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문제 정의
- 본 연구는 과거 여러 시기에 촬영한 항공사진을 이용한 해안선(충청남도 태안군 안면도 백사장 해수욕장) 변화조사의 일환이다. Static GNSS 측량과 NetworkRTK 측량으로 GCP의 평면좌표 및 표고를 구하여 Network-RTK 측량의 정확도를 분석하고, 이로부터 Network-RTK 측량의 항공사진 지상기준점 측량 적용 성을 평가하는데 목적이 있다.
- 본 연구는 과거 여러 시기에 촬영한 항공사진을 이용한 해안선(충청남도 태안군 안면도 백사장 해수욕장) 변화조사의 일환이다. Static GNSS 측량과 NetworkRTK 측량으로 GCP의 평면좌표 및 표고를 구하여 Network-RTK 측량의 정확도를 분석하고, 이로부터 Network-RTK 측량의 항공사진 지상기준점 측량 적용 성을 평가하는데 목적이 있다.
가설 설정
- 54)를 이용하여 한국측지계 기준 평면직각좌표를 ITRF2000 평면직각좌표로 변환하였다. 그 과정은 Fig. 2와 같으며, 측점의 경위도좌표를 3차원직각좌표로 변환할 때에 측점이 기준타원체면상에 있는 것으로 가정하였고, ITRF2000 경위도좌표를 TM투영하여 평면직각좌표를 계산할 때에는 2009년 12월 14일 이후 우리나라 평면직각좌표계의 원점 좌표가 x=500,000m, y=200,000m에서 x=600,000m, y=200,000m로 변경되었으므로 이를 고려하였다. 한편 표고는 좌표변환에 관계없이 동일한 값을 사용하였다.
제안 방법
- Static GNSS 측량 관측 자료는 Leica Geo Office (LGO) S/W에 의해 기선해석, 망조정, 좌표변환되어 측점들의 ITRF2000 기준 평면직각좌표와 표고를 계산하였다. GCP에서 Network-RTK 측량과 Static GNSS 측량으로 구한 평면직각좌표 및 표고 오차로부터 Network-RTK 측량의 지상기준점 측량 적용성을 검토하였다.
- Network-RTK 측량에서 HiPer II(TOPCON) 수신기로 측량하여 얻은 측점의 ITRF2000 기준 평면직각좌표와 타원체고로부터 지오이드모델(KNGeoid13)의 지오이드고를 적용하여 정표고를 구하고, Static GNSS 측량으로 구한 ITRF2000 기준 평면직각좌표와 정표고와의 오차(Ex, Ey, EH)를 계산하였다. 이들 각 측점의 오차로부터 식 (1)과 같이 평균제곱근오차(RMSE)를 구하였다.
- Network-RTK 측량을 항공사진도화용 지상기준점측량에 적용할 때의 효용성을 평가하기 위해 2종의 Network-RTK 수신기를 이용하여 실측하였다. 측지기준계와 높이기준이 각각 다른 Network-RTK 수신기로부터 구한 지상기준점의 위치좌표를 좌표변환과 지오이드 모델(KNGeoid13)을 적용하여 세계측지계 좌표로 변환한 후, Static GNSS 측량 좌표와의 차이를 구하여 정확도를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- Static GNSS 측량 관측 자료는 Leica Geo Office (LGO) S/W에 의해 기선해석, 망조정, 좌표변환되어 측점들의 ITRF2000 기준 평면직각좌표와 표고를 계산하였다. GCP에서 Network-RTK 측량과 Static GNSS 측량으로 구한 평면직각좌표 및 표고 오차로부터 Network-RTK 측량의 지상기준점 측량 적용성을 검토하였다.
- Static GNSS 측량 관측자료 처리는 LGO S/W에 의해서 국가기준점 3점(통합기준점 2점, 수준점 1점)을 차례로 기준점으로 선정하고 측점(GCP 14점 및 수준점 1점)을 이동국으로 선정하여 기선해석을 하고, 이후에 측점을 차례로 기준점으로 선정하고 나머지 점들을 이동국으로 선정하여 기선해석을 하였다.
- 국가기준점과 GCP에서 2종의 Network-RTK 수신기로 측량하여 얻은 위치좌표를 ITRF2000 좌표계로 변환한 성과(평면과 표고)와 기준성과인 Static GNSS 측량 성과와의 오차로부터 Network-RTK 측량 정확도를 분석하였다.
