Research Article

The Journal of Engineering Geology. June 2021. 179-186
https://doi.org/10.9720/kseg.2021.2.179

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구지역

  •   Malpasset Dam

  • 연구방법

  •   근거리 사진 측량 기법

  •   지질공학적 적용

  • 연구결과

  •   3차원 재구성 모델

  •   수치 측정

  • 결론 및 토의

서 론

Malpasset Dam(Fig. 1)은 이중 곡률 콘크리트 아치댐으로, 100개 이상의 댐 설계 경력을 가진 프랑스의 재능 있는 엔지니어 André Coyne에 의해 설계가 되었으나, 1959년 12월 2일에 갑작스런 붕괴가 일어나 아치댐의 첫 번째 붕괴 사례가 되었다(Londe, 1987). 또한, 이 댐은 세계적으로 유일하게 전체붕괴가 일어난 아치댐이다(Duffaut, 2011). 그 당시 붕괴의 원인을 특정할 수가 없었으나, 이 후 많은 연구들(Bernaix, 1967; Londe, 1987; Post and Bonazzi, 1987)에 의해 붕괴 원인의 가설들이 제시되었고, 가장 설득력 있는 가설은 댐 주변의 특히 왼쪽 접합부 암반의 슬라이딩 파괴로 인한 댐 붕괴이다. Fig. 1의 댐 붕괴 전후 모습을 통해 댐을 구성하고 있던 대부분의 콘크리트가 소실이 되었음을 알 수 있다. 이 댐의 붕괴는 되돌릴 수 없는 비극적인 사건이지만 반면 세계 여러 나라의 엔지니어들이 댐 설계 시 주변 지반의 상태를 신중히 고려해야 하며 또한 시공 이후에도 주기적인 모니터링을 해야 한다는 깨우침을 가져다주어 토목, 지반 및 지질공학적으로 중요한 의미를 가진다.

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Fig. 1

Malpasset Dam, at end of construction, 1954 (left), after failture, 1959 (right) (Duffaut, 2013).

이 연구의 목적은 근거리 사진 측량(close-range photogrammetry) 기법을 이용하여 Malpasset Dam의 3차원 모델을 재구성하고, 모델을 이용하여 지질 및 댐 붕괴형상 관찰, 그리고 불연속면 관찰 및 측정을 수행하기 위함에 있다.

연구지역

Malpasset Dam

Malpasset Dam은 국제영화 축제로 유명한 프랑스의 남부 해안 도시 칸(Cannes)에서 서남쪽으로 40 km에 위치한 항구마을 Fréjus로부터 약 7 km 북쪽에 위치한다(Fig. 2a). 댐은 북쪽에서 남쪽으로 흐르는 Reyran강을 따라 발달한 협곡에 거의 수직으로 위치하며(Fig. 2b), 댐의 측면도와 평면도(Fig. 3)에서 볼 수 있듯이 댐 아치의 길이는 222.66 m이고 높이는 65 m이다. 지금은 댐의 일부 형태만이 남아있고 오른쪽 접합부의 계단모양으로 남아있는 붕괴형상이 특징적이다. 댐 주변을 구성하는 암종(Fig. 2c)은 Crystalline Tanneron Massif에 속하며 일반적으로 남북의 주향을 가지는 호상편마암으로 이루어져 있다(Londe, 1987). 댐 왼쪽 접합부에서는 붕괴 후의 콘크리트 잔재들이 아직 그대로 남아 있었고 엽리가 잘 나타나는 편마암을 관찰할 수 있다. 댐의 하류사면 수평면에서 댐의 왼쪽 접합부를 타고 올라가서 반대편의 상류사면도 관찰이 가능하다. 다만, 상류사면 인근은 수풀이 많이 우거진 상태였기 때문에 넓은 보폭의 이동은 불가능하였고 댐의 마루를 따라서 오른쪽 접합부로 이동하면서 댐의 전체적인 형상을 관찰할 수 있다.

