油气勘探中大地坐标系的特点及其应用

谢春雨,朱立新,赵一平

(中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司研究院,上海 200120)

油气勘探中大地坐标系的特点及其应用

谢春雨,朱立新,赵一平

(中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司研究院,上海 200120)

概述大地坐标系的定义及国内外常用大地坐标系的特点,并讨论了它们之间的区别与联系,阐述了大地坐标系在海洋油气勘探领域中的应用。WGS84坐标与CGCS2000坐标之间误差极小,二者在油气勘探中可互用。在今后一段时期内,WGS84仍将是油气勘探中所使用的主要坐标系。

大地坐标系;北京54坐标系;西安80坐标系;2000国家大地坐标系;国际地球参考系统;1984年世界大地坐标系

大地坐标系一直是大地测量中非常重要的基本问题,也是油气勘探中一项基础工作。随着我国石油企业“走出去”开发海外资源,油气勘探的国际合作越来越多,而不同国家和地区使用的坐标系统不尽相同,这给研究工作带来了诸多不便,是急需要理清和解决的重要基础工作。在前空间大地测量时代,各国建立了符合自己本国国情的参心坐标系,这些参心坐标系采用的参考椭球体差异很大。目前这些参心坐标系在很多工业生产过程中仍在使用,如我国的北京54坐标系仍然在石油工业界发挥着作用。在20世纪80年代进入空间大地测量时代以后,由于空间技术的发展,世界各国相继建立了多种地心坐标系,虽然各国定义的地心坐标系的具体实现也有差异,但差异已经越来越小。本文将先简单介绍和坐标系相关的一些基本概念,再主要介绍我国及国际上常用大地坐标系的定义和特点,扼要介绍国外地心坐标系的进展,然后就笔者工作中遇到的不同海洋油气勘探区块涉及的坐标系进行简要的总结,最后就大地坐标系的应用作些讨论。

1 大地坐标系

经典大地测量认为平均海平面与大地水准面是一致的。大地水准面所包围的形体是一个水准椭球,称为大地体。总体上讲大地体非常接近旋转椭球,而后者的表面是一个规则的数学曲面。所以在大地测量学中选择一个旋转椭球作为地球理想的模型,称为地球椭球。而与大地体在几何或物理性质上最为接近的地球椭球叫做总地球椭球。在前空间大地测量时代,总地球椭球无法精确测量,与某一国家或地区范围内的大地水准面符合最好的地球椭球叫做参考椭球体。

过去经典大地测量研究地球形状基本上采用的是几何方法,提供的是几何参数。现在研究地球形状时将几何和物理方法结合起来,提供的是既有几何参数又有物理参数。

大地坐标系统一般可分为参心坐标系、地心坐标系、地方独立坐标系。本文主要讨论参心坐标系和地心坐标系。以参考椭球为基准的坐标系,叫做参心坐标系;以总地球椭球为基准的坐标系,叫做地心坐标系[1]。

2 常用大地坐标系

我国大地坐标系从建立至今,经历了参心坐标系到地心坐标系的发展过程,为国民经济的发展和国防建设做出了很大的贡献。我国大地坐标系的建立始于20世纪50年代从前苏联引入的1954年北京坐标系(简称54坐标系)。20世纪80年代初,通过天文大地网平差,建立了1980年西安大地坐标系(简称80坐标系)和新54坐标系。2008年7月,我国开始使用2000国家大地坐标系(CGCS2000),它的建立不但很大程度提高了我国大地坐标系定位的精度,而且也方便了和国际上主要大地坐标系的接轨。

目前ITRS是国际上最精确、最稳定的全球性地心坐标系。它的某一实现被越来越多的国家采用为国家大地坐标系。而WGS84的出现使大地测量发生了翻天覆地的变化,目前国际上使用最广的坐标系就是WGS84,因为GPS是目前使用最广泛的定位手段。

上述的五个坐标系统都跟我们的工作息息相关,其中54坐标系和80坐标系均为参心坐标系, CGCS2000、ITRS、WGS84均为地心坐标系。五个坐标系所采用的椭球参数见表1。下面将介绍这些坐标系的特点。

