Accuracy Analysis of Unified Control Point Coordinate Using GAMIT/GLOBK Software

GAMIT/GLOBK를 활용한 통합기준점 성과 정확도 분석

Abstract

This paper planned for the adjustment of unified control points by compared adjusted software for integrated network and the national integrated network. There may be some errors in the survey date and interpretation of data processing due to applying different software each year. To minimize errors, we performed a precision network adjustment by consolidating control points per observation session over years. Prior to perform the integrated network adjustment with the GPS analysis program (GLOBK) for the final integrated network adjustment, the Quasi-Observation Combination Analysis(QOCA), the Global Kalman filter VLBI and the GLOBK were compared and analyzed to perform an integrated network adjustment. The integrated network adjustment result indicates that the RMSE was rather big with ±0.03m along the vertical axis, but ±0.006m along the horizontal, that is not much different from the existing result.

본 논문에서는 통합기준점의 통합망 조정을 위해 학술용 망조정 소프트웨어에 대해 비교하고, 전국 단위로 통합망 조정을 실시하였다. 기존 통합기준점의 평면좌표 결정에서는 연도별로 다른 소프트웨어를 사용하였기 때문에 측량 시점과 데이터처리 해석 방법에서 오차가 발생하였으며, 이러한 오차를 줄이기 위해 다년간에 걸쳐 관측한 세션별 관측망을 하나의 망으로 구성하여 통합망 조정을 수행하였다. 통합망 조정을 위해서 Quasi-Observation Combination Analysis(QOCA)와 Global Kalman filter VLBI and GPS analysis program(GLOBK)를 비교·분석하였으며, 최종적인 통합망 조정 처리에는 GLOBK를 사용하여 단일 망조정을 실시하였다. 전국 단위의 통합망 조정을 실시한 결과, 수직방향의 RMSE는 ±0.03m 로서 다소 크게 나타났지만, 수평방향의 RMSE는 ±0.006m로서 기존결과와 근사한 결과를 얻을 수 있었다.

1. 서 론

현재 우리나라의 국가기준점 체계에서 수평기준점은 세계측지계 상의 수평성과를 이용하고, 수직기준점은 인천만의 평균해면을 기준으로 높이성과를 이용하고 있다. 이러한 수평기준점과 수직기준점의 이원화는 측량 작업 시 불편을 초래하고 있다. 이로 인해 전국적으로 수평과 수직성과가 일원화된 기준점 체계의 필요성이 커지면서, 국토지리정보원에서는 사용자의 편익과 측량능률의 향상을 위해 2008년부터 2010년까지 3년에 걸쳐 ‘통합기준점 구축 사업’을 실시하였으며, 전국에 걸쳐 수평, 수직, 지구물리성과를 동시에 제공하는 약 1,200여점의 통합기준점을 전국에 10㎞×10㎞간격으로 설치하였다(Yun, 2011; Kwon, 2008).

3년에 걸쳐 관측·처리된 통합기준점에 대한 단일 망조정을 실시할 필요가 있는데, Lee et al.(2007)에서는 GPS 망조정을 2등 측지기준점에 대해 Bernese 소프트웨어를 사용하여 국토지리정보원에서 운영 중인 13개의 GPS 상시관측점을 고정하여 통합망 조정을 실시하였고, Jung et al.(2011)에서는 24점의 위성 기준점망과 6,900여점의 GPS 관측점으로 이루어진 시험망을 구성하고 측지망 조정을 실시하였다.

또한 통합기준점의 평면좌표를 결정하기 위해 학술용 GPS 해석 소프트웨어를 사용하였으나, 연도별로 다른 소프트웨어를 사용하였기 때문에 측량 시점과 데이터처리 해석 방법에서 오차가 발생할 수 있다(Yun, 2011). 이러한 오차를 줄이고 단일 망으로 조정하기 위한 소프트웨어 비교 연구로 Lee et al.(2005)에서는 GPS 망조정 S/W의 성과 안정성을 확보하기 위해 SKI Pro, TGO, GeoLab의 비교·분석을 실시하였으며, 그 결과 경위도에서 최대 0.005＂와 높이에서 19mm의 차이를 보여주었으나, 보다 높은 정밀도의 학술용 소프트웨어의 비교가 필요할 것으로 판단되었다.

