安哥拉Camacupa基準(zhǔn)及其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用

賀城，廖娜

(1.中工國(guó)際工程股份有限公司，北京 100080； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)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(guó)土除本土以外，另有一塊外飛地卡賓達(dá)省與剛果共和國(guó)、剛果民主共和國(guó)相鄰。

安哥拉大地測(cè)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(lái)到安哥拉之前，安哥拉并沒(méi)有真正意義上的大地測(cè)量。在葡萄牙殖民時(shí)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(kāi)展了一些大地測(cè)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(guó)工程承包商參與國(guó)家重建，大批中資企業(yè)也相繼進(jìn)入安哥拉工程承包市場(chǎng)參與競(jìng)爭(zhēng)。通過(guò)在安哥拉工程實(shí)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(cè)量。鑒于很少有文獻(xiàn)對(duì)Camacupa基準(zhǔn)進(jìn)行說(shuō)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?yàn)樗拇蟮卦c(diǎn)在安哥拉(ANGOLA)比耶(BIé)省卡瑪庫(kù)巴(CAMACUPA)市，坐標(biāo)原點(diǎn)于1948年設(shè)立。這與我國(guó)于1980年建立的國(guó)家大地基準(zhǔn)稱(chēng)之為1980西安坐標(biāo)系一樣，因?yàn)榇蟮卦c(diǎn)位于西安市以北60km處的涇陽(yáng)縣永樂(lè)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(cè)量計(jì)算的基準(zhǔn)面，同時(shí)也是研究地球形狀和地圖投影的參考面，地面上一切觀測(cè)元素都應(yīng)歸算到參考橢球面上，并在這個(gè)面上進(jìn)行計(jì)算[1]。由于地球并不是規(guī)則的橢球，世界上很多國(guó)家為了找到本國(guó)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(guó)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(jìn)行工程測(cè)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€(gè)橢球尺寸非常相近，長(zhǎng)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(gè)基準(zhǔn)內(nèi)坐標(biāo)值差距不會(huì)太大。

Clarke 1880和WGS-84橢球參數(shù) 表1

注：Clarke 1880橢球體參數(shù)來(lái)源于ArcGIS軟件，WGS-84橢球體參數(shù)來(lái)源于參考文獻(xiàn)[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(xiàn)上沒(méi)有長(zhǎng)度變形，而中央子午線(xiàn)上的長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)投影帶，每個(gè)投影帶經(jīng)差為6°[1]。安哥拉大部分國(guó)土位于33L和34L投影帶上，部分北部地區(qū)以及卡賓達(dá)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?lài)?guó)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(hào)

使用不同的參考橢球，即使是同一點(diǎn)，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(guó)國(guó)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(guó)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(shuō)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(guó)、剛果民主共和國(guó)相鄰的卡賓達(dá)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(gè)國(guó)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(chǔ)量的80%分布在尼日利亞和安哥拉。根據(jù)2017年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，安哥拉已探明石油總儲(chǔ)量約為130億桶。2017年，安哥拉平均日產(chǎn)油量為163.6萬(wàn)桶，在非洲國(guó)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(gè)大型深水油田——吉拉索爾油田，其石油可采儲(chǔ)量達(dá)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(guó)石油公司、道達(dá)爾等一大批石油巨頭進(jìn)入安哥拉投資開(kāi)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(kāi)發(fā)的文獻(xiàn)資料上，可見(jiàn)有關(guān)Camacupa基準(zhǔn)的應(yīng)用。英國(guó)石油公司帶領(lǐng)的歐洲石油研究小組曾發(fā)表過(guò)有關(guān)Camacupa基準(zhǔn)向WGS-84基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換參數(shù)[4]，可見(jiàn)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(jiàn)到有關(guān)Camacupa基準(zhǔn)的文獻(xiàn)，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(shí)，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(guó)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(chǎng)中除了安哥拉本土企業(yè)外，主要有同樣以葡萄牙語(yǔ)作為母語(yǔ)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(chǎng)，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(xiàng)目，以安哥拉政府機(jī)構(gòu)或者安哥拉國(guó)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(mén)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(cè)量公司在為政府項(xiàng)目服務(wù)時(shí)，可能會(huì)使用Camacupa基準(zhǔn)，這些測(cè)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(diǎn)在Camacupa基準(zhǔn)與在WGS-84基準(zhǔn)中的差距在幾百米以?xún)?nèi)，如果不加以仔細(xì)辨別，勢(shì)必在項(xiàng)目測(cè)量定位時(shí)造成錯(cuò)誤，對(duì)項(xiàng)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(tái)，轉(zhuǎn)換參數(shù)還需要用戶(hù)輸入，因此無(wú)法通過(guò)ArcGIS軟件獲得轉(zhuǎn)換參數(shù)。

Clifford JMugnier[4]在其論文中引述了幾個(gè)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(gè)版本的轉(zhuǎn)換參數(shù)在文中有所提及，但并未詳細(xì)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(jìn)行油氣田資源開(kāi)發(fā)時(shí)提出的，這些轉(zhuǎn)換參數(shù)應(yīng)用于跨越安哥拉整個(gè)海岸的近海區(qū)域，但在安哥拉陸地的使用效果還需進(jìn)一步確認(rèn)。

