무인항공시스템을 활용한 저수지 제체 누수위험 분석
Leakage Risk Analysis of Reservoir Embankment Using Unmanned Aerial Vehicle System
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Abstract
우리나라 대부분의 저수지는 노후 저수지로써 누수 및 변형으로 인하여 안정성에 큰 문제를 갖고 있다. 저수지 제체는 정밀안전진단 시 현장외관조사, 지반조사, 물리탐사를 통한 제체 안정성을 분석하고 있지만 많은 시간과 비용이 소모되며, 제체 누수탐지에 있어서도 정확한 분석이 어려운 상황이다. 본 연구에서는 무인항공시스템을 활용하여 저수지 제체 누수위험 분석을 수행하고 효율적인 제체 안정성 검토 방안을 제시하고자 하였다. 우선, 모델 저수지에 대해 항공촬영을 수행하고 실영상과 열영상 자료를 취득한 후 저수지 3D지형모델을 생성하였다. 또한, 열화상 정사영상을 활용하여 제체 하류사면의 지표온도 분포 현황을 분석을 하였다. 모델 저수지의 정밀안전진단 자료와 비교 분석한 결과 3D지형모델의 측량 오차는 미미하였고, 제체의 낮은 온도분포 구역은 정밀안전진단 이상대 지점과 일치하였다. 본 연구를 통해 무인항공시스템은 신속하고 경제적인 저수지 제체 위험도 분석이 가능하여 효율적인 저수지 현장조사 기법임을 확인하였다.
Trans Abstract
Majority of domestic reservoirs are decrepit from leaking water and deformations and derived high risk of safety. Typical precision safety diagnosis of reservoir embankment goes through field exterior survey, ground survey, and seismic survey for stability of embankment but this requires considerable time and money and not even precise for analysing embankment leakage investigation. This study, attempted to propose a new method using UAVS (Unmanned Aerial Vehicle system) for embankment risk analysis and efficient embankment stability assessment. First, obtained normal orthomosaic and thermal orthomosaic images of model reservoir was obtained with UAVS and made 3D terrain model was made. Then thermal distribution of downstream slope from thermal orthomosaic was analyzed. Comparing with precise safety material, error of measurement from 3D model was minute and low temperature area distribution was corresponding with ideal range of precise safety diagnosis. It is figured out that UAV method is one of the quick and economical methods for risk analysis of embankment and efficient reservoir field survey.
1. 서론
우리나라는 농경사회를 바탕으로 농업용수 확보를 위해 농업용 저수지를 지속적으로 축조해 왔다. 이러한 저수지는 전국에 17,646개소가 산재하고 있으며, 이 중 내구연한을 초과한 50년 이상된 저수지가 69.5%에 이르고 그 수가 급격히 증가 하고 있다. 위험잠재성이 큰 농업용 저수지는 대부분이 노후화가 진행된 상태로 제체 누수 및 침하 등의 결함으로 제체의 안정성을 위협하고 있으며, 최근 붕괴사고도 빈번하게 발생하고 있다. 흙댐의 붕괴는 월류, 파이핑, 세굴 및 침식 등에 의해 발생되는데, 이러한 주요 원인들은 대부분 제체 내⋅외부에서 시작된다. 최근 저수지 대한 다양한 연구가 진행되고 있지만, 대부분 제체 안정성에 대한 연구보다 홍수량 산정을 통한 월류 가능성에 비중이 큰 편이다. 또한, 안정성 연구는 보통 현장모의 시험을 중심으로 이루어져 왔으며, 저수지 붕괴를 예측 할 수 있는 모니터링 기법에 대한 자료는 미비한 실정이다. 기존 모니터링 방식에는 시간적⋅경제적 측면에서 한계가 있으며, 결과 값에 영향을 주는 여려가지 변수 조건을 고려 할 필요성이 있다. 따라서 저수지 제체 위험도 분석에 대한 보다 효율적인 정량적, 정성적 기준을 제시 할 수 있는 연구가 필요하다.