본 연구에서는 이러한 오차를 줄이기 위해 다년간에 걸쳐 관측한 세션별 관측망을 하나의 통합망으로 구성하고 NASA 제트 추진 연구소에서 개발된 QOCA와 MIT에서 개발된 GLOBK를 사용하여 통합망 조정을 수행하였으며, 두 가지 방법으로 비교·분석하였다. 우선 기존 GAMIT결과를 통해 기선 해석된 데이터를 사용하여 QOCA를 이용한 망조정을 실시하고, 전국 범위 43개의 상시관측소를 고정하여 GLOBK로 재 망조정하였다. 이 결과를 바탕으로 약 1,200여점의 통합기준점 망조정에 GAMIT/GLOBK를 사용하여 전국적으로 균일한 성과를 얻을 수 있었다.

 

2. 관측데이터 처리 방법 및 처리 소프트웨어

2.1 관측데이터 처리 방법

본 연구에서는 국토지리정보원에서 다년간 설치·관측한 1,200여 점의 통합기준점에 대해 통합망 조정 작업을 수행하고자 한다. 다년간 설치·관측된 통합기준점 망구성도는 Fig. 1과 같으며, Table. 1은 처리 시점 및 처리 방법 등의 연도별 통합기준점의 현황을 보여준다.

Fig. 1.The network map of 2008∼2010 permanent station

Table 1.Statistics of annual permanent station

1,200여 점의 통합기준점 처리에 앞서 통합망조정에 사용할 소프트웨어에 대한 연구를 위해 2008년에 서울시, 경기도, 강원도, 충청남도, 충청북도 일원에 설치·관측된 275점의 통합기준점을 연구대상 지역으로 선택하였다.

2.2 처리 소프트웨어

본 연구에서는 각 연도별로 서로 다른 소프트웨어를 사용하였기 때문에 단일된 망으로 조정하기위해 무료로 제공하고 있는 학술용 망조정 소프트웨어인 QOCA와 GLOBK를 사용하였다.

QOCA는 미국 NASA의 제트 추진 연구소에서 비상업적인 목적으로 개발되었으며, 지각의 변형 정보를 얻기 위해 다양한 관측점의 위치와 이동속도 해석을 결합한 소프트웨어이다. 또한 QOCA는 GPS, VLBI, SLR 등과 같은 위성관측치와 EDM, 삼각측량, 수준측량 등과 같은 지상 관측치를 통합하여 처리할 수 있는 후처리용 소프트웨어이다. 또한 SAR 데이터와 중력데이터, 지진 및 지각변동량 데이터를 통합하여 처리할 수 있는 잠재적인 기능을 가지고 있다(Dong et al., 1998; Kang, 2003; Jet Propulsion Laboratory, 2001).

또한 GAMIT/GLOBK는 GPS 관측값들을 해석하기 위한 일련의 소프트웨어들의 집합체로서 주된 사용 분야는 지각 변동에 관한 연구이다. 이 소프트웨어는 MIT와 미국 스크립스(Scripps)에 위치한 해양과학연구소 그리고, 하버드 대학이 국립과학재단의 지원을 받아 공동으로 개발하였다.

GLOBK는 GPS, VLBI, SLR등의 다양한 우주측지기술 관측 자료들을 서로 결합하는 것을 주요 목적으로 하는 칼만필터 프로그램이다. GLOBK는 이러한 관측값들을 준 관측값으로 사용하여 지상의 기준국들의 3차원 좌표와 지구지형요소들, 궤도 매개변수들에 대한 최적값을 추정하는 작업을 수행한다. 입력 관측값들은 약한 구속을 가지는 지구 관련 매개 변수들을 이용하여 처리되며, 결과적으로 최종적인 결합 시에 각 관측값들이 균일한 구속값을 가지고 결합될 수 있도록 한다(Yun, 2010; Herring et al., 2010a; Herring et al., 2010b).

