KR102341819B1 - 지표의 숨골과 지하공동 탐사방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지표의 숨골과 지하공동 탐사방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 숨골이나 함몰지와 연결된 동굴과 같은 지하공동을 영상조사와 현장조사 및 지질조사를 통하여 숨골이나 함몰지 및 동굴의 입구를 찾아 정확하게 탐사하여 구조물의 설치시 지반안정성을 확보할 수 있는 지표의 숨골과 지하공동 탐사방법에 관한 것이다.
상기의 본 발명은 지표면의 지형 지물과 표고를 캐드설계화일로 기록하는 정밀지형도 작성단계와, 정밀지형도 작성단계 이후 적외선 열화상촬영과 항공라이다 촬영으로 지표면의 영상조사를 하여 촬영을 하는 지표면영상조사단계와, 지표면영상조사단계 이후 지표면에서 발견된 이상지대와 그 지표부분을 조사하는 현장조사단계와, 현장조사단계 이후 함몰지에 대하여 지표투과레이더탐사와 시추조사로 정밀 지질조사를 하는 지질조사단계와, 지질조사단계 이후 함몰지와 동굴간의 연계성을 검토하는 최종검토단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

지표의 숨골과 지하공동 탐사방법{Exploration method of underground of the surface}

본 발명은 지표의 숨골과 지하공동 탐사방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 숨골이나 함몰지와 연결된 동굴과 같은 지하공동을 영상조사와 현장조사 및 지질조사를 통하여 숨골이나 함몰지 및 동굴의 입구를 찾아 정확하게 탐사하여 구조물의 설치시 지반안정성을 확보할 수 있는 지표의 숨골과 지하공동 탐사방법에 관한 것이다.

일반적으로 국내에 분포하고 있는 지형 중 지표와 연결되어 있는 공동의 형태는 인위적 굴착에 의한 지형, 석회암지역의 동굴, 제주지역의 화산동굴 및 숨골이 대표적이다.

이와 같은 작은 규모의 공동이나 제주지역의 특이지형인 숨골의 경우 지표에 구조물이 설치될 경우 지반침하가 발생하여 지반안정성에 영향이 있어 정밀한 조사가 필요하다.

그러나 지표와 연결되어 있는 숨골의 입구부가 토사 또는 식생에 의해 가려져 있을 경우가 많아 구별이 어려웠으며 입구를 찾는 기술이 요구되고 있다.

이러한 지하공동형상을 조사할 수 있는 방법이 대한민국 특허등록 제2095799호 전자기파 분석을 통한 지하구조물과 공동형상 맴핑장치 및 그 맵핑방법이 제안된 바 있다.

그러나 상기와 같은 맴핑방법은 탐사구간의 지반으로 지향성 전자기파를 송신하고 지하구조물로 부터 반사되는 반사파를 수신하여 맴핑함으로써 협소한 부분만 맵핑을 하게 되고 전체적인 지형에 의한 조사가 어려운 문제점이 있었다.

또한 대한민국 특허등록 제1799813호 공통반사표면법을 이용한 지표투과레이더 탐사의 자료처리 결과 신호대잡음비 향상과 Vrms 역산과정을 이용한 씽크홀 탐사장치 및 그 방법이 개시되어 있는데 지하투과레이더 자료처리 및 신호분석을 이용하여 지층구조 영상의 정확도를 향상시킬 수 있으나 이 또한 전체적인 지형을 정확하게 조사하기는 어려움이 있었다.

한편, 대한민국 공개특허 10-2017-124984호 지표 투과 레이더의 데이터 처리방법이 공개되어 있으나 3차원 이미지를 이용한 2차원 분석 기법을 이용하여 지하구조물, 지반구조 및 공동 유무를 평가할 수 있으나 마찬가지로 전체적인 지형에 분포되어 있는 숨골이나 함몰지를 파악하는데 어려움이 있었다.

마지막으로 대한민국 특허등록 제1743580호 지방의 강도 및 전기비저항 측정용 동적 콘관입기, 이를 이용하여 지반의 유전율 특성을 보정하는 지표투과레이더 탐사 시스템 및 방법이 제안되었다.

