건축/환경에너지

Nikkei Construction_2018.6.25 특집 요약 (p26-51)

건설 ICT 2018
측량의 주역, 3차원 레이저스캐너
i-Construction의 기술표준 정비

Part 1. 토탈스테이션과 승부!
압도적 효율로 스캐너 승리

측량의 ‘주역’이 머지않아 토털스테이션(TS)에서 레이저스캐너로 바뀔 것 같다. 종합건설 컨설턴트 회사인 퍼시픽컨설턴트는 양자의 실력을 독자적으로 검증. 레이저 드론 등을 사용하여 고정밀 지형 데이터를 TS의 절반 이하의 기간에 취득하였다.

아이치현도로공사가 21년 3월까지 완공을 목표하고 있는 다케토요키타 인터체인지(IC). 그 건설 예정지에 레이저스캐너를 탑재한 드론이 도입되었다.

레이저 드론은 수목으로 덮인 지형을 효율적으로 계측할 수 있는 주목할 만한 측량 기술이다. 그러나 설계 전의 조사 측량에서 채용한 사례는 적다. 국토교통성이 기공 측량이나 완성도 계측에서 활용한 결과, 시공 단계가 돼서야 비로소 도입을 검토하는 현장이 많기 때문이다.

그래서 다케토요키타IC의 설계를 담당하는 퍼시픽컨설턴트는 레이저 드론으로 얻은 3차원 점군 데이터 설계의 실용성 검증에 착수하였다. 계측리서치컨설턴트(히로시마)에 3차원 측량의 협력을 의뢰하여 앞서 실시한 TS측량과 철저하게 비교하였다.

-- 공정수는 TS의 절반 이하로 --
“TS보다도 훨씬 짧은 기간에 상세한 계측에서도 충분히 사용할 수 있는 고정밀도 데이터를 얻을 수 있었다”. 퍼시픽컨설턴트의 가네코(金子) 부장은 검증 결과를 이렇게 설명한다.

예를 들면, 산림을 조성하여 시공하는 램프(Ramp)의 토량 계산이다. 기존의 적산 기준에 따라 TS측량 결과를 바탕으로 평균단면법으로 계산한 토량은 7만 8,000㎥. 한편, 레이저 드론으로 취득한 3차원 점군 데이터로 계산한 토량은 8만 4,000㎥로 6,000㎥의 차이가 나왔다.

이번 계측에서 레이저 드론은 1㎡당 평균 100점 이상의 좌표점을 취득하였다. 미세한 요철을 계산에 반영함으로써 보다 실태에 가까운 토량을 산출한 것으로 보인다.

TS로 측량하는 ‘점’의 밀도를 올리면 정밀한 지형 정보는 얻을 수 있다. 2차원 도면과 각 점의 높이 정보로 3차원 모델을 작성하는 것도 가능하다.

그러나 효율 면에서 보면 레이저 드론의 ‘압승’이다. 데이터 처리까지 포함하면 1인당 작업량은 TS의 절반 이하, 계측에 든 비용은 비슷한 정도다. 고액의 스캐너 사용으로 인한 증액분은 측량 작업에 드는 인건비를 줄인 것으로 커버할 수 있다.

-- 4종의 스캐너로 상호 보완 --
-- 설계부터 유지관리까지 철저 활용 --

Part 2. 시공 관리로 데뷔
완성도 관리에의 적용 사례 속속 등장

i-Construction을 추진하는 국토교통성이 토목∙건축 노동자나 포장공에 대한 기술 기준을 정비하면서, 3차원 레이저스캐너를 시공 시의 완성도 계측에 적용하는 사례가 늘기 시작하였다. 건설회사 등의 창의적인 아이디어를 살펴보자.

▶비탈면 공사: 유자와(湯澤)공업(야마나시현)
기복이 심한 사면도 간단히

“특기사양서를 보고 꼭 해보고 싶었다”. 유자와공업의 유자와 상무는 국토교통성에서 수주한 ‘H29 고무카와 붕괴지 대책공사’에 대해 이렇게 말한다.

