謝春雨,朱立新,趙一平

(中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司研究院,上海 200120)

油氣勘探中大地坐標系的特點及其應用

謝春雨,朱立新,趙一平

(中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司研究院,上海 200120)

概述大地坐標系的定義及國內(nèi)外常用大地坐標系的特點,并討論了它們之間的區(qū)別與聯(lián)系,闡述了大地坐標系在海洋油氣勘探領域中的應用。WGS84坐標與CGCS2000坐標之間誤差極小,二者在油氣勘探中可互用。在今后一段時期內(nèi),WGS84仍將是油氣勘探中所使用的主要坐標系。

大地坐標系;北京54坐標系;西安80坐標系;2000國家大地坐標系;國際地球參考系統(tǒng);1984年世界大地坐標系

大地坐標系一直是大地測量中非常重要的基本問題,也是油氣勘探中一項基礎工作。隨著我國石油企業(yè)“走出去”開發(fā)海外資源,油氣勘探的國際合作越來越多,而不同國家和地區(qū)使用的坐標系統(tǒng)不盡相同,這給研究工作帶來了諸多不便,是急需要理清和解決的重要基礎工作。在前空間大地測量時代,各國建立了符合自己本國國情的參心坐標系,這些參心坐標系采用的參考橢球體差異很大。目前這些參心坐標系在很多工業(yè)生產(chǎn)過程中仍在使用,如我國的北京54坐標系仍然在石油工業(yè)界發(fā)揮著作用。在20世紀80年代進入空間大地測量時代以后,由于空間技術的發(fā)展,世界各國相繼建立了多種地心坐標系,雖然各國定義的地心坐標系的具體實現(xiàn)也有差異,但差異已經(jīng)越來越小。本文將先簡單介紹和坐標系相關的一些基本概念,再主要介紹我國及國際上常用大地坐標系的定義和特點,扼要介紹國外地心坐標系的進展,然后就筆者工作中遇到的不同海洋油氣勘探區(qū)塊涉及的坐標系進行簡要的總結,最后就大地坐標系的應用作些討論。

1 大地坐標系

經(jīng)典大地測量認為平均海平面與大地水準面是一致的。大地水準面所包圍的形體是一個水準橢球,稱為大地體?？傮w上講大地體非常接近旋轉橢球,而后者的表面是一個規(guī)則的數(shù)學曲面。所以在大地測量學中選擇一個旋轉橢球作為地球理想的模型,稱為地球橢球。而與大地體在幾何或物理性質(zhì)上最為接近的地球橢球叫做總地球橢球。在前空間大地測量時代,總地球橢球無法精確測量,與某一國家或地區(qū)范圍內(nèi)的大地水準面符合最好的地球橢球叫做參考橢球體。

過去經(jīng)典大地測量研究地球形狀基本上采用的是幾何方法,提供的是幾何參數(shù)?，F(xiàn)在研究地球形狀時將幾何和物理方法結合起來,提供的是既有幾何參數(shù)又有物理參數(shù)。

大地坐標系統(tǒng)一般可分為參心坐標系、地心坐標系、地方獨立坐標系。本文主要討論參心坐標系和地心坐標系。以參考橢球為基準的坐標系,叫做參心坐標系;以總地球橢球為基準的坐標系,叫做地心坐標系[1]。

2 常用大地坐標系

我國大地坐標系從建立至今,經(jīng)歷了參心坐標系到地心坐標系的發(fā)展過程,為國民經(jīng)濟的發(fā)展和國防建設做出了很大的貢獻。我國大地坐標系的建立始于20世紀50年代從前蘇聯(lián)引入的1954年北京坐標系(簡稱54坐標系)。20世紀80年代初,通過天文大地網(wǎng)平差,建立了1980年西安大地坐標系(簡稱80坐標系)和新54坐標系。2008年7月,我國開始使用2000國家大地坐標系(CGCS2000),它的建立不但很大程度提高了我國大地坐標系定位的精度,而且也方便了和國際上主要大地坐標系的接軌。

