GPS활용법 3 - 좌표가 뭐죠?

GPS활용법 3 - 좌표가 뭐죠?

 

 

GPS 활용폭을 넓히기 위한 정보 좌표계, 측지계, 방위

일상생활에서 어떤 위치를 말할 때 흔히 주소를 이용한다. 하지만 깊은 산속이나 드넓은 바다 또는 사막 한가운데 있을 때 자신의 위치를 어떻게 말하면 좋을까? 바로 이 때 필요한 것이 좌표이다.

좌표는 지구상 어디든 그 위치를 알파벳, 숫자, 기호 등을 통해 표현할 수 있는 일종의 전 지구 주소체계라 할 수 있다.

휴대용 GPS 단말기(이하 휴대용 GPS)를 사용하는 곳이 주로 산, 들, 바다, 사막 등과 같이 도시문화권 밖이므로 휴대용 GPS에는 지도화면 외에 별도로 현 위치의 좌표값을 보여주는 화면이 있다(그림 1)

 

 

 

휴대용 GPS에 전자지도가 보편적으로 사용된다 하더라도 휴대용 GPS 사용자라면 기본적으로 휴대용 GPS에 나타나는 좌표값을 통해 종이지도상에서 현 위치를 찾을 수 있고, 종이지도상의 특정 지점에 대한 좌표값을 구할 수 있어야 활용폭을 넓힐 수 있으며, 전 세계 어디든 위치 좌표를 음성으로 표현하거나 문자로 기록할 수 있어야 위치정보의 전달이 용이하므로 좌표에 대한 이해가 필요하다.

지금부터 설명할 좌표계와 측지계 및 방위는 측지학의 기본 이론으로 다소 지루하고 어려울 수 있으나 이를 제대로 공부한다면 좌표를 잘못 활용하여 낭패 보는 일이 없을 것이다.

만약 산행시 사고를 당하거나 목격하여 휴대폰으로 구조대에 도움을 용청해야 한다면 자신의 위치를 어떤 GPS 좌표로 알려주어야 할 것인가? 그 때는 세계측지계(WGS84)의 경위도 좌표계, 도/분/초 포맷으로 자신의 위치를 알려야 한다. 자, 그럼 지금부터 이것이 무슨 소리인지 자세히 알아보도록 하자.

 

■ 좌표계(Coordnate System)

지도에 사용되는 좌표계는 경위도 좌표계와 평면직각좌표계로 나눌 수 있는데 경위도 좌표계는 전 세계에서 어디에서나 사용되는 공통의 좌표계인 반면 평면직각좌표계는 국가별 또는 지역별로 각각 제정하여 사용하는 국지적인 좌표계이다. 그러므로 지도상에서 경위도 좌표계를 제외한 다른 모든 좌표계는 평면직각좌표계라고 보면 된다.

경위도 좌표계는 위도와 경도로써 그 위치를 표현한다.

위도란 지구중심에서 적도 방향을 기준으로 남북방향의 각도로 특정 위치를 표현한 것이며, 적도를 기준으로 북쪽 지역은 북반구의 위도값이라 하여 북위(N), 남쪽 지역은 남반구 위도값이라 하여 남위(S)라고 한다. 그러므로 적도의 위도값은 0°가 되고, 북극점의 위도값은 N90°가 되고, 남극점의 위도값는 S90°가 된다(그림2).

같은 위도값을 가지는 지점들을 연결한 선을 위도선이라 하며, 이는 지도상에서 동서방향으로 그어지게 된다. 일정 각도 간격의 위도선들은 전 세계 어디서나 대체적으로 비슷한 폭을 가진다(그림3).

경도란 지구중심에서 영국의 그리니치 천문대 방향을 기준으로 동서방향의 각도로 특정 위치를 표현한 것이며, 그리니치 천문대를 기준으로 동쪽 지역은 동반구의 경도값이라 하여 동경(E)이라 하고, 서쪽 지역은 서반구의 경도값이라 하여 서경(W)이라고 한다. 그러므로 그리니치 천문대의 경도값은 0°가 되고, 그리니치 천문대의 지구 반대편 경도값은 180°가 된다(그림 4).