공사 목적은 1982년의 재해로 붕괴한 사면에 대책을 강구하여 강우 시 하류로 토사가 흐르는 것을 방지하는 것이다. 특기사양서에는 기공 측량이나 완성도 관리에 3차원 레이저스캐너나 드론 등을 활용할 수 있다고 명기되어 있었다.

국토교통성은 16년 이후에 ICT 토목∙건축 기술자나 ICT 포장공에 관한 기술 표준을 정비해 왔지만 비탈면 공사에 관한 기준은 아직 없다. 이전부터 ICT의 활용에 주력해 온 유자와 상무의 도전 정신에 불이 붙었다.

순조롭게 공사를 수주해 온 유자와공업에서는 총 4번(착공 전, 비탈면 정형 후, 철망 설치 완료 시, 격자틀 완성 후) 레이저스캐너로 계측하여 완성도를 확인하기로 하였다.

계측에 사용한 것은 TOPCON의 ‘GLS-2000(미들)’이다. 중소기업의 설비 투자를 지원하는 ‘제조∙상업∙서비스경영능력향상지원보조금(제조보조금)’을 활용하여 올해 구입한 것이다.

-- 2시간 정도면 계측 완료 --

▶터널공사: 사토(佐藤)공업, 도다(戸田)건설
내부 공간의 계측 시간을 대폭 절감

터널의 완성도 계측은 레이저스캐너의 활약을 기대할 수 있는 분야 중 하나다. 계측 작업을 효율화할 수 있고 둑마루 부근 등 사람이 손이 닿지 않는 장소에서도 고소작업차를 사용하지 않아도 되는 등 이점이 있다.

사토공업과 이와사키(삿포로시), Leica Geosystems와 수동형 레이저스캐너로 터널 내부 공간을 3차원 계측하는 시스템을 공동 개발하였다.

사용하는 것은 Leica Geosystems의 ‘Leica ProScan’이다. 수동형 레이저스캐너에 장착한 계측용 미러를 토탈스테이션(TS)으로 추적하여 스캐너의 위치나 상세 정보를 기록. 이를 스캐너로 취득한 점군 데이터와 조합하여 좌표가 있는 3차원 모델을 구축한다.

TS를 설치한 곳을 중심으로 전후 최대 200m씩을 한번에 계측할 수 있다. 거치식 지상형 스캐너의 경우는 약 50m마다 옮겨야 한다. 수동형은 그 이동 횟수를 줄여 효율성을 대폭 향상시킬 수 있다. 연장 1.6km의 터널을 측량하는데 거치식 지상형 스캐너는 8시간이 걸렸지만 수동형은 2.5시간으로 단축할 수 있었다.

사토공업 토목사업본부 ICT추진부는 “GNSS(위성을 이용한 위치 측정 시스템의 총칭)를 사용할 수 없는 터널 안에서 정확한 위치 좌표를 효율적으로 측정할 수 있다는 점이 다른 측량 방법에는 없는 매력이다”라고 말한다.

사람이 하는 기존의 계측 작업과 비교한 수동형 스캐너의 오차는 현재 10mm정도다. 사토공업은 앞으로 실증 실험을 통해 정밀도의 향상을 목표한다.

-- 철근의 피복 두께를 ‘가시화’ --

▶포장보수공사: 나카니혼(中日本)고속도로회사
공용(供用) 중인 도로에서의 작업 최소화

레이저스캐너를 사용한 측량 결과로 3차원 설계 데이터를 작성하여 머신컨트롤(MC)을 탑재한 중장비기계로 포장공사를 효율화한다. ICT 포장공사의 사례는 증가하고 있지만 그 대부분은 신설 공사다.

절삭기를 사용한 보수공사 등에서도 노동력 절감에 대한 기대는 크다. 교통 규제를 최소한으로 하기 때문에 자동차가 바로 옆을 지나는 좁은 공간과 한정된 시간에 작업할 필요가 있기 때문이다.

