surface of the object by irradiating light to the object and receiving light reflected from the surface of the object again.

상기에서 지상라이다를 이용하여 사면 표면에 대한 점군자료를 얻는 과정은 도 2에 나타낸 바와 같이, 제어점(CP;Control Point) 설치(S12), 스캐닝(scanning)(S14), 병합(S18)의 순서로 진행한다.The process of obtaining the point group data on the slope surface using the ground lidar as shown in Figure 2, the control point (CP) installation (S12), scanning (scanning) (S14), merging (S18) Proceed in order.

상기에서 취득하려는 점군자료의 해상도를 높이려면, 라이다(LiDAR;Light Detection And Raging)를 사면에 접근시켜야 하는데, 이 경우 암반사면의 불규칙한 표면굴곡에 의하여 시야가 가려지는 음영부분(occlusion area)이 발생된다. 따라서, 이를 보완하기 위하여 여러 위치에서 점군자료를 취득한 다음, 이를 병합(alignment)하는 과정을 거치게 된다. 그리고 병합을 위해 현장에 스캐닝 작업 전에 제어점(CP)을 설치한다.In order to increase the resolution of the point cloud data to be obtained above, LiDAR (Light Detection And Raging) should be approached to the slope, in which case the occlusion area that is obscured by irregular surface curvature of the rock slope is Is generated. Therefore, in order to compensate for this, the point cloud data is acquired from various locations and then aligned. A control point (CP) is installed before scanning in the field for merging.

상기 제어점(CP)은 스캐닝에 적당한 위치를 선정하고, 인접하는 스캐닝 위치와의 중첩부에 최소 4개 이상이 존재하도록 설치한다.The control point CP selects a position suitable for scanning and is installed such that at least four or more control points exist at an overlapping portion with adjacent scanning positions.

상기 스캐닝(scanning) 과정(S14)은 각 위치별로 포지셔닝 스캔(positioning scan), 파인 스캔(fine scan)과 서페이스 스캔(surface scan)을 순차적으로 실시하는 것으로 이루어진다.The scanning process S14 consists of sequentially performing positioning scans, fine scans, and surface scans for each position.

상기 포지셔닝 스캔(positioning scan)은 현장에 설치된 제어점(CP)을 높은 반사율에 의해 자동 인식하고 이를 미리 입력해놓은 좌표리스트와 비교하여 각 제어점(CP)을 식별하는 과정이다.The positioning scan is a process of identifying each control point CP by automatically recognizing a control point CP installed at a site by a high reflectance and comparing it with a coordinate list previously input.

상기 파인 스캔(fine scan)은 각 제어점(CP)별로 수천번의 레이저 펄스를 집중 조사하여 얻은 반사강도(intensity) 영상에서 제어점(CP)의 정밀 중심좌표를 취득하는 과정이다. 이러한 파인 스캔 과정은 확률론에 근거한 것으로, 무작위 추출되어 얻어진 제어점(CP)의 중심좌표 측정값이 참값(true value)을 중심으로 정규분포를 따른다는 가정을 응용한 것이다.The fine scan is a process of acquiring a precise center coordinate of the control point CP from an intensity intensity image obtained by intensively irradiating thousands of laser pulses for each control point CP. This fine scan process is based on probability theory and applies the assumption that the measured values of the center coordinates of a control point (CP) obtained by random sampling follow a normal distribution around a true value.

상기 서페이스 스캔(surface scan)은 정해진 해상도에 따라 본격적인 표면의 점군자료를 취득하는 과정이다.The surface scan is a process of acquiring point cloud data of a full surface according to a predetermined resolution.

상기와 같이 위치별로 스캐닝 과정을 반복 수행하고, 취득된 점군자료에 대해서는 미리 입력된 제어점(CP)의 좌표값 및 좌표체계에 따라, 각 위치별 스캐닝 자료를 단일 자료체계로 통합하는 변환행렬(transformation matrix) 구성작업을 실시한다.As described above, the scanning process is repeatedly performed for each position, and transformation matrix for integrating the scanning data for each position into a single data system according to the coordinate values and coordinate system of the control point CP input in advance for the acquired point group data. matrix) Perform configuration work.

상기 병합(alignment)하는 과정(S18)은 최종 각 위치별 점군자료를 통일된 좌표체계(global/local coordinate)에 의한 하나의 점군자료로 병합하는 과정이다.The process of alignment (S18) is a process of merging the final point group data for each position into one point group data by a unified coordinate system (global / local coordinate).

다음으로 상기와 같이 병합된 점군자료를 이용하여 사면 연장, 높이, 방위, 경사 등의 기하학적 조건과 불연속면의 프로파일(profile)을 산출하는 과정(S20)을 진행한다.Next, using the merged point group data as described above proceeds to the process (S20) of calculating the geometric profile and the profile of the discontinuous surface, such as slope extension, height, orientation, slope.

예를 들면, 상기와 같이 병합된 점군자료는 불연속적인(discrete) 자료로써 점과 점 사이에 대한 정보를 포함하고 있지 않으므로, 임의의 위치나 방향에 대해서도 정보를 추출할 수 있는 연속적 자료형태인 DSM(Digital Surface Model)으로 점군자료를 변환한다.For example, the point group data merged as described above is a discrete data and does not include information between points. Therefore, DSM is a continuous data type that can extract information for any position or direction. Convert point cloud data to (Digital Surface Model).

상기에서 최종적인 DSM을 얻기 위해서는 도 3에 나타낸 바와 같이, 필터링(filtering), 테셀레이션(tessellation), 픽스 업노말 페이스(fix abnormal face), 필홀(fill hole)의 4단계 자료처리 과정을 거친다.In order to obtain the final DSM, as shown in FIG. 3, a four-step data processing process of filtering, tessellation, fix abnormal face, and fill hole is performed.

상기 필터링(filtering) 단계는 점군자료에 포함된 조사자나 전선 등의 대상물체 이외의 노이즈(noise), 레이저의 입사각이 커서 전반사를 일으키는 경우 고스트(ghost)현상에 의해 발생되는 노이즈를 제거하는 단계이다.The filtering step is a step of removing noise caused by ghost phenomenon when noise other than an object such as an investigator or an electric wire included in the point cloud data and the incident angle of the laser are large and cause total reflection. .