表1 不同坐标系采用的椭球参数比较Tab.1 Comparison of the ellipsoid parameters used in different coordinate systems

2.1 1954年北京坐标系

1954年北京坐标系采用的参考椭球体是克拉索夫斯基椭球。建国初期,由于缺乏椭球定位的必要资料,我国引用了前苏联1942年普尔科沃坐标系。1954年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸,它的原点不在北京而是在前苏联的普尔科沃。

1954年北京坐标系建立以来,我国依据北京54坐标系建成了全国天文大地网,完成了大量的测绘任务。但北京54坐标系存在着如下主要的缺点:

(1)椭球参数有较大误差。克拉索夫斯基椭球参数与现代精确的椭球参数相比,长半轴约大109 m。克拉索夫斯基椭球只有两个参数(长半轴a,椭球扁率f)。

(2)参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜,在东部地区大地水准面差距最大达到68 m。

(3)几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。

(4)定向不明确。椭球与现在通用的地球极不一致。

2.2 1980年西安大地坐标系

1980年西安大地坐标系(GDZ80)也叫1980国家大地坐标系,它采用1975年IUGG第十六届大会推荐的4个参考椭球参数:地球椭球长半径a=6 378 140 m,地心引力常数GM=3.986 005 ×1014m3/s2,地球重力场二阶带球谐系数J2= 1.082 63×10-8,地球自转角速度ω=7.292 115 ×10-5rad/s。由这四个参数可以算得地球椭球扁率f=1/298.257。

与1954年北京坐标系相比,1980年西安大地坐标系的特点[1-2]是:

(1)大地原点地处我国中部,位于西安市以北60 km处的泾阳县永乐镇,简称西安原点。

(2)采用1975年国际大地测量与地球物理联合会(IUGG)第16届大会上推荐的4个椭球基本参数(a,J2,GM,ω)。椭球参数与克拉索夫斯基椭球参数相比精度高,并且椭球有4个参数,是一套完整的数值,既确定了几何形状,又表明了地球的基本物理特征,从而将大地测量学与大地重力学的基本参数统一起来。

(3)椭球面同似大地水准面在我国境内最为弥合,是多点定位。椭球定位时按我国范围内高程异常值平方和最小为原则求解参数。

(4)定向明确。椭球短轴平行于地球质心指向地极原点J YD1968.0的方向,起始大地子午面平行于我国起始天文子午面。

(5)大地高程以1956年青岛验潮站求出的黄海平均水面为基准。

2.3 2000国家大地坐标系(CGCS2000)

以传统大地测量为基础的的参心、二维、低精度、静态的大地坐标系统已不能适应空间技术的发展,只有建立以空间技术为基础的地心三维大地坐标系,才能适应科技、经济和社会的发展。

2008年6月18日,国家测绘局发布2008年第2号公告:经国务院批准,根据《中华人民共和国测绘法》,我国自2008年7月1日起启用2000国家大地坐标系。

2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现,其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数如下:长半轴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,自转角速度ω= 7.292 115×10-5rad/s。CGCS2000的定义符合IERS定义的协议地球参考系(CTRS)[3]。

2.4 ITRS(国际地球参考系统)

ITRS是目前国际上最精确、最稳定的全球性地心坐标系[4],它的定义遵循IERS(国际地球自转服务组织)定义协议地球坐标系的法则,它的定义为:

(1)原点为地心,并且是指包括海洋和大气在内的整个地球的质心。

(2)长度单位为米(m),并且是在广义相对论框架下的定义。

(3)Z轴从地心指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)。

(4)X轴从地心指向格林尼治平均子午面与CTP赤道的交点。

(5)Y轴与XOZ平面垂直而构成右手坐标系。

(6)时间演变基准是使用满足无整体旋转NNR条件的板块运动模型,来描述地球各块体随时间的变化。

ITRS的建立和维持是由IERS全球观测网(由VLBI、SLR、GPAS、DORIS组成),以及观测数据经综合分析后得到的站坐标和速度场来具体实现的,即国际地球参考框架ITRF。ITRS几乎每年向世界各国公布新的ITRF,现有的ITRF版本有ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97、ITRF2000、ITRF2005。