국내 저수지 관련 연구를 살펴보면, Shon and Lee (2003)는 필댐의 안정성 해석을 위하여 운문댐 제체의 토질시험, 계측 및 시추시험 등의 제체 재료평가를 실시하였으며, 부실시공, 댐 응력전이, 수압할렬, 누수 취약대 등의 평가를 통해 누수 및 거동분석을 실시하였다. Park et al.(2002)과 Kim et al. (2015)은 전기비저항 탐사를 저수지 제체에 적용하였으며, 저비저항대 구간과 누수구간을 비교한 결과 두 구간의 일치성을 확인 하여 누수탐지를 검증하였다. 반대로 Cho et al. (2006)와 Oh(2008)는 제체는 근본적으로 3차원 구조물로써 2차원 탐사인 전기비저항 탐사를 통하여 제체 안정성을 평가하는 것은 왜곡된 결과를 도출할 수 있다고 판단하였다.
UAV는 운용자가 외부에서 조종 가능한 비행체로써, 무인항공시스템(UAVS, Unmanned Aerial Vehicle System)으로도 불리며, 자동항법 시스템이 탑재된 비행체와 지상 장비를 연결하는 통신시스템, 그리고 조종자 까지 포함 할 수 있다(Kim et al., 2011). 이러한 시스템은 고해상도 영상을 간편하고 신속⋅정확하게 취득 할 수 있는 장점을 이용하여 재난, 국방, 농업, 환경 등 다양한 분야에 활용되고 있다.
Murden and Risenhoover (2000)는 무인항공기에 디지털 카메라를 탑재하여 농경지 일대에 대해서 모니터링 방안을 제시하였으며, 저고도 비행을 실시함으로써 고해상도의 영상을 취득하였고 세부적인 생태학적 변화를 탐지하였다. Eisenbeiss (2004)는 무인멀티콥터에 레이져스캐너와 GPS/INS를 탑재하여 항공촬영을 실시하였고, 취득 데이터를 활용하여 3D Mapping system을 제안하였다.
국내에서 UAV를 저수지에 활용한 사례로는 호우에 의한 저수지 침투피해를 예측하기 위해 UAV 항공촬영을 통하여 수위상승과 저수면적을 관측하였으며, 수치표면모형 및 정사영상을 생성하고 지상기준점을 활용하여 오차가 적은 결과물을 획득 하였다(Park, 2014; Park and Park, 2015; Lee et al., 2016).
기존의 저수지 안전에 관한 선행연구는 제체의 수위상승과 저수면적 증가에 따른 피해예측에 대한 연구가 주를 이루며 UAVS를 활용한 제체 누수위험 평가와 관련된 연구는 시도된 바가 없다. 본 연구에서는 UAVS를 활용한 저수지 제체의 정량적 분석과, 온도분석에 따른 누수구간을 탐지하여 저수지 붕괴로 인한 피해를 예측 할 수 있는 시스템을 고찰하였으며, 기존의 방식보다 진일보한 국내 저수지 누수 모니터링 분석 기법을 제시하고자 한다.
2. 연구재료 및 방법
2.1 무인항공시스템
2.1.1 UAVS
본 연구에서 사용된 비행체는 회전익 드론으로 (주)SISTECH사의 k-mapper이다(Fig. 1). 항공사진 맵핑전용 비행체로 RTK-GPS가 탑재되어 있어서 비행체의 상세 위치를 제어 할 수 있다. 1회 비행으로 8 km2의 영역을 최대 30분으로 비행 할 수 있으며, 0.5 ~ 5 cm/pixel의 고해상도 항공사진 촬영이 가능하다. 항공촬영에 사용한 카메라는 NX-500 samsung camera와 열화상 카메라인 Flir Vue pro r을 기체 하부에 장착 할 수 있다. k-mapper 세부제원 내용은 Table 1에 나타내었다.
