KR102039863B1 - 지중포인트 클라우드 라이다 영상을 이용한 지하공동탐사 장치 - Google Patents

지중포인트 클라우드 라이다 영상을 이용한 지하공동탐사 장치 Download PDF

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KR102039863B1
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Abstract

본 발명의 실시 형태는 지지봉; 상기 지지봉의 끝단에 마련되어 있으며, 지중의 공동 내부면을 향해 레이저를 주사하여 반사된 레이저의 도달시간을 측정하여, 지중의 공동 내부의 형태를 측량하는 3D 라이다 센서; 및 상기 3D 라이다 센서를 통해 측량되는 레이저 데이터를 이용하여 공동 내부 3D 그래픽을 생성하고 공동 내부의 체적을 산출하여 화면에 표시하는 공동 내부 모니터링 단말기;를 포함할 수 있다.

Description

지중포인트 클라우드 라이다 영상을 이용한 지하공동탐사 장치{Apparatus for measuring underground cavity using LiDAR}
본 발명은 지하공동탐사 장치로서, 지중포인트 클라우드 라이다 영상을 이용하여 지하공동을 탐사하는 지중포인트 클라우드 라이다 영상을 이용한 지하공동탐사 장치에 관한 것이다.
산업사회의 발달로 다양한 형태의 구조물이 건설되고, 건설된 구조물의 하부에 지반변화로 인해 토양의 침하가 진행되거나, 연약지반화 되어 이를 보강하는 것이 필요해 지고 있다.
특히, 도시 인구가 증가하고 활동영역이 넓어지면서, 지하 상업 시설이나 지하철 등과 같이 지하 공간을 활용할 수 있는 지하 구조물이 건설되고 있는데, 이 지하 구조물의 시공으로 인해 구조물 하부는 물론 구조물 주변의 지반에 영향을 미쳐 연약지반을 발생시키는 문제가 있다. 또한 성토에 의해 조성된 택지, 도로, 철도 역시 시간이 지남에 따라 지반이 침하할 우려가 있다.
따라서 연약지반 상에 도로가 시공되는 경우, 차량의 잦은 통행으로 인해 상부 하중이 발생되면 인접한 차도와 보도가 침하되는 경우가 빈번하게 발생된다. 나아가 도 1과 같이 지중에 공동이 생기는 현상이 발생된다.
이러한 도로침하나 지반침하는 지중의 공동(空洞, cavity)에 의해 발생하는데, 지중의 공동은 일정한 형상이 없이 다양한 형태로 나타난다.
따라서 지중의 공동으로 인한 도로침하나 지반침하가 발생하더라도, 외부와 달리 공동의 내부 모습을 알 수 없기 때문에 추가적인 침하 진행 여부를 알 수 없어 이를 경고할 수 있는 수단이 전무한 실정이다.
한국등록특허 10-1819917
본 발명의 기술적 과제는 지하에 발생한 공동을 현장에서 측정하여 내부의 상태 및 체적을 조사하기 위한 수단을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 형태는 지지봉; 상기 지지봉의 끝단에 마련되어 있으며, 지중의 공동 내부면을 향해 레이저를 주사하여 반사된 레이저의 도달시간을 측정하여, 지중의 공동 내부의 형태를 측량하는 3D 라이다 센서; 및 상기 3D 라이다 센서를 통해 측량되는 레이저 데이터를 이용하여 공동 내부 3D 그래픽을 생성하고 공동 내부의 체적을 산출하여 화면에 표시하는 공동 내부 모니터링 단말기;를 포함할 수 있다.
상기 공동 내부 모니터링 단말기는, 공동 내부 3D 그래픽 상에서 설정된 임계각 이상으로 기울어진 내부 벽체에 대응되는 도로 상부 위치를 추가 침하 예상 지점으로 경고하는 내용을 표시할 수 있다.
상기 지하공동탐사 장치는, 상기 지지봉의 길이를 확장시키는 길이 확장 구동체;를 포함하며, 상기 공동 내부 모니터링 단말기는, 상기 3D 라이다 센서를 통해 수신되는 레이저의 세기가 설정된 기준 세기보다 약한 경우 상기 길이 확장 구동체를 이용하여 지지봉의 길이를 확장시킬 수 있다.
상기 지하공동탐사 장치는, 지중의 공동 내부를 측량할 때 상기 3D 라이다 센서를 회전시키는 회전 모터;를 포함하며, 상기 공동 내부 모니터링 단말기는, 상기 3D 라이다 센서를 통하여 1차적으로 지중의 공동 내부를 측량하며, 상기 3D 라이다 센서를 90°도씩 회전시켜 가며 지중의 공동 내부를 측량할 수 있다.