 

3. GNSS 데이터 처리

기존에 처리되어 있는 통합기준점은 주변 22개의 상시관측소를 GAMIT/GLOBK 소프트웨어를 사용하여 데이터 처리를 하였으나, 이번 연구에서는 크게 두가지 방법을 이용하여 결과에 대한 비교·분석을 실시하였다. 첫째로, 기존 GAMIT을 통해 기선해석된 데이터를 사용하고 QOCA를 사용하여 망조정을 실시하였으며, 둘째로, 전국적으로 고른 성과를 얻기 위해 전국 범위의 43개의 상시관측소를 GAMIT으로 기선 해석을 재실시하고 GLOBK 소프트웨어를 사용하여 망조정을 실시하였다. Fig. 2는 2009년 통합기준점 처리에 사용한 상시관측소 및 망구성도이다.

Fig. 2.The network map in 2009

3.1 QOCA에 의한 데이터 처리 결과 및 분석

QOCA를 사용한 재처리결과에 대해 기존 통합기준점 처리결과와 비교했다. Fig. 3은 기존 통합기준점 처리에 사용한 상시관측소 및 망구성도이며, Table 2는 GLOBK로 망조정한 결과와 QOCA를 사용하여 재망조정한 결과와의 차이를 나타낸다.

Fig. 3.Network map for QOCA process

Table 2.A comparison of QOCA processing result

Table 2와 같이 두 성과차이에 의한 RMSE를 이용한 정확도 평가결과는 N방향으로 ±0.006m, E방향으로 ±0.003m이고, 수평방향으로 ±0.007m, 수직방향으로 ±0.007m로 계산되었다. 기존 사용된 통합기준점 결과와 QOCA를 통해 재망 조정한 결과의 차이는 수평 및 수직방향으로 ±0.006m의 차이를 보인다.

하지만 QOCA 소프트웨어의 처리 가능 최대 점수가 750점인 한계가 존재하며, 2009년에 Bernese로 처리된 기선해석 파일에 대한 포맷 변환에 문제가 발생하여 이에 대한 추가 연구를 할 필요가 있다고 보인다.

3.2 GLOBK에 의한 데이터 처리 결과 및 분석

전국적으로 고른 성과를 얻기 위해 전국 범위의 43개의 상시관측소를 GAMIT으로 기선해석을 재실시하고 GLOBK 소프트웨어를 사용하여 망조정을 실시하였다. Fig. 4는 전국 범위의 43개의 상시관측소 및 통합기준점 275점에 대한 분포도이다.

Fig. 4.Network map for GLOBK process

GAMIT/GLOBK로 재처리한 결과, 품질이 나쁘다고 판단되는 상시관측소 2개소(영광(YONK), 천안(CHEN)를 제외하고 재처리한 결과를 기존에 처리되어있는 처리결과와 비교하였다. Table 3은 기존에 처리한 결과를 새롭게 처리한 결과와의 차이를 나타낸다.

Table 3.A comparison of GAMIT/GLOBK processing result

위 Table 3과 같이 두 성과차이에 의한 RMSE를 이용한 정확도 평가결과는 N방향으로 ±0.008m, E방향으로 ±0.002m이고, 수평방향으로 ±0.008m, 수직방향으로 ±0.004m로 계산되었다. 기존에 처리되어있는 결과와 재망조정한 결과의 차이는 수평방향으로 ±0.008m, 수직방향으로 ±0.004m의 차이를 보인다.

