[GIS] 좌표계와 EPSG

측지기준계 > 좌표계 > 데이텀 > 지구타원체

왼쪽부터 범위가 넓은 순이다.

1. 측지기준계 (Geodetic System)

지구상의 위치를 측지 좌표계나 지구 중심 좌표계로 명확히 나타내기 위한 전지구적 기준틀 체계를 의미한다.

2. 좌표계

좌표계는 크게 두 가지로 나뉜다.

1. 지리좌표계 (GCS, Geographic Coordinate System)
   • 지구상에 위치를 정의하는 데 3차원의 구면을 이용하는 좌표계
   • 즉, 지구를 회전 타원체로 간주하고 위치 지점을 구한다는 뜻
   • 위도와 경도 값으로 한 지점을 나타낸다.
2. 투영좌표계 (PCS, Projection/Planner Coordinate System)
   • 3차원 지구에 있는 대상의 위치를 2차원 지도상의 위치로 표현하는 좌표계
   • 투영은 3차원 구상의 위치를 2차원에 옮기는 방법이다.

3. 데이텀 (Datum, 측지계)

정확한 위치 결정이 이루어지는 참조 혹은 기준면을 일컫는다. 기본적으로 데이텀은 측정을 위한 영점 기준을 갖고 있다. 데이텀의 정의를 정리해보자.

1. 토지나 고도 등을 재는 원점
2. 위치와 표고가 매우 정밀하게 측정된 특별한 점
3. 이 점을 기준으로 다른 점의 위치와 높이를 결정

3.1 수평 데이텀과 수직 데이텀

데이텀의 종류에는 수평(측지)와 수직 데이텀이 존재한다. 각 단어가 어떤 뜻을 가지고 있는지 알아보자.

• 수평 데이텀(horizontal datum) : 정밀하게 측정된 위치를 측량하는 데 기준이 되는 점
• 수직 데이텀(vertical datum) : 평균해수면을 기준으로 하는 표고(높이)의 기준이 되는 점

또 다른 기준으로 데이텀을 나눠보자. 수학적 관점에서 말고, 사용하는 곳을 기준으로 데이텀을 나누게 되면 지역 측지계와 세계 측지계로 구분할 수 있다.

3.2 지역 측지계

지역 측지계는 세계 측지계가 도입되기 이전, 지역별로 사용하던 측지계를 의미한다. 우리나라에서는 동경 측지계를 주로 사용하였다. 동경 측지계는 일제 감정기 때 도입된 것으로, 동경 원점에서 멀어질 수록 측량 오차가 커지는 문제점이 있었다.

10.405초의 차이
세계 측지계가 도입되기 이전, 동경 측지계를 사용하던 우리나라에서는 좌표값을 계산할 때 10.405초의 오차를 고려하여 구했어야 했다. 왜 그럴까?

• 관동 대지진에 의해 일본 원점의 자오환이 파괴되어 구체적인 원점 위치가 없어되었을 뿐만 아니라, 삼각점의 수평 위치가 변화하였다.
• 이로 인해 복구측량이 실시되었으며 이때 파괴된 자오환 중심과 신설된 대삼각본점과의 방위각이 실측되었다.

자오환 : 천체가 자오선을 통과할 때의 고도와 시각을 측정하여 그 천체의 적위 및 적경을 정밀하게 구하는 기계

이런 문제를 해결하고자 도입한 게 바로 세계 측지계이다.

3.3 세계 측지계

• 지구상 제점의 위치를 나타내기 위한 기준이 되는 좌표계 및 지구의 형상을 표현하는 타원체를 총칭하여 측지 기준계라고 한다.
• 세계측지계는 세계에서 공통으로 이용할 수 있는 위치의 기준이 되는 측지 기준계이다.

한 마디로, 세계 측지계란 지구 중심 좌표계를 사용하여 지구 중심에 원점을 둔 타원체상의 좌표계로, 세계 공통으로 쓰일 수 있는 좌표계이다.

개념적으로 볼 때 세계 측지계는 세계 유일의 것이지만, 국가마다 채용하는 시기와 구축 기법 및 구현 정확도에 따라 다르게 불린다. 대표적인 세(네) 가지를 알아보자.

1. GRS80, ITRF-2000 측지기준계
   • 세계 각국에서 공통으로 이용할 수 있는 것을 목적으로 구축
   • 둘 다 타원체는 GRS80 사용
2. WGS84 측지기준계
   • 미국에서 군사용으로 GPS 시스템을 개발하면서 만들었다
   • WGS84 타원체 사용
3. PZ90
   • 러시아에서 자주 사용된다.
4. Bessel 1841
   • 한국과 일본에 잘 맞는 지역 타원체를 사용한 좌표계

GRS80과 WGS84와의 차이는 단반경이 약 0.1mm 다를 뿐, 실용적으로 동일하게 사용하는 타원체이다.

4. 지오이드

지구상에서 높이(해발고도)를 측정하는 기준이 되는 가상면이다.

4.1 특징

1. 중력 퍼텐셜이 같은 등퍼텐셜면이다.

   • 중력 퍼텐셜 : 주어진 위치에서 단위 질량의 입자가 가지는 중력 위치 에너지
   • 등퍼텐셜 = 등위면

2. 중력 가속도를 측정할 때 기준면이 된다.

3. 물체는 이 면에 대해서 수직 방향의 중력을 받는다.

4. 지오이드의 형태(위치에 따른 중력의 작용선)의 변화를 측정하면, 지표 아래에 주변과 다른 밀도를 갖는 물질의 존재를 파악할 수 있다.

4.2 필요성

1. 특정 지역의 최적 지심 타원체 결정에 활용

   • 지심 타원체 : 불규칙한 면을 가지고 있어서 지오이드면과 가장 유사한 가상의 타원체

2. 전 지구의 지심 타원체 결정

3. GNSS 정밀높이 측량의 자료 구축

   • GNSS : Global Navigation Satellite System, 위성항법시스템. 범지구적인 측위 정보 서비스 시스템

4. 육상, 해상의 높이 일원화로 안정성 및 재해 대비 자료 구축

5. EPSG (European Petroleum Survey Group)

드디어 오늘의 메인이 나왔다. EPSG 코드를 정리하려고 글을 쓴 건데, 앞 부분을 이해하며 넘어오다 보니 생각보다 글이 길어졌다.

EPSG는 전 세계 다양한 좌표계를 식별하기 위한 고유한 코드 체계를 제작 및 배포 유지하는 조직이다. 지리적 객체의 좌표계, 타원체 등의 정보를 식별할 수 있다.

EPSG 코드는 전 세계 좌표계 정의에 대한 고유한 명칭이다. EPSG 코드에 대한 상세 정의는 proj4와 wkt라는 문자열로 구성되어있다. EPSG.io에 접속하면 각 EPSG 코드에 대한 proj4와 wkt 문자열을 파악할 수 있다.

대표적인 EPSG 코드를 살펴보자.