또한 상기 필터링 단계에서는 여러 위치의 점군에 대한 병합과정에서 발생된 중첩부의 중복자료(redundancy)도 제거한다.In addition, the filtering step removes the redundancy of the overlapping portion generated in the merging process for the point group of the various positions.

상기 테셀레이션(tessellation) 단계는 필터링 단계를 거쳐 정리된 점군자료를 이용하여 TIN(Triangulated Irregular Network)을 구성하는 단계이다.The tessellation step is a step of constructing a triangulated irregular network (TIN) using point cloud data arranged through a filtering step.

상기 필터링 단계에서 중복자료의 제거가 이루어지지 않으면, 상기 테셀레이션 단계에서 불규칙적이며 과도하게 날카로운 모양의 삼각망이 구성되는 문제가 발생한다.If the redundant data is not removed in the filtering step, a problem arises in that a triangular network having an irregular and excessively sharp shape is formed in the tessellation step.

상기 픽스 업노말 페이스(fix abnormal face) 단계는 3차원 공간상에 분포하는 점군자료의 특성상 TIN 생성과정에서 단일 서페이스(surface)가 아닌 중첩(redundant), 뒤집힘(non-manifold), 꼬임(crossing)이 발생한 면을 제거하는 단계이다(도 4 참조).The fix abnormal face step is not a single surface but a redundant, non-manifold, and crossing step in the TIN generation process due to the nature of the point cloud data distributed in three-dimensional space. This step is to remove the generated surface (see Fig. 4).

상기 필홀(fill hole) 단계는 상기 픽스 업노말 페이스 단계까지 진행한 TIN에 분포하는 상기 테셀레이션 단계에서 발생한 홀(hole)을 적절하게 메워주는 단계이다.The fill hole step is a step of appropriately filling a hole generated in the tessellation step distributed in the TIN progressed to the fix up normal face step.

상기 필홀 단계에서는 선형 보간법(linear interpolation)과 홀 주변과의 곡률을 감안한 2차 함수 형태의 비선형 보간법(non linear interpolation)이 사용된다.In the fill hole step, nonlinear interpolation in the form of a quadratic function considering linear interpolation and curvature around the hole is used.

상기와 같은 필터링(filtering), 테셀레이션(tessellation), 픽스 업노말 페이스(fix abnormal face), 필홀(fill hole)의 4단계 자료처리 과정을 거치게 되면, DSM이 얻어지며, 이를 이용하여 JRC(Joint Roughness Coefficient)를 산출하기 위하여 불연속면의 프로파일(profile)을 추출하는 과정을 수행한다.Through the four steps of data processing such as filtering, tessellation, fix abnormal face, and fill hole, DSM is obtained and using this, JRC (Joint Roughness) In order to calculate Coefficient, a process of extracting a profile of the discontinuous surface is performed.

예를 들면, 사면의 시점부터 종점까지 수십개(예를 들면, 30개, 50개, 80개 등)의 단면을 설정하고, 설정된 단면에 의해 추출된 프로파일 중에서 활동면에 해당하는 부분외의 나머지 부분은 제거하고, 형상이 비정상적인 부분도 제거하여 향후 정량적인 JRC 산출이 가능하도록 불연속면의 프로파일을 추출한다.For example, dozens (eg, 30, 50, 80, etc.) cross sections are set from the starting point to the end point of the slope, and the remaining portions other than those corresponding to the active plane are selected from the profiles extracted by the set cross sections. In addition, the profile of the discontinuity surface is extracted to remove the abnormal shape and to quantitatively calculate JRC in the future.

도 6에는 도 5에 나타낸 지역에 대하여 지상라이다를 이용하여 취득한 점군자료를 바탕으로 DSM 프로파일을 수행한 상태를 나타낸다.FIG. 6 shows a state in which the DSM profile is performed based on the point cloud data acquired using the terrestrial lidar for the region shown in FIG. 5.

상기와 같이 지상라이다를 이용하여 점군자료를 취득하고 이를 DSM 프로파일을 수행하게 되면, 짧은 시간에 다량의 불연속면에 대한 프로파일을 취득하는 것이 가능하다.As described above, when point cloud data is acquired using the ground lidar and the DSM profile is performed, it is possible to acquire a profile for a large amount of discontinuous surfaces in a short time.

그리고 상기와 같이 추출된 불연속면의 프로파일을 이용하여 정량적인 JRC(Joint Roughness Coefficient)를 산출하는 과정(S40)을 진행한다.In step S40, a quantitative Joint Roughness Coefficient (JCC) is calculated using the extracted profile of the discontinuous surface.

상기에서 JRC(Joint Roughness Coefficient)는 절리면 거칠기를 나타내는 값이다.JRC (Joint Roughness Coefficient) is a value indicating roughness when jointed.

도 7에는 추출된 불연속면의 프로파일 중의 하나에서 JRC를 정량화하기 위한 통계적 파라미터의 예를 나타낸다. 도 7에서 x축은 기준점에서 측정선까지의 거리(distance along measurement line)를 나타내고, y축은 기준선을 중심으로 표면 높이(surface height)를 나타낸다.Figure 7 shows an example of statistical parameters for quantifying JRC in one of the extracted profiles of discontinuities. In FIG. 7, the x axis represents a distance along measurement line from a reference point, and the y axis represents a surface height around the reference line.

일반적으로 JRC를 구하는 방법으로는 표준프로파일에서 비교 선택하는 방법, 제안된 도표를 이용하는 방법, 절리시편에 대한 단순기울기시험, 전단시험에 의한 바톤(Barton) 경험식으로부터의 역산법 등이 사용된다.In general, the method of obtaining JRC includes comparison selection in standard profile, method using proposed chart, simple slope test on joint specimens, inversion from Barton's empirical equation by shear test.