 

4. 통합망 조정 결과 및 분석

4.1 데이터 처리

QOCA 소프트웨어의 최대 가능 망조정 site 수가 750점인 한계로 인해 이번 약 1,200점의 통합기준점 처리에 적합하지 않았다. 따라서 이번 연구에서는 다년간에 걸쳐 처리된 데이터에 대해 측량시점, 측량해석방법 등의 오차로 인한 측량오차를 최대한 줄이고자 GLOBK를 사용하였다. Fig. 5는 통합기준점 분포 및 전국 범위의 망 구성도이다.

Fig. 5.Unified control point distribution map and network map

4.2 데이터 처리 결과

GLOBK로 재처리한 결과, 망조정시 43개소의 상시관측소를 고정점으로 사용하였으나, 영광(YONK), 천안(CHEN) 2개소를 제외한 41개소를 고정점으로 사용하여 처리되었다. GLOBK를 사용하여 망조정시, 기준좌표계 계산 결과 고정점 항목에서 제거시키는 경우는 위치오차가 크고 정규 표준 오차가 4 이상이기 때문에 고정점 항목에서 제거하는데, 이것은 제외된 상시관측소에 대한 고시좌표의 문제가 아니라 관측 당일의 자료 품질에 따른 것으로 보인다.

처리 시 특이사항으로는 첫째, 취득데이터의 불량인 2점(U0072, U0128)의 통합기준점에 대해서는 사용가능한 부분 으로 데이터를 수정하여 처리를 하였고, 둘째, 1,200여점의 통합기준점 중 5점(U0006, U0102, U0603, U0996, U1161)의 고시성과가 존재하지 않아 처리 비교를 하지 못하였으며, 마지막으로 이설 등에 의해 차이가 큰 2점(U0830, U1146)을 제외한 후 나머지 점에 대해 기존에 처리되어있는 성과와 비교·분석하였다.

Table 4는 통합망 조정한 결과 및 정밀도, 그리고 기존 3개년에 걸쳐 수행한 각각의 결과와의 좌표차이를 보여주며, 1,193개의 통합기준점 중 일부를 보여준다.

Table 4.A comparison of integrated network adjustment result

North, East, Height 성분에 대한 정밀도의 분포도는 Fig. 6과 같다. 두 성과차이에 의한 각 성분별 정밀도를 살펴보면, N방향으로 평균 0.006m(표준편차=±0.003m)이며, E방향으로 평균 0.006m(표준편차=±0.003m)인 것을 알 수 있다. 수직방향으로는 평균 0.028m(표준편차=±0.014m)의 결과가 나왔다.

Fig. 6.Accuracy distribution graph of north, east and height

4.3 계산 결과의 비교·분석

기존에 처리되어있는 성과와 새롭게 망조정된 성과의 차이에 대한 North방향, East방향, 수평방향, 수직방향 분포를 살펴보면, Fig. 7과 같다.

Fig. 7.Frequency distribution graph of north, east, horizontal and vertical error(mm)

Table 4에 정리한 결과를 보면, 기존에 처리되어있는 결과에서 결정된 좌표와 비교한 결과 N방향으로는 평균 0.001m(표준편차=±0.005m)인 것을 알 수 있고, E방향으로는 평균 -0.002m(표준편차=±0.004m)인 것을 알 수 있다. 최종적으로 수평방향으로는 평균 0.006m(표준편차=±0.003m), 수직방향으로 평균 0.019m(표준편차=±0.024m)의 결과가 나왔다.

계산 결과의 정확도는 기존 결과와 GLOBK를 이용하여 전국적으로 새롭게 망조정 계산된 결과에 대한 RMSE를 계산하여 평가하였다. RMSE를 이용한 정확도 평가결과는 N방향으로 ±0.005m, E방향으로 ±0.004m이고, 수평방향으로 ±0.006m, 수직방향으로 ±0.031m로 계산되었다.

