KR20080045435A - 지하공간 계측 장치 및 계측방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하공간의 계측방법을 개시한다.

본 발명의 지하공간의 계측방법은 터널의 출입구와 그 내부 일측에 선택적으로 배치되는 것으로 위치결정 수단을 통해 산출된 기준좌표에 설치되는 토탈 스테이션과, 상기 이동대차에 탑재되는 것으로 소정 각도로 레이저를 주사하여 대상물에서 반사되는 빛을 수광하여 측량을 실시하는 레이저 스캐너 및 대상물에 대한 촬영를 실시하는 영상수단 그리고 상기 레이저 스캐너와 영상수단 및 토탈 스테이션으로부터 데이터를 인가 받아 분석 저장하는 컴퓨터로 이루어진 측량기를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성되는 지하공간 계측장치 및 이를 이용한 측정방법은 GPS와 디지털레벨 그리고 토탈 스테이션을 이용하여 정밀한 좌표를 산출함과 동시에 레이저 스캐너와 영상수단을 이용하여 구조물에 대한 정확한 시계열 적인 영상정보와 시간 변화에 따른 변형량을 측정 분석한 자료의 획득이 가능하다.

지하, 공간, 터널, 계측, 레이저 스캐너

Description

지하공간 계측 장치 및 계측방법{Precise Underground Measurement Device and Method Thereof}

도 1은 지하공간의 구조물 안전도를 제고하기 위한 흐름을 나타낸 개념도,

도 2는 본 발명에 따른 계측장치의 구성을 설명하기 위한 모식도,

도 3은 본 발명에 따른 계측장치의 계측 과정을 설명하기 위한 개념도,

도 4는 본 발명에 따른 계측장치에서 영상수단의 연계 구성을 설명하기 위한 모식도,

도 5는 도 4에 의한 3차원 영상의 구현을 설명하기 위한 블록도,

도 6은 본 발명에 따른 계측장치에서 계측 기준점의 결정방법을 설명하기 위한 개념도,

도 7은 본 발명에 따른 계측방법을 도시한 도면,

도 8 내지 도 12는 본 발명에 의한 계측 데이터를 토대로 생성된 다양한 분석결과를 나타낸 도면,

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

3 : 토탈 스테이션

5 : 위치결정 수단

10 : 측량기

11 : 이동대차

13 : 레이저 스캐너

15 : 시준 반사경

17 : 영상수단

19 : 컴퓨터

본 발명은 지하공간 계측장치 및 계측방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도로 및 철도터널·지하철·공공 지하시설 등과 같은 지하공간의 안전진단 및 유지관리를 효율적으로 수행하기 위한 지하공간 계측장치 및 계측방법에 관한 것이다.

근래 들어 지하공간이 확대됨에 따라서 그에 따른 각종 지하 구조물 및 이용 시설들의 건설이 확대되고 있으며, 지하공간의 활용성이 다양해지면서 이를 이용하는 이용자의 수가 급격히 증가하고 있는 실정이다.

이러한, 각종 지하 구조물들은 건설이 이후 시간의 흐름에 따른 노화와 시공불량으로 인한 위험을 내포하고 있으며 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 막대한 예산을 들여 정밀 안전진단 등을 실시하고 그 결과에 따라 구조물의 보수공사 또는 철거를 시행하고 있다.

한편, 종전에는 상기 지하 구조물들에 대한 유지관리 및 안정선 평가를 위하여 작업자가 시각적인 판단으로 이상 유무를 판별하거나, 또는 구조물에 대한 정적 또는 동적 하중에 따른 변형량을 측정하고 이 측정된 변형량을 정량적으로 해석하여 구조물의 안정성을 판단하고 있다.

그러나, 작업자에 의한 시각적인 판단에 따른 이상유무를 판별하는 방법은 검사결과의 표준화가 어려울 뿐만 아니라 검사결과의 신뢰성이 낮은 단점이 있으며, 변위계측기를 이용한 구조물에 대한 변형량을 측정하는 방법은 상기 구조물에 각종 센서 등을 설치해야 하므로 그에 따른 구조물의 파손과 작업공정의 불편함이 있었다.

이러한 문제점으로 인해 광범위하게 확장되고 있는 지하공간의 구조물들에 대한 체계적이고 완벽한 관리가 어렵게 되어 유지보수 및 안정성 평가면에서 비효율적일 뿐만 아니라 그에 따른 행정적·경제적 손실이 큰 문제점을 초래하였다.