최근에는 JRC를 구하는 과정에서 개인적인 주관 및 숙련도에 따라 조사자마다 서로 다른 결과가 도출될 개연성이 높은 한계를 극복하기 위하여, JRC에 대한 정량화 연구로 통계적 파라미터를 이용하는 방법, 프랙탈 차원(fractal dimension)을 이용하는 방법, 스펙트럼(spectrum) 분석을 이용하는 방법 등이 사용된다.Recently, in order to overcome the high probability of obtaining different results for each investigator according to individual subjectivity and proficiency in the process of obtaining JRC, the method of using statistical parameters, the fractal dimension, is used to quantify the JRC. Methods, methods using spectrum analysis, and the like are used.

예를 들면, 상기 불연속면의 프로파일을 이용하여 정량적인 JRC를 산출하는 과정(S40)에서 Z2 및 Ai 파라미터의 경험식을 이용하여 주관적인 오차를 배제하는 것이 바람직하다.For example, in the process of calculating the quantitative JRC using the profile of the discontinuous surface (S40), it is preferable to exclude the subjective error using the empirical formula of the Z 2 and Ai parameters.

상기에서 Z2 및 Ai는 통계적인 파라미터(statistical parameter) 중에서 대표적인 파라미터들로서, JRC 정량화에 가장 많이 사용되는 파라미터이다.In the above, Z 2 and Ai are representative parameters among statistical parameters, which are the most used parameters for JRC quantification.

상기 Z2는 1차 미분(미소 기울기)의 제곱평균자승근(RMS;Root Mean Square) 또는 미소 기울기 값에 대한 표준편차로 다음의 수학식 1과 같이 나타내어진다(도 7 참조).Z 2 is represented by Equation 1 below as a standard deviation of a root mean square (RMS) or a small slope value of a first derivative (micro gradient) (see FIG. 7).

Figure 112010074687018-pat00033
Figure 112010074687018-pat00033

상기 Ai는 미소평균각(micro average i angle) 또는 미소요소 거칠기 각도의 평균값으로 다음의 수학식 2와 같이 나타내어진다(도 7 참조).Ai is represented by the following Equation 2 as an average value of the micro average i angle or the micro element roughness angle (see FIG. 7).

Figure 112010074687018-pat00034
Figure 112010074687018-pat00034

상기에서 Z2 파라미터는 JRC와의 상호 연관성이 가장 우수한 것으로 평가되고 있으며, 전단에 의한 체적팽창(dilatancy)이 없는 절리에서 마찰각과의 상관관계가 가장 우수한 것으로 알려져 있다.In the above, the Z 2 parameter is evaluated to have the best correlation with JRC, and is known to have the best correlation with the friction angle in the joint without the volume expansion caused by shearing.

그리고 JRC의 정량화는 해당 프로파일에 대하여 상기와 같이 구해지는 Z2 및 Ai를 다음의 수학식 3 및 수학식 4에 대입하여 행한다.The quantification of JRC is performed by substituting Z 2 and Ai obtained as described above for the corresponding profile into the following equations (3) and (4).

Figure 112010054164937-pat00003
Figure 112010054164937-pat00003

Figure 112010054164937-pat00004
Figure 112010054164937-pat00004

도 8에는 도 6에 나타낸 프로파일 중의 일부에 대하여 Z2 및 Ai 파라미터를 이용하여 JRC 정량화를 행한 예를 나타낸다.FIG. 8 shows an example in which JRC quantification is performed using Z 2 and Ai parameters for some of the profiles shown in FIG. 6.

도 9에는 Z2 및 Ai 파라미터를 이용하여 JRC 정량화를 행한 데이터를 도표화하여 나타내고, 도 10 및 도 11에는 정량화를 행한 JRC 값에 대해서 파라미터의 분포특성을 파악하기 위하여 작성한 히스토그램을 나타낸다.Fig. 9 shows the chart of JRC quantization using Z 2 and Ai parameters, and Figs. 10 and 11 show histograms prepared for grasping the distribution characteristics of parameters for the quantified JRC values.

도 10로부터 확인되는 바와 같이, Z2 파라미터에 의한 JRC의 경우 평균이 5.40, 표준편차가 1.45로 분석되었다. 또 도 11로부터 확인되는 바와 같이, Ai 파라미터에 의한 JRC의 경우 평균이 6.30, 표준편차가 1.93으로 분석되었다.As confirmed from FIG. 10, the average of 5.40 and the standard deviation of 1.45 were analyzed for JRC based on the Z 2 parameter. As confirmed from FIG. 11, in the case of JRC based on the Ai parameter, the average was 6.30 and the standard deviation was 1.93.

상기 분석결과를 보면, Z2 파라미터에 의한 JRC에 비하여 Ai 파라미터에 의한 JRC의 평균과 표준편차가 다소 높게 나타나지만, 두 히스토그램 모두 전반적인 분포양상은 정규분포를 따르므로, 확률론적 암반사면 안정해석에 적용하는 것이 가능하다.The results of the analysis show that the mean and standard deviation of JRC by Ai parameter are slightly higher than JRC by Z 2 parameter, but both histograms are applied to the stochastic rock slope stability analysis because the overall distribution pattern follows the normal distribution. It is possible to.

그리고 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법은 도 1에 나타낸 바와 같이, 절리면의 벽면강도를 간접적으로 얻을 수 있도록 불연속면에 대한 SHV(Schmidt Hammer Valve)를 측정하는 과정(S30)을 포함한다.And the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to an embodiment of the present invention, as shown in Figure 1, to measure the SHV (Schmidt Hammer Valve) for the discontinuous surface to indirectly obtain the wall strength of the joint surface It includes a process (S30).

상기에서 SHV를 측정하기 위하여 사용하는 SH(Schmidt Hammer)는 암석이나 콘크리트를 일정 에너지로 타격하고 이에 대한 반발 정도를 측정하여 시료의 탄성계수나 강도를 측정하는 비파괴장비이다.The SH (Schmidt Hammer) used to measure the SHV is a non-destructive device for measuring the elastic modulus or strength of the sample by hitting rock or concrete with a certain energy and measuring the degree of rebound.

