賀城，廖娜

(1.中工國際工程股份有限公司，北京 100080； 2.中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京 100083)

1 引 言

安哥拉位于非洲西南部，西濱大西洋，南緯5°～18°，東經(jīng)11°～24°。安哥拉國土除本土以外，另有一塊外飛地卡賓達省與剛果共和國、剛果民主共和國相鄰。

安哥拉大地測量的發(fā)展受其殖民歷史的影響，在15世紀(jì)后期葡萄牙人來到安哥拉之前，安哥拉并沒有真正意義上的大地測量。在葡萄牙殖民時期，特別是在20世紀(jì)，為了建設(shè)的需要，葡萄牙人在安哥拉開展了一些大地測量工作。

2002年安哥拉內(nèi)戰(zhàn)結(jié)束之后，擁有大量石油和鉆石資源的安哥拉吸引了各國工程承包商參與國家重建，大批中資企業(yè)也相繼進入安哥拉工程承包市場參與競爭。通過在安哥拉工程實踐發(fā)現(xiàn)，安哥拉除使用在世界上廣泛應(yīng)用的WGS-84基準(zhǔn)，還使Camacupa基準(zhǔn)用于工程測量。鑒于很少有文獻對Camacupa基準(zhǔn)進行說明，本文介紹Camacupa基準(zhǔn)及其應(yīng)用，為工程應(yīng)用提供參考。

2 Camacupa基準(zhǔn)

2.1 大地基準(zhǔn)

Camacupa基準(zhǔn)之所以定名為Camacupa基準(zhǔn)，是因為它的大地原點在安哥拉(ANGOLA)比耶(BIé)省卡瑪庫巴(CAMACUPA)市，坐標(biāo)原點于1948年設(shè)立。這與我國于1980年建立的國家大地基準(zhǔn)稱之為1980西安坐標(biāo)系一樣，因為大地原點位于西安市以北60km處的涇陽縣永樂鎮(zhèn)。

建立大地基準(zhǔn)就是求定旋轉(zhuǎn)橢球的參數(shù)及其定向和定位[1]，亦即確定參考橢球和投影方式。

2.2 參考橢球

參考橢球是大地測量計算的基準(zhǔn)面，同時也是研究地球形狀和地圖投影的參考面，地面上一切觀測元素都應(yīng)歸算到參考橢球面上，并在這個面上進行計算[1]。由于地球并不是規(guī)則的橢球，世界上很多國家為了找到本國或本地區(qū)大地水準(zhǔn)面最佳擬合的橢球，因此世界上出現(xiàn)了各種不同的坐標(biāo)系統(tǒng)。

非洲大部分國家的大地基準(zhǔn)使用Clarke 1880橢球[2]，安哥拉Camacupa基準(zhǔn)同樣使用Clarke 1880橢球。安哥拉廣泛應(yīng)用全球定位系統(tǒng)(GPS)進行工程測量，而GPS應(yīng)用的是WGS-84橢球體。將安哥拉Camacupa基準(zhǔn)使用的Clarke 1880橢球參數(shù)與WGS-84橢球參數(shù)列出，如表1所示?？梢钥闯鰞蓚€橢球尺寸非常相近，長半軸差距只有約 112 m，短半軸差距只有約 237 m，這意味著如果采用相同的投影方式，在兩個基準(zhǔn)內(nèi)坐標(biāo)值差距不會太大。

Clarke 1880和WGS-84橢球參數(shù) 表1

注：Clarke 1880橢球體參數(shù)來源于ArcGIS軟件，WGS-84橢球體參數(shù)來源于參考文獻[1]

2.3 投影方式

在確定了參考橢球之后，就需要確定一種投影方式，將橢球面上的元素(包括坐標(biāo)、方位和距離)按一定的數(shù)學(xué)法則投影到平面上，形成能供工程應(yīng)用的平面直角坐標(biāo)系。

世界上主要應(yīng)用的三種投影方式為蘭勃脫(Lambert)投影、高斯-克呂格(Gauss-Kruger)投影和通用橫軸墨卡托(UTM，Universal Transverse Mercator)投影。Camacupa基準(zhǔn)使用UTM投影。

UTM投影是等角橫軸割圓柱投影，橢圓柱割地球于北緯84°～南緯80°兩條等高圈，投影后兩條相割的經(jīng)線上沒有長度變形，而中央子午線上的長度比為 0.999 6[1]。較之高斯投影，UTM投影顯著減少了投影帶邊緣地區(qū)的長度變形。