상기 지하공동탐사 장치는, 상기 지지봉의 끝단에 마련되어 있으며, 지중의 공동 내부의 습도를 측정하는 습도 측정 센서;를 포함하며, 상기 공동 내부 모니터링 단말기는, 상기 3D 라이다 센서를 통해 측량된 공동 내부의 레이저 데이터 이외에도 습도 측정 센서를 통해 측정된 공동 내부의 습도를 반영하여 추가 침하를 경고할 수 있다.
상기 공동 내부 모니터링 단말기는, 측정되는 공동 내부의 습도를 고려하여 추가 침하 예상 지점에 대한 경고를 표시할 수 있다.
상기 공동 내부 모니터링 단말기는, 360°방향으로 습도를 측정하여 전방향에 걸친 내부 벽체 강도를 산출하여, 내부 벽체 강도가 가장 약한 방향의 내부 벽체에 대응되는 도로 상부 위치를 추가 침하 예상 지점으로 경고 표시할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면 라이다를 이용하여 지중의 공동 내부를 탐측할 수 있어, 추가 침하 등의 위험을 효율적으로 파악할 수 있다.
도 1은 지중에 공동이 생긴 모습을 도시한 그림.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지중포인트 클라우드 라이다 영상을 이용한 지하공동탐사 장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지중포인트 클라우드 라이다 영상을 이용한 지하공동탐사 장치가 설치된 모습을 도시한 그림.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 라이다 센서의 동작 모습을 도시한 그림.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공동 내부 3D 그래픽의 예시 그림.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 추가 침하 예상 지점을 화면상에서 경고하는 예시 그림.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 지지봉이 확장된 예시 그림.
이하, 본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지중포인트 클라우드 라이다 영상을 이용한 지하공동탐사 장치의 구성도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지중포인트 클라우드 라이다 영상을 이용한 지하공동탐사 장치가 설치된 모습을 도시한 그림이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 라이다 센서의 동작 모습을 도시한 그림이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공동 내부 3D 그래픽의 예시 그림이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 추가 침하 예상 지점을 화면상에서 경고하는 예시 그림이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 지지봉이 확장된 예시 그림이다.
본 발명은, 점검하고자 하는 지중의 공동에 라이다를 삽입하여 촬영하는 방법으로 공동의 상태를 측정하고 3D형상으로 분석하여 체적을 산출하여 현장에서 긴급 보강계획을 수립할 수 있도록 함으로써 신속한 복구로 2차 사고를 방지하고 보수계획의 신뢰성을 확보한다.
이를 위하여 본 발명의 지중포인트 클라우드 라이다 영상을 이용한 지하공동탐사 장치는, 도 2에 도시한 바와 같이 지지봉(300), 3D 라이다 센서(200), 및 공동 내부 모니터링 단말기(100)를 포함할 수 있다. 이밖에 길이 확장 구동체(400), 회전 모터(500), 및 습도 측정 센서(600)를 추가로 더 포함할 수 있다.
지지봉(300)은, 막대봉으로서 3D 라이다 센서(200)가 끝단에 구비된다. 3D 라이다 센서(200)는, 고정 또는 탈착 형태로서 지지봉(300)의 끝단에 결합될 수 있다. 따라서 도 3에 도시한 바와 같이 공동(싱크홀)으로 인해 도로침하가 발생될 경우, 지지봉(300)의 끝단을 도로에 발생된 공동 내부로 삽입하여 공동 내부를 3D 라이다 센서(200)를 이용하여 측정하도록 한다.
참고로, 공동(空洞, cavity)이라 함은, 지질학적으로 지층 내에 생긴 빈 공간으로 다양한 형태와 분포가 불특정적으로 나타나는 양상을 보인다. 따라서 도로 하부에 공동이 발생되면 도로 침하 등의 현상이 발생된다.
