1. 서 론
2. 배경이론
2.1 GPR 탐사의 개요
2.2 유전율과 유전상수
2.3 지반특성에 따른 유전상수
3. 연구 방법
3.1 실험 방법
3.2 탐사 지점
3.3 실험 장비
4. GPR 실험 결과 및 분석
5. 결 론
1. 서 론
GPR(Ground Penetrating Radar)은 지하 매설물의 위치 및 단면 형태, 그리고 지질구조 등을 파악하기 위한 비파괴 탐사법 중 하나로 육안으로 확인이 불가능한 지하 공간을 빠르게 조사할 수 있어 국내·외에서 활발히 활용되고 있다(Lee et al., 2024). GPR 탐사는 전자기파를 지반이나 구조물로 전파하여 그 내부에서 반사되는 신호를 분석하여 지질구조와 지하 매설물들의 위치 및 직경을 조사하는 레이더 기술이다.
GPR과 같은 레이더 기술에서 가장 중요한 것은 전자기파가 전파되고 반사되는 과정이다. 탐지하고자 하는 대상 물질과 지반의 전기적 특성 차이가 전자기파가 반사되는 원인이며, 이 전기적 특성을 설명하는 개념으로 유전율이 등장한다. 유전율(Permittivity, ε)이란 매질에서 분극 현상이 얼마나 잘 발생하는 지를 나타내는 물리량이다. 유전율은 GPR과 같은 전자기파 응용 기술에서 매질 간 경계를 감지하고 물리적 특성을 분석하는데 핵심적인 역할을 한다. 따라서 GPR 기술을 활용할 때 유전율에 대한 이해가 필요하다(Benedetto and Pajewski, 2015).
유전율은 GPR 장비에서 주로 유전상수(k)로 표현하며, 다수의 GPR 탐사 관련 논문에서도 유전상수로 설명된다(Reppert et al., 2000). 유전상수는 물리량을 나타내는 유전율과 달리 매질의 유전율의 진공 유전율(ε0 ≈ 8.854·10-12 F/m)에 대한 상대적 크기를 나타내는 무차원 비율을 의미한다(Martinez and Byrnes, 2001). 유전율은 매질 자체의 특성을 나타내지만 유전상수는 물질 간의 상대적인 특성을 비교할 때 사용된다. 따라서 GPR 탐사와 같이 다양한 매질을 다루는 레이더 기술에서는 유전상수 조건을 고려하는 것이 필수적이다. 유전상수는 유전율 특성과 같이 GPR 기술에서 전기장의 감쇠와 직접적으로 관련되는 영향인자로 작용한다(Ryu et al., 2023). GPR 기술에서 유전상수가 중요한 영향인자로 작용하는 만큼 GPR 탐사와 유전상수의 상관관계에 대한 다양한 연구가 수행된 바 있다.
먼저 유전상수는 GPR 신호의 전파 속도와 상관관계를 가진다. 유전상수가 높은 물질일수록 전기 에너지를 저장하려는 성질이 강해 GPR 신호의 파동을 감쇠시킨다(Iqbal et al., 2021). 그 결과 GPR 파동의 속도가 감소된다. 유전상수는 GPR 신호의 반사 강도를 결정하는데 GPR 탐사 대상 지반의 유전상수와 탐지하고자 하는 매설물의 유전상수 차이가 클수록 GPR 신호의 반사 강도는 더 커진다(Hamdaoui et al., 2020). 또한 유전상수는 GPR 신호의 투과 깊이와 음의 상관관계를 갖는다. 유전상수가 클수록 GPR 신호의 감쇠 정도가 커져 GPR 신호 전파를 방해하기 때문인 것으로 확인되었다(Nugroho and Susanto, 2023).
위와 같이 GPR 신호에 영향을 주는 유전상수 조건을 GPR 장비에 적합하게 설정하는 것은 GPR 탐사에서 매우 중요하다(Martinez and Byrnes, 2001). 하지만 지반의 유전상수는 다양한 환경조건(e.g., 흙 입자 특성, 함수율, 전기 시설물 유무)에 의해 변화한다. 첫번째로 동일한 지점이라도 측정 시기에 따라 날씨조건이 다르기 때문에 지반의 함수율 및 온도가 다르다. 특히, 물은 모든 물질 중 가장 높은 유전상수(kwater ≈ 80)를 가지고 있기 때문에 지반의 함수율은 GPR 측정에 매우 큰 영향을 끼친다. 강우로 인해 함수율이 증가하면 지반의 유전상수가 크게 증가하고, 이는 GPR 신호가 크게 감쇠 될 수 있음을 의미한다. 따라서 같은 측정 지점이라도 지반의 함수율에 따라 유전상수 조건을 다시 설정할 필요가 있다.
