Introduction
Materials and Methods
조사지, 조사 수종 및 조사장비 선정
목재 내부 결함정도 및 기기별 내부결함 측정값 비교×분석
Results and Discussion
진단기기별 목재내부결함 측정 결과
목재 내부결함정도 및 기기별 내부결함 측정값 비교×분석 결과
Conclusion
진단기기별 목재내부결함 측정 결과 고찰
현장 적용에 대한 시사점
Introduction
산림청은 제6차 산림기본계획(변경)을 시행하면서 “도시민의 삶의 질 향상을 위한 도시숲 확충”이라는 과제를 제시하고 있으며, 2024년 7월 ｢도시숲 등의 조성 및 관리에 관한 법률(약칭: 도시숲법) 시행령 [시행 2024. 7. 24.] [법률 제34740호, 2024. 7. 23., 일부개정]｣을 개정하여 병해충 예방, 안전관리가 포함된 연차별 가로수 관리계획 수립 등을 통해 가로수 관리를 강화하고, 관리기술 개발 연구를 추진하고 있다.
또한, 안전하고 쾌적한 삶에 대한 인식이 높아짐에 따라 주거환경 보호 관리와 청정환경 유지를 위한 생활권 수목(숲)의 건강유지에 대한 요구도가 증가되고 있다. 이에, 생활권 내 주민의 생활환경 안전을 보장하면서 전문적으로 수목을 관리하기 위해 수목진료 제도를 도입하였으며, 이를 통해 수목의 피해를 전문가 수준에서 진단, 처방, 예방, 치료하기 위한 모든 수목진료 사업의 활성화를 위해 2018년 ｢산림보호법 [시행 2024. 5. 17.] [법률 제20309호, 2024. 2. 13., 타법개정] ｣을 개정하여 ‘나무의사 국가자격’ 제도를 신설하였고, 수목진료를 도입하여 현재 시행 중에 있다.
현재 우리나라 도심권 내 식재되어 있는 가로수 등은 ‘86아시안게임과 88올림픽’을 앞두고 도시미화운동의 일환으로 대대적인 조성사업의 결과물이며(SS, 2017), 이들 중 일부는 생물적 또는 비생물적 원인에 의해 고사하거나 주변 구조물과의 충돌로 더 작은 나무로 교체되기도 하였다. 이에 현재 생존하고 있는 가로수의 수령은 약 40년(식재 당시 10년생인 경우) 이상으로 대부분 노령목 단계에 다다른 것으로 판단된다.
국내에 식재된 가로수의 수령이 점차 노령목으로 전환되고 있으며, 특히 크고 오래된 노거수는 작거나 어린 수목보다 파손 가능성이 더 높고, 노쇠한 교목은 불리한 환경에 대한 적응력이 약한 것으로 보고되고 있다(Richard et al., 2012). 위 언급한 바와 같이 가로수 등으로 식재된 대부분의 수목의 경우, 식재환경의 불량 등 비생물적 원인에 의한 피해와, 가지 전정 등 가로수 관리 중 발생할 수 있는 상처 등 외부로부터의 병원체 침입에 의한 생물적 피해 등의 다양한 원인에 의한 위험도가 높게 나타나고 있다. 실제, 부후균 침입에 따른 목재부후에 의한 가로수 도복(넘어짐) 및 가지부러짐 등으로 인명과 재산에 큰 피해를 주고 있는 실정이다.
수목진료의 일환으로 노령목 등 위험성이 있는 가로수를 대상으로 훼손 발생 전 목재 내부의 물리적 결함으로 인해 발생할 수 있는 우려사항을 사전에 인지하고 잠재적 발생 가능성을 줄이는 동시에 적정한 범주를 유지하는 예방적 관리가 매우 중요하다(Gao and Cha, 2009; NRICH, 2015; Kang et al., 2014; Son et al., 2022). 현재, 도심지 내 가로수 등을 대상으로 체계적인 관리를 위해 위험목에 대한 도복 등 인명과 재산에 피해 여부에 대한 평가 및 진단이 우리나라를 포함한 여러 국가에서 현재 활발하게 수행되고 있으나(Callow et al., 2018), 이는 수목 외부에 드러나는 부후균(담자균류 등)의 자실체 발생 여부를 확인하는 등의 육안 진단법 기반의 조사 및 평가가 주를 이루고 있는 실정이다.
