KR20050044973A

KR20050044973A - 레이저스캐너를 이용한 경사면의 계측 방법

Info

Publication number: KR20050044973A
Application number: KR1020030078880A
Authority: KR
Inventors: 심석래
Original assignee: 심석래
Priority date: 2003-11-08
Filing date: 2003-11-08
Publication date: 2005-05-16

Abstract

본 발명은 레이저스캐너를 이용한 경사면 계측 방법에 있어서, 경사면에 임의로 설치된 다수의 측정타깃을 기준타깃부터 순차적으로 스캐닝하는 단계와; 상기에서 스캐닝한 영상 중 측정타깃들의 영상을 추출하여 획득하는 단계와; 상기에서 추출한 측정타깃의 영상을 이용하여 각 측정타깃의 위치좌표를 계산하고 결정하는 단계와; 상기에서 결정된 각 측정타깃의 위치좌표와 메모리에 미리 설정된 각 측정타깃의 최초 위치좌표를 상호 비교하는 단계; 및 상기에서 비교한 결과 위치좌표가 변경된 측정타깃이 있을 경우 변경된 좌표값을 분석하여 해당 측정타깃에 속하는 절리면의 전단거동 변위 및 지반 변위 정도를 판단하는 단계;를 수행함으로써, 토목공사에서 절취사면의 시공전 또는 시공후에 사면의 거동변위 측정을 위해 사면에 정착된 측정타깃을 레이저스캐너로 좌표 계측함에 따라 보다 용이하고 정밀한 변위측정이 가능하여 대상 절취사면에 대한 변위 거동에 따른 대책을 수립할 수 있는 레이저스캐너를 이용한 경사면의 계측 방법을 제공한다.

Description

레이저스캐너를 이용한 경사면의 계측 방법{METHOD FOR MEASURING A SLOPE USING LASER SCANNER}

본 발명은 경사면(Slope)의 계측 방법에 관한 것으로, 특히 토목공사에서 절취사면의 거동에 따른 지반 거동을 레이저스캐너를 이용하여 계측함에 따라 보다 용이하고 정밀하게 변위측정이 가능하여 해당 경사면에 대한 적절한 보강공사를 취할 수 있는 레이저스캐너를 이용한 경사면의 계측 방법에 관한 것이다.

일반적으로 토목공사에서 레이저를 이용하여 대상물(건축물, 토목구조물, 절성토 사면, 터널 등)의 위치를 측정하는 경우에는 다양한 방법을 사용하며, 대표적으로는 대상물에 주사된 레이저가 반사되어 돌아오는 빛과의 간섭여부를 이용하여 측정하는 방법과, 주사되는 원래의 빛과 반사되어 돌아오는 빛과의 위상차나 시간을 이용하여 측정하는 방법, 및 펄스광을 이용하여 그 펄스가 대상물에 반사되어 돌아오는 반사펄스를 측정하는 방법 등이 사용된다.

특히, 토목공사에서 도로나 터널 등의 공사현장에서는 암반층을 쉽게 발견할 수 있는데, 이는 우리나라의 지질특성상 암반이 발달하여 있기 때문이며, 일반적으로 암반에는 불연속면인 절리, 층리면, 단층, 파쇄대 등이 발달하고 있으며, 불연속면을 경계로 암반은 구조적으로 불연속적이며, 대부분의 불연속면은 분리면이므로 매우 작은 인장강도를 갖거나 인장강도가 거의 없다.

그리고 지표로부터 수백미터 내에 있는 대부분의 암반은 역학적 거동을 하는 불연속면들을 포함하고 있어 불연속체의 거동을 하게 되므로, 인위적인 토목공사와 지반능력 변화로 인한 도로의 사면이나 터널공사 전후의 안전에 큰 영향을 미치게 되어 반드시 주의깊이 조사할 필요가 있다.

