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등치선

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1. 개요

등치선은 동일한 값을 갖는 지점을 연결하는 선으로, 다양한 분야에서 사용되는 시각적 표현 방식이다. 17세기부터 지도 제작에 활용되었으며, 기상학, 지구물리학, 지질학, 환경 과학, 경제학, 통계학 등 여러 분야에서 활용된다. 등치선의 종류는 매핑되는 변수의 특성에 따라 다양하며, 등온선, 등압선, 등고선 등이 있다. 등치선 지도는 선의 굵기, 색상, 종류, 숫자 표기 등을 통해 가독성을 높이며, 평면도와 단면도로 표현될 수 있다.

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등치선
정의
설명3차원 표면에서 높이가 같은 점들을 연결한 선이다.
활용지도 및 다이어그램에서 사용된다.
등치선의 종류
등고선지표면의 높이가 같은 점들을 연결한 선이다.
등온선기온이 같은 점들을 연결한 선이다.
등압선기압이 같은 점들을 연결한 선이다.
등심선조석의 진폭이 같은 점들을 연결한 선이다.
등염분선염분 농도가 같은 점들을 연결한 선이다.
등조시선같은 시각에 만조를 나타내는 점들을 연결한 선이다.
등우선강우량이 같은 점들을 연결한 선이다.
등전위선전위가 같은 점들을 연결한 선이다.
등광도선광도가 같은 점들을 연결한 선이다.
수학적 표현
수식f(x, y) = c (c는 상수)
설명2차원 평면에서 함수 f(x, y)의 값이 일정한 점들을 연결한 선이다.
참고 사항
다른 용어윤곽선 (contour)

2. 역사

등치선은 여러 번 독립적으로 고안되었다. 1584년 네덜란드의 피터 브루인즈가 스파르네 강의 수심을 나타낸 등심선 지도가 가장 오래된 것으로 알려져 있다.[7] 1701년 에드먼드 핼리는 자기 편차를 나타내는 등각선 지도를 만들었다.[8]

이후 등고선, 등심선 등 다양한 등치선이 지도 제작에 활용되었다. 영국 국토 조사부는 1843년부터 등고선을 사용하기 시작했다.

"동일한 값을 나타내는 선"을 부르는 용어를 두고 논쟁이 있었는데, 프랜시스 골턴은 '등가선'을 제안했지만 널리 사용되지는 않았다. 20세기 초 미국에서는 '등치선', 유럽에서는 '등산선'이라는 용어가 사용되었다. 여러 대안이 제시되었지만, 아직까지 통일된 용어는 없다.[15][16]

등치선 지도는 대기 질 및 소음 공해 지도와 같이 다른 분야로 응용이 확산되었다.

2. 1. 초기 역사

등치선에 대한 아이디어는 여러 번 재발견되었다. 가장 오래된 것으로 알려진 등심선(일정 깊이의 등고선)은 네덜란드인 피터 브루인즈가 1584년에 제작한 하를럼 인근 스파르네 강의 지도에서 발견된다.[7] 1701년, 에드먼드 핼리는 자기 편차 지도에 이러한 선(등각선)을 사용했다.[8]
에드먼드 핼리의 ''나침반의 변동을 보여주는 새롭고 정확한 지도''(1701)
네덜란드 엔지니어 니콜라스 크루키우스는 1727년에 1 패덤 간격으로 메르베데 강바닥을 등심선으로 그렸으며, 필리프 뷔아슈는 1737년에 제작되어 1752년에 출판된 영국 해협 지도에 10패덤 간격으로 사용했다. 1746년 도메니코 반델리가 제작한 모데나 및 레지오 공국 지도에서 지표면(등고선)을 설명하는 데 이러한 선들이 사용되었으며, 1771년 두칼라가 이론적으로 연구했고 찰스 허튼은 이를 시헐리언 실험에 사용했다. 1791년, J. L. 뒤팽-트리엘이 제작한 프랑스 지도에는 20미터 간격의 등고선, 해칭, 점 높이 및 수직 단면이 사용되었다. 1801년, 프랑스 공병대 수장인 엑소는 나폴레옹 치하 현재 북부 이탈리아에 있는 로카 다 안포에 대한 자신의 계획에 1:500 축척의 등고선을 사용했다.[9][10][11]

