[GIS] 개발관련 GIS 기초공부(11) - GPS와 좌표계(1)
1. 지구의 실제 모습
1.1 지구의 형상
- 측지학적인 관점에서의 지구의 형상
- 실제 지구의 물리적 표면 : 육지, 해양 등 자연 상태의 지표면
- 지구타원체 : 기하학적, 수학적으로 간단한 기준면
- 지오이드 : 등포테셜면
- 수학적 지효면 : 텔룰로이드, 의사지오이드
지오이드란 위치E = 0 인 지점.
1.2. 지오이드
- 지구 표면의 약 70%는 해면, 해면은 조석 및 해류, 파랑(파도) 등에 의해 변화
조차(만조, 간조) - 장시간의 평균을 취하여 정지한 면으로 가정 - 평균해면(평균해수면)
- 평균해면상에서 포텐셜(위치)은 일정 - 등포텐셜면
- 평균해면을 육지로 연장한 면 - 지오이드 (등포텐셜면, 포텐셜=0)
※ 지오이드 : 중력포텐셜면 중 평균해면에 일치하는 면
1.3. 지오이드
- 지오이드면은 어느 곳에서나 중력 방향에 수직이다.
- 수준측량에서 결정하는 표고(정표고)는 지오이드를 기준으로 함
- 지오이드는 지구 지하 질량분포의 불균일성에 의하여 기복이 있음
→ 매끄러운 면이나 수학적으로 복잡한 면
지오이드(Geoid)의 성질
- 지오이드는 등포텐셜면이다.
- 지오이드는 연직선 중력방향에 직교한다.
- 지오이드는 불규칙한 지형이다.
- 지오이드는 위치에너지(mgh=0)가 0이다.
- 지오이드는 육지에서는 회전타원체면 위애 존재하고,
바다에서는 회전타원체면 아래에 존재한다.
1.4. 지오이드 결정 목적
- GPS 측량시 지오이드 모델을 이용하여 정사표고를 직접 결정할 수 있으므로
GPS/Leveling(GPS 높이 측량)의 실용화에 기여 - 기준타원체를 검증하고 최적합한 타원체의 제원을 산출
- 국가기준점 성과 갱신에 있어서 지오이드고를 고려한 투영법에 의한 측지망 조정계산을 실시함으로써
좌표 결정의 정확도 향상 - Sea Surface Topography(SST; 해면지형) 연구
타원체고(h)
타원체에서 지표면까지의 거리를 타원체고라고 한다. GPS측량에서 관측한 높이.
지오이드고(N)
타원체에서 지오이드까지의 거리를 지오이드고라고 한다.
정표고(H)
지오이드에서 지표면까지의 거리를 정표고라고 한다. 우리가 보통 알고 있는 고도의 높이다.
ex) 해발 300m
1.5. 전 지구 중력장 모델(EGM 2008)
측지학
- 기하 : 좌표, 크기
- 물리 : 중력, 지자기
지오이드는 중력데이터를 사용한다.
중력측정방법: 육지중력, 선상중력, 항공중력, GRACE, Topex/poseidon
1.6. 우리나라의 육상 높이 기준
- 우리나라는 인천 인하공업전문대학 내에 위치한 수준원점으로부터 수준측량을 실시하여
표고를 결정 및 이용하고 있음 - 그러나 수준측량은 기준점으로부터 거리가 멀어질수록, 고도가 높아질수록
오차가 커지며 작업 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.
육상에서의 높이 기준은 정표고.
