한국지반공학회 (地盤 magazine)

다종 영상을 이용한 건설현장 훼손 표토의 체적 및 지질특성에 대한 분광정보 분석 기술

alt — **이 소 진**
주식회사 자연과기술

연구원

(sjlee@hi-nnt.com)

alt — 김 종 태
주식회사 자연과기술

연구소장

(jtkim@hi-nnt.com)

alt — 정 교 철
안동대학교

이사
(geoduke@naver.com)

1. 서 론

건설현장 및 산사태 재난지역에서 훼손된 표토가 복원되기 위해서는 매우 긴 시간이 필요하기 때문에 환경적으로 표토보전 및 관리에 대한 연구는 매우 중요하다. 그러나 표토의 보전과 토양구조의 유지라는 측면에서 토양관리에 대한 인식은 많이 부족하다. 또한 도로 건설, 택지 개발 등의 개발 사업으로 안정화되어 있던 토양이 교란되고 절토와 성토에 따른 침식과 유실의 위험성이 높아지고 있다(Arriaga and Lowery, 2005; Park and Kang, 2009; Kim et al., 2018).

토양훼손에 영향을 미치는 인자들 역시 건설현장에 따라 시·공간적으로 변하지만, 현재 이러한 변화 특성을 고려한 표토훼손 연구는 많이 부족하다. 또한 국내에서는 토양환경 관리를 위한 오염조사 및 정화 중심의 산업과 시장이 발달하고 있기 때문에 표토보전을 위한 국가지원과 산업 확대 및 인프라 구축이 필요한 실정이다. 특히 국내 건설현장의 경우 대부분 표토를 수거·보전하지 않고, 부지 정지를 수행한 후 그 위에 건축물 혹은 시설물을 건설하고, 표토의 문제는 최종적으로 식재 단계에서나 고려되고 있지만 양호한 표토는 이미 소실된 상태이다.

따라서 본 기술은 영상을 이용하여 훼손된 표토의 체적 및 지질별 분광정보를 추출하여 훼손표토에 대한 특성을 분석하는 것이 목적이다. 영상 획득은 최근 재해재난 피해 현황조사를 위해 다양하게 활용되고 있는 드론과 3D스캐닝이 가능한 지상라이다를 이용하였으며(Nagai et al., 2008) 지질별 분광정보는 드론 기반의 초분광 센서를 이용하여 분광정보를 획득하였다. 초분광영상은 센서(hyperspectral sensor)가 소형화되면서 드론 탑재 및 높은 분광 해상도와 연속되는 밴드 획득이 가능하기 때문에 지질특성 분석을 위해 활용하였다.

2. 연구방법

본 기술은 영상을 이용하여 훼손된 표토의 체적을 분석하고 지질별 분광정보를 추출하여 훼손표토에 대한 특성을 분석하는 것이 목적이다. 영상 획득은 드론과 지상라이다에 의해 수행되었으며 초분광 센서를 활용하였다. 훼손표토에 대한 체적 분석은 정사영상과 3D스캐너를 이용하였으며 건설현장에서 체적 분석 후 값을 비교하였다. 드론과 지상라이다에 대한 정보는 Table 1~Table 2와 같으며 Fig 1과 Table 3은 지질별 분광정보 분석을 위한 드론 기반의 초분광 센서를 나타낸다.

초분광영상 촬영은 국내 대표 암종 10개를 대상으로 촬영하였으며 반사율은 99% 이상의 반사특성을 갖는 백색판(white reference)을 이용하여 태양복사에너지의 변화에서 발생할 수 있는 오차를 최소화하고 반사율로 변환시켰다.

