KR20130068224A - 지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링장치 및 방법 - Google Patents

지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래의 사면지형 붕괴 예측 시스템 중 항공라이다 측량이 비용이 비싸고, 사면지형 전체에 대한 정밀한 데이터 제공이 어렵고, 무엇보다 날씨의 영향을 많이 받기 때문에 주기적인 사면지형변위 데이터를 제공할 수가 없는 문제점과, 사면지형에 설치된 SAR 능동센서와 제어장치의 연결이 끊어지고, 제어장치의 고장으로 인하여 감시 시스템 전체가 무용지물이 되는 문제점을 개선하고자, 지상라이다부, 무타켓토탈스테이션부, 사면지형 변위 제어모듈이 구성됨으로서, 환경의 영향을 적게 받으면서 특정 위치가 아닌 사면지형 전체의 형상을 획득할 수 있고, 항공라이다보다 더 조밀하고 정밀한 3차원 좌표를 생성할 수 있으며, 사용자단말기로 사면지형변위데이터를 1:1로 실시간 전송시켜 줌으로서, 사면지형의 안전상태를 인근 주거지의 주민과 인근 도로를 주행하는 또는 주행할 운전자에게 신속하고 정확하게 경고할 수 있는 지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링장치 및 방법{THE APPARATUS AND METHOD OF MONITORING WITH TERRESTRIAL LIDAR AND REFLECTLESS TOTALSTATION}
본 발명은 지상라이다부, 무타켓토탈스테이션부, 사면지형 변위 제어모듈을 통해 사면지형의 변위상태를 정밀하게 측정해서 사용자단말기로 사면지형변위데이터를 1:1로 실시간 전송시켜 줌으로서, 사면지형의 안전상태를 인근 주거지의 주민과 인근 도로를 주행하는 또는 주행할 운전자에게 신속하고 정확하게 경고할 수 있는 지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링장치 및 방법에 관한 것이다.
우리나라는 평지보다 산지가 많으므로, 산기슭에 인접한 주거지와 도로가 많다. 특히, 근래에는 주거지와 도로를 넓히기 위해 산을 깎아 만든 절토 사면을 흔하게 볼 수 있다.
이러한 절토 사면 또는 통상의 사면은 매우 가파른 경사를 이루고 있으므로 사태를 일으키기 싶다. 때문에, 주거지 또는 도로와 인접한 사면에는 대부분 철망이나 옹벽 등 기타 안전설비가 설치되어 있다.
그러나, 장마철과 같이 다량의 강우가 쏟아지는 시기에는 사면의 지형이 강우에 의해 변형되고 사면에 설치된 안전설비의 지지력이 약해지므로, 사면이 붕괴될 가능성이 매우 높다.
종래에는 3차원 정보를 획득할 수 있는 항공라이다 측량과, 기후에 관계없이 자료획득이 가능한 SAR 능동센서를 이용하여 광역적인 사면지형의 변위를 감지할 수 있는 시스템이 개발되고 있다.
그러나, 상기 항공라이다 측량은 비용이 비싸고, 사면지형 전체에 대한 정밀한 데이터 제공이 어렵고, 무엇보다 날씨의 영향을 많이 받기 때문에 주기적인 사면지형변위 데이터를 제공할 수가 없었다.
또한, 사면지형 일측에 복수개의 SAR 능동센서가 설치되어 구성되지만, 사면의 붕괴상태에 따라 SAR 능동센서와 제어장치의 연결이 끊어지는 문제점과 제어장치의 고장으로 인하여 감시 시스템 전체가 무용지물이 되는 문제점이 있었다.
그리고, 영상을 기반으로 한 사진측량은 CCD 사진기를 이용하여 트정부위의 사면부위를 관측하는 것으로 높은 정밀도로 변위를 계측할 수 있으나, 대기의 조건, 비, 먼지, 명암도 등의 환경인자에 영향을 많이 받을 수 있고, 작업시간이 많이 걸리는 문제점이 있었다.
