1. 공간참조 개요
지리정보시스템이 등장하기 시작하였을 때에는 사용자는 대부분 그 나라의 자료만을 처리하였다. 대부분의 자료들은 그 나라의 지도제작기관에서 제작한 종이지도를 통해 생성되었다. 현재는 그 나라의 자료 외에도 세계적인 공간 데이터셋, 위성측지 기술에 의해 작성된 지도, 옆 나라에서 제작한 공간자료 등을 통합하여 사용하는 일이 자주 발생한다. 이러한 자료들을 병행하여 원활하게 사용하려면 지도 및 수지차료를 생산하기 위해 필요하는 공간참조(Spatial Referencing) 개념을 어느정도 이해할 수 있어야 한다.
공간참조는 지구표면 및 표면근처에 있는 물체들의 위치 및 운동을 설명하는데 필요한 정의(definition), 물리적 및 기하학적 구성요소(physical/geometric construct), 도구(tool) 등을 포함하는 개념이다. 이러한 구성요소와 도구 중 일부는 일반적으로 지도의 범례에 표시되어 있다. 일례로 일반 대축척 지도의 범례(map legend)에는 다음과 같은 사항이 나타나 있다. 수직 데이텀(local vertical datum)의 이름, 수평 데이텀(local horizontal datum)의 이름, 준거 타원체(reference ellipsoid)와 기준점의 명칭, 좌표의 종류(경위도 좌표, 평면좌표 등), 지도투영(map projection)의 종류, 지도 축척, 데이텀 변환 계수 등이 그것이다.
2. 공간기준계와 프레임
3차원 유클리드 공간에서 물체의 위치와 운동은 기준좌표계로 표현 가능하다. 기준 좌표계란 3개의 서로 수직인 좌표축의 원점 및 방향이 정의된 좌표계를 의미한다. 이러한 시스템을 가리켜 공간기준계(Spatial Reference System, SRS)라 정의한다.
공간기준계는 수학적이고 추상적인 개념이다. 공간기준계는 공간기준프레임(Spatial Reference Frame, SRF)를 통해 사용할 수 있게 된다. 공간기준프레임은 지정된 점의 좌표를 목록으로 작성하여 구체화된다. 이러한 좌표들은 SRS의 좌표축을 이용하여 산출된 것이다. 사용자들은 SRF를 사용할 수 있지만 SRS는 사용 불가능하다. SRS를 실형하는 것은 매우 어려운 작업인데, 기준계를 정의하기 위해서는 복잡한 지구물리학적 현상에 대한 물리 모델과 여러가지 가정이 필요하다. SRF를 사용할 경우 이러한 사항들을 고려하지 않아도 된다.
지구과학 분야에서는 다양한 공간기준계가 사용되고 있다. 그 중 지리정보시스템 사용자에게 가장 중요한 것은 국제 지구 기준계(International Terrestrial Reference System, ITRS)이다. ITRS는 지구의 원점을 무게중심으로 한다. Z축은 평균 북극을 향하고 있고, X축은 그리니치 자오선 방향으로 Z축과 수직을 이루고 있으며, Y축은 오른손좌표계에 의해 X, Z축에 수직한 방향으로 향하고 있다.
국제지구기준계는 여러개의 지정된 점(관측소)에 대한 특정 시점(epoch)에서의 추정좌표와 속도의 목록을 이용하여 국제지구기준프레임(International Terrestrial Reference Frame, ITRF)으로 구현되어 있다. 이러한 관측소는 지구 표면에 균등하게 분포하고 있다. 관측소는 기준시점에서 지구의 형태를 기하학적으로 추상화한 기본다면체의 꼭지점이라 고려할 수 있다. 공간기준프레임을 운영한다는 것은 기준 시점에서 기본 다면체가 회전, 이동, 변형된 정도를 기록한다는 것을 의미한다. 판 운동과 같은 지구물리학적 프로세스에 의해 지구의 지각이 세계적, 지역적 및 지방적으로 조금씩 변화하기 때문에 프레임에 대한 지속적인 유지관리가 필요하다. TRF는 지구상 또는 표면에 인접해있는 물체의 위치이동을 설명하는데 이상적이다.
ITRS와 같은 범세계적 지구중심 기준계는 최근 우주측지기술이 발전함에 따라 등장하게 되었다. 지구의 무게중심이 위성궤도의 크기 및 형태와 직접적으로 관계되어 있으므로 인공위성의 궤적을 관측하면 지구의 중심을 알 수 있어 ITRS의 원점을 결정할 수 있다. 1960년대 이전의 우주시대 이전에는 대축척 지도 제작에 필요한 정확도 수준의 지구중심좌표계를 구현하는 것은 사실상 불가능한 수준이었다. 현재 ITRF를 현대적으로 구현할 수 있게 됨에 따라 실시간 위치참조, 실시간 공간정보 생산등이 가능하게 되어 전자지도, 전자해도, 정밀 농업, 선박 관리, 차량 배속, 재난 관리 등에 응용되게 되었다.
어느 지역에서 ITRF를 현대적으로 구현한다는 것의 의미는 우선 ITRF 다면체에 꼭지점을 추가하여 지역적으로 밀도를 향상시키기 위해 위치기준점을 여러 개 설치하였다는 것이고, 다음으로 이러한 기준점에 항구적으로 운영되는 GNSS 수신기와 같은 위성측지장비 및 통신장비를 설치하였다는 의미이다.
ITRF는 현재에도 새로운 관측소가 신설되고 있다. 따라서 동일한 ITRS에 대해 여러 가지 ITRF가 존재하기 때문에 연도 코드를 부여하여 ITRF를 구분하고 있다. 예를 들어 ITRF96에는 모든 관측소에 대한 지구중심좌표 및 속도, 오차 추정량 등이 기록되어 있으며 이러한 모든 값은 1996.0 시점을 기준으로 한다. 다른 시간에 대한 관측소의 좌표를 구하기 위해서는 해당 시점의 관측소의 속도를 적용해야 한다.