영국아일랜드에서 영국 국토 조사부가 등고선을 정기적으로 기록하기 시작한 1843년경에는 이미 유럽 국가에서 널리 사용되고 있었다. 등심선은 1834년부터 러시아 해도를, 1838년부터 영국 해도를 제외하고는 해도에 일상적으로 사용되지 않았다.[9][12][13]

이 기술의 다양한 용도가 독립적으로 발명되면서 지도 제작자들은 공통된 주제를 인식하기 시작했고, 이러한 "동일 값 선"을 일반적으로 무엇이라고 불러야 할지 논쟁했다.

2. 2. 발전

등치선에 대한 아이디어는 여러 번 재발견되었다. 가장 오래된 것으로 알려진 등심선(일정 깊이의 등고선)은 네덜란드인 피터 브루인즈가 1584년에 제작한 하를럼 인근 스파르네 강의 지도에서 발견된다.[7] 1701년, 에드먼드 핼리는 자기 편차 지도에 이러한 선(등각선)을 사용했다.[8] 네덜란드 엔지니어 니콜라스 크루키우스는 1727년에 1 패덤 간격으로 메르베데 강바닥을 등심선으로 그렸으며, 필리프 뷔아슈는 1737년에 제작되어 1752년에 출판된 영국 해협 지도에 10패덤 간격으로 사용했다. 1746년 도메니코 반델리가 제작한 모데나 및 레지오 공국 지도에서 지표면(등고선)을 설명하는 데 사용되었으며, 1771년 두칼라가 이론적으로 연구했고 찰스 허튼은 이를 시헐리언 실험에 사용했다. 1791년, J. L. 뒤팽-트리엘이 제작한 프랑스 지도에는 20미터 간격의 등고선, 해칭, 점 높이 및 수직 단면이 사용되었다. 1801년, 프랑스 공병대 수장인 엑소는 나폴레옹 치하 현재 북부 이탈리아에 있는 로카 다 안포에 대한 자신의 계획에 1:500 축척의 등고선을 사용했다.[9][10][11]

영국아일랜드에서 영국 국토 조사부가 등고선을 정기적으로 기록하기 시작한 1843년경에는 이미 유럽 국가에서 널리 사용되고 있었다. 등심선은 1834년부터 러시아 해도를, 1838년부터 영국 해도를 제외하고는 해도에 일상적으로 사용되지 않았다.[9][12][13]

등고선이 있는 지도가 보편화되면서 그 아이디어는 다른 응용 분야로 확산되었다. 아마도 가장 최근에 개발된 것은 대기 질 및 소음 공해 등고선 지도이며, 이는 주로 이러한 매개변수의 공간적 구분을 요구하는 국가 법률의 결과로 1970년경 미국에서 처음 등장했다.

2. 3. 용어

등치선이라는 개념은 여러 번 재발견되었다. 가장 오래된 것으로 알려진 등심선(일정한 깊이를 나타내는 선)은 1584년 네덜란드인 피터 브루인즈가 제작한 하를럼 인근 스파르네 강의 지도에서 발견된다.[7] 1701년, 에드먼드 핼리는 자기 편차 지도에 이러한 선(등각선)을 사용했다.[8]

네덜란드 엔지니어 니콜라스 크루키우스는 1727년에 1 패덤 간격의 등심선으로 메르베데 강바닥을 그렸고, 필리프 뷔아슈는 1737년에 제작되어 1752년에 출판된 영국 해협 지도에 10패덤 간격으로 사용했다. 1746년 도메니코 반델리가 제작한 모데나 및 레지오 공국 지도에서 지표면(등고선)을 설명하는 데 사용되었으며, 1771년 두칼라가 이론적으로 연구했고 찰스 허튼은 이를 시헐리언 실험에 사용했다. 1791년, J. L. 뒤팽-트리엘이 제작한 프랑스 지도에는 20미터 간격의 등고선, 해칭, 점 높이 및 수직 단면이 사용되었다. 1801년, 프랑스 공병대 수장인 엑소는 나폴레옹 치하 현재 북부 이탈리아에 있는 로카 다 안포에 대한 자신의 계획에 1:500 축척의 등고선을 사용했다.[9][10][11]