두번째로 GPR 탐사를 넓은 지역에서 수행할 때, 다양한 지점이 존재하고 각 측정 지점마다 지반의 구성이 다르다. 지반의 구성 물질 종류에 따라 유전상수 값 또한 각각 다르다. 서로 다른 지반 구성으로 인해 동일한 온도와 날씨 조건에도 불구하고 지반의 유전상수는 변화할 수 있다(Knight, 2001). 정확한 GPR 측정을 위해서는 측정 지점마다 달라지는 탐사 대상 지반의 환경 조건(e.g., 온도, 지반의 함수율, 지반의 토질 구성)을 고려하여 현장에서 유전상수를 변경해야 하는데 지반의 정확한 유전상수를 확인하지 못하는 문제점이 있다. 그로 인해 대부분의 GPR 탐사 현장에서는 측정 시작 지점에서 산정한 유전상수 조건을 모든 측정 지점에 적용한다.
올바른 유전상수 조건을 산정하지 않은 무분별한 GPR 탐사는 데이터에 다수의 오류를 발생시킨다. GPR 탐사에서 오류 발생은 매설물 위치 파악 정확도를 저하시킨다. GPR 탐사 정확도 저하로 건설 현장에서 지하 매설물이나 공동을 시공 초기에 발견하지 못한다면 공정 중 큰 사고로 이어질 수 있다. 따라서 현장에서 신속하고 편리하게 측정 대상 지반의 유전상수를 산정할 수 있는 방법이 필요하다.
이러한 유전상수를 산정하는 방법에 대한 다양한 연구가 수행된 바 있다. 대부분의 연구는 유전상수의 정의를 토대로 수행된다. 유전상수는 매질이 전기 에너지를 저장하는 능력을 나타내며, 이를 활용한 실험적 방법이 주로 사용된다. 하지만 기존의 유전상수를 산정하는 방법은 탐사 대상 지반의 시편 샘플을 만들고 분석해야 하는 등, 시간과 인력의 투자가 필요하다.
또한 GPR 탐사에서 올바른 유전상수 조건을 설정하여 GPR 탐사를 수행하는 것은 양질의 GPR 데이터를 획득하기 위함이기도 하다. 정확한 실제 지반의 유전상수 값을 구하여 GPR 장치의 측정 조건으로 대입하는 것도 중요하지만 가장 양질의 GPR 데이터가 획득되는 유전상수를 산정하는 것이 필요하다.
따라서 본 연구에서는 GPR 측정 장비만을 활용하여 유전상수 조건 변화에 따라 GPR 탐사를 수행하였다. 부산 ○○ 지역에서 급수배관이 매설된 2개의 지점과 오수관이 매설된 2개의 지점을 각각 탐사하였다. 탐사 유전상수 범위는 예비실험을 통해 설정되었다. 예비실험 결과, 부산 ○○ 지역에서 매설관이 관찰되는 유전상수 범위는 6 - 12로 확인되었다. 따라서 본 연구의 유전상수 조건의 범위는 6 - 12이며, 유전상수를 1 간격으로 변화시켜 총 7 가지 유전상수 조건에 대한 탐사가 수행되었다. 탐사 후, 유전상수 조건 변화에 따라 GPR 데이터의 품질 변화를 각 지점별로 분석하였다. 가장 품질이 높은 데이터를 획득할 수 있는 유전상수 조건을 탐사 적정 유전상수 조건으로 설정하였다.
GPR 데이터의 품질을 결정하는 요인으로는 데이터 해석과 가장 연관성이 높은 해상도, 그리고 데이터 오류와 연관성이 높은 노이즈 특성으로 설정하였다. 즉, 탐사 적정 유전상수 조건은 GPR 데이터의 해상도가 높고 노이즈가 적은 조건으로 설정되었다. 실제 현장에서의 GPR 탐사에 본 연구에서 제시하는 탐사 적정 유전상수 산정 방식을 적용하고자 2차 단면 탐사 사진을 기반으로 데이터의 품질을 분석하였다. 본 연구에서 제시하는 탐사 적정 유전상수 조건 선정 방법을 활용한다면 현장에서 신속하게 GPR 데이터의 품질 개선을 할 수 있을 것으로 기대된다.
