강원대학교 지구물리학과 이 훈 열 교수 참고문헌: 이희연 2003, GIS 지리정보학, 법문사

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1 강원대학교 지구물리학과 이 훈 열 교수 참고문헌: 이희연 2003, GIS 지리정보학, 법문사
제 3장 지도의 이해와 지리좌표체계 강원대학교 지구물리학과 이 훈 열 교수 참고문헌: 이희연 2003, GIS 지리정보학, 법문사

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3.1 지도의 개념과 지도의 분류 (1) 지도의 개념 GIS가 다른 정보시스템에 비해 독특성을 갖는 것은 공간데이터를 이용한다는 것. 공간데이터 정의: 지리공간에 고유한 위치를 점하고 있는 대상물(object) 또는 객체(entity). 지도의 정의: 자연환경과 인문환경을 도면으로 표현한 것으로, 실제 세계의 다양한 형상들을 단순화, 일반화, 축소시킨 추상적인 모델. GIS의 기초가 되는 공간데이터를 수집하고 분석하기 위해서는 지리학의 독특한 의사소통 언어인 지도에 대한 이해가 필수적.

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(2) 지도의 장점과 한계 지도의 장점 환경에 대한 이미지와 공간적 관계에 대한 정보를 제공하는데 있어서 다른 어떤 수단들보다 더 효과적. 평면상의 종이 위에 실 세계 정보를 나타내주며, 사용하기 편하고 다루기 쉽다. 주변환경의 복잡성과 세부적 속성을 단순화시켜 이해하기 쉽다. 문자보다 실제 환경을 인지하는데 효과적. 시각적인 의사전달로 강한 영향력 속성들의 공간적 패턴을 쉽게 파악 지도의 한계성 지도 제작 과정에서 발생하는 왜곡, 오차, 자료 선택의 변별성, 디자인 능력에 따라 지도에 대한 신뢰성 달라질 수 있어. 지상의 많은 대상물을 희생시키고 단지 몇 가지 대상물들만을 강조해서 표현. 추상화, 일반화 과정을 거쳐 만들어진 실제 세계와 유사한 모델일 뿐. 지도의 장단점을 알고 자신의 목적에 맞는 지도를 잘 선택하는 것이 중요.

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(3) 지도화 과정 첫째, 지도제작 목적 설정되고 이에 부합된 지도화에 대한 사양과 표준 정함. 둘째, 계획에 따른 자료 수집. 측지학, 측량학, 사진측량, 현상학 등. 셋째, 자료에 대한 지도학적 추상화와 일반화 선택(selection): 지도 제작 목적에 맞는 적절한 자료와 변수 선정 분류(classification): 유사한 정보를 그룹으로 만들어 정보 단순화, 조직화 단순화(simplification): 너무 세부적인 자연 형상을 매끄럽게. 도로, 해안선 일부 직선화. 기호화(symbolization): 추상화에서 가장 복잡한 단계. 복사적 기호화 (비슷한 모양으로. 해안선, 나무, 철도, 가옥)와 추상적 기호화. 보편적이고 표준화된 기호 사용. 넷째, 점검과 수정.

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(4) 지도의 기능과 축척에 따른 분류 지도의 기능에 따라: 일반도와 주제도 일반도(general map or reference map): 다양한 지리적 현상들의 공간적 관계를 나타내는 목적으로 제작된 지도. 도로, 취락, 행정경계, 수계망, 고도, 해안선, 하도 등 수록. 모든 사물들의 시각적 중요성이 동일. 대표적인 예로서 지형도(topographic map), 소축척의 지도첩(atlas), 수심측량도(bathymetric map). 18세기 중엽까지 일반도 제작이 초점. 주제도(thematic map): 과학적, 사회적 자료들의 공간적인 표현. 지질도, 삼림도, 토양도, 토지이용도, 강수도, 기온도, 인구분포도, 경제지도, 관광지도, 교통도, 도시계획도 등. 일반도와 주제도의 구분이 다소 모호하나, 주제도와 일반도의 가장 큰 차이점은 주제도의 경우 기본도 위에 특정한 주제에 대한 공간적 정보를 표현하는 것. 상대적으로 소축적 지도로 제작되는 경향. 지도의 축척에 따라: 대축척, 중축척, 소축척 일반적으로 1/50,000이하를 대축척, 1/1,000,000 이상을 소축척. 지도의 축척에 따라 세부 정보와 기호가 달라짐. 지도의 축척과 포함되는 면적과는 반비례. 보통 일반도는 대축척, 주제도는 소축척. 축척 = 도상거리 / 지상거리 (scale = map distance / ground distance) 예를 들어, 지도상 4cm가 실제 1km라면, 축척 = 4cm/100,000cm = 1/25,000. 1/50,000 지도에서 1cm는 실제로는 500m.