- 즉, 국가기준점(통합기준점, 삼각점, 수준점 등), 공공기준점, 지적기준점 등과 같이 고시성과가 있는 측점에서 Network-RTK 측량 정확도를 평가하였다. 또한, Network-RTK 수신기에 내재된 지역좌표계 변환법(로컬라이제이션)을 통해 한국측지계(Bessel 타원체) 좌표를 구하여 정확도를 평가하였다.
- 먼저, TOPCONTOPCON사 Network-RTK 수신기를 사용하여 1초 간격으로 10초 동안 관측한 결과를 1회 관측으로 설정하였고, 1회 관측 후 Network-RTK 수신기를 측점으로부터 30m 근방으로 이동 후 위성신호를 초기화 한 후 다시 측점에서 관측을 실시하였다. 최종 Network- RTK 측량 성과는 3번 반복 관측한 결과를 산술평균하여 ITRF2000(GRS80 타원체) 기준 평면직각좌표와 타원체고를 획득하였으며, 타원체고에서 지오이드고(지오이드 모델, KNGeoid13 기준)를 감하여 표고를 계산하였다.
- 본 연구는 해안지역의 항공사진도화용 GCP의 위치를 필요한 정확도로 측량할 수 있는지 검증하기 위해 먼저 선점한 GCP에서 TOPCON사와 KOSECO사 두종류의 Network-RTK 수신기를 사용하여 NetworkRTK 측량을 수행하고, 이 중에 선별한 14점과 고정점으로 사용하지 않은 수준점 1점에서 Static GNSS 측량을 20분씩 수행하였다.
- 즉, 측점은 해안을 따라 남북으로 길게 배치되어 있는데 반해, 통합기준점(U0442와 U0443)은 측량지역 북부에 위치하므로, 통합기준점 1점(U0443)과 선행연구에서 수평위치가 정해진 수준점 1점(12-00-30-06)을 기준국으로 선정하였다. 이들 국가기준점 2점에 GNSS 수신기 1세트(System 300, Leica)씩을 각각 설치하여 계속 관측하고, GNSS 수신기 1세트(System 500, Leica)는 측점(GCP 14점과 수준점 1점)에 차례로 설치하여 약 20분씩 관측하였다. Table 1은 Static GNSS 측량에 사용된 국가기준점과 사용된 좌표의 출처이며, Fig.
- GNSS 측량 망조정을 통해 얻은 측점의 좌표는 WGS84기준이므로 한국측지좌표계(ITRF2000)에 기준한 평면 직각좌표와 표고를 산출하기 위해서 좌표변환이 필요하다. 좌표변환은 기준점 3점의 3차원 위치좌표를 이용한 one step 방식, 투영변환은 중부원점의 평면직각좌표(E=200,000m, N=600,000m)와 축척계수로 1.0, 그리고 ITRF2000좌표계의 기준타원체로 GRS80 타원체를 적용하였다.
- 이와 같이 Network-RTK 측량관련 연구는 주로 공공기준점, 실시간 이동체 측위, 지적 기준점에서 평면좌표와 수준점에서 표고 정확도 분석에 집중되었다. 즉, 국가기준점(통합기준점, 삼각점, 수준점 등), 공공기준점, 지적기준점 등과 같이 고시성과가 있는 측점에서 Network-RTK 측량 정확도를 평가하였다. 또한, Network-RTK 수신기에 내재된 지역좌표계 변환법(로컬라이제이션)을 통해 한국측지계(Bessel 타원체) 좌표를 구하여 정확도를 평가하였다.
- , 2012)에서 Static GNSS 측량으로 평면위치를 구한 수준점(12-00-30-06)을 기준점(평면좌표 및 표고)으로 대용하였다. 즉, 측지계 변환을 위한 기준점 측량은 통합기준점 2점과 수준점 1점에 GNSS 수신기 1세트씩을 설치하고 2시간 동안 관측하였다.
- Network-RTK 측량을 항공사진도화용 지상기준점측량에 적용할 때의 효용성을 평가하기 위해 2종의 Network-RTK 수신기를 이용하여 실측하였다. 측지기준계와 높이기준이 각각 다른 Network-RTK 수신기로부터 구한 지상기준점의 위치좌표를 좌표변환과 지오이드 모델(KNGeoid13)을 적용하여 세계측지계 좌표로 변환한 후, Static GNSS 측량 좌표와의 차이를 구하여 정확도를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- KOSECO의 Network-RTK 장비(Hi-Target V30 수신기와 SurveyPro V5.0을 장착한 MB3000-LB 컨트롤러)를 사용하여 3일간(2013년 8월 12일∼14일) 국가기준점 및 GCP을 포함한 총 40점에서 한국측지계 기준 평면직각좌표와 지오이드모델(EGM96)에 기반한 표고를 획득하였다.
