1. 개요

해안의 침식, 산사태, 지진 하중(seismic loading)과 같은 지질학적 위험은 언제나 공공의 고속도로 건설과 유지관리를 위협함. 지상 기반의 광 탐지 및 거리 측정(Light Detection and Ranging, LiDAR)과 같은 지구 레이저 스캐닝(terrestrial laser scanning, TLS)을 이용한 반복조사(repeat surveys)는 신속한 3차원 데이타 획득을 가능하게 하여 그와 같은 문제를 일으키는 과정을 맵핑하고 관측하며 분석하고 이해하도록 해줌. 이전에는, 스캔 조사들 사이에 변화를 탐지하고 분석하는 것은 현장에서 데이타를 수집하는 도중에 수행된 것이 아니라 사무실로 돌아온 후 사후처리(post-processing) 동안 수행되었음. 현장에서의 변화 감지는 현장 조사의 효과성과 효율성을 향상시킴. 이 연구에서는 새로운 알고리즘이 개발되었는데, 이는 현장에서 입수하자마자 스캔을 신속히 지리적으로 참조하고(geo-reference) 동시에 새로 얻어진 스캔을 기준 모델과 비교함으로써 변화 탐지를 수행함.

이 알고리즘은 단순하고 직관적인 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface, GUI)와 통합되었고, 이는 데이타가 현장에서 얻어지는 도중에 변화 탐지가 신속하게 (스캔 당 1분 이내) 완료되도록 함. 이 소프트웨어는 또한 생산적인 작업흐름(workflow)이 일어나도록 개선되어 왔음.

알고리즘의 실행과 테스트는 주정부 기관들에게 문제가 많았던 여러 지역에서 진행중임. 활동적인 이동을 보여주는 2곳의 테스트 지역은 오레곤(Oregon) 주에 있는 고속도로 101을 따라서 있음. 이 2곳은 스펜서 크릭 교량(Spencer Creek Bridge) 지역과 존슨 크릭 산사태(Johnson Creek landslide)임. 추가적인 시험 지역은 US20 파이오니어(Pioneer)-에디빌(Eddyville) 고속도로 재조정 프로젝트인데, 여기서는 여러 활동적인 산사태와 제방 채움 경사의 표면 경사 파괴가 공사 작업을 상당히 교란하였음. 이 지역들에서 상당한 기본 정보가 수집되었고, 이는 오레곤 교통부(Oregon Department of Transportation, ODOT)와 오레곤 지질 및 광물 산업부(Oregon Department of Geology and Mineral Industries, DOGAMI)에 의한 미래 연구에 유용할 것임.

현장에서 변화 탐지를 수행하는 것은 현재의 사후처리 작업흐름에 비해 상당한 이점을 제공함. 첫째, 현장의 변화 탐지는 증대된 현실 시스템(augmented reality system)으로써 작용하며, 이는 현장의 인원들과 연구자들이 현장에서 즉각적인 결과를 관측할 수 있도록 함으로써 그들의 개인적인 기억과 노트에 의존하는 것보다 현장에 있는 동안 핵심적인 관측을 할 수 있음. 둘째, 조사의 전반적인 효율성을 향상시킬 수 있음. 이 정보가 현장의 데이타 획득 중에 운영자에게 가용할 때, 매우 작은 변화 지역은 좀더 거친 해상도로 신속히 조사될 수 있고, 상당한 변화가 있는 지역은 더 높은 해상도로 스캔될 수 있음. 이는 줄어든 처리 시간과 데이타 유지관리로 이어지는데, 현재 이들은 3차원 레이저 스캔 데이타셋을 분석하는데 상당한 장애가 되고 있음. 마지막으로, 이 방법은 수집되고 있는 레이저 스캔 데이타와 실시간 운동역학적 RTK GPS의 즉각적인 확인과 품질 관리를 제공하여, 얻어진 데이타에 좀더 많은 확신을 가져다주고 어떤 이슈도 현장에서 바로 해결될 수 있도록 함.

