KR20220083195A - 지하시설물에 대한 3차원 현장 정보 취득이 가능한 지하시설물 현장 탐사장치 및 이를 이용한 지하시설물 현장 탐사방법 - Google Patents

지하시설물에 대한 3차원 현장 정보 취득이 가능한 지하시설물 현장 탐사장치 및 이를 이용한 지하시설물 현장 탐사방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비행 드론, 라이다 장치, GNSS 장치 및 GPR 장치가 탑재된 차량을 지하시설물의 조사위치로 이동시켜서 GPR 장치로 지하시설물의 매설위치 및 매설깊이를 탐사하되, GPR 장치로 지하시설물을 탐사하는 시점 및 탐사결과와, 비행 드론, 라이다 장치 및 GNSS 장치로부터 취득된 정보를 동기화시켜서 결합함으로써, 탐사된 지하시설물의 위치와 지하 깊이에 대한 정확하고 정밀한 3차원 정보를 실시간 취득하게 되는 지하시설물 현장 탐사장치와 탐사방법에 대한 것이다.

Description

지하시설물에 대한 3차원 현장 정보 취득이 가능한 지하시설물 현장 탐사장치 및 이를 이용한 지하시설물 현장 탐사방법{Method and Apparatus for Detecting and Achieving 3D Information of Underground Facility}
본 발명은 지하시설물에 대한 3차원 현장 정보 취득이 가능한 지하시설물 현장 탐사장치 및 이를 이용한 지하시설물 현장 탐사방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 비행 드론, 라이다(LiDAR: Light Detection And Ranging), GNSS(Global Navigation Satellite System)-INS(Inertial Navigation System), 및 GPR(Ground Penetrating Radar) 장치가 탑재된 차량을 지하시설물의 조사위치로 이동시켜서 GPR 장치로 지하시설물의 매설위치 및 매설깊이를 탐사하되, GPR 장치로 지하시설물을 탐사하는 시점 및 탐사결과와, 비행 드론의 영상촬영장치, 라이다 및 GNSS-INS로부터 취득된 정보를 동기화시켜서 결합함으로써, 탐사된 지하시설물의 위치와 지하 깊이에 대한 정확하고 정밀한 3차원 복합위치정보를 실시간 취득하게 되는 지하시설물 현장 탐사장치와 탐사방법에 대한 것이다.
지하시설물관의 노후화, 지하공간 개발 확장, 지하공간의 난개발 등으로 인하여 도심지 내 지반침하 및 지반함몰의 위험성이 증대함에 따라 지하시설물의 유지관리를 위한 3차원 지하공간 통합지도를 구축하려는 노력이 이루어지고 있다. 이러한 3차원 지하공간 통합지도의 구축 및 이를 통한 지하시설물의 유지관리를 위해서는 우선적으로 지하시설물의 위치 및 매설심도에 관한 정보를 정확하게 파악하여 정리하는 것이 중요하다. 기존 지하시설물에 관한 정보가 확보되어 있기는 하지만, 확보된 지하시설물의 위치 정보와 실제로 지하시설물이 위치하고 있는 위치 정보가 일치하는 경우는 매우 드물 뿐만 아니라 정확한 매설심도는 확보되지 않은 경우가 매우 많다.
지하시설물을 탐사하는 종래 기술로서, 전도성을 띤 금속관로를 대상으로 한 전자유도탐사와, 금속관로 및 비금속 관로의 탐사에 모두 사용될 수 있는 GPR(Ground Penetrating Radar) 탐사(지하레이더 탐사)가 제시되어 있다. 전자유도탐사는 현장에서 금속 관로를 조사하고 추적하는데 활용도가 높으나, 위치측위 정보의 정확성이 낮으며 탐사자의 숙련도가 정확성을 크게 좌우한다.
GPR 탐사는 비파괴적 지하공간 탐사 방법으로서, 대한민국 등록특허 제10-1308101호 등에 의해 공지되어 지하시설물관 탐사에 이용되는 상용화된 방법 중 하나로 알려져 있다. 최근에는 GPR 탐사를 위한 장비 자체에 GPS(Global Positioning System) 기기가 구비되거나 또는 부가적으로 연동되어 탐사가 진행되어 위치정보를 동시에 취득하는 방안이 제시되고 있다. 그러나 GPS를 이용해 취득한 위치정보는 오차의 범위가 수m에서 수십m등으로 신뢰성이 낮다. 또한 전파가 직진하는 성질이 있어 도심에서는 주변 건물 등에 의해 전파가 지연되거나 일부 구간에서 전파 음영지역(wave shadow)이 형성되는 등 문제가 발생하는데, 지하시설물관이 밀집한 도심지에서 그 적용성이 매우 떨어지는 문제가 발생한다.