이와 같이 토목공사에서 암반에 발달한 절리 및 단층 등과 같은 불연속면은 설계에 중요한 자료로 활용될 뿐 아니라 시공시와 시공후의 안정성과도 매우 밀접한 관계를 갖고 있다. 이러한 중요성으로 인하여 암반내부에 발달하는 불연속면의 배열상태를 분석하여 설계와 시공에 반영하는 기법들이 많이 연구되어 있지만, 대다수 암반의 불연속면에 대한 방향성 측정은 수작업이나 눈대중으로 이루어지며, 현장 상황에 따라 모든 면구조에 접근이 양호하지 않은 경우가 많아서 면구조의 측정을 위하여 많은 시간을 투자하고도 실제로 활용할 만한 충분한 자료를 얻지 못하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 토목공사에서 절취사면의 시공전 또는 시공후에 경사면에 장착된 측정타깃을 레이저스캐너로 주사하여 절취사면의 전단거동 변위를 좌표 계측함에 따라 보다 용이하고 정밀하게 변위측정이 가능하여 대상 절취사면의 변위 거동에 따른 적절한 보강대책을 수립할 수 있는 레이저스캐너를 이용한 경사면의 계측 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 방법은, 레이저스캐너를 이용한 경사면 계측 방법에 있어서: 경사면에 임의의 간격으로 설치된 다수의 측정타깃을 기준타깃부터 순차적으로 스캐닝하는 단계; 상기에서 스캐닝한 영상 중 측정타깃들의 영상을 추출하여 획득하는 단계; 상기에서 추출한 측정타깃의 영상을 이용하여 각 측정타깃의 위치좌표를 계산하고 결정하는 단계; 상기에서 결정된 각 측정타깃의 위치좌표와 메모리에 미리 설정된 각 측정타깃의 최초 위치좌표를 상호 비교하는 단계; 및 상기에서 비교한 결과 위치좌표가 변경된 측정타깃이 있을 경우 변경된 좌표값을 분석하여 해당 측정타깃에 속하는 절리면의 전단거동 변위 및 지반 변위 정도를 판단하는 단계;를 수행하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 살펴보고자 한다.

도 1은 본 발명에 적용된 레이저스캐너를 이용한 경사면 계측 시스템을 도시한 것으로, 측정타깃(15)과 레이저스캐너(20) 및 컴퓨터(50)로 이루어져 있다.

상기 측정타깃(15)은 절취사면과 같은 경사면(10)에 임의의 간격으로 다수개가 설치되어 경사면(10)의 이동이나 변형을 측정하기 위한 측정기준자이고, 레이저스캐너(20)는 경사면(10)에 설치된 측정타깃(15)을 향해 소정의 각도로 회전하면서 레이저를 주사하고 측정타깃(15)을 포함한 경사면(10)에서 반사되어 돌아오는 시간차를 계산하여 측정타깃(15)의 영상을 추출하여 획득하도록 구성되어 있고, 컴퓨터(50)는 레이저스캐너(20)를 통해 획득한 측정타깃(15)의 영상을 이용하여 각 측정타깃(15)의 위치좌표를 계산한 후 메모리에 미리 설정된 각 측정타깃(15)의 최초 위치좌표를 상호 비교하여 측정타깃(15)의 변위여부를 계산 및 판단하도록 구성되어 있다.

아울러, 상기 레이저스캐너(20)는 그 하단에 스캐너(20)를 안정적으로 지지하기 위한 지지대(30)를 더 구비하고 있다.

상기 지지대(30)는 소정의 조정수단(31)을 통해 수평 또는 수직으로 소정 각도를 조정하여 고정하는 것이 가능하여, 필요에 따라 레이저스캐너(20)를 일정 각도로 조정하여 레이저스캐너(20)의 초기 위치 및 각도를 세팅시킬 수 있다.

물론, 레이저스캐너(20)의 하단에는 지지대(30)의 조정수단(31)과 별도로 수평 및 수직으로 회전하는 회전수단(29)을 구비하고 있다.

즉, 지지대(30)의 조정수단(31)은 사용자가 레이저스캐너(20)의 초기위치 및 각도를 조정하는 수동장치이나 레이저스캐너(20)의 하단에 구비된 회전수단(29)은 레이저스캐너(20)의 주사경로 및 범위를 자동으로 조정하는 자동장치이다.

예컨대, 상기 지지대(30)의 조정수단(31)은 수평으로 일정각도(예를 들면 1˚단위 또는 5˚단위 등), 수직으로 일정각도(최대 90˚)를 임의 변경 가능하도록 구성한다.