같은 경도값을 가지는 지점들을 연결한 선을 경도선 또는 자오선이라 하며, 이는 지도상에서 남북방향으로 그어지게 된다.

일정 각도 간격의 경도선들은 적도에서 가장 넓은 폭을 가지고 북극점과 남극점에 가까울수록 그 폭이 좁아지다가 북극점과 남극점에서는 모두 모이게 된다(그림 5)

 

 

 

경위도 좌표계에서는 위치를 보다 정밀하게 나타내기 위해 각도를 좀 더 세밀하게 나누고 있다. 위도와 경도의 1° 각도를 60등분하여 각각을 1분(′)이라 하고, 1분의 각도를 다시 60등분하여 각각을 1초(″)라 한다. 이런 식으로 관악산 정상의 경위도 좌표값을 정밀하게 나타내 보면 다음과 같다. N37°26′43.1″  E126°57′51.1″.

이렇게 경위도 좌표값을 반구(Hemisphere), 도(Degree), 분(Minute), 초(Second) 단위로 나타낸 것을 도/분/초 포맷이라 한다. 이를 휴대용 GPS에서는 DEG/MIN/SEC 또는 hddd° mm′ ss.s″로 표시하고 있다.

위의 관악산 좌표값에서 초 단위의 값을 분 단위의 소수값으로 환산하여 다음과 같이 나타낸 것을 도/분 포맷이라 하고, 이를 휴대용 GPS에서는 DEG/MIN.MMM 또는 hddd° mm.mmm′로 표기한다.

다시 관악산 좌표값 N37°26.718′  E126°57.852′에서 분 단위의 갑을 도 단위의 소수값으로 환산하여 다음과 같이 나타낸 것을 도 포맷이라 하고, 이를 휴대용 GPS에서는 DEG.DDDDD 또는 hddd.ddddd°로 표기한다.

지구는 3차원의 형상을 가지고 있지만 지도는 이 3차원의 형상을 2차원의 평면으로 옮긴 것이다.

지도를 만들기 위해서 가상으로 지구를 면으로 둘러싼 후, 지구 내부에서 빛을 비추어 지표를 면에 투영하는데 이를 투영법(Projection)이라 한다(그림 6).

 

 

 

실제 지구는 원이라기보다 타원체에 가깝지만 그 모양이 불규칙적이다. 그러므로 투영의 편의를 위해 지구의 크기 및 모양과 가장 흡사한 타원체 모델을 실제 지구로 가정하여 투영을 하는데 이를 지구 타원체(이하 타원체)라 한다.

타원체상의 경위도 좌표계를 면에 투영하게 되면 직선이 아닌 곡선으로 표현된다(그림 7).

지도상에서 곡선의 좌표계는 활용하기 불편하므로 투영된 지도상에 별도로 직각의 격자를 만들어 좌표계로 사용한다.

이것이 바로 평면직각좌표계인데 대표적으로 UTM좌표계, 군사좌표계(MGRS), 우리나라의 TM좌표계 등이 있다(그림 8).

지도에서 경위도 좌표계의 경도선을 따라 위쪽 방향으로 계속 진행하면 결국 북극점에 이르게 되므로 경도선의 위쪽 방향은 지리상의 북쪽, 즉 진북(True North)이라 한다.

그리고 지도에서 평면직각좌표계 세로선의 위쪽 방향을 도북(Grid North)이라 한다.

위 그림에서 보듯 지도상의 각 지역별로 진북과 도북의 방향차이(도편각)이 다른 것을 알 수 있다. 규격화 된 도엽의 종이지도들은 보통 위도선과 경도선을 도곽으로 분할되기 때문에 모든 도엽의 위쪽이 진북이 되며, 도엽별로 도북의 기울기는 각기 다르게 나타난다(그림 9).