3D 라이다 센서(200)(3D LiDAR sensor)는, 지지봉(300)의 끝단에 마련되어 있는 센서이다. 라이다(LiDAR;Light Detection And Ranging)라 함은, 3차원 레이저 측량을 말하는 것으로서, 레이저 펄스를 지표면에 주사하고, 반사된 레이저 펄스의 도달시간을 관측함으로써 반사지점의 공간 위치 좌표를 계산하여 지표면에 대한 지형정보를 추출하는 측량 방식이다. 다른 측량 방식과는 달리 완전 자동처리가 가능하며, 처리속도가 빠르고, 능동적 센서이므로 어느 정도 날씨에 구애를 받지 않는다. 지상기준점측량이 어려운 해안, 습지 측량과 그림자에 의해 방해받는 산림, 도심지역의 수치표고자료 제작에 유리하다. 특히, 레이저 파를 직접 주사하여 대상물을 측정하는 능동 센서의 특징을 이용하여 하나의 펄스로 최대 4회까지의 반송(return)파를 측정할 수 있어, 복잡한 지형의 묘사가 간편하게 이루어질 수 있다.
이에 본 발명의 지지봉(300)의 끝단에 마련된 3D 라이다 센서(200)는, 도 4에 도시한 바와 같이 360° 전체 방향으로 지중의 공동 내부면을 향해 레이저를 주사하여 반사된 레이저의 도달시간을 측정하여, 지중의 공동 내부의 형태를 측량할 수 있게 된다.
참고로, 3D 라이다 센서(200)를 통해 측정되는 레이저 데이터는, 이더넷(Ethernet), 범용 직렬 버스(Universal Serial Bus), IEEE 1394, 직렬통신(serial communication) 및 병렬 통신(parallel communication)과 같은 유선 통신 방식을 통해 공동 내부 모니터링 단말기(100)로 전송될 수 있다. 또는 적외선 통신(Infrared Radiation), 블루투스(Bluetooth), 홈 RF(Radio Frequency) 및 무선 랜(Wireless LAN)과 같은 무선 통신 방식을 통해 공동 내부 모니터링 단말기(100)로 전송될 수 있다.
공동 내부 모니터링 단말기(100)는, 도면에서는 데스크탑 PC(desktop PC)를 예로 들어 설명하나, 데스크탑 PC뿐만 아니라 스마트폰(smart phone), 태블릿 PC(tablet PC), 슬레이트 PC(slate PC), 노트북 컴퓨터(notebook computer) 등이 해당될 수 있다. 물론, 본 발명이 적용 가능한 단말기는 상술한 종류에 한정되지 않고, 외부 장치와 통신이 가능한 단말기를 모두 포함할 수 있음은 당연하다.
공동 내부 모니터링 단말기(100)는, 3D 라이다 센서(200)를 통해 측량되는 레이저 데이터를 이용하여 공동 내부 3D 그래픽을 생성하고 도 5에 도시한 바와 같이 화면에 표시한다. 즉, 레이저를 이용하여 점군(point cloud) 데이터를 취득한 후 이에 3차원 공공좌표를 부여함으로써 대상 물체와의 거리, 형상 또는 기타 속성들을 측량 하여 고밀도의 3차원 수치데이터를 취득할 수 있는데, 이를 통해 공동 내부 3D 그래픽을 생성할 수 있게 된다.
또한 공동 내부 모니터링 단말기(100)는 3D 라이다 센서(200)를 통해 측량되는 레이저 데이터를 이용하여 공동 내부의 체적을 산출하여 화면에 표시한다. 따라서 공동 내부를 모니터링하는 관리자는, 표시되는 공동 내부 3D 그래픽과 공동 내부의 체적을 참고하여, 공동 내부의 모습을 알 수 있게 되어 향후 추가적으로 지질 침하 여부를 판단하여 적절한 조치를 취할 수 있게 된다.
나아가, 생성되는 공동 내부의 공동 내부 3D 그래픽과 산출되는 공동 내부의 체적은, 측정 시간대별로 각각 저장체에 히스토리 이력으로 저장될 수 있다. 이러한 저장체는, 하드디스크 드라이브(Hard Disk Drive), SSD 드라이브(Solid State Drive), 플래시메모리(Flash Memory), CF카드(Compact Flash Card), SD카드(Secure Digital Card), SM카드(Smart Media Card), MMC 카드(Multi-Media Card) 또는 메모리 스틱(Memory Stick) 등 정보의 입출력이 가능한 모듈로서 장치의 내부에 구비되어 있을 수도 있고, 별도의 장치에 구비되어 있을 수도 있다.
한편, 공동 내부 모니터링 단말기(100)는, 도 6에 도시한 바와 같이 공동 내부 3D 그래픽 상에서 설정된 임계각 이상으로 기울어진 내부 벽체에 대응되는 도로 상부 위치를 추가 침하 예상 지점으로 경고 표시할 수 있다.
