제 3 장 지도의 이해와 지리좌표체계

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

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 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.

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 (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.

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 (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.

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 (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.

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 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

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 (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)

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

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 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

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 (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 110.574km이고 극으로 갈수록 증가하여 극에서는 111.694km (GRS80 기준). • 경도 1도의 길이는 적도에서 약 111.319km이고 극으로갈수록 감소하여 극에서는 0km. • 개략적으로, 중위도에서 1도는 약 111km, 1분은 약 1.86km, 1초는 약 30미터.

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 (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.

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 (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.

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 예) 자연대 3호관 302호 옥상 (측정: Garmin etrex Legend, 좌표변환: http://geo.skku.ac.kr/) • WGS84 지리좌표계(도분초): N 37도 52분 19.7초, E 127도 44분 32.9초, 높이 132m (WGS84 datum) • WGS84 지리좌표계(도): 북위 37.872139도, 동경127.742472도 • Bessel 지리좌표계(도): 37.869370도, 127.744641도, 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

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 (4) 우리나라의 측지 기준과 좌표체계 • 한 국가의 측지기준체계는 일반적으로 법령에 기초하여 국가가 정의하고 유지 관리. • 1910년대 조선토지조사사업. 8년간 기선, 삼각, 수준, 세부측량 모두 실시. 1914 ~ 1918까지 722도엽의 1/50,000 지형도 완성. • 일본의 동경원점 (동경의 국토지리원 구내) 사용. • 1985년 12월 경기도 수원의 국토지리원 구내에 독자적 원점 (아직 상징적). • 1997년부터 전국 20개 GPS 상시관측소 설치 추진. • 현재 우리나라 지도좌표계: 준거타원체는 Bessel 지구타원체, 데이텀은 Tokyo Datum • 우리나라 평면 직각좌표계: 국가 기본도는 TM 좌표계, 군사용지도는 UTM 좌표계. • 현재 ‘베셀 타원체와 도쿄 데이텀’에서 ‘GRS80 준거타원체와 지구중심 데이텀’으로 전환중 (2003년 1월 1일부터 혼용, 2007년 1월 1일부터는 GRS80).

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.

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 (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.

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 (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.

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 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)

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 (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.

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 (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.

지구정보학개론및실습, 강원대학교 지구물리학과 이훈열 교수 (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.

제 3 장 지도의 이해와 지리좌표체계

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