즉, 지하 구조물의 안전도를 제고하기 위해서는 지하 공간을 구성하고 있는 구조물에 대한 정밀한 안전진단이 중요하며, 무엇보다도 구조물이 사용되고 있는 조건(상태)에 의하여 구조물이 어떠한 형태로 변화되고 있는가를 상시 측정하고, 측정된 자료를 데이터베이스로 축적하여 구조물의 변형특성을 분석 평가함으로써 구조물의 손상징후와 과도한 사용조건(환경) 및 구조물에 가해지는 피로의 누적 등 구조물 손상의 진전여부를 항시 감시할 수 있어야 하나, 종전의 시각적인 분석 및 변위 계측기를 이용한 분석 방법으로는 지하 구조물에 대한 극히 제한적인 자료를 수집하는 수준에 불과하여 입체적·정량적 분석에 한계가 있어 결과적으로 지하 구조물에 대한 안전성 판단에 대한 신뢰성이 크게 저하될 뿐만 아니라 적절한 유지보수의 불가능으로 인한 안전성 저하 및 경제적인 부담의 가중을 초래하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 지하공간 시설물들에 대한 신속하고 정확한 분석용 데이터의 획득을 위해 3차원 좌표를 결정하는 레이저 계측기와 토탈 스테이션 그리고 디지털레벨 및 정준기를 장착한 이동대차를 이동하면서 대상체에 대한 계측을 실시하여 지하공간의 효율적인 유지관리와 개량계획 및 설계를 위한 수치 지형자료로서의 활용성을 높일 수 있는 지하공간 계측장치 및 그 계측방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 지하공간 계측장치는, 터널의 출입구와 그 내부 일측에 선택적으로 배치되는 것으로 위치결정 수단을 통해 산출된 기준좌표에 설치되는 토탈 스테이션과, 상기 이동대차에 탑재되는 것으로 소정 각도로 레이저를 주사하여 대상물에서 반사되는 빛을 수광하여 측량을 실시하는 레이저 스캐너 및 대상물에 대한 촬영를 실시하는 영상수단 그리고 상기 레이저 스캐 너와 영상수단 및 토탈 스테이션으로부터 데이터를 인가 받아 분석 저장하는 컴퓨터로 이루어진 측량기를 포함하여 구성되는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 위치결정 수단은 GPS 수신기와 디지털 레벨이고, 상기 레이저 스캐너의 일측에는 토탈 스테이션으로부터 조사되는 빛을 반사시키는 시준 반사경이 설치되는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 이동대차는 차량, 궤도차량, 견인 이동체 중 어느 하나가 사용되는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 영상수단은 한 대 이상의 디지털 카메라로 구성되고 대상물을 90% 이상 중복하여 영상을 획득하도록 구성되는 것에 있다.

본 발명에 따른 지하공간 계측방법은, GPS 수신기와 디지털 레벨을 이용하여 계측 대상 지하공간의 출입구측에 기준좌표를 산출하고 해당 기준좌표에 토탈 스테이션을 설치하는 단계와, 상기 지하공간을 따라 이동되는 이동대차에 탑재된 측량기의 시준 반사경을 통해 토탈 스테이션에서 이동대차의 위치 좌표를 실시간 획득하는 단계와, 상기 이동대차의 주행과 동시에 그 일측에 탑재된 레이저 스캐너 및 디지털 카메라를 포함하는 영상수단을 동작시켜 2차원 및 3차원 영상을 획득하는 단계 그리고 상기 이동대차에 탑재된 컴퓨터에서 토탈 스테이션과 레이저 스캐너 및 영상수단으로부터 획득한 데이터를 인가 받아 저장 및 분석 처리하는 단계로 수행되는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 지하공간은 이동대차의 주행 위치를 안내하기 위하여 트래버스 측량을 통해 등간격으로 기준좌표가 설정되는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 분석처리 단계에서 획득한 데이터를 기 입력된 설계도와 비교하여 변형이 발생되는 부분을 계산하여 분석하는 단계를 더 포함하는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 분석처리 단계에서 획득한 데이터는 누수부분을 표시한 누수단면도와 균열부분을 표시하는 균열단면도를 포함하는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 영상 획득단계에서 상기 영상수단은 복수개의 디지털 카메라를 포함하고 이들 디지털 카메라는 대상체를 90% 이상 중복되게 영상을 획득하고, 획득된 영상은 컴퓨터를 통해 3차원 좌표를 갖는 영상으로 구현되는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 분석 처리단계에서, 시간차를 두고 반복 계측을 통해 획득된 계측결과들을 상호 비교하여 그 차이를 구하고 시간변화에 따른 변형량을 계산하여 변형량 벡터도를 생성하는 변형량 분석을 포함하는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 분석 처리단계에서, 계측된 변형량을 기초로 거리 변화량을 계산하여 선형 변형률을 구하고 이를 탄성이론에 근거하여 주응력과 주응력 방향 및 최대 전단 변형률을 계산한 결과를 생성하는 단 계를 더 포함하는 것에 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하 본 발명에 따른 지하공간 계측장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 지하공간의 구조물 안전도를 제고하기 위한 흐름을 나타낸 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 계측장치의 구성을 설명하기 위한 모식도이며, 도 3은 본 발명에 따른 계측장치의 계측 과정을 설명하기 위한 개념도이다.