예를 들면, 상기 SHV의 측정은 ISRM(International Society for rock Mechanics)의 Suggested method(revised version, 2008)에서 제시한 방법에 따라 암석 표면을 샌드페이퍼(sand paper)로 연마하여 이물질을 제거한 다음, 타격봉의 직경만큼 이격시켜 1세트 당 20회의 SHV를 구하고, 총 5세트를 실시하고, 타격각도는 가능하면 타격면과 직각이 유지되는 상태에서 수행한다.For example, the SHV is measured by sand paper to remove foreign substances according to the method suggested by the Suggested method (revised version, 2008) of the International Society for Rock Mechanics (ISRM), and then Twenty SHVs are obtained per set, separated by a diameter, and a total of five sets are performed, and the angle of attack is carried out while keeping the angle perpendicular to the surface where possible.

그리고 상기와 같은 과정을 통하여 측정된 SHV를 이용하여 JCS(Joint Compressive Strength)를 산출하는 과정(S50)을 진행한다.Then, a process (S50) of calculating a joint compression strength (JCS) using the SHV measured through the above process is performed.

상기에서 JCS(Joint Compressive Strength)는 절리면 압축강도를 나타내는 값으로, SHV를 이용하여 JCS를 구하는 방법은 ISRM에 의해 제시되고 있으며, 현장에서 간편하게 슈미트 해머(SH)를 이용한 JCS 추정방법은 도 12에 나타낸 바와 같은 그래프 또는 다음의 수학식 5와 같은 경험식이 사용된다.In the above, JCS (Joint Compressive Strength) is a value indicating compressive strength, and a method of obtaining JCS using SHV is proposed by ISRM, and a JCS estimation method using Schmidt hammer (SH) in the field is illustrated in FIG. 12. A graph as shown or an empirical formula such as the following Equation 5 is used.

Figure 112010074687018-pat00035
Figure 112010074687018-pat00035

상기 수학식 5에서 γ는 암반의 단위중량을 나타내고, JCS의 단위는 MPa(메가파스칼)로 나타낸다.In Equation 5, γ represents the unit weight of the rock, and the unit of JCS is expressed in MPa (megapascal).

그리고 실내에서의 시편에 대한 JCS(절리면 압축강도)에 비해 현장의 대규모 JCS가 낮게 나타날 개연성이 높으며, 이러한 강도저하에 대해서는 스케일효과(scale effect)를 고려하여 다음의 수학식 6과 같은 경험식을 사용한다.In addition, there is a high probability that the large-scale JCS of the site will be lower than that of the JCS (cold compressive strength) for the test specimen in the room, and the empirical formula shown in Equation 6 below gives the scale effect in consideration of the scale effect. use.

Figure 112010054164937-pat00006
Figure 112010054164937-pat00006

상기 수학식 5에서 JCS0 및 L0는 100mm 실내실험 스케일에서의 값을 나타내고, JCSn 및 Ln은 현장 실험에서의 암반에 대한 값을 나타낸다.In Equation 5, JCS 0 and L 0 represent values on a 100 mm laboratory scale, and JCS n and L n represent values for rock in a field experiment.

도 13에는 도 5에 나타낸 현장에서 측정한 SHV 값 100개에 대하여 상기 수학식 5를 이용하여 JCS 변환한 데이터를 도표로 나타내고, 도 14에는 이들 데이터를 히스토그램으로 나타낸다.FIG. 13 is a table showing data obtained by JCS conversion using Equation 5 for 100 SHV values measured in the field shown in FIG. 5, and FIG. 14 shows these data as histograms.

도 14로부터 확인되는 바와 같이, JCS 값이 정규분포를 따르므로 확률론적 암반사면 안정해석에 적용하는 것이 가능하다.As can be seen from FIG. 14, since the JCS value follows a normal distribution, it is possible to apply the stochastic rock slope stability analysis.

그리고 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법은 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기와 같은 과정을 거쳐 산출된 JCS 및 JRC를 확률변수로 이용하여 몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo simulation)을 시행하여 확률밀도함수(PDF;Probabilistic Density Function) 및 누적밀도함수(CDF;Cumulative Density Function)를 구하고 불안정영역 경계의 확률값으로부터 파괴확률을 산정하는 과정(S60)을 포함한다.And the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to an embodiment of the present invention Monte Carlo simulation using the JCS and JRC calculated through the above process as a probability variable as shown in FIG. Probability density function (PDF) and cumulative density function (CDF) are calculated by Carlo simulation, and the probability of failure is calculated from the probability value of the unstable area boundary (S60).

상기에서 몬테카를로 시뮬레이션은 불확실성을 고려한 상황에서 해석모델에 대한 확률론적 시뮬레이션에 이용되는 절차를 말하며, 해석모델에서 가정한 확률분포에 따라 무작위표본추출에 의해서 우연결과를 발생시키는 시뮬레이션이다.Monte Carlo simulation refers to a procedure used for probabilistic simulation of an analytical model in a situation in which uncertainty is taken into account. It is a simulation that generates a right link fruit by random sampling according to a probability distribution assumed in an analytical model.

상기 몬테카를로 시뮬레이션은 상태함수 계산시 사용되는 확률변수에 대한 정확한 정보, 즉 확률분포, 평균, 표준편차 등이 제공되기 때문에 확률론적 해석기법 중에서 가장 완벽한 것으로 알려져 있다.The Monte Carlo simulation is known to be the most perfect among stochastic analysis techniques because it provides accurate information about the random variables used in calculating the state function, that is, probability distribution, mean, and standard deviation.

본 발명의 실시예에서는 몬테카를로 시뮬레이션을 적용하여 반복적인 계산을 통해 암반사면의 파괴확률을 계산한다.In an embodiment of the present invention, the Monte Carlo simulation is applied to calculate the probability of failure of the rock slope through iterative calculation.

상기에서 파괴확률은 암반사면의 파괴가 발생할 가능성을 의미하며, 안전율이 1 이하인 부분이 전체에서 차지하는 비율이다.In this case, the probability of failure means the possibility of destruction of the rock slope, and the portion having a safety factor of 1 or less occupies the whole.

상기에서 파괴확률이 10% 이상으로 얻어지는 경우에는 해당 암반사면이 불안정한 것으로 판정한다.In the case where the probability of failure is 10% or more, the rock slope is determined to be unstable.

그리고 상기 파괴확률의 정확성을 보완하기 위하여 신뢰지수(RI;Reliability Index)를 산정하여 사용한다.In addition, a reliability index (RI) is calculated and used to supplement the accuracy of the failure probability.