국내등록특허공보 제10-0869571호(2008년11월21일 공고)
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 환경의 영향을 적게 받으면서 특정 위치가 아닌 사면지형 전체의 형상을 획득할 수 있고, 항공라이다보다 더 조밀하고 정밀한 3차원 좌표를 생성할 수 있으며, 사용자단말기로 사면지형변위데이터를 1:1로 실시간 전송시켜 줌으로서, 사면지형의 안전상태를 인근 주거지의 주민과 인근 도로를 주행하는 또는 주행할 운전자에게 신속하고 정확하게 경고할 수 있는 지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링장치는
사면지형물과 50m~200m 이격된 거리에 위치되어, 사면지형물쪽으로 근적외선 또는 가시광선 파장대의 레이저를 송신시키고, 사면지형물에서 반사되어 돌아오는 레이저를 수신하여 거리를 측정하고, 거리측정과 동시에 사면지형물과 이루는 레이저 빔의 수평, 수직각을 측정하여 3차원 상대좌표와 3차원 원시데이터를 생성시킨 후, 생성된 3차원 상대좌표와 3차원 원시데이터를 사면지형 변위제어부로 전달시키는 지상라이다부(LiDAR:Light Detection And Range)와,
지상라이다부 일측에 위치되어, 사면지형물에 대한 거리측정값과, 사면지형물에 대한 각도값을 이용해 물리적 벡터를 계산하고, 그 계산된 물리적 벡터와 수신기로부터 전송된 지구 좌표계(경도, 위도 및 높이)와의 벡터를 이용하여 측정점을 3차원 절대좌표를 생성시킨 후, 생성된 3차원 절대좌표를 사면지형 변위제어부로 전달시키는 무타겟토탈스테이션부(Reflectless Totalstation)와,
지상라이다부, 무타겟토탈스테이션부와 연결되어 취득된 지상라이다부의 3차원 상대좌표를 무타겟토탈스테이션부로부터 전달된 3차원 절대좌표를 참조하여, 3차원 절대좌표로 변환시킨 후, DSM, 필터링, DEM, 공간그리드분석을 거쳐 사면지형의 변위량을 연산시킨 후, 연산된 사면지형 변위량 데이터를 무선인터넷망을 통해 원격지의 사용자단말기 모니터상에 디스플레이시키도록 제어하는 사면지형 변위 제어모듈로 구성됨으로서 달성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 저비용으로 단시간에 사면지형에 대한 고정밀 3차원 좌표를 생성할 수 있으며, 다른 장치에 비해 사용자단말기로 사면지형변위데이터를 1:1로 실시간 전송시켜 줌으로서, 사면지형의 안전상태를 인근 주거지의 주민과 인근 도로를 주행하는 또는 주행할 운전자에게 신속하고 정확하게 경고할 수 있어 사면붕괴사고율을 30%로 낮출 수 있는 좋은 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링장치의 구성요소를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 무타켓토탈스테이션부(200)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 사면지형 변위 제어모듈(300)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 4는 본 발명에 따른 좌표변환부를 통해 3차원 절대좌표변환을 위해, 15개의 표정점을 배치시키는 것을 도시한 일실시예도,
도 5는 본 발명에 따른 지상라이다부에서 구한 변환된 표정점 3차원 상대좌표와 무타겟토탈스테이션에서 획득된 표정점 3차원 절대좌표사이의 오차계산방식(RMSE : Root Mean Square Error)을 도시한 일실시예도,
도 6은 본 발명에 따른 필터링부를 통해 평활화 영역내에 존재하는 3차원 원시데이터(=점군데이터)에 대하여 잔차가 최소가 되도록 곡면(=평활화 면)을 설정하고, 그 설정된 곡면에 높이 방향의 허용값을 설정하여 식생의 영향으로 생각되는 점 데이터를 제거한 것을 도시한 일실시예도,
도 7은 본 발명에 따른 DSM부를 통해 변환된 3차원 그리드모형을 도시한 일실시예도,
도 8은 본 발명에 따른 필터링부를 통해 3차원 원시데이터의 포인트 클라우드(점군) 데이터에 포함되어 있는 식생, 수목, 구조물을 제거하기 전의 모습과 제거한 후의 모습을 도시한 일실시예도,
도 9는 본 발명에 따른 DEM(Digital Elevation Model)부를 통해 생성된 변환전과 변환후 사면지형물의 3차원 그리드 모형을 도시한 일실시예도,
도 10은 본 발명에 따른 공간그리드 연산제어부를 통한 셀 기반의 산술연산과정을 도시한 일실시예도,
도 11은 본 발명에 따른 지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링방법을 도시한 순서도.
본 발명에 따른 지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링장치는 사면지형의 표고, 면적, 체적, 경사, 경사방향 등 지형 기본에 관련된 정보를 주기적으로 획득하여 관찰함으로서 발생된 사면지형 변위량 데이터인 변위량 빈도 분포도데이터 및 횡단면도데이터를 신속 정확하게 사용자 단말기쪽으로 모니터링시키는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링장치의 구성요소를 도시한 구성도에 관한 것으로, 이는 지상라이다부(100), 무타켓토탈스테이션부(200), 사면지형 변위 제어모듈(300)로 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 지상라이다부(LiDAR:Light Detection And Range)(100)에 관해 설명한다.