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3.2 지도의 형상과 데이텀 (1) 지구의 형상: 실제지형, 지구타원체, 지오이드. 지구타원체 적도반경과 편평률로 정의되는 타원체 모양의 가상의 지구. 17세기, 지구가 완전한 구형이라는 것에 처음으로 의문 제기. 18세기 말, 프랑스 측량대가 실제 관측으로 지구타원체설 입증. 지구 자전의 효과로 지구는 적도반경(a)이 극반경(b)보다 긴 타원체. 편평률 (a-b)/a. 지구가 완전한 기하학적 타원체가 아니어서 측정자에 따라 약간씩 다름. 국가마다 서로 다른 지구타원체 사용하다가 WGS84로 통일화. 우리나라도 기존 Bessel에서 2007년 1월 1일부터 WGS84와 비슷한 GRS80 체제로 전환 법제화. 지오이드(Geoid) 모든 점에서 중력 방향에 수직한 가상의 면 조석, 파도가 없는 평균 해수면을 지오이드 면으로 정의 지각의 구성요소와 밀도가 장소에 따라 달라서 불규칙한 모양 인공위성을 통한 중력탐사 (Grace 위성) 일반적으로 바다에서는 지오이드면이 지구타원체보다 낮은 반면, 대륙에서는 높게 나타난다. 지오이드와 지구타원체 모두 고도 측정의 기준이 될 수 있다. 측량오차 발생 가능. 실제지형: 물리적으로 실존하는 지구 표면

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(2) 측지 기준 체계 : 준거타원체와 데이텀은 좌표체계의 기준이 된다. 준거타원체(reference ellipsoid): 지오이드면에 가장 근접하는 수학적 지구타원체. 적도 반경과 편평률로 정의. 여러 가지 지구 타원체 존재. GPS발달로 인해 WGS84로 통일 추세. 데이텀(datum): 측지 원점. 위치와 표고가 매우 정밀하게 측정된 특별한 점. 이 점을 기준으로 다른 점의 위치와 높이를 결정. 정밀하게 측정된 위치를 측량하는데 기준이 되는 점을 측지데이텀 (geodetic datum) 혹은 수평데이텀(horizontal datum)이라고 함 평균해수면을 기준으로 하는 표고(높이)의 기준이 되는 점을 수직데이텀(vertical datum)이라 함. 전세계적으로 수백개의 데이텀이 사용중. 측지기준체계의 예: NAD27: 준거타원체는 Clark 1866 지구타원체, datum은 캔사스주의 Meades Ranch. TD(Tokyo Datum): 준거타원체는 Bessel 1841 지구타원체, Datum은 도쿄 국립지리원. WGS84: 준거타원체는 WGS84 지구타원체, datum은 지구 중심 (지구 중력이 0 이 되는 지점)

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지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 <측량법 제 5조: 2003년 1월 1일부터 시행. 2007년 1월 1일부터 GRS80>

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3.3 좌표체계 (좌표계) 위치: 주어진 좌표체계에 있어서 다른 점들과 어떤 기하학적인 상관관계를 갖는가 하는 것. 여기서는 다음 세가지만 알아보자. 지구면상에서의 위치를 나타내는 지리좌표계 우리나라 보통지도인 TM 좌표계 전세계적으로 공용화된 UTM 좌표계

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(1) 지리좌표계 (Geographical Coordinate System) 경도와 위도 2차원 평면좌표계(지도)가 아닌 3차원 구면좌표계 동서방향의 위선 (적도 0도, 남북으로 90도씩) 남북방향의 경선 (영국 그리니치 천문대 본초자오선 0도에서 동경 180도, 서경 180도까지) 위도 1도의 길이는 적도에서 약 km이고 극으로 갈수록 증가하여 극에서는 km (GRS80 기준). 경도 1도의 길이는 적도에서 약 km이고 극으로갈수록 감소하여 극에서는 0km. 개략적으로, 중위도에서 1도는 약 111km, 1분은 약 1.86km, 1초는 약 30미터.