반면 나무의 생장반응 및 외부수형을 기반으로 한 정성적 측정 방식의 육안진단법만으로는 실제 나무 내부의 공동이나 부후 등 구조적 안정성을 평가하기에는 많은 제약이 있으며(NIFoS, 2020), 단점을 보완하기 위한 대안으로 나무 내부의 부후 및 공동 등 물리적 상태를 진단하기 위한 생장추, 드릴저항기와 같은 외과적(invasive) 진단 방식 및 초음파, 전자기파 방식 기반의 비파과적(non-destructive) 진단 방식이 적용되고 있다(Son et al., 2022; Lee and Son, 2024).
국외의 경우, 진단기기별 정확도 향상 및 측정값에 대한 오차를 줄이기 위해 연구가 현재까지 활발히 수행되었으나, 이는 일부 국외 수종을 중심으로 선행되었으며, 국내 수종을 대상으로 수행된 연구는 현재 미흡한 실정이다(Rabe et al., 2004; Wang and Allison, 2008; Brazee et al., 2011; Tallavo et al., 2012; Gilbert et al., 2016; Karlinasari et al., 2017; Wu et al., 2018; Son et al., 2022). 나아가, 진단 장비 적용 대상 수종에 있어서도 조사별 내부 결함 정도 및 종류에 따라 측정 정확도의 차이가 발생할 수 있기에, 해당 방법을 확대 적용하기 전에 수종별 측정값의 오차율 검증이 선행되어야 하는 실정이다(Rabe et al., 2004; Wang and Allison, 2008; Brazee et al., 2011; Tallavo et al., 2012; Gilbert et al., 2016; Karlinasari et al., 2017; Wu et al., 2018; Son et al., 2022). 즉, 위험목 평가에 사용되는 장비가 현재 수목 내부의 부후 등의 내부 결함 정도를 평가하는데 그 사용빈도가 높게 나타나고 있음에도 불구하고, 각종 진단기기의 현장 적용을 위한 신뢰성 등에 대한 객관적 지표 마련을 위한 실증시험연구 등은 현재 미비한 실정이다.
이에 따라, 본 연구는 수목 내부의 목재 부후 및 공동 등 물리적 결함 정도를 진단하는 각종 기기를 대상으로 실제 목재 단면에서 결함정도와 진단장비를 통한 결함정도 측정값의 비교 분석을 통한 현장실증시험을 기반으로 진단 기기별 진단 객관성 평가를 목적으로 수행되었으며, 궁극적으로 장비 사용의 신뢰도를 높이고 생활권 가로수종의 관리 방법 및 객관적 지표의 고도화를 목표로 하였다.
Materials and Methods
조사지, 조사 수종 및 조사장비 선정
조사지 및 조사 수종
조사는 대전광역시 내 충남대학교 교내를 대상으로 수행되었으며(Fig. 1), 조사 대상 가로수종 선발은 전국 가로수 조성 실적표(Fig. 2)에 따라 가로수로서의 조성 실적이 가장 높은 상위 10개 수종(은행나무, 왕벚나무, 이팝나무, 벚나무, 느티나무 등) 중 상대적으로 목재 내부의 구조적 결함이 높은 것으로 판단되는 왕벚나무를 조사 대상 수종으로 선발하였다(Lee, 2021).
해당 조사지 내 가로수로 식재된 왕벚나무 11본을 대상으로 ‘비파괴 기법을 활용한 대형가로수 위험도 평가 및 진단(KFS, 2021)’ 매뉴얼에 따라 수목형상, 활력도, 결함요소 평가 등 예비평가를 위한 기초현황조사를 실시하였으며, 고위험목으로 최종 선정된 4본을 대상으로 선발된 비파괴 기반의 정밀진단 장비를 이용하여 목재내부결함 정도 등 정밀안전성평가를 실시하였다(Table 1).
Table 1.
