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문제 정의
- 본 연구에서는 인천만의 장기간 조위관측자료를 웨이블릿 방법의 분석을통하여 평균해수면 결정을 위한 최적의 기간을 제시하고, 그에 따른 인천만의 새로운 평균해수면과 지상기준점(ICGP)의 정표고를 결정하였으며, 지오이드 모델을 이용하여 지상기준점과 수준원점을 연결함으로써 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 따라서 과거에 정밀하게 결정한 초기좌표를 사용하는 경우, 좌표추정 결과에 연간이동량을 적용하여 처리시기에 맞는 좌표를 계산하게 된다. 본 연구에서는 정확한 좌표 계산을 위하여 3축 방향의 연간 이동속도를 모두 0으로 설정함으로써 epoch 2002.00년을 기준으로 하여 결정된 우리나라 국가측지기준계와의 차이 가 발생하지 않도록 하였다.
제안 방법
- 3) 최종적으로는 계산된 지상기준점의 정표고를 정 밀 GPS 관측과 지오이드 모델을 이용한 GPS 수준측량 방법으로 수준원점(ORBM)과 연결하고, 새로운 평균해수면 기준의 수준원점 정표고를 결정하고자 한다.
- 각환산방법에 적용되는 기본적인 중력관측자료는 국토지리 정보원, 프랑스 BGI(Bureau Gravimetricque International)및 성균관대학교에 서 측정 한 4,298점의 육상 중력 관측자와 DNSC(Danish National Space Center)에 서 TOPEX/ Poseidon, ERS 및 GEOSAT 데이터를 처리하여 계산된 1, 998점의 해상 중력관측자료가 사용되었다. 그리고 KGEOID08 모델은 개발된 중력 지오이드 모델에 총 503개의 GPS/Levelling 자료를 이용하여 LSC(Least Square Collocation) 방법에 의한 수직기준의 적합을 수행함으로써 장파장 영역에서의 중력지오이드 모델의 계통오차를 제거하여 최종적인 합성 지오이드 모델을 결정하였다(이동하, 2008).
- 상대적 인 표고차를 결정하고 있다. 따라서 본 연구에서는 기하학적 지오이드고와 중력지오이드 모델로부터 구한 지오이드고 간의 상대적 인 차이를 구하고, 인천만의 장기간 관측한 조위관측자료를 사용하여 결정한 평균해수면 기준의 정표고를 알고 있는 지상기 준점 에 대하여 지오이드 간의 상대적 적합(fitting)을 적용함으로써 수준원점의 정표고를 재계산하였다. 그림 10은 수준원점 재정의를 위한상대적 적합의 개념도를 나타낸 것이다.
- 본 연구에서는 새로운 수직 기준에 따른 수준원점의 재정의를 위하여 지상기준점과 수준원점 그리고 통합기준점(32점)에 대한 GPS 관측을 수행하였으며, GAMIT/ GLOBK를 사용하여 GPS 관측점들의 정 밀한 타원체고를 결정하였다. GPS 관측점의 정표고 값은 지상기준점의 경우에는 표 2의 결과를 사용하였고 수준원점과 통합기준점은 국토지 리 정보원에서 제공하는 표고 성과를 사용하였으며, 그에 따른 기하학적 지오이드고를 계산하였다.
- 본 연구에서는 새롭게 정표고를 결정한 지상기준점 (ICGP)과 수준원점 그리고 주변의 통합기준점(32점)에 대하여 약 8시간 이상의 GPS 관측을 수행하였으며, GPS 관측데이터 처리를 위하여 학술용 정밀해석 소프트웨어인GAMIT/GLOBK# 사용하였다. GAMIT/GLOBK는 일반상업용 소프트웨어들과는 다르게 전 지구에 배치되어 있는 GPS 상시관측소 자료를 정 밀하게 해석하기 위하여 정밀력, 지구자전 파라미터, 장동(nutation) 계산 파일 및 세계표준시 와 GPS 시 간의 차이 량 계산 파일 등과 같은 다양한측지 .
- 셋째, 지상기준점과 수준원점 그리고 32점의 통합기준점 에 대하여 GPS 측량과 GAMTT7GL0BK를 사용한 정 밀해석을 통하여 정확한 타원체고를 결정하였으며, 기하학적 지오이드고를 계산함으로써 EGM2008, 중력지오이드모델 그리고 KGEOID08에 대한 정확도 분석을 수행하였다. 연구대상지역에 대한 최적의 중력장모델은 중력지오이드 모델로 분석되었으며, RMS가 0.
