Multi-method monitoring for coastal cliff stability analysis: Integrating geotechnical surveys and terrestrial LiDAR at the Citadel of Bonifacio

기술 요약: 보니파초 시타델의 해안 절벽 안정성 분석을 위한 다중 방법론적 모니터링

문제 제식
암석 해안 절벽은 국지적인 낙반부터 대규모 붕괴에 이르는 불안정성 과정으로 인해 점점 더 큰 위협을 받고 있다. 이러한 사건들은 특히 프랑스 코르시카의 보니파초 시타델과 같이 인구 밀도가 높은 도시 환경에서 인명, 주요 기반 시설 및 문화유산에 상당한 위험을 초래한다. 이러한 위험을 평가하는 데 있어 주요 과제는 붕괴의 산발적인 특성과 전조 요인(지질 구조, 구조), 준비 요인(풍화, 피로), 그리고 트리거 요인(열적 변동, 강우, 파랑 작용) 사이의 복잡한 상호작용에 있다. 역사적으로 모니터링은 표준화된 프로토콜의 부재와 고주파 환경 트리거와 장기적인 구조적 진화를 동시에 포착하는 어려움으로 인해, 가역적인 열탄성 변형과 비가역적인 소성 전조 현상을 구분하는 데 어려움을 겪어 왔다.

방법론
본 연구는 시타델을 지탱하는 연질 석회암 절벽의 안정성을 평가하기 위해 주기적인 고해격 공간 측량과 연속적인 실시간 지반 공학 모니터링을 통합하는 이중 모니터링 전략을 구현한다.

1. 지표 레이저 스캐닝 (TLS): 2018년 9월부터 2023년 6월 사이에 6회의 다중 시기 캠페인이 수행되었다. 심각한 오버행(overhang)과 폐쇄 영역을 포함한 복잡한 기하학적 구조를 해결하기 위해 이중 기기 접근 방식을 활용하였다:

   • 절벽 하단 및 오버행 아래에 배치된 단거리 FARO Focus 스캐너는 고밀도의 근거리 캡처를 위해 사용되었다.
   • 최대 2,000m 떨어진 곳에 위치한 장거리 RIEGL VZ 스캐너는 절벽 상부와 구조적 크라운(crown)을 포착하기 위해 사용되었다.
   • 데이터 처리는 엄격한 레지스트레이션, 노이즈 필터링(식생 및 해무 제거), 그리고 2.5D DEM의 투영 왜곡 없이 표면 법선 거리와 체적 변화를 계산하기 위한 M3C2(Multi-scale Model to Model Cloud Comparison) 알고리즘을 이용한 시계열 비교 과정을 거쳤다.

2. 연속 다중 파라미터 모니터링: 2019년 4월부터 실시간 센서 네트워크가 "Marché"(고위험) 구역과 "Torrione"(중고위험) 구역으로 나뉜 220m의 임계 절벽 구간을 모니터링하고 있다. 시스템 구성은 다음과 같다:

   • 지반 공학 계측기: 주요 단층면(N110°E 및 N20°E)을 가로지르는 변위를 측정하기 위한 다점 앵커가 설치된 두 개의 심부 보어홀 익스텐소미터(F1 및 F2), N110°E 균열에 설치된 표면 크랙미터, 그리고 임계 오버행 블록에 고정된 바이액셜 클리노미터(Manichella).
   • 환경 센서: 공기/암석 온도, 습도, 풍속, 강우량을 추적하기 위한 자동 기상 관측소 및 다운홀 서미스터(downhole thermistor).
   • 데이터 처리: 원시 시계열 데이터는 전처리(결측치 채우기, 이상치 제거)를 거친 후 세 가지 성분, 즉 세큘러 트렌드($T(t)$), 계절적 열탄성 응답($S(t)$), 그리고 정상 잔차($\epsilon(t)$)로 분해되었다. 분해에는 계절적 열 탄성 반응을 분리하기 위한 STL(Seasonal-Trend Decomposition using Loess)과 GAM(Generalized Additive Models)이 사용되었다. 잔차의 정상성은 ADF(Augmented Dickey–Fuller) 및 KPSS(Kwiatkowski–Phillips–Schmidt–Shin) 테스트를 통해 검증되었다.

