동경좌표계와 WGS-84좌표계GPS 차이점

[★해피수원]

간단히 말씀을 드리면 동경좌표계는 우리나라가 일제강점기에 만들어진 좌표계로 현재 사용되고 있는 GPS용 세계지도좌표계가 만들어지기 이전에 것을 그대로 사용하는 것이고, WGS-84의 경우는 미국에서 군사용으로 GPS 시스템를 이용하면서 만든 좌표계입니다.

지도제작을 하기 위해서는 지구를 일정한 기준하에 두어야 하는데, 정확히 지구는 완벽한 원형이거나 완벽한 타원형이 아닙니다.  실제로는 아주 불규칙적으로 울퉁불퉁한 표면을 가지고 있는데 이를 수학적으로 완벽히 구현하기에는 많은 무리가 따릅니다. 따라서 수학적으로 쉽게 계산하기 위해서 여러학자들은 여러가지 방법에 의해 지구와 유사한 타원체(지오이드, Geoid)를 만들게 되었습니다.
하지만 지구가 일률적으로 요철을 가지고 있는 것이 아니라서 각각의 계산방법(중력에 기원하여) 타원체(지오이드, Geoid)를 채용하게 됩니다.
이 타원체를 지오이드(Geoid)라고 합니다.

통상 지도의 대부분의 좌표체계의 차이는 이 지오이드(Geoid)를 어떤 방법으로 정하는지에서부터 출발합니다.

예를 들면 현재 우리나라는 1841년에 만들어진 베셀(Bessel)타원체(동경좌표계, Tokyo Datum)을 사용하며 요즘 많이 사용되는 GPS는 미 국방성이 1984년에 채택한 GPS용 타원체(WGS84의 기준이 되는 타원체)를 사용하고 있습니다.

그리고 이 타원체는 삼차원 좌표나 경위도 좌표등으로 좌표를 나타내게 됩니다.
하지만 이는 타원체상에서 3차원 좌표(곡면)이므로 우리가 보는 2차원 지도상의 좌표(평면)과는 틀리게 됩니다.

그래서 평면과 곡면이므로, 이 타원체상의 좌표들을 평면으로 나타내기 위해 또다시 투영이라는 것을 거치게 됩니다. 이 투영에서 또다시 여러 지도체계가 세분화됩니다.

투영법(도법)이라고 불리는 이 방법들에도 각 나라와 사용용도에 따라 도법들이 매우 많습니다.

예를 들면 앞서말한 우리나라가 사용하는 베셀타원체의 투영법은 TM도법을 사용합니다.

따라서 베셀타원체를 TM좌표 또는 TM도법이라고 합니다.

그리고 WGS84타원체의 경우는 UTM도법을 사용하여 투영합니다.

UTM도 TM과 같은 방법으로 투영계산을 거치지만 그 상수가 다를 뿐입니다.

현재 우리나라는 TM(Bessel 타원체, Tokyo Datum)과 UTM(WGS84, GPS용 좌표계)를 모두 사용하고 있습니다. 그래서 TM과 UTM을 간략히 비교를 하면...

1. TM(Transverse Meractor) - 횡단원통등각투영법

우리나라의 경우 평면직각 좌표계인 TM(Transverse Meractor) 좌표계를 국가기본도의 기본체계로 하고 있으며, 군사지도의 경우 부분적으로 UTM(Universal Transverse Mercator) 좌표계를 사용하고 있습니다.
국가기본도의 경우 Bessel 1841 타원체를 기본타원체로 적용하고 있고, 좌표의 수평 기준원점은 경도 방향의 위치에 따라 124도, 126도, 128도 경도선을 기준으로 서부, 중부, 동부원점의 3가지를 혼용하고 있습니다.

고도 기준원점의 경우 검조장에서 다년간 조석 관측한 결과를 평균조정한 평균해수면(MSL, Mean sea level)을 사용하고 있는데, 이 평균해수면은 일종의 가상면으로 수준 측량에 직접 사용할 수 없으므로 그 위치를 지상에 연결하여 영구 표석을 설치한 후 수준원점(OBM, Original bench mark)으로 삼고 이것으로부터 전국의 주요 국도를 따라 수준망을 형성하였습니다. 현재 사용하고 있는 우리나라의 수준원점은 인하공업전문대학 교정 내에 설치되어 있으며, 인천만의 평균 해면상으로부터 26.6871m 위에 존재합니다.
아래표에서 우리나라 국가기본 좌표체계에 대한 구성요소들을 정리하여 나타내었습니다.