그리고, 도 4는 본 발명에 따른 계측장치에서 영상수단의 연계 구성을 설명하기 위한 모식도이고, 도 5는 도 4에 의한 3차원 영상의 구현을 설명하기 위한 블록도이며, 도 6은 본 발명에 따른 계측장치에서 계측 기준점의 결정방법을 설명하기 위한 개념도이다.

끝으로, 도 7은 본 발명에 따른 계측방법을 도시한 도면이고, 도 8 내지 도 12는 본 발명에 의한 계측 데이터를 토대로 생성된 다양한 분석결과를 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 지하공간 계측장치는 터널 등과 같은 지하공간 시설물에 대한 계측 및 안정성을 분석하기 위한 것으로서, 측정 대상 지하공간의 출입구 및 그 내측에 설치되는 토탈 스테이션(3)과, 견인 또는 자가 구동에 의해 상기 터널(t)의 내부를 이동하면서 측량을 실시하는 측량기(10)를 포함하여 구성된다.

토탈 스테이션(3)은 각과 거리를 한번에 측량하여 출력할 수 있는 장비로서 상기 터널(t)의 출입구 및 그 내부에 기설정된 기준좌표를 기준으로 하여 설치된다.

한편, 상기 기준좌표는 위치결정 수단(5)을 구성하는 GPS 수신기(5b)와 디지털레벨(5b)에 의해 산출되며, 해당 기준좌표에는 표석 등이 설치될 수 있다.

이러한 구성의 토탈 스테이션(3)은 후술할 이동대차(11)에 탑재된 레이저 스캐너(13)의 위치를 정밀하게 측정하여 그 정밀 위치를 결정하는 것이다.

이러한 토탈 스테이션(3)는 공지의 기술에 의해 실시되어도 무방하므로 상세한 설명은 생략한다.

측량기(10)는 지하공간(이하 편의상 '터널'이라 칭함) 내부에서의 원활한 이동을 위한 이동대차(11)를 구비하고, 이 이동대차(11)의 일측으로 레이저 스캐 너(13)와 시준 반사경(15) 그리고 영상수단(17) 및 컴퓨터(19)가 장착되는 구성이다.

상기 이동대차(11)는 내연기관 또는 모터 등과 같은 구동원에 의해 자가 이동이 가능한 차량이나 궤도차량(철도보선차량, 철도차량 등) 또는 견인에 의해 이동되는 이동체 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 이러한 이동대차(11)는 계측을 위한 각종 장비를 탑재한 상태에서 소정 속도로 터널(t)의 내부를 주행하는 것으로 계측 장비의 계측 데이터의 획득 신뢰성을 높이기 위해서는 높은 정숙성이 요구된다. 이를 위해 일반 차량에 레이저 스캐너(13)와 시준 반사경(15) 및 영상수단(17)으로 구성되는 계측장비를 탑재하여도 무방하나 주행 진동을 최소화하도록 레일을 따라 이동되는 궤도차량이 이용되는 것이 바람직할 것이다.

상기 레이저 스캐너(13)는 3차원 스캐너라고도 칭하는 것으로 대략 320° 내·외에서 회전 가능하게 구성되는 것에 의해 방사상으로 레이저를 주사하여 면에 대한 측량을 실시하는 것으로서, 레이저를 주사하는 레이저부 및 반사되어 되돌아오는 레이저를 수광하는 수광부를 포함하는 구성이다.