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Fig. 2

Location of Malpasset Dam (a), plan view of dam (b), geology of the dam area (c) (a & b: Google Earth, 2021; c: BRGM: French Geological Survey, n.d.).

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Fig. 3

Cross section of Malpasset Dam (a) and plan view including of GCPs and location of image acquisition (b) (basemap: Londe, 1987).

연구방법

근거리 사진 측량 기법

지상기준점 설정 및 이미지 촬영

3D 모델에서 댐의 실제 좌표를 구현하기 위해, 현장에서 이미지 촬영 전에 5개의 지상기준점(Ground Control Point) (Fig. 3b)을 설정하여 가로 0.7 m × 세로 0.7 m 크기의 정사각형 표식판을 기준점의 중심에 배치시켰다. 지상기준점은 Leica CS10/GS15와 프랑스 정밀 위성 위치 정보 시스템 서비스(TERIA)를 이용하여 위치좌표오차 0.002~0.005 m의 정확도로 측정을 하였다.

이미지 촬영은 니콘 D800 카메라와 35 mm 렌즈를 이용하였으며 표식판을 포함한 댐의 형상을 가능한 모두 담기 위해 댐 주변의 50 m 이내에서 여러 각도로 촬영이 되었다(Fig. 3b). 촬영 시, 이미지 간의 중첩 비율은 약 30~40%였다. 댐의 하류사면, 왼쪽 접합부, 댐 마루, 그리고 오른쪽 접합부에서 촬영이 이루어졌으며, 댐의 상류사면 부근은 댐의 하류사면과는 다르게 나무와 수풀들이 우거진 상태였기 때문에(Fig. 4) 간섭물이 나오지 않게 이미지를 촬영하는 것은 불가능하였다.

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Fig. 4

Upstream and downstream side of Malpasset Dam.

이미지 정렬과 3차원 재구성 모델

3차원 재구성 모델에는 Agisoft Metashape(Jaud et al., 2016) Professional 1.4.3을 이용하였다. 이 소프트웨어는 Structure from Motion(SfM)-Multi View Stereo(MVS) 파이프라인을 사용하는데, SfM 과정에서는 여러 카메라 위치에서 촬영한 이미지들을 이용하여 카메라 매개 변수와 방향을 동시에 계산하며 3D 모델을 만들고, MVS 과정에서는 노이즈 데이터를 필터링하고 재구성된 점들을 증대시킴으로써(James and Robson, 2012) 3차원 모델을 만드는 데 효과적으로 사용할 수 있다.

Fig. 5는 Malpasset Dam의 3차원 재구성 과정을 보여준다. 먼저, Agisoft Metashape에 댐 현장에서 촬영한 이미지들을(Fig. 5a) 가져온 뒤, Align Photos tool을 이용하여 이미지들을 정렬시킨다. 정렬이 끝나면 댐의 형상을 대략적으로 관찰할 수 있는 저밀도 포인트 클라우드(sparse point cloud) 모델이 생성된다(Fig. 5b). 모델에 실제의 지리 좌표를 부여하기 위해, 모델에서 관찰되는 표식판의 중심에(또는 각각의 이미지에서 관찰되는 표식판의 중심에) Add Marker tool을 이용하여 현장에서 측정했던 5개 지상기준점의 좌표를 각각 추가한다. Fig. 5의 b와 c 이미지에서 파란깃발모양이 지상기준점의 위치를 나타내고 있다. 추가한 Marker는 표식판이 촬영된 각각의 이미지에 자동으로 나타나며, Maker가 정확히 표식판의 중심에 표시되지 않았을 경우, 사용자는 Marker의 위치를 드래그하여 수정할 수 있다. 다음으로, 저밀도 모델을 재정렬시켜 실제 지리 좌표를 가지는 모델을 생성할 수 있다. 좀 더 정밀한 모델을 얻기 위해 Build Dense Cloud tool을 사용하여 고밀도 포인트 클라우드(dense point cloud) 모델을 생성한다(Fig. 5c). 마지막으로 Build DEM 메뉴를 이용하여 수치 표고 모델(digital elevation model)을 생성한다. 수치 표고 모델은 Arc GIS를 이용하여 공간분석을 수행하는 데 이용할 수 있다. 포인트 클라우드 모델은 .ply 또는 .txt 파일로 저장이 가능하며 다른 모델링 소프트웨어나 뷰어에서 가져와 목적에 맞게 사용할 수 있다. 본 연구에서는 포인트 클라우드 모델을 CloudCompare 소프트웨어에 가져와 수치 측정 및 절리 방향을 측정하고 분석하는 데 이용하였다.