Multi-Copter Unmanned Aerial Vehicle (k-mapper)
Rotary Wing Unmanned Aerial Vehicle(k-mapper) Specifications
촬영에 활용된 열화상 카메라는 FLIR사의 드론용 열화상 카메라(Fig. 2)로 무게 92 ~ 114 g, 크기 57.4 mm⨯44.4 mm의 작은 사이즈로 드론에 장착하여 항공촬영에 활용 가능하다. Flir Vue pro r은 7.5 ~ 13.5 ㎛ 파장대역으로 운영이 가능 하며 온도범위는 –25°C ~ 135°C이고 정확도는 ±5°C의 오차
Flir Vue Pro r (FLIR)
범위를 포함한다. 픽셀별 온도 측정기능이 있어 온도별 다양한 칼라 이미지를 지원한다. 실시간 화면상에 최고온도와 최저온도를 표시 할 수 있고 비디오 다운링크도 가능하다.
2.1.2 데이터 처리 시스템
비행경로, 비행고도, 촬영해상도, 촬영 중복도 등 데이터 취득을 위한 비행계획을 Mission planner 소프트웨어를 이용하여 자동항법시스템을 설정하고 Google satellite map을 기반으로 연구대상지역 범위를 설정하였다. 비행 도중에는 고도, 풍속, 배터리 잔여량 등의 기체 상태를 실시간으로 모니터링 할 수 있다.
Pix4D Mapper는 항공촬영된 영상을 이용해 공간정보 자료인 수치표면모형(DSM, Digital Surface Model), 정사영상(Orthomosaic), Point cloud, 3D Mesh를 생성할 수 있는 영상처리 소프트웨어이다. 취득한 공간정보 데이터는 Virtual Surveyor 소프트웨어를 통하여 좌표값이 입력되어 있는 하나의 3D지형모델로 생성 할 수 있다.
생성된 모델은 길이, 면적, 부피, 경사도 등 다양한 가상측량을 통하여 정량적 데이터를 확보 할 수 있다.
2.2 연구대상지역
연구 대상지역은 지자체 관리 재해위험 저수지로써 경기도 용인시 처인구 남동 542일원에 위치하고 있는 신기 저수지를 선정하였다(Fig. 3). 신기 저수지는 1968년도에 준공되었으며, 2015년 정밀안전진단 종합 상태평가 및 안전성평가 결과 D등급으로 평가되었다.
Location of Singi Reservoir(Daum Map)
신기 저수지는 존형 필댐으로 제체 높이는 5.5 m, 저수지 연장은 150.0 m, 총 저수량은 450,000 m3이고, 저수지와 인접하여 상류측에는 대학교 캠퍼스가 위치하고 있으며 하류측에는 농경지 및 마을 농가가 분포하고 있어서 저수지 붕괴 시 침수 피해가 클 것으로 예상된다.
저수지 시설물 상태평가 기준은 각 부재별로 발견된 결함의 종류, 범위 및 정도에 따라 각각의 상태평가 기준을 적용하며, 복합부재의 길이, 면적, 부피, Capacity 등을 고려한 상태평가지수(Ec)를 산출하여 상태평가등급을 결정한다.
복합시설물 평가 항목 중 저수지 제체가 차지하는 중요도는 65%의 높은 비율을 차지한다. 신기 저수지는 49개 제체 조사망의 개별시설물 상태평가 결과, 종합 D등급의 낮은 등급을 판정받았다. 상태평가 상세 내용(Korea Water Resources Corporation, 2015)은 Table 2와 같다.
Result of Embarkment Condition Assessment
또한, 신기 저수지 제체 하류부 49개 조사망 상세외관 조사 결과 Fig. 4와 같은 지역에 습윤 및 누수 구역이 확인되었다. 따라서 무인항공시스템을 이용한 저수지 제체 누수위험 분석에 적지로 판단되어 연구 대상지를 선정하였다.