그리고, 상기 레이저스캐너(20)는 지지대(30)의 각도조정과는 별도로 수평, 수직으로 회전가능한데, 예를 들면 회전수단(29)을 통해 수평(θ1)으로 360°, 수직(θ2)으로 대략 60°정도 회전 가능하도록 구성되어 있다.

상기 레이저스캐너(20)는, 일반적으로 레이저발사장치(21)와 레이저수신장치(24)를 별도로 구성하는 방식과 상기 레이저발사장치와 레이저수신장치를 단일 유닛(25)으로 구성하는 방식으로 이루어져 있는데, 전자의 경우에는 도 2a와 같이 레이저발사장치(21)로 레이저를 측정타깃(15)이 설치된 측정대상물에 발사한 후 광전소자(24; CCD)와 같은 레이저수신장치에 맺히는 반사빔의 위치를 미러(22)와 렌즈(23)를 이용하여 삼각법으로 역산하여 대상물의 영상을 획득하는 방식이며, 후자의 경우에는 도 2b와 같이 레이저발사장치와 레이저수신장치가 단일 유닛(25)으로 구성되어 있으며, 레이저발사장치(25)로 레이저를 미러(26)를 통해 대상물에 발사한 후 레이저가 반사되어 돌아오는 시간차를 계산하여 대상물의 영상을 획득하도록 구성되어 있다. 본 발명에서는 도 2b와 같은 장치를 사용하지만 도 2a와 같은 장치도 무방하다.

아울러, 상기 대상물은 경사면(10)에 일정 간격으로 설치된 측정타깃(15)으로, 도 3의 측단면도와 같이 설치한다.

도 3과 같이 다수의 측정타깃(15)이 경사면(10)에 일정 간격으로 설치되어 있고, 상기 측정타깃(15) 중 기준점으로 작용하는 기준타깃(11)은 경사면(10)에 설치하는 것보다 경사면(10)의 이동이나 처짐 등의 위치 변동이 없는 견고한 지면에 설치하여야 한다.

상기 측정타깃(15)은 실시예에서는, 예컨대 하얀색 봉으로 제작하였다.

도면의 ㉮부분과 같이 경사면이 하향으로 처지거나 이동할 경우 해당 측정타깃은 최초 위치좌표에서 x, y, z축에 대해 소정의 좌표값만큼 변경되게 된다.

이와 같은 계측 장치 및 측정타깃을 이용하여 경사면을 계측하는 방법을 도 4의 흐름도를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 다수의 측정타깃(15) 및 기준타깃(11)을 경사면(10)에 임의로 설치한 후 레이저스캐너(20)의 수평, 수직 각도를 자동으로 조정하며 경사면(10)에 임의로 설치된 다수의 측정타깃(15)을 기준타깃(11)부터 순차적으로 모두 스캐닝한다(S1).

상기 스캐닝한 경사면(10)의 영상 중 레이저스캐너(20)는 각 측정타깃(15)에 대한 영상을 추출하여 획득하고 추출한 영상화면을 컴퓨터(50)로 출력한다(S2).

상기 컴퓨터(50)는 측정타깃(15)의 영상화면을 제공받아 기준타깃(11)부터 각 측정타깃(15)의 상대위치 좌표를 계산하여 메모리에 저장한다. 상기에서 기준타깃(11)의 x, y, z좌표는 0, 0, 0이 되지만, 각 측정타깃(15)의 x, y, z좌표는 기준타깃(11)으로부터 상대위치 좌표가 되는 것이다.

이후, 경사면(10)의 이동 또는 처짐을 계측하기 위하여 레이저스캐너(20)를 이용하여 경사면(10)에 설치된 측정타깃(15)의 위치를 스캐닝하게 되는 데, 이때 기준타깃(11)부터 순차적으로 스캐닝한다(S3).

상기 레이저스캐너(20)는 스캐닝한 경사면(10)과 측정타깃(15)의 영상 중 노이즈에 해당하는 경사면(10)의 영상은 제거하고 측정타깃(15)들의 영상만을 추출하여 획득한 후 컴퓨터(50)로 출력한다(S4).