좌표계		TM (Transverse Mercator)
지구타원체		Bessel 1841
Datum		Tokyo
수평기준원점	서부원점 경도	  125o 00' 10.405", 위도 38o 00' 00"
	중부원점 경도	127o 00' 10.405", 위도 38o 00' 00"
	동부원점 경도	129o 00' 10.405", 위도 38o 00' 00"
수준기준원점		인하공업전문대학 내 설치 (해발 26.6871m)
X 방향 가상 좌표		200,000 m
Y 방향 가상 좌표		500,000 m

< 우리나라의 국가기본 좌표체계 >

 

 

TM 좌표계는 지도상에 표시된 숫자와 숫자간격이 1,000 m 이며 좌표계에서 표현하는 숫자는 1단위가 1m 이므로 도분초 방식보다 훨씬 쉽게 이해하실 수 있습니다.

 

TM 좌표계의 측정 원점은 북위 38도 동경 125도 , 북위 38도 동경127도 , 38도 동경129도 세지점을 원점으로 계산을 하고 있습니다.

 

예를 들어, 천왕봉의 경우를 보면 중부원점으로 부터 동쪽으로 (266396m-200,000- 66,396m) , 북위 38도선으로 부터 남쪽으로 (500,000 - 204410 = 295,590m) 떨어져 있다고 이해하시면 됩니다.

2. UTM 좌표계 (Universal Transverse Mercator)

지리좌표는 넓은 지역의 좌표 체계로서 적합합니다. 

지리좌표는 거리와 방위를 도, 분, 초 단위로 측정하는 데 초 단위까지 측정하는 경우는 흔치 않으며 그 계산도 번거롭기 때문입니다. 따라서 아주 좁은 지역에서의 위치 표현 방법으로서는 적합하지 못하므로 이를 보완하기 위해 고안된 것이 직각 좌표계입니다.

직각 좌표는 평면 위에 임의의 점을 시발점으로 하여 그 점으로부터 XY 축으로 수직, 수평선을 긋고 각 축에 평행하게 격자망을 구성합니다. 선 간의 간격은 요구되는 정밀도에 따라 임의로 지정하며, 어떤 지점의 위치는 시발점으로 하여 XY축의 값으로 나타냅니다. 어떤 지점의 평면 좌표를 읽을 때에는 동으로 X, 북으로 Y와 같이 X값을 먼저 읽습니다.

이와 같은 직각 좌표계 중에서 전 지구적으로 사용할 수 있도록 정의된 것이 바로 UTM 좌표계입니다. UTM 좌표계는 횡단 Mercator 투영법을 사용하는 좌표계 중의 하나로서 전 세계를 경도 6° 간격의 영역으로 나누고, 이들 각각의 영역에 대해 별도의 원점과 축을 지정하여 좌표를 Meter 단위로 나타내는 것입니다. 이들 UTM Zone 번호는 서경 180°를 기준으로 경도 6°간격씩 동쪽으로 이동하며 순차적으로 증가합니다.

UTM 좌표계에서 기준 원점의 위치는 각 UTM Zone의 중심경도선과 적도가 만나는 위치이며, 이 점을 기준으로 경도 방향을 X축, 위도 방향을 Y축으로 설정합니다. 우리나라의 경우 52번째 Zone에 위치하며, 이 지역의 기준 원점인 경도 129°, 위도 0°를 UTM 좌표계의 원점으로 사용합니다.

UTM 좌표계와 같이 Meter 단위의 좌표를 사용하는 경우 기준원점의 위치에 따라 음의 부호를 갖는 좌표가 나타나게 되는데 일반적으로 이러한 현상을 없애기 위해 각 축의 방향으로 가상의 좌표를 더해 주게 됩니다. UTM 좌표계의 경우 X축으로 500,000m의 값을 더하여 실제 좌표를 나타내며, Y축 방향으로는 남반구의 경우에 한해 10,000,000m의 값을 더해 주게 됩니다.

이를 간략하게 정리하면...

