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Assessment of Geometric Deviations in a Complex Concrete Dome Using UAV Photogrammetry and Integrated Geodetic Techniques

본 연구는 이집트 알렉산드리아에 위치한 성 마리아 성 요셉 교회의 복잡한 콘크리트 돔의 기하학적 편차를 UAV 사진 측량, 레이저 스캐닝, 토탈 스테이션 측량과 비교하여 평가하며, 궁극적으로 UAV와 레이저 스캐닝이 최대 45mm까지의 편차를 가진 불규칙성을 탐지하는 데 효과적임을 입증한다.

원저자: RAMY K. Kelliny, Ashraf A. A. Beshr, magdy Israil, Magda H. Farahan

게시일 2026-07-23

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CC BY 4.0

원저자: RAMY K. Kelliny, Ashraf A. A. Beshr, magdy Israil, Magda H. Farahan

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

당신이 거대한 콘크리트 달걀껍질을 완벽하게 만들려는 건축가라고 상상해 보세요. 당신은 매끄럽고, 대칭적이며, 가운데에 기둥 없이도 거대한 공간 위에 지붕을 지탱할 수 있을 만큼 튼튼한 구조물을 만들고 싶습니다. 이것이 바로 '돔(dome)'의 역할입니다. 수 세기 동안 인류는 모스크, 교회, 박물관을 짓기 위해 이 구조물들을 만들어 왔는데, 이는 아름다울 뿐만 아니라 효율적이기 때문입니다. 하지만 여기 까다로운 문제가 있습니다. 콘크리트는 무겁고, 시간이 흐르면서, 혹은 건설 과정 중에 이 거대한 껍질들이 약간 비뚤어질 수 있다는 점입니다. 한쪽으로 기울거나, 불룩하게 튀어나오거나, 이상한 지점에서 수축할 수도 있습니다. 만약 이러한 미세한 실수를 초기에 잡아내지 못한다면, 전체 구조물이 위험해질 수 있습니다.

이러한 숨겨진 결함을 찾기 위해, 과학자들은 과거에 줄자와 자를 들고 구조물 위로 기어 올라가 한 번에 아주 작은 지점 하나씩을 확인해야 했습니다. 그것은 느린 작업이었고, 측정 지점 사이의 숨겨진 문제를 놓칠 수도 있었습니다. 하지만 이제 우리에게는 '슈퍼 파워를 가진 눈'이 생겼습니다. 이들을 디지털 탐정이라고 생각하면 됩니다. 하나는 '지상 레이저 스캐너(TLS)'인데, 이는 건물의 모든 굴곡과 움푹 팬 곳을 3D로 매핑하기 위해 수백만 개의 보이지 않는 레이저 빔을 쏘는 매우 빠르고 첨단 기술이 집약된 손전등과 같습니다. 다른 하나는 '드론(UAV)'으로, 수백 장의 겹쳐진 사진을 찍어 하늘에서 건물의 완벽한 3D 이미지를 합성해내는 비행 로봇 카메라입니다. 이 두 가지 첨단 기술을 전통적인 측량 도구와 결합함으로써, 엔지니어들은 이제 건물 형태를 놀라운 정밀도로 파악할 수 있으며, 연필 지우개 너비 정도인 몇 밀리미터의 오차까지도 찾아낼 수 있습니다.

이 논문은 엔지니어 팀이 이 디지털 탐정들을 사용하여 매우 구체적이고 복잡한 콘크리트 돔, 즉 이집트 알렉산드리아에 있는 성 마리아와 성 요셉 교회의 꼭대기에 있는 돔을 조사한 이야기를 들려줍니다. 1949년에 건축된 이 돔은 역사적인 보물이지만, 건축된 이후로 그 형태를 체크한 사람은 아무도 없었습니다. 연구진은 이 70년 된 돔이 여전히 완벽한 곡선을 유지하고 있는지, 아니면 변형되기 시작했는지 알고 싶었습니다. 그들은 단순히 추측하지 않았습니다. 레이저 스캐너, 드론, 그리고 전통적인 토탈 스테이션(고정밀 데오도라이트)을 사용하여 모든 각도에서 돔을 측정했습니다.