目前ITRS是國際上最精確、最穩(wěn)定的全球性地心坐標系。它的某一實現(xiàn)被越來越多的國家采用為國家大地坐標系。而WGS84的出現(xiàn)使大地測量發(fā)生了翻天覆地的變化,目前國際上使用最廣的坐標系就是WGS84,因為GPS是目前使用最廣泛的定位手段。

上述的五個坐標系統(tǒng)都跟我們的工作息息相關,其中54坐標系和80坐標系均為參心坐標系, CGCS2000、ITRS、WGS84均為地心坐標系。五個坐標系所采用的橢球參數(shù)見表1。下面將介紹這些坐標系的特點。

表1 不同坐標系采用的橢球參數(shù)比較Tab.1 Comparison of the ellipsoid parameters used in different coordinate systems

2.1 1954年北京坐標系

1954年北京坐標系采用的參考橢球體是克拉索夫斯基橢球。建國初期,由于缺乏橢球定位的必要資料,我國引用了前蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標系。1954年北京坐標系可以認為是前蘇聯(lián)1942年坐標系的延伸,它的原點不在北京而是在前蘇聯(lián)的普爾科沃。

1954年北京坐標系建立以來,我國依據(jù)北京54坐標系建成了全國天文大地網(wǎng),完成了大量的測繪任務。但北京54坐標系存在著如下主要的缺點:

(1)橢球參數(shù)有較大誤差?？死鞣蛩够鶛E球參數(shù)與現(xiàn)代精確的橢球參數(shù)相比,長半軸約大109 m?？死鞣蛩够鶛E球只有兩個參數(shù)(長半軸a,橢球扁率f)。

(2)參考橢球面與我國大地水準面存在著自西向東明顯的系統(tǒng)性的傾斜,在東部地區(qū)大地水準面差距最大達到68 m。

(3)幾何大地測量和物理大地測量應用的參考面不統(tǒng)一。

(4)定向不明確。橢球與現(xiàn)在通用的地球極不一致。

2.2 1980年西安大地坐標系

1980年西安大地坐標系(GDZ80)也叫1980國家大地坐標系,它采用1975年IUGG第十六屆大會推薦的4個參考橢球參數(shù):地球橢球長半徑a=6 378 140 m,地心引力常數(shù)GM=3.986 005 ×1014m3/s2,地球重力場二階帶球諧系數(shù)J2= 1.082 63×10-8,地球自轉角速度ω=7.292 115 ×10-5rad/s。由這四個參數(shù)可以算得地球橢球扁率f=1/298.257。

與1954年北京坐標系相比,1980年西安大地坐標系的特點[1-2]是:

(1)大地原點地處我國中部,位于西安市以北60 km處的涇陽縣永樂鎮(zhèn),簡稱西安原點。

(2)采用1975年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會(IUGG)第16屆大會上推薦的4個橢球基本參數(shù)(a,J2,GM,ω)。橢球參數(shù)與克拉索夫斯基橢球參數(shù)相比精度高,并且橢球有4個參數(shù),是一套完整的數(shù)值,既確定了幾何形狀,又表明了地球的基本物理特征,從而將大地測量學與大地重力學的基本參數(shù)統(tǒng)一起來。

(3)橢球面同似大地水準面在我國境內(nèi)最為彌合,是多點定位。橢球定位時按我國范圍內(nèi)高程異常值平方和最小為原則求解參數(shù)。

(4)定向明確。橢球短軸平行于地球質(zhì)心指向地極原點J YD1968.0的方向,起始大地子午面平行于我國起始天文子午面。

(5)大地高程以1956年青島驗潮站求出的黃海平均水面為基準。

2.3 2000國家大地坐標系(CGCS2000)

以傳統(tǒng)大地測量為基礎的的參心、二維、低精度、靜態(tài)的大地坐標系統(tǒng)已不能適應空間技術的發(fā)展,只有建立以空間技術為基礎的地心三維大地坐標系,才能適應科技、經(jīng)濟和社會的發(fā)展。

