魏 磊

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

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淺談國際工程項目的測量基準(zhǔn)和坐標(biāo)系統(tǒng)

魏 磊

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

在不同國家從事工程測量工作，當(dāng)?shù)氐臏y量基準(zhǔn)和坐標(biāo)系統(tǒng)常常困惑著參建的測量技術(shù)人員。如何能盡快地熟悉國際工程項目當(dāng)?shù)氐臏y量基準(zhǔn)和坐標(biāo)系統(tǒng)并解決由此帶來的測量工作的疑惑是一個日益突出的問題。結(jié)合幾個國際工程項目測量工作的實踐，介紹了不同國別國際工程項目的測量基準(zhǔn)和坐標(biāo)系統(tǒng)，可供開展國際工程項目測量工作的技術(shù)人員參考。

國際工程項目；測量基準(zhǔn)；坐標(biāo)系統(tǒng)

1 概 述

施工測量通常包括控制測量和工程細(xì)部測量兩個部分，而控制測量最主要的是測量基準(zhǔn)。工程測量基準(zhǔn)包括基準(zhǔn)點、參考橢球體及參數(shù)、初始子午線、地圖投影和平面坐標(biāo)系統(tǒng)。地球表面上的點位在不同的基準(zhǔn)面會有不同的點位坐標(biāo)值，其差值為幾百米、甚至達到幾千米。

施工測量工作是整個工程項目實施的先鋒和眼睛，自工程項目中標(biāo)后一直貫穿并服務(wù)于項目結(jié)束。眾所周知的54北京坐標(biāo)系、80西安坐標(biāo)系或2000測量坐標(biāo)系統(tǒng)其適用范圍只限于我國境內(nèi)。在國際工程項目中，由于各國采用的工程測量基準(zhǔn)不一，參考橢球體及參數(shù)、初始子午線、地圖投影和平面坐標(biāo)系統(tǒng)等與國內(nèi)系統(tǒng)差別較大。故在國際工程項目中標(biāo)后，應(yīng)及時安排測量技術(shù)人員進場，與業(yè)主/工程師聯(lián)系，首先取得工程項目所在地相關(guān)的測量坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)、基準(zhǔn)控制點和項目投影高程等基礎(chǔ)資料，以便準(zhǔn)確開展相關(guān)的工程測量工作，避免因坐標(biāo)系統(tǒng)使用錯誤而造成全局性的工程構(gòu)筑物位置錯誤。筆者對全球統(tǒng)一測量基準(zhǔn)、國內(nèi)坐標(biāo)系統(tǒng)的變遷以及與不同的國際坐標(biāo)系統(tǒng)的差異進行了淺析并予以介紹，以增強大家對不同國別坐標(biāo)系統(tǒng)的認(rèn)識，學(xué)會在國際項目中正確運用各種不同的測量坐標(biāo)系統(tǒng)。

2 國際上目前統(tǒng)一采用的WGS-84全球坐標(biāo)系

WGS-84坐標(biāo)系(WorldGeodeticSystem一1984CoordinateSystem)是目前國際上采用的全球地心坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點為地球質(zhì)心，其地心空間直角坐標(biāo)系的Z軸指向BIH(國際時間服務(wù)機構(gòu))1984.O定義的協(xié)議地球極(CTP)方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點，Y軸與Z軸、X軸垂直構(gòu)成右手坐標(biāo)系，稱為1984年世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)。建立WGS-84世界大地坐標(biāo)系的一個重要目的是在全球建立一個統(tǒng)一的地心坐標(biāo)系。

WGS-84地心坐標(biāo)系采用的橢球是國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第17屆大會大地測量常數(shù)推薦值，其四個基本參數(shù)分別為：

長半徑a=6 378 137±2(m)；

地球引力和地球質(zhì)量的乘積GM=3 986 005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；

地球自轉(zhuǎn)角速度ω=7 292 115×10-11rads-1±0.15×10-11rads-1；

扁率f=0.003 352 810 664。

WGS-84地心坐標(biāo)系可以與全世界各國目前使用的各種參心坐標(biāo)系進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，其方法之一：在測區(qū)內(nèi)，利用至少3個以上公共點的兩套坐標(biāo)列出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程，采用最小二乘原理解算出7個轉(zhuǎn)換參數(shù)即可得到轉(zhuǎn)換方程。其中7個轉(zhuǎn)換參數(shù)是指3個平移參數(shù)、3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個尺度參數(shù)。