2. 배경이론
2.1 GPR 탐사의 개요
GPR이란 1에서 1000 MHz의 주파수를 가지는 전파를 사용하여 지하 구조물을 탐지하는 기술을 말한다. 장비는 측정 변수를 설정하고 장비를 구동 시키는 컨트롤러 부분, 전파를 송신하고 수신하는 안테나 부분, 그리고 측정 데이터를 변환하는 인코더로 구성되어 있다(Fig. 1).
Fig. 2는 GPR 탐사 원리를 설명한다. 탐사자는 지반의 전기적 성질을 고려하여 이에 부합하는 전자기파를 GPR 장비의 안테나의 송신기를 통해 지반에 전파시킨다. 지반의 전기적 성질과 부합하는 전자기파는 지반을 통과한다. 하지만 탐지하고자 하는 지하 매설물은 지반의 전기적 성질과 다른 전기적 성질을 가진다. 이러한 지하 매설물과 지반의 전기적 성질 차이는 지반을 통과하고 있던 전자기파를 반사시킨다. 이렇게 반사되는 신호들을 안테나의 수신기가 수신하고 인코더에 전달한다. 인코더는 전달받은 신호들을 컨트롤러 부분의 화면에 하나의 패턴으로 나타내고 저장한다. 이 때 컨트롤러에 나타나는 화면의 패턴이 GPR 탐사에서 원시데이터가 된다. 그리고 탐사자가 시각화된 패턴을 분석하여 지하 매설물의 위치, 형상, 크기 등을 예측한다.
2.2 유전율과 유전상수
유전율이란 매질의 전기장 저장 능력을 나타내는 물리량을 의미한다. 유전율 개념을 이해하기 위해서는 분극 현상에 대한 이해가 필요하다. 매질에 외부 전기장을 가하면 분극 현상이 발생한다(Fig. 3). 분극 현상으로 인해 매질 내부에 전하가 재배치되면, 외부 전기장에 반대 방향으로 내부 전기장이 형성된다. 이 내부 전기장은 외부 전기장을 약화시키며, 약화된 전기장의 세기만큼 매질 내부에 저장된다. 즉, 유전율은 매질의 분극 현상 발생 정도를 나타내는 물리량이라 할 수 있다. 따라서 GPR과 같은 전자기파 응용 기술에서 매질 간 경계를 감지하고 물리적 특성을 분석하는데 유전율이 핵심적인 역할을 한다는 것을 알 수 있다.
유전율은 주로 GPR 장비에서 유전상수(k)로 표현하며, 본 논문에서도 유전상수 개념을 활용하여 유전율과 GPR 탐사의 관계를 설명하고자 한다. 유전상수는 유전율과 달리 특정 매질 유전율의 진공 유전율에 대한 상대적인 크기를 나타내는 무차원 비율이다(Martinez and Byrnes, 2001).
유전상수는 GPR 신호의 파동 속도와 높은 상관성을 가진다. GPR 파동 속도(v)와 유전상수의 상관관계는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다(Iqbal et al., 2021; Hong et al., 2015).
여기서, v는 매질에서의 GPR 파동 속도를, c는 진공에서의 빛의 속도 (≈ 3 × 108 m/s), k는 매질의 유전상수를 의미한다. 유전율이 물질이 저장할 수 있는 전기에너지의 물리량이므로 유전율이 높은 물질은 다량의 전기에너지를 저장할 수 있으며 유전상수가 높다. 따라서 유전상수는 GPR 신호의 전기에너지에에 영향을 미쳐 신호의 전파에 직접적인 영향을 미친다. 유전상수가 높은 물질은 GPR 신호의 파동 진동 주기에서 더 많은 에너지를 저장하기 때문에 GPR 파동은 전파 중 더 많은 방해를 받아 파동의 속도가 감소한다.
GPR 탐사 대상 지반의 유전상수와 탐지하고자 하는 매설물의 유전상수 차이는 GPR 탐사를 통한 매설물 탐지 가능성과 관련된다. Hamdaoui et al.(2020)은 유전상수 조건을 다르게 한 두 개의 콘크리트 블록을 분석하였다. 분석 결과 탐사 대상 지반과 매설물의 유전상수 차이가 클수록 전자기파 반사파의 세기가 커져, GPR 데이터에서의 매설물 위치를 나타내는 패턴이 더욱 뚜렷하게 나타나는 것으로 관찰되었다.
