[Spatial analysis] 공간정보의 이해

오늘은 공간정보의 기본 개념에 대해 살펴보도록 하겠습니다. 

 

공간정보는 영어로는 Geographic Information System라고 하며 흔히 줄여서 GIS라고 부릅니다. 공간정보의 약80%는 위치정보를 가지고 있습니다.  개념을 간단히 말하면 위치정보와 그에 해당하는 속성정보를 통칭해서 공간정보라고 할 수 있겠네요. 구분하여 아래와 같이 정의할 수 있을 것 같습니다. 

• 도형정보정보와 속성정보를 모두 가지는 정보
• 도형정보 : 대상이 있는 위치를 말함 (측량, GPS, 항공사진, 위성영상 등으로 취득)
• 속성정보 : 대상이 가지고 있는 특성을 말함 (통계, 관측 데이터 등으로 취득)

 

위치의 개념

위치는 지구의 모형에 따라 정의됩니다. 우리가 흔히 알고 있듯이 지구는 타원형의 모양을 가지고 있죠. 위치정보는 이러한 한 타원체의 지구표면의 한 지점의 정보를 의미합니다. 그런데 아래 그림과 같이 지구의 표면은 여러 굴곡으로 이루어져 있습니다. 간단하게 육지와 해양으로 구분할 수 있는데, 우리가 형상화하는 지구 표면은 실제의 굴곡을 모두 다룰 수 없으므로 평균적인 값으로 대체됩니다. 이때 사용되는 개념이 지오이드이고, 이를 평균 패수면이라고 합니다. 

 

• 지오이드 :
- 평균해수면을 육지까지 연장했을 때 지구를 덮고 있는 평균해수면 

- 해양에서는 해수면과 높이가 같고, 육상에서는 대부분 땅속을 통과 

- 해양, 대륙의 복잡한 지형과 지각 내부구조 때문에 복잡한 모양을 띔

• 지구타원체 :
- 지구의 모양에 잘 맞게 표현한 수학적인 타원체 

- 복잡한 지오이드의 모양을 대신할 수 있고, 각종 좌표계산에 편리 

- 타원의 주 축(major axis)과 편평도를 통하여 정의 

- 나라마다 자국의 지오이드 모양에 가장 잘 맞는 지구타원체를 채용

• 지구타원체는 장반경(a)과 단반경(b)으로 정의되며 이를 통하여 여러 다른 요소들이 계산예) 편평률
• 타원체의 편평도 = a-b/a (a: 장축의 반지름, b: 단축의 반지름)
• 지구가 완벽하게 매끈한 타원체가 아니고 지표면이 울퉁불퉁한 굴곡이 있기 때문에 편평률은 측정하는 위치에 따라 차이가 있음

 

타원체의 개념

그러면 상식적으로 지오이드는 지역에 따라 차이가 발생할 수 밖에 없습니다. 따라서, 이러한 차이를 최소화해야 위치 정보에 대한 오류를 줄일 수 있습니다. 그래서 나타난 지구타원체와 지오이드의 차이를 최소화한 개념을 기준타원체 또는 준거타원체라고 합니다. 
• 기준타원체는 지역별로 다양한 기준타원체가 있으며 실제 국가마다 서로 다른 기준타원체를 사용
• 서로 다른 기준타원체를 사용하면서 발생하는 문제를 해소하기 위해 세계적으로 WGS84 타원체를 채택하고 있다.
• 한국과 관련된 타원체는 Bessel, GRS80, WGS84가 있다.

데이텀(datum)

이번에는 데이텀이라는 개념을 알아보겠습니다. 기준타원체가 결정되면 타원체에서의 기준을 정해야 하는데 기준타원체에서 위치 측정의 기준에 관한 정보가 데이텀입니다. 즉, 타원체가 정해지게되면 해당 지역에 가장 적합하도록 타원체의 위치 기준을 정하며, 이를 데이텀이라고 합니다. 데이텀의 구성 요소로는 참조 타원체(장축, 편평도 포함), 좌표체계의 기준점, 좌표체계의 방향, 투영법이 있습니다. 

 

지도 투영 (Map Projection)

우리가 보는 지구의 위치는 평면에 가깝습니다. 그러나 지구가 타원체로 이루어져 있으므로 평면의 정보를 담고 있는 위치가 타원체의 정보와 일치해야 합니다. 즉, 평면 형태의 지도로 표현하기 위해서는 지도 투영이 필요합니다. 지도를 투영하기 위해서는 예컨대, 투명한 지구본 안에 전구와 같은 빛을 내는 도구를 넣고, 가운데 빛을 지구본과 접해 있는 기하학 도구(평면, 원통, 원뿔) 쪽으로 비추어 투영시키는 것으로 이해하면 쉽습니다. 이를 보통 다음의 방법으로 이해합니다: 평면도법(flat-plane projection), 원통도법(cylindrical projection), 원추도법(conical projection). 모든 투영법은 4가지 공간 요소(모양, 면적, 거리 방향)와 관련하여 최소한 하나 또는 그 이상이 본질적으로 왜곡되어 표현될 수 밖에 없으며, 4가지를 모두 만족하는 지도 투영법은 존재하지 않습니다. 