1.7. 우리나라의 해상 높이 기준
- 조위기준면
조위기준면(tidal datum)은 조위 승강에 의한 높이의 기준을 결정하기 위한 기준면이다. 조위기준면은 국가별로 상이한 기준면을 사용하고 있는데, 우리나라는 국립해양조사원에서 각 조위관측소에서 장기간 관측된 조위자료를 조화분석하여 계산한 조화상수 중, 주요 4개 분조(M2, S2, K1, O1)의 반조차를 이용하여 각종 조위기준면을 계산하고 있다. - 수심의 기준면(약최저저조면)
우리나라 조석관측의 기준면은 기본수준면(Datum Level, DL)이라고 하며, 조석표의 조위와 해도에 수심을 표시하는 기준면으로 사용하고 있다. 국제수로협회에선느 수심기준면은 조석이 그 이하로는 내려가지 않는 면으로 해야 한다고 규정하고 있으며, 우리나라의 경우 수심기준면은 기준면을 정하고자 하는 지역에서 1개월 이상의 조석관측을 실시하여 그 지역의 조석에 관한 특성들이 포함된 주요 4개 분조(M2, S2, K1, O1)의 조화상수를 구한 후, 관측기간의 평균해수면(Ao)에서 4개 분조의 반조차 합 만큼 아래로 내려간 면인 약최저저조면(기본수준면)으로 규정하고 있다. - 해안선의 기준면(약최고고조면)
우리나라의 해안선은 연안관리, 지형도, 해양공학 등 그 목적에 따라 각기 다르게 정의되어 있으나, 해도제작과 관련하여 수로업무법에서는 해면이 약최고고조면에 도달했을 때의 해면과 육지와의 경계로 규정하고 있다. 약최고고조면은 1개월 이상의 조석관측 자료로부터 구한 해당 지역의 평균해수면에서 4개 분조(M2, S2, K1, O1)의 반조차 합 만큼 올라간 면으로 정의한다.
1.8. 우리나라의 수직기준의 이원화
- 수직기준체계의 이원화는 육상과 해상 부문에서 서로 다른 수직기준면을 이용하고 있기 때문에 발생하는 문제이다. 현재 우리나라의 높이(표고)의 기준은 국토지리정보원에서 운영하는 수준점(BM : Bench Mark)과 국립해양조사원의 기본수준점(TMB : Tidal Bench Mark)으로 나눌 수 있다.
- 이는 각 부문에서 높이 정보를 활용하는 목적이 다르기 때문에 발생하는 문제로서 높이 기준은 인천의 평균해수면 (MSL : Mean Sea Level)이 이용되며, 대부분의 수준점(BM)은 공간정보 구축을 위한 측량의 목적으로 활용된다. 해상의 높이 기준은 해당 지역의 조석 특성에 따라 결정되는 지역별 조위기준면(약최고고조면, 평균해수면, 약최저저조면)을 혼용하여 사용하고 있는데, 이러한 TBM의 성과들은 선박의 항해, 항만운영, 파고측정 등의 해양 관련 부문에 활용되고 있다.
- 한 국가의 높이 기준이 마련되지 않거나 통일되지 않으면 항해 안전 사고 발생, 부실 공사 문제 등이 발생됨
- 비단 이 문제는 한 국가의 문제가 아니라 국제적인 수직 기준의 통일을 요구하는 큰 바탕이 되고 있다.
- 육상과 해상 부문에서 서로 다른 수직기준면을 채용하믕로 인해서 다양한 분야에서 많은 문제점이 발생하고 있다.
- 공간정보 연계 : 해양과 육상이 접하는 연안 부분의 공간정보 제작 등에 있어서 공간정보 사용자의 혼란을 초래하고 있으며, 국가적인 공간정보 통합관리에 있어서도 많은 문제를 야기
- 연안지역 개발 : 연육교, 항만, 해안도로 등 연안지역 개발을 위한 다양한 건설공사 시 작업구간별로 수직기준이 달라지는 경우 공사계획, 설계, 시공 등에 큰 혼란을 유발, 이로 인해 경제적/시간적 손실 발생
- 해양방재 부분 : 조석, 해일 등의 관측을 통한 자료는 해상의 수직기준면을 사용하고 있으며, 이러한 관측자료를 이용하여 다양한 해안방재 부문에 활용하고 있음. 하짐나 이러한 방재해석 결과를 육상과 연계하고자 하는 경우 높이 정보 간의 불일치로 인해 제대로 된 방재계획 및 관리 등이 수행되지 못하고 있음.
1.9. 우리나라의 지오이드 서비스
