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珠穆朗瑪峰最新高程8848.86米 2020年珠峰高程測(cè)量是怎樣進(jìn)行的

北京日?qǐng)?bào) | 2020-12-16 09:39:05

12月8日,中國(guó)和尼泊爾兩國(guó)聯(lián)合對(duì)外宣布,經(jīng)過(guò)兩國(guó)團(tuán)隊(duì)的扎實(shí)工作,珠穆朗瑪峰的最新高程為8848.86米。此次珠峰高程測(cè)量也是我國(guó)對(duì)珠峰展開(kāi)的第四次大規(guī)模測(cè)繪和科考。

最新的珠峰高度是怎樣測(cè)出的?人類測(cè)量珠峰的技術(shù)手段又經(jīng)過(guò)了怎樣的進(jìn)步發(fā)展?本報(bào)特約2020珠峰高程測(cè)量技術(shù)協(xié)調(diào)組成員、中尼珠峰測(cè)量聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)成員蔣濤撰文向讀者解答這些問(wèn)題。

珠穆朗瑪峰,簡(jiǎn)稱珠峰,是喜馬拉雅山脈的主峰,同時(shí)是世界海拔最高的山峰,位于中國(guó)與尼泊爾邊境線上,北部在中國(guó)西藏定日縣境內(nèi),南部在尼泊爾境內(nèi)。

數(shù)千萬(wàn)年前,印度洋板塊與亞歐大陸板塊碰撞擠壓,青藏高原逐漸隆起并形成“世界屋脊”,其中具代表性的山峰便是珠峰。

作為世界最高峰,珠峰的準(zhǔn)確高度,素來(lái)為世人矚目。那么,2020年珠峰高程測(cè)量是怎樣進(jìn)行的?其中的科學(xué)道理又是什么呢?

2020珠峰高程測(cè)量,我國(guó)采用了“綜合運(yùn)用GNSS衛(wèi)星測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、光電測(cè)距、雪深雷達(dá)測(cè)量、航空重力和遙感測(cè)量、似大地水準(zhǔn)面精化和實(shí)景三維建模等多種傳統(tǒng)和現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù),精確測(cè)定珠峰高程”的技術(shù)路線,并與尼泊爾扎實(shí)開(kāi)展技術(shù)合作,最終確定了基于全球高程基準(zhǔn)的珠峰雪面高程為8848.86米。具體的科學(xué)工作,可以分為以下六個(gè)層面。

建立GNSS坐標(biāo)控制網(wǎng)

在珠峰地區(qū)建立全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)坐標(biāo)控制網(wǎng),測(cè)量隊(duì)員分階段開(kāi)展高精度GNSS網(wǎng)觀測(cè),獲取343個(gè)網(wǎng)點(diǎn)的三維坐標(biāo),這就建立了高精度的珠峰高程測(cè)量坐標(biāo)起算基準(zhǔn)。

將黃海高程基準(zhǔn)值精確傳遞到珠峰腳下

在珠峰及周邊地區(qū)布設(shè)高程控制網(wǎng),開(kāi)展水準(zhǔn)測(cè)量,從位于西藏日喀則地區(qū)的國(guó)家一等水準(zhǔn)點(diǎn)起測(cè),測(cè)量隊(duì)員利用精密水準(zhǔn)儀,一站一站地將黃海高程基準(zhǔn)值精確傳遞到珠峰腳下,一共完成了780多公里的水準(zhǔn)測(cè)量,這都是需要測(cè)量隊(duì)員依靠徒步測(cè)量的方式完成的。

首次在珠峰北側(cè)開(kāi)展航空重力測(cè)量

在珠峰及周邊地區(qū)開(kāi)展重力測(cè)量。精確測(cè)定珠峰高程需要建立珠峰地區(qū)的高精度大地水準(zhǔn)面模型,進(jìn)而需要分布均勻的高精度重力數(shù)據(jù)。一般的重力測(cè)量采用的是地面重力測(cè)量的方法,測(cè)繪人員攜帶重力儀進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,將儀器放置在某個(gè)測(cè)量點(diǎn)位上,測(cè)量一段時(shí)間就能得到這個(gè)點(diǎn)位的重力數(shù)據(jù)。珠峰地區(qū)平均海拔高度在5000米以上,地形地貌極端復(fù)雜,大部分區(qū)域無(wú)法開(kāi)展地面重力測(cè)量,重力數(shù)據(jù)稀少,存在大量重力資料空白區(qū)。因此,我們?cè)谌澜缡状卧谥榉灞眰?cè)地區(qū)開(kāi)展航空重力測(cè)量,以解決重力數(shù)據(jù)空白問(wèn)題,提升珠峰地區(qū)高程起算面的精度。

航空重力測(cè)量,顧名思義,就是把航空重力儀安裝在飛機(jī)上,這相當(dāng)于在飛機(jī)上安裝一個(gè)感應(yīng)地球重力的傳感器,它能反映地面重力的變化。飛機(jī)按照事先設(shè)計(jì)好的測(cè)線在空中來(lái)回飛行,多條飛行測(cè)線形成一個(gè)密集的空中重力數(shù)據(jù)面。我們結(jié)合機(jī)載衛(wèi)星動(dòng)態(tài)定位、慣性導(dǎo)航和重力儀數(shù)據(jù)把空中重力值測(cè)出來(lái)。