 

원통투영

그러면 첫 번째로 원통투영에 대해 알아보겠습니다. 

원통투영은 메르카토르 도법과 횡축메르카토르도법으로 나뉩니다. 

• 메르카토르 도법(Mercator) 

- 네덜란드 지도학자 메르카토르에 의해 고안된 정각도법 

- 항해도로 많이 사용되며 경선과 위선이 직각 - 접선부분(적도)에서 왜곡이 적고 극지방에서 왜곡이 심함
• 횡축메르카토르 도법 (Transverse Mercator) 

- 원통을 90도 회전하여 투영하는 도법 

- 중앙자오선에서 멀어질수록 왜곡이 심해지므로 우리나라와 같이 남북으로 긴 나라에 적합한 도법 

- UTM(Universal Transverse Mercator) 도법의 기본이 되는 도법

 

원뿔투영

원뿔투영은 중간크기의 나라나 극지방과 같은 원형 모양을 띈 나라에 적합합니다. 

 

평면투영

지도는 접점부근에서 가장 적게 왜곡되고 전반적으로 왜곡됩니다. 이에 스위스와 같이 원형의 좁은 나라에 적합합니다. 

 

좌표체계 coordinate system

• 좌표계는 공간 상의 한 점의 위치를 나타내기 위해 정의된 일종의 틀
• 좌표체계는 지리좌표체계(geographic coordinate system)와투영좌표체계(projected coordinate system)로 구분
• 좌표계는 크게 3차원 좌표계와 평면직각좌표계로 나뉨
• 위치를 나타내는 가장 대표적인 방법은 평면에 서로 직각인 두 축을 x축과 y축을 중심으로 등간격으로 선들을 교차하는 좌표계를 만들어 지점의 위치를 (x, y)로 표현하는 방법
• Cartesian coordinate system (데카르트 좌표체계 / 직교 좌표계)

3차원 좌표계

• 경위도 좌표계: 지구의 절대위치를 나타내는데 가장 많이 사용되는 좌표
• 지구 중심과 지표면의 지점을 연결하는 선의 각도로서 경도는 동서방향, 위도는 남북방향으로 측정
• 경도 : 본초자오선을 기준으로 동서로 각각 180도로 나누어 동경, 서경으로 표현 
• 위도 : 적도를 기준으로 남북으로 90도로 나누어 남위, 북위로 표현

 

• XYZ 좌표계 : 지구의 중심을 원점으로 XYZ축을 각각 정의하고 점의 위치를 표현. 이때 좌표계는 지구 중심이 원점이고 지구에 묶여있다는 의미에서(ECEF, Earth-Centered Earth-Fixed )라 부름
• WGS84 좌표계: 각국의 지오이드에 가장 잘 맞는 국지(local) 타원체와 달리 지구를 총괄하는 통일된 타원체. GPS 위성에서 사용됨. 원점은 지구 중심, X축은 본초자오선과 적도와의 교점 방향, Z축은 지구의 자전축 방향, Y축은 XY축에 직각되는 방향으로 정의

평면 직각좌표계 (투영좌표체계. 지구의 구면을 평면 형태로 표현한 것)

TM 좌표계(우리나라의 좌표계)

• 우리나라와 영국, 칠레와 같은 나라는 남북방향으로 길기 때문에 남북방향으로 투영오차가 작고 동서방향 으로 투영오차가 큰 TM 투영법을 채택
• TM 투영은 횡단원통등각투영법

 

UTM(Universe Transverse Mercator) 

• 각국이 다른 좌표계를 사용하는데 따른 불편을 해소하고자 만든 통일된 직교좌표계
• 경도 180°W~174°W를 1번 구간으로 하여 동서방향으로 6°간격으로 60등분
• 적도를 기준으로 위도 8°씩 남북방향으로 각각 10등분
• 각 구간의 중앙자오선이 X축, 적도를 Y축, 교점을 원점으로 한다
• 북반구에서는 동서방향으로 +500,000m 남반구에서는 동서방향으로 +500,000, 남북방향으로 +1,000,000을 한 가원점을 사용
• 중앙자오선의 축척계수는 0.9996이고 중앙자오선에서 동서 180km인 지역에서 축척계수가 1, 좌표대의 경계에서는 약 1.0010이 된다 • 우리나라는 51,52종대 및 S,T횡대에 속함

 

세계 측지계

• 전 세계 공통으로 이용할 수 있는 측지 기준
• 측지기준계는 측량의 기준이 되는 타원체와 좌표계의 조합으로 현재 세계 측지계는 GRS80 타원체와 ITRF2000 좌표계를 주로 사용
• 세계 측지계는 구축방법에 따라 ITRF계 외에도 WGS계, PZ계 등이 있음
• ITRF계는 IERS(국제 지구 자전 관측국)에서 구축한 3차원 직교 좌표계로 정밀도가 높고 다수의 국가에서 사용
• WGS계는 미국 국방성에서 GPS를 활용하기 위해 구축
• 최근 GPS의 민간 개방과 보급 확대, 구글과 같은 다국적 기업에서의 채택 등으로 WGS계의 사용이 확대되고 있음
• PZ계는 러시아의 GPS인 GLONASS를 활용하기 위한 측지계