서 론
GeoBIM
관련 연구 동향
도로-동굴 정보 모델(CaveBIM) 구축 및 제안
CaveBIM 제안
정보 구축에 대한 프로세스 제안
CaveBIM 구축 계획
필요데이터 조합에 대한 경우의 수 및 우선순위 도출
재암천굴 CaveBIM 구축
Global-Scale Model (GSM)
Local-Scale Model (LSM)
결 론
서 론
국내 대표적인 관광지인 제주도는 제2공항 건설 등 미래 이슈가 많고, 관광객의 지속적 증가 추세로 인한 교통량이 상승되고 있으며, 이로 인한 제주도 내 도로의 안정성 저하가 우려되는 현실이다. 현재까지 발견된 제주 천연동굴은 209개소 이상으로 추산되며, 도로와 교차되는 지점은 2022년 현재 1,000개소 이상으로 파악되고 있다. 본 연구는 현재 수행 중인 “도로 안전운영을 위한 제주 지반함몰 대응 체계 수립을 위한 기술 개발”이라는 연구에서 “CaveBIM 모델 기반 제주형 지반함몰 대응관리 시스템 구축” 연구의 일부이다. 제주도 내 도로 하부에 동굴이 위치한 재암천굴 및 정구수굴 등을 대상으로 연구를 수행 중에 있다. 지속적 장소 탐색으로 추가 대상 위치를 조사 중이지만, 동굴의 문화재적 가치로 인해서 조사 불가능 지역이 많아서 추가 위치를 결정함에 다소 시간 지연이 발생할 것으로 판단하고 있다. 하지만, CaveBIM을 활용한 동굴과 도로 교차지역에 대한 디지털화가 대상 동굴의 탐사가 가능하다고 해서 구축 과정이 실현되는 것은 아니기 때문에, 정구수굴, 재암천굴 등 접근성이 확보되고, 동굴의 문화재적 가치가 낮은 곳을 발굴 중이다.
본 연구에서는 레이저 스캐너, 드론 등 각종 측량장비 및 인력의 출입이 용이하고, 기존 지반조사 데이터가 상대적으로 많은 제주도 한림 재암천굴을 대상으로 수행하였다. 정밀 동굴 형상 측량을 위한 3D 레이저 스캐너를 활용한 동굴 형상 모델링, 기존 시추공 데이터 및 추가 시추공 데이터 기반의 재암천굴과 도로의 교차하는 지역의 지질 정보, 현장에서 수행한 물리탐사 자료 등을 활용한 지질 모델링, 드론을 활용한 지형정보 포함 대상지 주변현황 모델링 등의 개별 데이터를 구축하고 통합하는 과정을 거쳐서 디지털 트윈 형태로 구축하는 내용을 포함하고 있다. 또한 본 연구에서는 제주도 도로 하부에 존재하는 천연동굴로 인한 도로의 안정성 문제의 영향 분석 및 향후 안전한 도로 운영을 위한 유지관리시스템을 제안하기 위해서 GeoBIM(지하공간 건설 정보 모델) 기반에 동굴 정보 모델링을 포함한 CaveBIM(도로-동굴 정보 모델)의 개념을 제시하였다.
GeoBIM
GeoBIM 개념 및 단계별 활용방안에 대한 개념도를 Fig. 1에서 보여주고 있다. 시추공 및 지구물리탐사 정보 등을 활용한 지반 및 암반 정보의 구축이 선행되며, 정확한 정보 구축 여하에 따라서 모델의 품질 제어가 가능하다. 먼저 구축된 정보모델로 토공 물량 산출 등 직접적 활용이 가능하며, 이후에 지질 정보 모델 활용으로 공학적인 수치해석의 모델로 제공될 수 있으며, 추가적으로 철도 및 도로 등 선형 설계 시에 상부구조물과 하부구조물을 통합 관리해주는 지하공간 정보모델로서의 역할 수행이 가능하다.
Fig. 2에서는 Zobl and Marschallinger(2008)이 제안한 GeoBIM에 대한 일반적 구성도를 보여주고 있다. 노란색 설명 지시선은 지질 객체, 파란색 설명 지시선은 수리 객체 그리고 오렌지색 설명 지시선은 구조물 객체로 구성되어 있다. GeoBIM을 구성하는 데이터는 자연적 생성에 기인한 복잡한 형상을 갖는 개체(지반, 암반 등)뿐만 아니라 비교적 단순한 형상을 갖는 인공 구조물도 다룬다.