나카니혼고속도로회사는 17년 5월에 발주한 도메이고속도로의 포장보수공사에서 ICT 활용에 도전하였다. 기공 측량과 완성도 계측에는 TS와 지상형 레이저스캐너를 병용. MC탑재 포장 절삭기와 아스팔트피니셔에 의한 시공을 마치고 현재는 효과를 검증하고 있다.

▶교량공사: 오카베멘테(오키나와현)
모노레일의 PC거더를 계측

드론 측량이나 CIM(Construction Information Modeling)모델 작성 등을 전개하는 오카베멘테. 오키나와에서 운영되는 모노레일 ‘유이레일’의 연장에 사용하는 PC(Prestressed Concrete)제 궤도 횡목의 완성도 관리에 3차원 레이저스캐너를 사용하였다.

원청 회사인 OKINAWA PC에서 수주한 것은 총 56개의 PC 횡목을 계측하는 것이다. 3차원 레이저스캐너와 토탈스테이션의 기능을 겸비한 ‘Trimble SX10’을 사용하였다. 레이저스캐너로는 계측하기 어려운 구조물의 ‘모퉁이’ 좌표도 정확하게 계측할 수 있다. 가설 전에 공장에서 계측한 결과, 사람이 계측한 결과와 거의 같은 결과를 얻었다.

모노레일의 궤도 횡목은 일반적인 도로 다리보다 완성도 관리 기준이 엄격하다. 또한 직선뿐 아니라 커브를 그리는 횡목 등 모양이 다양하다. 기존처럼 테이프나 자를 대고 계측하기에는 시간이 걸리는데다 오차도 발생하기 쉽다. 레이저스캐너라면 지금까지는 파악이 어려웠던 굴곡 등도 계측 가능하다.

Part 3. 기술 기준의 행방
‘작업 항목 확대’와 ‘원격 검사’에 조준

16년 3월 이후, 국토교통성은 속속 등장하는 신기술에 대응하기 위해 레이저스캐너의 활용에 관한 기준 정비를 추진하고 있다. 작업 항목의 확대나 검사에서의 활용 촉진 등 다음 단계의 전개도 가시화하였다.

18년을 i-Construction ‘심화의 해’로 규정한 국토교통성. ICT나 3차원 데이터의 활용을 보다 가속시키고자 신기술에 대응한 기준의 신설이나 개정을 빠르게 추진하고 있다. 레이저스캐너에 관한 요령이나 매뉴얼도 갖춰졌다.

국토교통성은 지난 3월, 토목∙건축 노동자와 포장공을 대상으로 ‘지상 이동체 탑재형 레이저스캐너를 이용한 완성도 관리 요령(안)’을 신설. 수동형 레이저스캐너를 사용하여 이동하면서 밀리 단위의 정밀도의 3차원 측량이 가능한 기술의 등장에 대응하였다.

측량에서 요구하는 정밀도는 지상형 레이저스캐너를 사용하는 경우와 다르지 않다. 예를 들면 포장공의 경우 가장 엄밀한 관리가 필요한 표층 표면과 기층 표면의 계측에서 평균 ±4mm 이내의 오차를 기준으로 하였다.

-- 신기술 도입의 장벽을 낮추다 --
다른 i-Construction 관련 기준과 마찬가지로 사용하는 스캐너의 조건을 제한하는 ‘사양 규정’이 아니라 일정한 정밀도를 보증할 수 있다면 어떤 기재를 사용해도 좋다는 ‘성능 규정’이라는 점이 포인트다. 신기술이라도 요구 성능만 클리어하면 현장에 도입할 수 있다.

“현장을 효율화하는 신기술을 사업자가 도입하고자 했을 때 기준이 방해가 되지 않도록 룰을 정비한다”. 국토교통성의 기술 기준 작성 담당자는 이렇게 강조한다.

공공 측량의 매뉴얼도 정비되었다. 국토지리원은 올 3월 ‘UAV탑재형 레이저스캐너를 이용한 공공 측량 매뉴얼(안)’을 공표. 레이저 드론을 사용한 측량의 표준적 공정이나 일정한 정밀도를 유지하기 위한 작업 절차 등을 제시하였다.

