KR101255022B1 - 점군자료를 활용한 구조물 균열 검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 점군자료를 활용한 구조물 균열 검출방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 점군자료를 이용하여 구조물의 균열을 파악하는 방법에 있어서, 불규칙 점군자료에서의 회선기법을 활용하여 균열 경계점을 추출하는 단계와; 상기 추출된 균열 경계점의 표고값과 인접성을 토대로 하여 균열 경계점을 군집화하는 단계와; 상기 군집화된 균열 경계점 가운데 가장 외곽에 존재하는 점을 추출하여 균열 경계점을 단순화하는 단계와; 상기 추출된 균열 경계점을 인접한 거리에 연속되는 점들과 연결하여 폴리곤을 생성하는 단계와; 상기 생성된 폴리곤의 면적을 면적계산법을 통해 계산하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 점군자료를 활용한 구조물 균열 검출방법에 관한 것이다.

Description

점군자료를 활용한 구조물 균열 검출방법{DETECTING METHOD OF BUILDING CRACK USING POINT GROUP}

본 발명은 점군자료를 활용한 구조물 균열 검출방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 점군자료를 이용하여 구조물의 균열을 파악하는 방법에 있어서, 불규칙 점군자료에서의 회선기법을 활용하여 균열 경계점을 추출하는 단계와; 상기 추출된 균열 경계점의 표고값과 인접성을 토대로 하여 균열 경계점을 군집화하는 단계와; 상기 군집화된 균열 경계점 가운데 가장 외곽에 존재하는 점을 추출하여 균열 경계점을 단순화하는 단계와; 상기 추출된 균열 경계점을 인접한 거리에 연속되는 점들과 연결하여 폴리곤을 생성하는 단계와; 상기 생성된 폴리곤의 면적을 면적계산법을 통해 계산하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 점군자료를 활용한 구조물 균열 검출방법에 관한 것이다.

라이다(LIDAR)는 Light Detection and Ranging의 약자로 레이저 스캐너가 탑재된 항공기에서 레이저 포인트를 발사하여 멀리 떨어져 있는 지형지물 및 지표면의 거리를 측정하여 디지털 지형정보를 획득하는 광학 원격탐사기술 중 하나로 3차원 공간 좌표를 얻을 수 있는 대표적인 방법이다. 최근에는 3차원 위치정보가 시각적인 요소뿐만 아니라 고정밀의 신뢰성 있는 정보를 요구하고 있는데 이와 같은 이유 때문에 라이다는 매우 유용하고 다양한 위치 정보를 제공할 수 있는 최적으로 소스로서 각광 받고 있다. 이 시스템은 넓은 지역에 대한 다량의 3차원 공간좌표 데이터(X, Y, Z)와 반사강도(LIDAR intensity return value)를 신속하고 정확하게 획득할 수 있을 뿐 만 아니라, 항공사진과는 달리 기상조건에 영향을 덜 받으며 주야에 관계없이 데이터 획득이 가능한 장점을 지닌다.

이에 공간정보를 기반으로 하고 있는 고고학, 지리학, 지질학, 지형학, 지진학, 해양학, 원격탐사 등과 같은 여러 가지 응용 분야에서도 라이다가 중요한 기술로서 활용되고 있다.

한편, 고층 건물이나 교량 등과 같은 구조물의 경우 시공 후 기간이 경과하면서 피로가 누적되고 재해 등으로 인해 역학적 성능이 저하되어 위험요소가 내재될 수 있기 때문에 사고 예방을 위해서 일정한 기간 주기로 건전성을 진단하게 된다. 구조물의 건전성 평가방법으로는 겉으로 나타나는 구조물의 거동 즉 정적변위와 동적변위를 측정한 다음 그 결과를 가지고 구조물 내 각 부위별 응력을 해석하여 구조물의 손상여부, 손상위치, 손상정도 등을 파악할 수 있는 구조물의 거동 측정을 이용한 건전성 진단방식이 비교적 신속하고 정확한 진단결과를 얻을 수 있다는 장점으로 인해 널리 이용되고 있다. 이에, 구조물 건전성 진단을 위하여 구조물의 거동을 계측할 수 있는 장비들과 방법들이 개발되어 이용되고 있다.