按理說，WGS-84地心坐標(biāo)系的坐標(biāo)值具有全球地理位置唯一性，適用于全球任何地方的工程項目測量，其它測量坐標(biāo)系均應(yīng)轉(zhuǎn)換成WGS-84地心坐標(biāo)系，以實現(xiàn)全球測量地理信息和數(shù)據(jù)資源的共享。但實際上，由于各國的發(fā)展水平不一，不同國家對測量坐標(biāo)系與本國符合情況、精度適用情況的要求不一；各國由于各自歷史發(fā)展的原因，已經(jīng)形成了大量的、本國獨有的測量坐標(biāo)體系及測量成果資源；不同國家為了本國國家地理信息和軍事上的安全考慮，也不一定采用WGS-84地心坐標(biāo)系。綜上所述，目前不同的國家很難在短時間內(nèi)采用統(tǒng)一的WGS-84地心坐標(biāo)系。筆者以我國測量坐標(biāo)系統(tǒng)的發(fā)展為例進行以下說明。

3 我國國內(nèi)測量基準(zhǔn)發(fā)展概況

根據(jù)《中華人民共和國測繪法》，目前我國使用的是自2008年7月1日起啟用的2000國家大地坐標(biāo)系。國家測繪局在公告中提供了新坐標(biāo)系的技術(shù)參數(shù)，并在公告中要求2008年7月1日后新生產(chǎn)的各類測繪成果應(yīng)采用2000國家大地坐標(biāo)系?，F(xiàn)有大地坐標(biāo)系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)在8～10a的過渡期內(nèi)應(yīng)逐步轉(zhuǎn)換到2000國家大地坐標(biāo)系。

2000坐標(biāo)系是全球地心坐標(biāo)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坐標(biāo)系采用的地球橢球參數(shù)如下：

長半軸a=6 378 137m；

扁率f=1/298.257 222 101；

地心引力常數(shù)GM=3.986 004 418×1014m3s-2；

自轉(zhuǎn)角速度ω=7.292 115×10-5rads-1。

在此之前，我國還于20世紀(jì)50年代和80年代分別建立了1954年北京坐標(biāo)系(簡稱“54坐標(biāo)系”)和1980西安坐標(biāo)系(簡稱“80坐標(biāo)系”)。限于當(dāng)時的技術(shù)條件，我國大地坐標(biāo)系基本上是依賴于傳統(tǒng)技術(shù)手段實現(xiàn)的。“54坐標(biāo)系”采用的是克拉索夫斯基橢球體，而該橢球在計算和定位的過程中沒有采用中國的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)在我國范圍內(nèi)符合得不好，不能滿足高精度定位以及地球科學(xué)、空間科學(xué)和戰(zhàn)略武器發(fā)展的需要。20世紀(jì)80年代，我國大地測量工作者經(jīng)過20多年的艱苦努力，完成了全國一、二等天文大地網(wǎng)的布測。經(jīng)過整體平差，采用1975年IUGG第十六屆大會推薦的參考橢球參數(shù)建立了我國“80坐標(biāo)系”。但其成果受技術(shù)條件制約，精度偏低，無法滿足現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的要求。

從我國目前測量成果資料的現(xiàn)狀看存在以下特點：

(1)從時間上看：“54北京坐標(biāo)系”、80西安坐標(biāo)系、2000測量坐標(biāo)系和WGS-84坐標(biāo)系混合使用的情況比較多。80西安坐標(biāo)系出現(xiàn)之前，大量的54北京坐標(biāo)系數(shù)據(jù)資料目前依然在使用中；中國改革開放以來的大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)大量使用的是80西安坐標(biāo)系；在2008年以后的新開工項目中，2000測量坐標(biāo)系和WGS-84坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)資料得到大量使用。因此，不同時間段的坐標(biāo)并存于工程建設(shè)中。