국토교통성은 현장에서 발생한 과제나 요구를 검증하면서 기준이나 매뉴얼이 실정에 맞도록 개정해 나갈 방침이다. 올 3월에도 레이저 드론을 사용한 완성도 관리 요령을 개정하여 기공 측량의 요구 정밀도를 50mm에서 100mm로 완화하였다.

-- ‘VR검사’가 당연시? --

Part 4. 유지관리의 조력자
점군을 사용하면 유지관리는 편하고 정확

육안으로는 파악하기 어려운 손상도 점군 데이터를 사용하면 일목요연하게 알 수 있다. 기설 구조물의 상황을 간단하게 측량할 수 있는 3차원 레이저스캐너는 인프라의 유지관리에 반드시 필요한 툴이 될 것이다.

▶하천제방: 아사히항양(朝日航洋)
제초작업을 하면서 두더지 굴까지 파악

아사히항양이 내각부의 전략적이노베이션창조프로그램(SIP)에서 개발하고 있는 ‘CalSok’. 국토교통성이 전국에 배치한 원격조작 대형 제초기의 후부에 3차원 레이저스캐너나 GPS를 장착하여 제초와 동시에 하천 제방을 계측하는 유니크한 시스템이다.

제초 직후에 계측하기 때문에 식생의 영향을 받지 않고 하천 제방의 3차원 모양을 정확하게 취득할 수 있다. 1년에 1, 2회 실시하는 제초 작업과 동시에 계측하기 때문에 비용과 노동력을 줄일 수 있다. 취득하는 점군 데이터는 매우 고밀도로 항공 레이저 측량의 100배 이상이다.

개발 초기에 상용 MMS를 제초기에 장착한 결과, 폭염에서는 열로 인해 10분 정도면 쓸 수 없게 되었다. 자동차와 달리 크게 흔들리기 때문에 진동 대책도 필수다. 내구성이 높은 기기를 재선정하여 실용화에 도달하였다.

국토교통성이 관리하는 마루야마가와(円山川)에서 17년에 실시한 실증 실험에서는 제방 점검 시에 체크해야 하는 작은 동물의 서식지 구멍을 정확하게 파악할 수 있었다.

-- 점검원을 지원하는 앱도 등장 --

▶고속도로 포장: 슈토코(首都高)그룹
노면 상태 측정 차량을 초월하다

슈토고속도로회사의 ‘i-DREAMs’는 도로관리대장이나 점검 결과, 320km에 달하는 고속도로와 그 주변의 3차원 점군 데이터를 GIS(지리정보시스템)에 축적한 유지관리 시스템이다.

1초 동안에 100만번 이상 레이저를 조사(照射)할 수 있는 MMS로 취득한 점군 데이터를 사용하여 현지에 가지 않고도 구조물의 치수를 측정하여 도면을 작성하거나 교통 규제 시뮬레이션을 할 수 있다.

점군 데이터를 통해 구조물의 변화를 검출하는 것도 가능하다. 현재 19년의 본격적인 운용을 목표로 ‘포장’에 대한 평가시스템을 개발하고 있다. 이 시스템에서는 MMS에 라인센서카메라를 추가하여 노면의 점군 데이터나 이미지를 취득. 소성변형이나 평탄성, 포트홀의 위치나 크기, 균열을 자동으로 검출하여 손상 단계를 판정, 공사비용을 산출한다.

-- 국소적인 손상도 놓치지 않는다 --

▶철도교의 밑다짐: JR도카이
보강 블록의 유출을 체크

일본의 3대 급류 중 하나인 후지카와(富士川). 하구 부근에 건설하는 도카이도신칸센의 철도교 ‘후지카와 교량’의 교각 부근에는 세굴(Scour) 방지를 위해 약 4만개의 밑다짐 블록이 부설되어 있다.