BIM은 건설구조물의 생애주기 동안 데이터를 생성하고 관리하는 과정이다. BIM을 생산하기 위한 과정은 건축물 형상, 공간 관계, 지리 정보, 건축물 구성 요소의 수량과 속성을 포함한다. BIM은 시공, 설비, 유지관리, 철거 및 지형 개선 등 구조물 전반적인 상황에 대한 전생애주기 관리가 가능하다. BIM 개념 연장선으로 Geo Building Information Modeling(GeoBIM)이 제안되었으며, 이를 통해서 지반공학, 지질공학 및 수리지질학에 관련된 개체속성 등 지하공간에 존재하는 대부분의 지질 객체에 대한 시공관리 및 유지관리에 도움이 될 것으로 판단된다.
관련 연구 동향
지하공간에 관한 정보 모델인 Geo Builiding Information Model(GeoBIM)에 대한 개념은 Zobl and Marschallinger(2008)에 의해서 최초로 제시되었다. Geo는 지하공간(geo-spatial)에 근접한 개념으로 제시되었고, BIM-GIS 연계형 지하공간 정보에 관한 모델링으로 정의하였다. Fig. 3에서는 GeoBIM 모델의 개념도를 보여주고 있다. 지하공간의 객체를 위치(location), 3차원 형상(3D shape) 및 객체 물성(properties)로 구분하였다. 또한, 자연발생적인 객체 정보와 인공적인 요소가 가미된 객체 정보로 구분하였으며, 전자의 객체로는 지반과 암반의 구분, 간극수압 및 지하수 분포, 지반과 암반의 물성에 관한 정보 등이 있으며, 후자의 객체로는 동굴 정보, 배선, 파이프라인, 터널 등의 지하 구성요소가 포함되는 것으로 정의하였다.
Fig. 3.
Subsurface framework for Geo Building Information Modeling (GeoBIM) (Zobl and Marschallinger, 2008).
2010년대 진입 이후에는 BIM과 GIS 통합에 대한 연구가 본격적으로 진행되었다. BIM 데이터를 GIS 응용프로그램으로부터 가져오는 방식 및 GIS 데이터를 BIM 응용프로그램에서 가져오는 방식의 쌍방향으로 발전하였다. De Laat and Van Berlo(2011)는 IFC 데이터를 GIS 컨텍스트로 호출하기 위해서 CityGML의 확장형으로 GeoBIM을 개발하였다. 이후, 다양한 연구자들이 지질공학적 정보를 사회기반시설 프로젝트에 반영을 위한 프로세스 개선 연구를 수행하였다(Chandler et al., 2012; Obergriesser and Borrmann, 2012; Tawelian and Mickovski, 2016).
Hwang et al.(2012)은 GIS 기반 공간정보와 BIM 기반 구조물 정보 연계 가능성을 연구하였다. CityGML과 IFC의 LOD(Level of Detail)에 대한 객체 별 특성 분석 및 구조물 관점에서 CityGML과 IFC의 객체 별 매핑 과정을 제시함으로 연관성 분석을 수행하였다. BIM은 세부적이고 정확한 정보를 포함해서 건설분야에 적용한다. 하지만 BIM은 위치정보가 필수적 조건이 아닌 상황이었기 때문에 국부좌표계를 사용하였다. Rafiee et al.(2014)은 BIM의 기하학적 정보를 위치 기반의 지리학적 모델로 변환하는 자동화 기법을 연구에 사용하였다. 이러한 분석적 연구는 BIM과 공간 데이터 통합의 가치를 보여주었다. Zhang et al.(2018)의 수력발전소 관련 연구에서 지질공학 데이터 관리를 활용해서 실험적 연구를 수행하였고, 건설 프로젝트의 BIM 관리 전략 분야에서 지질공학 데이터 관리의 장점을 확인하였다. Kang(2018)은 ISO N19166을 기반으로 한 BIM-GIS 개념 매핑(B2GM) 표준 및 매핑 메커니즘을 제시하였다. B2GM은 객체 정보 매핑 방법에 대한 내용 및 도시 규모 매핑을 위한 유스케이스 관점에서 요구되는 사항 관련 연구를 수행하였다. 이 연구에서는 B2GM의 활용 사례 및 개발 배경, 구성 요소 등 다양한 BIM-GIS 모델의 통합 수준 등을 제시하였다. 지질공학 분야에서도 BIM을 접목하려는 시도가 이루어지고 있다. Zou and Gui(2020)는 지질학적 위험 예측 모델을 BIM 기반의 통합 모델로 구축하였다. 지질 모델을 BIM 기반으로 제시하지는 못하고, 건물 모델에 대해서만 BIM 기술을 사용하였지만, 통합 모델 시스템을 제시하였다. Lee et al.(2021)은 GeoBIM 기반의 디지털 트윈 구축에 관한 연구를 수행하였고, 도로와 천연동굴 교차지역에 대한 통합 모델 구축에 관한 방법론을 제시하였다. An et al.(2022)은 제주도 천연동굴과 도로 교차구간의 CaveBIM 구축에 관한 초기 연구를 수행하였다. 또한 연구 결과의 신뢰도 확보를 위한 노력의 일환으로 지구물리학적 분석에 이상치 제거를 위하여 교차검증(cross-validation)이 수행되었다(Raspa et al., 2008; Kim et al., 2014; Juda et al., 2020).