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Fig. 5

3D reconstruction of Malpasset Dam.

지질공학적 적용

재구성된 3D Malpasset Dam 모델에서 여러 가지 측정을 할 수 있다. 먼저, Open source 소프트웨어인 CloudCompare (Girardeau-Montaut, 2011) v2.9에 모델을 가져와 모델을 확대 및 좌우로 위치를 이동하며 세부적인 부분을 관찰한다. 콘크리트 구조물을 구성하는 한 점과 다른 한 점을 연결하여 측정하고자 하는 면의 길이를 수동으로 측정하고, 편마암에서 관찰되는 엽리의 배향(주향/경사)은 CloudCompare에 탑재되어 있는 FACETS 프러그인을 이용하여 자동으로 측정한다. FACETS은 least-square fitting algorithm을 이용하며 특히 광범위한 지역의 불연속면을 빠른 시간에 자동으로 측정할 때 유용하다(Dewez et al., 2016). FACETS 순서는 먼저 모델을 구성하는 점들이 인접한 점들과 연결되어 기본 평면을 만들며, 기본 평면은 주변의 다른 평면들과 그룹화가 된 후, 서로 평행하는 평면들은 같은 집단으로 병합이 된다(Dewez et al., 2016). 서로 같은 집단(같은 배향)의 면들은 같은 색으로 표시가 되며 만들어진 모든 면은 Stereogram 메뉴를 통해 Stereonet에 자동으로 표시가 된다. 또한 모든 면의 데이터는 엑셀파일로 추출할 수 있어 예를 들어 Dips(Rocscience Inc., 2016)를 이용해서 불연속면의 분포 특성을 분석하는 용도로 활용할 수 있다.

연구결과

3차원 재구성 모델

댐 현장에서 총 158개의 이미지들을 획득하였고, 이 이미지들로 3차원 재구성 모델을 생성하였다. 저밀도 모델은 429,426개의 점으로 구성이 되었으며, 고밀도 모델은 그보다 약 228배 많은 98,274,265개의 점으로 구성이 되었다. 모델의 평균절대오차와 표준편차는 각각 0.063 m, 0.028 m를 보여주어 높은 정확도를 보여주었다(Table 1). 모델을 통해 붕괴된 댐의 전체적인 형상, 콘크리트에 발생한 균열 및 댐의 왼쪽 접합부의 암반을 관찰할 수 있었다(Fig. 6). 댐의 오른쪽 접합부는 계단모양으로 콘크리트가 파괴되어 소실이 된 모습을 볼 수 있었고, 왼쪽 접합부에는 댐의 형체가 거의 남아있지 않으며 파괴된 콘크리트들이 주변에 흩어져 있는 것을 볼 수 있었다. 특히, 왼쪽 접합부에는 기반암이 노출되어 있어서 편마암과 편마암에서 발달하는 엽리구조도 관찰이 가능하였다.

Table 1.

