境外地质勘查测量坐标系统选择
——以津巴布韦某矿区为例

董少波，马林霄，卢天骄，张毅

（中色地科矿产勘查股份有限公司，北京 100012）

0 引言

根据统计，在经济建设、日常生活活动所涉及的信息，有80%与地理信息密切相关（吴信才，2009）。而作为以找矿并定位、描述矿产资源为目的任务的地质矿产勘查活动，高精度定位矿产资源并为后续的矿山设计、开发服务，是其工作不可缺少的任务之一，该任务称之为地质勘查中的测量工作。为高精度定位选择合理测量坐标系统，并在其基础上开展相应地质勘查工作，即成为勘查工作首先要解决的问题。尤其在测量基础工作薄弱的非洲等境外勘查项目工作中，对于历史勘查工作较多的矿区，应认真分析各阶段工作及其他相关资料所采用的坐标系统，结合当地现行坐标系统要求等，正确选择适用项目工作的测量坐标系统就显得尤为重要，如选择坐标系统不合适将对历史资料的应用带来很大的不便。本文以津巴布韦A 矿区为例，进行了相关坐标系统的介绍、分析和选择建议。为今后我国在境外地质勘查工作提供参考和经验。

1 大地测量坐标系简介

大地测量坐标系亦称为地理坐标系，包括经纬度大地坐标及直角坐标系（胡明城，1956）。

经纬度大地坐标：是球面坐标系统，也称地理坐标系统，是全球尺度的。其按特定的“椭球体”——地球性状数学模型——对应相应的椭球参数来确定经纬度，高程则通过“基准面”来确定（许家琨，2005）。

直角坐标系：是将上述经纬度球面坐标通过“投影”方式，将球面坐标转化为平面坐标。主要参数除涉及上述“椭球体”“基准面”外，还有其“投影方式”“坐标分带——含坐标方向（北方向等）、原点（东偏西偏）参数”等。为尽可能精确地将球面坐标转化为平面坐标，进行了“分带”“投影”，相关的投影方式均对应了其分带方法及每个分带的坐标方向及原点的定义，因此直角坐标系具有分带和局部的特点。

基准面与椭球体：从上述地理坐标坐标系定义可知，定义特定的经纬度大地坐标是通过“椭球体（椭球参数）”及“基准面”两个因素来确定。随着人类对地球科学认知（椭球参数精度）的不断进步，其坐标系统也随之更新进化。经纬度大地坐标系统多以“基准面”名称命名，其包含特定的“椭球体”。大地基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近，因此每个国家或地区均有各自的大地基准面。常见坐标系所采用的基准面及椭球示例见表1。

投影类型：从球面坐标到我们日常的平面地图表示是通过投影变换完成的（高德章，2011），常见的投影类型有以下几种。

1.1 高斯投影（Gauss）

即高斯－克吕格（Gauss－Kruger）投影，也叫横轴墨卡托投影（Transverse Mecator，简写TM），又名“等角横切椭圆柱投影”，为地球椭球面和平面间正形投影的一种（高伟等，2008）。该投影按照投影带中央子午线投影为直线且长度不变和赤道投影为直线的条件，确定函数的形式，从而得到高斯一克吕格投影公式。如取中央子午线与赤道交点的投影为原点，中央子午线的投影为纵坐标X 轴，赤道的投影为横坐标Y 轴，构成高斯克吕格平面直角坐标系。常见的历史坐标系多采用该种投影方式。其提高精度的实现方式通过投影分带来实现，如常见的6°带、3°带等分带方式。在确定的椭球（椭球参数）及其基准面的基础上，通过确定分带及原点位置等参数及投影实现球面坐标到平面直角平面坐标值的转换。

1.2 通用横轴墨卡托投影（UTM）

UTM（UNIVERSAL TRANSVERSE MERCAR⁃TOR GRID SYSTEM），又称通用横墨卡托格网坐标系统。在UTM 系统中，北纬84°和南纬80°之间的地球表面积按经度6°划分为南北纵带（投影带）。从180°经线开始向东将这些投影带编号，从1 编至60。每个带再划分为纬差8°的四边形。四边形的横行从南纬80°开始。用字母C 至X（不含I 和O）依次标记（第X 行包括北半球从北纬72°～84°全部陆地面积，共12°）每个四边形用数字和字母组合标记。