또한 유전상수는 GPR 신호의 투과 깊이를 결정한다. Nugroho and Susanto(2023)은 도로 포장재가 다른 지반의 GPR 신호 투과 깊이를 조사하였다. 실험 결과, 유전상수가 5인 아스팔트 지반에서는 GPR 신호가 3 m 이상의 깊이에 도달하였으며, 유전상수가 5.5인 콘크리트 지반에서는 GPR 신호의 투과 깊이가 2 m 미만인 것이 관찰되었다. 이는 유전상수가 클수록 전자기파의 감쇠 정도가 커져서 GPR 신호의 투과를 방해하기 때문인 것으로 파악되었다.
위와 같이 GPR 데이터 정확도와 밀접한 관련이 있는 유전상수 조건을 올바르게 설정하는 것은 GPR 탐사에서 아주 중요한 과정이다. 그에 따라 매질의 유전상수를 산정하는 방법에 대한 연구가 다양하게 수행되었다.
Simula et al.(1999)은 종이의 유전상수를 산정하는 실험법을 제시하였다. 샘플의 양쪽 끝에 두 세트의 인터디지털 전극(IDE, Interdigital electrode)을 설치하여 전기장을 가진 샘플의 전기적 응답을 분석하는 방법이다. 20 Hz에서 1 MHz 사이의 범위에서 유전율을 측정할 수 있는 방법이다. 하지만 이와 같은 방법은 종이와 같이 얇은 샘플에만 적합하다는 한계가 존재한다.
Grove et al.(2005)은 임피던스 분석기 또는 LCR meter(Inductance(L), capacitance(C), and resistance(R) meter)를 활용하여 물질의 유전상수를 측정하였다. 유전상수를 구하고자 하는 물질의 샘플을 유전체로 사용하고 축전기 판 사이의 임피던스를 측정하는 방법을 활용하였다. 먼저 샘플 없이 정전용량을 측정한다(Co). 다음 유전상수를 구하고자 하는 물질의 샘플과 함께 정전용량을 측정한다(Cx). 식 (2)를 이용하여 유전상수를 산정할 수 있다. 이 방법은 다양한 주파수 조건에 따라 유전상수 산정이 가능하지만 샘플 준비가 까다롭고, 전극 접촉이 필요한 단점이 있다.
Radivojević et al.(2018)은 물질의 유전상수를 산정하는 실험적인 방법을 제시하였다. 유전상수를 산정하고자 하는 재료의 샘플을 두 개의 평행한 금속판 사이에 놓아 커패시터(capacitor)를 형성한다. 금속판 사이에 샘플이 있을 때의 정전용량과 샘플이 없을 때의 정전용량을 측정한 후 식 (3)을 이용하면 유전상수를 산정할 수 있다.
여기서, ε'는 구하고자 하는 물질의 유전상수, td는 샘플의 두께, Cp는 등가 병렬 정전용량, ε0는 진공의 유전율(8.854·10-12 F/m), S는 전극 표면적으로 정의된다. 상기 방법은 구하고자 하는 물질의 유전상수를 간단하게 산정할 수 있지만, 편평한 샘플에 적합하므로 모든 재료에 적합하지 않을 수 있는 단점이 존재한다.
2.3 지반특성에 따른 유전상수
지반에서 유전상수란 물체의 유전율과 자유공간에서의 물체의 유전율 비를 의미한다. 자유공간이란 무한히 넓은 진공의 공간으로 도전성이 없는 균일한 매질에서 만족되는 공간이다. 본 연구 분야와 같이 무한장 선로나 전자파 혹은 전자계 문제를 취급할 때 도움이 되는 이상적인 공간으로 생각할 수 있다. 지반특성에 따른 유전상수는 다음과 같다.