- 열 자료라고 할 수 있다. 시 계 열 분석은 시간에 따른 변량 y(t)의 변동 특성을 이해하기 위해 사용되며, 본 연구에서는 그 동안 조위관측소의 위치변동이 없이 장기간의 조위관측자료를 축적한 부산의 조위관측자료를 이용하여 동일 기간의 인천 조위관측자료에 대한 시계열 분석을 수행하였고 웨이블릿 변환(wavelettnmsfbrm) 분석을 적용하여 인천과 부산의 조위관측자료 사이의 상관관계를 분석하였다.
- GLOBK에 의한 망조정 계산은 고정점의 좌표와 기선해석 결과를 이용한 단순 조정 계산이 아닌 관측기간 동안의 지구기준좌표계에 대한 모델, 위성궤도 모델 및 지각변동 모델 등을 포함하고, 망조정 계산을 위한 구속값으로 고정 점의 좌표와 위성 궤도요소를 사용하는 종합적 인 조정 이라고 할 수 있다. 이 러한 종합적 인 조정계산을 실시하기 위해서는 작업초기에 고정점의 좌표와 연간이동속도 그리고 관측세션별 관측값 등을 사용하여 정 밀한 지 역 적 인 기준좌표계를 구성하고, 과대오차를 포함하고 있는 고정점들의 성과를 제거한 후에 미지점들에 대한 조정계산을 수행한다.
- 따라서 기선해석 전에 유틸리티를 이용하여 개략적인 기선해석을 실시하여 초기 좌표값을 추정하여 이를 활용한다. 이러한 초기좌표 계산은 관측점에 근접한 GPS 위성기준점의 관측 자료와 방송력 자료, 그리고 고시좌표를 사용하여 개략적인 기선해석을 실시하고, 지심지각좌표계상의 3차원 좌표를 계산하였다. GAMIT에서 사용하는 초기좌표 파일은 초기좌표 외에 연간 이동속도와 좌표결정시기 정보를 포함하고 있으며, 연간 이동속도와 좌표결정시기 정보가 포함되어 있는 이유는 지각을 정적 인 대상으로 보지 않고 동적인 대상으로 설정하여 시간의 경과에 따른좌표 변화량을 적용하기 위한 것이다.
- 인천 조위관측소의 장기 조위관측자료와 GPS 관측을 실시한 지상기준점(ICGP) 간의 시각동기화를 위하여 약 8 시간의 GPS 관측을 실시하였고 동일시간대 의 조석자료를 1분간격으로 획득하였으며, GPS 관측 동안 인천 조위관측소의 수측기 점과 해수면간의 차이 인 해수면 변화량을 레이저측정기를 사용하여 1초 간격으로 측정하였다. 획 득된 자료들은 MJD(Modified Julian Day)로 변환하여 시각동기화하고, 식 6에 의하여 수측기점의 정표고를 결정하였으며, 지상기준점과의 정밀수준측량을 실시하여 지상기 준점 의 정 표고를 계산하였다.
- 인천만 조위관측자료의 연속성과 연결성을 분석하기 위하여 그 동안 조위관측소의 위치변동이 없었던 부산의 조위관측자료와 비교분석 하였다. 그림 2는 국립해양조사원에 서 제공하는 인천과 부산 조위관측소의 월 평 균해수면(1961 년부터 2009년까지) 자료를 나타낸 것이다.
- EGM2008 모델은 2,160차의 초고차항 구면조화 계수로 이루어 져 있으며 , degree(n) 2,910과 order(m) 2,910의 추가 전개계수를 포함하고 있다(Pavlis et al, 2008). 중력 지오이드모델은 한국 일원에 대하여 360차의 최대차수로 해석된 EIGEN-CG03C 모델을 기 준면으로 4-밴드 구면 FFT 방법과 RTM 환산방법 을 적 용하여 중파장 및 단파장 성분을 계산하고 이를 합성하여 중력지오이드를 결정하였다. 각환산방법에 적용되는 기본적인 중력관측자료는 국토지리 정보원, 프랑스 BGI(Bureau Gravimetricque International)및 성균관대학교에 서 측정 한 4,298점의 육상 중력 관측자와 DNSC(Danish National Space Center)에 서 TOPEX/ Poseidon, ERS 및 GEOSAT 데이터를 처리하여 계산된 1, 998점의 해상 중력관측자료가 사용되었다.
