境外地質勘查測量坐標系統選擇
——以津巴布韋某礦區為例

董少波，馬林霄，盧天驕，張毅

（中色地科礦產勘查股份有限公司，北京 100012）

0 引言

根據統計，在經濟建設、日常生活活動所涉及的信息，有80%與地理信息密切相關（吳信才，2009）。而作為以找礦并定位、描述礦產資源為目的任務的地質礦產勘查活動，高精度定位礦產資源并為后續的礦山設計、開發服務，是其工作不可缺少的任務之一，該任務稱之為地質勘查中的測量工作。為高精度定位選擇合理測量坐標系統，并在其基礎上開展相應地質勘查工作，即成為勘查工作首先要解決的問題。尤其在測量基礎工作薄弱的非洲等境外勘查項目工作中，對于歷史勘查工作較多的礦區，應認真分析各階段工作及其他相關資料所采用的坐標系統，結合當地現行坐標系統要求等，正確選擇適用項目工作的測量坐標系統就顯得尤為重要，如選擇坐標系統不合適將對歷史資料的應用帶來很大的不便。本文以津巴布韋A 礦區為例，進行了相關坐標系統的介紹、分析和選擇建議。為今后我國在境外地質勘查工作提供參考和經驗。

1 大地測量坐標系簡介

大地測量坐標系亦稱為地理坐標系，包括經緯度大地坐標及直角坐標系（胡明城，1956）。

經緯度大地坐標：是球面坐標系統，也稱地理坐標系統，是全球尺度的。其按特定的“橢球體”——地球性狀數學模型——對應相應的橢球參數來確定經緯度，高程則通過“基準面”來確定（許家琨，2005）。

直角坐標系：是將上述經緯度球面坐標通過“投影”方式，將球面坐標轉化為平面坐標。主要參數除涉及上述“橢球體”“基準面”外，還有其“投影方式”“坐標分帶——含坐標方向（北方向等）、原點（東偏西偏）參數”等。為盡可能精確地將球面坐標轉化為平面坐標，進行了“分帶”“投影”，相關的投影方式均對應了其分帶方法及每個分帶的坐標方向及原點的定義，因此直角坐標系具有分帶和局部的特點。

基準面與橢球體：從上述地理坐標坐標系定義可知，定義特定的經緯度大地坐標是通過“橢球體（橢球參數）”及“基準面”兩個因素來確定。隨著人類對地球科學認知（橢球參數精度）的不斷進步，其坐標系統也隨之更新進化。經緯度大地坐標系統多以“基準面”名稱命名，其包含特定的“橢球體”。大地基準面是利用特定橢球體對特定地區地球表面的逼近，因此每個國家或地區均有各自的大地基準面。常見坐標系所采用的基準面及橢球示例見表1。

投影類型：從球面坐標到我們日常的平面地圖表示是通過投影變換完成的（高德章，2011），常見的投影類型有以下幾種。

1.1 高斯投影（Gauss）

即高斯－克呂格（Gauss－Kruger）投影，也叫橫軸墨卡托投影（Transverse Mecator，簡寫TM），又名“等角橫切橢圓柱投影”，為地球橢球面和平面間正形投影的一種（高偉等，2008）。該投影按照投影帶中央子午線投影為直線且長度不變和赤道投影為直線的條件，確定函數的形式，從而得到高斯一克呂格投影公式。如取中央子午線與赤道交點的投影為原點，中央子午線的投影為縱坐標X 軸，赤道的投影為橫坐標Y 軸，構成高斯克呂格平面直角坐標系。常見的歷史坐標系多采用該種投影方式。其提高精度的實現方式通過投影分帶來實現，如常見的6°帶、3°帶等分帶方式。在確定的橢球（橢球參數）及其基準面的基礎上，通過確定分帶及原點位置等參數及投影實現球面坐標到平面直角平面坐標值的轉換。

1.2 通用橫軸墨卡托投影（UTM）

UTM（UNIVERSAL TRANSVERSE MERCAR?TOR GRID SYSTEM），又稱通用橫墨卡托格網坐標系統。在UTM 系統中，北緯84°和南緯80°之間的地球表面積按經度6°劃分為南北縱帶（投影帶）。從180°經線開始向東將這些投影帶編號，從1 編至60。每個帶再劃分為緯差8°的四邊形。四邊形的橫行從南緯80°開始。用字母C 至X（不含I 和O）依次標記（第X 行包括北半球從北緯72°～84°全部陸地面積，共12°）每個四邊形用數字和字母組合標記。