作者在安哥拉工作期間，曾收到過(guò)安哥拉本地測(cè)量公司提供的某項(xiàng)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(wú)法進(jìn)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(guò)使用手持GPS獲得若干固定點(diǎn)在WGS-84基準(zhǔn)下的坐標(biāo)，與測(cè)量公司提供的該固定點(diǎn)在Camacupa基準(zhǔn)下的坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)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(gè)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(huì)多。再考慮到Clifford J Mugnier提供的幾個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)全部使用三參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此在此數(shù)據(jù)中考慮進(jìn)行三參數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖2 Camacupa坐標(biāo)點(diǎn)和WGS-84坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)比圖

在圖2中，A、B、C、D 4個(gè)點(diǎn)是測(cè)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(diǎn)的位置變?yōu)榱薬、b、c、d。得到X軸和Y軸兩個(gè)參數(shù)的轉(zhuǎn)換結(jié)果為：△X=-264.76 m，△Y=-305.52 m。經(jīng)過(guò)實(shí)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(cè)量沒(méi)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(wú)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(wàn)平方千米的國(guó)土面積約有 2 579萬(wàn)人口，人口密度約為21人/km2。全國(guó)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(xiàng)目選址在人口密度極低的農(nóng)村地區(qū)，例如農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目、糖廠項(xiàng)目，政府一般利用特定的地理界線(xiàn)(如山川、河流、山溝、公路等)劃定一定的范圍作為項(xiàng)目選址，項(xiàng)目承包商就在該范圍內(nèi)建立獨(dú)立坐標(biāo)系來(lái)進(jìn)行后續(xù)相關(guān)工作，這類(lèi)項(xiàng)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(duì)轉(zhuǎn)換精度的要求也不會(huì)高。

對(duì)于房建、供水、工廠類(lèi)項(xiàng)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(wèn)題。無(wú)論是Clifford JMugnier還是本文提出的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，由于無(wú)法做到非常準(zhǔn)確，不建議在施工測(cè)量放線(xiàn)階段直接使用，但可以在項(xiàng)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(gè)國(guó)家的平面大地控制網(wǎng)是一項(xiàng)浩大的基本測(cè)繪建設(shè)工程，以我國(guó)為例，根據(jù)主次緩急采用分級(jí)布網(wǎng)、逐級(jí)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(xiàn)縱橫交叉地布滿(mǎn)全國(guó)，形成統(tǒng)一的骨干控制網(wǎng)，然后在一等鎖環(huán)內(nèi)逐級(jí)布設(shè)二、三、四等三角網(wǎng)[1]。

布測(cè)全國(guó)統(tǒng)一的高程控制網(wǎng)，首先應(yīng)建立一個(gè)高程起算基準(zhǔn)面以及相對(duì)于這個(gè)基準(zhǔn)面的水準(zhǔn)原點(diǎn)，然后建立高程控制網(wǎng)。我國(guó)國(guó)家高程控制網(wǎng)采用從高到低，從整體到局部，逐級(jí)控制，逐級(jí)加密的方式布設(shè)，分為一、二、三、四等水準(zhǔn)測(cè)量。其中一等水準(zhǔn)測(cè)量是國(guó)家高程控制網(wǎng)的骨干，同時(shí)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(cè)量是國(guó)家高程控制網(wǎng)的全面基礎(chǔ)；三、四等水準(zhǔn)測(cè)量是直接為地形測(cè)圖和其他工程建設(shè)提供高程控制點(diǎn)[1]。國(guó)家高程控制網(wǎng)的建設(shè)同樣是一項(xiàng)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(guó)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(xiàn)記載，Camacupa基準(zhǔn)的坐標(biāo)原點(diǎn)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(gè)飛機(jī)場(chǎng)附近。坐標(biāo)原點(diǎn)處是一個(gè)混凝土制成的石碑，石碑頂部是一塊大理石板，用黑字寫(xiě)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(gè)小型土跑道飛機(jī)場(chǎng)附近找到了該坐標(biāo)原點(diǎn)，原坐標(biāo)點(diǎn)顯然已經(jīng)重建，坐標(biāo)原點(diǎn)目前是一個(gè)白色耶穌雕像，耶穌雕像下面有一塊黑色石板，用葡萄牙語(yǔ)寫(xiě)著(以下為譯文)“CAMACUPA市安哥拉地理測(cè)量中心點(diǎn)省長(zhǎng)ALVARO MANUEL DE BOAVIDA NETO閣下于2015年7月6日為本碑重新揭幕，時(shí)任CAMACUPA市市長(zhǎng)為ALCIDA CELESTE DE JESUS KAMATELE閣下安哥拉之心”。坐標(biāo)原點(diǎn)附近用磚砌體圍成圓形圍墻進(jìn)行保護(hù)，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(jìn)行了一些大地測(cè)量任務(wù)，旨在在各省建立大地測(cè)量控制網(wǎng)，建立了1 809個(gè)三角鎖以及1 722個(gè)控制點(diǎn)，分布在國(guó)內(nèi)的17個(gè)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(wú)法得以證實(shí)。

6 結(jié) 語(yǔ)

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(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)加以識(shí)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(lái)巨大隱患，造成施工成本的增加。因此，需要對(duì)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(shí)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(méi)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(jìn)行測(cè)量定位，以完全消除測(cè)量定位的風(fēng)險(xiǎn)。