[Positioning] ROS GPS(WGS84) to UTM 좌표 변환하기

💡 본 문서는 'ROS GPS(WGS84) to UTM 좌표 변환하기'에 대해 정리해놓은 글입니다.
GPS(WGS84), UTM 좌표계 자체에 대한 이해부터 이를 변환하는 라이브러리 사용방법까지 정리하였으니 참고하시기 바랍니다.

1. 좌표계 이해

1) GPS(WGS84)

WGS는 World Gedetic System coordinate의 약어이며, WGS84 좌표계에서 84는 84년도에 제정된 좌표계입니다.

이는 타원체 모양의 지구상 위치를 표현하기 위한 좌표계로, 적도와 본초자오선이 교차하는 점을 기준점(0.0º, 0.0º)으로 합니다.

따라서 표현 자체는 정확하나, 타원체 자체에서의 위치를 표현하기에 면적 거리를 계산하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다.

2) UTM

UTM 좌표계는 Universal Transverse Mercator Coordinate System의 약어입니다.

이는 도면 위에 지구를 넓게 펴서 표시한다고 생각하면 이해하기 쉬우며, 정확히는 3도를 기준으로 지구를 60조각으로 나눈 후 각 단면 펼쳐 직사각형 형태로 만든다고 생각하면 됩니다.

따라서 원형을 펴는 방식이다 보니 왜곡이 존재합니다만, 면적 거리를 계산하는 데 용이합니다.

2. 좌표 변환하기(WGS84 <=> UTM)

1) Python (library: utm)

utm 라이브러리는 'Bidirectional UTM-WGS84 converter for python'이라 설명되어 있으며, 양방향으로 변환하는 파이썬 라이브러리입니다. 다음과 같이 설치해서 사용할 수 있습니다.

$ pip install utm

Usage

>>> import utm
Latitude/Longitude to UTM

Convert a (latitude, longitude) tuple into an UTM coordinate:

>>> utm.from_latlon(51.2, 7.5)
(395201.3103811303, 5673135.241182375, 32, 'U')

• The syntax is utm.from_latlon(LATITUDE, LONGITUDE).
• The return has the form (EASTING, NORTHING, ZONE_NUMBER, ZONE_LETTER).

You can also use NumPy arrays for LATITUDE and LONGITUDE. In the result EASTING and NORTHING will have the same shape. ZONE_NUMBER and ZONE_LETTER are scalars and will be calculated for the first point of the input. All other points will be set into the same UTM zone. Therefore it's a good idea to make sure all points are near each other.

>>> utm.from_latlon(np.array([51.2, 49.0]), np.array([7.5, 8.4]))
(array([395201.31038113, 456114.59586214]), array([5673135.24118237, 5427629.20426126]), 32, 'U')

UTM to Latitude/Longitude Convert an UTM coordinate into a (latitude, longitude) tuple:

>>> utm.to_latlon(340000, 5710000, 32, 'U')
(51.51852098408468, 6.693872395145327)

• The syntax is utm.to_latlon(EASTING, NORTHING, ZONE_NUMBER, ZONE_LETTER).
• The return has the form (LATITUDE, LONGITUDE).

You can also use NumPy arrays for EASTING and NORTHING. In the result LATITUDE and LONGITUDE will have the same shape. ZONE_NUMBER and ZONE_LETTER are scalars.

>>> utm.to_latlon(np.array([395200, 456100]), np.array([5673100, 5427600]), 32, 'U')
(array([51.19968297, 48.99973627]), array([7.49999141, 8.3998036 ]))

Since the zone letter is not strictly needed for the conversion you may also the northern parameter instead, which is a named parameter and can be set to either True or False. Have a look at the unit tests to see how it can be used.

2) C++ (library: GeographicLib)

1. 라이브러리 설치 및 PATH 등록

Installation using the autoconfigure tools. The method works on most Unix-like systems including Linux and Mac OS X. Here are the steps to compile and install GeographicLib:

Unpack the source, running

$ tar xfpz GeographicLib-1.44.tar.gz

then enter the directory created, Create a separate build directory and enter it.

cd GeographicLib-1.44
mkdir build
cd build

# Configure the software, specifying the path of the source directory, with
$ ../configure
# By default GeographicLib will be installed under /usr/local. You can change this with, for example
$ ../configure --prefix=/tmp/geographic

Compile and install the software with

make
make install

The headers, library, and utilities are installed in the include/GeographicLib, lib, and bin directories under prefix. For documentation, open share/doc/GeographicLib/html/index.html in a web browser.

2. CMakeLists 파일 수정

find_package(GeographicLib REQUIRED)
target_link_libraries ${GeographicLib_LIBRARIES}

3. 코드 작성

void WGS2UTM(double lat, double lon, double& easting, double& northing){
  int zone;
  bool northp;
  GeographicLib::UTMUPS::Forward(lat, lon, zone, northp, easting, northing);
  std::string zonestr = GeographicLib::UTMUPS::EncodeZone(zone, northp);
}

참고

• [Github] utm: https://github.com/Turbo87/utm
• [Official] geographiclib: https://geographiclib.sourceforge.io/
• [Github] GeographicLib install: https://github.com/ObjSal/GeographicLib/blob/master/README.md
• [Blog] QGIS 공부하기 - WGS84, UTM, DMS, DD 좌표계 이해하기: https://grizzy-bear-blog.tistory.com/22