3. 훼손표토의 체적 분석

훼손표토의 복원을 위해서는 건설현장 등 인위적으로 훼손된 표토의 체적을 파악하는 것이 우선이다. 이를 위해 본 기술에서는 드론 및 지상라이다를 이용하여 건설현장의 훼손표토를 정량적으로 분석하였다. 첫 번째 드론 영상의 경우 대규모 훼손 표토에 대해 쉽게 촬영이 가능하기 때문에 지상라이다와 비교 시 상대적으로 비용이 저렴하다. 그러나 촬영 높이에 따라 지상라이다에 비해 오차가 있을 수 있으며 비행 허가가 필요한 장소가 존재하기 때문에 이에 대한 고려가 필요하다. 본 기술에서는 드론 촬영 이미지를 정사영상으로 제작하고, GCP 측량 후 좌표변환을 통해 체적을 분석하였다. Fig 2는 인스파이어를 이용한 건설현장 훼손 표토의 영상촬영과 분석한 결과를 나타낸다.

지상라이다(RIEGL, LMS-Z390i)는 기존의 실측 조사의 단점을 극복하고 객관적인 데이터를 확보할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 도로, 하천 등의 지형변동, 구조물의 정기적인 실측 조사를 통해 지형변화를 예측하고 구조물의 변형, 또는 파괴로 인한 피해를 사전에 감지할 수 있는 기초적 데이터를 비교적 짧은 시간에 획득할 수 있다. 이 장비는 높은 성능의 장거리 3D레이저 스캐너와 광범위하고 다양한 작업능력을 가진 RiSCAN PRO 소프트웨어, 세밀한 부분까지 정밀하게 표현이 가능한 고해상도 디지털카메라로 이루어진다. RIEGL LMS-Z 시리즈 광대역 스캐너의 경우, 초당 최고 1만 1,000포인트 측정의 고속 작업 수행과 광대한 측량 범위, 니콘사의 고화질 SLR 디지털카메라를 외장형으로 채택하여 보다 현실적으로 측량 데이터의 컬러 값을 제공하고 있다. 체적은 소수 셋째 자리까지 표현되고 근접촬영 및 촬영 방법의 다양화로 정확한 값을 얻을 수 있으며 결과 값의 신뢰도를 높이기 위해 식물 등은 제거가 가능하다(Fig 3). 그러나 대규모 훼손지일 경우 촬영 영역이 넓어지므로 결과를 얻기 위해 많은 시간이 필요하다. 본 기술을 활용한 훼손표토 영상분석 결과 지상라이다와 드론 영상을 이용하여 유사한 값을 얻을 수 있으며 촬영 장소, 비용 등에 따라 활용이 가능할 것으로 판단된다.

4. 지질별 분광정보 분석

암석을 분류하는 것은 지반정보를 얻기 위해 가장 기본적으로 선행되어야하는 과정이며, 공사 및 건물 건축 등의 실제 현장에서도 그 지역에 분포하는 지질과 암석의 정보가 반드시 필요하다. 지질과 암석 정보는 기존에 발간된 지질도에서 얻을 수 있지만 현장에서는 세부적인 정보가 필요하기 때문에, 최근에는 직접적인 조사가 어려운 지역에 대해 드론 기반의 초분광 센서와 같은 무인 항공기를 활용한 원격탐사가 활용되고 있다.

원격탐사는 광범위한 지역의 정보를 비교적 쉽게 수집할 수 있는데, 초분광 영상은 육안으로 관찰할 수 없는 다양한 재료의 정보를 얻을 수 있다. 특히 스펙트럼에서는 매우 유사하지만 분광 밴드에 따라 물질을 구별할 수 있으며 정확한 정보를 추출할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, 드론 탑재가 가능해짐에 따라 활용 영역이 넓어져, 접근이 어려운 지역까지 원격탐사가 가능하게 되었다.

본 기술은 초분광 센서를 이용하여 표토 훼손 지역의 암석 고유정보를 분석하는 것이 목적으로써 국내 대표 암석 10개를 대상으로 초분광 영상 촬영을 실시하였다. 초분광 영상은 파장 영역에서 200개 이상의 연속된 밴드로 구성되고, 대상의 분광 정보가 세밀하게 표현되어 기존의 다중분광영상에 비해 구체적인 분석이 가능하며(van der Meer, 2003; Rasti et al., 2018), 다중분광영상으로 감지하기 어려운 대상 분석에 유용하게 활용될 수 있다(Goetz, 1991; Shaw and Burke, 2003). Fig 4는 각 암석의 4개 포인트에 대한 반사율 결과를 나타내며 Fig 5는 각 암석별 반사율을 평균한 그래프이다(Lee et al., 2021).