그러나, 구조물의 건전성 진단을 위해 사용되고 있는 구조물 거동 측정장비들과 그 장비를 이용한 구조물 건전성 진단방법들은 구조물 전체에 대한 거동측정이 불가능하거나 또는 거동량이 미세한 경우 계측의 정밀도가 현저히 떨어지기 때문에 구조물의 건전성을 정밀하게 진단하지 못하는 등의 문제점이 있었다.

현재까지 균열의 파악은 육안 검사나 휴대용 측정기를 사용하는 것이 일반적이었으며 일반적인 줄자 등을 통해 균열의 길이, 폭, 깊이 등을 조사하는 방식이 대부분이었다. 지상 라이다를 활용하여 구조물을 촬영하는 방법들은 많이 사용되었지만 그 구조물의 형상을 파악하는데 주로 활용되었다.

이러한 종래의 방법으로는 공개특허 제2005-78670호 '라이다 데이터로부터 셰도-그리드를 이용한 건물 외곽선 자동추출방법', 공개특허 제2000-57266호 '라이다 데이터를 이용한 건물 추출방법과 그 프로그램소스를 저장한 기록매체'가 제안되었다.

상기 전자의 공개특허는 건물의 외곽 데이터를 추출하는 과정에서 큰 오차가 발생될 수 있고, 건물의 경계가 단순한 형상(예; 사각형)이 아닌 경우에 추출되지 않는 특이점(건물 경계의 코너점을 대표함)이 발생될 수 있어 최종적으로 추출되는 건물의 경계가 실제 건물의 경계와 다르게 왜곡될 위험이 있다.

그리고 상기 후자의 공개특허는 건물의 크기, 면적, 높이, 간격 등에 대한 가정치를 이용함으로 정확도가 떨어지는 문제가 있고, 과정이 복잡하여 건물 경계의 추출이 신속하게 수행되지 않고, 하우변환 및 면적조건을 이용하여 추출되는 특이점은 정확도가 떨어진다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 일반적으로 사람의 접근이 용이하지 않은 인공 구조물 대상체에 지상 라이다 측량을 실시하여 얻어진 자료에서, 라이다의 점군 자료만으로 외곽선 검출기법을 적용하여 구조물의 균열부분에 대한 외곽점을 검출함으로써 신속하면서도 정확하게 구조물의 균열을 파악할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 점군자료를 이용하여 구조물의 균열을 파악하는 방법에 있어서, 불규칙 점군자료에서의 회선기법을 활용하여 균열 경계점을 추출하는 단계와; 상기 추출된 균열 경계점의 표고값과 인접성을 토대로 하여 균열 경계점을 군집화하는 단계와; 상기 군집화된 균열 경계점 가운데 가장 외곽에 존재하는 점을 추출하여 균열 경계점을 단순화하는 단계와; 상기 추출된 균열 경계점을 인접한 거리에 연속되는 점들과 연결하여 폴리곤을 생성하는 단계와; 상기 생성된 폴리곤의 면적을 면적계산법을 통해 계산하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 균열 경계점을 추출하는 단계는 한 포인트를 기준으로 주변 지역을 8방향으로 구분하여 각 지역마다의 포인트를 한 개씩 검색하고, 해당 포인트까지 총 9개의 포인트를 하나의 회선창 영역으로 간주하는 회선기법을 이용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 균열 경계점을 군집화하는 단계는, 식별자가 없는 경계점에서 시작하며, 식별자를 입력하는 단계와; 일정거리 내에 식별자가 없는 경계점의 존재유무를 파악하는 단계와; 해당 경계점과의 경사도가 임계값 이내인지를 파악하여 해당 경계점에 동일한 식별자를 부여하고 시작점을 설정하는 단계와; 모든 경계점에 식별자가 부여되었는지 여부를 파악하는 단계; 및 균열 경계점의 군집화를 종료하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 균열 경계점을 단순화하는 단계는, 동일한 식별자를 갖는 모든 경계점을 찾는 단계와; 상기 동일한 식별자를 갖는 각 경계점을 기준으로 주변에 존재하는 점들로부터 가장 가까운 경계점들을 검색하는 단계; 및 각 식별자에 대하여 가장 외곽의 경계점을 파악하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 폴리곤을 생성하는 단계는 인접한 거리에 연속되는 점들이 복수개일 경우 폴리곤 생성점으로 선택되지 않은 점들 중 가장 인접한 점들을 다음의 대상 점으로 하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 사람의 접근이 용이하지 않은 인공 구조물 대상체에 지상 라이다 측량을 실시하여 얻어진 자료에서, 라이다의 점군 자료만으로 외곽선 검출기법을 적용하여 구조물의 균열부분에 대한 외곽점을 검출함으로써 신속하면서도 정확하게 구조물의 균열을 파악할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 라이다 자료에서의 경계추출을 위하여 불규칙 점군자료에서의 회선기법을 설명하기 위한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 점군 자료에서의 회선창 생성 방법을 나타내는 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 경계점 회선기법 적용 방법을 나타내는 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 경계점의 군집화 과정을 나타내는 예시도.
도 5는 좌표법에 의한 면적계산을 설명하기 위한 예시도.