UTM投影分帶方法與高斯-克呂格投影相似，將北緯84°～南緯80°之間按經(jīng)度分成60個投影帶，每個投影帶經(jīng)差為6°[1]。安哥拉大部分國土位于33L和34L投影帶上，部分北部地區(qū)以及卡賓達省位于33M和34M投影帶上，部分南部地區(qū)位于33K和34K投影帶上，西部極少國土位于32L和32K投影帶上，具體如圖1所示。

圖1 安哥拉的UTM投影帶編號

使用不同的參考橢球，即使是同一點，它們的UTM坐標(biāo)值也是不同的。Camacupa基準(zhǔn)和WGS-84基準(zhǔn)都是使用UTM投影，由于它們的參考橢球不同，因此坐標(biāo)值是不同的。

3 Camacupa基準(zhǔn)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用

美國國防部于1984年建立的WGS-84基準(zhǔn)是目前世界上應(yīng)用最廣泛的基準(zhǔn)，在安哥拉也主要被使用。作為安哥拉本國大地基準(zhǔn)的Camacupa基準(zhǔn)，其應(yīng)用范圍僅限于安哥拉。值得說明的是，安哥拉境內(nèi)使用的當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)并非只有Camacupa基準(zhǔn)，例如與剛果共和國、剛果民主共和國相鄰的卡賓達省使用的當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)就不是Camacupa基準(zhǔn)[3]。

西非幾內(nèi)亞灣是非洲最大的海灣，沿岸十多個國家及鄰近地區(qū)擁有豐富的石油資源，是世界最重要的石油產(chǎn)區(qū)之一。非洲石油儲量的80%分布在尼日利亞和安哥拉。根據(jù)2017年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，安哥拉已探明石油總儲量約為130億桶。2017年，安哥拉平均日產(chǎn)油量為163.6萬桶，在非洲國家中僅次于尼日利亞，而安哥拉大部分的石油資源在海上。1996年，在安哥拉海域發(fā)現(xiàn)了西非第一個大型深水油田——吉拉索爾油田，其石油可采儲量達1億噸，此后在水深 330 m～1 450 m的范圍內(nèi)又發(fā)現(xiàn)了一大批深水油氣田。包括雪佛龍、美孚、殼牌、英國石油公司、道達爾等一大批石油巨頭進入安哥拉投資開發(fā)深海油氣。在作者查閱到的為數(shù)不多的有關(guān)安哥拉海上石油開發(fā)的文獻資料上，可見有關(guān)Camacupa基準(zhǔn)的應(yīng)用。英國石油公司帶領(lǐng)的歐洲石油研究小組曾發(fā)表過有關(guān)Camacupa基準(zhǔn)向WGS-84基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換參數(shù)[4]，可見Camacupa基準(zhǔn)曾經(jīng)在安哥拉海上油氣勘探領(lǐng)域大量應(yīng)用。

在學(xué)術(shù)期刊很少見到有關(guān)Camacupa基準(zhǔn)的文獻，Daniel OB Jones[5]研究安哥拉附近海域海底地質(zhì)構(gòu)造和生物群落關(guān)系時，使用了Camacupa基準(zhǔn)記錄相關(guān)位置，有關(guān)Camacupa基準(zhǔn)的應(yīng)用也是在安哥拉附近海域。

安哥拉憑借著其豐富的石油資源，在內(nèi)戰(zhàn)結(jié)束后吸引了世界各國的承包商參與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。安哥拉的工程承包市場中除了安哥拉本土企業(yè)外，主要有同樣以葡萄牙語作為母語的葡萄牙和巴西的企業(yè)以及大量中資企業(yè)。

在安哥拉工程承包市場，是采用WGS-84基準(zhǔn)還是采用Camacupa基準(zhǔn)，很大程度上取決于業(yè)主方。中資企業(yè)參與的大型工程承包項目，以安哥拉政府機構(gòu)或者安哥拉國有企業(yè)作為業(yè)主的居多，安哥拉的土地審批和管理部門使用的是WGS-84基準(zhǔn)，因此，中資企業(yè)在安哥拉應(yīng)用最多的依然是WGS-84基準(zhǔn)。

但是，在安哥拉有一些測量公司在為政府項目服務(wù)時，可能會使用Camacupa基準(zhǔn)，這些測量公司可能是安哥拉本地的，也可能是葡萄牙的。由于坐標(biāo)點在Camacupa基準(zhǔn)與在WGS-84基準(zhǔn)中的差距在幾百米以內(nèi)，如果不加以仔細辨別，勢必在項目測量定位時造成錯誤，對項目造成很大的損失。因此，有必要了解Camacupa基準(zhǔn)及其與WGS-84基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換方法。