表1 坐標系及其基準面、橢球示例

在每個投影帶中，位于帶中心的經線，賦予橫坐標值為500000 m。對于北半球赤道的標記坐標值為0，對于南半球赤道的標注值為10000000 m，往南遞減。

UTM 基于WGS84 橢球及基準，其形成的坐標系統簡稱WGS84/ UTM 坐標系統。

UTM 基 于ARC1950 坐標系（ARC1950 基準CLARKE1880 橢球），其形成的坐標系則簡稱ARC1950/ UTM 坐標系統（付和等，2013）。

1.3 其它投影類型

其它投影類型還有圓錐投影、正方投影（蘭伯特投影Lambert）等投影方式，多用于特殊地區或特定目的的局部地圖投影處理。

地理坐標系統其它參數：一個完整的地理坐標系統，除上述橢球（橢球參數）、基準面、投影類型三大參數外，其它參數還包括單位、原點定義參數（原點經度、緯度或東偏、南偏）、比例因子等，對于局部小范圍的高精度的獨立坐標系統還可能存在北方向方位角（旋轉）、東位移附加值（X±）、北位移附加值（Y±）、高程附加值（Z±）等（劉山洪等，2016）。

2 津巴布韋A 礦區坐標系演變

津巴布韋A 礦區為一稀有金屬老礦山，位于津巴布韋西北部。該礦自1920 年發現以來，地質勘查工作一直未間斷進行直至1994 年項目停產。礦山勘查生產歷史達58 年之久。礦山地質勘查測量及礦山測量工作持續不斷進行，歷史勘查工程（地表、地下）多達數千個，礦山開采采場多達16 個，不僅有露天開采也有地下開采，多個采場地下開采多達7 個中段以上，地質勘查及礦山生產測量資料數據翔實海量。

現根據收集的相關資料涉及的坐標系統以形成時間順序簡要介紹如下。

2.1 區域資料及其采用的坐標系統

本次項目工作收集到的津巴布韋A 礦區的區域資料及其采用的坐標系統如下。

（1）1962 年出版的該區1︰10 萬區域地形地質圖，標注坐標系統UTM Zone 35K。完整坐標系統描述應為ARC1950/ UTM 坐標系統，帶號35 K。

（2）1968 年出版的該區1︰5 萬地形圖，標注坐標系統為：UTM Zone 35K CLARKE 1880 橢球。完整坐標系統描述應為ARC1950/ UTM 坐標系統，帶號35K。

（3）1980 年出版的該區1︰10 萬區域地形地質圖，標注坐標系統UTM Zone 35K。完整坐標系統描述應為ARC1950 /UTM 坐標系統，帶號35K。

2.2 津巴布韋國家現行坐標系統及其演變

根據津巴布韋礦業部頒發的礦權證及其范圍坐標是基于1968 年出版的1︰5 萬地形圖底圖及其坐標系統，其給出的界址點坐標系統為：ARC1950/UTM Zone 35K（Okafor，1992）。此坐標系統可視為津巴布韋礦業部現行國家坐標系統。

津巴布韋國家坐標系統，從收集資料顯示，其也從最初的X 軸正方向南向的高斯投影坐標系統（1950 年代），演變為現沿用的ARC1950/UTM 坐標系統（1960 年代及以后）。

但在實際工作中，和其他非洲國家基本類似，由于技術水平較落后，國家現行坐標系多為殖民時期建立而未能更新，其精度較差，并缺少系統的國家控制點支持，國家現行坐標系統多非強制使用的坐標系統。一般老礦區多沿用自己建立的獨立坐標系統，新開礦區多采用基于現在國際流行的WGS84/UTM 坐標系統通過控制測量建立自己礦區的獨立坐標系統。

2.3 礦區測量工作及其采用的坐標系統及其演變

（1）1953 年礦區開始開展系統控制測量工作建立礦區獨立坐標系統（英制）

1953 年原礦業公司向津巴布韋國家測繪局申請收集測量控制點，津國測繪局以信函方式提供礦區外圍東北和西南兩個國家級控制點：兩控制點為高斯投影，中央經線E27°，坐標單位為英制（英尺），坐標為獨立坐標，X正方向為南向。

