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문제 정의
- 본 연구에서는 VRS 측량이 공공기준점 측량에 적용될 수 있는지 검증하기 위하여 VRS 측량의 정확도 및 정밀도 분석을 실시하였다. VRS 측량의 정확도를 비교분석하기 위해 전국 5개시를 기준으로 1차 측량을 통해 데이터를 취득하였으며, 제품별 측량장비에 따른 VRS 측량의 정밀도의 일관성을 분석하기 위해 2차 측량을 수행하였다.
- 따라서 수신기 컨트롤러의 제시된 오차는 다중경로나 위성배치뿐만 아니라 다른 요인에 기인된 영향도 있을 것으로 사료된다. 수신기 컨트롤러의 안정화 여부에 해당되는 통계 식에 대한 접근이 제한적이기 때문에 정확한 분석에는 한계가 있지만 본 연구에서는 정확도에 영향을 미치는 한 요소로 판단하였다. 이 경우도 PDOP이 가장 좋음에도 불구하고 오차가 큰 것으로 보아서 PDOP과 정확도 사이에 상관관계는 비교적 적은 것으로 나타났다.
- 현재 다양한 업체에서 VRS 측량장비를 제공하고 있으며 본 연구에서는 VRS 측량 장비들이 제공하고 있는 측량정밀도가 서로 일관성이 있는 지에 대한 분석을 수행하였다. 동일한 지역에서 총 4개의 장비(Leica, Trimble, Topcon, Magellan)를 이용하여 데이터를 취득한 후 정밀도를 계산하였다.
제안 방법
- 1차 측량은 Leica 장비만을 이용하여 전국 규모의 다양한 환경에서 수행되었으며 결과 분석을 통해 정확도를 판별할 수 있는 인자를 결정하였다. 하지만 이는 다른 제품의 측량장비를 이용하는 경우에도 유사한 정확도의 확보가 가능하다는 전제가 필요하다.
- GDOP과 수평오차의 상관관계를 분석한 경우와 동일한 방법으로 수평오차와 PQ와의 상관관계를 분석 하였다. 그 결과 1차 측량을 통해 획득한 전체 데이터에 대한 수평오차와 PQ와의 상관계수는 0.
- 본 연구에서는 VRS 측량이 공공기준점 측량에 적용될 수 있는지 검증하기 위하여 VRS 측량의 정확도 및 정밀도 분석을 실시하였다. VRS 측량의 정확도를 비교분석하기 위해 전국 5개시를 기준으로 1차 측량을 통해 데이터를 취득하였으며, 제품별 측량장비에 따른 VRS 측량의 정밀도의 일관성을 분석하기 위해 2차 측량을 수행하였다. 다양한 환경에서 취득된 데이터를 통해 위치정확도를 예측할 수 있는 각 요소에 대해 다음과 같은 결과를 도출하였다.
- 화성동탄의 2-027 측점의 경우 공공기준점 주변에 차량과 나무로 인해 다중경로오차가 발생하였다. 다중경로에 의한 오차여부는 차량의 통행이 적은 시각에 재측을 함으로써 이를 검증하였다. 그 결과 첫 회 관측 시 10cm 이상의 오차를 보인 것에 반해 재측시에는 오차가 3cm 이하로 작게 나타나는 것을 알 수 있다(그림 6).
- 현재 다양한 업체에서 VRS 측량장비를 제공하고 있으며 본 연구에서는 VRS 측량 장비들이 제공하고 있는 측량정밀도가 서로 일관성이 있는 지에 대한 분석을 수행하였다. 동일한 지역에서 총 4개의 장비(Leica, Trimble, Topcon, Magellan)를 이용하여 데이터를 취득한 후 정밀도를 계산하였다. 취득한 데이터의 좌표를 평균하여 기준좌표를 결정한 후 기준좌표에 대한 수평 및 수직(타원체고) 방향의 잔차를 계산하였다.
- 하지만 이는 다른 제품의 측량장비를 이용하는 경우에도 유사한 정확도의 확보가 가능하다는 전제가 필요하다. 따라서 다양한 측량장비를 통해 데이터를 취득한 후 위치정밀도를 분석함으로써 장비에 상관없이 일관성 있는 위치정확도의 확보가 가능한 지에 대한 분석을 실시하였다. 표 3은 동일한 지역에서, 4개 회사의 VRS 장비를 이용하여 위치정밀도를 분석한 결과를 보여주고 있다.