2. 소개

2.1 프로젝트 개요

이 연구는 고속도로 건설, 유지관리, 및 모니터링에서 3차원 레이저 스캐닝에 대한 새로운 사용을 개발하고 개선하는데 중점을 두고 있음. 이는 교통부가 문제 지역과 위험이 발생하기 전에 이를 탐지하는 것을 도와주는데 있어 중요함. 그렇게 함으로써 공공의 안전과 자원 사용의 효율성을 향상시킴. 예를 들어, 가파른 바위의 절단과 활발한 산사태는 오레곤 주의 고속도로 코리더의 많은 지역 (특히, 해안 지역) 에서 매우 문제가 될 수 있음. 고속도로의 폐쇄나 제한된 교통 흐름은 상당한 경제적 손실을 가져올 수 있는데, 특히 다른 지역과 연결하는데 제한적인 경로를 가지고 있는 지역에는 더욱 그러함. 게다가, 이러한 코리더의 많은 곳은 윌라멧 밸리(Willamette Valley)로부터 오레곤의 해안으로의 생명선 역할을 함. 따라서, 이와 같은 결정적인 경로는 사람들을 해안으로부터 대피시키고 긴급상태와 재해상황에서 물자를 운반하기 위해 열려져 있어야 함. 많은 산사태는 재난적인 파괴에 앞서 어떤 형태의 이동을 보임. 반복적인 모니터링에 의해 발견은 유관기관들에게 그러한 이동의 공간적, 시간적 가변성(variability)에 대한 결정적인 정보를 제공할 수 있음. 그렇게 함으로써 교통부는 긴급상황 하에서 신속하게 조치를 취하도록 하는 대신 위험이 발생하기 전에 최적의 해결책을 결정할 수 있음.

3차원 레이저 스캐닝은 상대적으로 새롭고 다양한 기술임. 따라서 지구 레이저 스캐닝의 많은 적용은 완전히 개발되지 않았음. 이 강력한 기술은 상당한 양의 지리정보데이타를 신속하게 얻을 수 있는 효율적인 방법으로 보여졌왔음. 그러나 하드웨어와 소프트웨어 비용, 가파른 배움곡선(learning curve), 기술적 숙련도, 그리고 다른 요소들 때문에, 지구 레이저 스캐닝은 교통 부문에서 폭넓게 채택되지 않았음. 오레곤 교통부와 일부 다른 정부기관들은 일부 프로젝트에 현재 3차원 스캐닝을 사용함. 그러나, 이와 같은 사용은 데이타 처리와 해석을 위해 요구되는 자원과 시간에 의해 제한됨. 오레곤 교통부는 더 용이한 시행에 대한 필요를 표현해왔고 이 기술의 사용을 확장해왔음.

게다가, 이 프로젝트는 고속도로 101의 부분을 따라 있는 해안 절벽의 안정도와 침식이 공공 인프라와 해안 개발에 미치는 영향을 연구함. 최근의 논문들은 해양이 관광 지출을 통해 지역과 주정부의 경제에 수익을 가져다주는 여러 해안 타운에 미치는 파괴적인 영향을 논의함. 이러한 해안 지역들은 항상 폭풍, 해수면 상승, 그리고 쓰나미(tsunami)의 위험에 노출되어 있음. 실시간 변화 분석 도구는 복원과 예방조치의 효과성을 평가하기 위해 사용될 수 있음. 해안 절벽의 후퇴율(recession rates)을 결정하는 것은 적절한 개발 지연법(development setback laws)의 창조를 안내하고, 도로 및 다른 공공 인프라의 보호를 위한 복원노력의 우선순위를 결정하는데 도움을 줄 것임.

현재 오레곤 교통부에서의 또다른 강조점은 전통적인 2차원 종이 기반의 설계에서 3차원 디지탈 설계로 전이하는 것임. 레이저 스캐닝 기술은 엔지니어링계가 새로운 첨단의 3차원 분석과 설계 기술로 이동하는데 도움을 줄 것임. 완벽한 3차원 고속도로 설계 모델은 상당한 시간과 비용 절감을 제공하고, 도로의 생명주기에 대해 공간적, 시간적 데이타베이스가 될 수 있을 것임. 레이저 스캐닝 기술의 증가된 사용은 스캐너로부터 실시간 정보 분석에 대한 시스템을 생성함으로써 공사의 자동화와 기계 제어 목적을 위해 3차원 레이저 스캐닝을 시행하는데 있어 오레곤 교통부를 도울 수 있음.

2.2 연구의 목적

이 프로젝트는 고속도로 모니터링의 효율성과 효과성을 향상시키기 위한 기술적, 과학적 진보에 중점을 두고 있음. 다음의 중요한 목적들이 달성되었음:

·중요한 시계열 3차원 데이타를 얻는다: 연구진은 손상을 입은 공공 인프라의 부분들을 포함하는 상당한 양의 시계열 데이타를 수집해왔음. 이 데이타 (그리고 이 지역에서 수집된 미래 데이타) 는 가능한 완화기법(mitigation techniques)을 밝히기 위한 산사태와 다른 형태의 사면 이동(mass wasting)에 대한 지반 모델링과 분석에 중요할 것임.
 