Results of preliminary visual inspection on the target trees.
| No. | GPS coordinates |
Tree morphology and vitality |
Structural defects (O/X) |
Occurrence of fungal structures (O/X) |
Preliminary assessment resultz |
| 1 | 36°22′14″N, 127°20′49″E | Good | X | X | a |
| 2 | 36°22′14″N, 127°20′50″E | Moderate | X | X | b |
| 47 | 36°22′15″N, 127°20′50″E | Very poor | O | X | d |
| 48 | 36°22′16″N, 127°20′50″E | Very poor | O | X | d |
| 5 | 36°22′17″N, 127°20′50″E | Poor | O | X | b |
| 6 | 36°22′17″N, 127°20′49″E | Poor | O | X | c |
| 7 | 36°22′18″N, 127°20′49″E | Moderate | X | X | b |
| 49 | 36°22′18″N, 127°20′48″E | Very poor | O | O | d |
| 50 | 36°22′19″N, 127°20′48″E | Very poor | O | O | c |
| 10 | 36°22′19″N, 127°20′47″E | Poor | O | X | c |
| 11 | 36°22′20″N, 127°20′47″E | Poor | O | X | b |
조사장비
현재 국내에 보급된 기기 중 부후 및 공동 등 목재 내부의 결함 정도를 측정할 수 있는 정밀진단 장비를 대상으로 조사를 수행하였다. 조사결과, 총 6개의 수목의 생리적 활성 및 구조적 결함을 측정할 수 있는 기기 및 장비가 조사되었으며, 장비명, 측정범주 등의 정보는 아래 Table 2와 같다.
Table 2.
List of internal defect diagnosis devices currently distributed in Korea (KFS, 2023).
이 중, 부후 및 공동 등 목재 내부 결함 측정이 가능한 3종의 정밀진단 장비를 선발하였으며, 결과적으로 비파괴적 측정 기반 음파단층이미지촬영기(sonic tomography, SoT; PiCUS SoT, Argus, Germany), 전기저항단층이미지촬영기(electric resistance tomography, ERT; PiCUS Treetronic, Argus, Germany)와 외과적 측정 기반 드릴저항기록계(resistance micro-drilling, RESI; Resistography 650, RINNTECH, Germany)를 이용하여 측정에 활용하였다.
목재 내부 결함정도 및 기기별 내부결함 측정값 비교×분석
진단기기별 목재내부결함 측정
고위험목으로 평가된 4본의 왕벚나무를 대상으로 SoT 및 ERT를 이용하여 목재 내부결함 정도를 측정하였다. 측정 시 공동 및 목재부후균 발생 정도가 심한 부위를 조사지점(measuring point, MP)으로 선정하여 측정을 실시하였으며, 1번 MP를 북쪽 방향으로 고정 후, 측정 시 지면으로부터 일직선 상 높이를 측정하여 기록하였다. 이는 벌채목 단면에서의 부후정도 측정 및 비교×분석을 위한 조사목 수평 절단 작업 시에 참고하였다.
RESI로 조사목 내부 결함정도 측정 시에는 SoT 및 ERT 측정 시 설치하였던 MP를 기준으로 천공 부위에서의 센서번호를 기록하여 SoT 및 ERT로부터 도출된 단층적 결함 정도 측정 결과 해석 시 참고하였다(Table 3).
Table 3.
Information on MP for target trees for each diagnostic device.
| Tree No. | Height of MP for SoT, ERT measurement (cm) | Sensor Nos. for RESI measurement |
| 47 | 30 | 8 to 3 |
| 130 | 2 to 8 | |
| 48 | 115 | 8 to 3 |
| 49 | 121 | 12 to 6 |
| 50 | 100 | 3 to 9 |
목재 원판 단면부에서의 내부결함 측정
목재 원판 단면에서의 공동 및 부후 등 실제 내부결함 정도를 측정하기 위해 MP를 기준으로 기계톱을 이용하여 수평으로 절단 작업을 진행하였다. 이후, 벌채목 단면에서의 실제 내부결함 정도 분석 및 측정결과에 대한 객관성 평가를 위해 Adobe (2010)를 이용하여 진단기기별 측정 내부 결함 발생 부위 및 벌채목 원판 단면에서의 실제 내부 결함 부위를 추출한 뒤, 각각의 부위별 면적율을 pixel 수를 기반으로 도출하여 그 결과를 비교×분석하였다. 최종적으로 면적율 기반으로 내부결함도를 측정하였다.