상기 전술한 바와 같이, BIM 기술을 GIS 연동 형태로 지하공간까지 확대하려는 시도가 진행되고 있다. 본질적으로 지하공간을 구성하고 있는 지질공학 측면을 포함한 정보모델 구축은 어려운 과정이고, 현재 진행형인 분야이다. 본 연구에서는 지질공학적인 정보모델 구축이 상대적으로 용이한 상용 소프트웨어를 사용하여 제주도 지역 기반의 3차원 지질 정보모델, 동굴형상 정보모델 및 상부 도로 주변현황 정보까지 일체화하는 디지털 트윈 구축 과정을 다룬다.
도로-동굴 정보 모델(CaveBIM) 구축 및 제안
본 연구의 핵심은 제주도 도로 하부에 존재하는 천연동굴로 인한 도로의 안정성 문제의 영향을 분석하고, 향후 안전한 도로 운영을 위한 유지관리시스템을 제안하는 것이다. 여기서는 전술한 바와 같은 GeoBIM 기반에 동굴 정보 모델링을 포함한 CaveBIM 개념을 제시하였다.
CaveBIM 제안
Fig. 4에서는 도로 정보와 동굴 정보의 융합에 대한 제안사항을 보여주고 있다. 도로의 안전운영을 위해서 도로 하부 지하 정보를 GeoBIM 기반으로 구축할 때, 동굴의 정보를 어떤 관점에서 융합해야 하는지에 대한 기본적 사항을 도식화하였다. CaveBIM 모델 구축을 위한 도로 정보는 현재 상황상 BIM 기반으로 구축되어 있지 않기 때문에 기본적인 도로 설계 및 시공 정보를 입수하여 모델을 생성해야 하며, 부족한 정보는 추가적인 조사 및 계측을 통해서 보완해야 한다. 도로 주변 지형 정보 등 현황조사, 도로 선형설계자료 및 보완자료, 지반조사 보고서 및 기제작되어 공공의 목적으로 배포 중인 수치지질도 등을 활용해서 BIM 모델을 구축한다. 이후 동굴에 대한 정보를 어떤 관점에서 수집하여 융합할 것인지에 대한 고민이 필요하다. 제주도 일원에 존재하는 수백 개의 천연동굴 중에 도로와 교차 또는 영향 범위 안에 있는 대상을 파악하는 작업이 선행되어야 한다. 이후 동굴의 문화재적 가치도 중요한 정보이지만, 지하공간 정보의 관점에서 도로의 안전 운영에 영향을 미치는 동굴의 형상 정보, 불연속면 정보, 지하수 유출 정보, 계측 정보 등을 고려해서 정보모델링을 수행해야 할 것으로 판단된다.
정보 구축에 대한 프로세스 제안
전술한 CaveBIM 구축을 위해 도로에 대한 정보모델 구축 및 동굴에 대한 정보모델의 구축을 어떤 순서로 프로세스를 결정하는 것이 중요한 사항이 될 것으로 판단된다. 도로 관련 정보에서 구축되는 지하공간 정보를 선행 구축해야 하는지, 아니면 도로 하부 지층 모델 구축 시 동굴 형상 정보 등의 정보를 선행 구축 후에 도로 관련 정보 구축 시 선행 융합 후 모델을 제작해야 하는지 다양한 테스트를 통해서 프로세스를 정립해야 한다. 또한, 동굴의 생성 연대를 생각해보면, 동굴이 유지되어 온 억만년의 시간정보를 CaveBIM 모델에 어떤 방식으로 반영을 할 것인가에 대한 고민도 필요할 것으로 판단된다.