상기 지상라이다부(LiDAR:Light Detection And Range)(100)는 사면지형물과 50m~200m 이격된 거리에 위치되어, 사면지형물쪽으로 근적외선 또는 가시광선 파장대의 레이저를 송신시키고, 사면지형물에서 반사되어 돌아오는 레이저를 수신하여 거리를 측정하고, 거리측정과 동시에 사면지형물과 이루는 레이저 빔의 수평, 수직각을 측정하여 3차원 상대좌표와 3차원 원시데이터를 생성시킨 후, 생성된 3차원 상대좌표와 3차원 원시데이터를 사면지형 변위제어부로 전달시키는 역할을 한다.
이는 스캔거리가 최대 300m, 최소 1m이며, 스캔범위가 수평360°이고, 수직270°이며, 측정정확도가 좌표 6mm이고, 거리4mm이고, 지형모델링정확도가 2mm이며, 데이터취득속도가 50,000point/sec 이상이고, 분해력이 1"이며, 타겟 취득이 2mm이고, 스팟 사이즈가 4mm인 특성을 가진다.
본 발명에 따른 지상라이다부(100)는 제1몸체부(110), 디지털 카메라부(120), 레이저 송·수신기(130), LCD 패널부(140), 지지대(150), 제1 네트워크 케이블(160)로 구성된다.
상기 제1몸체부(110)는 사각박스형상으로 이루어져 각 기기를 지지하고, 외압으로부터 각 기기를 보호하는 역할을 한다.
이는 사면지형물을 바라보는 전면 일측에 디지털 카메라부가 형성되고, 디지털 카메라부 일측에 레이저 송·수신기가 형성되며, 레이저 송·수신기 일측에 LCD 패널부이 형성되고, 하단 일측에 지지대가 형성되며, 후단 일측에 제1 네트워크 케이블이 형성된다.
상기 디지털 카메라부(120)는 사면지형물을 바라보는 제1몸체부의 전면 일측에 위치되어, 사면지형물을 촬영해서 3차원 원시데이터를 생성시키는 역할을 한다.
여기서, 3차원 원시데이터는 X,Y,Z의 포인트정보와 컬러이미지 등 사면지형의 3차원 정보를 담고 있는 데이터이다.
상기 레이저 송·수신기(130)는 디지털 카메라부 일측에 위치되어, 사면지형물쪽으로 근적외선 또는 가시광선 파장대의 레이저를 송신시키고, 사면지형물에서 반사되어 돌아오는 레이저를 수신하는 역할을 한다.
이는 레이저를 사면지형물쪽에 발사한 후, 레이저가 반사되어 돌아오는 시간차를 계산하여 위치를 결정하는 시간차방식으로 구성된다.
즉, 다음의 수학식 1과 같은 시간차 방식으로 이용하여 위치를 결정한다.
Figure pat00001
여기서, c는 빛의 속도이고, △t는 시간차이며, D는 스캐너와 대상물과의 거리이고, X,Y,Z는 사면지형물좌표이며, α는 수평각이고, β는 수직각을 나타낸다.
상기 LCD 패널부(140)는 레이저 송·수신기 일측에 위치되어, 디지털 카메라부로부터 촬영된 사면지형물에 대한 3차원 원시데이터와, 레이저 송·수신기로부터 측정된 3차원 상대좌표를 LCD 창에 출력시키는 역할을 한다.
상기 지지대(150)는 제1몸체부의 하단에 위치되어, 몸체부의 좌우 수평도를 팬(Fans)과 틸트(Tilt)를 하면서 안정하게 유지시키는 역할을 한다.
상기 제1 네트워크 케이블(160)은 일측이 제1몸체부 후단 일측에 형성된 USB 포트 및 RS-232통신케이블 접속포트와 연결되고, 타측이 사면지형 변위 제어모듈의 제1입력포트와 연결되어 측정된 3차원 상대좌표데이터와 3차원 원시데이터를 사면지형 변위 제어모듈로 전송시키는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 무타겟토탈스테이션부(Reflectless Totalstation)(200)에 관해 설명한다.
상기 무타겟토탈스테이션부(Reflectless Totalstation)(200)는 지상라이다부 일측에 위치되어, 사면지형물에 대한 거리측정값과, 사면지형물에 대한 각도값을 이용해 물리적 벡터를 계산하고, 그 계산된 물리적 벡터와 수신기로부터 전송된 지구 좌표계(경도, 위도 및 높이)와의 벡터를 이용하여 측정점을 3차원 절대좌표를 생성시킨 후, 생성된 3차원 절대좌표를 사면지형 변위제어부로 전달시키는 역할을 한다.
이는 제2몸체부(210), 무타겟측정부(220), 3차원 절대좌표값산출부(230), 제2 네트워크 케이블(240)로 구성된다.
상기 제2몸체부(210)는 사각박스형상으로 이루어져 각 기기를 지지하고, 외압으로부터 각 기기를 보호하는 역할을 한다.
이는 사면지형물을 바라보는 전면 중앙 일측에 무타겟측정부가 형성되고, 내부에 3차원 절대좌표값산출부가 형성되며, 후단 일측에 제2 네트워크 케이블이 형성되고, 하단 일측에 지지대가 형성된다.