아래 지도는 횡단 머케이터 투영법을 통해 작성된 것으로 북반구의 경우 가운데의 중심 자오선 부근 도엽에서는 진북과 도북의 방향이 일치하지만 서쪽 지역의 도엽에서는 수직의 진북에 대해 도북이 좌로 기울며, 동쪽 지역의 도엽에서는 수직의 진북에 대해 도북이 우로 기울게 된다(그림 10)

 

 

 

휴대용 GPS를 종이지도와 함께 활용하거나 휴대용 GPS에 좌표값으로 지점입력을 할 때는 먼저 해당 좌표계를 파악하여 휴대용 GPS의 좌표계 설정을 동일하게 조정해 주어야 한다.

 

 ■ 측지계(Map Datum)

미국이 제2차 세계대전 때 전쟁을 위해 세계 각 지역의 지도를 수집하였는데 인접한 두 나라의 지도에서 같은 산봉우리의 경위도 좌표값이 서로 다른 경우가 많았다. 이런 문제들을 분석하는 과정에서 '측지계'란 개념이 필요하게 되었다.

한 지점에 대해 두 나라 지도의 경위도 좌표값이 다르게 나오는 것은 각 나라별로 서로 다른 타원체를 기준으로 좌표값을 산출했기 때문이며 실제 지구에 대한 타원체의 위치와 자세도 달랐기 때문이다(그림 11-아래 참조).

이렇게 지도 좌표값의 산출근거가 되는 타원체의 재원과 위치 및 자세값을 통틀어 측지계라 한다.

우리나라에서는 근대적인 측량의 역사가 1910년대 일제시대 때부터 일본에 의해 시작되었기 때문에 베셀(Bessel) 1841 타원체를 바탕으로 하는 일본의 측지계를 그대로 사용해 지도를 제작했다.

이 측지계를 동경측지계 또는 한국측지계라 하고 휴대용 GPS의 측지계 설정에서는 도쿄(Tokyo)로 표기되어 있다.

과거에는 측량 기술의 한계로 인하여 지도 제작이 국지적으로 이루어졌기 때문에 각 나라마다 사용하는 타원체가 달랐지만

현대에는 지도 제작이 전 세계를 대상으로 이루어지며 방식도 통합되는 추세이기에 세계 공통의 기준 타원체가 필요했다.

또 타원체의 중심(원점)도 약속된 한 곳에 한 자세로 위치시킬 필요가 있었다.

현재 세계 공통의 기준 타원체로는 서로 동일한 재원을 가지는 WGS84와 GRS80이 있는데 이들은 모두 같은 자세로 지그의 질량중심에 타원체의 중심이 위치한다.

WGS84(World Geodetic System 1984)는 미국 국방성을 지원하고 있는 미 영상지도국(NIMA)의 전신인 미 국방지도국(DMA)에서 군사적인 목적으로 구축한 타원체로 GPS 수신기에서 출력되는 경위도 좌표값이 바로 이 타원체를 바탕으로 한 값이다.

GRS80(Geodetic Reference System 1980)은 국제측지학협회(IAG)와 국제측지학 및 지구물리학연합(IUGG)이 1979년에 채택한 민간 분야의 기준 타원체다. 이렇게 WGS84 타원체 또는 GRS80 타원체를 바탕으로 하는 측지계를 세계측지계라 하며, 휴대용 GPS의 측지계 설정에서는 WGS84로 표기되어 있다.

우리나라에서도 국제적인 흐름에 맞추어 해도(국립해양조사원)와 군사지도(육군지형정보단)의 측지계는 이미 수년전에 세계측지계로 전환되었으며 국토지리정보원에서도 2007년부터는 세계측지계의 좌표값만 사용하도록 하고 있다.

국토지리정보원의 지형도 하단에 '세계측지계' 라고 표기된 것은 세계측지계의 경위도 좌표계와 평면직각좌표계를 사용하는 뜻이다.

우리나라의 측지계가 한국측지계에서 세계측지계로 전환됨에 따라 숙지해야 할 점은 측지계에 따라 어느 한 지점의 좌표값이 달라진다는 것이다.