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(2) TM (Transverse Mercator, 횡축메르카토르) 좌표계 평면직각좌표계, 측량범위가 넓지 않을 때 사용. 좌표 원점을 정하여 면상에서 (x, y) 미터로 위치 표시 원통을 옆으로 90도 눕혀서 원통면이 지구타원체의 임의의 자오선과 접하도록 해서 투영 6도 간격으로. 축척계수를 줄이기 위해 원통면상의 두선이 지구타원체와 접함.

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(3) UTM 좌표체계 전세계적으로 사용되는 TM 투영법의 일종. 6도씩 60개의 구역(zone)을 나누어, 180도에서 시작하여 서쪽에서 동쪽으로 6도씩 60개의 구역(zone)으로 나눠. 각 구역의 측지기준점으로부터 북과 동으로 떨어진 거리를 미터로 나타내는 평면직각좌표계. 측지기준점은 UTM구역의 중앙 경선에서 서쪽으로 500,000m 떨어져 있는 적도상에 존재. 단, 남반구에서는 적도에서 남쪽으로 10,000,000m 떨어져 있음. 구역번호 = (180 - 서경)/6, (동경 + 180)/6 서경=180 – 구역번호x6, 동경=구역번호x6 – 180 우리나라는 51, 52 구역, T, S에 해당.

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예) 자연대 3호관 302호 옥상 (측정: Garmin etrex Legend, 좌표변환: WGS84 지리좌표계(도분초): N 37도 52분 19.7초, E 127도 44분 32.9초, 높이 132m (WGS84 datum) WGS84 지리좌표계(도): 북위 도, 동경 도 Bessel 지리좌표계(도): 도, 도, 높이 108.8m Bessel 지리좌표계(도분초): 37도 52분 9.7초, 127도 44분 40.7초 TM: E265,512m, N485,764m UTM: E389,599m, N4,191,645m

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(4) 우리나라의 측지 기준과 좌표체계 한 국가의 측지기준체계는 일반적으로 법령에 기초하여 국가가 정의하고 유지 관리. 1910년대 조선토지조사사업. 8년간 기선, 삼각, 수준, 세부측량 모두 실시 ~ 1918까지 722도엽의 1/50,000 지형도 완성. 일본의 동경원점 (동경의 국토지리원 구내) 사용해 옴. 1985년 12월 경기도 수원의 국토지리원 구내에 독자적 원점 (상징적). 1997년부터 전국 20개 GPS 상시관측소 설치 추진. 2003년 이전 우리나라 지도좌표계: 준거타원체는 Bessel 지구타원체, 데이텀은 Tokyo Datum ‘베셀 타원체와 도쿄 데이텀’에서 ‘GRS80 준거타원체와 지구중심 데이텀’으로 전환 (2003년 1월 1일부터 혼용, 2007년 1월 1일부터는 GRS80). 우리나라 평면 직각좌표계: 국가 기본도는 TM 좌표계, 군사용지도는 UTM 좌표계.

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31 3.4 범지구측위시스템(GPS: Global Positioning System)
지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 3.4 범지구측위시스템(GPS: Global Positioning System) (1) GPS 발달 과정 1950년대 후반과 1960년대 미해군이 위성에 기초한 측량 및 항해 체계 시스템 구축. 1970년대 Navstar (Navigation System with Timing And Ranging) 1992년 미국방성 60억불 투자하여 전천후 3차원 전파항법 위성 시스템 완성. GPS는 지구 주변 6개 궤도에 있는 24개 위성 중에서 3-4개 위성으로부터 전파를 동시에 수신하여 지구상 어느 지점에 있는 사용자들이라도 3차원 위치와 시각을 알 수 있는 시스템. 유럽을 중심으로 GNSS (Global Navigation Satellite System) 구축. GPS, GLONASS, INMARSAT-3, EGNOS등을 통합하는 항법시스템.