- 서경 180°를 기준으로 동쪽으로 6° 간격으로 Zone을 지정한다.
- 각 Zone은 경우에 따라 위도 방향으로 8° 간격을 갖는 별도의 영역으로 세분화될 수  있으며, 가장 남쪽부터 C에서 X까지 I, J를 제외한 20개의 Index가 부여된다.
- 각 Zone은 중앙자오선을 가지고 있으며, 이 선과 적도와의 교차점을 각 Zone의 좌표 원점으로 사용한다.
-  Easting(E)은 중앙자오선으로부터 측정하며, "+"의 값을 갖기 위하여 500㎞를 가원점으로 사용한다. 
-  Northing(N)은 적도로부터 측정하며, 적도로부터 남쪽의 위치를 위하여 10,000㎞를 가원점으로 사용한다.
- 남위 80°와 북위 84° 사이에서만 지정되며, 이 이외의 지역에 대해서는 오차의 증가로 인해   UTM 좌표계를 사용하기 어렵다.

하지만, 이 모든 것을 이해하기 위해서는 세계측지계(세계에서 공통으로 통용되는 지도좌표계)에 대한 이해가 선행되어야 합니다.

아래의 글은 국토지리정보원(구 국립지리원)에서 발췌한 글입니다.

동경좌표계와  WGS-84에 대한 내용은 물론이거니와 ITRF 와 GRS-80에 대해서도 설명을 하고 있습니다.

1. 세계 측지계란 무엇인가?
세계 측지계란, 세계에서 공통에 이용할 수 있는 위치의 기준을 말합니다.
측량의 분야에서는, 지구상에서의 위치를 경위도에서 나타내기 위한 기준이 되는 좌표계 및 지구의 형상을 나타내는 타원체를 총칭해 측지 기준계라고 합니다. 즉, 세계 측지계는 세계 공통이 되는 측지 기준계를 말합니다.
세계 측지계라는 말이 「세계 공통인 것」에 중점을 둔 표기인데 대해, 지구 중심계라는 말은 「좌표계의 원점을 지구 중심점」으로 중점을 둔 표현입니다.
개정된 측량법에서는 세계 측지계를 다음과 같이 정의하고 있습니다.

세계 측지계란, 지구를 편평한 회전 타원체라고 상정해 실시하는 위치측정의 기준으로서 다음 각 호의 요건을 갖춘 것을 말한다.

① 회전타원체의 장반경 및 편평율은 다음과 같을 것
   가. 장반경 : 6,378,137미터
   나. 편평율 : 1/298.257222101
② 회전타원체의 중심이 지구의 질량중심과 일치할 것.
③ 단 축이, 지구의 자전축과 일치할 것.

지금까지, 각국의 측지 기준계가 측량 기술의 제약등으로부터 역사적으로 주로 자국만을 대상으로 해 구축된 것인데 비해, 세계 측지계는 세계 각국에서 공통으로 이용할 수 있는 것을 목적으로 구축된 것입니다. 세계 측지계에서는 지구를 가장 잘 나타내고 있는 타원체(준거 타원체)로 지구상의 위치(경도, 위도 및 평균 해면으로부터의 높이)를 나타냅니다. 또, 이 대신에 지구 중심을 원점으로 하는 3차원 직교좌표계를 이용해 나타낼 수도 있습니다.

세계 측지계인 ITRF2000 좌표계(International Terrestrial Reference Frame：국제 지구 기준 좌표계)와 GRS80(Geodetic Reference System 1980：측지 기준계 1980)의 타원체를 사용해 나타냅니다. 표고에 대해서는, 현재와 같게 인천만 평균 해면을 기준해서 나타냅니다.
세계측지계의 수평 위치의 산출은, 우주 측지 기술을 구사한 VLBI나 GPS를 이용한 GPS상시관측소의 관측치에 근거해, 전국의 삼각점을 새롭게 계산을 실시해 계산합니다.
 
1-2. 세계 측지계는 단일한 것인가?
개념적으로 볼때 세계 측지계는 세계 유일의 것이지만, 국가 마다 채용하는 시기(epoch)와 구축기법 및 구현정확도에 따라 다릅니다. 구축기법에 따라 대표적인 것은 ITRF계, WGS계, PZ계의 3 종류 있습니다.