2008年6月18日,國家測繪局發(fā)布2008年第2號公告:經(jīng)國務院批準,根據(jù)《中華人民共和國測繪法》,我國自2008年7月1日起啟用2000國家大地坐標系。

2000國家大地坐標系是全球地心坐標系在我國的具體體現(xiàn),其原點為包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)量中心。2000國家大地坐標系采用的地球橢球參數(shù)如下:長半軸a=6 378 137 m,扁率f=1/298.257 222 101,地心引力常GM= 3.986 004 418×1014m3/s2,自轉角速度ω= 7.292 115×10-5rad/s。CGCS2000的定義符合IERS定義的協(xié)議地球參考系(CTRS)[3]。

2.4 ITRS(國際地球參考系統(tǒng))

ITRS是目前國際上最精確、最穩(wěn)定的全球性地心坐標系[4],它的定義遵循IERS(國際地球自轉服務組織)定義協(xié)議地球坐標系的法則,它的定義為:

(1)原點為地心,并且是指包括海洋和大氣在內(nèi)的整個地球的質(zhì)心。

(2)長度單位為米(m),并且是在廣義相對論框架下的定義。

(3)Z軸從地心指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)。

(4)X軸從地心指向格林尼治平均子午面與CTP赤道的交點。

(5)Y軸與XOZ平面垂直而構成右手坐標系。

(6)時間演變基準是使用滿足無整體旋轉NNR條件的板塊運動模型,來描述地球各塊體隨時間的變化。

ITRS的建立和維持是由IERS全球觀測網(wǎng)(由VLBI、SLR、GPAS、DORIS組成),以及觀測數(shù)據(jù)經(jīng)綜合分析后得到的站坐標和速度場來具體實現(xiàn)的,即國際地球參考框架ITRF。ITRS幾乎每年向世界各國公布新的ITRF,現(xiàn)有的ITRF版本有ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97、ITRF2000、ITRF2005。

與傳統(tǒng)的大地測量參考框架不同,ITRF提供一種動態(tài)的地心坐標框架系統(tǒng),這種動態(tài)地心坐標框架通過分布全球的一組GPS跟蹤站的站坐標和站速度來體現(xiàn)。每個跟蹤站點不僅有坐標,還有該站坐標變化的速度,并且跟蹤站的坐標都是動態(tài)變化的。這種站坐標和站速度是通過高精度的空間大地測量觀測手段獲得。世界各國將自己的觀測數(shù)據(jù)發(fā)送到IERS,由IERS下屬的相關研究機構對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理,計算出各測站的坐標和速度,計算結果由IERS統(tǒng)一發(fā)布。同時,各國可以利用這些跟蹤站的數(shù)據(jù)、站坐標和速度,結合本國的連續(xù)跟蹤站數(shù)據(jù),建立起各自國家的地心坐標框架系統(tǒng)。

2.5 WGS84(World Geodetic System 1984)

1972年,美國國防部制圖局NIMA、美國空軍與海軍武器實驗室和海軍海洋局等研究單位,利用光學和電子觀測資料,聯(lián)合建立1972年世界大地坐標系統(tǒng)WGS72。

1984年美國國防部制圖局在WGS72的基礎上,經(jīng)過多年的修正和不斷完善,發(fā)展了一套新的世界大地坐標系,稱為1984年世界大地坐標系,即WGS84。

自1978年2月美國發(fā)射第一顆GPS衛(wèi)星以后,美國海軍水面武器中心、美國國防部制圖局測定的廣播星歷和精密星歷均采用WGS72坐標系。1987年1月1日起,GPS衛(wèi)星發(fā)送的廣播星歷和精密星歷開始采用WGS84坐標系。即1978年2月～1987年1月用GPS接收機接收的是WGS72坐標系的坐標,1987年1月以后用GPS接收的是WGS84坐標系的坐標。

