安哥拉Camacupa基准及其在工程领域的应用

贺城，廖娜

(1.中工国际工程股份有限公司，北京 100080； 2.中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

1 引 言

安哥拉位于非洲西南部，西滨大西洋，南纬5°～18°，东经11°～24°。安哥拉国土除本土以外，另有一块外飞地卡宾达省与刚果共和国、刚果民主共和国相邻。

安哥拉大地测量的发展受其殖民历史的影响，在15世纪后期葡萄牙人来到安哥拉之前，安哥拉并没有真正意义上的大地测量。在葡萄牙殖民时期，特别是在20世纪，为了建设的需要，葡萄牙人在安哥拉开展了一些大地测量工作。

2002年安哥拉内战结束之后，拥有大量石油和钻石资源的安哥拉吸引了各国工程承包商参与国家重建，大批中资企业也相继进入安哥拉工程承包市场参与竞争。通过在安哥拉工程实践发现，安哥拉除使用在世界上广泛应用的WGS-84基准，还使Camacupa基准用于工程测量。鉴于很少有文献对Camacupa基准进行说明，本文介绍Camacupa基准及其应用，为工程应用提供参考。

2 Camacupa基准

2.1 大地基准

Camacupa基准之所以定名为Camacupa基准，是因为它的大地原点在安哥拉(ANGOLA)比耶(BIÉ)省卡玛库巴(CAMACUPA)市，坐标原点于1948年设立。这与我国于1980年建立的国家大地基准称之为1980西安坐标系一样，因为大地原点位于西安市以北60km处的泾阳县永乐镇。

建立大地基准就是求定旋转椭球的参数及其定向和定位[1]，亦即确定参考椭球和投影方式。

2.2 参考椭球

参考椭球是大地测量计算的基准面，同时也是研究地球形状和地图投影的参考面，地面上一切观测元素都应归算到参考椭球面上，并在这个面上进行计算[1]。由于地球并不是规则的椭球，世界上很多国家为了找到本国或本地区大地水准面最佳拟合的椭球，因此世界上出现了各种不同的坐标系统。

非洲大部分国家的大地基准使用Clarke 1880椭球[2]，安哥拉Camacupa基准同样使用Clarke 1880椭球。安哥拉广泛应用全球定位系统(GPS)进行工程测量，而GPS应用的是WGS-84椭球体。将安哥拉Camacupa基准使用的Clarke 1880椭球参数与WGS-84椭球参数列出，如表1所示。可以看出两个椭球尺寸非常相近，长半轴差距只有约 112 m，短半轴差距只有约 237 m，这意味着如果采用相同的投影方式，在两个基准内坐标值差距不会太大。

Clarke 1880和WGS-84椭球参数 表1

注：Clarke 1880椭球体参数来源于ArcGIS软件，WGS-84椭球体参数来源于参考文献[1]

2.3 投影方式

在确定了参考椭球之后，就需要确定一种投影方式，将椭球面上的元素(包括坐标、方位和距离)按一定的数学法则投影到平面上，形成能供工程应用的平面直角坐标系。

世界上主要应用的三种投影方式为兰勃脱(Lambert)投影、高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影和通用横轴墨卡托(UTM，Universal Transverse Mercator)投影。Camacupa基准使用UTM投影。

UTM投影是等角横轴割圆柱投影，椭圆柱割地球于北纬84°～南纬80°两条等高圈，投影后两条相割的经线上没有长度变形，而中央子午线上的长度比为 0.999 6[1]。较之高斯投影，UTM投影显著减少了投影带边缘地区的长度变形。

UTM投影分带方法与高斯-克吕格投影相似，将北纬84°～南纬80°之间按经度分成60个投影带，每个投影带经差为6°[1]。安哥拉大部分国土位于33L和34L投影带上，部分北部地区以及卡宾达省位于33M和34M投影带上，部分南部地区位于33K和34K投影带上，西部极少国土位于32L和32K投影带上，具体如图1所示。

图1 安哥拉的UTM投影带编号

使用不同的参考椭球，即使是同一点，它们的UTM坐标值也是不同的。Camacupa基准和WGS-84基准都是使用UTM投影，由于它们的参考椭球不同，因此坐标值是不同的。

3 Camacupa基准在工程领域的应用

美国国防部于1984年建立的WGS-84基准是目前世界上应用最广泛的基准，在安哥拉也主要被使用。作为安哥拉本国大地基准的Camacupa基准，其应用范围仅限于安哥拉。值得说明的是，安哥拉境内使用的当地基准并非只有Camacupa基准，例如与刚果共和国、刚果民主共和国相邻的卡宾达省使用的当地基准就不是Camacupa基准[3]。