예를 들어, 도 6에 도시한 내부 벽체의 기울어진 각도가 미리 설정된 임계각 이상 기울어진 A 내부 지점이 있는 경우, A 내부 지점의 상측의 도로 상부 지점이 추가 침하될 것이라고 경고 표시할 수 있다. 따라서 모니터링하는 관리자가 수동으로 판단할 필요없이 추가 침하 예상 지점을 자동으로 경고해줌으로써, 효과적인 대처가 가능하게 된다.
한편, 지지봉(300)의 경우 일정 길이를 가지는 막대봉 구조로 구현될 수 있지만, 다른 실시예로서 길이가 가변되는 막대봉 구조로 구현될 수 있다.
이럴 경우, 지하공동탐사 장치는, 지지봉(300)의 길이를 확장시키는 길이 확장 구동체(400)를 구비하도록 한다. 따라서 공동 내부 모니터링 단말기(100)는, 3D 라이다 센서(200)를 통해 수신되는 레이저의 세기가 설정된 기준 세기보다 약한 경우 길이 확장 구동체(400)를 이용하여 지지봉(300)의 길이를 확장시킨다.
이는, 지중의 공동 내부는 어두워서 육안으로 그 깊이를 확인할 수 없기 때문에, 1차적으로 레이저 측정 후에 레이저 수신값이 약할 경우 지지봉(300)을 확장하여 2차 측정하기 위함이다. 예를 들어, 도 7(a)에 도시한 바와 같이 지지봉(300)을 지중의 공동 내부로 삽입하여 레이저 측정한 결과 지지봉(300)이 너무 얕게 삽입되어 레이저의 세기가 설정된 기준 세기보다 약한 경우, 도 7(b)에 도시한 바와 같이 길이 확장 구동체(400)를 이용하여 지지봉(300)의 길이를 확장시켜 측정하는 것이다.
한편, 3D 라이다 센서(200)를 통한 정확한 측정을 위하여 지하공동탐사 장치는, 지중의 공동 내부를 측량할 때 상기 3D 라이다 센서(200)를 회전시키는 회전 모터(500)를 포함할 수 있다.
따라서 공동 내부 모니터링 단말기(100)는, 상기 3D 라이다 센서(200)를 통하여 1차적으로 지중의 공동 내부를 측량하며, 3D 라이다 센서(200)를 90°도씩 회전시켜 가며 지중의 공동 내부를 측량하여, 정밀한 측정이 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 도로 침하의 경우 지하수 등에 의하여 지중 공동이 발생되고 이로 인해 도로 침하가 가속화되는 경우가 많다. 따라서 지중 공동은 내부 습도를 고려하여 추가 지질 침하를 예측하는 것이 보다 정확하다 할 것이다.
이를 위하여 지하공동탐사 장치는, 지지봉(300)의 끝단에 마련되어 있으며, 지중의 공동 내부의 습도를 측정하는 습도 측정 센서(600)를 추가로 구비할 수 있다.
공동 내부 모니터링 단말기(100)는, 3D 라이다 센서(200)를 통해 측량된 공동 내부의 레이저 데이터 이외에도 습도 측정 센서(600)를 통해 측정된 공동 내부의 습도를 반영하여 추가 침하를 경고한다. 예를 들어, 습도가 기준 습도인 제1습도 범위 내인 경우 가중치 1을 부여하고, 습도가 제1습도 범위보다 높은 제2습도 범위 내에 있는 경우 가중치 1.5를 부여한다고 가정할 때, 측정되는 습도값이 기준 습도인 제1습도 범위 내에 있는 경우 현재의 지중 공동의 내부 형태가 유지될 것이라고 판단하지만, 측정되는 습도값이 제1습도 범위 보다 높은 제2습도 범위 내에 있는 경우 현재의 지중 공동의 내부 형태가 조만간 더 침하될 것이라고 판단하여 추가 침하를 경고한다.
나아가, 측정되는 공동 내부의 습도를 고려하여 추가 침하 예상 지점을 경고하도록 한다. 즉, 지중 공동의 내부 공간 중에서 습도가 다른 지점보다 더 높은 내부 지점을 추가 침하 예상 지점으로 경고 표시하는 것이다.
나아가, 정확한 추가 침하 예상을 위하여 360°방향으로 습도를 측정하여 전방향에 걸친 내부 벽체 강도를 산출하여, 내부 벽체 강도가 가장 약한 방향의 내부 벽체에 대응되는 도로 상부 위치를 추가 침하 예상 지점으로 경고 표시하도록 한다. 360°전체 방향에 걸쳐서 습도값을 측정하여 정밀한 추가 침하 예상 지점을 찾기 위함이다.