与传统的大地测量参考框架不同,ITRF提供一种动态的地心坐标框架系统,这种动态地心坐标框架通过分布全球的一组GPS跟踪站的站坐标和站速度来体现。每个跟踪站点不仅有坐标,还有该站坐标变化的速度,并且跟踪站的坐标都是动态变化的。这种站坐标和站速度是通过高精度的空间大地测量观测手段获得。世界各国将自己的观测数据发送到IERS,由IERS下属的相关研究机构对这些数据进行统一处理,计算出各测站的坐标和速度,计算结果由IERS统一发布。同时,各国可以利用这些跟踪站的数据、站坐标和速度,结合本国的连续跟踪站数据,建立起各自国家的地心坐标框架系统。

2.5 WGS84(World Geodetic System 1984)

1972年,美国国防部制图局NIMA、美国空军与海军武器实验室和海军海洋局等研究单位,利用光学和电子观测资料,联合建立1972年世界大地坐标系统WGS72。

1984年美国国防部制图局在WGS72的基础上,经过多年的修正和不断完善,发展了一套新的世界大地坐标系,称为1984年世界大地坐标系,即WGS84。

自1978年2月美国发射第一颗GPS卫星以后,美国海军水面武器中心、美国国防部制图局测定的广播星历和精密星历均采用WGS72坐标系。1987年1月1日起,GPS卫星发送的广播星历和精密星历开始采用WGS84坐标系。即1978年2月～1987年1月用GPS接收机接收的是WGS72坐标系的坐标,1987年1月以后用GPS接收的是WGS84坐标系的坐标。

WGS84采用的地球椭球参数如下:长半轴a =6 378 137 m,扁率f=1/298.257 223 563,地心引力常数GM=3.986 004 418×1014m3/s2,自转角速度ω=7.292 115×10-5rad/s。

WGS84符合IERS定义的协议地球参考系(CTRS),即[5]:

(1)中心在地球质心。

(2)采用广义相对论下地心参照系中的尺度。

(3)指向符合IERS(事实上是其前身国际时间局,简称BIH)1984.0指向。

(4)指向随时间的变化使它相对地壳没有整体转动。

WGS84的建立利用了美国海军导航卫星系统(NNSS)和子午卫星导航系统的多普勒单点定位结果,他们的绝对精度约为1～2 m,这是因为导航卫星星历的精度为1 m左右。为了提高WGS84的定位精度,美国国防部制图局对WGS84先后进行了三次优化改进。第一次改进在1994年1月,WGS84完全根据GPS观测结果重新确定,得到了WGS84(G730),G表示由GPS测量得到,730表示为GPS时间第730个周,此次改进使得WGS84(730)与ITRF92之间符合的很好,两者之间的差异小于10 cm。第二次改进在1996年,采用13个IGS全球站作控制点,对WGS84坐标系统重新作数据处理,得到WGS84 (G873),历元是1997.0。WGS84(G873)采用的坐标框架为ITRF94,与ITRF94比较,WGS84 (G873)的误差为±5 cm(一个坐标分量)[6]。2001年,NIMA(美国国家影像与制图局)第三次对WGS进行精化,为了和ITRF2000保持一致, NIMA利用ITRF2000框架下IGS的49个枢纽站作为控制点,选用26个GPS永久性追踪站(包括2个IGS站,其中一个是北京房山站),以ITRF2000为坐标框架,采用历元2001.0,采用NIMA精密星历,统一进行平差计算,得到WGS84最新的版本WGS84(G1150)。WGS84 (G1150)与ITRF2000符合程度为±1 cm。

3 国际坐标系统发展趋势

随着全球定位系统(GPS)、人卫激光测距(SLR)、甚长基线干涉(VLBI)等空间大地测量技术的不断发展和完善,使得ITRS越来越精确、稳定。IAG(国际大地测量协会)在遵循IERS定义的协议地球参考系,帮助各大洲或区域协调建立了一些区域性参考框架。欧洲参考框架(EUREF)、中南美洲参考框架(SIRGAS)、北美洲参考框架(NAREF)、非洲参考框架(AFREF)、东南亚和太平洋参考框架都在稳步发展和推进之中[7]。