이는 지반의 유전율을 산정하고 지하투과레이더 탐사의 입력값을 제공하여 탐사결과의 신뢰도를 향상시킬 수 있으나 이 또한 광범위한 지역을 판단하고 탐사를 할 수 없는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 광범위한 지형의 지형도를 정밀하게 작성한 후 지형도를 토대로 열화상촬영과 항공레이다 촬영을 하고 현장조사시 지표투과레이더탐사와 시추조사를 하여 판단함으로써 숨골이나 함몰지와 연결된 동굴과 같은 지하공동을 탐사할 수 있어 광범위한 구조물의 설치시 지반안정성을 확보할 수 있는 지표의 숨골과 지하공동 탐사방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 지표면의 지형 지물과 표고를 캐드설계화일로 기록하는 정밀지형도 작성단계와, 정밀지형도 작성단계 이후 적외선 열화상촬영과 항공라이다 촬영으로 지표면의 영상조사를 하여 촬영을 하는 지표면영상조사단계와, 지표면영상조사단계 이후 지표면에서 발견된 이상지대와 그 지표부분을 조사하는 현장조사단계와, 현장조사단계 이후 함몰지에 대하여 지표투과레이더탐사와 시추조사로 정밀 지질조사를 하는 지질조사단계와, 지질조사단계 이후 함몰지와 동굴간의 연계성을 검토하는 최종검토단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 지표의 숨골과 지하공동 탐사방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 광범위한 지형의 지형도를 정밀하게 작성한 후 지형도를 토대로 열화상촬영과 항공레이다 촬영을 하고 현장조사시 지표투과레이더탐사와 시추조사를 하여 판단함으로써 숨골이나 함몰지와 연결된 동굴과 같은 지하공동을 탐사할 수 있어 광범위한 구조물의 설치시 지반안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 지표의 숨골과 지하공동 탐사방법의 순서도
도 2는 본 발명에 따른 지표의 숨골과 지하공동 탐사방법의 지상기준점 및 검사점을 나타낸 배치도,
도 3은 본 발명에 따른 지표의 숨골과 지하공동 탐사방법의 열화상촬영 온도구별 사진,
도 4는 본 발명에 따른 지표의 숨골과 지하공동 탐사방법에서 항공촬영계획구역도를 나타낸 사진,
도 5는 본 발명에 따른 지표의 숨골과 지하공동 탐사방법에서 회수된 시추코어를 나타낸 사진이다.

본 발명과 본 발명의 동작성의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 참고하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

첨부된 도 1은 본 발명에 따른 지표의 숨골과 지하공동 탐사방법의 순서도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 지표의 숨골과 지하공동 탐사방법은 지표면의 지형 지물과 표고를 캐드설계화일로 기록하는 정밀지형도 작성단계(S110)와, 정밀지형도 작성단계 이후 지표면의 영상조사를 하여 촬영을 하는 지표면영상조사단계(S120)와, 지표면영상조사단계 이후 지표면에서 발견된 이상지대와 그 지표부분을 조사하는 현장조사단계(S130)와, 현장조사단계 이후 함몰지에 대한 정밀 지질조사를 하는 지질조사단계(S140)와, 지질조사단계 이후 함몰지와 동굴간의 연계성을 검토하는 최종검토단계(S150)로 구성된다.

상기의 지표의 숨골과 지하공동 탐사방법은 지표와 연결되어 있는 동굴 또는 공동이 주변지형에 비해 상대적으로 낮은 지표를 형성하고 있는 점과 외부의 대기온도에 비해 동굴내의 온도가 일정하다는 점을 이용하여 지표입구부를 탐사하는 기술이다.

상기의 정밀지형도 작성단계(S110)에서는 숨골조사를 위해서 먼저 정밀지형도를 작성하는데 상기 정밀지형도는 시형, 지물 및 표고 등을 CAD 파일로 기록하여 현지 조사 시 필요한 지형을 사전 분석 활용을 목적으로 제작하였으며, 비행고도, 사딘중복도 등을 사전에 분석하여 원활한 현장 작업 진행이 될 수 있는 기초자료로 활용한다.

이러한 정밀지형도 작성을 위해서 도 2에 도시된 바와 같이 항공레이저 측량작업의 기준점을 최소 10군데 기준점을 4~5Km 간격으로 배치해도 되지만 무인항공기의 특성 및 과업의 정확도 향상을 고려하여 1 km 이내 지상기준점을 배치하였으며, 위성위치 측정시스템(GNSS)에 의한 4급 기준점 측량방법으로 실시하여 총 43점의 지상기준점(33점) 및 검사점(10점)으로 측량을 진행한다.

상기 지상기준점 위치 선정은 먼저 대상지역을 기존 여러 항공영상자료를 참조하여 대상지역 내 고르게 분포하도록 지상기준점 배치를 계획한 후 현장에서 지상기준점측량을 진행한다.