WGS84采用的地球橢球參數(shù)如下:長半軸a =6 378 137 m,扁率f=1/298.257 223 563,地心引力常數(shù)GM=3.986 004 418×1014m3/s2,自轉角速度ω=7.292 115×10-5rad/s。

WGS84符合IERS定義的協(xié)議地球參考系(CTRS),即[5]:

(1)中心在地球質(zhì)心。

(2)采用廣義相對論下地心參照系中的尺度。

(3)指向符合IERS(事實上是其前身國際時間局,簡稱BIH)1984.0指向。

(4)指向隨時間的變化使它相對地殼沒有整體轉動。

WGS84的建立利用了美國海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)(NNSS)和子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)的多普勒單點定位結果,他們的絕對精度約為1～2 m,這是因為導航衛(wèi)星星歷的精度為1 m左右。為了提高WGS84的定位精度,美國國防部制圖局對WGS84先后進行了三次優(yōu)化改進。第一次改進在1994年1月,WGS84完全根據(jù)GPS觀測結果重新確定,得到了WGS84(G730),G表示由GPS測量得到,730表示為GPS時間第730個周,此次改進使得WGS84(730)與ITRF92之間符合的很好,兩者之間的差異小于10 cm。第二次改進在1996年,采用13個IGS全球站作控制點,對WGS84坐標系統(tǒng)重新作數(shù)據(jù)處理,得到WGS84 (G873),歷元是1997.0。WGS84(G873)采用的坐標框架為ITRF94,與ITRF94比較,WGS84 (G873)的誤差為±5 cm(一個坐標分量)[6]。2001年,NIMA(美國國家影像與制圖局)第三次對WGS進行精化,為了和ITRF2000保持一致, NIMA利用ITRF2000框架下IGS的49個樞紐站作為控制點,選用26個GPS永久性追蹤站(包括2個IGS站,其中一個是北京房山站),以ITRF2000為坐標框架,采用歷元2001.0,采用NIMA精密星歷,統(tǒng)一進行平差計算,得到WGS84最新的版本W(wǎng)GS84(G1150)。WGS84 (G1150)與ITRF2000符合程度為±1 cm。

3 國際坐標系統(tǒng)發(fā)展趨勢

隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)、人衛(wèi)激光測距(SLR)、甚長基線干涉(VLBI)等空間大地測量技術的不斷發(fā)展和完善,使得ITRS越來越精確、穩(wěn)定。IAG(國際大地測量協(xié)會)在遵循IERS定義的協(xié)議地球參考系,幫助各大洲或區(qū)域協(xié)調(diào)建立了一些區(qū)域性參考框架。歐洲參考框架(EUREF)、中南美洲參考框架(SIRGAS)、北美洲參考框架(NAREF)、非洲參考框架(AFREF)、東南亞和太平洋參考框架都在穩(wěn)步發(fā)展和推進之中[7]。

另外,世界各國都在不斷更新和完善各自的大地測量參考框架,空間地心坐標框架逐漸取代傳統(tǒng)的大地測量坐標框架已成為一種趨勢。越來越多的國家將各自的地心坐標系與ITRS的某一具體實現(xiàn)或者WGS84聯(lián)系在一起。

北美早在1986年就完成了北美大地坐標系NAD83的建立,對遍布美國、加拿大、墨西哥以及中美地區(qū)的26萬余個大地點進行了整體平差,獲得了26萬余個大地點的地心坐標。NAD83努力使它與WGS84保持一致。同WGS84一樣,俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星定位系統(tǒng)應用也很廣, GLONASS采用的的地心坐標系是PZ-90。澳大利亞建立了地心坐標系GDA94,以替代原先使用的參心坐標系AGD66和AGD84,GDA94與ITRF92相符合,采用歷元1994.0。歐洲也通過空間網(wǎng)與地面網(wǎng)的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理,建立了ED87 (1987歐洲大地基準)。日本從2000年4月開始使用新的大地基準J GD2000,正式取代了具有百年歷史的東京大地基準,J GD2000采用ITRS的定義,歷元定為1997.0。蒙古近年建立了新的國家大地坐標框架MONREF97。新西蘭建立了新的大地坐標系NZGD2000,參考歷元為2000.01. 01。韓國在1998年建立了與ITRF97為參照的地心大地坐標系統(tǒng)KGD2000,歷元采用2000.0。馬來西亞也建立了新的大地坐標框架NGRF2000[8-9]。