GCPs accuracy and model errors

Ground Control
Point
(GCP)
Geographic coordinates
(Lambert Sud France)
Accuracy of GCP
(m)
Error
(m)
Mean
absolute
total error
(m)
Standard
deviation of
mean error
(m)
Easting
(m)
Northing
(m)
Altitude
(m)
Leica GS15/CS10 3D model
GCP 1 957,242.1 144,256.2 94.9 0.002~0.005 0.093985
GCP 2 957,238.7 144,284.6 95.0 0.002~0.005 0.042354
GCP 3 957,265.3 144,289.0 102.8 0.002~0.005 0.051701
GCP 4 957,208.3 144,268.8 105.9 0.002~0.005 0.080117
GCP 5 957,214.5 144,265.8 100.6 0.002~0.005 0.012308
0.063040 0.028768

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Fig. 6

Dense point cloud of Malpasset Dam (upper), concrete remnants and foliations developed in the bedrock (lower).

수치 측정

댐 구조물

댐의 오른쪽 접합부에서 특징적으로 나타나는 계단모양의 붕괴면의 높이를 측정했을 때 그 결과 약 14~19 m를 보여주었다(Fig. 7 left). 또한, 댐의 왼쪽 접합부에서 발견되는 다각형 콘크리트 구조물의 크기는 가로 12.8 m, 세로 10.3 m, 그리고 높이 6.0 m로 측정이 되었다(Fig. 7 right).

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Fig. 7

Measurements of height of dam at the failure area (left), measurements of concrete remnant (right).

엽리 배향

댐의 왼쪽접합부에 노출된 기반암에서 관찰되는 엽리면의 방향을 FACETS를 이용하여 측정한 결과 평균 Dip Direction/Dip은 268°/037°를 보여주었다(Fig. 8). 생성된 모든 FACETS은 stereogram에서도 볼 수 있으며 엽리면들이 dip direction 240~300°/dip 20~50°에 밀집이 가장 많이 되어있는 모습을 볼 수 있다. 모델에서 측정된 엽리의 배향은 Londe(1987)가 언급했던 남북의 주향 및 오른쪽 접합부 방향으로 30~50°의 경사와 거의 일치한다.

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Fig. 8

Foliation orientation measurements in the left abutment of Malpasset Dam using FACETS.

결론 및 토의

근거리 사진 측량 기법을 이용하여 지반 및 토목, 지반 및 지질공학적으로 중요한 의미를 가지는 Malpasset Dam의 3차원 재구성 모델을 통해 전체적인 댐의 붕괴 형상을 관찰할 수 있었으며, 남아있는 댐의 높이, 흩어져 있는 콘크리트 구조물의 크기, 그리고 기반암에 발달한 엽리면의 배향을 측정할 수 있었다. 더욱이, 높은 정확도의 모델 및 수치측정의 결과를 보여주었다.

이 연구는 지리학적으로 멀리 떨어져 있지만 중요한 의미가 있는 현장의 모습을 디지털화함으로서 필요에 따라 언제라도 꺼내볼 수 있으며 광범위한 현장의 모습을 하나의 파일에 담을 수 있다. 사진측량모델은 가상현장지질학습에 사용할 수 있고, 이 연구에서 수행한 기본적인 수치 측정뿐만 아니라 추후 붕괴 시뮬레이션 해석과(Valiani et al., 2002) 지질 조사(Lee et al., 2018) 등 여러 가지 목적에 따라 활용할 수 있다. 또한, 이 연구는 자동화된 모델링 소프트웨어를 이용함으로써 컴퓨터 공학 및 컴퓨터 비전의 지식이 없는 지반 및 지질공학자들도 이미지를 이용하여 편리하게 높은 정확도의 지리 좌표를 가지는 3D 모델을 생성할 수 있으며 광범위한 지역의 지질구조들(절리, 단층)을 자동으로 측정할 수 있어 접근할 수 없는 곳의 지질조사에서 유용하게 쓰일 것으로 기대된다.

Acknowledgements

이 연구는 오스트리아 그라츠 공과대학교 응용지질학과의 Scott D. Kieffer 교수님으로부터 연구 장비 및 소프트웨어를 제공받아 수행할 수 있었음에 감사의 말씀을 드립니다. 또한, 현지에서 프랑스어 통역 및 연구 장비 운반에 많은 도움을 준 Clément Boehler에게 감사의 말씀을 드립니다.

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