국가수직기준체계

왜 배우는가: 국가 높이 기준이 육상과 해상으로 나뉘어 있으면 연안 지역의 측량과 사업 계획에서 높이 값이 서로 맞지 않는다. 이 문제는 반복해서 출제되는 주제이므로 기준면의 차이와 높이 변환의 원리를 정확히 알아야 한다.

출제 이력: 제113회 4교시 3번, 제99회 3교시 1번, 제93회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

국가수직기준체계는 국토 전체의 높이를 하나의 기준면에서 재도록 정한 국가 높이 체계이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 수직기준
• 기본수준면
• 평균해수면
• 수준원점
• 지오이드
• 정표고
• 타원체고
• 육상·해상 이원화

이 여덟 용어는 육상과 해상의 높이를 함께 설명할 때 모두 필요하며, 다음 절에서 뜻을 풀어 쓴다.

2. 개념 풀이

국가수직기준체계는 높이를 재는 기준면인 수직기준을 국가 단위로 정하고, 그 기준면에 연결된 수준점과 기준점의 높이 체계를 유지하는 제도이다. 높이는 기준면에서 연직 방향으로 잰 거리이므로, 기준면이 달라지면 같은 지점이라도 높이 값이 달라진다. 우리나라에서 육상 높이는 인천만 평균해수면을 기준으로 정한 수준원점에서 출발하는 수준측량 체계로 관리된다.

해수면은 조석, 해류, 기압, 수온, 염분의 영향을 받아 시간과 장소에 따라 변한다. 평균해수면은 일정 기간의 조위를 평균하여 얻은 값이며, 관측 기간과 관측 지점에 따라 값이 달라진다. 관측 기간을 길게 잡는 이유는 단기간의 조위 변화가 평균값을 흔들지 않도록 하기 위해서이다. 육상 기준은 이렇게 정한 한 지점의 평균해수면을 국가 기준으로 삼고, 수준측량으로 그 높이를 전국의 수준점에 차례로 전달하는 방식이다.

수준측량은 레벨로 두 점 사이의 높이차를 연속해서 관측하여 기준점의 높이를 전달하는 측량이다. 관측 노선은 왕복으로 관측하고, 두 방향의 높이차가 허용 범위를 넘지 않는지 점검한다. 이렇게 얻은 관측값은 최소제곱 조정으로 정리하여 모든 수준점의 높이를 하나의 체계로 맞춘다.

높이는 기준면의 종류에 따라 세 가지로 구분된다. 정표고는 지오이드에서 잰 높이이고, 타원체고는 기준타원체 표면에서 잰 높이이며, 지오이드고는 타원체와 지오이드 사이의 간격이다. 정표고는 타원체고에서 지오이드고를 뺀 값이다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$H = h - N$

여기서 H는 정표고(m), h는 타원체고(m), N은 지오이드고(m)이다. 위성측위로 얻는 높이는 타원체고이므로, 국가 높이 체계와 맞추려면 지오이드고를 알아야 한다.

평균해수면은 조위를 일정 기간 평균하여 정한 해수면 높이이며, 육상 높이의 출발 값으로 쓰인다.

기본수준면은 해도의 수심과 조석 높이를 표시하는 해상 기준면이며, 조위관측소의 자료로 정한다.

수준원점은 국가 높이 체계의 출발점이 되는 기준점이다.

지오이드는 평균해수면을 육지 아래까지 이은 가상의 면으로, 중력의 방향에 수직인 등포텐셜면이다.

이 구조에서 핵심은 육상과 해상의 높이 기준은 서로 다른 기준면에 근거한다. 그 결과 같은 연안 지점의 육상 표고와 해상 수심을 그대로 맞춰 쓸 수 없다.

3. 등장 배경과 필요성

육상 높이는 국토 측량을 맡은 기관이 수준측량으로 관리해 왔고, 해상 높이는 해양 관측 기관이 조위 관측으로 정한 기본수준면을 기준으로 관리해 왔다. 두 기관은 측량의 목적과 활용 분야가 달라서 기준면도 따로 정하였다. 그 결과 연안 지역에서 육상 표고와 해상 수심이 하나의 높이 기준으로 연결되지 않는 문제가 생겼다.

연안공간의 개발과 이용이 늘면서 해안선 주변의 지형, 구조물, 해저 정보를 하나의 높이 체계에서 다뤄야 할 필요가 커졌다. 항만과 해안 매립, 해양 시설 건설처럼 육상과 해상을 잇는 사업에서는 설계와 시공 자료의 높이 값이 같은 기준이어야 서로 맞는다. 기준이 다르면 같은 구조물도 자료마다 높이가 다르게 기록되어 사업 전체의 정확도가 떨어진다.

위성측위 기술이 보편화되면서 타원체고는 쉽게 얻게 되었다. 그러나 이 값을 실무의 정표고로 바꾸려면 정확한 지오이드 모델이 필요하다. 지오이드 모델의 정밀도가 변환된 높이의 정밀도를 결정하므로, 수직기준의 통일은 모델 구축 문제와 직결된다.

학계에서는 육상과 해상의 수직기준면이 서로 다른 점을 지오이드 모델의 차이로 설명하고, 두 높이 정보를 하나로 바꾸는 변환 모델을 연구해 왔다. 2013년에 발표된 연구가 그 예이며, 두 기준면에 맞춘 하이브리드 지오이드 모델의 차이를 이용하여 변환 모델을 만드는 접근이다.