- TOPCON의 Network-RTK 장비(HiPer II 수신기와 TopSURV V8.2.3을 장착한 FC-250 컨트롤러)를 이용하여 2013년 9월 26일에 국가기준점 및 GCP를 포함한 총 17점(GCP No. 7504는 망실되어 제외)에서 ITRF2000 기준 평면직각좌표와 타원체고(ellipsoidal height)를 획득하였다. 이때에 평면직각좌표는 Static GNSS 측량 성과와 동일한 측지좌표계이므로 좌표변환은 필요하지 않으나, 높이는 타원체고이기 때문에, 동일 측점의 Network-RTK 측량 성과와 Static GNSS 측량 성과를 비교하기 위해서는 표고(orthometric height)로 환산하여야 한다.
- 본 연구에서 Static GNSS 측량은 GNSS 수신기(Leica) 3세트를 이용하여 2일간(2013년 8월 13일∼14일) 수행되었다.
- 본 연구에서는 Static GNSS 측량에서 기준점으로 사용된 3개의 국가기준점(통합기준점: U0442와 U0443, 수준점: 12-00-30-06)에서 Network-RTK 측량 위치좌표(ITRF2000 기준)의 Static GNSS 측량 위치좌표(ITRF2000기준) 오차 평균값은 #, #, #이었다.
- GNSS 기준좌표계(WGS84)로부터 우리나라 측지좌표계(ITRF2000)로 좌표변환을 위해서는 최소한 3점의 기준점이 필요하다. 본 연구의 대상지역인 태안군 안면도 백사장 해수욕장 주위에 위치한 통합기준점 3점 중 1점(U0446: 충남 태안군 안면읍 승언리, 안면고등학교 소재)는 주변에 철망이 설치되어 GNSS 관측 환경이 좋지 않아 부득이 선행 연구(Lee et al., 2012)에서 Static GNSS 측량으로 평면위치를 구한 수준점(12-00-30-06)을 기준점(평면좌표 및 표고)으로 대용하였다. 즉, 측지계 변환을 위한 기준점 측량은 통합기준점 2점과 수준점 1점에 GNSS 수신기 1세트씩을 설치하고 2시간 동안 관측하였다.
- 이때에 기준국으로 활용될 국가기준점이 측량지역 한편에 배치될 경우, GNSS 측량의 정확도가 낮아질 우려가 있다. 즉, 측점은 해안을 따라 남북으로 길게 배치되어 있는데 반해, 통합기준점(U0442와 U0443)은 측량지역 북부에 위치하므로, 통합기준점 1점(U0443)과 선행연구에서 수평위치가 정해진 수준점 1점(12-00-30-06)을 기준국으로 선정하였다. 이들 국가기준점 2점에 GNSS 수신기 1세트(System 300, Leica)씩을 각각 설치하여 계속 관측하고, GNSS 수신기 1세트(System 500, Leica)는 측점(GCP 14점과 수준점 1점)에 차례로 설치하여 약 20분씩 관측하였다.
- 측점(신점)에 대한 Static GNSS 측량은 가용 GNSS 수신기가 총 3세트 이었으므로, 2세트는 기준국, 1세트는 이동국으로 활용하였다. 이때에 기준국으로 활용될 국가기준점이 측량지역 한편에 배치될 경우, GNSS 측량의 정확도가 낮아질 우려가 있다.
데이터처리
- Network-RTK 측량에서 HiPer II(TOPCON) 수신기로 측량하여 얻은 측점의 ITRF2000 기준 평면직각좌표와 타원체고로부터 지오이드모델(KNGeoid13)의 지오이드고를 적용하여 정표고를 구하고, Static GNSS 측량으로 구한 ITRF2000 기준 평면직각좌표와 정표고와의 오차(Ex, Ey, EH)를 계산하였다. 이들 각 측점의 오차로부터 식 (1)과 같이 평균제곱근오차(RMSE)를 구하였다.
이론/모형
- 국토지리정보원의 좌표변환 S/W인 NGI Pro(Version 2.54)를 이용하여 한국측지계 기준 평면직각좌표를 ITRF2000 평면직각좌표로 변환하였다. 그 과정은 Fig.