Leakage Map of Singi Reservoir Embankment
2.3 비행계획 수립 및 촬영
2.3.1 지상기준점 측량
사진 정렬의 최적화 과정은 지상기준점(GCP: Ground control Point) 데이타를 입력함으로써 사진 위치가 재 정렬되는 과정으로 카메라 외부 및 내부 매개변수를 계산하여 높은 정확도를 달성하고 왜곡을 최소화하여 실행하는 과정이다. 영상접합 과정 중 GCP 지점을 삽입하여 영상매칭을 통하여 측량 왜곡현상을 방지시켜주며 지점이 많을수록 영상 정확도가 높다. 본 연구에서는 오차가 작은 GPS 정지측량 방법으로 5개의 대공표지판을 설치하여 고정된 지점의 좌표를 위성과 GPS측량장비를 이용하여 5개 GCP 좌표를 취득하였다. 좌표체계는 Korea 2000/ Central Belt 2010을 적용하였으며, 평면좌표는 1개의 세션 당 10회씩 관측하여 평균값을 산출하였다. 해당 GCP 위치는 Fig. 5와 같고, 좌표는 Table 3에 나타내었다.
Singi GCP Acquisition Point
Ground Control Point Survey Result
2.3.2 UAVS 항공촬영
회전익 드론의 장점은 이⋅착륙 지점의 제한이 적어서 좁은 지역에서도 비행이 가능하다는 점이다. 신기 저수지 주변은 넓은 구역을 확보하기 힘든 상황으로 k-mapper 기체를 이용하여 저수지 댐마루에서 반자동 방식으로 이⋅착륙을 실시하였다.
총 2번의 비행을 거쳐 각각 실영상, 열영상 촬영을 실시하였다. 실영상 촬영은 저수지 주변지역을 포함한 전체 면적 촬영을 위해서 140 m의 고도에서 종중복도 85%, 횡중복도 75%로 설정하여 3.18 cm/pixel의 GSD (Ground Sample Distance)로 촬영을 하였다. 열영상 촬영은 저수지의 제체 구간 누수탐지를 위하여 댐마루, 제체 하류부를 중심으로 하였으며, 열화상 카메라 사진 해상도 조건을 고려하고, 온도측정 중요한 요소인 대기 투과율의 영향을 줄이기 위해 표면사이 거리를 최소화하여 고도를 60m로 낮게 설정하였다. 종⋅횡중복도 또한 90%로 교차 설정하여 7.85 cm/pixel의 GSD로 촬영하였다. 촬영 시간은 오후 15:00 ~ 16:00에 진행 하였다.
2번의 비행을 거쳐 취득한 자료는 크게 2가지로 구분 할 수 있다. 첫 번째로, 해당 지역의 디지털 영상으로 79장의 실영상 JPG파일, 498장의 열영상 TIFF파일로 열영상 촬영은 낮은 비행고도와 높은 중복도로 인하여 영상 결과물 또한 다량으로 취득할 수 있었다. 두 번째로, 촬영 영상과 동시에 획득 할 수 있는 로그 데이터로써 UAV에 내장되어 있는 GPS/INS를 통하여 각 영상의 위도, 경도, 표고, x, y, z좌표축에 대한 회전인 roll, pitch, yaw에 대한 정보를 취득 하였다. 자세한 비행자료와 취득 데이터 상세 내용은 위의 Table 4와 같다.
Flight and Acquisition Data of Singi Reservoir
2.4 Create 3D Terrain Model
3D 지형모델 생성을 위해 항공촬영 취득 영상과 현장 GPS 측량을 통한 지상기준점을 이용하여 수치표면모형(DSM, Digital Surface Model)과 정사영상(Orthomosaic)을 생성하였다. 먼저, 취득한 영상을 입력하고 내⋅외부 표정요소를 설정하는데, 로그데이터를 입력하면 자동으로 요소 값이 설정된다. 그 다음, 지상 기준점을 바탕으로 영상좌표를 지상좌표로 변환한 후 지상기준점과 영상의 정확한 지점을 일치시켜주는 영상매칭 작업을 시행하였다. 영상매칭 후 기하처리 과정에서 적절한 RMS (Root Mean Square) error 범위를 확인한 뒤에 공간정보 데이터를 생성하였다. 자세한 생성 과정은 Fig. 6과 같다.