연구팀은 돔이 완벽하게 완벽하지 않다는 것을 발견했습니다. 돔의 하단부는 거의 결점 없는 원형처럼 놀라운 정확도로 제작되었지만, 위로 올라갈수록 조금씩 흔들리기 시작했습니다. 꼭대기에 도달했을 때, 돔은 중심축을 따라 이상적인 형태에서 약 45mm 정도 벗어나 있었습니다. 이는 대략 동전 두 개를 쌓아 올린 두께와 같습니다. 돔의 수평 고리들을 살펴보았을 때, 그들은 최대 30mm의 편차를 발견했는데, 이는 어떤 부분은 원래 설계도보다 바깥으로 밀려나 있거나 안으로 당겨져 있음을 의미합니다. 표면의 전체적인 '흔들림(wobble)'은 약 25mm였습니다.

흥미롭게도, 연구진은 이러한 실수들이 무작위로 발생한 것이 아님을 발견했습니다. 돔은 특정 방향으로 기울고 뒤틀리는 듯한 모습을 보였는데, 한쪽에서는 가장 크게 '밀려나 있고', 다른 쪽에서는 가장 크게 '당겨져' 있었습니다. 돔을 만드는 것은 마치 젠가 블록을 쌓는 것과 같습니다. 낮은 층은 제어하기 쉽지만, 높이 올라갈수록 거푸집(콘크리트를 굳히는 틀)을 완벽하게 정렬된 상태로 유지하는 것이 더 어려워지며, 작은 실수들이 쌓이게 됩니다. 이 연구는 레이저 스캐너와 드론이 모두 이러한 문제들을 찾아내는 데 탁월하다는 것을 확인해주었으며, 두 결과값을 비교했을 때 거의 완벽하게 일치했습니다. 이는 엔지니어들에게 이러한 첨단 도구들이 우리의 역사적 건축물을 안전하게 지키는 데 신뢰할 수 있다는 확신을 줍니다. 논문은 결론적으로, 이 돔은 여전히 튼튼하게 서 있지만 건설 과정에서의 기하학적 '흉터'를 가지고 있으며, 향후 이러한 구조물을 모니터링하고 상태가 악화되지 않도록 하는 데 있어 이러한 고급 스캐닝 방법이 최선의 방법이라고 밝히고 있습니다.

기술 요약: UAV 사진측량 및 통합 측량 기술을 이용한 복합 콘크리트 돔의 기하학적 편차 평가

문제 정의
복잡한 건축 기하학 구조물, 특히 역사적인 돔의 구조적 건전성을 모니터링하는 것은 상당한 어려움을 수반한다. 1949년에 건설된 이집트 알렉산드리아의 성 마리아와 성 요셉 교회의 콘크리트 돔과 같은 구조물은 시공 불완전성, 재료 변화, 그리고 해안 습도와 같은 환경적 요인으로 인한 기하학적 편차에 취약하다. 전통적인 단일 지점 모니터링 방식은 비표준 형상의 미세한 변형을 감지하는 데 필요한 조밀하고 연속적인 표면 데이터를 포착하는 데 한계가 있다. 따라서 이러한 구조물의 보존과 안전을 보장하기 위해 전체 표면에 걸친 수평 및 수직 편차를 모두 평가할 수 있는 비접촉식 고정밀 기술이 필요하다.

방법론
본 연구는 돔의 기하학적 편차를 평가하기 위해 세 가지 서로 다른 지형 및 사진측량 기술을 활용한 통합적 접근 방식을 채택하였다:

지상 레이저 스캐닝 (TLS): TOPCON GLT-1003 스캐너를 사용하여 세 개의 서로 다른 스테이션에서 조밀한 3D 포인트 클라우드를 획득하였다. 데이터는 지형 기준점(GCP)을 설정하기 위해 토탈 스테이션(TS)을 활용하여 MAGNET Collage 소프트웨어로 처리되었으며, 이는 지리적 참조를 위한 것이다.
UAV 사진측량: DJI Air 3 Fly 드론을 사용하여 궤도 비행 패턴을 통해 고해상도 이미지(70% 이상의 중첩도를 가진 172장의 사진)를 촬영하였다. 이미지는 PhotoModeler 소프트웨어를 사용하여 처리되었으며, 카메라 보정을 위한 직접 선형 변환(DLT)과 3D 사실적 모델 생성을 위한 서브픽셀 포인트 추출 과정을 거쳤다.
토탈 스테이션 (TS) 측량: Sokkia 무반사 토탈 스테이션을 기준 기기로 사용하여 로컬 좌표계를 설정하고, 기준점을 측정하며, TLS 및 UAV 데이터의 정확도를 검증하였다.