另外,世界各国都在不断更新和完善各自的大地测量参考框架,空间地心坐标框架逐渐取代传统的大地测量坐标框架已成为一种趋势。越来越多的国家将各自的地心坐标系与ITRS的某一具体实现或者WGS84联系在一起。

北美早在1986年就完成了北美大地坐标系NAD83的建立,对遍布美国、加拿大、墨西哥以及中美地区的26万余个大地点进行了整体平差,获得了26万余个大地点的地心坐标。NAD83努力使它与WGS84保持一致。同WGS84一样,俄罗斯的GLONASS卫星定位系统应用也很广, GLONASS采用的的地心坐标系是PZ-90。澳大利亚建立了地心坐标系GDA94,以替代原先使用的参心坐标系AGD66和AGD84,GDA94与ITRF92相符合,采用历元1994.0。欧洲也通过空间网与地面网的联合数据处理,建立了ED87 (1987欧洲大地基准)。日本从2000年4月开始使用新的大地基准J GD2000,正式取代了具有百年历史的东京大地基准,J GD2000采用ITRS的定义,历元定为1997.0。蒙古近年建立了新的国家大地坐标框架MONREF97。新西兰建立了新的大地坐标系NZGD2000,参考历元为2000.01. 01。韩国在1998年建立了与ITRF97为参照的地心大地坐标系统KGD2000,历元采用2000.0。马来西亚也建立了新的大地坐标框架NGRF2000[8-9]。

4 海洋油气勘探中坐标系统的应用

目前国家在不断加大海洋油气勘探开发的力度,同时也鼓励石油企业走出去寻找油气资源。而在油气勘探中,坐标系统的研究是必须要做的基础工作。

在国内海洋油气勘探区域研究中,由于已经在很多勘探区域精耕细作了几十年,时间跨度比较大,前后采用过多种不同的坐标系统,如:北京54坐标系、WGS72坐标系、WGS84坐标系等。目前很多石油单位对坐标系的使用比较混乱,同一勘探区块存在着多种坐标系混用的局面,其中很重要的原因是缺少统一坐标系下空间信息数据的整理统一,其工作量较大。另外,由于过去在地震资料采集时使用了北京54坐标系和WGS72坐标系,使得很多解释工作都在这两个坐标系下完成,并积累了大量的数据资料。因为各种原因,目前仍然有一些项目因为需要利用这些过去的研究成果,仍然在使用北京54坐标系和WGS72坐标系,给研究工作带来诸多不便。随着目前采集数据越来越多的采用WGS84坐标系,也为了加强对外合作,WGS84已经成为我们研究中采用的主要坐标系。另外,在向国土资源部等上级部门上交成果图件时,还经常需要使用西安80坐标系,因为在2000国家大地坐标系产生之前,西安80坐标系是国家的法定坐标系。

在海外不同国家、地区海域的勘探区块研究中,涉及的坐标系统就更多,如果不能理清这些坐标系之间联系与区别,将给我们的研究工作都带来了很多的困扰。目前大部分地区采集、处理和解释时采用的坐标系都统一为WGS84,同时也遇到很多坐标系不是WGS84的情况。比如笔者曾经参加的澳大利亚某一海上勘探区块的项目,该项目涉及的坐标系统相对复杂,主要有:AGD66, AGD84,WGS84,GDA94。其中AGD66和AGD84是参心坐标系,两者使用相同的参考椭球,但大地原点的坐标不同。WGS84和GDA94是地心坐标系。这几个坐标系的基本信息见表2。同一点在AGD66和GDA94坐标系下UTM投影得到的坐标相差200 m左右,GDA和WGS84两者的坐标相差很少,基本上在1 m以内[10]。由于很多数据源(比如工区边界、井位数据)采用的是AGD66或者AGD84的坐标系,我们在使用时必须将这些数据转换到澳大利亚要求的GDA94坐标系下,在数据转换时必须注意误差,以保证数据准确性,由于WGS84和GDA94的差异在1 m之内,可以忽略其中的差异。

表2 AGD、WGS84、G DA94坐标系的比较Tab.2 Comparison of AG D,WG S84,G DA94 coordinate systems