礦區坐標以以上兩點坐標建立，以礦區外西南部國家點為礦區獨立坐標系坐標原點（X＝0，Y＝0），X正方向選擇北，沿用其投影方式及比例因子、北方向等（保持兩點間X、Y差值及距離不變，重新對兩個已知點按該方式進行坐標賦值）建立礦區獨立坐標系，并施測包含上述2 個國家控制點（新坐標值賦值）在內共計20 個控制點的礦區測量控制網，采用三角閉合測量完成各控制點坐標測量解算工作，由此建立了礦區高斯投影獨立坐標系（英制）。

（2）1983 年礦區測制全區1︰1000 地形圖實測及其坐標系統修訂（米制）

未收集到礦區后續的準確控制測量詳細資料，但后期資料中其控制點坐標成果給出了米制坐標數據，其與原控制點英制坐標值關系不完全等同于英制/米制理論換算數據，應是在米制換算過程中重新按米制坐標對全區控制網再次進行了控制測量及坐標單位轉換工作，其坐標系統仍為原高斯投影獨立坐標系統，坐標單位變更為米制，同時根據1960 年津巴布韋基準面校正，原起算點高程校正值為＋0.66，高程數據同時進行了改正。推測以上工作應為本次系統測量工作所做。在該米制獨立坐標系統下，于1983 年完成全礦區20 km2范圍的1︰1000地形圖測制工作及礦區工程測量工作。該坐標系統一直沿用至1994 年項目停產。并在此期間對原勘查工程及礦山工程所有原英制坐標完成了米制新坐標系統的換算及高程的改正工作，形成礦區完整的、系統的測量資料體系。

3 A 礦區近期工作坐標系統選用及存在的問題

1994 年礦山停產后，礦山地質及礦山開發等所有工作全部停止。礦山所有人幾易其主，關于礦山后續的工作多以礦山保有資源核實工作為主。其中涉及礦區測量工作的有：①2016 年西方B 咨詢公司對該區進行了系統的資料收集、分析，并實施了6 個驗證鉆孔及其相關樣品的測試，通過半年時間的上述核實工作，編制完成了《津巴布韋A 礦區資源量核實報告》；②2018 年中國C 地質勘查單位為進行該區資源核實工作，對因歷史采礦活動原地形變化較大的主露天采坑范圍進行了1︰1000 地形測量工作。現將以上兩項工作中其工作坐標系統選用及其存在的問題簡要介紹如下。

（1）2016 西方B 公司《津巴布韋A 礦資源量核實報告》中坐標系統選用

該報告僅收集到其英文文字報告，未收集到其詳細數據庫資料，從其報告中驗證鉆孔坐標及其相關圖件看，該報告采用坐標系統為津巴布韋現行國家通用坐標系統ARC1950/ UTM 坐標系統，作為資源量核實報告，報告主要數據除本次工作實施的6個驗證鉆孔外，其大量數據為原礦區基于礦區獨立坐標系統下的海量歷史地質勘查資料，文中并未給出兩坐標換算關系，從其核實工作量看在本次工作中并無投入相關測量工作，其驗證鉆孔坐標成果數據為米級（手持GPS 精度），推測其測量工作系用手持GPS 完成。其坐標轉換也應為利用手持GPS 在原工程點采集坐標結合原獨立坐標計算相關轉換參數進行坐標轉換完成的（張林科，2014；黃建學，2014）。其精度為手持GPS 精度。作為資源量核實報告，主要關注資源量數據，且資源量圈定數據均采用了原測量成果數據，其對資源量結果的影響不大（除6 個驗證鉆孔手持GPS 定位精度較差外），基本滿足資源量核實目的要求（邱本立等，2010）。但該套成果因礦區現場沒有基于ARC1950/UTM 坐標系統的系統控制網（點），要作為礦區后續勘查工程測量坐標系統明顯是不可行的，也是不嚴謹的。