(2)從空間上看：在同一個地域、不同部門分管的測繪活動中數(shù)據(jù)資料混用的情況也很多。比如目前全國鐵路建設(shè)工程中大量使用WGS-84坐標(biāo)系，但在鐵路建設(shè)的征地、附屬結(jié)構(gòu)等方面又在使用54北京坐標(biāo)或80西安坐標(biāo)；在全國國土部門歸檔的坐標(biāo)資料中也存在大量的54北京坐標(biāo)或80西安坐標(biāo)并存的情況。

4 不同國家測量基準(zhǔn)和坐標(biāo)系統(tǒng)情況

筆者簡述了我國目前測量坐標(biāo)系統(tǒng)的情況，這種情況不僅在我國存在，在世界各國的不同建設(shè)時期也出現(xiàn)了大量的類似情況。現(xiàn)在，不同國家的大地測量技術(shù)和成果都在不斷的發(fā)展更新，每個國家發(fā)展到一定程度，對其測量精度和全國測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性就會有更高的要求，在不同歷史時期，以適應(yīng)本國發(fā)展需要為前提，各國都希望找到最適合本國的大地測量和工程測量的基準(zhǔn)面。目前全球使用的測量基準(zhǔn)面多達100多種，如果加上不同國家在不同時期曾經(jīng)使用過的測量坐標(biāo)系統(tǒng)，數(shù)量還將更多。

通過筆者經(jīng)歷過的三個國際工程項目，簡要介紹了工程所在國使用的測量坐標(biāo)系統(tǒng)和測量理論。

4.1 馬來西亞項目的測量坐標(biāo)系

筆者有幸參加了馬來西亞克拉隆取水項目和巴貢水電站建設(shè)，以上兩個項目均位于東馬來西亞。東馬來西亞測量基準(zhǔn)采用的是Timbalai1948坐標(biāo)系統(tǒng)，大地坐標(biāo)原點位于沙巴州的Timbalai島上，參考橢球體為Everest1830(1967年定義)，其參考橢球體參數(shù)為：

長半軸a=6 377 298.556 000m，扁率f =1/300.801 7。

投影理論采用的是BorneoRSO投影，即婆羅洲矯正傾斜正形投影，也稱Hotline斜軸墨卡托投影，其投影中心為北緯4°，東經(jīng)115°，投影初始線方位角為53°18′56.953 7″，初始線的投影比例因子為0.999 84。

東馬來西亞的測量坐標(biāo)系統(tǒng)主要用于工程項目建設(shè)以及土地測量等。高程系統(tǒng)采用的是州土地與測量部提供的參考高程系。

東馬來西亞高程系統(tǒng)與整個馬來西亞大地水準(zhǔn)原點(由全馬各驗潮站統(tǒng)計所得)的高程差為1.97m。由此可以看出：馬來西亞本國內(nèi)在不同區(qū)域所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)也是不一致的。

4.2 蘇丹測量坐標(biāo)系統(tǒng)

筆者參加過的蘇丹上阿特巴拉水利樞紐工程項目測量基準(zhǔn)平面采用的是Adindan坐標(biāo)系統(tǒng)，參考橢球體為Clarke1880，其參數(shù)為：

長半軸a=6 378 249.145 000m，扁率f =1/293.465。

投影理論采用的是通用橫軸墨卡托投影(UTM)。上阿特巴拉工程項目位于全球UTM投影帶的36P區(qū)域內(nèi)，與全球WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)相比，雖然均為UTM投影，但由于所參考的橢球體的參數(shù)和定位信息不同，投影后的平面坐標(biāo)值是不一樣的，北坐標(biāo)相差208m，東坐標(biāo)相差78m。高程系統(tǒng)采用的是基于地中海沿岸(尼羅河入?？?驗潮站推算而得的Alexandria高程系統(tǒng)，主要用于整個尼羅河流域的高程控制。

由以上三個不同國家的工程實例可以看出：在不同的國家，其所使用的測量坐標(biāo)系統(tǒng)也是不一樣的。中國、馬來西亞和蘇丹坐標(biāo)系均不相同；同時，在同一個國家、不同的地方，其坐標(biāo)系統(tǒng)也是不一樣的，如馬來西亞的東馬和全馬來西亞的坐標(biāo)系就存在差異。