영국아일랜드에서 영국 국토 조사부가 등고선을 정기적으로 기록하기 시작한 1843년경에는 이미 유럽 국가에서 널리 사용되고 있었다. 등심선은 1834년부터 러시아 해도를, 1838년부터 영국 해도를 제외하고는 해도에 일상적으로 사용되지 않았다.[9][12][13]

이 기술의 다양한 용도가 독립적으로 발명되면서 지도 제작자들은 공통된 주제를 인식하기 시작했고, 이러한 "동일 값 선"을 일반적으로 무엇이라고 불러야 할지 논쟁했다. '등가선'(ἴσος|isos|동일grc γράμμα|gramma|쓰기, 그리기grc)은 1889년 프랜시스 골턴에 의해 어떤 물리적 조건이나 양의 동일성을 나타내는 선으로 제안되었으며,[14] '등가선'은 또한 반복된 문자가 없는 단어를 의미할 수도 있다. 1944년까지 존 K. 라이트는 '등가선'을 선호했지만, 널리 사용되지는 않았다. 20세기 초, '등치선'(πλῆθος|plethos|양grc)은 1911년까지 미국에서 사용되었고, '등산선'(ἀριθμός|arithmos|숫자grc)은 유럽에서 보편화되었다. 그리스-영어 혼성어인 '등치선'과 '등척선'(μέτρον|metron|측정grc)을 포함한 추가 대안도 등장했다. 단일 표준을 선택하려는 시도에도 불구하고, 이 모든 대안은 현재까지 살아남았다.[15][16]

3. 종류

등치선은 매핑되는 변수의 특성에 따라 "iso-"로 시작하는 특정 이름을 갖기도 하지만, 많은 경우 "등치선"이라는 용어가 가장 일반적으로 사용된다. 특히 기상학에서 여러 변수가 있는 여러 지도를 동시에 볼 때 특정 이름이 흔하게 사용된다. 접두사 "iso-"는 "isallo-"로 대체하여 주어진 기간 동안 변수가 동일한 속도로 변화하는 지점을 연결하는 등치선을 지정할 수 있다.[16][17]

'''등각선'''은 방향을 측정하는 변수에 대한 등치선이다. 기상학 및 지구 자기학에서 "등각선"이라는 용어는 특정한 의미를 갖는다. '''등경사선'''은 동일한 기울기를 가진 지점을 연결하는 선이다. 개체군 역학 및 지구 자기학에서 "등경사선" 및 "등경사선"이라는 용어는 특정한 의미를 갖는다.

등거리 점의 곡선은 주어진 , 선, 또는 폴리선에서 모두 같은 거리에 있는 점들의 집합이다. 이 경우 등고선을 따라 값이 일정하게 유지되는 함수는 거리 함수이다.

1944년, 존 K. 라이트는 점(point)에서 측정할 수 없는 변수를 나타내는 등고선에 대해 '등치선(isopleth)'이라는 용어를 제안했고, 대신 면적에 걸쳐 수집된 데이터를 기반으로 계산해야 한다고 제안했다. 반면에 점(point)에서 측정할 수 있는 변수에는 '등거리선(isometric line)'을 사용해야 한다고 제안했다. 이 구분은 그 이후 일반적으로 사용되고 있다. 등치선의 예로는 인구 밀도가 있으며, 이는 인구 조사 지구의 인구를 해당 지구의 표면적으로 나누어 계산할 수 있다. 각 계산된 값은 해당 면적의 중심에서 변수의 값으로 간주되며, 보간법을 통해 등치선을 그릴 수 있다. 등치선 지도(isopleth map)의 개념은 구획도 지도(choropleth map)의 개념과 비교할 수 있다.[18][19]

기상학에서 '등치선(isopleth)'이라는 단어는 모든 유형의 등고선에 사용된다.[20]