西非几内亚湾是非洲最大的海湾，沿岸十多个国家及邻近地区拥有丰富的石油资源，是世界最重要的石油产区之一。非洲石油储量的80%分布在尼日利亚和安哥拉。根据2017年的统计数据，安哥拉已探明石油总储量约为130亿桶。2017年，安哥拉平均日产油量为163.6万桶，在非洲国家中仅次于尼日利亚，而安哥拉大部分的石油资源在海上。1996年，在安哥拉海域发现了西非第一个大型深水油田——吉拉索尔油田，其石油可采储量达1亿吨，此后在水深 330 m～1 450 m的范围内又发现了一大批深水油气田。包括雪佛龙、美孚、壳牌、英国石油公司、道达尔等一大批石油巨头进入安哥拉投资开发深海油气。在作者查阅到的为数不多的有关安哥拉海上石油开发的文献资料上，可见有关Camacupa基准的应用。英国石油公司带领的欧洲石油研究小组曾发表过有关Camacupa基准向WGS-84基准的转换参数[4]，可见Camacupa基准曾经在安哥拉海上油气勘探领域大量应用。

在学术期刊很少见到有关Camacupa基准的文献，Daniel OB Jones[5]研究安哥拉附近海域海底地质构造和生物群落关系时，使用了Camacupa基准记录相关位置，有关Camacupa基准的应用也是在安哥拉附近海域。

安哥拉凭借着其丰富的石油资源，在内战结束后吸引了世界各国的承包商参与基础设施建设。安哥拉的工程承包市场中除了安哥拉本土企业外，主要有同样以葡萄牙语作为母语的葡萄牙和巴西的企业以及大量中资企业。

在安哥拉工程承包市场，是采用WGS-84基准还是采用Camacupa基准，很大程度上取决于业主方。中资企业参与的大型工程承包项目，以安哥拉政府机构或者安哥拉国有企业作为业主的居多，安哥拉的土地审批和管理部门使用的是WGS-84基准，因此，中资企业在安哥拉应用最多的依然是WGS-84基准。

但是，在安哥拉有一些测量公司在为政府项目服务时，可能会使用Camacupa基准，这些测量公司可能是安哥拉本地的，也可能是葡萄牙的。由于坐标点在Camacupa基准与在WGS-84基准中的差距在几百米以内，如果不加以仔细辨别，势必在项目测量定位时造成错误，对项目造成很大的损失。因此，有必要了解Camacupa基准及其与WGS-84基准的转换方法。

4 Camacupa坐标系与WGS-84坐标系的转换方法

ArcGIS软件是Esri公司推出的在世界范围内广泛使用的GIS软件，但其只提供了Camacupa基准和WGS-84基准的转换平台，转换参数还需要用户输入，因此无法通过ArcGIS软件获得转换参数。

Clifford JMugnier[4]在其论文中引述了几个Camacupa基准向WGS-84基准的转化参数。主要包括由Conoco石油公司提出的转换参数：△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年提出的转化参数：△X=-50.9 m，△Y=-347.6 m，△Z=-231 m。另外还有八个版本的转换参数在文中有所提及，但并未详细列出。以上所有的转换参数均为世界各大石油公司在安哥拉近海进行油气田资源开发时提出的，这些转换参数应用于跨越安哥拉整个海岸的近海区域，但在安哥拉陆地的使用效果还需进一步确认。

作者在安哥拉工作期间，曾收到过安哥拉本地测量公司提供的某项目位置坐标，由于数据是在Camacupa基准上获得的，因而将数据输入到WGS-84基准中无法进行准确定位。为了得到Camacupa基准与WGS-84基准的转换参数，通过使用手持GPS获得若干固定点在WGS-84基准下的坐标，与测量公司提供的该固定点在Camacupa基准下的坐标进行比对和分析。

根据表1，Camacupa基准使用的Clarke 1880椭球体与WGS-84基准使用的WGS-84椭球体参数非常相近，且两个坐标系均使用UTM投影，因此大致可以判断从Camacupa基准转换到WGS-84基准使用的转换参数不会多。再考虑到Clifford J Mugnier提供的几个转换参数全部使用三参数进行转换，因此在此数据中考虑进行三参数转换。

图2 Camacupa坐标点和WGS-84坐标点对比图

在图2中，A、B、C、D 4个点是测量公司给出的Camacupa基准坐标值，转换为WGS-84基准坐标值后点的位置变为了a、b、c、d。得到X轴和Y轴两个参数的转换结果为：△X=-264.76 m，△Y=-305.52 m。经过实地考察认为，转换后的位置非常合理，该转换参数可为工程应用提供参考。由于此次测量没有提供准确的高程数据，高程数据转换可参考前述Clifford J Mugnier提供的△Z值。在此应该明确的是，无论是Clifford J Mugnier还是本文提出的转换数据，都是有一定误差的。