- 표 5는 GPS 관측점 에 대한 기하학적 지오이드고와 지오이드 모델별 지오이드고를 계산한 것이며, 수준원점의 재정의를 위한 최적의 지오이드 모델을 선정하기 위하여기하학적 지오이드고와의 적합성과 정확도 분석을 수행하였다. 그림 8은 GPS 관측점의 기하학적 지오이드고와 각각의 중력장모델별 지오이드고 간의 차이를 나타낸 것으로 전 지구 중력장모델인 EGM2008의 경우는 중력 지오이드와 KGEOID08의 결과와 상이한 양상을 보여주고 있는데, 이는 우리 나라의 실제 중력관측자료를 사용하여 개발된 중력지오이드 모델과 KGEOID08의 지역적인 특성에 따른 것으로 판단된다.
- 레이저측정기를 사용하여 1초 간격으로 측정하였다. 획 득된 자료들은 MJD(Modified Julian Day)로 변환하여 시각동기화하고, 식 6에 의하여 수측기점의 정표고를 결정하였으며, 지상기준점과의 정밀수준측량을 실시하여 지상기 준점 의 정 표고를 계산하였다.
대상 데이터
- 중력 지오이드모델은 한국 일원에 대하여 360차의 최대차수로 해석된 EIGEN-CG03C 모델을 기 준면으로 4-밴드 구면 FFT 방법과 RTM 환산방법 을 적 용하여 중파장 및 단파장 성분을 계산하고 이를 합성하여 중력지오이드를 결정하였다. 각환산방법에 적용되는 기본적인 중력관측자료는 국토지리 정보원, 프랑스 BGI(Bureau Gravimetricque International)및 성균관대학교에 서 측정 한 4,298점의 육상 중력 관측자와 DNSC(Danish National Space Center)에 서 TOPEX/ Poseidon, ERS 및 GEOSAT 데이터를 처리하여 계산된 1, 998점의 해상 중력관측자료가 사용되었다. 그리고 KGEOID08 모델은 개발된 중력 지오이드 모델에 총 503개의 GPS/Levelling 자료를 이용하여 LSC(Least Square Collocation) 방법에 의한 수직기준의 적합을 수행함으로써 장파장 영역에서의 중력지오이드 모델의 계통오차를 제거하여 최종적인 합성 지오이드 모델을 결정하였다(이동하, 2008).
- 본 연구에서는 지역적인 기준좌표계 구성을 위하여 그림 7(b)에 표시한46개의 위성기준점 중에서 제주지역의 2 개소를 제외한44개의 위성기준점 관측 자료를 사용하였으며, GPS 관측 결과와 관련 공분산 정보 및 위성기준점의 고시성과를 사용하여 지역적인 기준좌표계를 계산하였다. 이 단계에서는 전국 범위의 GPS 관측망에 대한 적합성과 위성기준점 좌표의 적합성이 평가되며, 각 위성기준점 고시좌표에 부여되는 중량이 50% 이하가 되지 않도록 하여 전체 성과가 고르게 사용될 수 있도록 하였다.
데이터처리
- 결정하였다. GPS 관측점의 정표고 값은 지상기준점의 경우에는 표 2의 결과를 사용하였고 수준원점과 통합기준점은 국토지 리 정보원에서 제공하는 표고 성과를 사용하였으며, 그에 따른 기하학적 지오이드고를 계산하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 수준원점의 재정의를 위하여 세 가지의 지오이드 모델을 사용하였으며, 각각은 전 지구 중력장모델인 EGM2008 모델과 우리나라의 실제 중력 측정자료를사용하여 개발된 중력지오이드 모델 그리고 중력지오이드 모델을 우리나라의 지역적인 수직기준에 적합(fitting) 시 킨 KGEOID08 모델 이 다. EGM2008 모델은 가장 널 리 사용되었던 전 지구 중력장모델인 EGM96의 후속 모델로써 2008년 미 국 국가지 형 정 보국(NGA)에 서 발표하였다.
- 본 연구에서는 수준원점의 재정의를 위해서 세 종류의 지오이드 모델 중 연구대상지 역 에 가장 적합한 것으로 분석된 중력지오이드 모델을 사용하였다. 지상기준점과 수준원점에서의 기하학적 지오이드고와 중력지오이드 모델로부터 구한 지오이드고 간의 차이(NGPS-Noravmietnc)를 살펴보면 지상기준점은 -0.