4 Camacupa坐標(biāo)系與WGS-84坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方法

ArcGIS軟件是Esri公司推出的在世界范圍內(nèi)廣泛使用的GIS軟件，但其只提供了Camacupa基準(zhǔn)和WGS-84基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換平臺，轉(zhuǎn)換參數(shù)還需要用戶輸入，因此無法通過ArcGIS軟件獲得轉(zhuǎn)換參數(shù)。

Clifford JMugnier[4]在其論文中引述了幾個Camacupa基準(zhǔn)向WGS-84基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化參數(shù)。主要包括由Conoco石油公司提出的轉(zhuǎn)換參數(shù)：△X=-42.01 m，△Y=-332.21 m，△Z=-229.75 m；Elf石油公司和Total石油公司于1994年提出的轉(zhuǎn)化參數(shù)：△X=-50.9 m，△Y=-347.6 m，△Z=-231 m。另外還有八個版本的轉(zhuǎn)換參數(shù)在文中有所提及，但并未詳細列出。以上所有的轉(zhuǎn)換參數(shù)均為世界各大石油公司在安哥拉近海進行油氣田資源開發(fā)時提出的，這些轉(zhuǎn)換參數(shù)應(yīng)用于跨越安哥拉整個海岸的近海區(qū)域，但在安哥拉陸地的使用效果還需進一步確認(rèn)。

作者在安哥拉工作期間，曾收到過安哥拉本地測量公司提供的某項目位置坐標(biāo)，由于數(shù)據(jù)是在Camacupa基準(zhǔn)上獲得的，因而將數(shù)據(jù)輸入到WGS-84基準(zhǔn)中無法進行準(zhǔn)確定位。為了得到Camacupa基準(zhǔn)與WGS-84基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，通過使用手持GPS獲得若干固定點在WGS-84基準(zhǔn)下的坐標(biāo)，與測量公司提供的該固定點在Camacupa基準(zhǔn)下的坐標(biāo)進行比對和分析。

根據(jù)表1，Camacupa基準(zhǔn)使用的Clarke 1880橢球體與WGS-84基準(zhǔn)使用的WGS-84橢球體參數(shù)非常相近，且兩個坐標(biāo)系均使用UTM投影，因此大致可以判斷從Camacupa基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換到WGS-84基準(zhǔn)使用的轉(zhuǎn)換參數(shù)不會多。再考慮到Clifford J Mugnier提供的幾個轉(zhuǎn)換參數(shù)全部使用三參數(shù)進行轉(zhuǎn)換，因此在此數(shù)據(jù)中考慮進行三參數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖2 Camacupa坐標(biāo)點和WGS-84坐標(biāo)點對比圖

在圖2中，A、B、C、D 4個點是測量公司給出的Camacupa基準(zhǔn)坐標(biāo)值，轉(zhuǎn)換為WGS-84基準(zhǔn)坐標(biāo)值后點的位置變?yōu)榱薬、b、c、d。得到X軸和Y軸兩個參數(shù)的轉(zhuǎn)換結(jié)果為：△X=-264.76 m，△Y=-305.52 m。經(jīng)過實地考察認(rèn)為，轉(zhuǎn)換后的位置非常合理，該轉(zhuǎn)換參數(shù)可為工程應(yīng)用提供參考。由于此次測量沒有提供準(zhǔn)確的高程數(shù)據(jù)，高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可參考前述Clifford J Mugnier提供的△Z值。在此應(yīng)該明確的是，無論是Clifford J Mugnier還是本文提出的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，都是有一定誤差的。

安哥拉地廣人稀，124.67萬平方千米的國土面積約有 2 579萬人口，人口密度約為21人/km2。全國人口中有62.4%為城鎮(zhèn)人口，37.6%為農(nóng)村人口。很多占地面積較大的項目選址在人口密度極低的農(nóng)村地區(qū)，例如農(nóng)場項目、糖廠項目，政府一般利用特定的地理界線(如山川、河流、山溝、公路等)劃定一定的范圍作為項目選址，項目承包商就在該范圍內(nèi)建立獨立坐標(biāo)系來進行后續(xù)相關(guān)工作，這類項目一般不涉及Camacupa基準(zhǔn)與WGS-84基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換。即使有些數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換，對轉(zhuǎn)換精度的要求也不會高。

對于房建、供水、工廠類項目，由于一般建設(shè)在人口密度較大的城鎮(zhèn)，就需要非常準(zhǔn)確的坐標(biāo)定位，就需要特別考慮坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的問題。無論是Clifford JMugnier還是本文提出的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，由于無法做到非常準(zhǔn)確，不建議在施工測量放線階段直接使用，但可以在項目決策階段提供一定的參考。