ITRF계는 우리 나라를 비롯해 많은 국가가 육지부에 채용하고 있습니다. WGS계는 미국방성의 체계로서 주로 선박이 채용하고 있으며, PZ계는 러시아가 채용하고 있습니다.
 
1-3. ITRF계와 WGS84 계는?
ITRF계(International Terrestrial Reference Frame：국제 지구 기준 좌표계)란, IERS(국제 지구 회전 관측 사업)라고 하는 국제적인 학술 기관이 구축하고 있는 3 차원 직교좌표계입니다. 이 좌표계는 지구의 질량중심에 원점을 두고 X축을 그리니지 자오선과 적도와의 교점의 방향으로 Y축을 동경 90도의 방향에 Z축을 북극의 방향으로 공간상의 위치를 X, Y, Z의 숫자의 셋트로 표현합니다.
 
ITRF계는 국제협력으로 구축되고 있으며 고정밀도로서 민간분야에서 구축한 것이므로 개방적입니다. WGS84(World Geodetic System 1984)는 미국이 구축, 유지하고 있는 세계측지계입니다. GPS 는 원래 군사용으로 개발되었기 때문에 WGS 계로 운용되고 있습니다. WGS84는 지금까지 몇 번의 개정을 하여 ITRF계에 접근하고 있고 현재는 거의 동일한 것이라고 말할 수 있습니다. 따라서 ITRF계는 정밀한 WGS84(precise WGS)라고 할 수 있습니다.

개정된 측량법에서는, 위치의 표시에 지구중심 직교좌표를 이용할 수 있는 것이 새롭게 규정되었습니다. 이 지구중심 직교좌표계로서 구체적으로는 2000년에 있어서의 지구 상태에 근거해 규정된 ITRF계의 좌표계인 ITRF2000 좌표계를 사용해 위치를 표시하는 것으로 하고 있습니다. 

1-4. GRS80 이란?
GRS80(Geodetic Reference System 1980：측지기준계 1980)는, IAG(International Association of Geodesy：국제측지학협회) 및 IUGG(International Union of Geodesy and Geophysics：국제측지학 및 지구물리학연합)가 1979년에 채택한 것으로, 지구의 형상, 중력 정수, 각속도등 지구의 물리학적인 정수 및 계산식으로부터 됩니다.

GRS80 에서는, 타원체의 형상이나 축의 방향 및 지구 중심을 타원체의 원점으로 정해져 있습니다. 이 타원체를 GRS80 타원체라고 하고, 현재 지구를 가장 잘 나타내고 있는 타원체로서 넓게 이용되고 있습니다. 그러나 GRS80타원체는 좌표계에 관해서는 명확하게 결정되어 있지 않습니다.

WGS84 계에서는 물리정수, WGS84타원체와 좌표계가 모두 정의되어 있습니다. 또한 타원체로서의 GRS80과 WGS84와의 차이는 단반경이 약 0.1mm 다를 뿐이므로 실용적으로 동일한 것으로 취급하여 계산할 수 있습니다.

1-5. 한국측지계 2002는 무엇을 의미하는가?
개념적으로 볼때 세계 측지계는 세계 유일의 것이지만, 국가 마다 채용하는 시기(epoch)와 구축기법 및 구현정확도에 따라 다릅니다 따라서 장래 모든 국가에서 세계측지계를 채용할지라도 보다 높은 정확도의 측지기준계가 필요하거나 지각변동이 무시할 수 없을 정도로 누적된 경우에는 각국의 측지기준계를 비교하거나 또는 국가의 측지기준계를 재구축해야 합니다. 이 때문에 측지기준계에서는 구축된 지역과 기준시점마다 다른 명칭이 붙여져 있습니다.

한국측지계2002(Korea Geodetic Datum 2002 : KGD2002)란, 세계측지계 중 우리나라가 구축한 부분의 명칭을 말하며 우리 나라의 측지기준계라는 것과 기준시점을 2002년 1월1일(epoch 2002.0)로 하여 2천년대 초에 구축된 것을 의미합니다.
한국측지계2002에서 경도?위도는 세계측지계인 ITRF2000좌표계와 GRS80타원체를 사용해서 나타냅니다. 세계측지계에 근거한 우리나라의 측지기준점(위성측지기준점, 삼각점)의 성과를 한국측지계2002성과라고 하며 이는 종래의 동경측지계에 근거한 성과와 구별하기 위한 호칭입니다. 한국측지계2002성과의 수평위치는 VLBI나 GPS를 이용한 경위도원점 또는 위성측지기준점을 기준으로 전국의 삼각점에 대하여 새롭게 조정계산을 하여 구했습니다.
한국측지계2002에서 표고는 현재와 같이 인천만 평균해면을 기준으로 나타내므로 변경하지 않습니다.