측량한 지상기준점은 항공(UAV) 라이다 자료 처리를 위한 기준점과 검사점으로 구분하여 라이다 자료를 처리하고, 검사점은 처리한 라이다 자료의 정확도를 확인하기 위해 사용한다.

이와 같이 정밀지형도 작성단계 이후 정밀지형도를 토대로 하여 지표면영상조사단계(S120)에서 지표면영상조사를 한다.

상기 지표면의 영상조사는 적외선 열화상촬영과 항공라이다 촬영으로 이루어지는 데 상기 열화상촬영은 열화상 카메라인 TIC 카메라(Thermal Imaging Camera)를 사용하여 적외선을 방사하지 않고 물체나 몸체서 방출하는 적외선을 이용하여 지형이나 조난자 식별, 산불감시, 건물관리, 군사 목적 등을 위해 열을 추적, 탐지하여 화면으로 촬영할 수 있다.

열화상 카메라에 쵤영된 부분은 발열 강도에 따라 화면에 시현되는 색상이 차이가 나기 때문에 연기와 같은 장애물의 유무, 빛의 유무와 상관없이 물체를 확인할 수 있다.

열화상 카메라에서 모든 물체는 절대온도(-273도) 이상이면 해당 파장(적외선)을 방출하고 적외선은 눈에 보이는 빛인 가시광선(Visible Wave)보다 파장이 길고 마이크로 광선(Micro Wave)보다 짧은 0.7~1000um 파장 대역의 전자파를 말하는데, 눈으로 보는 실제 화상과 비슷한 형태의 특성을 지니고 빛의 속도로 공간을 이동하며 굴절, 반사, 흡수 및 방사 등의 현상을 나타낸다.

이러한 열화상 카메라는 물체에서 각각 다르게 방출된 파장(적외선)을 사람이 볼 수 있는 이미지(색상)로 시각화하는 원리를 이용한 것으로서 열화상 촬영 결과물은 도 3에 도시된 바와 같이 설정한 온도를 기준으로 따뜻한 온도는 빨간색 계열로 차가운 온도는 파란색 계열로 나타나기 때문에 주변 색상보다 상대적으로 낮은 온도차를 보이는 장소(파란색 계열)와 높이 차이가 있는 지형 및 함몰지(3D모드를 통한 지형 확인) 등을 숨골 후보지점으로 선정하게 된다.

이와 같은 온도차의 기준은 주변과 상대적 온도차가 ±3℃ 이상의 차이를 보이는 곳을 선정하며 열화상 촬영 결과물에서 울창한 숲속은 그늘로 인하여 주변보다 상대적으로 낮은 온도로 인식되는 경우가 있기 때문에 실사 촬영 영상 결과와 비교하여, 구조물 또는 수목의 그늘에 의한 결과일 경우 후보지점에서 제외하는 것이 바람직하다.

또한, 항공촬영 영상의 양호한 품질을 확보하기 위해서는 가급적 맑은 날씨와 바람이 약한 시간에 촬영을 수행해야 하므로, 기상정보를 확인하여 가장 양호한 시점에 촬영을 수행하여야 하며 해당 지역에서 이착륙을 위한 공간의 확보와 안전한 촬영 비행이 이루어질 수 있도록 사전 현장답사가 이루어져야 한다.

항공라이다 측량은 GNSS(Global Navigation Satellite System) 기술이 도입된 1980년대 후반부터 본격적으로 개발되기 시작하여 이후 장비성능 개선과 측량정밀도의 향상, 자료처리 및 활용 기술개발로 수치표고모델 획득을 위한 주요 수단으로 활용되고 있다.

이러한 항공라이다 촬영의 기본원리는 위치를 알고 있는 공간상의 한 점으로부터 레이저를 주사하여 지상으로부터 반사된 시간을 측정하여 공간상의 한 점으로부터 지상까지의 거리를 관측하여 지표면의 3차원 정보를 취득하는 원리로 촬영되는 것으로서 대상 지역이 지형형태, 항공(UAV) 라이다 데이터의 활용 목적, 요구사항 등을 고려하여 촬영코스, 고도 등 적절한 촬영계획을 수립하여 도 4에 도시된 바와 같이 촬영계획 구역도를 수립하여 구역간과 촬영코스 간 공백이 발생하지 않도록 촬영계획 구역간에는 약 70m의 중복과 촬영코스 간 40m의 중복도로 해야 한다.