상기 무타겟측정부(220)는 제2몸체부의 전면 중앙 일측에 위치되어, 기능키 버튼에 의해 설정된 무타켓(Non Prism)모드로 구동되어 사면지형물에 대한 거리와, 사면지형물에 대한 각도를 측정하는 역할을 한다.
이는 시간정보를 정확하게 측정하여 거리를 계산하는 TOF(Time-Of-Flight)기법으로 이루어진다.
즉, 내부에 형성된 망원경을 통하여 사면지형물로 전송되는 적외선 또는 광펄스가 생성되고, 이때의 펄스는 사면지형물로 반사되어 각 광펄스의 왕복시간이 전자적으로 결정되는 기계로 돌아오게 된다.
매질을 통한 빛의 속도가 정확하게 측정되기 때문에 왕복시간을 측정하여 기계와 사면지형물 간이 거리를 계산할 수가 있다.
각 펄스는 직접적인 거리관측으로서 측정이 이루어지는 동안 초단위로 수천, 수만개의 펄스가 보내어져서 비교적 빠르게 양호한 결과의 값을 취득할 수가 있다.
본 발명에 따른 무타겟측정부는 매초 20000개의 펄스화된 레이저측정이 이루어져서, 정확한 거리측정값으로 산정되도록 구성된다.
상기 3차원 절대좌표값산출부(230)는 제2몸체부 내부에 위치되어, 보정된 고도각과 수평각 그리고 수평거리{무타겟토탈스테이션에서 측정점까지의 거리로 수평면(X-Y평면)에 투영된 거리} 측정점의 3차원 절대좌표(X,Y,Z)을 산출하는 역할을 한다.
상기 제2 네트워크 케이블(240)은 일측이 제2몸체부 후단 일측에 형성된 USB 포트 및 RS-232통신케이블 접속포트와 연결되고, 타측이 사면지형 변위 제어모듈의 제2입력포트와 연결되어 측정된 3차원 절대좌표데이터를 사면지형 변위 제어모듈로 전송시키는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 사면지형 변위 제어모듈(300)에 관해 설명한다.
상기 사면지형 변위 제어모듈(300)은 지상라이다부, 무타겟토탈스테이션부와 연결되어 취득된 지상라이다부의 3차원 상대좌표를 무타겟토탈스테이션부로부터 전달된 3차원 절대좌표를 참조하여, 3차원 절대좌표로 변환시킨 후, DSM, 필터링, DEM, 공간그리드분석을 거쳐 사면지형의 변위량을 연산시킨 후, 연산된 사면지형 변위량 데이터를 무선인터넷망을 통해 원격지의 사용자단말기 모니터상에 디스플레이시키도록 제어하는 역할을 한다.
상기 사면지형 변위 제어모듈(300)는 사면지형 변위량 데이터를 관측시기별로 변위를 산출하고, 사면의 평균변위는 1차 관측데이터를 기준으로 10차까지 관측된 데이터를 이용하여 산출된다.
이는 좌표변환부(310), DSM(Digital Surface Model)부(320), 필터링부(330), DEM(Digital Elevation Model)부(340), 공간그리드 연산제어부(350), 사면지형 변위량 데이터전송부(360)로 구성된다.
상기 좌표변환부(310)는 지상라이다부로부터 입력된 3차원 상대좌표를 무타겟토탈스테이션부로부터 전달된 3차원 절대좌표를 참조하여, 3차원 절대좌표로 변환시키는 역할을 한다.
즉, 지상라이다부를 통해 획득된 3차원 상대좌표는 지상라이다부를 원점으로 하는 상대좌표이기 때문에 무타겟토탈스테이션에서 획득된 사면지형물의 표정점의 절대좌표를 참조하여 해당지점의 상대좌표를 절대좌표로 변환시키도록 구성된다.
도 5는 본 발명에 따른 지상라이다부에서 구한 변환된 표정점 3차원 상대좌표와 무타겟토탈스테이션에서 획득된 표정점 3차원 절대좌표사이의 오차계산방식(RMSE : Root Mean Square Error)을 도시한 일실시예도에 관한 것으로, 이는 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure pat00002
상기 DSM(Digital Surface Model)부(320)는 사면지형물의 연속적인 기복변화를 수치적으로 모형화한 수치표면모형을 3차원 그리드모형으로 변환시키는 역할을 한다.
이는 사면지형물 내에서 추출한 임의의 3차원 좌표로 처리되며, 지형기복의 변화에 대하여 기하학적 관계를 격자형으로 구조화시키도록 구성된다.
상기 필터링부(330)는 3차원 원시데이터의 포인트 클라우드(점군) 데이터에 포함되어 있는 식생, 수목, 구조물을 제거하고 순수 지형만을 추출시키는 역할을 한다.