상대적으로 구축이 용이한 TunnelBIM과는 구축 과정이 상반될 것으로 판단된다. 터널은 공사 특성상 굴진 중에 확보되는 페이스 매핑 자료 및 초기응력 상태 등 정보화할 수 있는 다양한 자료들이 존재하며, 터널구조물에 대한 정보모델링은 구조물 제작 측면에서 상대적으로 용이한 것이 사실이다. Fig. 5에서는 터널구조물을 포함한 터널 주변 지반에 대한 정보모델링인 TunnelBIM의 구축 시에 원지반의 상태 개념 및 동굴 정보모델링 구축 시에 적용해야 할 원지반의 상태 개념을 도식화해서 보여주고 있다. TunnelBIM에서는 원래부터 존재하고 있던 지반에 대해서 굴착 이후, 제하(unloading) 상태로 유지하기 위한 터널구조물의 역할 등을 고려해야 하지만, CaveBIM에서는 동굴의 생성 연대 및 용암동굴 생성 원인 등을 고려한다면, 동굴에 의한 빈 공간은 원래부터 있었다고 가정해서 정보모델링을 수행해야 하는 차이점이 존재하므로 CaveBIM 구축 시에 이러한 사항이 반영되어야 할 것으로 판단된다.
CaveBIM 구축 계획
CaveBIM 모델 구축을 위한 도로 정보는 현재 상황상 BIM 기반으로 구축되어 있지 않기 때문에 기본적인 도로 설계 및 시공 정보를 입수하여 모델을 생성해야 하며, 부족한 정보는 추가적인 조사 및 계측을 통해서 보완해야 한다. 도로 주변 지형 정보 등 현황조사, 도로 선형설계자료 및 보완자료, 지반조사 보고서 및 기제작되어 공공의 목적으로 배포 중인 수치지질도 등을 활용해서 BIM 모델을 구축해야 한다. 제주도 특성상 CaveBIM 구축 방안은 두 가지 형태로 진행되어야 할 것으로 판단된다. 제주도 전역에 대한 구축(global) 형태와 대상 지역(동굴과 도로의 교차 지역)에 대한 구축(local) 형태로 진행할 예정이다. Global 형태는 공공기관에서 제공하는 제주도 지역에 대한 수치지질도 전자 파일을 기반으로 해서 초기 구축이 가능할 것으로 판단하고 있다. 부족한 자료는 보완해서 통합하는 방식으로 진행할 예정이다. Local 형태의 데이터 구축은 기본적으로 지반조사보고서가 필요하고, 추가 시추가 가능한 지역이라면 최적 위치를 선정해서 추가 시추를 진행하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 시추 데이터 외에 각종 수치지도 데이터 및 물리탐사(전기비저항, 탄성파탐사, GPR 등) 데이터도 활용이 가능하다. CaveBIM 구축에 최우선순위로 필요한 데이터는 실측 데이터(동굴 레이저 스캔 데이터, 드론을 활용한 주변현황 실측 데이터)와 지반조사보고서이다.
필요데이터 조합에 대한 경우의 수 및 우선순위 도출
Table 1에서는 CaveBIM 구축 시 필요한 데이터를 정리해서 보여주고 있다. 실측 데이터와 기존 데이터로 구분해서 정리하였다. 최우선 수집해야 할 자료는 각종 지반조사보고서로 판단되며, 지하공간통합지도 데이터 및 수치지질도는 국가에서 운영 중인 오픈 플랫폼에서 제공받은 내용으로 수정 보완해서 사용하였고, 관정 정보는 추후 한국농어촌공사에 의뢰할 예정이다.
Table 1.
Data required for CaveBIM
재암천굴 CaveBIM 구축
전술한 바와 같이, CaveBIM(동굴-정보 모델) 구축은 제주도 전체를 대상으로 한 GSM(global-scale model)과 LSM(local-scale model)의 2가지 형태로 진행하였다. GSM의 대상은 한림(애월)-제주 구역을 선정해서 동굴 및 도로 위치정보를 포함해서 구축할 예정이고, 본 연구에서는 수치지질도 기반의 3차원 지질 모델 생성까지를 다루며, 향후 연구에서 위치정보 및 속성정보를 추가하는 방안을 도출할 예정이다. 또한, LSM은 제주 한림에 위치한 재암천굴을 대상으로 연구를 수행하였고, 지반조사보고서 기반의 3차원 지질 모델 생성, 정밀 동굴 형상 정보 생성 및 도로와 동굴의 교차 지역 주변현황을 통합한 모델을 구축한 내용을 다룬다.