지반특성에서 고려해야 하는 첫번째 영향인자는 지반의 수분 함량이다. 유전상수는 물질 종류에 따라 다양한 값을 가진다(Table 1). 물의 유전상수는 약 80으로 물질의 유전상수 중 가장 높은 값을 가진다. 물의 높은 유전상수로 인해 지반의 수분 함량이 증가하면 지반의 유전상수가 크게 상승한다. 그로 인해 GPR 신호의 침투 깊이는 감소하고 측정 폭은 증가한다. 즉 포화된 지반과 같이 유전율이 큰 지반에서는 GPR 측정 가능 범위가 줄어듦으로 측정 간격을 좁혀야 하며, 건조한 지반의 경우 유전율이 낮기 때문에 반대로 측정 간격을 보다 넓힐 수 있다(Fig. 4). 따라서 GPR 탐사자는 지반의 수분 함량에 영향을 줄 수 있는 탐사 직전 강우 조건, 지하수 여부 등을 고려하여 적절한 유전상수 조건을 설정해야 한다.
Table 1.
Typical dielectric constant in common geological materials at 100 MHz (Dhiware, 2021)
두번째 지반특성 영향인자는 탐사 대상 지반의 점토 함량이다. 점토 함량이 높은 지반은 수분을 잘 흡수하여 유전율이 쉽게 높아진다. 그로 인해 유전율이 증가하고 GPR 신호의 감쇠가 증가한다. 반면 점토 함량이 낮은 지반은 수분 흡수가 잘 일어나지 않아 수분 함량이 감소하고 공극률이 증가한다. 이로 인해 유전율이 감소하여 GPR 신호의 감쇠가 적게 일어나고 침투 깊이가 깊어진다. 따라서 탐사자는 지반의 점토 함량을 고려하여 GPR 탐사 수행 가능 깊이를 파악한 뒤 탐사를 수행하여야 한다.
세번째 영향인자는 탐사 지반이 가지고 있는 전기전도도이다. 전기전도도(Electrical Conductivity, σ)는 물질이 전하를 얼마나 잘 전달하는지를 나타내는 물리적 성질로, 단위는 S/m로 정의된다. 물질의 전기전도도는 유전상수에 영향을 미친다. 전기전도도가 높은 지반에 GPR 신호를 방사할 시 신호의 전기적 특성은 유전상수보다 높은 전기전도도에 영향을 받는다. 전기전도도와 유전상수의 상관관계를 나타내기 위해 유효 유전상수(effective dielectric constant)의 개념에 대한 이해가 필요하다. 유효 유전상수는 복소 유전상수(complex dielectric constant)라고도 표현하며, 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다(Baker-Jarvis et al., 2010). 유효 유전상수는 기존의 유전상수 개념을 보완하여 실제 유전상수와 물질 내에서의 에너지 손실을 나타내는 허수 부분을 포함하고 있다.
여기서, ε*은 유효 유전상수 (복소 유전상수)를 나타내며, ε'은 실제 유전상수를 나타낸다. σ는 전기전도도이며, ω (= 2πf)는 각주파수, 그리고 j는 허수 단위를 나타낸다. 식 (4)에서 전기전도도가 증가할수록 유효 유전상수의 허수 성분의 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 곧 유효 유전상수의 값을 감소시킬 뿐만 아니라, GPR 신호의 감쇠를 증가시킨다. 따라서 해안가 인근과 같이 염수의 침투 가능성이 있는 지반이나 석고 광물이 풍부한 지반에서의 GPR 탐사를 수행할 시, 유효 유전상수 고려가 필수적이다. GPR 신호는 물질 내에 쉽게 흡수되고, GPR 신호의 감쇠는 크게 증가하여 신호의 침투 깊이가 크게 제한된다.
그 외 탐사구역 인근 지중 시설물(e.g., 전선, 케이블, 금속 파이프 등)의 존재로 인한 지반의 전기전도도 상승, 혹은 온도 변화로 인한 지반 내 지하수 응결·융해 반복 등으로 인한 지반의 유전상수 변화 등을 고려하여 GPR 탐사를 수행하여 GPR 탐사의 신뢰도와 정확도를 향상시켜야 할 것이다.
3. 연구 방법
3.1 실험 방법
GPR 측정 유전상수 조건과 GPR 데이터의 품질 간의 상관관계를 확인하기 위해 부산 ○○ 지역 내 매설관이 존재하는 4개의 지점에서 GPR 탐사를 수행하였다. 각 지점당 유전상수 조건은 6에서 12까지 총 7개의 단계로 나누어 설정하였다. 1 m 당 100회의 스캔(trace)이 수행되었다. 이 때, 1회의 스캔이란 GPR 안테나가 지면 위에서 레이다를 전파하고 반사된 파를 수신하는 단일 파형(1 trace)을 의미한다. 1 m 당 100회의 스캔을 설정했다는 것은 스캔 간격을 1 cm로 설정하였음을 말한다.