3. 1. 기상

''θέρμη'' (thermē)|열grc은 지도에서 동일한 온도를 가진 지점을 연결하는 선이다. 따라서 등온선이 통과하는 모든 지점은 표시된 시간에 동일하거나 같은 온도를 갖는다.[26][2] 0 °C의 등온선은 어는점이라고 한다. "lignes isothermes"(또는 "lignes d'égale chaleur")이라는 용어는 프로이센의 지리학자이자 박물학자인 알렉산더 폰 훔볼트가 만들었으며, 그는 식물의 지리적 분포에 대한 연구의 일환으로 1817년 파리에서 최초의 등온선 지도를 출판했다.[27][28]

일기도에서 온도가 같은 지점을 연결한 선으로, 월평균 기온선도에서는 한 달 동안 어떤 지역에서 나타난 모든 기온의 평균을 구하고, 같은 평균값을 가진 지역을 연결해 등온선을 그린다. 일기도에서 같은 위도에 있는 지역이라도 기온이 서로 다를 수 있어서 곡선으로 나타낸다. 가장 더운 기후를 가진 중위도 지역을 가로질러 적도 가까이 그려지는 등온선을 열적도라고 하는데, 이 등온선은 평균 기온이 약 27°C인 지역을 연결한 것이다.

등한선은 평균 겨울 기온이 같은 선이고, 등하선은 평균 여름 기온이 같은 선이다.

등일선(ἥλιος|helios|Sun|label=nonegrc)은 동일하거나 일정한 태양 복사의 선이다.

등지열선은 지구 표면 아래의 온도가 같은 선이다.

3. 2. 지리 및 해양

해양학자들은 해양의 깊이 외에도 기상학자들이 대기 현상에 사용하는 것과 유사하게, 등치선을 사용하여 다양한 변수 현상을 설명한다. 특히, '''등온심선'''은 수온이 같은 수심을 나타내는 선이며, '''등염분선'''은 해수 염분 농도가 같은 선을 나타내고, '''등밀도선'''은 물의 밀도가 같은 면을 나타낸다.

3. 3. 지구물리

지구 자기장 연구에서 '''등자율선'''은 자기 편각, 즉 지리 북극으로부터 자기 북극의 변화가 일정한 선을 의미한다. '''무자율선'''은 자기 편각이 0인 지점을 통과하는 선이다. '''등변화선'''은 자기 편각의 연간 변화가 일정한 선이다.[33]

'''등사선'''은 동일한 자기 경사를 갖는 지점을 연결하며, '''무사선'''은 자기 경사가 0인 등사선이다.

'''등자기력선'''은 자기력의 세기가 같은 지점을 연결한다.

3. 4. 지질

구조 지질학, 퇴적학, 층서학, 광상학 등에서 다양한 지질학적 데이터를 등고선 지도로 표현한다. 등고선 지도는 지질 지층, 단층면 (특히 완만한 충상 단층) 및 부정합의 지하 표면을 표시하는 데 사용된다. 등층 지도는 지질 단위의 두께 변화를 나타내기 위해 '''등층'''(동일 두께 선)을 사용한다.

3. 5. 환경

오염을 논의할 때, 밀도 지도는 오염의 근원과 가장 심한 지역을 표시하는 데 매우 유용하다. 등고선 지도는 특히 확산된 형태 또는 규모의 오염에 유용하다. 산성 강하는 등치선으로 표시된 지도에 나타난다. 환경 과학에서 등고선 지도의 가장 널리 사용되는 분야는 환경 소음(동일한 음압 수준의 선은 아이소벨[34]로 표시됨), 대기 오염, 토양 오염, 열 오염, 지하수 오염을 매핑하는 것이다. 등고선 경작 및 등고선 쟁기질을 통해 물 유출 속도, 즉 토양 침식을 실질적으로 줄일 수 있으며, 이는 특히 하천 지역에서 중요하다.