대한민국 등록특허공보 제10-1308101호(2013. 09. 12. 공고).
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 3차원 지하공간 통합지도의 구축 및 이를 통한 지하시설물의 유지관리를 위하여, GPR 탐사를 이용하여 지하시설물의 매설심도에 관한 정보를 파악하는 것에 더하여, 지하시설물의 정확한 위치를 파악하되, 도심지나 전파 음영지역에서도 최소의 오차로 지하시설물의 위치를 파악할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 설비가 탑재될 수 있는 공간을 가지는 탑재부(10)를 구비하고 있으며 현장으로 이동이 가능한 차량(1)과, 상기 탑재부(10)에 탑재되어 지하시설물의 지하위치 및 매설심도를 파악하는 GPR 장치(3)와, 라이다 및 영상촬영장치를 탑재하고 있고 비행하면서 지상의 영상정보 및 지상 정보를 취득하는 비행 드론(5)과, 상기 탑재부(10)에 탑재되어 지상 정보를 취득하는 라이다(2)와; 상기 탑재부(10)에 탑재되며 위성을 통해서 위치 신호를 수신하여 차량 위치를 파악하는 GNSS 및 차량의 자세를 파악하는 관성센서를 포함하여 구성되어 차량(1)의 현재 위치와 자세에 대한 고정밀 위치측위정보를 취득하는 GNSS-INS를 포함하여 구성되어; 비행 드론(5)을 비행시켜서 비행 드론(5)에 탑재된 영상촬영장치에 의해 항공으로부터 지상에 대한 영상정보를 획득하며, 비행 드론과 차량에 탑재된 라이다를 이용하여 지상의 지형지물에 대한 지상 정보를 취득하여 지상에 대한 정밀 지형정보를 도출하며; GNSS-INS를 통해서 현재 차량에 대한 위치측위정보를 취득하면서 차량을 지하시설물의 조사위치로 이동시킨 후 GPR 장치(3)에 의해 지하시설물의 매설위치 및 매설깊이를 탐사하되, GPR 장치(3)로 지하시설물을 탐사하는 시점에 대한 정보 및 탐사결과로 취득된 정보와, 취득된 정밀 지형정보와, 취득된 위치측위정보를 동기화시켜서 결합함으로써, 탐사된 지하시설물에 대한 지상에서의 위치와 지하 깊이에 대한 정보를 포함하고 있는 3차원의 정밀 복합위치정보를 실시간 취득하게 되는 것을 특징으로 하는 지하시설물 현장 탐사장치가 제공된다.
또한 본 발명에서는 상기한 지하시설물 현장 탐사장치를 이용하여 현장에서 지하시설물을 탐사하는 방법이 제공된다.
상기한 본 발명에 따른 지하시설물 현장 탐사장치 및 방법에 있어서, 차량(1)의 탑재부(10)는 컨테이너 상자로 이루어질 수 있으며, GPR 장치(3)는 GPR 서버(30)와 GPR 안테나(31)를 포함하여 구성되며, GPR 서버(30)는 탑재부(10) 내부에 구비되고; GPR 안테나(31)는 탑재부(10) 외측에서 차량(1)의 후면 바닥부에 승하강하도록 설치되어 있어서; 차량(1)이 정지되어 지하시설물을 탐사할 때에는 GPR 안테나(31)를 하강시켜서 노면에 접지시킨 상태에서 탐사가 수행되며, 탐사를 하지 않거나 또는 차량(1)을 이동시킬 때에는 GPR 안테나(31)가 상승되어 노면으로부터 이격됨으로써 GPR 안테나(31)의 손상을 예방하게 될 수도 있다.
더 나아가, 상기한 본 발명에 따른 지하시설물 현장 탐사장치 및 방법에 있어서, 탑재부(10)의 내부에는 통신서버(5), 관리자가 작업할 수 있는 책상과 의자, 측정결과를 육안으로 확인할 수 있는 영상모니터링 장치(6) 및 통신서버(7)가 더 구비될 수도 있다.