- 그러나 지오이드고 자체의 오차로 인하여 수직정확도를 검증하는데는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 수평정확도만 검증하기로 하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 다양한 환경에서 취득된 VRS 측량 결과의 정량적 분석을 통해 획득 가능한 측량정확도를 검증하였으며 현장 측량시 정확도의 판별의 기준이 되는 인자를 결정하였다. 그리고 연구의 결과물은 향후 VRS를 이용한 공공기준점 측량 작업규정을 정의하는데 필요한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 이때 VRS 측량이 가능한 Leica 장비를 사용하였다. 또한 VRS 측량 장비에 따른 측량의 일관성을 분석하기 위해 동일한 지역에서 4개 회사의 VRS 장비를 통해 측량을 수행한 후 결과를 비교분석하였다(2차 측량).
- 최대한 다양한 환경에서 데이터를 취득하기 위해 각 지역마다 7개 이상의 공공기준점을 선정한 후 1회에 1초 간격으로 최소 15 epoch이상 3회 반복 관측을 수행하였다. 또한 위성의 배치에 따른 영향을 분석하기 위해 각 측점을 2시간 간격으로 3회 반복 관측하였다.
- 마지막으로 다양한 제품의 측량장비를 이용하여 취득된 데이터에 대해 위치정밀도를 분석함으로써 일관성 있는 위치정밀도의 확보가 가능한지에 대한 분석을 수행하였다. 이때 수평위치오차의 표준편차는 3cm 미만을 나타났으며, 4개 회사 장비 별 위치정밀도의 차이는 거의 없다는 것을 확인할 수 있었다.
- 결과보고서에서 제공하고 있는 정보는 크게 가상기준점의 3차원 좌표, 이동국의 안테나 종류 및 높이와 3차원 좌표, 관측시간, GDOP정보, 계산된 좌표의 PQ 정보 등으로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 고시좌표와 측량좌표 사이의 차이(잔차) 계산함으로써 정확도 분석을 수행하였으며 좌표 잔차와 PQ 및 GDOP과의 상관관계를 분석함으로써 정확도를 판별할 수 있는 인자를 결정하였다. 이때 다중경로 발생 가능 지역과 개방지역(다중경로 없는 지역) 에서 취득된 데이터를 구분하여 비교분석 하였다.
- 본 연구에서는 다양한 환경에서의 VRS 측량정확도 분석을 위해 전국에 걸쳐 설치되어 있는 공공기준점 중 일부를 선정하여 그 지점에서 데이터를 취득한 후 고시좌표와 비교분석을 수행하였다(1차 측량). 이때 VRS 측량이 가능한 Leica 장비를 사용하였다.
- 일반적으로 GPS는 수신환경에 따라 관측 결과의 정확도가 달라지기 때문에 GPS 수신환경이 VRS 측량에 영향이 미치는지를 분석하였다. 분석을 위해 고층건물이 많은 도심지역, 나무에 의하여 수신율이 낮은 산악지역, 반사율이 높은 물체가 있는 지역 등을 다중 경로 발생 가능 지역으로 나누고, 그 외 모든 방향에서 시야각을 확보할 수 있는 지역을 개방지역으로 하여 GPS 수신환경에 따른 영향을 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 고시좌표와 측량좌표 사이의 차이(잔차) 계산함으로써 정확도 분석을 수행하였으며 좌표 잔차와 PQ 및 GDOP과의 상관관계를 분석함으로써 정확도를 판별할 수 있는 인자를 결정하였다. 이때 다중경로 발생 가능 지역과 개방지역(다중경로 없는 지역) 에서 취득된 데이터를 구분하여 비교분석 하였다.
- 다양한 환경 및 지역에서 VRS 측량의 정확도를 분석하기 위해 화성/동탄, 계룡, 장흥, 부산, 강릉 등 5개 시를 측량 대상지역으로 설정하여 2009년 7월 22일부터 7월 31일까지 10일간 데이터를 취득하였다(그림 3). 최대한 다양한 환경에서 데이터를 취득하기 위해 각 지역마다 7개 이상의 공공기준점을 선정한 후 1회에 1초 간격으로 최소 15 epoch이상 3회 반복 관측을 수행하였다. 또한 위성의 배치에 따른 영향을 분석하기 위해 각 측점을 2시간 간격으로 3회 반복 관측하였다.
- 동일한 지역에서 총 4개의 장비(Leica, Trimble, Topcon, Magellan)를 이용하여 데이터를 취득한 후 정밀도를 계산하였다. 취득한 데이터의 좌표를 평균하여 기준좌표를 결정한 후 기준좌표에 대한 수평 및 수직(타원체고) 방향의 잔차를 계산하였다.