Processing Flow of DSM and Orthomosaic
기하처리 과정 중 정확도를 향상시키기 위하여 5개의 GCP를 이용한 항공삼각측량(AT, Aerial Triangulation)을 실시하여 보간, 보정 등의 수행을 통해 정확한 분석이 가능한 정사영상을 생성하였다. 해당 지역의 평균 RMS error는 0.0017 m로써 매우 적은 수치를 보여주고 있다.
정확도를 검증하기 위하여 생성된 정사영상과 1/500의 수치지형도를 중첩시켜 본 결과, Fig. 7과 같이 매우 정확한 위치로 일치됨을 확인 할 수 있었다. Fig. 8은 생성된 수치표면모형(DSM)으로 색상에 따른 고도 값을 나타낸다. Virtual Surveyor 소프트웨에서 두 개의 공간정보를 결합하여 좌표값이 입력되어 있는 3D지형모델을 생성하였다(Fig. 9).
Matching Orthomosaic with Contour Map
DSM of Singi Reservoir
3D Terrain Model of Singi Reservoir
2.5 Thermal Map
2.5.1 Radiometric Temperature Measurements
모든 물체는 모두 절대영도(-273℃) 이상의 온도를 갖고 있으며 이에 대응하는 에너지인 적외선을 방사하고 있다. 라디오 메트릭 열화상 카메라는 고유의 적외선의 강도를 해석하여 표면 온도를 측정하는 비접촉 및 비파괴 기술(NDT, Non Destructive Technique)로써, 무인항공시스템에 적용하여 광범위한 분야에 활용 가능하다.
온도 측정에 주요한 영향을 미치는 표면 특성인 방사율은 흑체에서 복사되는 에너지에 따른 같은 온도의 일반 물체에서 복사되는 에너지의 비율로 0과 1사이의 값을 갖으며 온도 및 시야각, 산화, 스펙트럼 파장, 대기 투과율 등의 영향을 많이 받는다. 표면 방사율은 태양광의 영향 및 배경온도의 반사의 영향을 줄이기 위하여 0.90 이상으로 높은 값을 가져야 한다. 일반적으로 물은 0.92 ~ 0.96, 젖은 흙은 0.95, 마른 흙은 0.90, 나무 등 식생은 0.90 이상의 값을 갖는다(FLIR, 2016).
본 연구에서는 UAVS에 장착된 라디오 메트릭 열화상 카메라를 활용하여 신기 저수지 하류사면의 포화된 지반과 건조된 지반을 지표온도 분포 분석을 통하여 검토하였다.
2.5.2 사면온도 측정시험
신기 저수지 제체의 열상촬영을 하기 전 실내시험으로 일반 사면의 온도분석 시험을 실시하였다. 사면에 물을 투과시킨 후 시간에 따라 열화상 촬영을 실시하였으며 촬영 결과를 Fig. 10에 도시하였다.
Thermal Imaging Results of Slopes Over Time
1시간, 4시간, 12시간 경과에 따라 촬영하였으며 물을 투과한 포화지반이 건조지반보다 온도가 약 2.6 ~ 3.8℃ 낮은 것으로 나타났으며 시간이 경과 할수록 온도 차이의 명확한 구분을 보였다.
2.5.3 열화상 정사영상 제작
두 번째 비행에서 취득한 열영상과 로그데이터를 이용하여 공간정보 자료를 생성하였다. 이전 Pix4D 소프트웨어를 이용한 작업에서와 동일하게 영상입력, 내⋅외부 표정요소 입력, 지상지준점 입력, 영상매칭, Point Cloud 추출, 3D Mesh 생성, DSM 및 Orthomosaic생성 과정을 수행하였다. 단, 열영상 촬영은 저수지 누수가 발생하는 제체 구역만을 집중 대상으로 하여 촬영면적이 적은 이유로 1개의 GCP 지점을 사용하였다.
따라서, Thermal Mapping을 통하여 온도값을 나타내는 신기 저수지 제체의 열화상 정사영상을 생성하였다(Fig. 11).