즉, 재해가 주로 발생하는 자연 사면지형에는 식생이 무성하게 자라는 경우가 많아 지상라이다부와 무타겟토탈스테이션부를 통해 사면지형을 측정할 때는 식생으로 인하여 정확도에 영향을 미치므로 이러한 식생을 제거하는 것이 중요하다.
이때 본 발명에 따른 필터링부는 지상라이다부에서 얻어진 3차원 원시데이터(=점군 데이터)에 대하여 지표면과 비지면을 분리처리한다.
상기 필터링부는 랜덤한 점에 대하여 평활화를 실시하여 그 평활화 면에서 거리가 먼 점을 식생으로 판단하여 데이터를 삭제하도록 구성된다.
즉, 도 6에서 도시한 바와 같이, 평활화 영역내에 존재하는 3차원 원시데이터(=점군데이터)에 대하여 잔차가 최소가 되도록 곡면(=평활화 면)을 설정하고, 그 설정된 곡면에 높이 방향의 허용값을 설정하여 식생의 영향으로 생각되는 점 데이터를 제거한다.
본 발명에 따른 필터링부에서 3차원 원시데이터(=점군데이터)에 대하여 필터링을 수행하는 과정에 관해 설명한다.
3차원 원시데이터에 있는 다양한 지물과 지표면을 완전하게 나눌 수가 없으므로, 자동처리에 의한 필터링을 실시한 후 등고선도나 음영도 등을 이용하여 재차 점검을 하고 부적절한 부분에 대해서는 설정값 등을 변경한 후 다시 자동 필터링을 실시한다.
이러한 과정을 통해 고품질의 DEM 자료를 구축할 수가 있다.
상기 DEM(Digital Elevation Model)부(340)는 필터링부로부터 추출된 순수 지형데이터를 입력받아 지형의 높이값을 추가해서 패스트타임에 따른 변환전 사면지형물의 3차원 그리드모형과, 변환후 사면지형물의 3차원 그리드모형으로 변환시키는 역할을 한다.
본 발명에 따른 DEM부는 변환전 사면지형물의 3차원 그리드모형과, 변환후 사면지형물의 3차원 그리드모형이 지상라이다부의 3차원 원시데이터와, 좌표변환부를 통해 변환된 3차원 절대좌표를 가지고 보간을 통해 획득되도록 구성된다.
즉, 변환전 사면지형물의 3차원 그리드모형과, 변환후 사면지형물의 3차원 그리드모형에 관한 DEM 구축은 지상라이다부의 3차원 원시데이터로부터 TIN(불규칙삼각망; triangulatedirregular network model)을 형성하고, 일정간격의 자료를 보간하는 크리킹 보간 알고리즘 엔진(Kriging interpolation)에 의해 구성된다.
상기 크리킹 보간 알고리즘 엔진(Kriging interpolation)은 관심있는 지점의 특정값을 알기 위해 주위 값들의 선형조합으로부터 원하는 지점의 값을 예측하는 알고리즘 엔진이다.
이는 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure pat00003
여기서,
Figure pat00004
는 위치를 알고 있는 지점에서의 크리킹보간알고리즘엔진을 이용한 예측값이고,
Figure pat00005
는 이미 그 위치와 값을 알고 있는 주위의 점에 관한 것이며, n은 크리킹 예측을 위해 사용한 자료의 총개수이고,
Figure pat00006
는 각 자료의 가중치에 관한 것이다.
여기서, 가중치는 예측값과 참값 사이의 오차가 최소가 되도록 결정되며, 많은 경우에 추정값이 편향되지 않아야 한다는 조건을 추가로 사용하여 그 값을 결정한다.
상기 공간그리드 연산제어부(350)는 좌표변환부, DSM부, 필터링부, DEM부, 사면지형 변위량 데이터전송부이 연결되어 각 기기의 전반적인 동작을 제어하고, 그리드 연산자인 로컬 연산자 중 산술연산자를 통해 변환전 사면지형물의 3차원 그리드모형에다가 변환후 사면지형물의 3차원 그리드모형을 빼서 사면지형물의 변위량을 플러스값(+),마이스너스값(-),영값(0)으로 산출한 후 사면지형 변위량 데이터인 변위량 빈도 분포도데이터 및 횡단면도데이터를 생성시키는 역할을 한다.
본 발명에 따른 공간그리드 연산제어부는 쉽고 빠르게 사면지형 변위량 데이터를 생성시키기 위해 그리드 연산자인 로컬 연산자 중 산술연산자를 많이 사용한다. 여기서, 로컬함수와 연산자는 하나의 셀상에서 수행되며, 결과값은 결과 그리드에서 동일한 그리드 위치에 할당되도록 설정된다.