한 예로 관악산 정상의 좌표값을 한국측지계 경위도 좌표값으로 표현할 경우 N37°26′33.0″  E126°57′58.7″이지만 세계측지계 경위도로 표현할 경우 N37°26′43.1″  E126°57′51.1″가 된다.

또한 같은 경위도의 좌표값이라도 측지계에 따라 그 위치가 다르다.

예로 한국측지계 경위도 좌표값으로 N37°00′00″  E127°00′00″가 되는 지점과 세계측지계의 경위도 좌표값으로 N37°00′00″  E127°00′00″가 되는 지점은 좌표값이 서로 동일하지만 367m 떨어져 있다.

따라서 우리나라 지도의 측지계가 세계측지계로 완전히 전환될 때까지는 좌표값을 표시할 때 아래와 같이 그 좌표값의 측지계를 함께 표기하여 활용에 오차가 없도록 주의해야 한다. 관악산:N37°26′33.0″  E126°57′58.7″/Tokyo 또는 N37°26′43.1″  E126°57′51.1″/WGS84.

또 휴대용 GPS를 종이지도와 함께 활용하거나 휴대용 GPS에 좌표값으로 지점입력을 할 때에는 먼저 해당 측지계를 파악하여 휴대용 GPS의 측지계 설정을 동일하게 조정해 주어야 한다.

 

■ 방위(Azimuth)

일상생활에서 방향을 나타낼 때 동서남북이라는 명사를 주로 사용하지만 독도법이나 항법에서는 방위각을 많이 사용한다.

방위각이란 방위에 각도의 개념을 도입한 것으로 북쪽을 기준으로 하여 시계방향으로 각도를 부여하는 것이다.

일반적으로 각도의 단위는 도(°)를 사용하므로 동쪽의 방위각은 90°가 되고, 남쪽의 방위각은 180°가 되고, 서쪽의 방위각은 270°가 되고, 북쪽의 방위각은 0° 또는 360°가 된다.

그런데 방위각의 기준이 되는 북방위는 하나가 아니라 세 개로 나뉘어진다.

앞에서 설명했던 진북과 도북 외에 나침반의 자침이 가리키는 자북(Magnetic North)이 있다.

진북을 기준으로 한 방위각을 진북 방위각, 도북 기준이면 도북 방위각, 자북 기준이면 자북 방위각이며, 휴대용 GPS에서는 그 단위를 각각 °T, °G, °M으로 표시한다.

휴대용 GPS가 목적지의 방향을 위 세가지의 방위각 중 어떤 방위각으로 알려줄 것인지 설정할 수 있는데 일반적으로 야외에서 나침반을 이용해 자북 방위각의 방향을 손쉽게 찾을 수 있으므로 휴대용 GPS의 북방위 설정은 자북 방위각으로 하면 편리하다.

세가지 방위각 간의 방향 차이를 편차각이라 하는데 진북과 도북 사이의 각을 도편각, 진북과 자북 사이의 각을 자편각, 도북과 자북 사이의 각을 도자각이라 한다.

세가지의 북방위 중 시간이 지남에 따라 그 방향이 미세하게 변하는 것은 자북이다. 그러므로 자북은 최소한 5년 주기로 다시 측정하여 그 방향을 지도하단에 표시해야 하지만 현재 국토지리정보원 지형도에 표시된 자북방향은 1996년도에 측정한 값이다.

하지만 WMM(World Magnetic Model)이란 프로그램을 이용하면 특정 장소와 특정 시각의 정확한 자편각을 알 수 있다.

WMM은 미국 NGA(National Geospatial-Intelligence Agency)의 성과물이다. 미국의 NGDC(National Geophysical Date Center)와 영국의 BGS(British Geogical Suevey)는 미국의 NGA와 영국의 DGIA(Defence Geograrhic Imagery and Intelligence Agency)의 자금지원을 받아 WMM을 제작했다.

미국 국방부, 영국 국방부, 북대서양조약기구, 국제수로국에서의 항법과 자세/방향 분석 시스템에 WMM을 표준 모델을 사용한다.