대상 데이터
- 2차 측량은 VRS 측량이 가능한 제품별 측량정확도의 일관성 분석을 위해 다양한 측정 장비(Leica ATX1230, Trimble R6, Topcon Hiper-Ga/Gb, Magellan ProMark 500)를 이용하여 데이터를 취득하였다. 2009년 10월 23일에 인천지역에서 측량을 수행하였으며 데이터 취득 간격은 표 1과 같다. Magellan은 장비의 특성 상 1초 간격으로만 결과 출력이 가능한 반면, 그 외 장비는 사용자가 원하는 시간 간격을 설정하여 저장할 수 있다.
- 2차 측량은 VRS 측량이 가능한 제품별 측량정확도의 일관성 분석을 위해 다양한 측정 장비(Leica ATX1230, Trimble R6, Topcon Hiper-Ga/Gb, Magellan ProMark 500)를 이용하여 데이터를 취득하였다. 2009년 10월 23일에 인천지역에서 측량을 수행하였으며 데이터 취득 간격은 표 1과 같다.
- 다양한 환경 및 지역에서 VRS 측량의 정확도를 분석하기 위해 화성/동탄, 계룡, 장흥, 부산, 강릉 등 5개 시를 측량 대상지역으로 설정하여 2009년 7월 22일부터 7월 31일까지 10일간 데이터를 취득하였다(그림 3). 최대한 다양한 환경에서 데이터를 취득하기 위해 각 지역마다 7개 이상의 공공기준점을 선정한 후 1회에 1초 간격으로 최소 15 epoch이상 3회 반복 관측을 수행하였다.
- Magellan은 장비의 특성 상 1초 간격으로만 결과 출력이 가능한 반면, 그 외 장비는 사용자가 원하는 시간 간격을 설정하여 저장할 수 있다. 이러한 이유로 Magellan은 1초 간격 1 epoch씩 기록하였고 그 외의 장비에서는 1초 간격 10 epoch씩으로 하여 약 1시간 정도의 데이터를 취득하였다.
데이터처리
- 일반적으로 GDOP은 위성의 기하학적 배치에 의해서 추정된 측량오차를 의미하므로 GPS 측량시 정확도를 판별하는 기본 인자로 널리 사용된다. VRS 측량에 있어서도 GDOP 정보가 수신기 위치오차를 실질적으로 반영하고 있는 지에 대한 판단을 위해 상관관계 분석을 실시하였다.
이론/모형
- 그림 4는 Leica 장비를 이용하여 1차 측량에서 취득한 자료를 통해 정확도 판별을 위한 인자를 결정하는 과정을 보여주고 있으며 결과보소서는 LGO(Leica Geo Office)를 이용하여 추출하였다. 결과보고서에서 제공하고 있는 정보는 크게 가상기준점의 3차원 좌표, 이동국의 안테나 종류 및 높이와 3차원 좌표, 관측시간, GDOP정보, 계산된 좌표의 PQ 정보 등으로 나눌 수 있다.
성능/효과
- 1차 측량 통하여 확보한 데이터를 이용하여 GDOP과 수평오차의 상관관계를 계산한 결과, 상관계수는 -0.152로 나타났으며 오차의 크기가 10cm 이상인 이상 값을 제거한 경우는 0.153로 나타났다(그림 10). 따라서 GDOP 정보를 이용하여 위치정확도를 예측하는 데는 한계가 있음을 알 수 있다.
- 1차 측량으로 취득된 전체 데이터 335개를 이용하여 위치 좌표를 산출하고 고시된 공공기준점 좌표와의 수평위치 좌표 잔차를 계산한 결과, 표 2에서와 같이 공공측량 기준점에서 요구되는 정확도인 10cm 이상의 이상값을 보이는 데이터는 약 14%이고, 85% 이상은 4cm 미만의 오차를 나타냈다.
- GDOP과 수평오차의 상관관계를 분석한 경우와 동일한 방법으로 수평오차와 PQ와의 상관관계를 분석 하였다. 그 결과 1차 측량을 통해 획득한 전체 데이터에 대한 수평오차와 PQ와의 상관계수는 0.55로 GDOP과의 상관계수보다 비교적 높게 나타났다. 그림 11은 PQ 에 대한 수평위치오차를 나타낸 것으로 PQ가 0.