그래프에 대한 패턴 분석 결과 셰일(shale)과 역암(conglomerate)은 가시광선 파장 영역에서 완만하게 증가하고, 석회암(limestone)은 일정 수준에서 유지되는 양상으로 나타났다. 이암(mudstone)은 이들과 비교하여 상대적으로 가파르게 증가하는 특성을 보이고 있다. 사암(sandstone)은 완만하게 증가하다가 다시 감소하는 패턴을 보여주며, 화강암(granite)과 현무암(basalt) 및 편마암(gneiss)은 대략 500 nm 파장까지 감소하다가 일정 수준을 유지하는 패턴을 보여준다. 규암(quartzite)은 대략 600 nm 파장까지, 대리암(marble)은 대략 500 nm 파장까지 증가하다가 일정 수준을 유지하는 패턴으로 나타났다.가시광선 영역에서 석회암과 역암, 화강암, 규암 및 대리암에서는 다른 암석들과 비교하여 4개 포인트의 반사율 범위가 셰일, 이암, 사암, 현무암 및 편마암에 비해 비교적 넓거나 각 포인트 사이에 불규칙한 간격의 차이가 나타난다. 이는 암석을 이루는 기질과 광물의 색이 다양하거나 표면의 광택으로 인해 반사율의 범위가 넓어지는 것으로 판단된다. 실제로 초분광영상 촬영에 사용된 암석들 중 석회암은 회백색을 띠고, 역암은 암적색 기질에 다양한 크기와 색을 가진 역들이 포함되어 있고, 화강암은 흰색, 검정색, 회색 등의 무색광물과 유색광물로 구성되어있기 때문에 4개 포인트의 반사율 범위가 셰일, 이암, 사암, 현무암 및 편마암에 비해 비교적 넓게 나타나는 것으로 판단된다. 또한, 규암과 대리암은 균일한 색을 띠지만 뚜렷한 광택을 가지기 때문에 4개 포인트의 반사율 범위가 셰일, 이암, 사암, 현무암 및 편마암에 비해 비교적 넓게 나타나는 것으로 해석된다.

5. 결론

본 기술은 다종 영상을 이용하여 훼손된 표토를 분석하는 것이 목적으로써 드론 영상과 지상라이다 영상을 비교하여 훼손표토의 체적을 분석하였고 검증하였다. 또한 초분광 영상을 이용하여 암종별 분광정보를 획득하고 가시광선과 근적외선에서의 결과를 비교하였다.향후 본 기술을 활용한 표토 분석은 건설현장 및 대규모 산사태 등 초기대응의 어려움뿐만 아니라 불확실성이 높은 재난현장의 다양한 정보 확보 및 효율적인 대응을 위한 기초자료가 될 것으로 판단된다.

참고문헌

1. Arriaga, F.J., Lowery, B., 2005, Spatial distribution of carbon over an eroded landscape in southwest Wisconsin, Soil and Tillage Research, 81(2), 155-162.

2. Goetz, A.F.H., 1991, Imaging spectrometry for studying earth, air, fire and water, EARSeL, Advances in Remote Sensing, 1(1), 3-15.

3. Kim, J.C., Yoon, J.D., Park, J.S., Choi, J.Y., Yoon, J.H., 2018, Utilizing the revised universal soil loss equation technique comparative analysis of soil erosion risk in the geumhogang riparian area, Korean journal of remote sensing, 34(2-1), 179-190.

4. Lee, S.J., Jeong, G.C., Kim, J.T., 2021, Analysis and comparison of rock spectroscopic information using drone-based hyperspectral sensor, The journal of engineering geology, 31(4), 479-492.

5. Nagai, M., Chen, T., Ahmed, A., Shibasaki, R., 2008, UAV borne mapping by multi sensor integration, International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Beijing 2008, Vol. XXXVII. Part B1.