본 발명에 의하면, GNSS 장치, 관성센서 등에 의해 취득된 비행 드론, 모바일 매핑 시스템(MMS : Mobile Mapping System) 등의 라이다 에 의해 취득된 정밀 지형 정보와, GNSS-INS, 라이다에 의해 취득된 고정밀 위치측위정보와, GPR 장치에 의해 취득된 지하시설물의 매설 깊이 등의 정보를 결합하여 산출되는 복합 위치정보를 이용하여, 지하시설물에 대한 위치정보의 정확도를 확보하고 GPS 신호 오류를 보완하여 연속적이고 사실적인 탐사 기록이 가능하여, 부가적인 위치정보 보정을 최소화함으로써, 지하공간 탐사에 필요한 시간적, 인적 자원을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명을 이용하면, 새로 수집된 지하시설물의 정보에, 기존에 파악하고 있던 정보를 매칭하여, 실제 지하시설물의 위치정보를 갱신함으로써 정확하고 생생한 정보 상태를 유지할 수 있으며, 이러한 정보는 굴착공사 전 기본자료로 활용할 수 있으며, 지하시설물의 유지 관리에 효과적으로 사용할 수 있게 된다. 더 나아가 갱신된 지하시설물의 관리 정보를 분석하여 노후화 방지, 지반침하 방지 등의 현상을 예견하는 데에 이용할 수 있는 다양한 통계자료를 산출할 수 있게 된다.
본 발명에서 획득가능한 효과는 상기에 서술하는 효과로 제한되지 않으며, 서술되지 않은 또다른 효과들은 이상의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 지하시설물 현장 탐사 장치의 개략적인 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
도 1에는 본 발명에 따른 지하시설물 현장 탐사장치(100)의 개략적인 구성도가 도시되어 있다. 도면에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 지하시설물 현장 탐사 장치(100)은, 각종 설비가 탑재될 수 있는 공간을 가지는 탑재부(10)를 구비하고 있으며 현장으로 이동이 가능한 차량(1)과, 비행하면서 지상에 대한 정보를 수집하는 비행 드론(drone)(5)을 포함한다.
차량(1)의 탑재부(10)는 관리자, 컴퓨터 장비 등 각종 장비들이 내부 또는 외부에 설치될 수 있는 공간을 가지는 것으로서, 예를 들어 컨테이너 상자 등으로 이루어질 수 있다.
본 발명에서는 GPR 탐사를 이용하여 지하시설물의 정밀한 표고정보를 파악하기 위하여, 지표면에 대한 정확하고 정밀한 지형 정보를 취득한다. 이를 위해서 우선 본 발명에서는 비행 드론(5)을 이용하여 지표면에 대한 항공 영상을 취득한다. 즉, 비행 드론(5)에 카메라 등의 영상촬영장치를 탑재한 상태에서 비행시켜서, 지하시설물의 조사하려는 위치의 지상 영역을 촬영하여 지상의 영상정보를 수집하는 것이다.
본 발명에서는 지표면에 대한 정확하고 정밀한 지형정보를 취득하기 위하여, 비행 드론(5)에 의해 취득한 지상의 영상정보에 더하여 추가적으로 라이다(LiDAR)를 이용한 모바일 매핑 시스템(MMS : Mobile Mapping System)을 활용한다. 라이다는 지형 또는 지물에 레이저를 발사하고, 그로부터 반사되어 회기하는 신호를 수신하고 분석하여 거리를 측정함으로써 지형지물에 대한 정보를 파악하고 취득하는 공지의 장치이다. 본 발명에서는 도면에 예시된 것처럼 차량(1)의 탑재부(10)에 라이다(2)를 탑재함과 동시에 비행 드론(5)에도 라이다를 탑재한다. 따라서 본 발명에서는 비행 드론(5)을 통해서 지상의 영상정보를 취득함과 동시에, 차량(1)의 탑재부(10)에 설치된 라이다(2)와 비행 드론(5)에 탑재된 라이다로부터 각각 수집된 지상 정보를 기반으로 모바일 매핑 시스템(MMS)을 활용하여 정확하고 높은 해상도를 가지는 정밀 지형정보를 취득하게 된다. 취득된 정밀 지형정보는 후술하는 것처럼 GPR 장치에 의해 취득된 정보와 결합됨으로써, 지하시설물에 대한 3차원의 정밀 복합위치정보를 형성하게 된다.
본 발명에는 지하시설물의 지하위치 및 매설심도를 파악하는 GPR 장치(3)가 탑재부(10)에 구비된다. GPR 장치(3)는 GPR 서버(30)와 GPR 안테나(31)를 포함하는데, 도면에 예시된 실시예의 경우, GPR 서버(30)는 탑재부(10) 내부에 구비되어 있으며, GPR 안테나(31)는 탑재부(10) 외측에서 차량(1)의 후면 바닥부에 설치되어 있다. 특히, GPR 안테나(31)를 차량(1)의 후면 바닥부에 설치함에 있어서, GPR 안테나(31)가 승하강하도록 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의하면, 지하시설물을 탐사할 때에는 GPR 안테나(31)를 하강시켜서 노면에 접지시킨 상태에서 탐사를 수행하고, 탐사를 하지 않거나 또는 차량(1)을 이동시킬 때에는 GPR 안테나(31)를 상승시켜서 노면으로부터 이격되도록 함으로써 GPR 안테나(31)의 손상을 예방할 수 있게 된다.