- 그 결과 다중경로 발생 가능 지역에서 획득한 데이터 중 약 16%가 10cm 이상의 오차를 보인 반면 개방지역에서는 모든 경우 오차의 크기가 2cm이하로 나타났다(그림 9). 이는 GPS 측량에서 위치 정밀도를 확보하는 데 있어 GPS 수신환경이 주요한 요인임을 알 수 있다.
- 둘째, VRS 측량 정확도를 판별하는 인자 중 하나로 위성의 기하학적인 배치를 나타내는 GDOP과 수평오차의 상관관계를 살펴본 결과 상관계수가 -0.152로 GDOP 정보를 이용하여 측량 결과의 정확도를 예측하는 데는 한계가 있음을 알 수 있다. 반면 PQ와의 상관계수는 0.
- 수평오차의 표준편차가 2cm 미만으로 나타났으며 타원체고 오차의 표준편차는 3cm 이하로 나타났다. 따라서 4개 회사의 장비 모두 VRS 측량시 센티미터 수준의 정밀한 좌표의 결정이 가능하다는 것을 알 수 있다. 즉, Leica 이외의 다른 측량장비를 사용하여 전국 규모의 다양한 환경에서 측량을 수행하여도 Leica를 이용한 측량결과와 유사할 것으로 사료된다.
- 55로 GDOP에 비해 상대적으로 높게 나타났으며, 이는 수평위치오차와 PQ의 관계가 수평위치의 정확도를 적절하게 반영하고 있음을 나타낸다. 따라서 GDOP보다는 추정된 좌표의 분산을 의미하는 PQ값이 정확도를 판별하는 기준으로 적합하다는 것을 알 수 있다.
- 152로 GDOP 정보를 이용하여 측량 결과의 정확도를 예측하는 데는 한계가 있음을 알 수 있다. 반면 PQ와의 상관계수는 0.55로 GDOP에 비해 상대적으로 높게 나타났으며, 이는 수평위치오차와 PQ의 관계가 수평위치의 정확도를 적절하게 반영하고 있음을 나타낸다. 따라서 GDOP보다는 추정된 좌표의 분산을 의미하는 PQ값이 정확도를 판별하는 기준으로 적합하다는 것을 알 수 있다.
- 수신기 컨트롤러의 안정화 여부에 해당되는 통계 식에 대한 접근이 제한적이기 때문에 정확한 분석에는 한계가 있지만 본 연구에서는 정확도에 영향을 미치는 한 요소로 판단하였다. 이 경우도 PDOP이 가장 좋음에도 불구하고 오차가 큰 것으로 보아서 PDOP과 정확도 사이에 상관관계는 비교적 적은 것으로 나타났다.
- 마지막으로 다양한 제품의 측량장비를 이용하여 취득된 데이터에 대해 위치정밀도를 분석함으로써 일관성 있는 위치정밀도의 확보가 가능한지에 대한 분석을 수행하였다. 이때 수평위치오차의 표준편차는 3cm 미만을 나타났으며, 4개 회사 장비 별 위치정밀도의 차이는 거의 없다는 것을 확인할 수 있었다. 즉, VRS 측량을 공공기준점 측량에 적용하여도 무방할 것으로 판단된다.
- 셋째, 국토지리정보원 VRS 서버 연결 시 오류가 발생하는 경우이다. 첫 회 관측 시 관측 중에 VRS 서버 연결오류가 발생했으며 이때 가상기준점을 생성하지 못하여 정확도가 크게 떨어지는 결과가 나타났다(그림 8). 이러한 VRS 서버 연결오류는 이동통신을 이용한 데이터 트래픽의 초과로 인해 연결이 단절된 것으로 사료된다.
- 첫째, 1차로 획득한 데이터 총 335개 중 86%는 10cm 미만의 수평위치 오차를 내포하는 것으로 나타났으나, 14%는 10cm 이상의 수평위치 오차를 갖는 것을 알 수 있었다. 10cm 이상의 오차가 발생하는 원인은 크게 3가지로 나눌 수 있는데, 다중경로오차가 발생되거나, 수신기의 컨트롤러가 제시하는 오차가 안정화되지 않은 경우, 국토지리정보원 서버 연결에 오류가 발생하는 경우이다.
후속연구
- 따라서, 본 연구에서는 다양한 환경에서 취득된 VRS 측량 결과의 정량적 분석을 통해 획득 가능한 측량정확도를 검증하였으며 현장 측량시 정확도의 판별의 기준이 되는 인자를 결정하였다. 그리고 연구의 결과물은 향후 VRS를 이용한 공공기준점 측량 작업규정을 정의하는데 필요한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
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