우리 사회 인프라는 앞으로 20년 사이에 급속히 노후화가 진행될 것으로 예측되고 있으며, 그 대책으로 예방보전형 메인티넌스 전환에 의한 지속성 확보와 유지 관리·갱신비 감축이 급선무로 되어 있다. 이에 따라 인프라 관리자에게는 프론트엔드가 되는 현장 점검 작업의 성력화뿐만 아니라, 손상 이력의 확인, 점검 조서의 작성, 점검 데이터의 장기 보존 등 백엔드 작업의 효율화·고도화를 도모하는 것도 강하게 요구되고 있다.

 

필자 등은 일본 내각부의 전략적 이노베이션 창조 프로그램 ‘인프라 유지 관리·갱신·매니지먼트 기술’에서, ‘이륜형 멀티콥터를 이용한 지오태그(geotag)가 붙은 근접 화상을 취득할 수 있는 교량 점검 지원 로봇 시스템의 연구 개발’(이하, ‘동 프로젝트’)에 공동 연구자로 참여해 교량을 대상으로 3차원 모델 상에 점검 정보를 직접 기록·보존할 수 있는 백앤드 작업용 소프트웨어의 시제작 개발을 해왔다. 이 글에서는 그 성과를 중심으로 소개한다.

 

점검 정보의 3차원 관리에 필요한 기술

 

지금까지 인프라 구조물 점검 성과는 그림 1 (a)와 같이 도면 위에 손상 부위가 스케치된 손상도, 손상부의 근접 사진과 그 종류·정도를 기재한 표, 부재 번호도 등으로 구성된 복수의 장표 형식으로 기록·보존되어 왔다. 그러나 이 형식은 육안 점검 결과로부터 손상 스케치를 그리는 수고, 손상 위치나 그 상대 관계의 직감적·부감적인 파악의 어려움, 손상의 경년 변화를 파악하기 위해서는 여러 장표 간의 상호 참조가 필요한 점 등 때문에 관리자나 점검 작업자에게는 편리성·효율성이 높은 것이라고 할 수 없었다.

 

그 해결을 위해 그림 1 (b)와 같이 구조물의 3차원 모델 상에 손상부의 사진이나 점검·진단 정보를 직접 붙인 기록 방법이 최근 제안되고 있다. 이 방법은 손상 위치나 상대 관계의 직감적인 파악이 쉽고, 점검 기록의 일원적 관리도 가능하다. 최근 일본 국토교통성도 이 3차원 모델에 기초한 점검 성과의 납품을 인정하고 있다.

 

 

그러나 이러한 3차원 모델을 베이스로 한 점검 정보 관리의 실용화나 안정 운용에는 3차원화에 의해 새롭게 발생하는 이하의 과제를 해결할 필요가 있다. 예를 들면 (1) 모델에 대한 손상 사진의 3차원적인 촬영 위치를 어떻게 동정해야 할지, (2) 점검 정보를 붙이는 ‘대지’가 되어야 할 교량 3차원 모델 자체를 어떻게 작성해야 할지, (3) 장기간에 걸친 교량의 공용 기간 동안 점검 정보나 교량 3차원 모델의 디지털 데이터 호환성, 장기 운용 가능성을 어떻게 보장해야 할지 등이다.

 

 

이 과제 (2), (3)의 해결을 위해 필자 등은 동 프로젝트에서 그림 2와 같은 실제 교량의 3차원 레이저 계측에 기초한 교량 as-built 모델의 쾌속 구축 및 국제 규격에 준거한 교량 3차원 모델 상의 점검 정보 관리를 지원하는 다양한 소프트웨어를 개발했다. 그 연구 성과에 대해서, 그 후의 전개도 포함해 이하에서 설명한다. 또한, 과제 (1)의 해결을 위해 개발된 이륜형 멀티콥터와 근접 점검 화상의 자기 위치 추정 기술에 대해서는 문헌 ‘Development of a Bridge Inspection Support System Using Two-Wheeled Multicopter and 3D Modelling Technology’에서 자세히 소개하고 있으므로 이 글에서는 생략한다.