·새로운 실시간 변화 탐지 알고리즘을 개발한다: 새롭게 개발된 실시간 변화 탐지 알고리즘이 프로그램되었음. 알고리즘은 크기가 작고 신속하며, 다양한 레이저 스캔 데이타셋과 작동되도록 설계되었음. 오픈소스(open source) 프로그램이 고속도로의 위험부분을 모니터링하는데 사용하기 위해 오레곤 교통부의 지오메트로닉스(geometronics)와 다른 곳에 제공되어 어떤 이동 탐지하거나 이전의 방문 이후로 이동이 일어나지 않았다는 것을 나타낼 것임.
 
·지질학적 과정에 대한 이해를 증가시킨다: 고해상도 레이저 스캔 데이타는 연구진으로 하여금 전통적인 관측과 측정을 피하도록 하는 해상도에서의 처리를 보고 이해할 수 있도록 함. 이는 사면의 불안정으로 이끄는 침식과 다른 과정에 대한 이해를 향상시킨다.
 
·3차원 조사의 효율성과 품질을 향상시킨다: 이 실시간 시스템의 개발은 사용자로 하여금 더 높은 해상도가 언제 어디서 필요한지 결정하도록 함으로써 현장 연구가 더욱 효율적으로 되도록 할 것임. 또한 변화 분석 그자체는 현장 데이타 수집에 대한 품질 제어로써의 역할을 함. 왜냐하면 기본 모델과 비교할 때 어떤 데이타의 불일치도 변화로써 나타날 것이기 때문임.
 
·자원의 분배를 향상시키기 위해 오레곤 교통부에 중요한 정보를 제공한다: 이 연구는 연구지역에서 일어나고 있는 이동의 확인과 정량화를 가능하게 함. 이와 같은 정보는 교통부로 하여금 모니터링과 수선(rehabilitation) 노력의 우선순위를 결정하도록 해줄 것임.
 
·오레곤 교통부의 또다른 부서와 다른 주정부 기관들을 3차원 기술에 노출시킨다: 이 프로젝트의 다학제전인 성질 때문에 지반, 건설, 운영 등과 같은 부서에 3차원 레이저 스캐닝의 사용을 통해 가용한 추가적인 정보를 시각적으로 보여주는데 유용할 것임.
 

3. 연구 성과

연구진은 시계열 지구 LiDAR 스캔 데이타셋 사이의 변화를 실시간으로 탐지하는 오픈소스 기반의 프로그램을 성공적으로 개발하였음. Lichen은 Qt/C++의 프로그래밍 언어를 사용하여 모듈 형식의 플랫폼으로 개발되었고 소스코드(source code)는 공개되어 있음. 현재, 두가지의 주요 구성요소로 설계되었는데, 하나는 주요 Lichen 모듈이고 다른 하나는 Riegl VZ400 레이저 스캐너를 위한 스캐너 인터페이스 모듈임. 제조사가 SDK를 제공하여 사용자로 하여금 레이저 스캐너와 상호작용 할 수 있도록 하기 때문에, 추가적인 스캐너가 Lichen에 통합될 수 있음. 만약 다른 사용자들이 벌서 그들의 스캐너와 인터페이스가 가능하다면 그들은 Lichen의 작업흐름과 맞는 결과 파일(output files)을 얻을 수 있음.

추가적으로, Lichen은 워크스테이션(workstation) 컴퓨터에서부터 모바일 노트북에 이르기까지 다양한 범위의 하드웨어에 걸쳐 작동할 수 있음. Lichen은 사용자에게 다른 시간에 찍힌 스캔들 사이에서 실시간 변화 탐지를 활용할 수 있는 능력을 제공함. 어떤 데이타 분석이 시작되기 전에 반복 스캔 데이타에 대한 사후처리를 수행하기 위해 사무실로 돌아올 필요가 없음. 처리과정 자체가 신속하고 현재의 작업흐름 방법론을 교란시키지 않음. 또한, 소프트웨어가 기술적인 절차들을 거의 자동으로 처리하기 때문에 Linchen 사용자들은 포인트 클라우드(point cloud) 조작과 처리에 전문가일 필요가 없음. 이는 LiDAR 기술자들로 하여금 현장에서 평가를 수행할 수 있도록 함.

현장에서 실시간 변화 탐지를 가능하게 하는 것은 사용자로 하여금 그들이 수집하고 있는 데이타의 품질과 관련성에 대해 판단을 할 수 있도록 함. 모니터링 목적을 위해 지역의 주기적인 스캔을 하는 사용자들은 많은 양의 과도한 데이타를 축적할 필요가 없음. 사용자의 목적에 심각한 크기의 변화가 탐지되면, 중요한 지역에 대한 고해상도의 스캔이 쉽게 수행될 수 있음.