Results and Discussion
진단기기별 목재내부결함 측정 결과
3종의 측정기기로 공동 및 부후 등 목재 내부의 결함 정도를 측정한 결과 외관상 부후균의 발생 정도가 상대적으로 낮았던 47번 및 48번 조사목의 경우 측정에 활용된 3종 기기모두 목재 내부결함 정도가 높지 않은 것으로 확인되었다(Figs. 3 and 4). 47번 및 48번 조사목의 경우 3종의 측정 장비 모두 내부결함정도가 아래 2개 조사목(49번 및 50번)에 비해 상대적으로 경미한 것으로 확인되었으나, 기초현황조사 결과 이미 공동 및 부후 등 내부적으로 결함이 발생되고 있는 것으로 판단되며, 방치 시 결함 진전으로 인한 도복 피해 등이 발생할 가능성이 높은 것으로 판단되었다.
반면, 목재부후균 발생 정도가 심했던 49번 및 50번 조사목에서는 3종의 기기 모두 공동 발생 및 부후 진전 등 내부 결함 정도가 높은 것으로 측정되었다(Figs. 5 and 6). 측정기기로부터 도출된 조사 결과와 함께, 기초현황조사 시, 49번, 50번 2개 조사목의 경우 외부 수간부에도 목재부후균(구름버섯) 자실체가 다발생한 상황으로 수목 도복에 의한 피해 발생 가능성이 높은 것으로 조사되었다.
목재 내부결함정도 및 기기별 내부결함 측정값 비교×분석 결과
목재 원판 단면에서의 실제 내부결함정도를 측정하기 위해 MP 부위를 기준으로 기계톱을 이용한 수평 절단 작업을 실시하였으며, 원판 총 5개(47번-30 cm, 47번-130 cm, 48번-115 cm, 49번-121 cm, 50번-100 cm)를 확보하였다(Table 3). 이후, 실험실로 운반된 목재 원판 시료는 실제 목재내부결함 정도를 기기별 내부결함 측정값과의 비교×분석을 위해 내부결함 부위를 대상으로 사진촬영을 진행하였으며, 이를 이미지상으로 추출하였다. 추출된 이미지는 투명도 조정 후 진단기기별 단층적 부후정도 측정결과에 겹쳐보기 방식으로 기기별 측정값과 실제 내부 결함정도의 일치여부를 판단하였으며, 단층적 부후정도 측정결과 대상 실제 목재 원판에서의 결함정도(%)를 비교×분석하여 객관성을 평가하였다.
47번 조사목에서의 객관성 평가 결과 실제 목재원판단면에서는 사부, 형성층, 외측 변재부를 제외한 거의 대부분의 목재부에서 부후가 진전되었음이 확인되었다(Fig. 3). 또한, 실제 목재원판단면에서의 심재부 중앙 부위는 공동이 관찰되었으나(Fig. 3A), SoT 및 ERT측정결과에서는 이를 확인할 수 없었으며(Fig. 3B and C), MP 10번에서 5번 방향 수직선상 너비 약 10 cm 정도의 ‘부후초기’ 상태로 측정되었으나(변재부 외측 부위에서의 부후측정결과는 일치), 이는 실제 부후발생 부위와의 오차가 약 31%로 측정되었다(Table 4). SoT 및 ERT측정 기반의 내부결함정도 측정 결과와 달리, RESI기반 내부 목재부후 측정결과(드릴링지점: MP 3-8)는 변재부로부터 약 15 - 20 cm 안쪽에 형성되어 있는 공동 발생여부를 정확히 진단하였다(Fig. 3D). 이는 47번-130 cm 원판에서도 일관되게 나타남을 확인하였다(결과생략).
Fig. 3.
Image processing results for extracting decay areas on the cross-section of a wooden disk and measurement result of resistance micro-drilling (RESI) for the target tree No. 47. A: the cross-section of a wooden disk with the decayed area (The red circle and indicates the cavity on the wood disk; The blue arrowed line indicates the measurement direction when using the RESI), B: Image processing results from sonic tomography (SoT), C: Image processing results from electric resistance tomography (ERT), D: measurement result of RESI (The red dotted line indicates the decayed area of the wood as measured by RESI).