Global-Scale Model (GSM)
GSM 구축 시 수치지질도를 기반으로 진행하였다. 한국지질자원연구원에서 제작해서 공공의 목적으로 수치지질도를 제공하기 위해서 운영 중인 지오빅데이터 오픈 플랫폼(KIGAM, 2021)에서 제주도 지역의 수치지질도를 제공하고 있다.
현재 1:50,000 축척의 수치지질도는 Fig. 6에서 보여주는 바와 같이 제주, 한림, 서귀 지역이 제공되고 있다. DXF, SHP 포맷의 수치지질도 파일이 제공된다. 하지만 현재 본 연구의 대상으로 판단하고 있는 재암천굴, 정구수굴, 게웃샘굴, 용천동굴의 위치가 포함되어 있는 성산, 모슬포 지역에 대한 수치지질도는 제공되지 않고 있는 실정이다. 다만 오픈 플랫폼에서 제공하고 있는 1:250,000 수치지질도에서는 제주 전지역이 제공되기 때문에 이 파일로 제주도 전지역에 대한 CaveBIM 구축을 시도해볼 수 있을 것을 판단하고 있다. 본 연구에서는 1:50,000 축척의 수치지질도를 사용해서 한림(애월)-제주 지역에 대한 GSM 구축에 대한 내용을 다룬다.
Fig. 7에서는 오픈 플랫폼에서 제공받은 수치지질도 데이터를 사용하여 Leapfrog Works에서 편집한 형상을 보여주고 있다. 전술한 바와 같이 제주도 6구역 중에 제주와 한림 지역에 대해서만 적용하였고, 이 모델을 기반으로 GSM을 구축하였다.
Fig. 8에서는 GSM 구축 과정에 대해서 보여주고 있다. Leapfrog Works 상에서 지질도 평면상의 지질객체를 독립적으로 개체화하고, 이후에 Fig. 9에서 보여주고 있는 5개의 단면도 정보(한림 구역 2개, 제주 구역 3개)를 평면도와 결합하고, 이후 Fig. 8c에서와 같이 3차원 블록으로 모델링하는 과정으로 구축하였다.
Fig. 10에서는 Leapfrog Works 상에 반영되어 있는 지질 속성 정보 및 1차 구축이 완성된 GSM을 확인할 수 있다. 향후 평면 정보를 활용한 3차원 블록모델링 기법에 대한 추가적인 연구를 수행하여 모델에 대한 지속적인 업데이트를 진행할 예정이다. 또한, 완성된 GSM에 한림-제주 지역의 도로 및 천연동굴의 위치정보를 반영할 예정이다.
Local-Scale Model (LSM)
LSM 구축 목적에 부합하는 제주 지역의 천연동굴과 도로가 교차하는 대상 중 재암천굴을 선정하였다. 제주특별자치도 제주시 한림읍 한림로 300 한림공원 입구 쪽에 존재하는 재암천굴 상부의 도로와 교차하는 부분을 대상으로 선정하였다.
재암천굴 LSM 구축 개요
Fig. 11의 A점이 대상으로 선정한 재암천굴의 위치이다. 상대적으로 문화재적 가치가 낮고, 동굴 내부 출입이 용이한 점이 있어서 대상으로 선택하였다. 제주도 한림공원 앞 도로는 전술한 바와 같이 재암천굴과 교차하고 있다. 드론을 활용한 사진 측량 결과, 동굴 레이저 스캔 데이터, 지반조사보고서 및 2021년 12월에 제주특별자치도 세계유산본부에서 수행한 추가 지반조사보고서 등을 활용하여 선행 연구(Lee et al., 2021)에서 제시한 모델을 수정 및 갱신하였다. LSM 구축을 위한 흐름도, 재암천굴 레이저 스캔 데이터 형상, 갱신 전 3차원 지층 형상 등은 선행 연구(Lee et al., 2021)를 참고하기 바란다. 여기서는 3차원 지층 정보를 갱신한 LSM 구축 내용만 설명하였다.
Fig. 12에서는 전술한 바와 같이 재암천굴 주변의 추가 시추조사에 대한 위치를 보여주고 있다. 선행 연구에서는 BH-1, 2 및 NCB-1, 2, 3, 4의 정보를 사용해서 LSM을 구축하였고, 본 연구에서는 추가 시추공 정보(CB-1, 2, 3, 4, 5)를 반영하였다. 재암천굴에 상대적으로 근접해서 획득한 추가 시추공 정보(CB 계열)가 반영된 결과, 재암천굴 근처의 3차원 지층 정보가 최신화되는 결과를 확인할 수 있었다.