1-6. 동경측지계란?
동경측지계는 우리나라에서 1910년대 토지조사사업에서 지형도와 지적도작성을 위해 채택된 측지계이며 당시 일본의 것을 그대로 연결하여 사용하였고 측량법에 세계측지계가 적용되기 이전까지 사용되고 있던 측지기준계를 말합니다.
동경측지계는 벳셀(BESSEL)타원체를 채택하고 천문관측에 의해 결정된 경위도원점의 값과 원 방위각을 기준으로 구축됐습니다. 그러나 당시의 기술적인 한계 때문에 세계측지계 기준과는 차이가 있습니다. 우리나라에서는 실제로 대삼각본점인 영도와 절영도 삼각점이 원점의 역할을 하였습니다.
 
1-7. 세계 측지계를 도입하는 이유는 무엇인가?

아래의 이유에 의합니다.

가. 가장 큰 장점은 GPS좌표와 지도좌표(측지성과)가 실시간으로 완전히 호환될 수 있다는 점입니다. 즉 GPS 에 의한 WGS84성과와 한국측지계2002 성과는 동일한 것이 됩니다.
나. 세계측지계가 도입되면 현재 GPS항법(1점측위)에서 동경측지계로의 좌표변환이 불필요하게 되어 변환에 따른 정확도 저하와 측지기준계 혼용의 우려가 없어집니다.
다. 최근 몇 년간의 세계측지계로의 변경이 국제적인 흐름입니다. 구체적으로는, 1996년에 미국이 GPS의 민생 이용을 위하여 계속적인 서비스를 표명한 이후 GPS가 본격적으로 보급되기 시작하였고 1998년에 국제수로기구(IHO : International Hydrographic Organization)에서 수로측량의 기준에 관해서는 세계측지계에 근거하는 것으로 정하였기 때문입니다.
라. 각국에서는 지도의 측지기준계를 세계측지계로 변경중에 있고 육지의 지도에서는 호주,영국,일본,뉴질랜드 등 약 50개국이 전환을 시작하거나 했고 최근 그 움직임이 현저합니다.
마. 우리 나라에서도 이러한 국제적인 흐름에 맞추어, 세계 측지계로 이행하는 것입니다. 해도(국립해양조사원)와 군사지도(육군지도창)에서는 이미 세계측지계로 변경한 바 있습니다.
 
1-8. 세계측지계가 도입되면 무엇이 변하는가 ?
국내의 모든 위치에서 현행의 좌표값(경도,위도 등)이 변경됩니다. 따라서 측량분야는 물론이고 그 밖의 분야에서도 지금까지의 방식을 변경 또는 기존의 자료의 정정을 필요로 하는 경우가 생깁니다.
동경측지계가 채용하고 있는 벳셀타원체와 세계측지계에서 채용하고 있는 GRS80타원체는 크기?형상 및 중심의 위치가 다르기 때문에 두 측지계에서 기준점성과의 경도?위도의 변화가 위치에 따라 다르게 발생됩니다. 다른 나라의 경우도 경도?위도의 표시가 변경되었습니다.
 
1-9. 세계측지계가 지도상에 미치는 영향은?
지도상의 물체는 지도종횡선(map grid)을 기준으로 이동량이 발생하며 지도축척에 따라 다르게 나타납니다. 우리나라의 경우에 이동량이 300m 발생한다고 보면 축척 1/500,000에서 0.6mm 축척 1/50,000에서 6mm의 도상이동이 발생됩니다.
경위도의 기준이 나라마다 다른 경우에 측지기준계의 차이에 의한 경도?위도의 차이는 나라에 따라 다소 차이는 있지만 세계지도에 사용된 지도의 축척은 일반적으로 1/1,000만 이하이므로 지도상으로는 경도?위도의 차이는 0.1mm이하로 되어 지도상에 차이가 나타나지 않습니다.