즉, 상기 레이저 스캐너(13)는 계측하고자 하는 대상체에 대하여 레이저를 발사한 시간과 반사된 레이저를 재수신한 시간 차이를 측정하고 빛의 속도를 곱함으로써 거리를 계산한 후에 계측각도와 거리함수를 곱하여 3차원의 좌표를 생성한다. 이렇게 생성된 데이터는 후술할 컴퓨터(19)로 인가하며, 공지의 기술에 의해 실시되어도 무방하므로 상세한 설명은 생략한다.

상기 시준 반사경(15)은 상기 토탈 스테이션(3)으로부터 주사되는 빛을 반사시키기 위한 반사부재로서, 상기 이동대차(11)의 위치 좌표를 파악하기 위한 것이다. 이러한 시준 반사경(15)은 상기 토탈 스테이션(3)과 마찬가지로 공지의 기술에 의해 실시되는 것이므로 상세한 설명은 생략한다.

상기 영상수단(17)은 대상체에 대한 촬영을 실시하는 것으로서, 하나 이상의 디지털 카메라(17a,17b)를 포함하는 구성이다. 이들 디지털 카메라(17a,17b)는 대상체에 대하여 실시간 촬영을 실시하여 후술할 컴퓨터(19)로 촬영 데이터를 인가한다.

여기서, 상기 디지털 카메라(17a,17b)는 레이저 스캐너(13)의 좌·우측에 일정하게 정해진 간격으로 설치되는 구성이며, 계측 대상체가 중복되어 영상이 획득될 수 있도록 도 3과 같이 구성된다. 이때, 상기 한쌍의 디지털 카메라(17a,17b)는 영상이 90% 이상 중복되도록 하였으며, 이는 중복된 영상 데이터를 사진측량이론을 기초로 하여 도 4에서 보는 바와 같이 계측 대상체에 대한 3차원 영상(실체시)을 구현하기 위함이다.

한편, 3차원 영상을 구현하기 위해서 레이저 스캐너(13)로부터 계측한 대상체의 좌표를 영상에서 표준 좌표로 사용하고, 이를 이용하여 번들 조정법으로 조정을 실시하여 실체시의 상호표정과 대지표정을 실시할 수 있는 소프트웨어의 지원이 필요하다.

한편, 상기 영상수단(17)을 구성하는 복수개의 디지털 카메라(17a,17b)는 촬영 대상체에 대하여 90% 이상으로 중복되는 영상을 촬영 획득할 수 있도록 상호 소정의 각도로서 설치된다.

상기 컴퓨터(19)는 상술한 레이저 스캐너(13)와 영상수단(17) 그리고 토탈 스테이션(3)으로부터 데이터를 인가 받아 분석결과를 생성함과 동시에 관련 데이터를 저장하는 것이다.

이러한 컴퓨터(19)는 통상의 개인용 컴퓨터가 사용되어도 무방하며, 계측장비들로부터 인가받은 데이터들을 취합 분석하여 2차원 및 3차원 단면도 및 지하공간 내에 위치한 각종 시설물들의 형상과 위치도면, 균열단면도, 누수상태를 분석한 도면, 반복 계측을 통한 안정성 평가 파라미터(변동벡터도, 주응력, 최대전단 변형률 등) 및 지하공간의 세부적인 공간정보 데이터베이스 등의 결과물을 생성할 수 있다. 즉, 상기 3차원의 실물 형태를 컴퓨터 그랙픽(Computer Graphics) 기술로써 구현된 결과물은 계측 대상물 즉, 지하공간 구조물에 대한 관리 및 안전성에 관련한 각종 의사결정을 지원할 수 있는 데이터로서의 활용이 가능할 것이다.

또한, 상기 컴퓨터(19)는 레이저 스캐너(13)를 이용한 계측 데이터와 영상수단(17)을 이용한 영상 데이터를 취합할 수 있도록 시각 동기화(Time Synchronization)를 위한 타이밍보드(Timing Board)가 부가 장착되는 구성이며, 이러한 타이밍보드에 의해 동시각 계측결과를 획득할 수 있도록 하였으며, 획득된 자 료를 처리하기 위해서는 레이저 스캐너(13)의 스케닝 데이터 처리용 소프트웨어와 영상수단(17)의 영상처리 소프트웨어의 지원을 필요로 한다.

