지구의 형상과 좌표계의 분류

1. 지구의 형상

1) 물리적 지표면(physical earth surface)

육지, 해양 등 자연 그대로의 지표면 상태로 형상이 복잡하여 수학적 계산의 기준으로는 곤란하고 그 형상을 수학적으로 표현하기 어려워, 측량작업은 물리적 지표면 상에서 이루집니다.

 

2) 지구탄원체(earth elipsoid)

지구는 남북, 즉 단축 주위로 회전된 탄원체 모양을 하고 있습니다. 부피와 모양이 실제 지구와 가장 가까운 회전 타원체를 지구의 형상으로 규정된 타원체를 지구타원체라 합니다. 지구타원체는 기하학적인 회전타원체이므로 수학적으로 정의되는 굴곡이 없는 매끈한 면으로 지구의 표면적, 지구반경, 삼각측량, 경위도 결정, 지도제작 등의 기준이 됩니다. 그러나 좁은 지역 내에서는 회전타원체를 구(球)로 간주할 수 있으며 따라서 측지 계산을 간편하게 할 수 있습니다.

측량의 결과를 가지고 지도를 제작할 경우 측량 지역의 지오이드에 가장 가까운 지구타원체를 선정해야 합니다. 이렇게 어느 지역의 대지측량 계의 기준이 되는 지구타원체를 준 거리 타원체(reference elipsoid)라고 합니다. 기준타원체는 긴반지름(a), 짧은반지름(b), 편평률(편평도;f), 편심율(이심률;e) 등으로 정의됩니다.

2-1) 국제타원체(international elipsoid)

지금까지 각기 다른 지구타원체를 사용해 옴으로써 전 세계적으로 일관된 측지측량 값을 사용하기가 곤란하므로 국제 측지학 지구물리학 연합(I.U.G.G.)에서 동일된 지구타원체 값을 사용하기 위하여 제정된 타원체입니다. 그러나 이제까지 사용하던 모든 측량 결과를 완전히 새로 수정하는 데는 막대한 시간과 비용이 소모되고 혼란이 따르기 때문에 각 나라는 관용적인 기준타원체 값을 사용하고 있습니다.

 

3) 지오이드(Geoid)

지구타원체는 지표의 기복과 지하 물질의 밀도 분포 및 구조 등의 영향을 무시한 것으로 실제 지구와 좀 더 가까운 모양을 결정할 필요가 있습니다. 지구타원체는 기하학적으로 정의된 데 비하여 지오이드는 중력장 이론에 의하여 물리적으로 정의된 것입니다. 정지된 평균 해수면(mean sea level)을 육지까지 연장한 지구 전체의 가상 전체의 곡면을 지오이드라 합니다. 일반적으로 정지하고 있는 수면은 어느 곳에서나 중력의 방향에 수직인 등포텐셜면(equipotential surface)을 이루고 있습니다. 따라서 지오이드는 지구의 평균 해수면에 일치하는 등 잠재력 면이라고 정의할 수 있습니다.

지오이드는 중력장에 직교하고 중력장의 방향을 지구 내부 밀도의 불균일성 때문에 장소에 따라 불규칙합니다. 이 때문에 지오이드는 물리적 지표면 정도는 아니지만 불규칙한 형상을 갖고 있습니다. 일반적으로 지오이드는 지구타원체를 기준으로 대륙에서는 높고 해양에서는 낮습니다.

 

* 지구타원체와 지오이드의 비교

- 지구타원체: 지오이드면 고르게 깎아서 메워서 만든 타원체 / 지구반경, 표면적, 체적, 편평도, 표준중력, 삼각측량, 위도, 경도

- 지오이드: 평균해수면을 가상 곡면, 실제 지구에 가깝고 항상 중간에 위치 / 해발고도 기준, 수준측량 기준

=> 지구타원체의 수직선과 지오이드의 수직선(중력선)이 반드시 일치하지 않습니다.

2. 좌표계(Coordinate System)

지구상(지표면, 지하, 해양, 공간) 제점의 위치를 해석하려면 우선 측량의 목적과 방법에 적합한 좌표계를 선택하고 일정한 기준면으로부터 거리, 방향 또는 각의 요소를 정확히 측량하여야 합니다. 위치란 어느 점에 있어서 다른 점들과의 기하학적인 상관관계를 갖는가를 의미하는 것으로, 일반적으로 그 계의 특징점 또는 특정 선으로부터의 길이와 방향을 매개로 하여 표현됩니다. 이때 어느 계의 기준이 되는 고유한 1점을 원점(origin), 매개되는 실수를 좌표(coordinate)라 합니다.

좌표에는 수학적인 정의에 따라 또는 자연과학이나 공학에서의 관용적인 좌표를 망라하여 1차원 좌표, 2차원 좌표, 3차원 좌표로 구별되나 여기서는 측량의 주 대상이 되는 지구 좌표계만을 다룹니다.

 

지구의 위치를 표시하기 위한 좌표계에는 평면좌표(평면직교좌표, 평면 극좌표, UTM 좌표), 수직 좌표(경위도 좌표, 구면 극좌표), 3차원 좌표 등이 사용됩니다. 이 중 지구상의 위치를 표시하는 데 주로 많이 이용되는 2차원, 3차원 좌표계를 다루어 봅니다.

 

1) 경위도 좌표계

지구상의 위치를 나타내는 데 가장 일반적으로 사용되는 좌표계를 측지좌표계라고도 합니다. 임의적인 위치는 측지위도, 측지경도 및 타원체도 또는 표고로 표시합니다.

가) 위도의 표현

자오선을 따라 적도에서 어느 점까지 관측한 각거리로 나타내며, 자오선에 내린 수선의 연장이 적도 면과 이루는 각입니다. 즉, 어느 지점에서 기준타원체에 내린 법선이 적도 면과 이루는 각으로, 남북쪽으로 0~90도로 표기하며 적도에서 북을 북위, 남쪽을 남위라 합니다.

 

2) WGS 좌표계

전 세계에 대하여 하나의 통일된 좌표계를 사용함으로써 정보의 교환과 이용을 보다 용이하게 할 목적으로 미국 국방성에서 1950년대 말에 개발하게 시작하여 여러 번의 갱신 과정을 거쳤습니다(WGS 1960->WGS 1966->WGS 1972->WGS 1984).

WGS 좌표계는 지구의 질량중심이 원점인 3차적 직교좌표체계로 원점은 지구의 질량중심입니다.