1-10. 평면직각좌표는 어떻게 되는가?
경위도에서 직각좌표로의 계산식은 변화가 없고 달라지는 부분은 타원체의 제원이 벳셀타원체에서 GRS80타원체로 바뀌는 것 뿐입니다. 투영(TM투영)을 할 때 동경측지계에서는 4개의 투영원점(동부?중부?서부?동해 원점)이 사용되었고 위도는 북위 38도, 경도는 동경125도, 127도, 129도, 131도가 투영기준이었으며, 세계측지계도 동경125 127 129 131도와 북위 38도를 쓰면 됩니다.

1-11. 지오이드고란 무엇인가?
지오이드고란, 지구의 형태를 가장 잘 나타내고 있는 타원체(준거 타원체)로부터 지오이드까지의 높이를 말합니다.
지오이드란, 지구를 물로 덮었다고 가정했을 때의 지구의 형태를 나타내고 있는 측지학, 지구물리학의 용어입니다. 지구를 구성하고 있는 암석의 밀도가 균일하지 않기 때문에, 지오이드는 타원체로보다 다소 울퉁불퉁 합니다 또, 지오이드는, 지구상으로 할 수 있는 몇개의 수준면 가운데, 높이 0 m를 통과하는 수준면이기도 합니다.
우리 나라에서는 인천만의 평균 해수면을 0 m로 해, 표고를 구하고 있습니다.
즉, 지오이드로부터의 높이가 표고가 되는 것입니다.
한국측지계2002에서 표고는 현재와 같이 인천만 평균해면(mean sea level : MSL)을 기준으로 나타내므로 변경이 필요하지 않습니다 그러나 지반침하 등의 경년 변화를 고려한 성과를 재 계산하여 개정하며, 중력보정의 방법이 변경됨에 따라 차이가 발생합니다.

1-12. ITRF계는, 향후 변함없는가?
ITRF계는, 항상 최신의 우주 측지 데이터를 사용해 갱신되어 가기 때문에 향후도 정밀도를 상향하는것 같은 변경이 이루어집니다. 그러나, 그 변화량은 매우 작고, 또, 이미 측량에는 충분한 정밀도를 얻을 수 있고 있으므로 실용상은 우리 나라의 측지 기준계를 변경할 필요는 없습니다.
 
1-13. 각 타원체의 크기는 어느 정도 다른 것인가?

	벳셀(동경측지계)	GRS 80(세계 측지계)	차
장반경	6377397.155m	6378137.00m	-739.84m
단반경	6356078.963m	6356752.31m	-673.35m

덧붙여 타원체로서의 GRS80와 WGS84와의 차이는, 단반경이 약 0.1 mm 다를 뿐입니다.

1-14. 동경 측지계의 경도·위도는 잘못되어 있었는가?
동경 측지계와 세계 측지계의 사이의 경도?위도의 차이는, 경도?위도를 결정하기 위한 기준이 옛날과 지금이 다르기 때문에 생긴 것입니다. 이 차이는, 동경 측지계를 구축한 당시의 측량이 나빴기때문에 생긴 것은 아닙니다.

당시의 기술에서는, 지구 전체를 통일적으로 측량하는 것은 기술적으로 불가능하므로 천문 관측을 기본으로 나라 마다 원점의 경도?위도를 정해 그것을 기준으로서 나라 마다 측량을 실시했습니다. 인공위성등을 이용해 지구 전체를 통일적으로 측량할 수가 있게 된 현재는, 세계적으로 통일한 기준, 즉, 세계 측지계에 근거해 경도?위도를 결정할 수가 있게 되었습니다.
 
1-15. GPS의 위치 정밀도는 수m인데, 정확한 측량을 할 수 있는 것인가?
GPS에는, 단독 측위법과 상대 측위법이 있습니다. 카 네비게이션등에 사용하고 있는 것은 단독 측위법으로 정밀도는 수m입니다. 그러나, 측량에서는 상대 측위법을 사용하고 있기 때문에, 오차가 측정 거리의 100만 분의 1 정도가 되는 것 같은 고정밀도를 확보할 수 있습니다.
 

출처 : 국토지리정보원 http://ngi.ngic.go.kr/index.jsp