Fig. 13에서는 최신화된 재암천굴 주변 지층 현황을 보여주고 있다. Fig. 13a, b에서는 추가 시추공 정보를 포함해서 11개의 시추공 위치와 재암천굴 레이저 스캔 형상 정보와 결합된 형상을 보여주고 있다. Fig. 13c, d에서는 재암천굴에 근접한 최신 시추공 위치 및 갱신된 지층의 세부 현황을 보여주고 있다.
재암천굴 LSM 갱신 모델 분석
Stone(1974)은 교차검증(cross-validation)에 대한 일반화의 방법론을 제시하였다. 예측 변수 선택에 문제를 제기하고, 선택 및 평가절차를 통합하는 방식으로 교차검증 기준을 제시하였다. 본 연구에서는 국부모델(LSM)에 대한 최신 시추공 정보 갱신 모델에 대해서 교차검증을 수행하여 추가된 시추공 정보가 갱신 모델에 미치는 영향을 분석하였다. 검증을 수행할 데이터 개수가 극도로 적은 경우에 많이 사용하고 있는 LOOCV(Leave-one-out cross validation) 방법을 사용하여 분석을 수행하였다. 이 방법에서는 오직 한 개의 데이터만을 검증 데이터로 남겨놓기 때문에 데이터의 개수가 N개라면 총 N번의 교차 검증을 진행하게 된다. 최근 머신러닝의 검증에 적용되는 몇 가지 방법 중에 하나이며, 전술한 바와 같이 데이터의 개수가 극단적으로 적은 경우에 사용하고 있다. 본 연구에서는 신규로 추가된 시추공 데이터가 5개로 매우 한정적이므로 LOOCV 방법을 활용하였다.
재암천굴 신규 시추정보 반영 모델 분석
Table 2에서는 Fig. 12의 CB 계열 시추정보를 심도 별로 정리하여 지층명과 함께 보여주고 있다. 또한 Table 3에서는 신규 시추정보를 반영하기 전에 구축한 모델(BH 및 NCB 계열의 시추정보만 활용한 1차 모델)로부터 추출한 신규 시추정보 위치에 대한 정보를 보여주고 있다. 다시 말하면, 기존 지반조사 데이터(BH, NCB)를 통해서 획득한 시추공 데이터를 기반으로 3차원 모델링을 진행한 후, 재암천굴 주변에서 신규로 조사된 시추공 위치에서의 지층 정보를 확인한 결과가 Table 3에 대한 내용이다. 기존 시추공 정보에서는 매립층(reclamation layer)에 대한 정보를 확인할 수 없었기 때문에 신규로 추가된 매립층에 대한 정보가 모델에 반영되지 않았고, 실제 거리상 대상 지역과 90 m 정도 이격된 위치의 정보를 통해서 지층을 반영하였기 때문에 상대적으로 부정확한 결과를 도출되었음을 확인할 수 있었다. 신규 조사된 시추공 정보를 반영한 후, 2차 갱신 모델링 과정을 거쳐 해당 지역에 지층 정보를 확인한 결과는 Table 4에서 보여주고 있으며, 특이 사항 발생 위치는 음영 처리하여 구분하였다.
Table 2.
New borehole information (CB series)
Table 3.
Information on new borehole locations extracted from existing model (first LSM model)
Table 4.
New borehole information extracted from new model (second LSM model)
신규 정보 갱신 후에 Table 2와 Table 4를 비교해보면, 정해라고 할 수 있는 Table 2의 값과 갱신 모델의 값이 유사한 결과를 나타내고 있으나, CB-1 위치와 CB-4 위치에 시추공 정보에서 확인할 수 없었던 모래층(sand)이 모델에 반영된 것으로 나타났으며, CB-1의 경우 모래층이 1.6 cm 정도, CB-4의 경우 0.4 cm 정도의 모래층이 삽입된 결과가 도출되었다. 대상 지역인 재암천굴 주변의 지층모델을 구축하기 위하여 인접한 지역의 시추공 정보가 있어야 상대적으로 정확한 모델이 구축될 수 있을 것으로 판단되며, 상대적으로 이격된 거리에서 추출한 정보를 기반으로 구축된 모델은 대상 지역을 대표하는 지층으로 판단할 수 없는 결과를 확인하였다. 그럼에도 불구하고, 반영된 새로운 지층의 두께는 공학적 판단에 의거하여 무시가 가능한 수준이기 때문에 기존 시추공 정보에 새로운 추가 정보를 갱신해서 전체 3차원 지층 모델을 구축함의 타당성을 확보할 수 있을 것이라고 판단된다. Fig. 14에서는 Tables 2, 3, 4의 시추공 정보를 가시화해서 보여주고 있다. Fig. 14a와 Fig. 14c를 확인해보면, 기존 정보와 신규 정보의 결합으로 갱신된 모델의 동일한 위치의 정보를 비교해도 가시적으로는 동일한 것으로 판단될 정도로 미미한 차이를 보여주고 있다. 다만, Fig. 14c의 CB-1과 CB-4의 범례에서 모래층이 추가된 것 정도의 차이를 보여주고 있는 것으로 확인되었다.