安哥拉地广人稀，124.67万平方千米的国土面积约有 2 579万人口，人口密度约为21人/km2。全国人口中有62.4%为城镇人口，37.6%为农村人口。很多占地面积较大的项目选址在人口密度极低的农村地区，例如农场项目、糖厂项目，政府一般利用特定的地理界线(如山川、河流、山沟、公路等)划定一定的范围作为项目选址，项目承包商就在该范围内建立独立坐标系来进行后续相关工作，这类项目一般不涉及Camacupa基准与WGS-84基准的转换。即使有些数据需要转换，对转换精度的要求也不会高。

对于房建、供水、工厂类项目，由于一般建设在人口密度较大的城镇，就需要非常准确的坐标定位，就需要特别考虑坐标转换的问题。无论是Clifford JMugnier还是本文提出的坐标转换参数，由于无法做到非常准确，不建议在施工测量放线阶段直接使用，但可以在项目决策阶段提供一定的参考。

5 平面控制网和高程控制网

建立一个国家的平面大地控制网是一项浩大的基本测绘建设工程，以我国为例，根据主次缓急采用分级布网、逐级控制的原则建立了四等三角网，即先以精度高而稀疏的一等三角锁，尽可能沿经纬线纵横交叉地布满全国，形成统一的骨干控制网，然后在一等锁环内逐级布设二、三、四等三角网[1]。

布测全国统一的高程控制网，首先应建立一个高程起算基准面以及相对于这个基准面的水准原点，然后建立高程控制网。我国国家高程控制网采用从高到低，从整体到局部，逐级控制，逐级加密的方式布设，分为一、二、三、四等水准测量。其中一等水准测量是国家高程控制网的骨干，同时也为相关地球科学研究提供高程数据；二等水准测量是国家高程控制网的全面基础；三、四等水准测量是直接为地形测图和其他工程建设提供高程控制点[1]。国家高程控制网的建设同样是一项浩大的工程。

安哥拉在2002年才结束内战，内战期间安哥拉很多基础设施遭到破坏。现在是否存在国家平面控制网和高程控制网以及是否在工程建设领域投入使用，也是本文关注的内容。

安哥拉Camacupa市地处安哥拉中部，在比耶省境内。据文献记载，Camacupa基准的坐标原点位于Campo de Avição，南纬12°01′19.070″，东经17°27′19.800″，h0=1 508.3 m，在Camacupa市郊的一个飞机场附近。坐标原点处是一个混凝土制成的石碑，石碑顶部是一块大理石板，用黑字写着“M.G.A.-P.F.-1948”[3]。本文作者根据上述坐标，在Camacupa市郊的一个小型土跑道飞机场附近找到了该坐标原点，原坐标点显然已经重建，坐标原点目前是一个白色耶稣雕像，耶稣雕像下面有一块黑色石板，用葡萄牙语写着(以下为译文)“CAMACUPA市安哥拉地理测量中心点省长ALVARO MANUEL DE BOAVIDA NETO阁下于2015年7月6日为本碑重新揭幕，时任CAMACUPA市市长为ALCIDA CELESTE DE JESUS KAMATELE阁下安哥拉之心”。坐标原点附近用砖砌体围成圆形围墙进行保护，显然是有人管理的。

Clifford J Mugnier认为，葡萄牙人于1921年在安哥拉进行了一些大地测量任务，旨在在各省建立大地测量控制网，建立了1 809个三角锁以及1 722个控制点，分布在国内的17个城市里[4]。但这些控制网至今是否还存在以及被有效使用，还无法得以证实。

6 结 语

安哥拉工程领域主要采用WGS-84基准和Camacupa基准，虽以WGS-84基准占主要地位，但如果不对坐标数据加以识别和确认，很容易将Camacupa基准上的坐标值误以为是WGS-84基准的坐标值，造成工程定位不准确，为工程施工带来巨大隐患，造成施工成本的增加。因此，需要对坐标数据的分析和确认予以充分重视。

如果在工程实践中遇到了Camacupa基准的坐标数据，由于从Camacupa基准转换成WGS-84基准还没有被公认的完全正确的转换公式，并且这些转换公式还存在一定的误差，因此不建议直接用于工程定位。建议采用保守的方式，重新使用WGS-84基准进行测量定位，以完全消除测量定位的风险。