- 한편, KOSECO Network-RTK 수신기를 사용하여 1초 간격으로 측량하여 구한 위치좌표는 우리나라에서 2009년 12월 31일까지만 사용된 측지기준계인 한국측지계 기준 평면직각좌표와 지오이드모델(EGM96)을 적용한 표고이었다. 따라서 KOSECO사 Network-RTK 수신기에 의해 구한 한국측지계(Bessel 타원체) TM좌표는 국토교통부 국토지리정보원(http://www.ngii.go. kr)의 좌표변환 S/W NGI Pro(Version 2.54)을 이용하여 ITRF2000 TM좌표로 변환하였다.
- 측지기준계의 좌표변환은 Bursa-Wolf모델, Veis모델, Molodensky-Badekas모델 등이 적용되고 있으나, 본 연구에서 사용한 NGI Pro(Version 2.54)는 이중 Molodensky-Badekas 모델(Badekas, 1969)을 적용하였다(NGII, 2003b).
성능/효과
- 둘째, Network-RTK 측량으로 한국측지계 기준(Tokyo Datum) 평면직각좌표와 정표고(EGM96 기준)를 구하고, 국토지리정보원 좌표변환 S/W에 의해 ITRF2000 기준 평면직각좌표로 변환 한 경우, 평면직각좌표 및 정표고에는 정오차가 내포되어 있었다. 이 경우에도 국가기준점 성과를 이용하여 평면직각좌표 및 정표고의 정오차를 보정하면 국토지리정보원 항공 사진측량 작업규정의 지상기준점측량 허용오차를 만족하였다.
- 본 연구에서 Static GNSS 측량 성과를 정확값으로 한 Network-RTK 측량 평면좌표와 정표고의 오차는 편의가 포함될 수 있으나, 국가기준점 성과를 이용하여 이를 보정할 수 있으며, 편의가 보정된 Network-RTK 측량 성과는 국토지리정보원 항공사진측량 작업규정(NGII, 2013b)에서 규정하고 있는 지상기준점측량의 평면기준점과 표고기준점의 허용오차 범위 내에 있음을 알 수 있었다. 즉, Network-RTK 측량은 수신기 기종과 내장 S/W에 관계없이 적절한 좌표변환과 국가기준점 성과를 이용한 편의보정이 가미되면 품질과 경제성이 우수한 항공사진 GCP 측량으로 이용될 수 있을 것이다.
- 첫째, Network-RTK 측량으로 ITRF2000 기준 평면직각좌표와 타원체고를 구하고, 지오이드모델(KNGeoid13)을 적용하여 정표고를 구한 경우 Network-RTK 측량은 국토지리정보원 항공사진측량 작업규정의 지상기준점측량 허용오차를 만족하였다.
- 먼저, TOPCONTOPCON사 Network-RTK 수신기를 사용하여 1초 간격으로 10초 동안 관측한 결과를 1회 관측으로 설정하였고, 1회 관측 후 Network-RTK 수신기를 측점으로부터 30m 근방으로 이동 후 위성신호를 초기화 한 후 다시 측점에서 관측을 실시하였다. 최종 Network- RTK 측량 성과는 3번 반복 관측한 결과를 산술평균하여 ITRF2000(GRS80 타원체) 기준 평면직각좌표와 타원체고를 획득하였으며, 타원체고에서 지오이드고(지오이드 모델, KNGeoid13 기준)를 감하여 표고를 계산하였다.
- 즉. 항공사진 지상기준점측량에서 적절한 지오이드 모델이나 좌표변환을 적용하면 수신기 1세트와 측량시간이 1분 이내인 Network- RTK 측량은 GNSS 수신기 2세트 이상을 필요로 하는 RTK 측량이나 GNSS 수신기 2세트 이상으로 장시간의 관측이 필요한 Static GNSS 측량의 실용적인 대안임을 알 수 있었다.
후속연구
- 본 연구에서 Static GNSS 측량 성과를 정확값으로 한 Network-RTK 측량 평면좌표와 정표고의 오차는 편의가 포함될 수 있으나, 국가기준점 성과를 이용하여 이를 보정할 수 있으며, 편의가 보정된 Network-RTK 측량 성과는 국토지리정보원 항공사진측량 작업규정(NGII, 2013b)에서 규정하고 있는 지상기준점측량의 평면기준점과 표고기준점의 허용오차 범위 내에 있음을 알 수 있었다. 즉, Network-RTK 측량은 수신기 기종과 내장 S/W에 관계없이 적절한 좌표변환과 국가기준점 성과를 이용한 편의보정이 가미되면 품질과 경제성이 우수한 항공사진 GCP 측량으로 이용될 수 있을 것이다.
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