Table 4.
Results of measurements for internal defect rate for each target tree.
48번 조사목의 경우 목재원판단면에서의 내부결함정도는 심재부 중심으로 공동 형성 등 심각한 부후가 진전되고 있음이 확인되었다(Fig. 4). SoT 및 ERT측정 결과 MP 8번 및 9번 중심으로 공동 형성 등 부후 발생을 진단하였으나(Fig. 4B and C), 심재 중앙부를 대상으로 공동 발생 등 실제 부후가 발생하였음을 확인하였으며, 이는 실제 부후발생 부위(31.77%)와 진단기기상의 측정 결과(23.58%)상 오차가 약 8%로 확인되었다(Table 4). SoT 및 ERT측정 기반의 내부결함정도 측정 결과와 달리, RESI기반 내부 목재부후 측정결과(드릴링지점: MP 3-8)는 변재부로부터 약 20 - 30 cm 이격된 중앙부에 형성되어 있는 공동 발생여부를 정확히 진단하였다(Fig. 4D).
Fig. 4.
Image processing results for extracting decay areas on the cross-section of a wooden disk and measurement result of resistance micro-drilling (RESI) for the target tree No. 48. A: the cross-section of a wooden disk with the decayed area (The red circle and indicates the cavity on the wood disk; The blue arrowed line indicates the measurement direction when using the RESI), B: Image processing results from sonic tomography (SoT), C: Image processing results from electric resistance tomography (ERT), D: measurement result of RESI (The red dotted line indicates the decayed area of the wood as measured by RESI).
49번 조사목의 경우 목재원판단면에서는 사부, 형성층, 외측 변재부를 제외한 거의 대부분의 목재부에서 부후가 진전되었음이 확인되었다(Fig. 5). SoT 및 ERT측정결과 실제 원판에서 관찰된 부후 지점의 진단 결과와 일부 일치하는 경향을 보였으나(Fig. 5B and C), 실제 부후 면적에 대한 진단 결과는 실제 부후발생 부위(63.61%)와 진단기기상의 측정 결과(46.44%)상 오차가 약 17%로 확인되었다(Table 4). 단, SoT 및 ERT측정 기반의 내부결함정도 측정 결과와 달리, RESI기반 내부 목재부후 측정결과(드릴링지점: MP 6-11)와는 매우 높은 수준으로 일치함을 확인하였다(Fig. 5D).
Fig. 5.
Image processing results for extracting decay areas on the cross-section of a wooden disk and measurement result of resistance micro-drilling (RESI) for the target tree No. 49. A: the cross-section of a wooden disk with the decayed area (The red circle and indicates the cavity on the wood disk; The blue arrowed line indicates the measurement direction when using the RESI), B: Image processing results from sonic tomography (SoT), C: Image processing results from electric resistance tomography (ERT), D: measurement result of RESI (The red dotted line indicates the decayed area of the wood as measured by RESI).
50번 조사목 목재원판단면에서도 사부, 형성층, 외측 변재부를 제외한 거의 대부분의 목재부에서 부후가 진전되었음이 확인되었다(Fig. 6). SoT 및 ERT측정결과 실제 원판에서 관찰된 부후 지점의 진단 결과와 일부 일치하는 경향을 보였으나(Fig. 6B and C), 실제 부후 면적에 대한 진단 결과는 실제 부후 발생 부위(69.39%)와 진단기기상의 측정 결과(65.66%)상 오차가 약 4%로 확인되었다(Table 4). 단, SoT 및 ERT측정 기반의 내부결함정도 측정 결과와 달리, RESI기반 내부 목재부후 측정결과(드릴링지점: MP 3-9)와는 매우 높은 수준으로 일치하고 있음이 확인되었다(Fig. 6D).
Fig. 6.