상기 산술연산자는 변환전 사면지형물의 3차원 그리드모형에다가 변환후 사면지형물의 3차원 그리드모형을 빼서 사면지형물의 변위량을 플러스값(+),마이스너스값(-),영값(0)으로 산출한다.
여기서, 플러스값(+)이나 마이스너스값(-)으로 나온 지역은 변위가 있는 지역을 나타낸 것이고, 영값(0)으로 나온 지역은 변위가 없는 지역을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명에 따른 공간그리드 연산제어부를 통한 셀 기반의 산술연산과정을 도시한 일실시예도에 관한 것이다.
즉, 사면지형물 중 변위발생 지점에 대한 정보추출방법은 다음의 수학식 4와 같이 표현할 수가 있다.
Figure pat00007
여기서,
Figure pat00008
는 개별격자의 변위량에 관한 것이고,
Figure pat00009
은 변위전 개별 격자의 높이에 관한 것이며,
Figure pat00010
는 변위 후 개별격자의 높이에 관한 것이고, i는 라인의 수를 의미하고, j는 행의 수를 의미한다.
상기 사면지형 변위량 데이터전송부(360)는 공간그리드 연산제어부의 제어하에 구동되어, 사용자 단말기로 사면지형 변위량 데이터인 변위량 빈도 분포도데이터 및 횡단면도데이터를 전송시키는 역할을 한다.
이는 사면지형물을 기준으로 반경500m~2000m의 로컬존에 위치한 위치기반형 사용자단말기에 고유식별ID를 부여하는 사용자단말기용 고유식별 ID설정부가 포함되어 구성된다.
즉, 사용자단말기용 고유식별 ID설정부를 통해 고유식별 ID가 설정된 사용자단말기로 사면지형 변위량 데이터인 변위량 빈도 분포도데이터 및 횡단면도데이터를 WiFi 망으로 전송시킨다.
이로 인해, 사용자단말기로 사면지형변위데이터를 1:1로 실시간 전송시켜 줌으로서, 사면지형의 안전상태를 인근 주거지의 주민과 인근 도로를 주행하는 또는 주행할 운전자에게 신속하고 정확하게 경고할 수 있어 사면붕괴사고율을 30%로 낮출 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링방법에 관해 설명한다.
먼저, 지상라이다부(LiDAR:Light Detection And Range)를 통해 사면지형물을 측량해서 3차원 상대좌표와 3차원 원시데이터를 획득하고, 무타겟토탈스테이션부(Reflectless Totalstation)를 통해 3차원 절대좌표를 획득한다(S100).
이어서, 좌표변환부를 통해 지상라이다부로부터 입력된 3차원 상대좌표를 무타겟토탈스테이션부로부터 전달된 3차원 절대좌표를 참조하여, 3차원 절대좌표로 변환시킨다(S200).
본 발명에서는 좌표변환부를 통해 3차원 절대좌표변환을 위해, 도 4에서 도시한 바와 같이 15개의 표정점을 배치시킨다.
이어서, DSM(Digital Surface Model)부를 통해 사면지형물의 연속적인 기복변화를 수치적으로 모형화한 수치표면모형을 3차원 그리드모형으로 변환시킨다(S300).
도 7은 본 발명에 따른 DSM부를 통해 변환된 3차원 그리드모형을 도시한 일실시예도에 관한 것이다.
이어서, 필터링부를 통해 3차원 원시데이터의 포인트 클라우드(점군) 데이터에 포함되어 있는 식생, 수목, 구조물을 제거하고 순수 지형만을 추출시킨다(S400).
도 8은 본 발명에 따른 필터링부를 통해 3차원 원시데이터의 포인트 클라우드(점군) 데이터에 포함되어 있는 식생, 수목, 구조물을 제거하기 전의 모습과 제거한 후의 모습을 도시한 일실시예도에 관한 것이다.
이어서, DEM(Digital Elevation Model)부를 통해 필터링부로부터 추출된 순수 지형데이터를 입력받아 지형의 높이값을 추가해서 패스트타임에 따른 변환전 사면지형물의 3차원 그리드모형과, 변환후 사면지형물의 3차원 그리드모형으로 변환시킨다(S500).
여기서, 패스트타임이란 사면지형 변위량 데이터를 관측시기별로 1차에서 10차까지 변위를 신출하는 것을 말한다.
도 9는 본 발명에 따른 DEM(Digital Elevation Model)부를 통해 생성된 변환전과 변환후 사면지형물의 3차원 그리드 모형을 도시한 일실시예도에 관한 것이다.
이어서, 공간그리드 연산제어부에서 그리드 연산자인 로컬 연산자 중 산술연산자를 통해 변환전 사면지형물의 3차원 그리드모형에다가 변환후 사면지형물의 3차원 그리드모형을 빼서 사면지형물의 변위량을 플러스값(+),마이스너스값(-),영값(0)으로 산출한 후 사면지형 변위량 데이터인 변위량 빈도 분포도데이터 및 횡단면도데이터를 생성시킨다(S600).