表1 坐标系及其基准面、椭球示例

在每个投影带中，位于带中心的经线，赋予横坐标值为500000 m。对于北半球赤道的标记坐标值为0，对于南半球赤道的标注值为10000000 m，往南递减。

UTM 基于WGS84 椭球及基准，其形成的坐标系统简称WGS84/ UTM 坐标系统。

UTM 基 于ARC1950 坐标系（ARC1950 基准CLARKE1880 椭球），其形成的坐标系则简称ARC1950/ UTM 坐标系统（付和等，2013）。

1.3 其它投影类型

其它投影类型还有圆锥投影、正方投影（兰伯特投影Lambert）等投影方式，多用于特殊地区或特定目的的局部地图投影处理。

地理坐标系统其它参数：一个完整的地理坐标系统，除上述椭球（椭球参数）、基准面、投影类型三大参数外，其它参数还包括单位、原点定义参数（原点经度、纬度或东偏、南偏）、比例因子等，对于局部小范围的高精度的独立坐标系统还可能存在北方向方位角（旋转）、东位移附加值（X±）、北位移附加值（Y±）、高程附加值（Z±）等（刘山洪等，2016）。

2 津巴布韦A 矿区坐标系演变

津巴布韦A 矿区为一稀有金属老矿山，位于津巴布韦西北部。该矿自1920 年发现以来，地质勘查工作一直未间断进行直至1994 年项目停产。矿山勘查生产历史达58 年之久。矿山地质勘查测量及矿山测量工作持续不断进行，历史勘查工程（地表、地下）多达数千个，矿山开采采场多达16 个，不仅有露天开采也有地下开采，多个采场地下开采多达7 个中段以上，地质勘查及矿山生产测量资料数据翔实海量。

现根据收集的相关资料涉及的坐标系统以形成时间顺序简要介绍如下。

2.1 区域资料及其采用的坐标系统

本次项目工作收集到的津巴布韦A 矿区的区域资料及其采用的坐标系统如下。

（1）1962 年出版的该区1︰10 万区域地形地质图，标注坐标系统UTM Zone 35K。完整坐标系统描述应为ARC1950/ UTM 坐标系统，带号35 K。

（2）1968 年出版的该区1︰5 万地形图，标注坐标系统为：UTM Zone 35K CLARKE 1880 椭球。完整坐标系统描述应为ARC1950/ UTM 坐标系统，带号35K。

（3）1980 年出版的该区1︰10 万区域地形地质图，标注坐标系统UTM Zone 35K。完整坐标系统描述应为ARC1950 /UTM 坐标系统，带号35K。

2.2 津巴布韦国家现行坐标系统及其演变

根据津巴布韦矿业部颁发的矿权证及其范围坐标是基于1968 年出版的1︰5 万地形图底图及其坐标系统，其给出的界址点坐标系统为：ARC1950/UTM Zone 35K（Okafor，1992）。此坐标系统可视为津巴布韦矿业部现行国家坐标系统。

津巴布韦国家坐标系统，从收集资料显示，其也从最初的X 轴正方向南向的高斯投影坐标系统（1950 年代），演变为现沿用的ARC1950/UTM 坐标系统（1960 年代及以后）。

但在实际工作中，和其他非洲国家基本类似，由于技术水平较落后，国家现行坐标系多为殖民时期建立而未能更新，其精度较差，并缺少系统的国家控制点支持，国家现行坐标系统多非强制使用的坐标系统。一般老矿区多沿用自己建立的独立坐标系统，新开矿区多采用基于现在国际流行的WGS84/UTM 坐标系统通过控制测量建立自己矿区的独立坐标系统。

2.3 矿区测量工作及其采用的坐标系统及其演变

（1）1953 年矿区开始开展系统控制测量工作建立矿区独立坐标系统（英制）

1953 年原矿业公司向津巴布韦国家测绘局申请收集测量控制点，津国测绘局以信函方式提供矿区外围东北和西南两个国家级控制点：两控制点为高斯投影，中央经线E27°，坐标单位为英制（英尺），坐标为独立坐标，X正方向为南向。