재암천굴 신규 시추정보 반영 모델 교차 검증
여기서는 전술한 바와 같이, LOOCV 교차 검증 방법에 준용하여 시추공 정보를 1개씩 제거하면서 그 영향을 분석하였다. Fig. 15에서는 신규 시추공 위치 정보 및 제거와 관련한 내용을 보여주고 있다.
재암천굴 주변에 추가 조사된 5개의 시추공 정보를 반영한 모델을 새롭게 구축하고, 교차검증을 위해 CB-1부터 CB-5까지 차례대로 1개씩의 시추정보를 제거한 형태로 모델을 수정하였고, 기존 지층 정보와 비교를 진행하였다. Table 5에서는 그 결과를 보여주고 있으며, 특이 사항 발생 위치는 음영 처리하여 구분하였다.
CB-1 시추공 정보 제거 후, 모델링 결과에서는 다음과 같은 사항을 확인할 수 있었다. CB-1 위치에서의 지층정보는 기존에 확인할 수 없던 모래층이 삽입된 형태로 연암층이 얕은 위치에서부터 출현하는 형태를 나타냈으며, CB-2 위치의 경우에는 기존 모델링에 사용된 시추공(BH, NCB 계열)에서 확인할 수 있던 클링커층이 추가적으로 생성되어 영향을 받은 것으로 판단된다. CB-4의 경우에는 기존에 확인되지 않았던 모래층이 10.6 cm 정도 삽입된 것을 확인하였다. 그 외에 나머지 시추공 정보는 문제가 없는 것으로 판단된다.
CB-2 시추공 정보 제거 후, 모델링 결과에서는 다음과 같은 사항을 확인할 수 있었다. CB-1, CB-2, CB-4 위치에서 실제 시추공 정보와 다른 형태의 지층정보를 확인할 수 있었으며, CB-1의 경우 매립층이 6 cm 정도 감소, CB-2의 경우 매립층이 80 cm 정도 감소하였다. CB-4의 경우 기존에 확인되지 않던 모래층이 0.2 cm 정도 삽입된 형태로 모델링되었다.
Table 5.
Modeling results after CB-series elimination (one by one in order from CB-1 to CB-5)
CB-3 시추공 정보 제거 후, 모델링 결과에서는 다음과 같은 사항을 확인할 수 있었다. CB-1과 CB-4를 제외한 나머지 위치에서는 실제 시추공 정보와 유사한 지층정보를 갖는 것으로 확인되었으며, CB-3 시추공 제거는 모델링 결과에 전체 모델에 큰 영향을 주지 않는 것으로 확인되었다. CB-1의 경우 기존에 확인되지 않았던 모래층 1.5 cm가 확인되었으며, CB-4 또한 기존에 존재하지 않던 모래층 0.5 cm의 정보가 확인되었다.
CB-4 시추공 정보 제거 후, 모델링 결과에서는 다음과 같은 사항을 확인할 수 있었다. CB-1 및 CB-4를 제외한 나머지 위치에서 실제 시추공 정보와 유사한 지층정보가 생성되었다. CB-1의 경우 85 cm 정도 매립층의 깊이가 감소하였으며, CB-4의 경우 모래층이 1.4 m 정도 깊게 분포하도록 모델링되었다.
상대적으로 재암천굴으로부터 이격된 위치에 존재하는 CB-5의 시추공 정보를 제거한 후 모델링한 결과에서는 다음과 같은 사항을 확인할 수 있었다. CB-1 지점과 모델링에 반영되지 않은 CB-5 위치를 제외한 나머지 위치에 대해서 실제 지층정보와 유사한 형태로 모델링 된 것을 확인하였다. CB-1의 경우 실제 지층정보에서 확인할 수 없었던 모래층이 1.6 cm 정도 삽입된 형태로 모델링되었으며, 시추공이 반영되지 않은 CB-5 위치에서는 모래층이 40 cm 정도 감소한 형태를 보였다.