6. Park, E.J., Kang, K.Y., 2009, Comparative analyses for the properties of surface soils from various land uses in an urban watershed and implication for soil conservation, J. Korean Env. Res. Tech., 12(3), 106-115.7. ?Rasti, B., Scheunders, P., Ghamisi, P., Licciardi, G., Chanussot, J., 2018, Noise Reduction in Hyperspectral Imagery: Overview and Application, Remote Sensing, 3, 482.

8. Shaw, G.A., Burke, H.K., 2003, Spectral imaging for remote sensing, Lincoln Laboratory Journal, 14(1), 3-28.

9. Van der Meer, F., 2003, Bayesian inversion of imaging spectrometer data using a fuzzy geological outcrop model, International Journal of Remote Sensing, 24(22), 4301-4310..

본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다

[초고속교통인프라 시대의 솔루션 - 해저터널]

제1편 한국 해저터널 건설 현황과 특징

alt — **김 영 근**
한국지반공학회 부회장
(주)건화 부사장
(babokyg@hanmail.net)

최근 대형교통인프라 건설계획이 증가함에 따라 바다 밑을 통과하는 해저터널(Under sea Tunnel)에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히 육지와 섬을 연결하거나 국가와 국가를 해저터널로 연결하고자 하는 계획은 단순한 꿈이 아니라 그동안 축척되어온 터널 건설기술로서 실현 가능한 프로젝트가 되고 있으며, 세상을 하나의 교통물류 네트워크로 연결하고자 원대한 이상을 조만간 구현할 수 있을 것이라 생각된다.

이러한 관점에서 본 고에서는 한국의 해저터널의 건설 방향과 미래 전망에 대하여 전반적으로 기술하고자 하며, 제1편에서는 한국의 해저 터널 건설현황과 특징을 중심으로 소개하고자 한다.

1. Why - 왜 해저터널인가?

해저터널은 교량, 선박 등과는 달리 태풍, 폭우등과 같은 악천후에도 안정적으로 국내도서지역 및 인접국가간 교통 및 물류 수송체계 운용을 가능하게 하는 주요 사회기반시설로서 활용되어 왔다. 또한 현재 세계 주요지역에서 철도와 운하해저터널 등 격리되어 있는 두 지역을 잇는 글로벌 물류통로 건설계획이 추진되고 있다. 이와 같은 사업이 본격적으로 추진될 경우 국가 간의 지리적인 장벽이 허물어지고 세계 물류환경 뿐만 아니라 향후 정치 외교적인 역학 관계에도 크게 영향을 미칠 것으로 전문가들은 분석하고 있다. 이러한 글로벌물류통로 건설은 동북아를 포함한 세계 각 국가에서 계획되고 있으며, 중국과 타이완의 해저터널, 베링해를 가로지르는 러시아-알라스카 해저터널 그리고 한국과 일본을 연결하는 한일해저터널과 한국과 중국을 연결하는 한중해저터널도 구상되고 있다.

이와 같이 최근 들어 글로벌화 및 제4차 산업혁명의 흐름 속에 교역량, 자본이동, 인적교류의증대가 가속화됨에 따라 역내 국가 간의 경제교류 확대에 대비한 사회문화적·물리적·제도적 교류기반의 구축이 중요해지고 있다 이러한 시점에서 통합교통·물류체계 구축을 위한 해저터널 건설이 실현될 경우 선진국으로의 발전과 성장에 많은 도움이 될 것이다.

현재 한국에서도 해저터널에 대한 관심이 증가하고 있으며, 특히 지자체 등을 중심으로 섬과 육지를 연결하거나, 해협을 바다 밑으로 최단거리로 횡단하여 교통문제를 개선하여 주민편의를 증대시키고 교통물류시스템을 개선하고자 하는 계획들이 만들어지고 있다.