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(2) GPS 원리와 종류 위성의 원자시계에 의한 시간과 궤도 정보를 지상으로 발사. 지상에서는 위성까지의 거리를 계산하여 삼각 측량의 원리로 위치 및 시각 결정. SPS (Standard Positioning System) 서비스: CA코드(L1, 1MHz code), 일반 사용자. 수평 100m, 수직 156m, 시간 167ns. 2000년 5월, SA(Selective Availability) 해제 후 수평 30미터 정밀도. PPS (Precise Positioning System) 서비스: P코드(L1, L2, 10MHz code), 특수 사용자. 수평 17.8m, 수직 27.7m, 시간 100ns. DGPS (Differential GPS): 기준국(reference station)에서 FM으로 보내주는 실시간 오차 보정값 이용. CA코드 SPS로 1-10m 정밀도 가능. 후처리 상대측위 (Post-processing differential Carrier GPS): 30km 이내에서 일정한 간격을 둔 두 수신기 간의 전파 위상차를 이용하여 1년 이상 장기 측정시 수 mm 정밀도. 실시간 불가. 10km 이내에서 15분 관측 혹은 30km 이내에서 1시간 관측으로 1-5cm 정밀도. 실시간 상대측위 (RTK: Real-Time Kinematic): 두 수신기간에 실시간 통신으로 전파 위상차 이용. 10km 이내 거리에서 위성 5개 이상을 받아 실시간으로 1-2cm 정밀도. L파 사용으로 전천후. 그러나 건물 사이, 수중, 숲 속에서 사용 제한.

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(3) GPS 구성요소: 우주부문, 관제부문, 사용자부문 우주부문(Space Segment) 24개 위성. 21개가 항법에 사용되고 3개는 예비위성 고도는 20,183 ~ 20,187km. 궤도면이 적도면과 55도 각도. 6개 궤도가 60도씩 떨어져있고, 한 궤도에 4개의 위성. 12시간 공전주기. 지구상 어느 지점에서나 5-8개의 위성을 볼 수 있다. 관제부문(Control Segment) 하나의 주 관제국(MCS: Master Control Station), 4개의 부관제국(Monitor Station) MCS는 위성관리, 위성 위치 계산, 궤도 정보, 시각 유지 및 제어. MS는 위성 정보 DSCS(Defense Satellite Communication System)로 송수신. 이외에도 적도면을 따라 3개의 지상 안테나, 두 개의 예비 주 관제국. 사용자부문(User Segment) 3차원 위치와 시각 (x, y, z, t) 결정 위해 4개 이상의 위성 동시 관측. 정적 사용자 (survey용) 와 동적 사용자 (자동차, 항공기) 코드추적(code tracking)과 위상 추적 (Phase tracking) 여러 개의 위성을 동시 추적하는 다채널 수신기.

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3.5 지도투영법 (1) 지도투영법의 개념 지도 투영이란 3차원의 지구 표면을 평면(2차원)의 지도로 변환하는 것. 실제 지구인 지오이드 -> 준거 타원체와 데이텀 설정하여 좌표체계 결정-> 지구본 만들어 -> 지도 투영. 지구본의 네 가지 속성: 정형성(같은 모양), 정적성(같은 면적비), 정거성(같은 거리비), 정방위성(실제 방향과 일치)

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(2) 지구의 속성을 유지하기 위한 투영방법 : 평면으로 투영할 때 지구본의 네 가지 속성을 모두 유지할 수는 없음. 정형성과 정적성을 동시에 갖출 수 없음. 정방성과 나머지 하나의 속성은 동시에 가질 수 있다. 정형(정각)도법(conformal projection): 형상 유지. 축척 왜곡. 경위선의 교차각도(직각) 유지. 한 지점에서 모든 방향으로의 축척이 같으나, 지도상의 서로다른 지점들간의 축척은 다르다. 대륙과 같은 넓은 지역에서는 형상 유지 못하고 왜곡. 극쪽으로 갈수록 축척 요인(SF: Scale factor)이 상당히 커지고 왜곡 심해져. Mercator 도법, Lambert의 정형원추도법, 정사도법, 횡축 Mercator 도법. 정적도법(equal-area projection): 면적(축척) 유지, 형상 왜곡 남북간 축척이 변화하여 축척 유지하므로, 압축과 팽창의 형상, 거리, 방향 왜곡. Sinusoidal 도법, Alberts의 정적원추도법, Mollweide의 정적 원추도법 등. Sinusoidal 도법의 경우 중앙 경선과 위선을 따라서만 진축척. 주변부의 모양 왜곡. 정거도법(equi-distance projection): 지구본상에서와 같은 거리 관계를 지도상에서도 그대로 유지. 지도상에서 두 지점간의 직선거리가 지구상에서의 두 지점간에 대권상의 호를 나타내도록 해야 한다. 모든 점에서 정거성이 유지되는 것이 아니라, 한 두 지점으로부터 다른 지점들까지의 거리가 지구상에서와 같다는 뜻. 방위정거도법: 투영 중심에서 모든 지점까지 정거성, 정방위성 유지. 중심에서 멀어질수록 왜곡. 방위도법(azimuthal projection): 지도상 한 중심지점에서 다른 지점으로 직선으로 연결하였을 때 직선의 방향이 진방위. 항해에 중요. 정적성, 정형성, 혹은 정거성 중에서 하나를 선택하여 함께 유지할 수 있다.