이하, 설명되는 실시 예들은 본 발명의 기술적인 특징을 이해시키기에 가장 적합한 실시 예들을 기초로 하여 설명될 것이며, 설명되는 실시 예들에 의해 본 발명의 기술적인 특징이 제한되는 것이 아니라, 이하, 설명되는 실시 예들과 같이 본 발명이 구현될 수 있다는 것을 예시하는 것이다. 따라서, 본 발명은 아래 설명된 실시 예들을 통해 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하며, 이러한 변형 실시 예는 본 발명의 기술 범위 내에 속한다 할 것이다. 그리고 이하 설명되는 실시 예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 기재된 부호에 있어서, 각 실시 예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.

상기와 같은 본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 본 발명의 실시예와 관련된 점군자료를 이용하여 구조물의 균열을 파악하는 방법에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.

본 발명은 불규칙 점군자료에서의 회선기법을 활용하여 균열 경계점을 추출하는 단계와; 상기 추출된 균열 경계점의 표고값과 인접성을 토대로 하여 균열 경계점을 군집화하는 단계와; 상기 군집화된 균열 경계점 가운데 가장 외곽에 존재하는 점을 추출하여 균열 경계점을 단순화하는 단계와; 상기 추출된 균열 경계점을 인접한 거리에 연속되는 점들과 연결하여 폴리곤을 생성하는 단계와; 상기 생성된 폴리곤의 면적을 면적계산법을 통해 계산하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

먼저, 상기 균열 경계점을 추출하는 단계를 설명하도록 한다.

대부분의 경계 추출 기법은 일정한 간격으로 자료가 존재하는 영상에서 특정한 회선(convolution)기법을 활용하는 것이 일반적이다.

일반적인 회선기법은 영상에서의 경계검출, 영상 평활화(smoothing) 또는 영상 강화(sharpening) 등의 효과를 위하여 주로 사용되는 영상처리 기법으로 원시 화소에 이웃한 화소들에 경중률을 곱한 합이라고 할 수 있으며 경중률은 회선 마스크(mask)라고 하는 작은 행렬에 의하여 결정되게 된다. 도 1에서와 같이 회선창이라고 하는 움직이는 창이 각 화소에 대하여 중앙에 위치하여 회선마스크와의 연산을 통하여 새로운 출력화소를 생성하게 되며 행렬의 차원은 일반적으로 원시화소가 중앙에 위치하도록 3×3 혹은 5×5와 같은 홀수의 차원을 사용한다.

라이다 자료와 같이 벡터 기반이면서 그 분포가 균일하지 않은 점군자료에서는 영상에서 적용하는 경계추출 알고리즘 적용이 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 라이다 자료에서의 경계추출을 위하여 불규칙 점군자료에서의 회선(convolution)기법을 활용하였다.