 

레이저 계측 점군의 자동 레지스트레이션

 

교량이나 건물 등 구조물의 고정도 3차원 계측 점군의 취득에는 그림 3 (a)와 같은 지상설치형 레이저 스캐너(Terrestrial Laser Scanner, 이하 ‘TLS’)를 이용할 수 있다. TLS를 이용한 3차원 레이저 계측에서는 TLS로부터 볼 수 있는 물체 표면의 3차원 계측 점군만 취득되기 때문에 구조물 표면 전체의 점군을 취득하기 위해서는 다른 부위에서 여러 번 계측할 필요가 있다. TLS로 취득한 점군의 좌표계는 TLS의 위치를 원점으로 하는 좌표계로 표현되는 경우가 많고, 여러 부위에서 취득한 계측 점군을 단순히 서로 겹쳐도 대상물을 표현하는 점군을 얻을 수 없다(그림 3 (b)). 그래서 각 계측 부위에서 취득한 점군 중의 대응 부위를 일치시키는 레지스트레이션(Registration, 위치맞춤) 처리가 필요하다(그림 3 (c)).

 

 

레이저 계측 점군의 레지스트레이션 기법에는 자동 처리를 할 수 있는 것은 물론, 수억 개가 넘는 점군을 효율적으로 처리할 수 있고 높은 정도의 위치맞춤을 할 수 있으며, 또한 여러 가지 요인(계측 노이즈, 어긋난 값, 계측점 밀도나 분포, 점군 간의 오버랩률, 환경이나 대상물의 형상 복잡성이나 변화)에 대해서 견고하게 기능하는 것이 요구된다. 레이저 계측 점군의 정밀한 자동 레지스트레이션에는 대응점 탐색과 대응점 간 제곱거리의 최소화를 반복하는 Iterative Closest Point 알고리즘(이하, ‘ICP’)과 그 확장법이 유용하다. 그러나 ICP로 올바른 위치맞춤 결과를 얻기 위해서는 그 전처리로 점군의 대략적인 위치 자세를 맞추는 러프 레지스트레이션이 필요하다.

 

구조물이나 환경의 계측 점군용 러프 레지스트레이션법은 많이 제안되어 왔으며, 평면 영역이나 에지, 국소 형상기술자, 파노라마 화상이나 2차원 특징점 등 여러 가지 특징이나 표현, 기하 프리미티브가 점군 간의 대응 검출에 이용되고 있다. 최근에는 심층학습을 이용한 레지스트레이션 기법의 연구도 이루어지고 있으며, 지금도 또한 레지스트레이션의 효율성, 견고성 및 정도의 향상을 위해 연구가 활발히 이루어지고 있다.

 

 

필자 등은 동 프로젝트에서 3차원 레이저 계측에 기초한 교량 3차원 모델의 쾌속 생성 지원용의 교량 레이저 계측 점군의 효율적 레지스트레이션법을 개발했다. 개발법은 TLS로 취득한 각 점군으로부터 직선 에지를 검출, 에지의 페어에 의지해 해시와 샘플 컨센서스(Consensus)를 이용해 점군을 고속 그리고 견고하게 레지스트레이션한다. 예를 들면 약 100m 길이의 교량을 계측한 19점군, 합계 약 1.2억점에 대해 러프 레지스트레이션에서 약 1분, ICP도 포함해 총 3.5min의 실용적인 시간으로 레지스트레이션을 할 수 있다는 것을 확인했다(그림 3 (b), (c)). 또한, 높이나 타입이 다른 복수의 교량 계측 점군에 대해 알고리즘이 효율적으로 기능하고, 개발법이 교량 계측 점군의 이용에서 유용하다는 것을 확인했다(그림 4).