상기 신뢰지수(RI)는 다음의 수학식 7을 이용하여 구하며, 기준안전율과 안전율평균 사이의 이격된 거리가 표준편차의 몇 배인지를 의미한다. 일반적으로 기준안전율은 1.0으로 설정하여 계산한다.The confidence index (RI) is obtained by using Equation 7 below, and means how many times the standard deviation is a distance between the reference safety factor and the safety factor average. In general, the standard safety factor is calculated by setting 1.0.

Figure 112010054164937-pat00007
Figure 112010054164937-pat00007

상기 수학식 7에서 β는 신뢰지수(RI)를 나타내고, μ는 안전율평균을 나타내고, σ는 안전율의 표준편차를 나타낸다.In Equation 7, β represents a confidence index (RI), μ represents a safety factor average, and σ represents a standard deviation of the safety factor.

상기 수학식 7을 이용하여 구한 신뢰지수(RI)가 음의 값이면, 안전율평균이 기준안전율(=1.0)보다 작은 값을 가지게 되며, 불안정한 상태(신뢰성이 낮은 상태)를 의미한다. 또한 반대로 신뢰지수(RI)가 양의 값이면, 기준안전율보다 산출된 안전율평균이 커서 안정한 상태(신뢰성이 높은 상태)를 의미한다고 볼 수도 있지만, 표준편차보다 3배 정도는 더 여유를 두고 이격되어 있는 경우에 안전한 것(신뢰성이 있는 것)으로 평가하는 것이 바람직하다.If the confidence index (RI) obtained using Equation (7) is a negative value, the safety factor average has a value smaller than the reference safety factor (= 1.0), which means an unstable state (low reliability). On the contrary, if the confidence index (RI) is a positive value, it can be considered that the average safety factor calculated is larger than the reference safety factor, indicating a stable state (high reliability), but spaced three times longer than the standard deviation. If so, it is desirable to evaluate it as safe (reliable).

그리고 상기 몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 암반사면의 파괴확률 산정은 도 15에 나타낸 바와 같이, 다음의 6단계를 거치게 된다.In addition, the calculation of the probability of failure of the rock slope using the Monte Carlo simulation is performed through the following six steps, as shown in FIG. 15.

예를 들면, 상기 몬테카를로 시뮬레이션은 해석모델의 상태함수를 결정하는 제1단계, 모델에 사용되는 입력변수 중에서 확률변수로 고려되는 변수들에 대하여 확률특성을 파악하여 평균, 표준편차(σ) 등을 산정하는 제2단계, 각 변수들로부터 무작위값(random valve)을 생성하는 제3단계, 무작위로 생성된 값들에 대한 상태함수값(안전율(FS))을 구하는 제4단계, 계산된 결과값에 대한 빈도분포를 획득하고 이를 전체 반복횟수로 나눈 확률밀도함수(PDF)를 획득하는 제5단계, 확률밀도함수(PDF)로부터 누적밀도함수(CDF)를 구하고 불안정영역 경계의 확률값으로부터 파괴확률(Pf)을 산정하는 제6단계로 이루어진다(도 15 참조).For example, the Monte Carlo simulation is a first step in determining a state function of an analytical model. The Monte Carlo simulation finds a mean characteristic, a standard deviation σ, and the like by identifying probability characteristics of variables considered as random variables among input variables used in the model. The second step of calculating, the third step of generating a random valve from each variable, the fourth step of obtaining a state function value (safety factor (FS)) for the randomly generated values, and the calculated result The fifth step of obtaining the probability distribution function and dividing it by the total number of repetitions is to obtain the cumulative density function (CDF) from the probability density function (PDF) and the probability of failure (Pf) ) Is a sixth step of calculating (see FIG. 15).

상기 제6단계에서 불안정영역 경계는 안전율(FS)이 기준안전율(일반적으로 1.0) 이하인 부분을 의미한다.In the sixth step, the unstable area boundary means a portion where the safety factor FS is less than or equal to the reference safety factor (generally 1.0).

상기 제2단계에서는 각 확률변수(예를 들면, JRC와 JCS의 매개변수값인 평균(mean), 표준편차(STD), 위치(dist. function) 등)가 수학적인 분포특성에 따라 +무한대나 -무한대로 발산하는 것을 방지하기 위하여 상하한을 설정한다. 예를 들면, 상하한 값을 ±3σ(표준편차의 3배)를 기본으로 설정하고, 하한값의 경우 0(zero) 이상의 값이 나오도록 설정한다.In the second step, each random variable (for example, mean, standard deviation (STD), and position (dist. Function), etc., which are parameter values of JRC and JCS) is infinite in accordance with mathematical distribution characteristics. -Set the upper and lower limits to prevent the divergence indefinitely. For example, the upper and lower limit values are set to ± 3σ (three times the standard deviation) as a basis, and the lower limit values are set to have a value of 0 (zero) or more.

상기 제3단계에서는 각 확률변수들의 누적분포함수를 활용하고 난수발생기구(random number generator)를 이용한다. 예를 들면, 상기 제3단계에서는 LHS(Latin Hypercube Sampling)를 사용하여 무작위값을 생성한다.In the third step, the cumulative distribution function of each random variable is used and a random number generator is used. For example, in the third step, random values are generated by using Latin Hypercube Sampling (HLS).

상기에서 LHS 방법은 각 St(여기에서, t=1,...,K)를 1/N의 확률을 갖는 N개의 등확률구간으로 나누어 S 전체를 NK개의 방(cell)으로 만든 다음, 이중 서로 다른 N개의 방에서 한 점씩 추출하되 뽑힌 N개의 점이 St의 각 구간에 하나씩 들어가도록 추출하는 방법이다.In the LHS method, each St (here, t = 1, ..., K) is divided into N equal probability intervals having a probability of 1 / N to make the entire S into N K cells. Among them, one point is extracted from N different rooms, and the extracted N points are extracted to enter one of each section of St.

상기 제6단계에서 누적밀도함수(CDF)는 확률밀도함수(PDF)를 적분하여 구한다.In the sixth step, the cumulative density function (CDF) is obtained by integrating the probability density function (PDF).