5 國際工程項目測量基準(zhǔn)和坐標(biāo)系統(tǒng)使用的注意事項

目前，國際工程項目業(yè)主都希望擬建的工程項目盡可能快地完建，以發(fā)揮最大的經(jīng)濟和社會效益，所以，業(yè)主會極力壓縮業(yè)主/承包商的施工準(zhǔn)備期并催促承包商現(xiàn)場的施工進度。其中對于用于施工測量的控制網(wǎng)，業(yè)主通常將指令承包商執(zhí)行，而中國走向國際工程市場必然將面臨不同國家、不同的測量基準(zhǔn)和坐標(biāo)系統(tǒng)。在參與國際工程建設(shè)的過程中，測量技術(shù)人員應(yīng)及時準(zhǔn)確地了解當(dāng)?shù)氐臏y量基準(zhǔn)和坐標(biāo)系統(tǒng)，同時，在使用測量坐標(biāo)系統(tǒng)的過程中應(yīng)注意以下幾個方面的問題：

(1) 目前，國內(nèi)對于不同國別具體的測量基準(zhǔn)和坐標(biāo)系統(tǒng)方面的介紹資料很少，但可以通過一些所在國的文獻資料和網(wǎng)站資源了解，這就要求我們的測量技術(shù)人員必須具備一定的專業(yè)英語知識，以便能盡快地了解和掌握國際工程所在國的測量基準(zhǔn)和坐標(biāo)系統(tǒng)，以利于后續(xù)測量工作的順利開展。

(2)在收集相關(guān)坐標(biāo)系統(tǒng)資料時，應(yīng)注意所在國是否有多個測量基準(zhǔn)和坐標(biāo)系統(tǒng)共存？當(dāng)前項目所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)是哪一個？是否存在多個坐標(biāo)系統(tǒng)混用的情況？如果有此類情況，其分別用于哪些項目、哪些部位？

(3) 在所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)被確認(rèn)后，一定要根據(jù)所在工程坐標(biāo)系統(tǒng)對業(yè)主交付使用的控制點進行檢查校核，一方面可以避免坐標(biāo)系交付時意外出現(xiàn)的系統(tǒng)性錯誤；另一方面可以根據(jù)業(yè)主提供的資料驗證現(xiàn)場測量控制點位的準(zhǔn)確性。

(4)由于在所有工程建設(shè)項目中，不同項目的工程投影面高程和國家坐標(biāo)系統(tǒng)的投影面高程是不一樣的，因此，在坐標(biāo)系統(tǒng)的使用過程中，一定要注意高程投影面的改正，避免測量結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差，尤其是對于一些有高精度要求的長邊改正尤為必要。

(5)由于不同國家的經(jīng)濟發(fā)展水平不一樣，從而造成其對測量基準(zhǔn)和坐標(biāo)系統(tǒng)的重視程度差別很大。在有些國家或地區(qū)，業(yè)主提供的起算點控制坐標(biāo)之間可能會存在相當(dāng)大的誤差，相對精度較低。如果出現(xiàn)這種情況，應(yīng)在反復(fù)查驗確認(rèn)坐標(biāo)系統(tǒng)無誤的情況下及時與業(yè)主溝通，尋求解決的辦法；或在起算點較多的情況下適當(dāng)取舍，采用較有利的點建立施工控制網(wǎng)。

6 結(jié) 語

如果承包商的測量人員熟知了國際工程項目當(dāng)?shù)氐臏y量坐標(biāo)系統(tǒng)和測量理論，將會大大減少施工測量控制網(wǎng)的設(shè)計、建造和觀測的周期，為承包商履約爭取到較多的時間和空間，并且對分析、控制和減少測量誤差對工程項目施工的影響也具有重大的意義。筆者希望通過以上內(nèi)容的介紹，能對從事國際工程的測量技術(shù)人員提供一些參考，以便在國際項目的開始階段能盡快熟悉和掌握國際工程項目所涉及到的當(dāng)?shù)販y量理論和坐標(biāo)系統(tǒng)知識，及時準(zhǔn)確地提供工程項目所需的、合格的測量成果，確保工程項目有序?qū)嵤?，少走不必要的彎路?/p>

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-10-28

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1001-2184(2016)06-0052-03

魏 磊(1974-)，男，四川江油人，副隊長，工程師，從事水利水電工程施工測量技術(shù)與管理工作.