이러한 항공라이다 촬영은 지면 점밀도를 최적화하기 위해서 촬영고도는 지면기준으로 약 60m 고도로 수행하는 것이 바람직하며 촬영된 항공라이다 자료는 지면과 수목, 인공시설물 등이 하나의 class로 구성된 점자료 형태의 DSM(Digital Surface Model)이라고 할 수 있음. 하나의 클래스로 저장되어 있기 때문에 지면/비지면 class로 분류한다.

원시자료는 대상지역의 식생, 건물, 지면 등 모든 자료를 포함하고 있으며 분류한 지면자료는 종전의 항공사진측량에 비하여 효율적이고 객관적으로 데이터를 취득 할 수 있다.

항공라이다 촬영자료는 건물, 인공 구조물, 수목 등 지표 위의 모든 장애물을 제거하는 선처리과정을 거쳐 지표면의 DEM(Digital Elevation Model)을 만들고 정밀한 3D 음영 기복도를 만들어 3D모드를 통한 지형확인 후 주변 지형보다 50cm 이상 낮은 함몰 지역과 지름이 약 20cm 이상 되는 구멍을 선정하게 된다.

이와 같이 지표면영상조사단계(S120) 이후 지표면에서 발견된 이상지대와 그 지표부분을 조사하는 현장조사단계(S130)를 하게 된다.

이러한 현자조사단계에서는 1. 위성 사진상의 경작지 우수의 유동흔적이 집수되고 있는 지점.

2. 강우시 우수의 유입이 직접 확인 된 지점.

3. 함몰지 존재 여부 : 인접지형에 비해 낮은 지형을 유지하면서 우수의 유입흔적이 있는 지점

4. 농경지의 경우 경작물 또는 목초의 넘어진 결이 우수의 유동 흔적과 일치하고, 일정한 방향으로 집중되고 있는 지점.

5. 수로의 연장이 인공구조물이 아닌 오목한 지형인 단절된 지형형태로 유입되는지의 여부(Overflow 여부 판단).

6. 겨울철 이끼류가 서식하고 있는 지형으로 눈이 주변지역보다 빠르게 녹아있는 지형을 판단하게 된다.

현장조사단계이후 함몰지에 대한 정밀 지질조사를 하는 지질조사단계(S140)를 하게 된다.

상기 지질조사단계는 지표투과레이더탐사와 시추조사로 이루어지며 지표투과레이더탐사는 GPR(Ground Penetrating Radar) 탐사법을 이용하며 GPR(Ground Penetrating Radar) 탐사법은 레이다(Radar)는 무선탐지와 거리측정(Radio Detecting and Ranging)의 약어로 마이크로파(극초단파, 10m~100cm 파장) 정도의 전자기파를 물체에 발사시켜 그 물체에서 반사되는 전자기파를 수신하여 물체와의 거리, 방향, 고도 등을 알아내는 장치로, 레이다를 이용하여 수m 또는 수십m 내의 지표연구, 지반상태, 매설물 등을 탐사한다.

또한 시추조사는 지반교란이 적고, 코어채취가 가능한 회전수세식 방법을 사용하게 되며 채취된 시료는 시료상자에 도 5에 도시된 바와 같이 위치 및 심도를 표시한 상태로 보관, 관찰된 사항을 근거로 시추주상도를 작성하게 된다.

상기 지질조사단계 이후 함몰지와 동굴간의 연계성을 최종검토단계(S150)를 통하여 검토한다.

S110 : 정밀지형도 작성단계 S120 : 지표면영상조사단계
S130 : 현장조사단계 S140 : 지지조사단계
S150 : 최종검토단계

Claims (3)

1. 지표면의 지형 지물과 표고를 캐드설계화일로 기록하는 정밀지형도 작성단계와,
   정밀지형도 작성단계 이후 지표면의 영상조사를 위하여 적외선 열화상촬영과 항공라이다로 촬영을 하는 지표면영상조사단계와,
   지표면영상조사단계 이후 지표면에서 발견된 이상지대와 그 지표부분을 조사하는 현장조사단계와,
   현장조사단계 이후 함몰지에 대하여 지표투과레이더탐사와 시추조사로 정밀 지질조사를 하는 지질조사단계와,
   지질조사단계 이후 함몰지와 동굴간의 연계성을 검토하는 최종검토단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 지표의 숨골과 지하공동 탐사방법.
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