- 본 연구에서는 인천과 부산 조위관측소의 월 평균해수면 자료를 이용하여 인천만 조위관측자료의 연속성과 연결성 분석을 수행하였으며, 이를 위하여 위에서 제시한 웨이블릿 분석 방법을사용하였다. 그림 3~5는 두시계열자료인 인천과 부산 조위관측자료에 대한 웨이블릿 분석에 따른 결과를 나타낸 것이다.
성능/효과
- GLOBK에 의한 지역적인 기준좌표계 계산 결과는 표 3과 같이 ITRF와의 원점 이동량에 대한 파라미 터들로 표현되는데 최종 조정 결과의 표준오차가 1〜2mm 수준으로 매우 정 밀하게 계산된 것을 확인할 수 있다. 표 4는 고시성과의 평균제곱근오차(Root Mean Square, RMS)를 나타낸 것으로 최종 조정 작업에서의 평균적 인 오차가4mni 미만으로 계산되었으며, 고정점 항목에서 제거된 위성 기준점들은 위치오차와 정규 표준오차가 상대적으로 크기 때문에 고정 점 항목에서 제 거 되 었으나, 이 것은 고시 성과의 문제가 아니 라 관측 당일의 자료 품질에 따른 문제인 것으로 분석된다.
- 320m로 계산되 었으며, 이는 실질적으로 우리나라의 수직기준과 EGM2008 모델의 기준면 간에 상당한 편위(bias)가존재하기 때문에 나타난것으로 판단된다. KGEOID08 모델의 경우에는 중력지오이드 모델에 총 503개의 GPS/Levelling 자료를 이용하여 LSCQeast square collocation) 적합을 수행한 합성지오이드 (hybridgeoid) 모델이지만 그림 8에서 확인할수 있듯이 본연구 대상지 역에 있어서는 중력지오이드 모델과 비슷한 경향을 보이고 있으며, 정확도 분석 결과에서도 RMS 값이 더 큰 것으로 나타났다. 이 러한 이유는 KGEOID08 모델 개발에 있어서 통합기준점 에 대한 GPS/Levelling 자료가 고려 되 지 않았고, 본 연구 대 상지 역 의 GPS/Levelling 자료에 대한 밀도가 부족하였으며, 그 신뢰성에 대한 검증이 어 려웠기 때문인 것으로 판단된다.
- 124m로 다른 중력장모델들 보다 상대 적 으로 가장 적 합한 것으로 분석되었다. 그리고 지상기준점과 수준원점 에 대하여 기하학적 지오이드고와 중력지오이드 모델로부터 구한 지오이드고 간의 상대적인 차이를 구하고, 지오이드 간의 상대적 적합을 적용함으로써 수준원점의 정표고를 결정하였으며, 그결과 수준원점의 새로운 정표고는 25.163m로 기존의 성과와는 -0.035m의 차이가 나타났다.
- 넷째, 본 연구에서 결정한 인천만의 평균해수면은 1910 년대 의 평균해수면과 약 0.026m의 차이 가 있는 것으로 계산되 었으며, GPS 수준측량 방법을 이용하여 새로운 평균해수면을 기준으로 한 수준원점은 기존 성과와 약 0.035m의 차이를 나타내 었다. 이 러 한 평 균해수면 간의 차이와 수준원점 성과 간의 차이는 서로 동일해야 하지만 약 0.
- 둘째, 인천만의 평균해수면 결정을 위한 적정기간으로 분석된 3 그룹의 관측자료 중에서 1999년부터 2009년까지의 조위관측자료를 사용한 결과 새로운 인천만의 평균해수면은 4.609m로 계산되었으며, 1910년대에 결정된 기존의 평균해수면과는 약 0.026m의 차이가 발생한 것으로 분석되었다. 또한, 새롭게 결정된 평균해수면과 지상기준점 (ICGP) 간의 정밀한 높이차를 결정하였으며, 이를 위해서 해수면에 대한 레이저 관측을 수행하고 선형보간법을 적용하였으며, 정 밀수준측량에 의한 연결측량 결과 새로운 평균해수면에 대한 지상기준점의 정표고는 5.