또한, 1회의 스캔 당 1024개의 샘플(sampling)이 수집되었다. 따라서 본 연구에서는 1 m 당 100회의 스캔, 그리고 1개의 스캔 당 1,024개의 샘플이 수집되어 1 m 당 102,400개의 샘플을 수집하였다. 사용된 SIR 4000 장비의 경우, 256, 512, 1024, 2048, 4096, 8192, 16384 샘플링 포인트의 설정이 가능하다. 기본 설정으로는 512와 1024 샘플이 가장 널리 활용되며, 이는 표준 깊이 해상도 확보에 적합하다. 본 연구에서는 512와 1024 중 샘플링 포인트 수가 더 많은 1024 샘플을 활용하여 더 높은 해상도의 데이터를 얻고자 하였다.
지반의 함수율은 지반의 유전상수에 큰 영향을 미친다. 지반의 함수율은 특히, 강우의 침투와 지하수위의 변화에 가장 큰 영향을 받는다. 본 연구의 탐사 구역의 지하수위는 매우 깊어 탐사 심도 4 m에서 큰 영향을 주지 않을 것으로 분석된다. 반면, 강우의 침투는 천층부를 탐사하는 GPR 기술에서 필수적으로 고려해야 할 환경 요인이다. 강우의 침투는 당일의 강우량과 큰 상관관계를 가진다. 따라서 각 지점에서의 탐사는 모두 당일 내에 수행하였다. 이를 통해 유전상수와 GPR 데이터 품질 간의 외부 환경 요인의 영향을 최소화한 상관관계를 확인하고자 하였다.
GPR 데이터의 품질은 해상도와 노이즈 특성을 기준으로 평가되었다. 본 연구에서 해상도는 매설물의 반사파 패턴을 명확히 구별하는 능력으로 정의되며, 노이즈는 데이터 해석을 방해하는 불필요한 신호로 간주된다. 지점 당 해상도 특성과 노이즈 특성을 기준으로 가장 매설물에 대한 반사파가 명확히 관찰되는 유전상수 조건을 선정하였다.
본 연구는 GPR 탐사 데이터를 기반으로 현장에서 매설물의 위치를 직관적으로 파악하고자 하였다. 통계적 분석보다는 반사파 형상을 직관적으로 분석하여 유전상수 조건이 데이터 품질에 미치는 영향을 평가하였다. 해상도와 노이즈가 동일한 경우, 반사파의 명확성이 매설물 탐지에 용이한 유전상수 조건을 GPR 탐사 적정 유전상수 조건으로 선정하였다. 본 연구에서 제시한 탐사 적정 유전상수 조건 선정 방법은 현장에서 신속하게 GPR 데이터의 품질을 개선할 수 있는 실용적인 방법으로 활용될 것으로 기대된다.
3.2 탐사 지점
GPR 장비를 이용한 지하 매설물 탐사 실험을 하기 위하여 부산 ○○지역의 네 구역이 GPR 탐사 지점으로 선정되었다. 이는 매설물 유무에 따라 설정되었으며, 데이터 분석의 정확도를 높이기 위해 1개의 매설물을 가지는 구역을 탐사 지점으로 설정하였다. A, B, C 지점은 각각 급수배관이 1개씩 매설되어 있으며, D 지점은 오수관로 1개가 매설되어 있다. 급수배관과 오수관로 모두 PVC 재질이며, PVC 재료의 유전상수는 대략 3 - 5이다(Steeman et al., 1996).
4개 지점의 지반은 모두 콘크리트 포장층이 상부에 있으며, 그 두께는 대략 0.3 m인 것으로 확인되었다. 또한 심도 약 2.0 m 까지는 자갈, 호박돌 및 전석 등이 혼재된 점토질 모래성분으로 매립이 되어 있다. 그 아래 지반층(심도 2.0 ~ 4.0 m)는 실트질 모래성분으로 구성되어 있다. 매설관 위치 정보는 부산 ○○ 지역 급수관로도 및 오폐수 관로도를 참조하였다(Fig. 5).