3. 6. 생태

등치식물상은 생물 다양성이 비슷한 지역을 연결하는 등치선이다. 일반적으로 특정 속(genus)이나 과(family)에 속하는 종의 수, 즉 해당 지역에서 나타나는 종의 수를 변수로 사용한다. 따라서 등치식물상 지도는 다양성 중심지와 같은 분포 패턴과 경향을 보여주는 데 사용된다.[35]

3. 7. 사회 과학

경제학에서 등고선은 공간에서 정량적으로 변화하는 특징을 설명하는 데 사용될 수 있다. '''등시선'''은 주어진 위치까지의 등가 운전 시간 또는 이동 시간을 표시하며 등시 지도 생성에 사용된다. '''등비용선'''은 원자재 공급원으로부터의 등가 운송 비용을 표시하며, '''등시비용선'''은 등가 이동 시간 비용을 표시한다.

단일 생산 등량 곡선(볼록)과 단일 등비용 곡선(선형). 노동 수요 사용량은 가로축에, 물적 자본 사용량은 세로축에 표시된다.


등고선은 또한 경제학에서 지리적이지 않은 정보를 표시하는 데 사용된다. '''무차별 곡선'''은 한 사람이 동일한 효용을 부여할 상품 묶음을 표시하는 데 사용된다. '''등량 곡선''' (위 이미지)은 생산 요소 사용량의 대체 조합에 대한 동일한 생산량을 나타내는 곡선이며, '''등비용 곡선''' (위 이미지)은 동일한 생산 비용을 갖는 대체 사용량을 나타낸다.

정치학에서는 연합을 이해하는 데 유사한 방법이 사용된다(예: Laver와 Shepsle의 작업[36]의 다이어그램).

개체군 역학에서 '''등정선'''은 상호 작용하는 한 쌍의 개체군에서 한 개체군의 변화율 또는 편도함수가 0인 개체군 크기 집합을 나타낸다.

3. 8. 통계

통계학에서 등치선[37] 또는 등밀도선은 동일한 확률 밀도 값을 갖는 점들을 연결하는 선이다. 등밀도선은 이변량 분포를 표시하는 데 사용된다. 예를 들어, 이변량 타원 분포의 경우 등밀도선은 타원이다.

3. 9. 기타

열역학, 공학 및 기타 과학 분야의 다양한 그래프는 등압선(일정한 압력), 등온선(일정한 온도), 등적선(일정한 비체적) 또는 기타 유형의 등치선을 사용하며, 이러한 그래프는 일반적으로 지도와 관련이 없다. 이러한 등치선은 2차원 그래프에서 2차원 이상(또는 수량)을 나타내는 데 유용하다. 열역학에서 흔한 예는 일부 유형의 상 평형 그림이다.

'''등경사선'''은 상미분 방정식을 푸는 데 사용된다.

레이더 이미지를 해석할 때, '''등도플러선'''은 동일한 도플러 속도의 선이고, '''등에코선'''은 동일한 레이더 반사율의 선이다.

하이브리드 윤곽선의 경우, 하이브리드 궤도의 에너지와 순수 원자 궤도의 에너지가 플롯된다. 얻어진 그래프를 하이브리드 윤곽선이라고 한다.

  • '''''등사경선''''': 오로라의 동일 발생
  • '''''등적선''''': 부피
  • '''''등선량선''''': 흡수 선량 방사선
  • '''''등시현상''''': 식물 개화와 같이 일치하는 생물학적 사건
  • '''''등휘도선''''': 조도
  • 이동 통신: 모바일 수신 전력 및 셀 커버리지 영역

4. 알고리즘


  • 영상 분할 후 등치선 경계 찾기
  • 가장자리 검출
  • 레벨 집합 방법
  • 경계 추적
  • 능동 윤곽 모델

5. 그래픽 디자인

등고선 지도의 가독성을 극대화하기 위해, 지도 제작자는 여러 가지 디자인 선택을 할 수 있으며, 주로 선의 굵기, 선의 색상, 선의 종류, 숫자 표기 방법 등이 있다.