종합적 판단에 의하면, 시추공을 위치별 제거한 후 모델링 했을 때 가장 많은 영향을 받았다고 판단되는 위치는 CB-1 지점으로 실제 시추공 정보를 반영했음에도 불구하고 주변 지층정보에 의하여 확인되지 않았던 지층이 추가되는 형태를 확인할 수 있었다. 다음으로 CB-4의 경우 지층의 분포는 실제 지층정보와 유사하나 모래층의 깊이가 달라지는 형태를 확인할 수 있었다. 기존 구축한 모델에 사용한 지층 정보 중 재암천굴 인근에 존재하는 NCB-4의 경우에는 모래와 연암으로 구성된 지층정보를 나타내고 있으며, 이를 통해 유사한 지층정보를 갖는 CB-2와 CB-4는 큰 영향을 받지 않지만, 모래층이 나타나지 않고 있는 CB-1과 CB-4의 경우 기존 지층정보에 따라 큰 영향을 보인 것으로 판단된다.
결 론
본 연구에서는 GeoBIM 개념의 확장으로 CaveBIM을 제안하였고, 제주도 내 도로 및 동굴의 교차 부분 중 1곳(재암천굴)에 대한 LSM 구축 및 제주-애월 지역의 GSM 구축에 대한 연구를 수행하였다. 연구 결과에 대해서 요약한 내용은 아래와 같다.
(1) 도로의 안전운영을 위해서 도로 하부 지하 정보를 GeoBIM 기반으로 구축할 때, 동굴의 정보를 어떤 관점에서 융합해야 하는지에 대한 기본적 사항을 도식화하였고, CaveBIM 모델 구축 시 건설공사에서 활용하는 GeoBIM, TunnelBIM 등의 개념과의 차이점을 제시하였다. 이를 토대로 CaveBIM 구축에 대한 절차를 제안하였다.
(2) 제주도 전역에 대한 CaveBIM 구축을 위한 제주-애월 지역의 GSM을 기초적인 형태로 구축하였다. 지질 속성 정보가 입력된 지층 모델을 구축하였고, 향후 평면 정보를 활용한 3차원 블록모델링 기법에 대한 추가적인 연구를 수행하여 모델에 대한 지속적인 갱신을 진행할 예정이다. 또한, 완성된 GSM에 제주-애월 지역의 도로 및 천연동굴의 위치정보를 반영하게 되면, 제주 지역의 도로 안전 운영에 활용할 수 있을 것으로 판단한다.
(3) 도로와 천연동굴이 교차하는 부분에 대한 국부 모델인 LSM을 제주도 한림 재암천굴을 대상으로 구축하였다. 선행 연구에서 구축된 모델을 대상으로 추가 시추공 정보를 활용하여 3차원 지층 모델을 갱신하였다. 구축된 LSM을 활용한 유지관리용 시스템을 제작하면, 제주 지역의 도로 안전 운영에 적극적으로 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
(4) 기존 시추공 정보(BH, NCB 계열)에 신규 시추공 정보(CB 계열)가 반영된 이후 생성된 가상의 신규 지층의 두께는 0.4~1.6 cm 사이에서 존재하였다. 공학적 판단에 의거하여 무시가 가능한 수준으로 판단되며, 기존 시추공 정보에 새로운 추가 정보를 갱신해서 전체 3차원 지층 모델 구축의 타당성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
(5) 기존 구축 모델에 사용한 지층 정보 중 재암천굴 인근에 존재하는 NCB-4의 경우에는 모래와 연암으로 구성된 지층정보를 나타내고 있다. 이를 통해 유사한 지층 정보를 갖는 CB-2와 CB-4는 큰 영향을 받지 않았지만, 모래층이 나타나지 않고 있는 CB-1과 CB-4의 경우 기존 지층정보에 따라 큰 영향을 보인 것으로 판단된다. 기존의 정보와 상대적으로 상이한 지층 정보를 보이는 데이터는 최대한 많이 사용해야 정해에 근접한 결과를 획득할 수 있을 것으로 판단된다.
향후, 제주도에 존재하는 수많은 자연동굴 중에 도로와 교차하는 곳을 대상으로 GeoBIM 개념의 확장 형태인 CaveBIM 기반의 디지털 트윈 구축을 지속적으로 진행할 예정이다.