4 海洋油氣勘探中坐標系統(tǒng)的應用

目前國家在不斷加大海洋油氣勘探開發(fā)的力度,同時也鼓勵石油企業(yè)走出去尋找油氣資源。而在油氣勘探中,坐標系統(tǒng)的研究是必須要做的基礎工作。

在國內(nèi)海洋油氣勘探區(qū)域研究中,由于已經(jīng)在很多勘探區(qū)域精耕細作了幾十年,時間跨度比較大,前后采用過多種不同的坐標系統(tǒng),如:北京54坐標系、WGS72坐標系、WGS84坐標系等。目前很多石油單位對坐標系的使用比較混亂,同一勘探區(qū)塊存在著多種坐標系混用的局面,其中很重要的原因是缺少統(tǒng)一坐標系下空間信息數(shù)據(jù)的整理統(tǒng)一,其工作量較大。另外,由于過去在地震資料采集時使用了北京54坐標系和WGS72坐標系,使得很多解釋工作都在這兩個坐標系下完成,并積累了大量的數(shù)據(jù)資料。因為各種原因,目前仍然有一些項目因為需要利用這些過去的研究成果,仍然在使用北京54坐標系和WGS72坐標系,給研究工作帶來諸多不便。隨著目前采集數(shù)據(jù)越來越多的采用WGS84坐標系,也為了加強對外合作,WGS84已經(jīng)成為我們研究中采用的主要坐標系。另外,在向國土資源部等上級部門上交成果圖件時,還經(jīng)常需要使用西安80坐標系,因為在2000國家大地坐標系產(chǎn)生之前,西安80坐標系是國家的法定坐標系。

在海外不同國家、地區(qū)海域的勘探區(qū)塊研究中,涉及的坐標系統(tǒng)就更多,如果不能理清這些坐標系之間聯(lián)系與區(qū)別,將給我們的研究工作都帶來了很多的困擾。目前大部分地區(qū)采集、處理和解釋時采用的坐標系都統(tǒng)一為WGS84,同時也遇到很多坐標系不是WGS84的情況。比如筆者曾經(jīng)參加的澳大利亞某一海上勘探區(qū)塊的項目,該項目涉及的坐標系統(tǒng)相對復雜,主要有:AGD66, AGD84,WGS84,GDA94。其中AGD66和AGD84是參心坐標系,兩者使用相同的參考橢球,但大地原點的坐標不同。WGS84和GDA94是地心坐標系。這幾個坐標系的基本信息見表2。同一點在AGD66和GDA94坐標系下UTM投影得到的坐標相差200 m左右,GDA和WGS84兩者的坐標相差很少,基本上在1 m以內(nèi)[10]。由于很多數(shù)據(jù)源(比如工區(qū)邊界、井位數(shù)據(jù))采用的是AGD66或者AGD84的坐標系,我們在使用時必須將這些數(shù)據(jù)轉換到澳大利亞要求的GDA94坐標系下,在數(shù)據(jù)轉換時必須注意誤差,以保證數(shù)據(jù)準確性,由于WGS84和GDA94的差異在1 m之內(nèi),可以忽略其中的差異。

表2 AGD、WGS84、G DA94坐標系的比較Tab.2 Comparison of AG D,WG S84,G DA94 coordinate systems