Image processing results for extracting decay areas on the cross-section of a wooden disk and measurement result of resistance micro-drilling (RESI) for the target tree No. 50. A: the cross-section of a wooden disk with the decayed area (The red circle and indicates the cavity on the wood disk; The blue arrowed line indicates the measurement direction when using the RESI), B: Image processing results from sonic tomography (SoT), C: Image processing results from electric resistance tomography (ERT), D: measurement result of RESI (The red dotted line indicates the decayed area of the wood as measured by RESI).
결과적으로 측정기기별 진단결과와 실제 원판에서의 공동발생 및 부후 진전 등 목재 내부의 결함 정도는 전반적으로 상이한 것으로 확인되었다. SoT 및 ERT 측정 시, 두 정밀진단 장비 모두 수간부에 부착되는 센서를 동일하게 공유하여 같은 지점으로부터 내부의 목재부후를 측정하는 점에 있어 부후 위치 및 정도에 대해 비슷한 결과가 도출되는 경향을 보였으나, 실제 원판에서의 목재부후 진전도(심한 경우 공동 발생) 및 부후 면적에 대해서는 과소평가될 수 있음이 본 조사로부터 확인되었다. 다만, RESI의 경우 내부 목재 밀도 변화가 급격히 발생하는 지점(예: 공동 발생 등)에서의 진단 결과에 있어서는 실제 관측치와 상당히 유사한 결과가 도출되기도 하였으나, ERT 측정 시‘부후초기’로 진단되는 지점 등 목재의 밀도 변화가 크지 않은 곳에서의 진단 결과는 일부 관측치와 상이한 결과가 도출되는 경향을 확인하였다.
이와 같은 결과는 은행나무를 대상으로 실시한 음파단층촬영 결과(Son et al., 2022)에서도 일관되게 나타났으며, 이를 통해 조사 대상 수종별 내부 결함의 정도와 종류에 따라 기기별 측정 정확도에 차이가 발생할 수 있음을 확인할 수 있었다. 결론적으로 진단기기별 수종별 측정값의 오차율에 대한 검증이 반드시 수반되어야 함을 본 연구 결과를 통해 다시 한 번 확인되었다.
결론적으로, 목재 내부에서의 결함 발생 진단 여부에 대한 저항드릴기록계의 정확도와 달리, 목재 밀도 감소에 따른 목재 내부에서의 결함 진전에 대한 SoT 및 ERT진단 정확도는 실제 목재 내부에서의 결함 정도를 과소 측정하는 경향이 있는 것으로 판단된다.
Conclusion
진단기기별 목재내부결함 측정 결과 고찰
본 연구 결과, 목재 단면 검사를 통해 확인된 목재 내부의 구조적 결함은 위치와 크기 측면에서 전반적으로 정확하지 않게 반영되는 경향이 있음을 확인하였다. 특히, SoT 및 ERT로 측정된 결과와 비교했을 때, 실제 목재 내부에서 발생한 부후 및 공동 등을 과소 측정하는 경향이 확인되었다. 반면, Resistance Drilling Device (RESI)는 내부 목재 부후와 구조적 결함과 관련된 공동을 탐지하는 측면에 있어 상대적으로 높은 신뢰성을 보였다.
현장 적용에 대한 시사점
본 연구로부터 도출된 결과는 비파괴 기반 정밀진단 기술을 통해 얻은 데이터를 정확히 해석하는 것이 실질적인 현장 적용에서 중요하다는 점을 시사한다. 즉, SoT, ERT, RESI 등 다양한 정밀진단 장비의 현장 적용을 기반으로 가로수 구조를 종합적으로 평가할 수 있는 시스템을 구축해야 하며, 실무자들의 진단 기술의 정확성과 일관성을 높이기 위한 교육 프로그램 및 가이드라인 개발하여야 한다. 이를 통해 목재결함을 탐지한 결과값의 적절한 해석 능력은 전국적으로 가로수를 평가하고 관리하는 데 효과적으로 활용되기 위한 핵심 요소로 판단된다. 본 연구에서 얻은 결과는 가로수 목재 내부 구조 평가 기술 및 방법의 발전과 예방적 관리 방안의 기반이 될 수 있을 것이며, 이러한 노력은 가로수의 장기적인 건강성과 안정성을 보장하여 더 안전하고 지속 가능한 도시 환경을 조성하는 데 기여할 것으로 판단된다.