장거리의 해협을 통과하는 건설방법은 여러 가지 방안이 제시될 수 있지만 바다 밑을 통과하는 해저터널은 많은 장점을 가진다. 표 1에는 각각의 평가요소에 대한 해저터널이 해상교량과 비교하여 평가된 결과이다. 표에서 보는 바와 같이 해저터널은 해상교량에 비하여 공기, 공사비, 전략적 안보, 항해 안전성, 기후 조건, 환경 영향, 시공성 및 지속적인 유지관리성을 확보하고 있음을 볼 수 있다. 따라서 장거리 해협을 통과하는 방법으로는 해저터널이 가장 유리한 건설 방안임을 알 수 있다.

2. How - 해저터널은 어떻게 만들어지는가?

바다 밑을 통과하는 해저터널을 건설하는 방법은 크게 NATM 공법, TBM 공법, 침매공법으로 구분되는데, 각각의 건설공법에 대하여 간단하게 기술하였다.

2.1 NATM 공법

NATM 공법은 가장 오래된 전통적인 터널공법으로서 주로 발파(Drill and Blast)를 이용하여 굴착하며, 숏크리트와 록볼트와 같은 지보재를 이용하여 터널의 안정성을 확보하는 방법이다. 국내외적으로 적용실적이 많으며 보강공법이 발달하여 암반구간뿐만 아니라 토사구간에서도 적용할 수 있다. 대표적인 해저터널로는 세이칸 터널(연장 53.85km)이 있다.

2.2 TBM 공법

TBM(Tunnel Boring Machine)이라고 불리는 기계장비를 이용하여 굴진하는 터널공법으로서 암반에 적용되는 그리퍼 TBM과 연약토사층에 적용되는 쉴드 TBM으로 구분된다. 기계공학의 발달과 함께 대단면의 TBM 장비가 개발되어 적용되고 있으며, NATM 공법에 비교하여 안전하다는 장점을 가지고 있어, 특히 리스크가 많은 해하저 터널에서의 적용성이 크다. 대표적인 해저터널로는 영불해협을 통과하는 유로 터널(연장 50.45km)이 있다.

2.3 침매공법

침매터널공법(Immersed Tunnel)은 육상에서 제작한 대형 콘크리트 구조물인 함체(침매함)를 바다 속에 가라 앉혀 물속에서 연결하여 고정시켜 터널을 건설하는 공법이다. 이 공법은 NATM공법과 TBM공법과 달리 지반을 직접 굴착하지 않고, 바닷속 지반위에 함체를 고정하는 방법으로 비교적 얕은 심도의 해저구간에 적합한 공법이다. 대표적인 침매터널로는 덴마크와 스웨덴을 연결하는 Oresund 터널(연장 3.5km)이 있다.

3. Which - 한국의 해저터널 건설사례는 무엇이 있는가?

3.1 운영 중인 해저터널

1932년 국내 최초로 만들어진 통영 해저터널은 길이 461m, 너비 5m, 높이 3.5m로 양쪽 바다를 막고 바다 밑을 파서 운하폭을 넓힌 콘크리트 터널을 건설한바 있으며, 현재는 인도용으로 사용 중에 있다. 실제적인 교통인프라목적의 해저터널은 2003년에 거가대교도로에 건설된 해저터널이다. 거제 부산간을 연결하는 거가대교 8.2km 구간중 3.7km구간은 침매공법으로 만들어진 해저터널로서 현재 운영 중에 있다. 또한 2017년에 인천김포 고속도로구간에 해저터널이 개통되었다. 인천북항 해저터널은 국내 최장해저터널로서 연장은 5.6km, 최저 해저심도는 59m이며, 주거지 및 환경에 영향을 주지 않기 위해 터널방식으로 건설되었다.

3.2 시공 중인 해저터널(2021년 12월 개통)

현재 국내에서 시공 중인 해저터널은 보령 해저터널이다. 본 해저터널은 보령시 대천항에서 태안군 영목항까지 연결하는 도로구간(연장 14.1km)으로 해저터널구간은 연장 6.9km의 상하행 분리터널로 NATM 공법으로 시공 중에 있다. 지난 2019년에 관통되었으며, 2021년 준공목표로 공사가 진행되고 있다. 보령 해저터널은 국내 최장 해저터널로서 개통되면 대천에서 영목항까지 걸리는 시간이 기존 90분에서 10분으로 단축된다.