JR도카이는 후지카와의 증수로 밑다짐 블록이 유출되거나 침하하는 것을 파악하는데 레이저스캐너를 활용한다. 국제항업, JR도카이컨설턴츠와 공동으로, 다리 점검용 통로에서 스캐너를 거꾸로 매달아 약 10m 아래의 블록을 3차원 계측하는 기술을 개발하였다.

기존에는 헬리콥터에 의한 항공측량이나 하천 내부 측량을 통해 확인할 수밖에 없어 대상은 일부 블록으로 한정되었다. 레이저는 한번에 넓은 범위를 측정할 수 있기 때문에 1경간에 1회씩 스캔하면 하루에 모든 블록을 측정할 수 있다.

계측 결과를 얻기까지의 시간도 기존의 1주일에서 하루로 단축. 취득한 3차원 점군 데이터는 전용 소프트웨어로 해석하여 증수 전후의 블록을 색으로 구분함으로써 이동을 쉽게 판별할 수 있도록 하였다.

작년 9월 도입 이후 증수에 의한 블록 이동은 관측하지 못했다. JR도카이는 앞으로도 태풍 등으로 증수가 발생하면 계측을 통해 변화의 조기 발견과 대책 검토 등에 활용한다.

Part 5. 멈추지 않는 다양화
스캐너 ‘캄브리아기 폭발’

지금부터 5억년 이상 전에 생물이 극적으로 다양화한 현상을 가리키는 ‘캄브리아기 폭발’. 새로운 제품이나 유니크한 용도가 속속 생겨나고 있는 3차원 레이저스캐너도 지금 캄브리아기 폭발을 맞이하려 하고 있다.

16년 발매 후, 전세계에서 화제를 부른 3차원 레이저스캐너가 올 4월 드디어 일본에 상륙했다. Leica Geosystems의 ‘BLK360’. 260만엔이라는 파격적인 저가로 스캐너 가격 경쟁에 불을 붙이 제품이다. BLK360의 특징은 가격만이 아니다. 무게 1kg으로 초소형. 1번 스캔에 필요한 시간은 불과 3분 정도다.

측정 가능 거리가 반경 60m로 짧은 것이 약점이지만 가볍고 측정 시간이 짧기 때문에 어려움없이 이동시킬 수 있다. 기존의 스캐너는 측정 거리가 반경 수십 미터로 긴 반면에 무게가 10kg전후로 무겁고 1회 스캔에 20~30분 정도의 시간이 걸린다.

조작이나 점군 데이터의 작성에는 Autodesk의 ‘ReCap Pro’를 사용한다. 계측 대상이 중복되도록 스캔해 두면 소프트웨어가 자동적으로 모양을 인식하여 그 자리에서 데이터를 합성해 준다. 기존에는 스캔한 데이터를 연결하기 위해 복수의 타깃을 설치∙계측할 필요가 있었다.

BLK360를 판매하고 있는 KOBE SEIKO SYSTEM INSTRUMENT의 하시데(走出) 사장은 “상위 기종과 비교하면 정밀도는 떨어지지만 이 정도면 충분하다는 현장도 많다”라고 말한다. 건축 분야에서의 이용을 상정한 제품이지만 터널이나 리뉴얼 공사 등 토목에서도 많이 사용될 것으로 보인다.

-- 정밀모터 기업 참여 --
소형화, 저가격화와 함께 레이저스캐너를 설명하는 키워드는 ‘다양화’다. 용도에 맞춘 제품이 증가할 가능성이 있다.

올해로 창업 100주년을 맞이하는 정밀모터 기업인 Shinano Kenshi(나가노현)가 국토교통성의 지원을 받아 17년부터 2년간의 예정으로 개발하고 있는 신형 스캐너는 다양화를 보여주는 특징적인 예다.

신형 스캐너의 특징은 크게 3개다. ‘실시간 모니터 기능’ ‘평면 균등 밀도/평면 가변 정밀도 측정 기능’ ‘프리스캔 기능’이다.

-- 그린레이저를 드론에 --

  -- 끝 --