본 발명에는 GNSS-INS가 구비되는데, GNSS-INS는 위성을 통해서 위치 신호를 수신하여 차량 위치를 파악하는 GNSS(Global Navigation Satellite System)와 INS(Inertial Navigation System/ 관성항법장치)가 결합된 것으로서, GNSS-INS를 이용함으로써, GPR 장치(3)를 이용하여 지하시설물을 탐사할 때의 차량의 위치를 정확하게 파악하게 된다. GNSS-INS는 GNSS(4)와, 차량의 자세를 측정할 수 있는 관성센서(8)를 포함하여 구성될 수 있는데, 도면에 예시된 것처럼 GNSS(4)와 관성센서(8)는 탑재부(10)의 외측 상면 등에 탑재되는 형태로 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 지하시설물 현장 탐사 장치(100)에서 탑재부(10)의 내부에는 통신서버(5), 관리자가 편안하게 작업할 수 있는 책상과 의자, 측정결과를 육안으로 확인할 수 있는 영상모니터링 장치(6), 통신서버(7) 등의 장비가 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 지하시설물 현장 탐사 장치(100)는 상기한 구성을 가지므로, 관리자는 비행 드론(5)을 비행시켜서 비행 드론(5)에 탑재된 영상촬영장치 및 라이다를 이용하여 지하시설물의 조사하려는 위치의 지상 영역에 대한 지상의 영상정보 및 지상 정보를 취득한다. 또한 차량(1)에 구비된 라이다를 이용해서도 지상 정보를 취득하게 된다. 이렇게 취득된 지상의 영상정보와 지상 정보를 기반으로 모바일 매핑 시스템(MMS)을 활용하여 정확하고 높은 해상도를 가지는 정밀 지형정보를 도출한다.
아울러 GNSS-INS를 이용하여 위성으로부터 현재 차량(1)의 위치 신호를 수신하여 차량(1)의 위치를 파악하면서 지하시설물의 조사하려는 위치로 차량(1)을 이동시킴으로써, 차량(1)의 현재 위치와 자세 등에 대한 고정밀 위치측위정보를 형성하게 된다.
지하시설물 조사 위치에 차량(1)을 정차시킨 후에는, GPR 장치(3)를 이용하여 지하시설물에 대해 탐사작업을 수행함으로써, 지하시설물의 매설위치 정보 및 매설깊이 정보를 취득하게 된다. 이렇게 GPR 장치(3)에 의해 취득된 지하시설물의 매설위치 정보 및 매설깊이 정보에, 위에서 설명한 것처럼 비행 드론(5)에 구비된 영상촬영장치, 라이다 및 GNSS-INS로부터 취득된 고정밀 위치측위정보를 동기화시켜서 결합하게 되며, 그에 따라 최종적으로 지하시설물의 위치를 정밀 절대좌표 즉, 지상에서의 위치(지상에서의 방위)와 지하 깊이에 대한 정보를 포함하고 있는 3차원의 정밀 복합위치정보를 실시간 취득할 수 있게 된다. 이렇게 취득된 지하시설물에 대한 3차원 복합위치정보를 이용하게 되면 가상의 3차원 지하공간 통합지도를 작성할 수 있게 되며, 이를 통해서 지하시설물의 더욱 효율적인 유지 관리가 가능하게 된다.
