[GIS] 좌표계 (CRS)

요즘 PostGis, GeoServer 관련 해외인강을 듣는데, 좌표계(CRS, Coordinate [Reference] System)라는 표현을 많이 듣는다. 아무래도 지리, 지도 관련 학과를 안 나와서 그런지 이 표현을 이해하는데 좀 시간이 걸렸다. 내 나름대로 이해한 내용을 짤막하게 정리해보려고 한다.

🌏 좌표계

---

• 좌표계란 숫자나 기호를 써서 위치를 표기하는 방식, 체계를 의미한다.
• 특정 지점의 위치를 찍기 위한 배경(ex: 지도, 지구본) 또한 좌표계 개념에 포함된다.
• 다시 말하자면, 좌표계란 좌표계 자체가 지원하는 "배경"과 그 배경 위에 "지점을 표기"하는 방식 모두를 포함한 개념이다.

🌏 좌표계의 종류

---

GIS 공부하면서 나오는 좌표계에는 크게 2가지가 있었다.
지리좌표계(GCS, 🌏)와 투영좌표계(PCS, 🗺️)였다.

이 아래에서부터는 ArcGis Blog 에 포스팅된 글과 이미지를 많이 인용합니다.
아래 글들이 잘 이해가 안되면 위의 링크를 따라가서 읽어보시기 바랍니다. 강추합니다.

2-1. 지리좌표계 (GCS, 🌏)

• 둥근 지구의 표면(🌏) 위에 위치를 지정하는 방식이다.
• 지구의 표면상 "어디에" 있는지가 주 관심사다.
• 이러한 방식을 위해서는 "datum" 이라는 정보가 GCS 에 포함되어 있어야 한다.
  • datum 은 GCS 가 사용하는 지구의 모델, 모델과 실제 지표면을 맞추기 위한 지구 중심점 의 상대적 이동 위치 등의 정보들을 정의한 것이다. 더 자세한 내용은 이 글을 참고하자.
  • 이러한 datum 의 종류는 다양하기 때문에 GCS 도 당연히 하나만 있는 게 아니다.
• GCS 는 타원체의 지구 상의 위치를 표기하기 위해서 주로 "도(degree)" 단위를 사용한다

그런데 우리가 일반적으로 운전하다 길을 모르면 둥그런 지구본을 꺼내는 게 아니라,
평평한 지도를 꺼내서 본다. 평평한 지도는 지구본 같은 둥그런 구체보다 거리 계산이
쉽고, 들고 다니기에도 편하기에 우리 일상생활에 꼭 필요한 것이다.

그리고 이런 지도(=배경)와 지도 위에 위치를 표기하는 방식(체계)이 투영좌표계이다.
그런데 이 지도가 뚝딱하고 나오는게 아니다. 지도는 map projection(지도 투영)이라는
방식을 사용해서 둥그런 지도를 지도 위에 그린다. 이 내용은 다음 목차에서 자세히 알아보자.

2-2. 투영좌표계 (PCS, 🗺️)

• GCS(또는 지구)를 평평한 지도(🗺️)에 표시하기 위한 방식이다.
• PCS는 반드시 GCS 정보를 내포해야 한다.
• 굴곡진 지구의 표면을 "어떻게" 평평한 면에 표현할지가 주 관심사다.
• PCS 는 평평한 면에 표현하기 때문에 주로 "미터(meter)" 단위를 사용한다.

---

위 둘의 차이를 잘 보여주는 이미지를 첨부해본다.

• 출처: https://www.esri.com/arcgis-blog/products/arcgis-pro/mapping/gcs_vs_pcs/

🌏 Map Projection

---

Map Projection?

둥근 지구(또는 GCS)를 평평한 지도에 어떻게 펼쳐서 볼까?
단순하다! 그냥 둥근 지구의 표면을 귤 껍질을 까듯이 까서 상 위에 평평하게 펼치는 것과 같다.

• 출처: https://www.esri.com/arcgis-blog/products/arcgis-pro/mapping/gcs_vs_pcs/

하지만 위 그림처럼 지구의 껍데기를 벗기는 방법, 방식은 상당히 많을 것이다.
이러한 방법 하나하나를 정의한 것이 바로 Map Projection (지도 투영)이다.

투영(Projection)?

그런데 대체 투영이라는 단어는 어쩌다가 나온걸까?
투영이라는 표현이 뭔지, 그리고 왜 쓰이는지 알아보자.
"투영하다"라는 동사를 표준국어대사전에서 찾아보면 아래와 같다.

여기서 2번째 정의인 "물체의 그림자를 어떤 물체 위에 비추다"가 Map Projection 의 "투영"이다.
즉 지구의 그림자를 종이 위에 비추는 것이다.

지구의 그림자...?

아마 지구의 그림자라고 표현하니까 무슨 공상영화같은 말 같겠지만,
우리는 지구의 그림자를 만들 수 있다. 아래와 같이 말이다.

• 출처: https://sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/mercator-projection

그리고 이 그림자를 종이 위에 그리기 위해서 다음과 같이 지구본 주변에 종이를 덧댄다.
이 사진에서는 종이를 원통으로 말아서 지구본에 덧댄 것으로 보인다.

• 출처: https://sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/mercator-projection

지구의 대륙과 바다의 경계에 의해서 그림자가 생기고,
그것이 덧댄 종이 위에 "투영"된다.
투영된 그림자를 연필로 쭉 그어서 그려주면 그게 지도가 된다.
그리고 이러한 과정 자체를 "Map Projection"이라고 하는 것이다.