이어, 컴퓨터(50)는 상기에서 추출한 측정타깃(15)의 영상을 이용하여 각 측정타깃(15)의 위치좌표를 계산하여 기준타깃(11)과의 상대좌표값을 얻은 후 메모리에 미리 설정된 각 측정타깃(15)의 최초 위치좌표를 상호 비교한다(S5, S6).

상기에서 비교한 결과 위치좌표가 변경된 측정타깃(15)이 있을 경우 변경된 좌표값을 분석하여 해당 측정타깃(15)에 속하는 경사면(10)의 절리면 전단거동 변위 및 지반 변위를 판단하게 된다. 상기 컴퓨터(50)는 정기적으로 측정타깃(15)의 위치좌표를 수집하고 각 측정타깃(15)의 적어도 하나 이상의 위치좌표와 메모리에 미리 설정된 각 측정타깃(15)의 최초 위치좌표를 각각 비교하여 그 변화값을 산출하도록 하는 것도 가능하다.

상기에서 판단한 결과, 경사면(10)의 변위구간이 있을 경우 컴퓨터(50)는 변위구간을 칼라로 별도 표시하여 시각효과를 제공함과 아울러 붕괴 위험도를 수치 또는 그래프로 표시하여 사용자에게 제공한다(S7).

상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만, 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명에 첨부된 청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

따라서, 본 발명에서는 토목공사에서 절취사면의 시공전 또는 시공후에 경사면에 장착한 측정타깃을 레이저스캐너로 주사하여 절취사면의 전단 거동에 대한 변위를 좌표 계측함으로써, 보다 간편하게 경사면의 변위를 측정할 수 있고, 고해상도의 레이저를 통해 작은 변위조차도 정밀하게 검출 가능하여 해당 변위면에 대한 적절한 보강공사를 신속하게 취할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 적용된 레이저스캐너를 이용한 경사면 계측 시스템을 나타낸 도면이고,

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 적용된 레이저스캐너의 각 구성을 개념적으로 도시한 도면이고,

도 3은 본 발명에 적용된 측정타깃의 설치예 및 그 측정 방식을 설명하기위해 도시한 도면이고,

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 경사면의 측정 방법을 나타낸 흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 경사면 11: 기준타깃

15: 측정타깃 20: 레이저스캐너

30: 지지대 50: 컴퓨터

Claims

레이저스캐너를 이용한 경사면 계측 방법에 있어서:

경사면에 임의의 간격으로 설치된 다수의 측정타깃을 기준타깃부터 순차적으로 스캐닝하는 단계;

상기에서 스캐닝한 영상 중 측정타깃들의 영상을 추출하여 획득하는 단계;

상기에서 추출한 측정타깃의 영상을 이용하여 각 측정타깃의 위치좌표를 계산하고 결정하는 단계;

상기에서 결정된 각 측정타깃의 위치좌표와 메모리에 미리 설정된 각 측정타깃의 최초 위치좌표를 상호 비교하는 단계; 및

상기에서 비교한 결과 위치좌표가 변경된 측정타깃이 있을 경우 변경된 좌표값을 분석하여 해당 측정타깃에 속하는 절리면의 전단거동 변위 및 지반 변위 정도를 판단하는 단계;를 수행하는 것을 특징으로 하는 레이저스캐너를 이용한 경사면의 계측 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 다수의 측정타깃 중 기준타깃은, 경사면의 이동과 하향 처짐이 없는 지면에 설치하는 것을 특징으로 하는 레이저스캐너를 이용한 경사면의 계측 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 측정타깃의 위치는, 기준타깃을 기준으로 한 x, y 및 z에 대한 상대좌표값으로 설정된 것을 특징으로 하는 레이저스캐너를 이용한 경사면의 계측 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 측정타깃의 위치를 계산할 때, 기준타킷을 기준으로 하여 각 측정타깃의 상대좌표를 계산하는 것을 특징으로 하는 레이저스캐너를 이용한 경사면의 계측 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 특정 경사면의 이동, 하향 처짐 및 절취면 방향으로의 변위 결과를 컴퓨터 화면상에 특정 칼라로 표시함과 아울러 붕괴 위험도를 수치 또는 그래프로 표시하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저스캐너를 이용한 경사면의 계측 방법.