3.3 계획 중인 해저터널

국내에 계획 중인 대표적인 해저터널은 지자체를 중심으로 추진되고 있는 목포-제주 해저터널과 여수-남해 해저터널이 있다목포-제주 해저터널 사업은 호남고속철도를 제주까지 연장하자는 것인데, 목포-완도-보길도-추자도까지는 교량으로 연결하고 추자도에서 제주까지는 해저터널(연장 73km)로 연결한다는 구상이다. 본 해저터널에 대한 타당성조사용역을 수행하여 비용편익 분석이 0.894로 경제성을 확인한 바 있다. 고속철도가 서울에서 제주까지 이어질 경우 기상과 상관없이 이동체계가 안정돼 관광객과 물류 수송에 도움이 되며, 또한 제주를 찾는 국내·외 관광수요가 남해안축에 영향을 미쳐 관광산업도 더욱 확대될 것으로 기대된다. 여수-남해 해저터널 사업은 여수시 상암동-경남 남해군 서면 서상리 국도 77호선에 해저터널 5.93㎞를 잇는 등 총 사업비 6312억원을 들여 7.3㎞구간에 4차로를 신설하는 계획이다. 터널이 개통되면 현재 두 도시 간 차로 80분 걸리는 거리가 5분으로 줄어든다는 것이다. 그러나 이 사업은 현재까지 예비타당성심사결과 경제성이 부족하다는 평가이다.

4. What - 한국 해저터널 건설의 특징

지금까지 해저터널의 건설공법과 한국에 운영 중이거나 시공 중 또는 계획 중인 해저터널의 현황을 살펴보았다. 이로부터 한국해저터널 건설의 특징을 정리하면 다음과 같다.

o 지금까지 해저터널프로젝트 시공 및 적용사례 적음
해저터널은 높은 기술적 난이도와 과도한 공사비 부담 그리고 시공중 리스크 문제로 인하여 해저터널에 대한 적용사례가 매우 적음을 볼 수 있다. 특히 도로 및 철도 등의 교통인프라용 해저터널은 단면이 크고 연장이 길어지게 되어 사업비가 증가하게 되어, 각각의 해저터널 사업계획에 대한 면밀한 기술 검토가 수행되고 있다.

o 세계적 수준의 국내 터널기술로 해저터널 건설기술 확보
국내는 산악지형이 많은 지형적 특성으로 터널공사가 많기 때문에 다양한 기술노하우가 축적되었고, 육상구간 및 하저구간에서의 터널건설 기술이 세계적 수준에 도달하여 기술적 리스크가 큰 해저터널에 필요한 터널건설기술은 확보되었다 할 수 있다. 특히 국내외 해하저 터널설계 및 시공경험을 바탕으로 초장대 해저터널건설은 충분히 가능하다 할 수 있다.

o 계획 중인 해저터널프로젝트에 대한 총체적 대안 마련
지자체를 중심으로 여러 가지 해저터널프로젝트 계획이 수립되어 왔지만, 해저터널사업에 대한 비용편익 분석결과 경제성이 미흡한 것으로 평가되는 경우가 많게 분석되었다. 따라서 경제성 확보를 위한 전략적 검토 및 대안이 요구되며, 산학연 중심으로 스마트 교통물류시스템 및 관광 산업과의 연계 전략 등을 수립하여야 한다.

o 장기적, 전략적 해저터널프로젝트 건설계획 수립
해저터널프로젝트는 해상교량에 비하여 안정성, 시공성 및 유지관리성 측면에서 유리하며, 특히 환경 영향 및 전략적 안전성을 확보할 수 있는 장점이 크다고 할 수 있다. 따라서 섬과 육지를 연결하고, 해협을 통과하고, 국가간을 연결하는 초고속 교통물류시스템의 기술적 해결책이므로 해저터널프로젝트가 계획되어야 하며, 장기적이고 전략적인 측면에서 체계적인 마스터 플랜이 수립되어야 한다.