GPS와 좌표계(1)

지구의 실제 모습

• 지구의 형상

  • 실제 지구의 물리적 표면 : 육지, 해양 등 자연 상태의 지표면
  • 지구타원체 : 기하학적, 수학적으로 간단한 기준면
  • 지오이드 : 등포테셜면 : 지구의 어떠한 표면에서도 위치에너지가 0이 되는 지점
    

• 지오이드

  • 지구 표면의 약 70%는 해면, 해면은 조석 및 해류 등에 의해 변화
  • 장시간의 평균을 취하여 정지한 면으로 가정 - 평균해면
  • 평균해면상에서 포텐셜은 일정 - 등포텐셜면
  • 평균해면을 육지로 연장한 면 - 지오이드(등포텐셜면, 포텐셜=0)
    ※ 지오이드 : 중력포텐셜면 중 평균해면에 일치하는 면
    
  • 지오이드면은 어느 곳에서나 중력 방향에 수직
  • 수준측량에서 결정하는 표고(정표고)는 지오이드를 기준으로 함
    • 정표고 : 평균해수면으로부터의 높이. 한 점에서 지오이드(기준면)에 대하여 중력방향으로 측정한 거리.
  • 지오이드는 지구 지하 질량분포의 불균일성에 의하여 기복이 있음 → 매끄러운 면이나 수학적으로 복잡한 면
    

• 지오이드의 성질

  1. 지오이드는 등포텐셜면이다.
  2. 지오이드는 연직선 중력방향에 직교한다.
  3. 지오이드는 불규칙한 지형이다.
  4. 지오이드는 위치에너지(mgh=0)가 0이다.
  5. 지오이드는 육지에서는 회전타원체면 위에 존재, 바다에서는 회전타원체면 아래에 존재한다.

• 지오이드 결정 목적

  • GPS 측량 시 지오이드 모델을 이용하여 정표고를 직접 결정할 수 있으므로 GPS/Leveling(GPS높이측량)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

• 우리나라 육상 높이 기준

  • 지표면의 높이는 기준면과 정의에 따라 다른 값을 가진다.
  • 기준면을 기준타원체로 하여 측정된 높이를 타원체고(ellipsoidal height)라 하고, 일반적으로 해수면을 기준으로 하는 지표면상 임의 지점의 표고는 기준면으로부터 그 지점까지 단위질량을 운반하는데 소요된 일의 양이 동일한 지점을 동일 표고로 하는 역표고(dynamic height)와 기준면으로부터 그 지점까지 연직선을 따라 잰 거리가 같은 지점을 동일표고로 하는 정표고(orthometric height)로 구분된다.
  • 정표고는 일반적으로 직접수준측량에 의해 측정한 두 지점 사이의 표고차에 지구중력포텐셜의 불균일에 따른 오차를 보정하고 구하는데, 실측중력 대신에 정규 중력을 사용하여 직접수준측량 높이차를 보정한 표고를 정규 정표고(normal orthometric height)라 한다.
  • 우리나라는 정규 정표고를 높이고 채택하고 있다.

• 우리나라의 해상 높이 기준

  • 조위기준면 :
    • 조위 승강에 의한 높이의 기준을 결정하기 위한 기준면이다.
  • 수심의 기준면(약최저저조면) :
    • 해도를 제작할 때 바다의 수심이 중요하므로 약최저저조면을 기준으로 잡는다.
  • 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.

→ 우리나라는 육상에 대한 높이 기준은 평균해수면을 사용. 바다의 해도의 깊이는 약최저저조면을 사용.
해안선의 기준은 약최고고조면을 사용.

• 우리나라의 수직기준의 이원화
  • 수직기준체계의 이원화는 육상(국토부)과 해상(해수부) 부문에서 서로 다른 수직기준면을 이용하고 있기 때문에 발생하는 문제이다.
  • 이는 각 부문에서 높이 정보를 활용하는 목적이 다르기 때문에 발생하는 문제로서 육상의 높이 기준은 인천의 평균해수면(MSL : Mean Sea Level)이 이용되며, 대부분의 수준점(BM : Bench Mark)은 공간정보 구축을 위한 측량의 목적으로 활용된다.
  • 해상의 높이 기준은 해당 지역의 조석 특성에 따라서 결정되는 지역별 조위기준면(약최고고조면, 평균 해수면, 약최저저조면)을 혼용하여 사용하고 있는데, 이러한 TBM(Tidal Bench Mark)의 성과들은 선박의 항해, 항만운영, 파고측정 등의 해양 관련 부문에 활용되고 있다.
• 우리나라의 수직기준의 이원화 문제
  • 공간정보 연계 : 해양과 육상이 접하는 연안 부분의 공간정보 제작 등에 있어서 공간정보 사용자의 혼란을 초래하고 있으며, 국가적인 공간정보 통합관리에 있어서도 많은 문제를 야기하고 있음.
  • 연안지역 개발 : 연육교, 항만, 해안도로 등 연안지역 개발을 위한 다양한 건설공사 시 작업구간별로 수직기준이 달라지는 경우 공사계획, 설계, 시공 등에 큰 론란을 유발하며, 이로 인해 경제적/시간적 손실이 발생하고 있음.
  • 해양방재 부문 : 조석, 해일 등의 관측을 통한 자료는 해상의 수직기준면을 사용하고 있으며, 이러한 관측자료를 이용하여 다양한 해안방재 부문에 활용하고 있음.
• 우리나라의 지오이드 서비스
  • 국가지오이드 모델(KNGeoid14)