한편, 상기 컴퓨터(19)는 상기 토탈 스테이션(3)에서 획득한 데이터를 인가받도록 근거리 무선통신 또는 CDMA 무선통신으로 연계되는 구성이며, 이를 위해 상기 컴퓨터(19)와 토탈 스테이션(3)은 공지의 RF 및 CDMA 등의 무선 송수신 모듈이 일체로 구성되는 구조이다.

이상과 같이 구성되는 지하공간 계측장치는 도로 터널이나 철도 터널 등과 같은 지하공간에 측량기(10)를 투입하여 지하공간과 지하공간내의 다양한 시설물들에 대한 측량을 실시하고, 각 계측 장비에서 획득한 데이터를 컴퓨터(19)에서 인가 받아 지하공간의 변형 파라미터(변동벡터, 주응력 성분, 최대전단 변형률 등)을 계산하여 지하공간의 안정성에 관련한 결과를 생성한다.

본 발명에 따른 지하공간 계측방법을 설명하면 다음과 같다.

단계 1. 계측을 실시하고자 하는 지하공간상의 출입구 부근에 GPS 수신기(5a)와 정밀 디지털레벨(5b)을 이용하여 기준좌표(p1)를 산출한다. 즉, 기준좌표(p1)는 2대의 GPS 수신기(5a)로 평면 직각 좌표를 결정하고, 표고는 주변의 1, 2등 수준점에서 측량을 실시하여 결정한다. 이때 상기 표고의 계산은 GPS 레빌링 방법에 의하며, GPS로서 측정된 타원체고(h)에서 정밀 지오이드고(N)을 빼어 정표고(H)를 H=h-N와 같이 계산한다.

여기서, 상기 정밀지오이드고(N)은 본 발명을 위하여 중력 데이터로부터 모델링한 KGEOID05로부터 계산하여 사용한다. 평면직각 좌표를 결정하기 위한 GPS측량방법은 도 5에 나타내 보인 바와 같이, 계측하고자 하는 지하공간 주변의 삼각점이나 특별히 설치한 기준좌표에 1대의 수신기를 설치하고, 지하공간 진출입구에 각각 1대씩 설치하여 1시간 이상, 30초 간격으로 위성으로부터 신호를 수신하여 기선해석과 정밀계측망 조정을 실시하여 경위도 좌표를 계산한 후에 가우스크뤼거 투영식을 사용하여 평면직각좌표(x,y)를 결정한다. GPS위성으로부터 수신된 신호 데이터의 품질을 평가하기 위하여 개발한 품질관리용 소프트웨어인 GPS_QC를 사용하여 데이터의 품질을 분석하여, 싸이클 슬립이나, 다중 경로오차, 기상오차 등으로 인한 오차의 영향을 판단한 후에 품질기준 80% 이상인 경우에만 데이터처리를 실시하고, 80%이하인 경우에는 재 측정을 실시한다.

단계 2. 지하공간의 출입구에 설치한 기준좌표(p1)에 토탈 스테이션(3)을 설치하고 지하공간내의 시준이 가능한 임의의 지점을 결정하고 측량을 실시하여 3차원 좌표(평면좌표 및 표고)를 결정한다.

이때에 3차원의 측정 정밀도는 1 mm 이내로 결정하여야 하므로 건구온도와 습구온도를 측정하여 온도 보정량을 계산하며, 또한 기압을 측정하여 기압 보정량을 계산하여 보정하고, 상기 토탈 스테이션(3)의 측정 정밀도는 측각 0.5초, 거리 1mm± 1ppm이상의 사양을 가진 장비를 사용하는 것이 바람직하다.

단계 3. 지하공간 내에 도 2에 표시한 것과 같은 측량기(10)를 설치하고, 상기 단계에서 결정한 지하공간내의 임의의 지점에 토탈 스테이션(3)을 설치하여 이동대차(11)의 상측에 설치된 시준 반사경(15)을 시준하여 각과 거리를 측정한 후에 측량기(10)의 정밀한 위치 좌표를 결정한다.