이는 또한 민간의 항법 시스템에도 폭넓게 사용된다. WMM과 조합된 해당 소프트웨어 및 관련 문서는 NGA 산하의 NGDC에서 배포하고 있다.

WMM은 5년 간격으로 만들어지며 현재 사용되고 있는 WMM은 2009년 12월31일까지 사용가능하다. 2004년 12월에 발표된 현재 모델(WMM-2005)은 아래 주소에서 다운로드 할 수 있다.

   http://www.ngdc.noaa.gov/seg/WMM/DoDWMM.shtml

 

휴대용 GPS에도 이러한 WMM이 내장되어 있어 특정 장소와 특정 시각의 자편각을 스스로 인식하여 정확한 자북 방위각을 제시해 줄 수 있는 것이다.

일반적으로 지도하단에 세가지의 북방위가 표시되는데 별모양으로 표시되는 진북이 수직이 되고, 도북은 진북을 기준으로 도편각만큼 기울여 화살표로 그 방향을 표시하고 자북은 진북을 기준으로 자편각만큼 기울여 반쪽 화살표로 그 방향을 표시한다(그림 12)

선진국의 지형도나 군사지도를 보면 위 새가지 북방위가 지도하단에 제대로 표시되어 있지만 우리나라 국토지리정보원의 지형도나 등산지도를 보면 아래 그림과 같이 도북을 수직으로 잘못 표기하고 있어 진북과 자북의 방향도 덩달아 미세하게 왜곡되어 있다(그림 13).

 

그러므로 독도법에서 국토지리정보원 지형도의 하단에 표시된 자북방향을 그대로 연장하여 자북선으로 사용하는 것은 원칙상으로 잘못된 것이다.

그리고 흔히 지도에 자북선을 그릴 때 도자각을 바탕으로 그린다고 알고 있으나 이것은 지도에 평면직각좌표계가 그려져 있는 선진국의 지형도나 군사지도에만 해당된다.

평면직각좌표계의 세로선은 도북의 방향이므로 이 세로선을 기준으로 자북선을 그리기 위해서는 도자각이 필요하지만 국토지리정보원의 지형도에는 경위도 좌표계가 그려져 있으며 경도선은 진북의 방향이므로 이 경도선을 기준으로 자북선을 그리려면 자편각이 필요하다.

지금까지 독도법에서의 이러한 오류는 외국의 독도법과 군에서의 독도법이 어떠한 분석이나 여과없이 그대로 국토지리정보원의 지형도에 적용되었기 때문일 것이다.

필자는 어렵고 힘든 도시생활을 잠시 벗어나 자연의 품에 안길 수 있는 깊은 오지를 찾아다니기 위해 독도법과 휴대용 GPS를 공부하기 시작했다.

그러나 문명을 벗어나 보다 깊은 자연 속으로 들어가기 위해 어렵고 힘든 공부를 하고 인류 문명의 가장 위대한 발명품이라고 할 수 있는 GPS의 도움을 받는다는 것이 정말 아이러니한 일이 아닐 수 없다.

이제 어두운 산길을 홀로 산행할 때면 밝은 별빛보다 눈에 보이지 않는 GPS 위성의 전파가 더 위안이 되어 주며 밤하늘의 전파는 내 단말기로 들어와 그 안의 가상 세계에 세모꼴의 또 다른 내가 되어 길동무가 되어준다.

 

 글쓴이:남정권 GPS 사용자 모임 '길잡이'(http://www.gpser.net) 운영자. 지도기반 평면직각좌표계 및 좌표척 개발. 서울시교육청 학생교육원 천마산 등산교육장 및 퇴촌 야영장 GPS 오리엔티어링 지도 및 교재 제작, 국산 휴대용 GPS 단말기 '네비안' 개발 컨설팅. 순천청암대학교 GIS학과 GIS전문가 양성과정 GPS 강의, 코오롱등산학교 GPS 강의, 대산련 등산가이드 연수과정 GPS 강의.

 참고:월간<사람과산> 2007년 5월호