3.3 실험 장비
본 연구에서는 GSSI 사의 SIR 4000모델 GPR 장비를 사용하였다. SIR 4000은 아날로그 안테나와 디지털 안테나와 모두 호환되어 다양한 분야에서 활용이 가능한 고성능 GPR 데이터 수집 시스템이다. SIR 4000 장비는 현장에서 실시간으로 데이터 필터링을 할 수 있는 기능이 있어, 현장에서 바로 데이터 처리와 이미지화가 가능하다. 또한 다양한 데이터 수집 모드를 지원하여 효율적인 데이터 수집과 시각화가 가능하다.
데이터 수집 방법으로는 거리모드, 시간모드, 지점모드 총 세가지가 있다. 거리모드는 측정방향의 수평 단위 거리에 따라 사용자가 지정한 스캔 수에 맞게 측정이 되며, 시간모드는 측정 시작 순간부터 단위 시간에 따라 사용자가 지정한 스캔 수의 측정이 이루어진다. 거리모드는 매우 깊은 심도의 지점에서의 측정에서 사용된다. 본 연구의 측정 매설물의 심도인 1 ~ 2 m는 지점모드에 적합한 대심도라고 볼 수 없으므로 지점모드는 제외하였다. 거리모드는 깊은 심도의 측정에 적합하며, 스캔모드보다 높은 측정 정확도를 제공한다. 따라서 본 연구에서는 거리모드로 탐사를 수행하였다.
4. GPR 실험 결과 및 분석
GPR 탐사 유전상수 조건과 GPR 데이터 품질 간의 상관관계를 분석하기 위해 4개의 구역에서 GPR 탐사를 수행하였다. 본 연구에서 획득한 GPR 데이터는 모두 같은 스케일로 조정되었다. 탐사 길이(Measurement distance)는 3 m, 탐사 심도(Measurement depth)는 4 m로 설정하였다(Fig. 6). 각 지점의 GPR 데이터는 유전상수 6에서 12까지 총 7개의 조건에 대해 분석되었다.
A 지점의 경우, 급수배관의 중심이 탐사 시작점으로부터 거리 약 1.9 m에 위치하고 있으며, 매설 심도는 약 1.7 m이다. 탐사 결과, 유전상수 조건이 6에서 8일 때 데이터의 해상도가 높게 나타났다(Fig. 7). 이 범위에서 노이즈가 다소 많아지는 경향이 있었으나, 유전상수 조건이 9에서 12일 때 매설관에 대한 반사파를 GPR 데이터 내에서 명확히 구분할 수 없었다. 따라서 A 지점에서 GPR 탐사를 수행할 때는 유전상수를 6에서 8 범위로 설정하는 것이 적합하다고 판단되었다. 탐사 수행 당시 온도는 8.7 °C, 습도는 33%였으며, 해당일 이전 일주일간 강우가 없었다. 이러한 건조한 환경 조건은 지반의 함수율을 저하시켜 GPR 데이터의 반사 신호를 더욱 선명하게 만든 것으로 확인된다. 또한 지반의 함수율이 감소됨에 따라 탐사 적정 유전상수 조건 역시 6에서 8의 범위로 비교적 작은 값을 나타낸 것으로 보인다.
B 지점에서는 유전상수가 6일 때 GPR 데이터의 해상도가 가장 높았다. B 지점은 급수배관의 중심이 측정 시작점과 약 0.8 m 떨어져 있으며, 매설 심도는 약 1.1 m이다. 다른 유전상수 조건에 비해 매설관에서 관찰되어야 할 포물선 형태의 결과가 명확히 나타났다(Fig. 8). 해상도 측면에서는 모든 유전상수 조건에서 양호하였지만, 유전상수가 6일 때 가장 포물선과 가까운 형태의 원형관에서 관찰되어야 할 데이터의 형상과 유사하였다. B지점의 탐사 당시 온도는 8.0 °C, 습도는 33%였으며, 탐사일자는 지점 A의 GPR 탐사일과 동일하다. 탐사 이전 일주일간 강우가 없어 탐사 적합 유전상수 조건도 6으로 건조 모래의 유전상수 값과 유사하다. 또한 GPR 신호의 감쇠가 매우 적어 데이터 품질에 긍정적인 영향을 미친 것으로 보인다.