 

동 연구 그룹에서는 최근 보다 고정도의 레지스트레이션 실현을 목표로 계측 품질을 고려한 기법을 개발하고 있다. 레이저 계측 점군의 계측 오차(우연 오차나 계통 오차)의 규모는 계측 거리, 레이저의 물체 표면에 대한 입사각, 물체 표면의 레이저 반사 특성에 의존하여 변화한다. 이러한 요인들으로부터 점군 각 점의 계측 품질을 추정해 ICP에 도입하는 것으로 레지스트레이션의 처리 정도 향상이 가능하다는 것을 확인했다.

 

점군의 처리 알고리즘 개발도 진행되는 한편, 현재 일부의 TLS에서는 GPS나 관성계측장치, Simultaneous Localization and Mapping(SLAM) 기능을 탑재하고 하드웨어에 의한 레지스트레이션 지원도 추진하고 있으며, TLS 점군의 원활한 이용을 위해 기술 개발이 다방면에서 추진되고 있다.

 

계측 데이터로부터 교량 as-built 모델 생성

 

일본 국내 교량의 대부분은 연대가 오래된 것이 많아 관리자가 원래 그 교량의 3차원 모델을 보유하고 있는 경우는 드물다. 그래서 현재 형상을 반영하는 as-built의 교량 3차원 모델을 현물 계측으로 작성할 필요가 있다. 그러나 거리계에 의한 치수 계측과 수동에 의존한 3차원 모델 생성에는 모델 작성에 많은 작업 코스트가 소요된다. 해외를 중심으로 레이저 계측 점군으로부터 교량의 CAD 모델을 자동 생성하려고 하는 시도도 있지만, 자동화 수준의 관점에서는 아직 실용화에 이르지 못했다.

 

 

필자 등은 앞에서 말한 레이저 계측 점군으로부터 교량 as-built의 3차원 솔리드 모델을 반자동 생성할 수 있는 시스템을 개발했다. 이 시스템은 그림 5와 같이 계측 점군 내의 주요 평면 영역, 평면 경계 점군, 평면 영역의 교점을 계산하고, CAD 시스템용 스크립트로 자동 변환해 출력한다. CAD 시스템 측에서는 그 스크립트를 입력, 조작자가 밀어내기 기능 등을 이용해 교각이나 상판 부분의 3차원 솔리드 모델을 수동으로 생성할 수 있다. 스크립트 문자열을 데이터 교환에 이용해 임의의 3차원 CAD 시스템과 접속할 수 있다. 그림 5에 이 시스템을 이용해 몇 종류의 콘크리트 교량의 교각·상판 부분을 계측한 레이저 계측 점군으로부터 상판이나 교각 부분의 3차원 CAD 모델을 반자동으로 생성한 결과를 나타냈다. 이 그림에 있는 하이 피어 교량의 교각 토대에서는 점군과의 오차가 최대 4.0mm 정도로 CAD 모델을 작성할 수 있다.

 

 

또한, 이번 연구에서는 차폐가 많은 강교 레이저 계측 점군으로부터 L형이나 H형강의 규격 부재를 자동 추출하는 시스템도 개발했다. 그림 6과 같이 강교 상부 구조의 인식실험을 해서 충분한 계측 점군 밀도라면 100%에 가까운 재현율로 형강 부분과 그 규격값을 검출할 수 있다는 것을 확인했다.

 

 

그리고 그림 7과 같이 이 시스템 이용 시와 기존의 메저 계측과 수동 CAD 조작에 의한 모델 생성 시간을 비교한 결과, 동 개발 기법으로는 생성 시간을 1/10∼1/3 정도로 단축할 수 있다는 것이 밝혀졌다.