（2）2018 中國C 勘查單位主采區露天采場1︰1000 地形測量坐標系統選用

2018 年中國C 勘查單位接受委托開展該區地質工作，前期進行了主露天采場范圍的1︰1000 地形測量工作，測量組在測區范圍全新布設了6 個控制點，基于WGS84/UTM 坐標系統采用靜態GPS 控制測量工作方式，得出6 個全新控制點的WGS84/UTM 坐標及高程，并在此基礎上完成了目標測區的1︰1000 地形測量工作。未收集礦區原控制點及其控制成果，也未進行礦區原控制點的聯測工作。

本次測量原本作為礦區局部地形有變化較大的地段地形再次測制工作，實際目的應為原地形圖修測，但因采用了全新的坐標系統及全新的控制點，并未收集原礦區控制點及成果進行聯測，形成新舊資料兩套坐標系統，且無連接。將來勢必對全礦區資料的統一處理帶來隱患。該做法存在問題明顯。之所以出現這一原因，在于測量人員只考慮了測量任務的完成，而未考慮其測量工作的目的及其成果的應用問題，為地質項目各專業統籌配合技術管理問題。該問題在地質勘查工作中具有普遍性，在工作中應引起重視。

4 討論

地質勘查測量工作為地質勘查服務，地質勘查工作為礦山設計及生產服務。因此，其定位精度必須滿足規范要求，地質勘探工程測量工作應在符合規范要求精度的系統控制測量（控制點及其成果，含平面坐標及高程）基礎上進行（陶法林和程光亮，2012）。

對于有勘查史的礦區，應充分收集其歷史勘查成果資料，分析歷史勘查成果資料所采用的測量坐標系統，對于境外不強制使用現行國家坐標系統的地區，在評估其控制成果精度的基礎上，應以最大限度方便使用原礦區大量勘查成果資料為原則進行坐標系統選用。慎重選擇新坐標系統，因其將帶來礦區原海量的地質勘查資料（含數據、圖件等）的轉換問題。

具體到津巴布韋A 礦區，基于津國坐標系統的區域地質資料，因區域地形地質資料其精度較差，如1︰5 萬資料其精度為50 m（圖面1 mm），在礦區坐標系統選用中可以不作為主要考慮因素。而礦區原勘查資料均已形成基于1983 年修訂的高斯投影米制獨立坐標系統，且滿足地質勘查精度要求，并有完整系統的礦區勘查資料。為原勘查資料的方便利用，工作便于開展原則，在本礦區的后續勘查工作中應選擇繼續沿用礦區獨立坐標系統為宜。至于為較精確使用區域資料及精確定位基于津國坐標系統給出的礦權邊界拐點問題，可以在后期的測量工作中收集礦區附近國家控制點3 個或以上，與礦區控制點進行聯測，從而求取礦區獨立坐標系統與津國已有控制點坐標系統的轉換參數，以方便相關資料及界址點的施測工作。

如具體到其他歷史勘查資料較少的礦區，或沒有滿足精度要求的控制網的礦區，可根據工作需要建立基于國家通用坐標系統或WGS84/UTM 坐標系統下的礦區控制網（點），開展礦區地質勘查測量工作。

5 結論

通過對津巴布韋A 礦區歷史資料分析，結合現場考察，其礦區1983 年修訂的基于高斯投影米制獨立坐標系統的控制網（點），多數控制點保存完好，控制測量資料系統、完整、翔實、準確（從其歷史資料看均有解算、檢查記錄），精度滿足地質勘查測量工作需要。為方便利用原有的海量礦區地質勘查及礦山生產等地質、測量成果資料，建議該礦區后續的地質勘查工作繼續沿用該礦區已形成的米制高斯投影獨立坐標系統。建議在后續的測量工作中，聯測礦區周邊已收集有津巴布韋ARC1950/UTM 坐標系統國家控制點成果的3～4 個國家控制點，以方便得出礦區獨立坐標系統與國家坐標系統之間坐標轉換參數，以精確定位礦區界址點及方便精確利用相關區域資料。

總之，在境外地質勘查工作中，項目工作測量坐標系統的選用，應在充分收集、分析前人工作的基礎上，慎重選擇適合該礦區的地質勘查測量坐標系統，尤其是老礦山勘查項目，不可盲目標新立異，否則會對礦區歷史地質勘查資料的利用工作帶來很大的麻煩。地質勘查項目工作初期，項目負責人與測量人員應密切配合，從項目實際出發做好礦區測量坐標系統選擇，為項目順利高效實施打好基礎。