5 结束语

当前,国家测绘局要求[2]:2000国家大地坐标系与现行国家大地坐标系转换、衔接的过渡期为8年至10年;现有各类测绘成果,在过渡期内可沿用现行国家大地坐标系;2008年7月1日后新生产的各类测绘成果应采用2000国家大地坐标系;现有地理信息系统,在过渡期内应逐步转换到2000国家大地坐标系;2008年7月1日后新建设的地理信息系统应采用2000国家大地坐标系。

今后,国内的测绘成果将越来越多的采用2000国家大地坐标系,在向上级部门汇报成果的时候,也会需要将很多成果转换到2000国家大地坐标系中。因此,需要加强对2000国家大地坐标系的研究。在文献11中,魏子卿院士指出CGCS2000和WGS84(1150)是相容的,在坐标系的实现精度范围内,CGCS2000坐标和WGS84是一致的[11]。文献12认为,同一点在CGCS2000坐标系和WGS84坐标系下经度相同,纬度的最大差值约为3.6×10-6″,相当于0.11 mm。所以,在油气勘探领域,考虑到油气勘探对点位精度的要求并不是特别高,我们可以把WGS84坐标当作CGCS2000坐标来使用。

北京54坐标系、西安80坐标系和WGS84坐标系的差异很大。西安80坐标系更换为WGS84坐标系,在中国境内地面点大地纬度和大地经度的高斯平面纵坐标X值和横坐标Y值的变动区间分别为-48.6 m～+22.7 m和-115.7 m～-75.7 m[13],可见该差异还是很大的。而北京54坐标系和WGS84的差异就更大了。鉴于目前我们仍然存在着大量的北京54和WGS72坐标系下的空间信息数据,我们需要加强对定位数据库的管理以及坐标转换的研究,争取将更多的研究成果转换到WGS84的坐标系下,以便在研究中更好使用。

另外,在海外油气勘探的研究过程中,将会遇到更多复杂的坐标系统。我们尤其要重视具体研究区域所属国家的参心坐标系的研究,因为过去使用的大多数参心坐标系与WGS84差异都比较大。由于目前很多国家都将ITRS的某一实现(例如ITRF2000)采纳为自己国家的地心坐标系,WGS84也在努力与ITRS保持一致,这就使得目前大部分地心坐标系之间的差异都很小,就石油勘探而言,影响较小。

由于目前GPS已经成为最主要的大地测量手段,今后我们的数据源也将主要采用WGS84坐标系,因此WGS84坐标系将会是我们今后主要使用的坐标系。

[1]孔祥元,郭际明,刘宗泉.大地测量学基础[M].湖北武汉:武汉大学出版社,2001.

[2]董鸿闻,李国智,陈士银,等.地理空间定位基准及其应用[M].北京:测绘出版社,2004.

[3]国家测绘局.国家测绘局2008年第2号公告[EB/OL]. 2008.http://www.sbsm.gov.cn/Article/tzgg/200806/ 20080600037863.shtml.

[4]杨元喜.中国大地坐标系建设主要进展[J].测绘通报,2005 (1):6-9.

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[6]陈俊勇.世界大地坐标系统1984的最新精化[J].测绘通报, 2003(2):1-3.

[7]党亚民,陈俊勇.国际大地测量参考框架技术进展[J].测绘科学,2008,33(1):33-36.

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[9]顾旦生,张莉,程鹏飞,等.我国大地坐标系发展目标[J].测绘通报,2003(3):1-4.

[10]Inter-governmental Committee on Surveying and Mapping. Geocentric Datum of Australia Technical Manual Version 2.3[R/ OL].http://www.icsm.gov.au/gda/gdatm/Gdav2.3.pdf

[11]魏子卿.2000中国大地坐标系及其与WGS84的比较[J].大地测量与地球动力学,2008,28(5):1-5.

[12]程鹏飞,文汉江,成英燕,等.2000国家大地坐标系椭球参数与GRS80和WGS84的比较[J].测绘学报,2009,38(3):189 -194.

[13]陈俊勇.采用地心3维坐标系统对中国地图的影响[J].测绘通报,2004(4):1-5.

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

谢春雨,1982年生,男,助理工程师,2005年毕业于武汉大学测绘工程专业,现从事导航定位和物探解释工作。E-mail: xiechunyu@shopc.com.cn。