주요 결과

• 공간적 안정성 (2018–2023): 시계열 TLS 비교 결과, 주요 절벽 면에서 통계적으로 유의미한 구조적 변위나 질량 이동은 발견되지 않았다. 최소 검출 한계(LoD)는 5~10cm로 설정되었다. 관찰된 표면 변화(국지적 영역에서 최대 0.50m)는 절벽의 불안정성이 아닌 식생 성장, 해변 모래 재배치, 임시 가설물과 같은 비지질학적 요인에 의한 것으로 판명되었다.
• 시간적 운동학: 연속 모니터링 결과, 암반은 강한 가역적 열탄성 거동을 보이는 것으로 확인되었다.
  • 익스텐소미터: 앵커는 여름철 가열 시 수축하고 겨울철 냉각 시 팽창하는 순환 패턴을 보였다. 신호를 분해한 후, 정상 잔차는 센서 정밀도 범위 내에 머물렀으며, 이는 모니터링된 단층면을 따라 유의미한 비가역적 크리프(creep)나 전단 슬라이딩이 발생하지 않았음을 나타낸다.
  • 크랙미터: N110°E 표면 조인트는 연간 열 순환(±0.05 mm) 위에 약 0.20 mm의 지속적인 장기 개구 경향을 보였다. 그러나 잔차 분석 결과, 비열적 변동은 배경 소음 범위 내에 있음이 확인되었다.
  • 클리노미터: 오버행 블록은 차등 열 팽창에 의한 계절적 기울기 진동을 보였으나, 정상 잔차 성분에서 비가역적인 기울기 불안정성은 나타나지 않았다.
• 신호 분해: 본 연구는 복잡한 지반 공학 시계열을 분해하여 장기적 트렌드를 환경 소음으로부터 통계적으로 견고하게 구분하기 위해서는 최소 2.5년의 연속 관측 기간이 필요함을 입증하였다.

주요 기여

• 통합 모니터링 프레임워크: 본 논문은 대규모 공간 원격 탐사(TLS)와 고주파 현장 지반 공학 모니터링을 결합하는 것의 운영적 가치를 입증한다. 이러한 시너지는 거시적 지형 변화와 미시적 운동학적 전조 현상을 동시에 평가할 수 있게 한다.
• 신호 처리의 방법론적 엄밀성: 본 연구는 복잡한 지반 공학 시계열을 분해하기 위한 검증된 프로토콜을 제공한다. 정상 잔차 성분을 분리함으로써, 저자들은 미세한 붕괴 전조를 가릴 수 있는 지배적인 가역적 열 팽창의 영향을 효과적으로 필터링하였다.
• 위험 시나리오의 정량화: 연구는 시타델을 위해 식별된 세 가지 특정 붕괴 시나리오를 구체화하였다. 시나리오 1(마켓 스퀘어 아래의 약 3,000 m³ 블록)은 위치와 100년 이내 발생 가능성 때문에 가장 높은 우선순위를 가지지만, 현재의 모니터링 데이터는 5년간의 연구 기간 동안 해당 구조물의 안정성을 확인해주고 있다.

의의 및 주장
본 논문은 이러한 다중 방법론적 접근 방식이 취약한 해안 유산 지역의 지질 재해를 관리하는 지방 당국에 실행 가능한 의사 결정 지원 데이터를 제공한다고 주장한다. 주요 의의는 다음과 같다:

1. 노이즈와 신호의 구분: 열탄성 응답을 비가역적 변형으로부터 엄격히 분리함으로써, 모니터링 시스템은 실제 구조적 저하를 감지하면서도 허위 경보를 방지한다.
2. 기준선 구축: 2018–2023 데이터셋은 지형적 및 운동학적 기준선을 제공하며, 이는 기후 변화로 인해 하부 파랑 침식과 열적 응력이 심화됨에 따라 가역적 거동에서 비가역적 크리프로 전환되는 시점을 탐지하는 데 필수적이다.
3. 리스크 관리 지원: 이러한 데이터 세트를 웹 기반 플랫폼(c.eceanaris)에 통합함으로써 구조적 건강 지표에 대한 근접 실시간 모니터링을 가능하게 하여, 시타델 주변의 고밀도 도시 및 관광 지역을 위한 선제적 리스크 완화 전략을 용이하게 한다.

저자들은 시타델의 절벽이 현재는 안정적이지만, 환경적 강제 조건이 변화함에 따라 불안정성의 초기 경고 신호를 탐지하기 위해 지속적인 모니터링 프레임워크가 필수적이라고 결론짓는다.