이 기법은 도 1과 같이 한 포인트를 기준으로 주변 지역을 8방향으로 구분하여 각 지역마다의 포인트를 한 개씩 검색하고 해당 포인트까지 총 9개의 포인트를 하나의 회선창 영역으로 간주하여 회선기법을 적용함으로써 불규칙하게 분포하는 라이다 점군 자료의 특성상 버퍼 영역에 검색되는 인접 포인트가 한쪽 방향으로 집중되거나 너무 적은수의 포인트가 검색 될 수 있는 문제를 피할 수 있도록 한 것이다. 이러한 회선기법에 영상에서의 경계추출 알고리즘 1차미분 연산자 중 건물의 명확한 경계추출을 위해 경계가 뚜렷하면서 연산 마스크가 간단한 Prewitt 연산자를 사용한다.

다음으로, 상기 추출된 균열 경계점의 표고값과 인접성을 토대로 하여 균열 경계점을 군집화하는 단계에 대하여 설명하도록 한다.

단순히 표고와 인접성을 기초로 추출된 경계점들은 지면과 건물의 경계라는 혹은 건물과 건물의 경계라는 정보를 가지고 있을 뿐이고, 어떤 건물의 경계인지 지면의 경계인지에 대한 정보는 포함하지 않고 있다. 그러므로 건물의 경계만을 파악하기 위해서는 이러한 경계점들을 건물이나 지면에 따라 식별자를 다르게 부여하여 구분할 필요가 있다.

이를 위하여 추출된 경계점들을 표고 값과 인접성을 기초로 하여 도 4의 순서도와 같이 군집화를 수행한다.

각 점들에 대하여 인접한 점들을 차례로 검색하면서 경계점이 발견될 경우 해당 경계점을 시점으로 하여 인접 경계점들을 버퍼 분석을 통하여 검색하고 발견된 점에 대하여 경사도를 계산하고 임계값 이내에 들 경우 동일 군집으로 식별자를 부여하게 된다. 식별자가 부여된 점으로부터 다시 동일한 과정을 반복해서 다른 식별자가 부여되지 않은 경계점들을 검색하여 더 이상 임계값 이내의 경사도를 가진 경계점이 없거나 모든 경계점이 식별자를 가질 때 까지 같은 과정을 반복하게 된다. 군집화가 완료된 후 가로수 등의 제거를 위하여 그 수가 적은 군집에 대해서는 균열로 분류하지 않는다.

다음으로, 상기 군집화된 균열 경계점 가운데 가장 외곽에 존재하는 점을 추출하여 균열 경계점을 단순화하는 단계에 대하여 설명하면 다음과 같다.

라이다 자료에서의 경계추출은 점자료의 불규칙한 분포 특성상 불규칙한 경계를 얻을 수 밖에 없으며 일반적인 경계추출 기법의 적용 결과와 같이 건물 경계점들의 분포는 1개의 선으로 그리기에는 분포하는 폭이 넓게 추출될 수밖에 없다.

따라서 이 자료를 그대로 이용하여 폴리곤으로 만들 경우 각 점의 순서는 물론이고 외곽선의 형태마저 불안정해지는 문제가 발생할 수 있다. 그러므로 이러한 문제점을 해결하기 위하여 균열의 경계점들을 단순화시킬 필요성이 있다. 그러나 단순히 임의의 점을 선택할 경우 균열의 형태에 가까운 점을 파악할 수 없으므로, 경계점들 중에서도 가장 외곽에 존재하는 점만을 추출하는 단순화 과정을 수행한다.

경계점의 단순화 과정은 먼저 동일한 식별자를 가진 모든 경계점을 찾는다.

이 점들을 기준으로 주변에 존재하는 점들로부터 가장 가까운 경계점들을 검색한다. 이때 검색되는 경계점들은 다른 점으로부터 검색하였더라도 동일한 경계점을 선택할 수 있으며 선택된 경계점들은 중복이 되지 않도록 저장한다. 모든 식별자에 대하여 이러한 과정을 거쳐 가장 외곽의 경계점들을 파악한다.

다음으로, 상기 추출된 균열 경계점을 인접한 거리에 연속되는 점들과 연결하여 폴리곤을 생성하는 단계에 대하여 설명하면 다음과 같다.