이때, 공간그리드 연산제어부는 사면지형 변위량 데이터를 관측시기별로 변위를 산출하고, 사면의 평균변위는 1차 관측데이터를 기준으로 10차까지 관측된 데이터를 이용하여 산출된다.
끝으로, 사면지형 변위량 데이터전송부를 통해 사용자 단말기로 사면지형 변위량 데이터인 변위량 빈도 분포도데이터 및 횡단면도데이터를 전송시킨다(S700).
100 : 지상라이다부 110 : 제1몸체부
120 : 디지털 카메라부 130 : 레이저 송·수신기
140 : LCD 패널부(140) 150 : 지지대
160 : 제1 네트워크 케이블 200 : 무타켓토탈스테이션부
300 : 사면지형 변위 제어모듈

Claims (5)

  1. 사면지형물과 50m~200m 이격된 거리에 위치되어, 사면지형물쪽으로 근적외선 또는 가시광선 파장대의 레이저를 송신시키고, 사면지형물에서 반사되어 돌아오는 레이저를 수신하여 거리를 측정하고, 거리측정과 동시에 사면지형물과 이루는 레이저 빔의 수평, 수직각을 측정하여 3차원 상대좌표와 3차원 원시데이터를 생성시킨 후, 생성된 3차원 상대좌표와 3차원 원시데이터를 사면지형 변위제어부로 전달시키는 지상라이다부(LiDAR:Light Detection And Range)(100)와,
    지상라이다부 일측에 위치되어, 사면지형물에 대한 거리측정값과, 사면지형물에 대한 각도값을 이용해 물리적 벡터를 계산하고, 그 계산된 물리적 벡터와 수신기로부터 전송된 지구 좌표계(경도, 위도 및 높이)와의 벡터를 이용하여 측정점을 3차원 절대좌표를 생성시킨 후, 생성된 3차원 절대좌표를 사면지형 변위제어부로 전달시키는 무타겟토탈스테이션부(Reflectless Totalstation)(200)와,
    지상라이다부, 무타겟토탈스테이션부와 연결되어 취득된 지상라이다부의 3차원 상대좌표를 무타겟토탈스테이션부로부터 전달된 3차원 절대좌표를 참조하여, 3차원 절대좌표로 변환시킨 후, DSM, 필터링, DEM, 공간그리드분석을 거쳐 사면지형의 변위량을 연산시킨 후, 연산된 사면지형 변위량 데이터를 무선인터넷망을 통해 원격지의 사용자단말기 모니터상에 디스플레이시키도록 제어하는 사면지형 변위 제어모듈(300)로 구성되는 것을 특징으로 하는 지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지상라이다부(LiDAR:Light Detection And Range)(100)는
    사각박스형상으로 이루어져 각 기기를 지지하고, 외압으로부터 각 기기를 보호하는 제1몸체부(110)와,
    사면지형물을 바라보는 제1몸체부의 전면 일측에 위치되어, 사면지형물을 촬영해서 3차원 원시데이터를 생성시키는 디지털 카메라부(120)와,
    디지털 카메라부 일측에 위치되어, 사면지형물쪽으로 근적외선 또는 가시광선 파장대의 레이저를 송신시키고, 사면지형물에서 반사되어 돌아오는 레이저를 수신하는 레이저 송·수신기(130)와,
    레이저 송·수신기 일측에 위치되어, 디지털 카메라부로부터 촬영된 사면지형물에 대한 3차원 원시데이터와, 레이저 송·수신기로부터 측정된 3차원 상대좌표를 LCD 창에 출력시키는 LCD 패널부(140)와,
    제1몸체부의 하단에 위치되어, 몸체부의 좌우 수평도를 팬(Fans)과 틸트(Tilt)를 하면서 안정하게 유지시키는 지지대(150)와,
    일측이 제1몸체부 후단 일측에 형성된 USB 포트 및 RS-232통신케이블 접속포트와 연결되고, 타측이 사면지형 변위 제어모듈의 제1입력포트와 연결되어 측정된 3차원 상대좌표데이터와 3차원 원시데이터를 사면지형 변위 제어모듈로 전송시키는 제1 네트워크 케이블(160)이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 무타겟토탈스테이션부(Reflectless Totalstation)(200)는
    사각박스형상으로 이루어져 각 기기를 지지하고, 외압으로부터 각 기기를 보호하는 제2몸체부(210)와,
    제2몸체부의 전면 중앙 일측에 위치되어, 기능키 버튼에 의해 설정된 무타켓(Non Prism)모드로 구동되어 사면지형물에 대한 거리와, 사면지형물에 대한 각도를 측정하는 무타겟측정부(220)와,
    제2몸체부 내부에 위치되어, 보정된 고도각과 수평각 그리고 수평거리{토탈스테이션에서 측정점 까지의 거리로 수평면(X-Y평면)에 투영된 거리} 측정점의 3차원 절대좌표(X,Y,Z)을 산출하는 3차원 절대좌표값산출부(230)와,