C 지점의 GPR 데이터 분석 결과, 유전상수 8이 가장 탐사에 적합한 유전상수 조건으로 나타났다(Fig. 9). C 지점에 매설되어 있는 급수배관의 중심은 측정 시작점으로부터 거리 약 1.6 m에 위치하며, 매설 심도는 약 1.4 m이다. 데이터의 해상도는 유전상수가 6일 때 더 높은 결과를 보였으나, 유전상수 조건이 8로 증가하였을 때, 노이즈가 감소하여 매설관 데이터를 더 명확히 확인이 가능하였다. 3지점의 탐사 당시 온도는 7.0 °C였으며, 습도는 41%였다. 앞선 결과들과 달리 지점 C의 탐사일 4일 전 일일 72.5 mm의 강우가 있었으며, 탐사 2일 전엔 1 mm의 약한 강우가 있었다. 강우로 인해 지반의 함수율이 증가하면서 지점 A, B와 비교해 탐사 적정 유전상수 범위가 높게 나타난 것으로 분석된다.
D 지점은 다른 지점들과 달리 오수관로가 매설되어 있으며, 측정 시작점으로부터 오수관로의 중심까지 대략 1.7 m이다. 또한 매설 심도는 약 1.1 m이다. D 지점에서는 유전상수 조건이 9일 때 가장 탐사에 적합한 유전상수 조건으로 분석되었다(Fig. 10). 데이터의 해상도는 유전상수 조건이 6, 7, 9일 때 유사하였으나, 유전상수 조건이 6이나 7일 때에는 다량의 노이즈가 관찰되었다. 반면, 유전상수 조건 9에서는 포물선 형태의 매설관 반사파가 뚜렷하게 나타나고, 노이즈는 최소로 관찰되었다. D 지점의 측정일시는 C 지점의 측정일시와 동일하다.
기상데이터 확인 결과, 지점 C, D의 탐사일 직전 일주일 이내에 강우가 있는 것으로 확인되었다. 강우 시 침투된 강우는 지반의 표면에서는 증발하며, 지반의 공극을 통해 다른 곳으로 이동한다. 따라서 강우 직후 함수율이 높아졌다가 시간이 흐름에 따라 지반의 함수율이 점차 감소한다. 지점 A, B의 탐사일이 지점 C, D의 탐사일보다 강우시기로부터 더 시간이 많이 흘러 지점 C, D의 지반의 함수율이 더 높은 것으로 예상되며, 이로 인해 적정 유전상수의 차이가 나타난 것으로 분석되었다.
각 지점의 최적 유전상수 조건은 환경 조건에 따라 달라질 수 있음을 확인할 수 있다. 특히, 강우로 인해 함수율이 높아진 경우 유전상수 조건을 건조 모래 유전상수 조건보다 높게 설정함으로써 데이터 품질을 개선할 수 있었다. 따라서 GPR을 활용하여 현장에서 측정을 수행할 경우, 유전상수 조건을 바꿔가며 데이터의 품질을 비교 분석해야 한다. 이를 통해 별도의 지반 조사나 추가 장비의 운용 없이 양질의 GPR 데이터를 신속히 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
5. 결 론
부산 ○○ 지역의 GPR 탐사를 통해 GPR 측정 유전상수와 GPR 데이터 품질의 상관관계를 분석하였다. 주요 결과는 다음과 같다.
(1) 부산 ○○ 지역의 GPR 탐사 데이터를 유전상수 조건에 따라 비교·분석한 결과, 건조한 지반 조건에서의 적정 유전상수 조건은 6에서 8인 것으로 나타났다.
(2) 지점 C, D의 경우, 탐사시기 일주일 이내에 강우가 있어 탐사 적정 유전상수가 대략 1 정도 증가하였으며, 강우시기가 탐사시기와 가까워질수록 탐사 적정 유전상수 조건은 더욱 높아질 것으로 예상된다.
(3) 탐지하고자 하는 매설물의 심도와 측정 범위를 고려하여 유전상수를 산정할 필요가 있다. 예를 들어, 매설물의 매설심도가 깊을 시에는 유전상수 조건을 높여 탐사 심도를 확대해야 한다. 또한 광범위한 지역에서 얕은 심도에 위치한 매설물을 탐지할 때는 유전상수를 낮춰 측정 범위를 확대한다면 효율적으로 탐사를 수행할 수 있을 것으로 예상된다.
(4) 본 연구 결과로 현장에서 GPR 장비만을 이용하여 측정 적정 유전상수를 산정한다면 GPR 데이터의 신뢰도 및 정확도 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