矿区坐标以以上两点坐标建立，以矿区外西南部国家点为矿区独立坐标系坐标原点（X＝0，Y＝0），X正方向选择北，沿用其投影方式及比例因子、北方向等（保持两点间X、Y差值及距离不变，重新对两个已知点按该方式进行坐标赋值）建立矿区独立坐标系，并施测包含上述2 个国家控制点（新坐标值赋值）在内共计20 个控制点的矿区测量控制网，采用三角闭合测量完成各控制点坐标测量解算工作，由此建立了矿区高斯投影独立坐标系（英制）。

（2）1983 年矿区测制全区1︰1000 地形图实测及其坐标系统修订（米制）

未收集到矿区后续的准确控制测量详细资料，但后期资料中其控制点坐标成果给出了米制坐标数据，其与原控制点英制坐标值关系不完全等同于英制/米制理论换算数据，应是在米制换算过程中重新按米制坐标对全区控制网再次进行了控制测量及坐标单位转换工作，其坐标系统仍为原高斯投影独立坐标系统，坐标单位变更为米制，同时根据1960 年津巴布韦基准面校正，原起算点高程校正值为＋0.66，高程数据同时进行了改正。推测以上工作应为本次系统测量工作所做。在该米制独立坐标系统下，于1983 年完成全矿区20 km2范围的1︰1000地形图测制工作及矿区工程测量工作。该坐标系统一直沿用至1994 年项目停产。并在此期间对原勘查工程及矿山工程所有原英制坐标完成了米制新坐标系统的换算及高程的改正工作，形成矿区完整的、系统的测量资料体系。

3 A 矿区近期工作坐标系统选用及存在的问题

1994 年矿山停产后，矿山地质及矿山开发等所有工作全部停止。矿山所有人几易其主，关于矿山后续的工作多以矿山保有资源核实工作为主。其中涉及矿区测量工作的有：①2016 年西方B 咨询公司对该区进行了系统的资料收集、分析，并实施了6 个验证钻孔及其相关样品的测试，通过半年时间的上述核实工作，编制完成了《津巴布韦A 矿区资源量核实报告》；②2018 年中国C 地质勘查单位为进行该区资源核实工作，对因历史采矿活动原地形变化较大的主露天采坑范围进行了1︰1000 地形测量工作。现将以上两项工作中其工作坐标系统选用及其存在的问题简要介绍如下。

（1）2016 西方B 公司《津巴布韦A 矿资源量核实报告》中坐标系统选用

该报告仅收集到其英文文字报告，未收集到其详细数据库资料，从其报告中验证钻孔坐标及其相关图件看，该报告采用坐标系统为津巴布韦现行国家通用坐标系统ARC1950/ UTM 坐标系统，作为资源量核实报告，报告主要数据除本次工作实施的6个验证钻孔外，其大量数据为原矿区基于矿区独立坐标系统下的海量历史地质勘查资料，文中并未给出两坐标换算关系，从其核实工作量看在本次工作中并无投入相关测量工作，其验证钻孔坐标成果数据为米级（手持GPS 精度），推测其测量工作系用手持GPS 完成。其坐标转换也应为利用手持GPS 在原工程点采集坐标结合原独立坐标计算相关转换参数进行坐标转换完成的（张林科，2014；黄建学，2014）。其精度为手持GPS 精度。作为资源量核实报告，主要关注资源量数据，且资源量圈定数据均采用了原测量成果数据，其对资源量结果的影响不大（除6 个验证钻孔手持GPS 定位精度较差外），基本满足资源量核实目的要求（邱本立等，2010）。但该套成果因矿区现场没有基于ARC1950/UTM 坐标系统的系统控制网（点），要作为矿区后续勘查工程测量坐标系统明显是不可行的，也是不严谨的。