Thermal Orthomosaic of Singi Reservoir
3. 결과 및 고찰 3.1 제체 정량적 분석
생성된 3D지형모델을 가상측량 소프트웨어인 Virtual Surveyor를 이용하여 실제 제체에 대한 측량을 실시하여 제원정보 및 단면도, 경사도를 추출하였다. 정밀안전진단 제체 횡단면도의 No. 7, No. 4의 단면을 각각 Line1, Line2로 구분하여 측량을 실시하였다(Table 5). 제체의 표고, 높이, 길이 비교분석 결과 적은 수치의 오차로 신뢰성 있는 정확도를 보여준다. 하지만 댐마루 폭과 제체 경사도에 있어서는 현장조사 결과와 다소 차이를 보이고 있다. 이러한 오차가 발생하는 이유는 현장 측량과 가상측량 관측자의 관측 오차와 측량 기준점의 오차가 가장 큰 원인으로 판단된다.
Comparison of Field Survey and Virtual Survey in Singi Reservoir
3.2 제체 누수분석
댐, 사면 등 토목구조물의 시⋅공간적 온도 분포 변화는 이상대를 판단 할 수 있는 정보로 사용 가능하다. 일반적으로 시설물의 노후화 정도에 따라 여러 가지 요인에 의해 균열과 같은 구조적인 변형이 수반되는데, 미소한 온도 변화가 발생 할 수 있다. 대표적인 사례로 오래된 댐의 제체나 그 주변에서 관찰되는 누수 또는 투수 현상을 들 수 있다(Oh and Sun, 2004; Lim et al., 2006). 제체의 온도 분포는 다양한 요인이 영향을 미치는데, 그 중 공극의 유체 포화율은 큰비중을 차지한다. 따라서 본 연구에서는 온도 분포를 나타내는 열화상 공간정보 자료를 활용하여 신기 저수지 전기비저항 탐사 결과와 비교 분석하고 제체 하류부의 함수비를 분석하여 저수지 제체의 누수 이상 유무를 파악하였다.
3.2.1 전기비저항 탐사결과
물리탐사 방법인 전기비저항 탐사는 비파괴 현장조사방법으로 지반조사에 적용된다. 전류의흐름의 정도인 전기비저항이라는 물성치를 이용하며 그 원리는 다음과 같다.
임의의 물체 양단에 일정한 전압을 걸어주게 되면 물체의 고유 특성에 의해 각각 다른 양의 전류를 흘려보낸다. 전류를 적게 흐르게 하는 특성을 전기저항(R)이라 하는데, 만약 도선에 전류를 흘려 보내주면 도선의 성질과 길이(L)에는 비례하고, 단면적(A)에는 반비례하는 다음 Eq. (1)의 전기 저항을 갖게 된다.
ρ 는 비례상수로서, 물체 고유의 전기적 특성으로 전기비저항이라 하며, 단위는 ohm-m이다. 일반적으로 전기비저항은 함수량, 온도, 공극률, 공극의 유체포화율, 점토 함유량, 입자크기, 파쇄대, 풍화정도 등에 의하여 지배된다(Park, 2013). 이 같은 원리를 이용하여 저수지 제체의 함수량 분포도를 추정하여 누수 구역을 파악 할 수 있다. 쌍극자배열 전기비저항 탐사는 지하 매질의 수평, 수직적 전기전도도 변화를 잘 반영하는 신뢰성 높은 방법으로, 각종 지질조사에 널리 적용되고 있다.
본 저수지에 대한 누수분석에도 이 쌍극자 배열법을 이용하였다. 전기비저항 탐사 측선의 위치는 하류사면에서 실시되었으며, 전기비저항 탐사의 해상도와 제방높이를 고려하여 기본 전극 간격을 3.0 m 간격으로 수행되었다(Korea Water Resources Corporation, 2015).