상기 확률밀도함수(PDF)의 그래프에 있어서 x축은 안전율(FS;Factor of Safety)을 나타내고, y축은 빈도수(frequency)를 나타낸다.In the graph of the probability density function (PDF), the x axis represents a factor of safety (FS), and the y axis represents a frequency.

그리고 누적밀도함수(CDF)의 그래프에 있어서 x축은 안전율(FS;Factor of Safety)을 나타내고, y축은 누적확률(cumulative probability)을 나타낸다.In the graph of the cumulative density function (CDF), the x-axis represents the factor of safety (FS), and the y-axis represents the cumulative probability.

상기 누적밀도함수(CDF)의 그래프에서 안전율(FS)이 기준안전율(예를 들면, 1.0)인 경우의 누적확률값을 구하면, 이 누적확률값이 파괴확률(Pf)이다.In the graph of the cumulative density function CDF, when the cumulative probability value is obtained when the safety factor FS is a reference safety factor (for example, 1.0), the cumulative probability value is the failure probability Pf.

도 16에는 해당 암반사면의 해석단면 캐드도면 파일을 dxf로 변환한 후, 해석프로그램에서 읽어들여 몬테카를로 시뮬레이션을 행하기 위하여 모델링을 행한 결과를 나타낸다.Fig. 16 shows the results of modeling the analysis cross-section CAD drawing file of the corresponding rock slope into dxf, and then reading it from the analysis program to perform Monte Carlo simulation.

그리고 도 17 내지 도 19에는 도 10의 Z2 파라미터 및 도 11의 Ai 파라미터를 이용하여 산출한 JRC를 매개변수로 몬테카를로 시뮬레이션을 행한 결과를 나타낸다.17 to 19 show the results of Monte Carlo simulations using the JRC calculated using the Z 2 parameter of FIG. 10 and the Ai parameter of FIG. 11 as parameters.

즉 도 17에는 도 10의 Z2 파라미터를 이용하여 LHS 방법으로 추출된 확률변수를 이용하여 10,000회 반복 계산된 안전율(FS;Factor of Safety)의 각 구간별 빈도분포를 확률밀도함수(PDF)의 히스토그램으로 나타내고, 도 18에는 도 10의 Ai 파라미터를 이용하여 LHS 방법으로 추출된 확률변수를 이용하여 10,000회 반복 계산된 안전율(FS;Factor of Safety)의 각 구간별 빈도분포를 확률밀도함수(PDF)의 히스토그램으로 나타낸다.That is, in FIG. 17, the frequency distribution of each section of the Factor of Safety (FS), which is 10,000 times calculated using the LHS method using the Z 2 parameter of FIG. FIG. 18 shows a probability density function (PDF) for each frequency distribution of the factor of safety (FS), which is 10,000 times calculated using a random variable extracted by the LHS method using the Ai parameter of FIG. 10. In the histogram.

도 19에는 도 17 및 도 18의 확률밀도함수(PDF)를 이용하여 산출한 누적밀도함수(CDF)의 히스토그램을 나타낸다.19 shows a histogram of a cumulative density function (CDF) calculated using the probability density function (PDF) of FIGS. 17 and 18.

도 17의 히스토그램을 분석하면, 안전율(FS)의 분포형태는 평균(mean) 1.09, 표준편차(STD) 0.17의 대수정규분포 양상을 가지는 것으로 나타난다.Analyzing the histogram of FIG. 17, the distribution of the safety factor (FS) has a lognormal distribution of mean 1.09 and standard deviation (STD) 0.17.

도 17에 있어서 파괴확률(Pf)은 안전율(FS)이 1 이하인 그래프의 진한(좌측) 부분이 전체 반복횟수에서 차지하는 비율이며, 도 19에 있어서 파괴확률(Pf)은 안전율(FS)이 1일 때의 누적확률값으로, 이를 계산한 결과 파괴확률(Pf)은 0.292로서 29.2%이다.In FIG. 17, the failure probability Pf is the ratio of the dark (left) portion of the graph having the safety factor FS of 1 or less to the total number of repetitions, and the failure probability Pf of FIG. The cumulative probability value at that time. The calculated probability of failure (Pf) is 0.292, which is 29.2%.

따라서, 파괴확률(Pf)이 10%를 초과하고 있으므로, 해당 암반사면은 불안정한 것(파괴될 가능성이 높은 것)으로 판단할 수 있다.  Therefore, since the probability of failure Pf exceeds 10%, the rock slope can be judged to be unstable (highly likely to be destroyed).

그런데 상기 수학식 7에 의하여 신뢰지수(RI)를 산출하게 되면, 안전율평균(μ)은 1.09이고, 안전율의 표준편차(σ)는 0.17이므로, RI(β)=(1.09-1)/0.17≒0.53으로 계산된다.However, when the confidence index (RI) is calculated according to Equation 7, the safety factor mean (μ) is 1.09, and the standard deviation (σ) of the safety factor is 0.17. Therefore, RI (β) = (1.09-1) /0.17≒ Calculated as 0.53.

따라서 신뢰지수(RI=0.53)가 표준편차(σ=0.17)의 3.11배로 3배를 넘는 수준이어서, 확률밀도함수(PDF)의 신뢰기준을 넘어서는 수치에 해당되어, Z2 파라미터를 사용한 경우에 해당 암반사면에 대한 파괴확률(Pf)의 신뢰성이 높다는 것을 확인할 수 있다.Therefore, the reliability index (RI = 0.53) is available for the value to exceed the trust criteria of the standard deviation of the probability density function (σ = 0.17) 3.11 times the level is then more than three times that of (PDF), for the case of using the Z 2 Parameter It can be confirmed that the reliability of the fracture probability (Pf) on the rock slope is high.

도 18의 히스토그램을 분석하면, 안전율(FS)의 분포형태는 평균(mean) 1.22, 표준편차(STD) 0.25의 대수정규분포 양상을 가지는 것으로 나타난다.Analyzing the histogram of FIG. 18, the distribution of the safety factor (FS) has a lognormal distribution of mean 1.22 and standard deviation (STD) 0.25.