5 結束語

當前,國家測繪局要求[2]:2000國家大地坐標系與現(xiàn)行國家大地坐標系轉換、銜接的過渡期為8年至10年;現(xiàn)有各類測繪成果,在過渡期內(nèi)可沿用現(xiàn)行國家大地坐標系;2008年7月1日后新生產(chǎn)的各類測繪成果應采用2000國家大地坐標系;現(xiàn)有地理信息系統(tǒng),在過渡期內(nèi)應逐步轉換到2000國家大地坐標系;2008年7月1日后新建設的地理信息系統(tǒng)應采用2000國家大地坐標系。

今后,國內(nèi)的測繪成果將越來越多的采用2000國家大地坐標系,在向上級部門匯報成果的時候,也會需要將很多成果轉換到2000國家大地坐標系中。因此,需要加強對2000國家大地坐標系的研究。在文獻11中,魏子卿院士指出CGCS2000和WGS84(1150)是相容的,在坐標系的實現(xiàn)精度范圍內(nèi),CGCS2000坐標和WGS84是一致的[11]。文獻12認為,同一點在CGCS2000坐標系和WGS84坐標系下經(jīng)度相同,緯度的最大差值約為3.6×10-6″,相當于0.11 mm。所以,在油氣勘探領域,考慮到油氣勘探對點位精度的要求并不是特別高,我們可以把WGS84坐標當作CGCS2000坐標來使用。

北京54坐標系、西安80坐標系和WGS84坐標系的差異很大。西安80坐標系更換為WGS84坐標系,在中國境內(nèi)地面點大地緯度和大地經(jīng)度的高斯平面縱坐標X值和橫坐標Y值的變動區(qū)間分別為-48.6 m～+22.7 m和-115.7 m～-75.7 m[13],可見該差異還是很大的。而北京54坐標系和WGS84的差異就更大了。鑒于目前我們?nèi)匀淮嬖谥罅康谋本?4和WGS72坐標系下的空間信息數(shù)據(jù),我們需要加強對定位數(shù)據(jù)庫的管理以及坐標轉換的研究,爭取將更多的研究成果轉換到WGS84的坐標系下,以便在研究中更好使用。

另外,在海外油氣勘探的研究過程中,將會遇到更多復雜的坐標系統(tǒng)。我們尤其要重視具體研究區(qū)域所屬國家的參心坐標系的研究,因為過去使用的大多數(shù)參心坐標系與WGS84差異都比較大。由于目前很多國家都將ITRS的某一實現(xiàn)(例如ITRF2000)采納為自己國家的地心坐標系,WGS84也在努力與ITRS保持一致,這就使得目前大部分地心坐標系之間的差異都很小,就石油勘探而言,影響較小。

由于目前GPS已經(jīng)成為最主要的大地測量手段,今后我們的數(shù)據(jù)源也將主要采用WGS84坐標系,因此WGS84坐標系將會是我們今后主要使用的坐標系。

[1]孔祥元,郭際明,劉宗泉.大地測量學基礎[M].湖北武漢:武漢大學出版社,2001.

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Characteristics and application of geodetic coordinate system to petroleum exploration

Xie Chunyu,Zhu Lixin,Zhao Yiping
(Institute of SINOPEC Shanghai Of fshore Oil&Gas Company,Shanghai200120)

In this paper a brief introduction has been given to the definition and main features of the common geodetic coordinate system at home and abroad,the differences and similarities between them have been discussed,and application results of geodetic coordinate system in the field of offshore petroleum exploration are finally presented.There is minimal error between WGS84 coordinate and CGCS2000 coordinate,which can be used both in oil and gas exploration.WGS84 will still remain the main coordinate system used in petroleum exploration.

geodetic coordinate system;BJ54;GDZ80;CGCS2000;ITRS;WGS84

book=2,ebook=66

P226+.3

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2010.02.035

1008-2336(2010)02-0035-06

2010-04-01;改回日期:2010-04-13

謝春雨,1982年生,男,助理工程師,2005年畢業(yè)于武漢大學測繪工程專業(yè),現(xiàn)從事導航定位和物探解釋工作。E-mail: xiechunyu@shopc.com.cn。