이러한 투영법은 종이와 지구본이 맞닿는 부분은 사이즈나 가로 길이가 실제와 얼추 맞지만,
지구본과 맞닿는 부분에서 멀어질 수록 지도에 왜곡이 일어나는 특징이 있다.
애초에 둥그런 것을 납작한 곳에 표현하는 것이니 어찌보면 당연한 것이다.

이렇다 보니 사람들은 자신의 관심 지역을 기준으로 최대한 가깝게 혹은 다른 방식으로 종이를 덧대기 시작했고, 그 과정에서 다양한 Map Projection 방식이 생겼다.

요약하자면 Map Projection 은 지구의 표면을 어떻게 평평한 지도에 뿌릴지를 알려주는 지표다.

소프트웨어 관점의 Projection

그런데 컴퓨터나 소프트웨어에서는 이러한 Projection 을 어떻게 저장하고 쓸까?
GIS 에서는 (map) projection 이 수학적인 알고리즘으로 저장 및 사용한다.

아래 그림은 ArcGIS Desktop 에서 제공하는 Map Projection(= 알고리즘) 들이다.
다양한 종류가 있음을 알 수 있다.

• 출처: https://www.esri.com/arcgis-blog/products/arcgis-pro/mapping/gcs_vs_pcs/

Projection 과 PCS

이쯤에서 PCS 를 다시 설명하면 아래와 같다.
PCS 는 GCS 기반으로 (Map) Projection 라는 알고리즘을 사용하여 나온 결과물이다.
소프트웨어에서는 PCS 정보가 Projection(알고리즘) 정보를 내포하는 게 일반적이다.

🌏 ArcGIS 로 보는 좌표계

ArcGIS Desktop 에서는 좌표계를 어떻게 쓰는 지 알아보자.
이걸 보면 단순히 좌표계뿐만 아니라, 좌표계와 관련된 다양한 지식을 쌓을 수 있다.

• https://www.esri.com/arcgis-blog/products/arcgis-pro/mapping/gcs_vs_pcs/ 이미지 참고

위 그림은 Fuller (world) coordinate system 이라 불리는 좌표계를 선택한 모습이다.
맨 위에서부터 차근차근 알아보자.

• Projected Coordinate System :
  현재 좌표계가 PCS 임을 알려줌과 동시에 PCS 의 명칭을 표기한 것이다.

• Projection :
  PCS 가 사용하는 Projection(알고리즘)의 명칭을 표기한다.

• WKID :
  GIS 관련 협회(ex: EPSG)에서 지정한 PCS의 ID 값이다.
  참고로 이 WKID 는 서로 다른 협회에서 지정했어도 서로 숫자가 겹치지 않는다.

• Linear Unit :
  현재 PCS 의 거리 단위가 meter 임을 알려준다.

• False Easting, False Northing, Option 등 :
  정보들은 Projection 알고리즘에과 함께 사용되는 파라미터들이다.

여기까지 PCS 관련 정보였다.
처음에 설명했지만, PCS 는 GCS 를 기반으로 한다고 했다.
그래서 아래에 바로 이어서 GCS 정보가 나온다.

• Geopraphic Coordinate System : 현재 어떤 GCS 를 사용하는지 알려준다.

• WKID : GIS 관련 협회(ex: EPSG)에서 지정한 GCS의 ID 값이다.

• Angular Unit : 현재 GCS 의 각도 단위가 "degree" 임을 알려준다.

• Prime Meridian : GCS 에서 경도가 0°인 곳을 의미한다. 여기서는 그리니치 천문대가 기준이다.

• Datum :
  • GCS 에서 사용되는 지구의 표면에 어떤 지구 모델이 사용되었고, 관심 지역과 모델의 표면을 일치시키기 위해서 어느정도 위치가 이동되었는지를 알려주는 지표다.
  • Datum 을 이해하기 위해서는 이 글을 한번 읽어보는 걸 추천한다.

• Spheroid :
  이건 Datum 정보의 일부인데, 지구에 사용되는 타원체와 관련된 정보를 의미한다.
  타원체의 Semimajor Axis, Semiminor Axis, Inverse Flattening 등의 정보가 제공된다.

(참고) PCS를 정하지 않았는데 지도가 나온다?

평평한 지도에 GCS 를 표현하기 위해서는 반드시 PCS 가 지정되어야 한다.
그런데 종종 GIS 툴들을 사용하다 보면, PCS 를 지정하지 않았음에도 지도가 이쁘게
나오는 경우가 많다. 이것은 각각의 툴들이 기본으로 지정된 PCS 가 있기 때문이다.

ArcGis 의 경우에는 pseudo Plate Carrée projection 라는 PCS 를 사용한다.
이 PCS 와 관련된 정보는 여기에서 확인할 수 있다.
이 좌표계는 특이하게 일반적인 PCS 처럼 meter 단위가 아니라,
여전히 "degree" 단위를 사용한다.
그래서 어떤 GIS 개발자들은 이걸 Project 가 되지 않은 상태라고도 말한다.

---

✨ 참고 링크

• https://www.esri.com/arcgis-blog/products/arcgis-pro/mapping/gcs_vs_pcs/
• https://www.esri.com/arcgis-blog/products/product/mapping/about-geographic-transformations-and-how-to-choose-the-right-one/
• https://sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/mercator-projection
• 나무위키 - 메르카토르 도법

---