이때 건구온도와 습구온도 및 기압을 측정하여 보정량을 계산하여 보정한 후에 최종 좌표를 결정하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 측량기(10)의 계측방향을 결정하기 위하여 임의 위치에 표적판을 설치하고, 동시에 토탈 스테이션(3)으로써 방향각을 측정하는 것에 의해 가능하며, 이는 통상의 측량방법에 속하므로 상세한 설명은 생략한다.

단계 4. 측량기(10)의 전력을 켜고 상기 레이저 스캐너(13)의 정준이 정확하지를 확인한 후에 측량기(10)의 주행 방향에 대한 전방의 모든 시설물에 대한 레이저를 주사하여 스캐닝을 실시한다.

이때 상기 레이저 스캐너(13)의 스캐닝 간격 및 범위 등은 현장의 상황, 요구하는 정밀도, 시설물의 상태 등을 충분히 고려하여 적절히 결정될 수 있을 것이다.

단계 5. 상기 단계 4에 이어서 레이저 스캐너(13)를 이용한 스캐닝 획득 데이터는 컴퓨터(19)로 인가되어 저장된다. 저장이 완료되면 측량기(10)를 주행방향으로 20~50m 가량 전진 이동시킨다. 여기서, 상기 토탈 스테이션(3)을 이용하여 측 량기(10)의 위치를 결정한다. 즉, 단계 2에서와 마찬가지로 건구 온도와 습구 온도 및 기압을 측정한 후에 보정량을 계산하고 측량기(10)의 위치를 결정한다.

단계 6. 단계 3에서 단계 5까지의 과정을 반복하여 지하공간의 레이져 스캐닝을 실시하며, 일정한 거리(보통 100m이내)가 지나면 상기 단계 3에서 설치한 토탈 스테이션(3)에서 임의의 기준좌표를 진행방향의 시준 상태가 양호한 위치에 설치하고 표적판을 이동 설치한다. 이때 위치결정을 위한 온도, 기압 등의 측정과 보정량 계산을 실시한다.

단계 7. 단계 3~ 단계 6의 과정을 반복하여 계측하고자 하는 전체 지하공간을 계측하고, 계측의 종점에 이르면 지하공간의 출구에 GPS관측에 의하여 사전에 결정되어 있는 기준좌표(p3)에 폐합을 시키다.

상기 레이저 스캐너(13)로 계측한 결과는 각과 거리이므로 계측 대상체의 임의점 Pi의 3차원 좌표를 구면좌표계상의 각 αi, βi 및 거리 di를 측정하게 된다.

따라서,

로 표시된다.

측정결과를 폐합하여 측량오차를 점검하고, 오차가 허용범위내에 들면 계측망 조정을 실시하여 오차를 조정하여야 하며, 이때 오차가 허용범위내에 들지 않는 경우가 발생하면 재 계측을 실시하여야 한다. 오차가 허용범위내에 들어오는 경우에는 계측망 조정을 실시하되, 사전에 통계적인 검정(Testing)을 실시하여 과대오차를 제거하여야 하므로 Global 검정과 τ-검정을 실시하고, 검정결과에 따라서 과 대오차가 발생한 경우에 이를 제거하는 것이 바람직하다.

단계 8. 계측이 완료된 후에 컴퓨터(19)내에 저장된 계측 데이터를 도 7에 표시한 측정 및 데이터 처리과정을 통하여 요구하는 자료인 도 8에 표시한 바와 같은 2차원 단면 및 도 9에 표시한 3차원 단면, 도 10에 도시한 것과 같은 균열단면도, 도 11에 표시한 바와 같은 누수상태 단면도 및 지하공간내에 위치한 각종 시설물들의 위치좌표와 속성좌표들을 획득한다. 이와 같이 획득된 자료들을 데이터베이스화하여 지하공간의 2차원 및 3차원 시설물 배치도를 작성한다.

단계 9. 일정기간이 지난 후에 1차 계측에서 설치한 기준좌표(p1)를 이용하여 2차 계측작업을 실시한다. 2차 계측작업은 단계 2~단계 8 까지의 과정과 동일하게 적용하도록 하여야 하며, 단계 8의 과정을 지속적으로 반복하여 시계열 자료를 확보하게 되면 보다 효과적으로 지하공간의 특성을 분석할 수 있다.

단계 10. 반복계측자료가 획득된 후에는 동일한 위치에 계측자료간의 차이를 계산하여 변동벡터를 계산하고, 도 12에 표시한 바와 같은 변형단면도를 작성하여 시설물의 위치변화가 발생하였는지를 분석한다. 변동벡터가 발생한 경우에는 그 크기를 고려하여 허용값 이상의 변동벡터가 발생한 경우에는 안정성 평가 파라미터인 주응력과 방향, 및 최대전단 변형률을 계산한다.