- 026m의 차이가 발생한 것으로 분석되었다. 또한, 새롭게 결정된 평균해수면과 지상기준점 (ICGP) 간의 정밀한 높이차를 결정하였으며, 이를 위해서 해수면에 대한 레이저 관측을 수행하고 선형보간법을 적용하였으며, 정 밀수준측량에 의한 연결측량 결과 새로운 평균해수면에 대한 지상기준점의 정표고는 5.431m로 결정되 었다.
- 연구대상지역에 대한 최적의 중력장모델은 중력지오이드 모델로 분석되었으며, RMS가 0.124m로 다른 중력장모델들 보다 상대 적 으로 가장 적 합한 것으로 분석되었다. 그리고 지상기준점과 수준원점 에 대하여 기하학적 지오이드고와 중력지오이드 모델로부터 구한 지오이드고 간의 상대적인 차이를 구하고, 지오이드 간의 상대적 적합을 적용함으로써 수준원점의 정표고를 결정하였으며, 그결과 수준원점의 새로운 정표고는 25.
- 6 년으로 지 정하고 있다(NGS, 1986; Smith A, 1999). 우리나라의 조위관측소는 과거 일제시대에 설치되기 시작한 이후 36개소(2008년 기준)로 확장되 었으며, 그 동안 최대 52 년에서 최소 1년까지 평균24.6년의 조위 관측자료가 축적되어있어 관측기간 측면에서는 평균해수면 결정을 위한 적 정기간인 18.6년의 요구를 충족하고 있음을 확인할 수 있다. 그러므로 이러한 축적된 조위관측자료를 이용하여 새로운 수직기준의 정립이 필요하며, 장기간의 조위 관측자료에 대한 연속성과 연결성을 고려하여 지속적 인 기준면의 물리적 변동과 현상을 반영할 수 있는 새로운 수준원점 (Original Bench Mark : ORBM)의 표고를 정표고기반으로 결정하여야 한다.
- 첫째, 인천만의 장기간 조위관측자료에 대하여 웨이블릿 방법을 이용한 분석 결과 하나의 연속된 자료로 볼 수없으며 , 조위관측소의 위 치 변동과 자료의 품질 등과 관련하여 세 경우의 독립된 관측자료로 판단된다. 또한, 새로운 수직기준의 결정에 있어서는 이러한관측자료의 구분을 통한 새로운 평균해수면의 결정이 필요하며, 향후 지속적 인 지구물리학적 거동과 해수면 상승에 따른 영향을 분석하기 위해서는 1999년부터 축적된 조위관측자료(3그룹)를 사용하는 것이 가장 적 절할 것으로 판단된다.
- 것이다. 표 6과 그림 9의 결과를 살펴보면 대상지역에있어서 중력지오이드 모델이 평균 -0.094m, 표준편차 ± 0.079m로 계산되 었으며, RMS가 0.124m로서 다른 모델들보다 상대적으로 가장 적합한 것으로 분석 되 었다.
후속연구
- 또한, 그림 5에서 확인할 수 있는 것처럼 시계열 자료 간의 일관성에 있어서도 세 가지 의 경 우로 구분할 수 있다. 결국, 그동안 축적 된 인천만의 조위관측자료는 하나의 연속된 자료라고 할 수 없으므로 조위관측소의 위치변동과 자료의 품질을 고려한 세경 우의 독립 된 관측 자료로 판단해 야하며, 새로운 수직 기준의 결정에 있어서는 이러한 관측 자료의 구분을 통한 새로운 평균해수면의 결정이 필요할 것으로 판단된다. 표 1은 분석된 결과를 바탕으로 한 인천만 조위관측자료의 관측 기 간에 따른 구분을 표시한 것 이 다.
- 세 경우의 독립된 관측자료로 판단된다. 또한, 새로운 수직기준의 결정에 있어서는 이러한관측자료의 구분을 통한 새로운 평균해수면의 결정이 필요하며, 향후 지속적 인 지구물리학적 거동과 해수면 상승에 따른 영향을 분석하기 위해서는 1999년부터 축적된 조위관측자료(3그룹)를 사용하는 것이 가장 적 절할 것으로 판단된다.
- 본 연구를 통해서 정밀한 GPS 수준측량만으로 새로운 평균해수면에 기준한 ORBM 정표고 성과를 정밀하게 결정할 수 있었으며, 향후 정표고 체계로의 효율적인 전환을 위해서는 장기간의 조위관측자료를 이용한 수직기준결정과 함께 GPS 수준측량을 통한 수준성과의 연결을 적극적으로 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한, 서 .
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