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(3) 투영법의 분류기준 지도투영법: 평평한 종이 위에 경위선의 좌표체계를 체계적으로 구축. 개념적으로 경위도 좌표가 그려진 투명한 지구본을 광원으로 투시하여 투영면에 비춰진 그림자로 지도를 만든다. 투영면에 따라 세가지 유형으로 분류 원통도법: 원통모양 원추도법: 깔대기모양 방위도법: 평면 광원의 위치에 따라: 심사도법(gnomonic projection): 광원이 지구본의 중심에 있음. 평사도법(stereographic projection): 광원의 위치가 투영면이 접하는 지점과 정반대되는 위에 있음. 정사도법(orthographic projection): 광원이 무한대 지점에 있음. 광원에 의한 직접 투영이 아닌 수학적인 방법 사용하기도. 예를 들면 가상적인 원통 (pseudo-cylindrical)이나 가상적인 원추도법 투영면의 접점(선)에 따라: 적도에 위치한 특정 지점 극과 접하게 혹은 임의의 점 보통 원통도법은 적도 중심에 접점 횡축 중심 투영법(TM)은 적도에서 90도 회전된 경선과 접함.

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(4) 원통도법 지구본을 원통으로 둘러싼 후 광원을 지구본 중심에 두고 투영하여 원통을 전개. 투영면은 적도중심투영법이 일반적. 경선과 위선이 직각. 사각형의 격자망. SF는 적도에서는 1, 극으로 갈수록 증대. 메르카토르(Mercator) 도법: 수학적인 격자체계. 남북방향과 동서방향의 축척 증가율이 같아서, 어떤 주어진 지점에서 모든 방향으로의 SF가 동일. 지시타원(Indicatrix)에 의하면 정형성 유지, 정적성 잃음. 항해에 편리. 횡축 메리카토르: 정형성 유지, 경위선이 곡선. 경선따라 왜곡도 적어서 대축척 지형도에 많이 사용. 몰와이데 (Mollweide)도법: 수학적 투영, 정적성 유지. (5) 원추도법 지구본을 원추에 투영시켜 원추를 전개한 것. 표준 위선이 하나인 단원추도법, 두 개의 원추도법, 다원추도법 Lambert 정형원추도법, Alberts 정적원추도법. (6) 방위도법 지구본을 평면에 투영하여 지도를 만드는 도법 심사, 평사, 정사. 정거방위도법, 정적방위도법. 심사도법에서는 대권 항로가 직선으로 나타남.

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(7) 사용목적과 지역 크기에 따른 투영법의 선택 지구본이 갖고 있는 네 가지 속성인 정형성, 정적성, 정거성, 정방위를 다 갖춘 2차원 지도는 제작될 수 없음. 한가지 속성을 유지하기 위해 다른 속성들을 희생시켜야하는 상대적인 관계. 지도를 사용하거나 GIS의 기본도를 선택할 때 가장 목적에 부합하는 투영법을 선택해야한다. 투영 중심점은 왜곡성이 거의 없으므로, 관심지역에 투영 중심점을 설정. 일반적인 선택의 예: 대축척의 지형도: 좁은 범위에서 왜곡이 적은 횡축 메르카토르 도법. 항해도: 나침반 방향을 일정하게 맞추어 놓고 항해할 수 있기 때문에 메르카토르 도법 사용. 거리측정: 정거방위도법. 중위도 항공도: 대권항로가 거의 직선인 람베르트 정형원추도법. 통계지도: 정적도법인 몰와이데 도법. 세계전도: 정적성을 유지하면서도 정형성이 크게 훼손되지 않는 몰와이데 도법이나 에커르트 IV 도법, 로빈슨 도법. 대륙 지도: 정적성과 정형성을 갖춘 본느도법, 람베르트 방위도법, 알베르트 도법, 시뉴소이달 도법, 몰와이데 도법. 중앙 위선이나 표준 위선의 위치에 따라서: 아시아나 북아메리카는 본느도법이나 람베르트 방위도법, 아프리카와 남아메리카는 몰와이데 도법이나 시뉴소이달 도법. 국가의 형상과 표준 위선과의 관계에 따른 선택.

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54 3장 끝