신기 저수지 제체의 전기비저항 탐사 결과는 다음 Fig. 12와 같다. 탐사 결과 얻어진 전기비저항 값의 분포에 따라 포화 정도를 구분하였으며, 최종 해석 결과는 침투수 취약구간인 포화대는 청색계열, 습윤대는 초록색계열, 고비저항대인 건조습윤대는 황색 또는 적색계열로 분류된다. 일반적으로 전기비저항 30 ~ 10,000 Ω·m 범위의 비저항 값을 가지며, 저수지 제방의 제체구간 중 다른 구간에 비해 상대적으로 낮은 값인 150 Ω·m 이하의 저비저항대에 해당하는 구간은 3개소로 R3=0+06 ~ 0+12, R4=0+52 ~ 0+63, R5=0+87 ~ 0+90위치에서 조사되었다. 청색계열을 띄고있는 R4는 27.6Ω·m으로 가장 낮은 비저항 값을 나타냈고, R3와 R5는 초록색 계열로 각각 78.2 Ω·m, 81.5 Ω·m의 저비저항 값을 나타냈다.
Resistivity Survey Result of Singi Reservoir Embankment
3.2.2 제체 온도분포 비교분석
UAVS를 활용한 열화상 촬영을 통하여 신기 저수지의 온도분포도를 생성하고, 기존 누수조사 결과와 비교분석하여 제체 누수구간을 고찰하였다. 생성된 신기저수지 제체 열화상 정사영상과 전기비저항 탐사 결과를 비교 분석한 결과 온도분포가 가장 낮은 T1, T2 구간(Fig. 13)과 전기비저항이 가장 낮은 R4 구간이 일치하는 것을 확인하였다.
Temperature Analysis of Singi Reservoir Embankment
또한 제체 하류부 49개 조사망 상세외관 조사 결과(Fig. 4)의 습윤구간은 Line1과 같이 낮은 온도분포를 나타내었다. Line1 내에 T1의 최저온도 지점은 20.8°C이며, T2의 최저온도 지점은 19.6°C이다. 반면에 습윤하지 않은 구간인 T3의 최고온도 지점은 28.39°C로 높게 나타났다.
따라서, 신기 저수지 제체 하류부 49개 조사망 상세외관 조사결과와 열화상 정사영상의 온도분석 결과가 밀접한 상관성을 갖고 있는 것으로 나타났다. 각각의 온도값은 Q-GIS 소프트웨어의 Value Tool 기능을 활용하여 섭씨온도를 측정하였다.
그러나 전기비저항 탐사 결과의 R3의 저비저항 구간은 열화상 촬영 결과와 다소 상이하게 나타나는데, 이는 유체 포화율을 제외한 전기비저항 결과에 영향을 미치는 다양한 요소들이 결과 값에 영향을 미칠 가능성이 있기 때문인 것으로 판단된다. 보다 정확한 모니터링을 위해서는 제체 하류부의 전기비저항 탐사 간격을 좁혀서 구간별 탐사결과를 획득할 필요성이 있으며, 다양한 시간대와 계절에 열화상 촬영이 이루어진다면 더 정밀한 결과 분석이 가능 할 것으로 판단된다.
3.3 자치단체 재해위험 저수지 관리대책
저수지⋅댐의 안전관리 및 재해예방에 관한 법에서 중앙재난 안전대책 본부장은 저수지의 안전관리 및 재해예방을 위하여 데이터베이스(DB, Data Base)를 구축하여 종합적이고 일원화된 정보의 제공과 기술의 축적⋅보급을 위한 체제를 확립하여야 한다고 명시되어 있다(Yoon, 2012). 하지만, 저수지에 대한 대부분의 조사 항목들은 시간과 비용적인 측면에서 효율성이 낮으며, 정밀안전진단에 근거한 기본 조사 작업으로서 수행된다.