'''선의 굵기'''는 사용된 선의 어두움 또는 굵기를 의미한다. 이 선택은 지도 자체의 배경 정보를 해독할 수 있도록 하면서 가장 눈에 띄지 않는 형태의 등고선을 기반으로 이루어진다. 기본 지도에 내용이 거의 없거나 전혀 없는 경우, 등고선을 비교적 굵게 그릴 수 있다. 또한, 지형도와 같은 많은 형태의 등고선에서 특정 숫자 값에 대해 다른 선 특징이 나타나도록 선의 굵기 및/또는 색상을 변경하는 것이 일반적이다. 예를 들어, 100피트 간격의 고도는 20피트 간격과 다른 굵기로 표시된다.

'''선의 색상'''은 디스플레이에 적합한 여러 안료를 선택하는 것이다. 때로는 광택 또는 광택을 색상과 함께 사용하여 등고선을 기본 지도와 구분하기도 한다. 선의 색상은 다른 정보를 표시하기 위해 변경될 수 있다.

'''선의 종류'''는 기본 등고선이 솔리드, 파선, 점선 또는 다른 패턴으로 끊어져 원하는 효과를 내는지 여부를 나타낸다. 점선 또는 파선은 기본 지도가 매우 중요하거나 (또는 읽기 어려운) 정보를 전달할 때 자주 사용된다. 끊어진 선 유형은 등고선의 위치가 추론될 때 사용된다.

'''숫자 표기'''는 등고선의 산술 값을 나타내는 방식이다. 이는 일부 등고선을 따라 숫자를 배치하여 수행할 수 있으며, 일반적으로 중간 선에 대한 보간법을 사용한다. 또는 등고선을 해당 값과 연관시키는 지도 범례를 만들 수 있다.

등고선에 숫자가 표시되어 있지 않고 인접한 선이 동일한 스타일 (동일한 굵기, 색상 및 유형)을 가지고 있다면, 등고선만으로는 경사 방향을 결정할 수 없다. 그러나 등고선이 세 개 이상의 스타일을 순환하면 선에서 경사 방향을 결정할 수 있다. 숫자 텍스트 레이블의 방향은 종종 경사의 방향을 나타내는 데 사용된다.

레이블은 등고선 지도의 중요한 구성 요소이다. 적절하게 레이블이 지정된 등고선 지도는 독자가 지형의 형태를 빠르게 해석하는 데 도움이 된다. 숫자가 서로 가까이 배치되어 있다면, 이는 지형이 가파르다는 것을 의미한다. 레이블은 정상 또는 최저점을 가리키는 약간 곡선으로 배치되어야 하며, 가능하다면 여러 방향에서 배치하여 정상 또는 최저점의 시각적 식별을 쉽게 만들어야 한다.[38][39] 등고선 레이블은 독자가 레이블을 읽을 때 오르막을 향하도록 방향을 지정할 수 있다.

등고선 지도의 수동 레이블 지정은 시간이 많이 소요되는 과정이지만, 자동 레이블 배치라고 하는, 지도 제작 규칙에 따라 이 작업을 자동으로 수행할 수 있는 몇 가지 소프트웨어 시스템이 있다.

6. 평면도 및 단면도

등고선은 가장 일반적으로 평면도, 즉 우주에서 관찰자가 지구 표면을 바라보는 방식으로 그려진다. 이는 일반적인 지도 형태이다. 그러나 일부 매개변수는 매핑된 매개변수의 수직 프로파일을 보여주는 프로파일 보기로 표시될 수 있다. 프로파일로 매핑되는 가장 일반적인 매개변수 중 일부는 대기 오염 물질 농도와 소음 노출 수준이다. 이러한 경우, 공기 질 또는 소음 건강 영향을 결정하기 위해 다양한 높이에서 (대기 오염 물질 농도 또는 소음 수준을) 분석하는 것이 중요할 수 있다. 예를 들어, 도시 아파트의 다양한 층에 거주하는 사람들의 경우이다. 실제로는 평면도와 프로파일 보기 등고선 지도가 모두 대기 오염 및 소음 공해 연구에 사용된다.

미적으로 "고도 상승" 방식으로 레이블이 지정된 등고선 지도.

참조

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[2] 서적 Calculus : Single and Multivariable John wiley 2013
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[4] 웹사이트 Definition of CONTOUR MAP https://www.merriam-[...] 2022-04-04
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