도 18에 있어서 파괴확률(Pf)은 안전율(FS)이 1 이하인 그래프의 진한(좌측) 부분이 전체 반복횟수에서 차지하는 비율이며, 도 19에 있어서 파괴확률(Pf)은 안전율(FS)이 1일 때의 누적확률값으로, 이를 계산한 결과 파괴확률(Pf)은 0.197로서 19.7%이다.In FIG. 18, the failure probability Pf is the ratio of the dark (left) portion of the graph having the safety factor FS of 1 or less to the total number of repetitions, and the failure probability Pf of FIG. This is the cumulative probability value at the time. The calculated probability of failure is 0.197, which is 19.7%.

따라서, 파괴확률(Pf)이 Z2 파라미터를 사용한 경우에 비하여 Ai 파라미터를 사용한 경우에 약간 낮게 산출되었지만, 10%를 초과하고 있으므로 해당 암반사면은 불안정한 것(파괴될 가능성이 높은 것)으로 판단할 수 있다.Therefore, the probability of failure (Pf) was slightly lower than that of the Z 2 parameter, but exceeded 10%, so the rock slope is considered unstable (highly likely to be destroyed). Can be.

그리고 상기 수학식 7에 의하여 신뢰지수(RI)를 산출하게 되면, 안전율평균(μ)은 1.22이고, 안전율의 표준편차(σ)는 0.25이므로, RI(β)=(1.22-1)/0.25=0.88로 계산된다.When the confidence index (RI) is calculated by Equation 7, the safety factor mean (μ) is 1.22, and the standard deviation (σ) of the safety factor is 0.25, so that RI (β) = (1.22-1) /0.25 = Calculated as 0.88.

따라서 신뢰지수(RI=0.88)가 표준편차(σ=0.25)의 3.25배로 3배를 넘는 수준이어서, 확률밀도함수(PDF)의 신뢰기준을 넘어서는 수치에 해당되어, Ai 파라미터를 사용한 경우에도 해당 암반사면에 대한 파괴확률(Pf)의 신뢰성이 높다는 것을 확인할 수 있다.Therefore, the confidence index (RI = 0.88) is 3.25 times the standard deviation (σ = 0.25), which is more than three times the value, and exceeds the confidence criterion of the probability density function (PDF), even when the Ai parameter is used. It can be confirmed that the reliability of the failure probability (Pf) on the slope is high.

상기와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법에 의하면, 파괴확률(Pf)과 신뢰지수(RI)를 함께 검토하는 것에 의하여 해당 암반사면의 붕괴가능성을 보다 정확하게 예측하고 해석하는 것이 가능하다.According to the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to the embodiment of the present invention as described above, the possibility of collapse of the rock slope is examined by examining the probability of failure (Pf) and the confidence index (RI) together. It is possible to predict and interpret more accurately.

상기에서는 본 발명에 따른 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 명세서 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.In the above, a preferred embodiment of the stochastic rock slope stability analysis method using the ground lidar according to the present invention has been described, but the present invention is not limited thereto, and various modifications are made within the scope of the claims and the specification and the accompanying drawings. It is possible to implement, and this also belongs to the scope of the present invention.

Claims (7)