1: 차량
2: 라이다
3: GPR 장치
4: GNSS
5: 비행 드론
8: 관성센서
10: 탑재부
100: 지하시설물 현장 탐사장치

Claims (5)

  1. 설비가 탑재될 수 있는 공간을 가지는 탑재부를 구비하고 있으며 현장으로 이동이 가능한 차량과,
    상기 탑재부에 탑재되어 지하시설물의 지하위치 및 매설심도에 대한 정보를 취득하는 GPR 장치와;
    라이다 및 영상촬영장치를 탑재하고 있고 비행하면서 지상의 영상정보 및 지상 정보를 취득하는 비행 드론과;
    상기 탑재부에 탑재되어 지상 정보를 취득하는 라이다와;
    상기 탑재부에 탑재되며 위성을 통해서 위치 신호를 수신하여 차량 위치를 파악하는 GNSS 및 차량의 자세를 파악하는 관성센서를 포함하여 구성되어 차량(1)의 현재 위치와 자세에 대한 고정밀 위치측위정보를 취득하는 GNSS-INS를 포함하여 구성되어;
    비행 드론을 비행시켜서 비행 드론에 탑재된 영상촬영장치에 의해 항공으로부터 지상에 대한 영상정보를 획득하며, 비행 드론과 차량에 탑재된 라이다를 이용하여 지상의 지형지물에 대한 지상 정보를 취득하여 지상에 대한 정밀 지형정보를 도출하며; GNSS-INS를 통해서 현재 차량에 대한 위치측위정보를 취득하면서 차량을 지하시설물의 조사위치로 이동시킨 후 GPR 장치에 의해 지하시설물의 매설위치 및 매설깊이를 탐사하되, GPR 장치로 지하시설물을 탐사하는 시점에 대한 정보 및 탐사결과로 취득된 정보와, 취득된 정밀 지형정보와, 취득된 위치측위정보를 동기화시켜서 결합함으로써, 탐사된 지하시설물에 대한 지상에서의 위치와 지하 깊이에 대한 정보를 포함하고 있는 3차원의 정밀 복합위치정보를 실시간 취득하게 되는 것을 특징으로 하는 지하시설물 현장 탐사장치.
  2. 제1항에 있어서,
    차량의 탑재부는 컨테이너 상자로 이루어진 것을 특징으로 하는 지하시설물 현장 탐사장치.
  3. 제2항에 있어서,
    GPR 장치는 GPR 서버와 GPR 안테나를 포함하여 구성되며;
    GPR 서버는 탑재부 내부에 구비되고;
    GPR 안테나는 탑재부 외측에서 차량의 후면 바닥부에 승하강하도록 설치되어 있어서;
    차량이 정지되어 지하시설물을 탐사할 때에는 GPR 안테나를 하강시켜서 노면에 접지시킨 상태에서 탐사가 수행되며, 탐사를 하지 않거나 또는 차량을 이동시킬 때에는 GPR 안테나가 상승되어 노면으로부터 이격됨으로써 GPR 안테나의 손상을 예방하게 되는 것을 특징으로 하는 지하시설물 현장 탐사장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    탑재부의 내부에는 통신서버, 관리자가 작업할 수 있는 책상과 의자, 측정결과를 육안으로 확인할 수 있는 영상모니터링 장치 및 통신서버가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 지하시설물 현장 탐사장치.
  5. 지하시설물을 현장에서 탐사하는 방법으로서,
    청구항 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 다른 지하시설물 현장 탐사장치를 이용하며,
    비행 드론을 비행시켜서 비행 드론에 탑재된 영상촬영장치에 의해 항공으로부터 지상에 대한 영상정보를 획득하며, 비행 드론과 차량에 탑재된 라이다를 이용하여 지상의 지형지물에 대한 지상 정보를 취득하여 지상에 대한 정밀 지형정보를 도출하며; GNSS-INS를 통해서 현재 차량에 대한 위치측위정보를 취득하면서 차량을 지하시설물의 조사위치로 이동시키는 단계; 및
    GPR 장치에 의해 지하시설물의 매설위치 및 매설깊이를 탐사하는 단계를 포함하며;
    GPR 장치로 지하시설물을 탐사하는 시점에 대한 정보 및 탐사결과로 취득된 정보와, 취득된 정밀 지형정보와, 취득된 위치측위정보를 동기화시켜서 결합함으로써, 탐사된 지하시설물에 대한 지상에서의 위치와 지하 깊이에 대한 정보를 포함하고 있는 3차원의 정밀 복합위치정보를 실시간 취득하게 되는 것을 특징으로 하는 지하시설물 현장 탐사방법.
KR1020200173191A 2020-12-11 2020-12-11 지하시설물에 대한 3차원 현장 정보 취득이 가능한 지하시설물 현장 탐사장치 및 이를 이용한 지하시설물 현장 탐사방법 KR20220083195A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115291200A (zh) * 2022-08-02 2022-11-04 广州迪升探测工程技术有限公司 一种基于数字显示的埋深管道定位方法
KR102677509B1 (ko) * 2023-08-21 2024-06-24 한국건설기술연구원 지하시설물에 대한 3차원 정보 취득이 가능한 지하공간 통합지도 관리 시스템 및 그를 이용한 지하공간 통합지도 관리 방법

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KR101308101B1 (ko) 2011-12-12 2013-09-12 이성 주식회사 저주파/고주파 복합형 지하 탐사 레이더 시스템 및 그 제어 방법

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