Fig. 8과 Fig. 9는 새롭게 처리된 결과에 대한 수평방향에 대한 백터도 및 수직방향에 대한 백터도이다. 수평방향 및 수직방향에 대한 백터도를 살펴보면, 수평방향으로는 서울, 경기, 충청도 지역이 일정하게 남쪽 방향으로 향하는 것을 볼 수 있다. 이는 기존 처리에 전국 범위의 상시관측소가 아닌 처리 지역 근처의 상시관측소를 사용하여 이러한 결과가 나왔다고 생각된다. 또한 전국적인 평균 수평방향 오차량이 0.006m로 오차가 적은 것을 알 수 있으며, 수직방향으로는 U0513이 0.451m, U0730이 -0.241m의 차이를 보였지만, 전국적으로 0.019m로 오차가 적은 것을 알 수 있다.

Fig. 8.Horizontal vector diagram

Fig. 9.Vertical vector diagram

다년도에 걸쳐 설치·관측된 1,200여 점의 통합기준점 GPS 관측자료를 43개의 상시관측소 좌표와 연계하여 처리하고 전국 범위의 통합망조정을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 다년도에 걸쳐 각각의 사업연도에 대해 처리된 결과와 하나의 망으로 처리한 결과를 보면, 기존 결과와 오차가 큰 2점(U0830, U1146)과 기존 고시성과가 존재 하지 않는 통합기준점 총 5점(U0006, U0102, U0603, U0996, U1161)을 제외한 평균은 0.006m로 매우 양호하게 나타났다. 이로써 기존 처리 방식과 재처리 방식에 대한 오차가 거의 없음을 알 수 있다. 전국 범위의 통합망조정을 실시한 결과 타원체고 부분의 오차는 다소 크게 나타났으나, 평면좌표의 오차가 모두 0.03m 이하로 정밀하게 계산된 것을 확인할 수 있었다.

 

5. 결 론

본 논문에서는 학술용 망조정 소프트웨어인 QOCA와 GLOBK를 통해 소프트웨어별 망조정 결과를 비교·분석하고, 이를 통해 통합기준점 망조정에 적합하다고 생각되는 GLOBK를 사용하여 전국 단위 단일 망조정을 실시하였으며, 각각 다르게 처리된 성과와의 비교·분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 275점의 통합기준점에 대해 QOCA를 사용하여 재망조정한 결과와의 RMSE를 분석한 결과, 수평방향으로 약 ±0.006m, 수직방향으로 약 ±0.007m로서 기존결과와 근사한 결과를 얻을 수 있었다. 또한 전국적으로 균일한 성과를 얻기 위해 관측 지역별 상시관측소 이외에 전국 범위의 상시관측소를 추가하여 GAMIT/GLOBK로 처리한 결과, 지역별 처리결과와의 차이는 수평방향으로 약 ±0.008m, 수직방향으로 약 ±0.004m의 차이를 보였다. 2. 단일 망조정을 실시한 결과와의 RMSE를 살펴보면, 수직방향으로는 ±0.03m 로서 오차는 다소 크게 나타났지만, 수평방향으로 ±0.006m 로서 기존결과와 근사한 결과를 얻을 수 있었다. 또한 다년도에 걸쳐 처리된 결과와 단일 망조정 처리 결과를 보면, 오차가 큰 2점(U0830, U1146)과 기존 고시성과가 존재 하지 않는 5점(U0006, U0102, U0603, U0996, U1161)을 제외한 1,193점의 평균은 0.006m로 기존 처리 방식과 재처리 방식에 대한 오차가 거의 없음을 알 수 있다. 3. 수평방향 백터도를 살펴보면, 서울·경기·충청도 지역이 일정하게 남쪽 방향으로 향하는 것을 볼 수 있다. 전국적인 평균 수평 오차량은 0.006m로서 적은 것을 알 수 있으며, 수직방향으로는 U0513이 0.45m, U0730이 -0.240m의 차이를 보였지만, 전국적으로 0.019m로 오차가 적은 것을 알 수 있다. 4. 향후 통합기준점 뿐 아니라 여러 GNSS 데이터의 단일한 성과를 얻기 위해 다양한 소프트웨어에 대한 연구가 필요하며, 망조정시 고정점배치 및 고정점수에 따른 비교·분석이 필요할 것이다.