상술한 본 발명의 설명에서의 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것으로, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 변경 및 균등한 타의 실시예가 가능한 것이다.
100:공동 내부 모니터링 단말기
200:3D 라이다 센서
300:지지봉
400:길이 확장 구동체
500:회전 모터
600:습도 측정 센서

Claims (7)

  1. 일정 길이를 갖는 막대봉으로 형성되는 지지봉;
    상기 지지봉의 끝단에 고정 또는 탈착 형태로 마련되어 있으며, 지중의 공동 내부면을 향해 레이저를 주사하여 반사된 레이저의 도달시간을 측정하되, 반사지점의 공간 위치 좌표를 계산하여 지표면에 대한 지형정보를 추출하여 지중의 공동 내부의 형태를 측량하는 3D 라이다 센서; 및
    상기 3D 라이다 센서를 통해 측량되는 레이저 데이터를 이용하되, 레이저 데이터의 점군 데이터를 취득한 후 이에 3차원 공공좌표를 부여하여 대상 물체와의 거리, 형상 또는 기타 속성을 포함하는 3차원 수치데이터를 취득하며, 3차원 수치데이터를 통하여 공동 내부 3D 그래픽을 생성하고 공동 내부의 체적을 산출하여 화면에 표시하는 공동 내부 모니터링 단말기;
    를 포함하고,
    상기 3D 라이다 센서를 통하여 측정되는 레이저 데이터는 무선 통신 방식을 통해 공동 내부 모니터링 단말기로 전송되고,
    상기 공동 내부 모니터링 단말에 표시되는 공동 내부 3D 그래픽 및 공동 내부의 체척은 측정 시간대별로 히스토리 이력이 저장체에 저장되며,
    상기 공동 내부 모니터링 단말기는,
    공동 내부 3D 그래픽 상에서 설정된 임계각 이상으로 기울어진 내부 벽체에 대응되는 도로 상부 위치를 추가 침하 예상 지점으로 경고 표시하고,
    지하공동탐사 장치는,
    상기 지지봉의 끝단에 마련되어 있으며, 지중의 공동 내부의 습도를 측정하는 습도 측정 센서;를 포함하며,
    상기 공동 내부 모니터링 단말기는, 상기 3D 라이다 센서를 통해 측량된 공동 내부의 레이저 데이터 이외에도 습도 측정 센서를 통해 측정된 공동 내부의 습도를 반영하여 추가 침하를 경고하는 지중포인트 클라우드 라이다 영상을 이용한 지하공동탐사 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 지하공동탐사 장치는,
    상기 지지봉의 길이를 확장시키는 길이 확장 구동체;를 포함하며,
    상기 공동 내부 모니터링 단말기는, 상기 3D 라이다 센서를 통해 수신되는 레이저의 세기가 설정된 기준 세기보다 약한 경우 상기 길이 확장 구동체를 이용하여 지지봉의 길이를 확장시키는 지중포인트 클라우드 라이다 영상을 이용한 지하공동탐사 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 지하공동탐사 장치는,
    지중의 공동 내부를 측량할 때 상기 3D 라이다 센서를 회전시키는 회전 모터;를 포함하며,
    상기 공동 내부 모니터링 단말기는, 상기 3D 라이다 센서를 통하여 1차적으로 지중의 공동 내부를 측량하며, 상기 3D 라이다 센서를 90°도씩 회전시켜 가며 지중의 공동 내부를 측량함을 특징으로 하는 지중포인트 클라우드 라이다 영상을 이용한 지하공동탐사 장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 공동 내부 모니터링 단말기는,
    측정되는 공동 내부의 습도를 고려하여 추가 침하 예상 지점을 경고 표시하되,
    공동 내부 공간 중에서 습도가 다른 지점 보다 높은 내부 지점을 추가 침하 예상 지점으로 경고 표시함을 특징으로 하는 지중포인트 클라우드 라이다 영상을 이용한 지하공동탐사 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 공동 내부 모니터링 단말기는,
    360°방향으로 습도를 측정하여 전방향에 걸친 내부 벽체 강도를 산출하여, 내부 벽체 강도가 가장 약한 방향의 내부 벽체에 대응되는 도로 상부 위치를 추가 침하 예상 지점으로 경고 표시함을 특징으로 하는 지중포인트 클라우드 라이다 영상을 이용한 지하공동탐사 장치.
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