Development of a GNSS/Gravity Integrated Surveying System and Geoid Model Improvements: An Approach Based on Smartphone and Parallel Computing

Abstract

최근 정보통신기술의 발달에도 불구하고, 전통적인 GNSS (global navigation satellite system) 측량과 중력측량을 통한 관측과 자료 수집을 위해서는 GNSS 수신기와 컨트롤러, 중력계, 무선 환경 제공이 가능한 모바일 장치, 자료 처리를 위한 컴퓨터 등이 필요하다. 이는 비효율적인 장비운용에 따른 현장 작업자의 이동성 저하와 작업 능률을 떨어뜨리는 요인으로써, 이 대한 개선 요구가 증대되고 있다. 본 연구의 목적은 디지털 컨버전스 (digital convergence) 시대의 최대 화두로 급부상한 스마트폰을 중심으로 블루투스 기술, 네트워크 RTK (real-time kinematic) 측량 기술, 그리고 중력보정 방법을 이용하여 GNSS 측량과 중력측량을 쉽고 편리하게 수행할 수 있는 스마트폰 기반의 GNSS/중력 통합 측량시스템을 개발하는 데 있다. 통합 측량시스템 개발에 앞서, GNSS 측량에서 정표고의 정확도에 영향을 미치는 지오이드모델의 정확도를 개선하였다. 지역적 지오이드모델의 정확도는 지구중력장 모델을 이용한 구면조화분석(SHA, spherical harmonic analysis)에 의해 계산된 지오이드 모델과 GPS/Leveling 자료를 이용하여 LSC 적합(least-squares collocation fitting) 방법으로 개선할 수 있다. 그러나 이 과정에서 시간 소모 문제가 발생하기 때문에, 본 연구에서는 슈퍼컴퓨터와 최신의 컴퓨터 보유가 어려운 환경(예를 들면, 개발도상국, 저개발국가 등)에서 지오이드모델 개선이 가능하도록 디스크리스 기반의 PC 클러스터 시스템 환경을 구축하고 제안하였다. 그리고 구축된 병렬 컴퓨팅 환경에서 구면조화해석과 LSC 적합을 수행하기 위해, 병렬 컴퓨팅 기법인 하이브리드 MPI/OpenMP 방법을 이용하여 병렬 모델링을 수행하였다. 병렬 모델을 이용한 지역적 지오이드모델의 개선은 최대 차수 지구중력장 모델인 EGM2008을 이용하여 병렬 컴퓨팅 환경에서 병렬 모델 성능 실험, 버금 르장드르 함수의 수치적 안정성(numerical stability) 평가를 위한 64비트와 128비트 자료형을 이용한 구면조화해석 실험, 지구중력장 모델의 한반도 내 정확도 평가, GPS/Leveling 자료의 공간적 분포에 따른 정확도 및 최적 파라미터 탐색 실험을 수행하고, 한반도 내 최적의 지오이드모델을 산정하였다. 그 결과로써, 병렬 모델은 저성능의 클러스터 시스템에서 약 27 배의 속도 개선과 약 99%의 최대 병렬 효율성을 보였다. 병렬 모델을 이용한 한반도 일원에 대한 EGM2008의 구면조화분석 결과로써, 버금 르장드르 함수의 수치적 안정성(numerical stability)은 64비트와 128비트 자료형 모두에서 문제없이 수행되었다. 한반도 일원 내 최적 지구중력장 모델은 EGM2008로써 표준편차 약 0.082 m를 보였으며, GPS/Leveling 자료의 공간적 분포에 따른 실험 결과는 약 40 km 간격의 102 GPS/leveling 자료를 이용한 경우에서 상관 거리가 119.4 km 일 때 가장 좋은 결과를 보였다. 다음, GNSS 수신기와 중력계를 이용한 3차원 위치정보와 중력값을 자동으로 관측 및 수집을 하고, 관리하기 위한 스마트폰 기반의 GNSS/중력 통합 측량시스템을 설계하고 개발하였다. 통합 측량시스템은 블루투스 기반 중력자료 수집 케이블, GNSS 수신기, 중력계, OGC WPS 서버, 안드로이드 기반의 GNSS/중력 측량 앱으로 구성되었다. 블루투스 기반 중력자료 수집 케이블은 블루투스가 탑재되지 않은 중력계에서 관측된 자료를 외부장치에서 자동으로 수집하기 위해 제작되었다. 이는 필기노트를 이용한 자료기록과 별도의 컴퓨터를 이용하여 자료를 수집하고 처리하는 방법에 비해 사용자 오차를 감소시킬 수 있는 장점이 있다. OGC WPS 서버는 저성능의 스마트폰 환경에서 중력보정 수행이 가능하도록 구축되었으며, 이는 사용자의 접근성과 서비스의 유연한 확장성면에서 장점을 지닌다. GNSS/중력 측량 앱은 측량 업무를 프로젝트 단위로 관리 할 수 있도록 설계 및 개발되었다. 앱은 스마트폰에 내장된 블루투스를 통해 GNSS 순시기와 중력계를 이용하여 직접 관측 또는 관측된 자료를 자동으로 수집하고 저장하는 것이 가능하다. 그리고 관측지점의 주변 환경(관측점 소실, 울창한 나무, 고층 건물 등)의 정보를 기록할 수 있는 음성녹음, 사진촬영, 영상녹화, 메모기록 등의 기능을 제공한다. 또한, 앱은 상대중력값에 포함된 오차를 보정하고 절대중력값으로의 변환이 가능한 중력 보정 시스템 (지구조석 보정, 기계변이 보정, 망조정)을 포함한다. 이러한 제안된 시스템의 기능은 GNSS/중력 측량과 함께 준 실시간으로 중력보정이 가능할 뿐만 아니라, 다른 연구자와 관측값 및 중력보정결과를 공유할 수 있는 장점을 제공한다. 끝으로 한반도 일원에서 개선된 지오이드모델과 통합 측량시스템을 이용하여 현장 실험을 하고 시스템을 평가하였다. 실험은 대한민국 부산광역시 일원의 통합기준점 3곳과 수준점 9곳에서 GNSS/중력 측량을 하였다. 실험 결과로써, EGM2008 및 개선된 지오이드 모델에 의해 계산된 정표고는 각 –0.267 ~ –0.151 m, –0.047 ~ 0.046 m 그리고 평균은 –0.196 m와 –0.015 m를 보였다. 이는 개선된 지오이드 EGM2008 보다 낮은 오차의 정표고를 획득하는데 도움을 줄 것으로 판단된다. 중력보정 결과로써, 중력보정 이후 참조표준편차(reference standard deviation)는 0.007 mGal로, 관측 당시의 중력값 표준편차 범위인 0.009 ~ 0.028 mGal보다 낮은 결과를 보였다. 이는 앱에 내장된 중력보정 시스템이 제대로 수행되었음을 의미한다. 이러한 결과는 본 연구에서 제안된 스마트폰 기반의 GNSS/중력 통합 측량시스템이 기존 관측방법보다 현장에서 더 쉽고 편리하게 운용이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 관측자가 관측 장비의 이동과 설치, 3차원 위치정보와 중력자료의 관측, 관측자료의 관리, 처리, 공유 등을 현장에서 별도의 컴퓨터 없이 수행할 수 있는 장점을 제공할 것으로 판단된다.