（2）2018 中国C 勘查单位主采区露天采场1︰1000 地形测量坐标系统选用

2018 年中国C 勘查单位接受委托开展该区地质工作，前期进行了主露天采场范围的1︰1000 地形测量工作，测量组在测区范围全新布设了6 个控制点，基于WGS84/UTM 坐标系统采用静态GPS 控制测量工作方式，得出6 个全新控制点的WGS84/UTM 坐标及高程，并在此基础上完成了目标测区的1︰1000 地形测量工作。未收集矿区原控制点及其控制成果，也未进行矿区原控制点的联测工作。

本次测量原本作为矿区局部地形有变化较大的地段地形再次测制工作，实际目的应为原地形图修测，但因采用了全新的坐标系统及全新的控制点，并未收集原矿区控制点及成果进行联测，形成新旧资料两套坐标系统，且无连接。将来势必对全矿区资料的统一处理带来隐患。该做法存在问题明显。之所以出现这一原因，在于测量人员只考虑了测量任务的完成，而未考虑其测量工作的目的及其成果的应用问题，为地质项目各专业统筹配合技术管理问题。该问题在地质勘查工作中具有普遍性，在工作中应引起重视。

4 讨论

地质勘查测量工作为地质勘查服务，地质勘查工作为矿山设计及生产服务。因此，其定位精度必须满足规范要求，地质勘探工程测量工作应在符合规范要求精度的系统控制测量（控制点及其成果，含平面坐标及高程）基础上进行（陶法林和程光亮，2012）。

对于有勘查史的矿区，应充分收集其历史勘查成果资料，分析历史勘查成果资料所采用的测量坐标系统，对于境外不强制使用现行国家坐标系统的地区，在评估其控制成果精度的基础上，应以最大限度方便使用原矿区大量勘查成果资料为原则进行坐标系统选用。慎重选择新坐标系统，因其将带来矿区原海量的地质勘查资料（含数据、图件等）的转换问题。

具体到津巴布韦A 矿区，基于津国坐标系统的区域地质资料，因区域地形地质资料其精度较差，如1︰5 万资料其精度为50 m（图面1 mm），在矿区坐标系统选用中可以不作为主要考虑因素。而矿区原勘查资料均已形成基于1983 年修订的高斯投影米制独立坐标系统，且满足地质勘查精度要求，并有完整系统的矿区勘查资料。为原勘查资料的方便利用，工作便于开展原则，在本矿区的后续勘查工作中应选择继续沿用矿区独立坐标系统为宜。至于为较精确使用区域资料及精确定位基于津国坐标系统给出的矿权边界拐点问题，可以在后期的测量工作中收集矿区附近国家控制点3 个或以上，与矿区控制点进行联测，从而求取矿区独立坐标系统与津国已有控制点坐标系统的转换参数，以方便相关资料及界址点的施测工作。

如具体到其他历史勘查资料较少的矿区，或没有满足精度要求的控制网的矿区，可根据工作需要建立基于国家通用坐标系统或WGS84/UTM 坐标系统下的矿区控制网（点），开展矿区地质勘查测量工作。

5 结论

通过对津巴布韦A 矿区历史资料分析，结合现场考察，其矿区1983 年修订的基于高斯投影米制独立坐标系统的控制网（点），多数控制点保存完好，控制测量资料系统、完整、翔实、准确（从其历史资料看均有解算、检查记录），精度满足地质勘查测量工作需要。为方便利用原有的海量矿区地质勘查及矿山生产等地质、测量成果资料，建议该矿区后续的地质勘查工作继续沿用该矿区已形成的米制高斯投影独立坐标系统。建议在后续的测量工作中，联测矿区周边已收集有津巴布韦ARC1950/UTM 坐标系统国家控制点成果的3～4 个国家控制点，以方便得出矿区独立坐标系统与国家坐标系统之间坐标转换参数，以精确定位矿区界址点及方便精确利用相关区域资料。

总之，在境外地质勘查工作中，项目工作测量坐标系统的选用，应在充分收集、分析前人工作的基础上，慎重选择适合该矿区的地质勘查测量坐标系统，尤其是老矿山勘查项目，不可盲目标新立异，否则会对矿区历史地质勘查资料的利用工作带来很大的麻烦。地质勘查项目工作初期，项目负责人与测量人员应密切配合，从项目实际出发做好矿区测量坐标系统选择，为项目顺利高效实施打好基础。