농업용 저수지는 1종 저수지의 경우 축조한지 10년 이상 경과한 저수지에 대하여 5년에 1회 이상 정기적으로 정밀안전진단을 실시하고, 2종 저수지의 경우 안전점검 결과에 의해서 정밀안전진단 실시 여부를 판단한다. 진단 결과를 바탕으로 D등급 이하의 판정을 받은 저수지는 개‧보수 공사를 실시하게 된다. 하지만 저수지 정밀안전진단은 농어촌공사에서 1995년부터 2009년까지 15년 동안 총 487개소에 대하여 실시하였는데, 이와 같은 추세라면 1945년 이전에 축조된 8,352개소의 노후화된 시군 관리 저수지의 정밀안전진단을 완료하려면 200 ~ 300년의 시간이 소요 될 것으로 예상되며, 현재 정밀안전진단 비용은 지구당 평균 약 4,000만원으로 막대한 예산이 필요할 것으로 추정된다(Yoon, 2012). 이러한 여건을 고려 했을 때, 현재의 방식으로 지자체 저수지를 관리하는 것은 한계가 있다.
또한, 정밀안전진단 항목 중 전기비저항 탐사는 저수지 제체의 누수탐사에 가장 보편적으로 사용되는 물리탐사 방법 중 하나이지만, 실제 전기비저항 탐사는 댐마루에 주로 실시되는 2차원 탐사로써 측선의 방향이 제체와 평행한 종방향이며, 이에 수직한 횡방향에 대해서는 물성변화 및 지형변화 등의 오차가 큰 편이므로 3차원 구조물인 저수지 제체에 2차원의 전기비저항 탐사는 왜곡된다(Cho et al., 2006).
따라서 본 연구에서 생성된 3D지형모델은 다양하고 정밀한 측량 데이터를 간편하게 획득할 수 있으며, 열화상 정사영상은 저수지 제체의 온도분석을 통하여 누수 및 습윤 구간을 탐지 할 수 있는 매우 효율적인 모니터링 방법이라고 판단된다. 인력을 통한 육안조사 및 현장조사의 한계점을 극복하기 위해 UAVS를 이용하여 주기적인 모니터링과 데이터 축적을 이어간다면, 전국의 지자체 재해위험 저수지 관리에 매우 유용할 것으로 판단된다.
4. 결론
본 연구에서는 무인항공시스템을 활용한 재해 위험 저수지 제체의 정량적 분석과 온도분석에 따른 누수구간을 탐지하여 저수지 붕괴로 인한 피해를 사전에 방지 할 수 있는 방안을 고찰하였으며 기존의 방식보다 차별화된 국내 저수지 누수 모니터링 분석 기법을 제시하고자 하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) 무인항공시스템의 항공촬영 취득 영상과 현장 지상기준점을 활용하여 실영상 수치표면모형 및 정사영상 생성 결과, RMS (Root Mean Square) error는 0.0017m의 적은 수치를 나타냈고 정사영상과 1/500의 수치지형도를 중첩시켜 검토한 결과, 정확한 위치에 일치되는 것이 확인되어 UAVS를 활용한 저수지 제체 위험 분석기법은 정확도를 기반으로 하는 저수지 제체의 고정밀 공간분석에 적용가능 할 것으로 판단된다.
(2) 실영상 수치표면모형과 정사영상으로 3D지형모델을 생성하여 제체의 표고, 높이, 길이를 현장측량 자료와 비교분석 한 결과, 매우 유사한 값을 나타내었고 저수지 현장측량 및 외관 조사 시 시간적⋅비용적인 측면에서 기존 안전진단 방식에 비해 효율적이므로, 무인항공시스템을 활용한 위험 분석기법은 저수지 안정성 검토를 위한 현장조사에 정량적 평가 기법으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
(3) 열화상 맵핑을 통한 모델 저수지의 제체 하류사면에 대한 지표 온도분석을 실시한 결과, 정밀안전진단의 누수 분석 결과와 상당히 일치되는 양상을 나타내며 열화상 카메라를 탑재한 무인항공시스템은 재해 위험저수지 안정성 분석에 있어서 경제적이며 신속⋅체계적인 누수위험 모니터링이 가능하여 저수지 진단평가 및 방재대책 수립에 적절하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