계측결과를 사용한 변형분석방법은 2가지 방법을 사용하며, 그 첫 번째 방법 은 이상적인 지하공간 모델 (설계단면)과 반복 계측한 계측데이터를 비교하는 방법으로 현장 계측한 데이터를 이상적인 모델에 적합화시켜 계산된 잔차들을 분석한다. 이러한 분석은 다음과 같은 단계를 거쳐 실시된다.

(가) 반복 계측한 계측 데이터 (구면좌표: 각αi, βi 및 거리 di )를 적합한 3차원 직각좌표계 (x,y,z)로 변환한다. 이 때에 모든 변형은 계측거리상의 선형 변위량으로 표시된다.

(나) 반복 계측 데이터로부터 획득한 데이터를 정규격자형 구조로 보간한다. 보간된 격자상의 선형 변위량을 최소제곱콜로케이션 (Least Squares Collocation)방법으로 추정한다.

(라) 반복 계측한 데이터가 격자점에서 거리의 차이가 격자화된 점들에서의 전파된 정확도와 관련이 있는지 여부를 검정한다.

상기와 같은 지하공간 계측방법을 요약 설명하면 다음과 같다.

먼저, GPS 수신기(5a)와 디지털레벨(5b)을 이용하여 계측 대상 지하공간의 출입구측에 기준좌표(p1)를 산출하고 해당 기준좌표(p1)에 토탈 스테이션(3)을 설치한다.

이어서, 상기 지하공간을 따라 이동되는 이동대차(11)에 탑재된 측량기(10)의 시준 반사경(15)을 통해 토탈 스테이션(3)에서 이동대차(11)의 위치 좌표를 실시간 획득하고 획득된 좌표 데이터를 상기 측량기(10)를 구성하는 컴퓨터(19)로 인가한다.

그리고, 상기 이동대차(11)의 주행과 동시에 일측에 탑재된 레이저 스캐너(13) 및 영상수단(17)을 동작시켜 2차원 및 3차원 영상을 획득한다.

끝으로, 상기 이동대차(11)에 탑재된 컴퓨터(19)에서 토탈 스테이션(3)과 레이저 스캐너(13) 및 영상수단(17)으로부터 획득한 데이터를 인가받아 저장 및 분석 처리한다.

한편, 상기 지하공간 즉, 터널(t)의 내부에는 이동대차(11)의 정확한 주행 위치를 안내하기 위하여 공지의 트래버스 측량을 통해 기준좌표(p2)가 설정될 수 있으며, 이러한 기준좌표(p2)는 등간격으로 설정될 수 있을 것이다.

또한, 상기 분석처리 단계에서 획득한 데이터를 기 입력된 설계도와 비교하여 변형이 발생되는 부분을 계산이 가능할 것이며, 이외에도 획득한 데이터는 누수부분을 표시한 누수단면도와 균열부분을 표시하는 균열단면도의 생성이 가능하다.

아울러 상기 영상 획득단계에서 상기 영상수단(17)은 복수개의 디지털 카메라(17a,17b)로 구성되는 것에 의해 대상체를 90% 이상 중복되게 한 영상 획득이 가능하고, 획득된 중복 영상은 컴퓨터(19)를 통해 3차원 좌표를 갖는 영상으로 구현이 가능하다.

이와 같은 수행단계를 거치는 지하공간 계측방법은 몇 개월 또는 몇 년의 시간차를 두고 반복 계측을 통해 획득된 계측결과들을 상호 비교하여 그 차이를 구하고 시간변화에 따른 변형량을 계산하여 변형량 벡터도를 생성한다. 이를 통해 즉, 계측된 변형량을 기초로 거리 변화량을 계산하여 선형 변형률을 구하고 이를 탄성이론에 근거하여 주응력과 주응력 방향 및 최대 전단 변형률을 계산하여 안정성을 분석한다.

한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 지하공간 계측장치 및 이를 이용한 측정방법은 GPS와 디지털레벨 그리고 토탈 스테이션을 이용하여 정밀한 좌표를 산출함과 동시에 레이저 스캐너와 영상수단을 이용하여 구조물에 대한 정확한 시계열 적인 영상정보와 시간 변화에 따른 변형량을 측정 분석한 자료의 획득이 가능하다.