파악된 최 외곽 경계점들에 대해서 군집화와 유사한 방식으로 인접한 거리에 연속되는 점들과 연결하여 폴리곤을 생성한다. 이때 인접한 거리에 연속되는 점들이 여러개일 경우 상기 폴리곤 생성점으로 선택되지 않은 점들 중 가장 인접한 점을 다음의 대상 점으로 하여 진행한다.

다음으로, 상기 생성된 폴리곤의 면적을 면적계산법을 통해 계산하는 단계는 상기 생성된 폴리곤에 대한 면적을 계산하는 단계로써, 면적계산은 좌표를 이용한 면적계산법을 활용한다.

도 5는 좌표법에 의한 면적계산을 설명하기 위한 예시도이다.

도 5를 참조하면, 도시된 좌표상에는 A-B-C-D-E의 점을 연결하여 형성된 폴리곤이 도시되어 있다.

도 5에 도시된 폴리곤의 면적(S)은 다음과 같이 계산한다.

그런데,

이므로,

하기의 표 1은 도 5의 좌표를 수치화한 예로써, 상기의 수학식 3을 통해 면적을 계산하면 다음과 같다.

	X	Y
A	3	2
B	7	4
C	5	9
D	-1	7
E	-2	3

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 사람의 접근이 용이하지 않은 인공 구조물 대상체에 지상 라이다 측량을 실시하여 얻어진 자료에서, 라이다의 점군 자료만으로 외곽선 검출기법을 적용하여 구조물의 균열부분에 대한 외곽점을 검출함으로써 신속하면서도 정확하게 구조물의 균열을 파악할 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

1. 점군자료를 이용하여 구조물의 균열을 파악하는 방법에 있어서,
   불규칙 점군자료에서의 회선기법을 활용하여 균열 경계점을 추출하는 단계와;
   상기 추출된 균열 경계점의 표고값과 인접성을 토대로 하여 균열 경계점을 군집화하는 단계와;
   상기 군집화된 균열 경계점 가운데 가장 외곽에 존재하는 점을 추출하여 균열 경계점을 단순화하는 단계와;
   상기 추출된 균열 경계점을 인접한 거리에 연속되는 점들과 연결하여 폴리곤을 생성하는 단계와;
   상기 생성된 폴리곤의 면적을 면적계산법을 통해 계산하는 단계;
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 점군자료를 활용한 구조물 균열 검출방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 균열 경계점을 추출하는 단계는 한 포인트를 기준으로 주변 지역을 8방향으로 구분하여 각 지역마다의 포인트를 한 개씩 검색하고, 해당 포인트까지 총 9개의 포인트를 하나의 회선창 영역으로 간주하는 회선기법을 이용하는 것을 특징으로 하는 점군자료를 활용한 구조물 균열 검출방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 균열 경계점을 군집화하는 단계는,
   식별자가 없는 경계점에서 시작하며, 식별자를 입력하는 단계와;
   일정거리 내에 식별자가 없는 경계점의 존재유무를 파악하는 단계와;
   해당 경계점과의 경사도가 임계값 이내인지를 파악하여 해당 경계점에 동일한 식별자를 부여하고 시작점을 설정하는 단계와;
   모든 경계점에 식별자가 부여되었는지 여부를 파악하는 단계; 및
   균열 경계점의 군집화를 종료하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 점군자료를 활용한 구조물 균열 검출방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 균열 경계점을 단순화하는 단계는,
   동일한 식별자를 갖는 모든 경계점을 찾는 단계와;
   상기 동일한 식별자를 갖는 각 경계점을 기준으로 주변에 존재하는 점들로부터 가장 가까운 경계점들을 검색하는 단계; 및
   각 식별자에 대하여 가장 외곽의 경계점을 파악하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 점군자료를 활용한 구조물 균열 검출방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 폴리곤을 생성하는 단계는 인접한 거리에 연속되는 점들이 복수개일 경우 폴리곤 생성점으로 선택되지 않은 점들 중 가장 인접한 점들을 다음의 대상 점으로 하는 것을 특징으로 하는 점군자료를 활용한 구조물 균열 검출방법.

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