수학적 및 분석적 프레임워크
연구진은 돔의 변형을 분석하기 위해 기하학적 모델링 프레임워크를 개발하였다:

표면 표현: 돔은 관측된 점들과 이론적 표면 사이의 잔차를 최소화하기 위해 최소제곱법(least squares adjustment)을 사용하여 구(sphere)로 모델링되었다.
단면 분석: 다양한 높이에서의 반지름과 중심 좌표를 결정하기 위해 수평 단면을 분석하였다.
편차 지수: 축 편차( $\Delta X, \Delta Y$ ), 경사각( $\beta$ ), 그리고 반경/수직 편차를 계산하였다. 이상적인 곡률 추세에 대한 경사 편차를 측정하기 위해 특정 "변형 지수"( $\Delta i$ )가 공식화되었다.
검증: TLS의 정확도는 다양한 거리(5.246 m ~ 13.066 m)와 해상도(3.1 mm ~ 12.5 mm)에서 TS를 통해 테스트되었다. UAV 카메라는 렌즈 왜곡을 보정하기 위해 36x36 인치 그리드를 사용하여 교정되었다.

주요 결과

정확도 검증: 본 연구는 TLS의 정확도가 거리와 해상도에 크게 의존함을 확인하였다. 가장 높은 정밀도(최소 오차 약 2 mm)는 가장 가까운 거리(5.246 m)와 가장 미세한 해상도(3.1 mm)에서 달성되었다. 오차는 더 먼 거리(13.066 m 거리에서 12.5 mm 해상도 시 최대 31 mm까지)에서 유의미하게 증가하였다.
기하학적 편차:
- 수평 축: 돔 단면의 중심축을 따라 약 45 mm의 수평 편차가 감지되었다.
- 둘레 편차: 실제 단면 둘레와 이상적인 기하학적 모델 간의 비교 결과, 수평면에서 최대 30 mm에 달하는 편차가 나타났다.
- 표면 변화: 이러한 편차들의 결합된 효과로 인해 약 25 mm의 전체 표면 변화가 발생하였다.
- 수직 추세: 돔의 하부 구간(최대 +2.25 m까지)은 거의 완벽한 원형도와 안정성을 보였다. 편차는 +2.50 m 위에서부터 누적되기 시작하여 높이에 따라 점진적으로 증가하였다. 돔의 상부 1/4 구간에서 가장 심각한 불규형성이 나타났으며, 누적 수직 왜곡은 정점(apex)에서 최대 100 mm에 달했다.
각도 이상: 분석을 통해 국부적 변형이 발생하는 특정 각도 전환점(30°, 75°, 120°, 180°, 220°, 270°, 310°)을 식선하였다. 가장 큰 음의 편차(-36 mm)는 180°에서 발견되었고, 가장 큰 양의 편차(+27 mm)는 270°에서 발생하였다.
방법론적 일관성: UAV 사진측량 결과는 TLS 데이터와 높은 일관성을 보여, 복잡한 구조물의 기하학적 불규칙성을 감지하는 데 있어 드론 기반 근접 사진측량의 유효성을 입증하였다.

의의 및 주장
본 논문은 UAV 근접 사진측량과 지상 레이저 스캐닝의 통합이 구형 돔의 기하학적 불규칙성을 감지하는 강력하고 효과적인 방법론을 제공하며, 전통적인 측량 기술에 대한 실행 가능한 대안 또는 보완책이 된다고 주장한다. 본 연구는 다음을 입증하였다:

비접촉 효율성: 이러한 비접촉 방식은 물리적 간섭 없이 불안정한 구조물이나 역사적 구조물을 모니터링하는 데 필수적이다.
고해상도 감지: 결합된 접근 방식은 밀리미터 단위의 편차를 감지할 수 있어, 단일 지점 모니터링이 달성할 수 없는 구조적 거동에 대한 포괄적인 이해를 제공한다.
시공 품질 통찰: 높이에 따라 증가하는 편차 패턴은 고도에 따라 시공 정밀도(거푸집, 철근 배치, 콘크리트 타설)가 저하됨을 시사하며, 이는 상부 구조 단계에서의 엄격한 품질 관리 필요성을 강조한다.
사진측량의 검증: 본 연구는 UAV 기반 사진측량이 적절히 교정되고 처리될 경우 고정밀 TLS와 일치하는 결과를 생성함을 확인하였으며, 이는 구조물 건전성 모니터링 및 문화유산 보존을 위한 가치 있는 도구임을 보여준다.

저자들은 현재 연구가 외부 스캐닝에 집중되었으나, 향후 연구에는 콘크리트 두께와 철근 상태를 평가하기 위해 내부 스캐닝 및 비파괴 검사(예: 지표 투과 레이더)를 포함하여 장기적인 구조 건전성 모니터링을 위한 예측 모델링을 가능하게 해야 한다고 결론지었다.

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