따라서, 상기 분석자료를 기초로 안전성을 평가하므로 분석결과에 대한 신뢰성을 대폭적으로 높일 수 있을 뿐만 아니라 지하공간 구조물에 대한 관리 및 안전성에 관한 각종 의사결정을 지원할 수 있는 데이터로서의 활용성을 높일 수 있는 산업상 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims (11)

1. 터널의 출입구와 그 내부 일측에 선택적으로 배치되는 것으로 위치결정 수단을 통해 산출된 기준좌표에 설치되는 토탈 스테이션과;

   상기 이동대차에 탑재되는 것으로 소정 각도로 레이저를 주사하여 대상물에서 반사되는 빛을 수광하여 측량을 실시하는 레이저 스캐너 및 대상물에 대한 촬영을 실시하는 영상수단 그리고 상기 레이저 스캐너와 영상수단 및 토탈 스테이션으로부터 데이터를 인가 받아 분석 저장하는 컴퓨터로 이루어진 측량기;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지하공간 계측장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 위치결정 수단은 GPS 수신기와 디지털 레벨이고, 상기 레이저 스캐너의 일측에는 토탈 스테이션으로부터 조사되는 빛을 반사시키는 시준 반사경이 설치되는 것을 특징으로 하는 지하공간 계측장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 이동대차는 차량, 궤도차량, 견인 이동체 중 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 지하공간 계측장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 영상수단은 한 대 이상의 디지털 카메라로 구성되고 대상물을 90% 이상 중복하여 영상을 획득하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지하공간 계측장치.
5. GPS 수신기와 디지털 레벨을 이용하여 계측 대상 지하공간의 출입구측에 기준좌표를 산출하고 해당 기준좌표에 토탈 스테이션을 설치하는 단계;

   상기 지하공간을 따라 이동되는 이동대차에 탑재된 측량기의 시준 반사경을 통해 토탈 스테이션에서 이동대차의 위치 좌표를 실시간 획득하는 단계;

   상기 이동대차의 주행과 동시에 그 일측에 탑재된 레이저 스캐너 및 디지털 카메라를 포함하는 영상수단을 동작시켜 2차원 및 3차원 영상을 획득하는 단계;

   상기 이동대차에 탑재된 컴퓨터에서 토탈 스테이션과 레이저 스캐너 및 영상수단으로부터 획득한 데이터를 인가 받아 저장 및 분석 처리하는 단계;

   로 수행되는 것을 특징으로 하는 지하공간 계측방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 지하공간은 상기 이동대차의 주행 위치를 안내하기 위하여 트래버스 측량을 통해 등 간격으로 기준좌표가 설정되는 것을 특징으로 하는 지하공간 계측방법.
7. 제 5항에 있어서, 상기 분석처리 단계에서 획득한 데이터를 기 입력된 설계도와 비교하여 변형이 발생되는 부분을 계산하여 분석하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하공간 계측방법.
8. 제 5항에 있어서, 상기 분석처리 단계에서 획득한 데이터는 누수부분을 표시 한 누수단면도와 균열부분을 표시하는 균열단면도를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하공간 계측장치.
9. 제 5항에 있어서, 상기 영상 획득단계에서 상기 영상수단은 복수개의 디지털 카메라를 포함하고 이들 디지털 카메라는 대상체를 90% 이상 중복되게 영상을 획득하고, 획득된 영상은 컴퓨터를 통해 3차원 좌표를 갖는 영상으로 구현되는 것을 특징으로 하는 지하공간 계측방법.
10. 제 5항에 있어서, 상기 분석 처리단계에서, 시간차를 두고 반복 계측을 통해 획득된 계측결과들을 상호 비교하여 그 차이를 구하고 시간변화에 따른 변형량을 계산하여 변형량 벡터도를 생성하는 변형량 분석을 포함하는 것을 특징으로 하는 지하공간 계측방법.
11. 제 5항 또는 제 10항에 있어서, 상기 분석 처리단계에서, 계측된 변형량을 기초로 거리 변화량을 계산하여 선형 변형률을 구하고 이를 탄성이론에 근거하여 주응력과 주응력 방향 및 최대 전단 변형률을 계산한 결과를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하공간 계측방법.

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