 

한편, 건설업계에서는 레이저 계측과 함께 화상만으로 3차원 계측을 할 수 있는 Structure-from-Motion/Multiview-Stereo(SfM-MVS)도 활용되고 있다. 그러나 계측 데이터 품질이 촬영 위치에 좌우되기 쉬운 점이나 재구성 처리 시간의 길이가 과제이다. 그 해결을 목표로 필자 등은 스마트폰 촬영용 SfM-MVS 최적 촬영 지원 시스템을 개발했다. 이 시스템은 소수의 초기 화상 입력으로 재구성되는 고밀도 계측 메시의 품질을 계산이 고속인 SfM의 결과만으로 예측하고, 품질 개선에 효과가 있는 추가 촬영 목표점을 몇 분 정도로 추정, 현장 촬영자의 스마트폰 상 메시지 앱으로 목표점 지시를 한다. 그림 8과 같이 시스템이 교시한 촬영 위치를 채용하면, 랜덤 선택한 위치의 촬영에 비해 데이터의 비재구성 영역과 재구성 오차를 크게 줄일 수 있다는 것을 확인했다.

 

 

국제 규격에 따른 교량 3차원 모델 상의 점검 정보 관리

 

정보 시스템을 이용한 교량 유지 관리 작업 지원에서는 정기 점검의 결과 등 교량 유지 관리에 필요한 데이터를 적절한 포맷으로 전자 데이터로 보관, 이용하는 것이 중요하다. 교량의 수명이 50년 이상이라고 하면, 사용하는 데이터도 장기간에 걸쳐 사용해야 한다. 국제 규격을 따르면 데이터의 호환성을 길게 보증하는 것이 가능하다. 예를 들면 Huthwohl 등이 국제 규격 Industry Foundation Classes(IFC)에 의한 변상 정보 표현을 제안하고 있는데, 형상 요소의 의미를 확장해 이용하고 있다.

 

 

그림 9에 필자 등이 제안한 교량 유지 관리 정보 모델의 구조를 나타냈다. IFC 규격에 준거해 교량 구조나 형상, 태스크 정보 등을 표현하고, 유지 관리에 필요한 시계열 검사 정보, 시계열 변상 정보, 시계열 보수 정보를 표현할 수 있도록 확장되어 있다. 또한, 최신 IFC에서는 교량의 구조를 표현하기 위해 상부 구조나 하부 구조를 나타내기 위한 요소, 나아가 교각 등을 나타내기 위한 요소가 포함되어 있다.

 

 

그림 10에 필자 등이 제안한 교량 유지 관리 지원 시스템 구조를 나타냈다. 교량 설계 모델, 과거의 점검 조서, SfM 교량 3D 모델, 점검 결과 등을 입력하고, Web이나 VR 표시를 가능하게 했다.

 

 

그림 11에 제안한 교량 유지 관리 정보 Web 표시 시스템에 의한 표시 예를 나타냈다. 브라우저에서는 IFC 형상 데이터와 함께 SfM 교량 3D 모델, 변상의 위치를 나타내는 변상 마커 등이 표시된다. 변상 마커를 클릭하면 다른 창에 변상 정보가 표시된다. 검사 정보도 입력 창을 통해 시스템에 입력 가능하다. Web 브라우저를 사용한 시스템에서는 특별한 소프트웨어나 하드웨어가 필요하지 않은 장점이 있다.

 

맺음말

 

3차원 모델을 기반으로 한 점검 정보의 축적은 인프라 유지 관리의 효율화·고도화에 크게 공헌할 것으로 생각된다. 그러나 기반이 되는 3차원 모델을 계측에서부터 저비용으로 신속하게 구축하고 점검 정보를 장기간 안정적으로 운용할 수 있는 기술이 없으면, 그 실용화나 보급은 어려울 것으로 생각된다.

 

사회 인프라의 노후화는 ‘2030년 문제’로서 국가적으로 매우 중요한 사회적 과제의 하나로 인지되고 있다. 이 글에서 소개한 기술이 그 해결에 조금이라도 도움이 되기를 바란다.

 

카나이 사토시·다테 히로아키·타나카 후미키. 홋카이도대학 대학원 정보과학연구원

 

헬로티 임근난 기자 |