5 平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)

建立一個國家的平面大地控制網(wǎng)是一項浩大的基本測繪建設(shè)工程，以我國為例，根據(jù)主次緩急采用分級布網(wǎng)、逐級控制的原則建立了四等三角網(wǎng)，即先以精度高而稀疏的一等三角鎖，盡可能沿經(jīng)緯線縱橫交叉地布滿全國，形成統(tǒng)一的骨干控制網(wǎng)，然后在一等鎖環(huán)內(nèi)逐級布設(shè)二、三、四等三角網(wǎng)[1]。

布測全國統(tǒng)一的高程控制網(wǎng)，首先應(yīng)建立一個高程起算基準(zhǔn)面以及相對于這個基準(zhǔn)面的水準(zhǔn)原點，然后建立高程控制網(wǎng)。我國國家高程控制網(wǎng)采用從高到低，從整體到局部，逐級控制，逐級加密的方式布設(shè)，分為一、二、三、四等水準(zhǔn)測量。其中一等水準(zhǔn)測量是國家高程控制網(wǎng)的骨干，同時也為相關(guān)地球科學(xué)研究提供高程數(shù)據(jù)；二等水準(zhǔn)測量是國家高程控制網(wǎng)的全面基礎(chǔ)；三、四等水準(zhǔn)測量是直接為地形測圖和其他工程建設(shè)提供高程控制點[1]。國家高程控制網(wǎng)的建設(shè)同樣是一項浩大的工程。

安哥拉在2002年才結(jié)束內(nèi)戰(zhàn)，內(nèi)戰(zhàn)期間安哥拉很多基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞?，F(xiàn)在是否存在國家平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)以及是否在工程建設(shè)領(lǐng)域投入使用，也是本文關(guān)注的內(nèi)容。

安哥拉Camacupa市地處安哥拉中部，在比耶省境內(nèi)。據(jù)文獻記載，Camacupa基準(zhǔn)的坐標(biāo)原點位于Campo de Avi??o，南緯12°01′19.070″，東經(jīng)17°27′19.800″，h0=1 508.3 m，在Camacupa市郊的一個飛機場附近。坐標(biāo)原點處是一個混凝土制成的石碑，石碑頂部是一塊大理石板，用黑字寫著“M.G.A.-P.F.-1948”[3]。本文作者根據(jù)上述坐標(biāo)，在Camacupa市郊的一個小型土跑道飛機場附近找到了該坐標(biāo)原點，原坐標(biāo)點顯然已經(jīng)重建，坐標(biāo)原點目前是一個白色耶穌雕像，耶穌雕像下面有一塊黑色石板，用葡萄牙語寫著(以下為譯文)“CAMACUPA市安哥拉地理測量中心點省長ALVARO MANUEL DE BOAVIDA NETO閣下于2015年7月6日為本碑重新揭幕，時任CAMACUPA市市長為ALCIDA CELESTE DE JESUS KAMATELE閣下安哥拉之心”。坐標(biāo)原點附近用磚砌體圍成圓形圍墻進行保護，顯然是有人管理的。

Clifford J Mugnier認(rèn)為，葡萄牙人于1921年在安哥拉進行了一些大地測量任務(wù)，旨在在各省建立大地測量控制網(wǎng)，建立了1 809個三角鎖以及1 722個控制點，分布在國內(nèi)的17個城市里[4]。但這些控制網(wǎng)至今是否還存在以及被有效使用，還無法得以證實。

6 結(jié) 語

安哥拉工程領(lǐng)域主要采用WGS-84基準(zhǔn)和Camacupa基準(zhǔn)，雖以WGS-84基準(zhǔn)占主要地位，但如果不對坐標(biāo)數(shù)據(jù)加以識別和確認(rèn)，很容易將Camacupa基準(zhǔn)上的坐標(biāo)值誤以為是WGS-84基準(zhǔn)的坐標(biāo)值，造成工程定位不準(zhǔn)確，為工程施工帶來巨大隱患，造成施工成本的增加。因此，需要對坐標(biāo)數(shù)據(jù)的分析和確認(rèn)予以充分重視。

如果在工程實踐中遇到了Camacupa基準(zhǔn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，由于從Camacupa基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成WGS-84基準(zhǔn)還沒有被公認(rèn)的完全正確的轉(zhuǎn)換公式，并且這些轉(zhuǎn)換公式還存在一定的誤差，因此不建議直接用于工程定位。建議采用保守的方式，重新使用WGS-84基準(zhǔn)進行測量定位，以完全消除測量定位的風(fēng)險。