지상라이다를 이용하여 측정한 사면 표면에 대한 점군자료로부터 사면 연장, 높이, 방위, 경사의 기하학적 조건과 불연속면의 프로파일을 산출하고,
절리면의 벽면강도를 간접적으로 얻을 수 있도록 불연속면에 대한 SHV(Schmidt Hammer Valve)를 측정하고,
측정된 SHV를 이용하여 JCS(Joint Compressive Strength)를 산출하고,
불연속면의 프로파일을 이용하여 정량적인 JRC(Joint Roughness Coefficient)를 산출하고,
산출된 JCS 및 JRC를 확률변수로 이용하여 몬테카를로 시뮬레이션을 시행하여 확률밀도함수(PDF) 및 누적밀도함수(CDF)를 구하고 불안정영역 경계의 확률값으로부터 파괴확률을 산정하는 과정을 포함하는 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법.
From the point cloud data on the surface of the slope measured using the ground lidar, the geometrical conditions of the slope extension, height, orientation, and slope and the profile of the discontinuities are calculated.
Measure Schmidt Hammer Valve (SHV) on the discontinuous surface to indirectly obtain the wall strength of the joint surface,
Using the measured SHV to calculate Joint Compressive Strength (JCS),
Quantitative joint roughness coefficient (JCC) is calculated using the profile of the discontinuous surface,
Monte Carlo simulation is performed using the calculated JCS and JRC as random variables to obtain the probability density function (PDF) and cumulative density function (CDF), and to calculate the probability of failure from the probability value of the unstable area boundary. Stochastic rock slope stability analysis method.
청구항 1에 있어서,
상기 지상라이다를 이용하여 사면 표면에 대한 점군자료를 얻는 과정은 제어점(CP) 설치, 스캐닝, 병합의 순서로 진행하고,
상기 제어점은 인접하는 스캐닝 위치와의 중첩부에 최소 4개 이상이 존재하도록 설치하고,
상기 스캐닝은 각 위치별로 포지셔닝 스캔, 파인 스캔과 서페이스 스캔을 순차적으로 실시하고,
상기 병합은 취득된 점군자료에 대해서 미리 입력된 제어점(CP)의 좌표값 및 좌표체계에 따라 통일된 자료체계로 통합하여 하나의 점군자료화하는 변환행렬 구성작업을 실시하는 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법.
The method according to claim 1,
The process of obtaining point cloud data on the surface of the slope using the above ground lidar proceeds in the order of control point (CP) installation, scanning, and merging.
The control point is installed so that at least four or more overlap in the adjacent scanning position,
The scanning is sequentially performed positioning scan, fine scan and surface scan for each position,
The merging is a probability using terrestrial lidar that integrates the acquired point group data into a unified data system according to the coordinate values and coordinate system of the control point (CP) input in advance and constructs a transformation matrix to form a single point group data. Theoretical rock slope stability analysis method.
청구항 2에 있어서,
상기 점군자료를 이용하여 불연속면의 프로파일을 산출하는 과정은 필터링, 테셀레이션, 픽스 업노말 페이스, 필홀의 4단계 자료처리 과정을 거치고,
상기 필터링 단계에서는 점군자료에 포함된 대상물체 이외의 노이즈, 레이저의 입사각이 커서 전반사를 일으키는 경우 고스트현상에 의해 발생되는 노이즈, 여러 위치의 점군에 대한 병합과정에서 발생된 중첩부의 중복자료를 제거하고,
상기 테셀레이션 단계에서는 필터링 단계를 거쳐 정리된 점군자료를 이용하여 TIN(Triangulated Irregular Network)을 구성하고,
상기 픽스 업노말 페이스 단계에서는 3차원 공간상에 분포하는 점군자료의 특성상 TIN 생성과정에서 단일 서페이스가 아닌 중첩, 뒤집힘, 꼬임이 발생한 면을 제거하고,
상기 필홀 단계에서는 상기 픽스 업노말 페이스 단계까지 진행한 TIN에 분포하는 상기 테셀레이션 단계에서 발생한 홀을 선형 보간법과 홀 주변과의 곡률을 감안한 2차 함수 형태의 비선형 보간법을 사용하여 메워주는 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법.
The method according to claim 2,
The process of calculating the profile of the discontinuity surface using the point cloud data goes through the four-step data processing process of filtering, tessellation, fix-up normal face, and peel hole,
In the filtering step, the noise other than the object included in the point group data, the noise generated by the ghost phenomenon when the incident angle of the laser is large, and the overlapping data generated in the merging process for the point group at various positions are removed. ,
In the tessellation step, a Triangulated Irregular Network (TIN) is formed by using the point cloud data arranged through the filtering step.
In the fix up normal face step, the surface of the point group data distributed in the three-dimensional space is removed, not a single surface in the process of generating a TIN, but overlapping, flipping, and twisting,
In the fill-hole step, a ground lidar filling the holes generated in the tessellation step distributed to the TIN proceeding to the fix up normal face step by using a linear interpolation method and a nonlinear interpolation method in the form of a quadratic function considering the curvature of the hole periphery. Stochastic rock slope stability analysis method.
청구항 3에 있어서,
상기 불연속면의 프로파일을 이용하여 정량적인 JRC를 산출하는 과정에서는 Z2(1차 미분(미소 기울기)의 제곱평균자승근(RMS;Root Mean Square) 또는 미소 기울기 값에 대한 표준편차) 및 Ai(미소평균각(micro average i angle) 또는 미소요소 거칠기 각도의 평균값) 파라미터의 경험식(
Figure 112010074687018-pat00036
Figure 112010074687018-pat00037
, 여기에서 x는 기준점에서 측정선까지의 거리를 나타내고, y는 기준선에서 표면까지의 높이를 나타냄)과 수학식
Figure 112010074687018-pat00010
Figure 112010074687018-pat00011
을 이용하는 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법.
The method according to claim 3,
In the process of calculating the quantitative JRC using the profile of the discontinuities, Z 2 (Root Mean Square) of the first derivative (micro gradient) or standard deviation with respect to the small gradient value) and Ai (microscopic mean) Empirical formula of the parameter (micro average i angle) or average value of micro element roughness angle
Figure 112010074687018-pat00036
And
Figure 112010074687018-pat00037
, Where x represents the distance from the reference point to the measurement line, and y represents the height from the baseline to the surface.
Figure 112010074687018-pat00010
And
Figure 112010074687018-pat00011
Stochastic rock slope stability analysis using ground lidar.
청구항 4에 있어서,
상기 측정된 SHV를 이용하여 JCS(단위:MPa)를 산출하는 과정에서는 수학식
Figure 112010074687018-pat00038
(여기에서, γ는 암반의 단위중량을 나타냄)를 사용하는 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법.
The method according to claim 4,
In the process of calculating the JCS (unit: MPa) using the measured SHV,
Figure 112010074687018-pat00038
Probabilistic rock slope stability analysis using terrestrial lidar using (where γ represents the unit weight of rock).
청구항 1에 있어서,
기준안전율과 안전율평균(μ) 사이의 이격된 거리가 안전율의 표준편차(σ)의 몇배인지를 의미하는 신뢰지수(β)를 수학식
Figure 112010054164937-pat00013
를 이용하여 산출하고, 산출된 신뢰지수로 상기 파괴확률의 신뢰성을 판단하는 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법.
The method according to claim 1,
The confidence index (β), which represents how many times the distance between the reference safety factor and the safety factor average (μ) is the standard deviation of the safety factor (σ)
Figure 112010054164937-pat00013
A stochastic rock slope stability analysis method using ground lidar, which is calculated by using and uses the calculated confidence index to determine the reliability of the failure probability.
청구항 1에 있어서,
상기 몬테카를로 시뮬레이션은 해석모델의 상태함수를 결정하는 제1단계, 모델에 사용되는 입력변수 중에서 확률변수로 고려되는 변수들에 대하여 확률특성을 파악하여 평균, 표준편차 등을 산정하는 제2단계, 각 변수들로부터 무작위값을 생성하는 제3단계, 무작위로 생성된 값들에 대한 상태함수값(안전율)을 구하는 제4단계, 계산된 결과값에 대한 빈도분포를 획득하고 이를 전체 반복횟수로 나눈 확률밀도함수(PDF)를 획득하는 제5단계, 확률밀도함수(PDF)로부터 누적밀도함수(CDF)를 구하고 불안정영역 경계의 확률값으로부터 파괴확률을 산정하는 제6단계로 이루어지는 지상라이다를 이용한 확률론적 암반사면 안정해석방법.
The method according to claim 1,
The Monte Carlo simulation is a first step of determining a state function of an analytical model, a second step of calculating a mean, a standard deviation, and the like by identifying probability characteristics of variables considered as random variables among input variables used in the model. A third step of generating random values from the variables, a fourth step of obtaining a state function value (safety factor) for the randomly generated values, and a probability density obtained by obtaining a frequency distribution of the calculated result and dividing it by the total number of iterations Probabilistic rock formation using terrestrial lidar consisting of the fifth step of acquiring the function (PDF), the sixth step of calculating the cumulative density function (CDF) from the probability density function (PDF) and calculating the probability of failure from the probability value of the unstable area boundary Slope stability analysis method.
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