    일측이 제2몸체부 후단 일측에 형성된 USB 포트 및 RS-232통신케이블 접속포트와 연결되고, 타측이 사면지형 변위 제어모듈의 제2입력포트와 연결되어 측정된 3차원 절대좌표데이터를 사면지형 변위 제어모듈로 전송시키는 제2 네트워크 케이블(240)이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 사면지형 변위 제어모듈은
    지상라이다부로부터 입력된 3차원 상대좌표를 무타겟토탈스테이션부로부터 전달된 3차원 절대좌표를 참조하여, 3차원 절대좌표로 변환시키는 좌표변환부와,
    사면지형물의 연속적인 기복변화를 수치적으로 모형화한 수치표면모형을 3차원 그리드모형으로 변환시키는 DSM(Digital Surface Model)부와,
    3차원 원시데이터의 포인트 클라우드(점군) 데이터에 포함되어 있는 식생, 수목, 구조물을 제거하고 순수 지형만을 추출시키는 필터링부와,
    필터링부로부터 추출된 순수 지형데이터를 입력받아 지형의 높이값을 추가해서 패스트타임에 따른 변환전 사면지형물의 3차원 그리드모형과, 변환후 사면지형물의 3차원 그리드모형으로 변환시키는 DEM(Digital Elevation Model)부와,
    좌표변환부, DSM부, 필터링부, DEM부, 사면지형 변위량 데이터전송부이 연결되어 각 기기의 전반적인 동작을 제어하고, 그리드 연산자인 로컬 연산자 중 산술연산자를 통해 변환전 사면지형물의 3차원 그리드모형에다가 변환후 사면지형물의 3차원 그리드모형을 빼서 사면지형물의 변위량을 플러스값(+),마이스너스값(-),영값(0)으로 산출한 후 사면지형 변위량 데이터인 변위량 빈도 분포도데이터 및 횡단면도데이터를 생성시키는 공간그리드 연산제어부와,
    공간그리드 연산제어부의 제어하에 구동되어, 사용자 단말기로 사면지형 변위량 데이터인 변위량 빈도 분포도데이터 및 횡단면도데이터를 전송시키는 사면지형 변위량 데이터전송부이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링장치.
  5. 지상라이다부(LiDAR:Light Detection And Range)를 통해 사면지형물을 측량해서 3차원 상대좌표와 3차원 원시데이터를 획득하고, 무타겟토탈스테이션부(Reflectless Totalstation)를 통해 3차원 절대좌표를 획득하는 단계(S100)와,
    좌표변환부를 통해 지상라이다부로부터 입력된 3차원 상대좌표를 무타겟토탈스테이션부로부터 전달된 3차원 절대좌표를 참조하여, 3차원 절대좌표로 변환시키는 단계(S200)와,
    DSM(Digital Surface Model)부를 통해 사면지형물의 연속적인 기복변화를 수치적으로 모형화한 수치표면모형을 3차원 그리드모형으로 변환시키는 단계(S300)와,
    필터링부를 통해 3차원 원시데이터의 포인트 클라우드(점군) 데이터에 포함되어 있는 식생, 수목, 구조물을 제거하고 순수 지형만을 추출시키는 단계(S400)와,
    DEM(Digital Elevation Model)부를 통해 필터링부로부터 추출된 순수 지형데이터를 입력받아 지형의 높이값을 추가해서 패스트타임에 따른 변환전 사면지형물의 3차원 그리드모형과, 변환후 사면지형물의 3차원 그리드모형으로 변환시키는 단계(S500)와,
    공간그리드 연산제어부에서 그리드 연산자인 로컬 연산자 중 산술연산자를 통해 변환전 사면지형물의 3차원 그리드모형에다가 변환후 사면지형물의 3차원 그리드모형을 빼서 사면지형물의 변위량을 플러스값(+),마이스너스값(-),영값(0)으로 산출한 후 사면지형 변위량 데이터인 변위량 빈도 분포도데이터 및 횡단면도데이터를 생성시키는 단계(S600)와,
    사면지형 변위량 데이터전송부를 통해 사용자 단말기로 사면지형 변위량 데이터인 변위량 빈도 분포도데이터 및 횡단면도데이터를 전송시키는 단계(S700)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지상라이다부·무타켓토탈스테이션부·사면지형 변위 제어모듈의 트레블측량제어를 통한 사면지형 변위 모니터링장치.
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