此次珠峰北側(cè)地區(qū)航空重力測(cè)量使用航空地質(zhì)一號(hào)飛機(jī),搭載先進(jìn)的航空重力儀,飛行高度超過(guò)1萬(wàn)米,共獲取航空重力測(cè)線總長(zhǎng)度5635.2公里,覆蓋面積達(dá)1.27萬(wàn)平方公里。珠峰本身地形復(fù)雜,數(shù)據(jù)資料不全,飛機(jī)在高海拔地區(qū)起飛,風(fēng)又特別大,可以說(shuō)是高風(fēng)險(xiǎn)、高難度的飛行。我們?cè)诜磸?fù)咨詢空軍、民航和氣象等部門的技術(shù)專家后,才下定決心在珠峰地區(qū)開(kāi)展高風(fēng)險(xiǎn)、高難度的航空測(cè)量。

測(cè)量登山隊(duì)員登頂開(kāi)展峰頂測(cè)量

珠峰高程測(cè)量,最重要的是測(cè)量登山隊(duì)員登頂開(kāi)展峰頂測(cè)量,獲取峰頂觀測(cè)數(shù)據(jù)。2020年5月27日11時(shí),中國(guó)測(cè)量登山隊(duì)登頂成功后,在峰頂創(chuàng)紀(jì)錄地停留了150分鐘。在峰頂開(kāi)展了測(cè)量覘標(biāo)架設(shè)、GNSS測(cè)量、雪深雷達(dá)測(cè)量和地面重力測(cè)量,使用的都是國(guó)產(chǎn)儀器。

測(cè)量登山隊(duì)員首次實(shí)現(xiàn)了峰頂北斗衛(wèi)星定位,觀測(cè)時(shí)間超過(guò)40分鐘,峰頂點(diǎn)與珠峰地區(qū)9個(gè)GNSS地面測(cè)站組成峰頂GNSS聯(lián)測(cè)網(wǎng),進(jìn)行GNSS同步觀測(cè)。

測(cè)量登山隊(duì)員利用國(guó)產(chǎn)重力儀,在世界上首次測(cè)量了珠峰峰頂重力觀測(cè)值,這有助于提高珠峰高程起算面的精度。另外,采用國(guó)產(chǎn)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)儀器測(cè)量了峰頂冰雪層厚度。

與此同時(shí),地面測(cè)量人員從珠峰腳下的6個(gè)測(cè)站,利用自主研發(fā)的長(zhǎng)測(cè)程測(cè)距儀照準(zhǔn)峰頂覘標(biāo)反射棱鏡進(jìn)行交會(huì)觀測(cè),最長(zhǎng)測(cè)距接近19公里,交會(huì)觀測(cè)數(shù)據(jù)主要為峰頂GNSS測(cè)量數(shù)據(jù)提供獨(dú)立檢核。

在珠峰峰頂這樣一個(gè)極寒、極低氣壓的高海拔環(huán)境中成功完成測(cè)量,這很好地說(shuō)明了國(guó)產(chǎn)測(cè)量?jī)x器的長(zhǎng)足進(jìn)步。

珠峰測(cè)量數(shù)據(jù)處理分析

所有測(cè)量數(shù)據(jù)獲取完畢并經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢查后,進(jìn)入珠峰測(cè)量數(shù)據(jù)處理分析階段。概括而言,珠峰高程測(cè)量數(shù)據(jù)處理的核心是通過(guò)嚴(yán)密計(jì)算得到珠峰的“頂”和“底”的精確位置。

對(duì)GNSS控制網(wǎng)、峰頂GNSS聯(lián)測(cè)網(wǎng)和交會(huì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可以得到珠峰峰頂覘標(biāo)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo),即緯度、經(jīng)度和大地高。數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明:利用GNSS測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的珠峰大地高與交會(huì)測(cè)量確定的結(jié)果,僅相差2.6厘米,考慮到兩種技術(shù)手段相互獨(dú)立,這個(gè)量級(jí)的差異是非常小的;根據(jù)誤差理論,GNSS測(cè)量獲取的珠峰大地高結(jié)果精度達(dá)到了毫米級(jí)。這就實(shí)現(xiàn)了珠峰“頂”的高精度測(cè)定。

接下來(lái)要精確計(jì)算珠峰“底”的位置,科學(xué)家基于物理大地測(cè)量的理論方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,聯(lián)合航空重力、地面重力、高分辨率地形和其它數(shù)據(jù),結(jié)合GNSS和水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù),建立珠峰地區(qū)的大地水準(zhǔn)面模型,這就相當(dāng)于把珠峰高程起算面,也就是黃海高程基準(zhǔn)面這個(gè)“底”精準(zhǔn)地確定出來(lái)了。結(jié)果表明,加入航空重力測(cè)量數(shù)據(jù)后,珠峰高程起算面精度達(dá)到了4.8厘米,相比沒(méi)有航空重力測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí),精度提高了近40%,這意味著珠峰海拔高程的精準(zhǔn)度也會(huì)相應(yīng)提升。

精準(zhǔn)確定了珠峰的“頂”和“底”,珠峰峰頂?shù)拇蟮馗邷p去大地水準(zhǔn)面差距,就能獲取精確的珠峰高程值。

中尼合作開(kāi)展數(shù)據(jù)處理

2020珠峰高程測(cè)量的總體目標(biāo)是落實(shí)中尼聯(lián)合聲明,實(shí)現(xiàn)中尼兩國(guó)共同宣布珠峰高程。中尼雙方成立了中尼珠峰測(cè)量聯(lián)合技術(shù)委員會(huì),合作開(kāi)展了數(shù)據(jù)處理。

高程基準(zhǔn)是珠峰高程測(cè)量的關(guān)鍵要素,中國(guó)和尼泊爾都有自己國(guó)家法定的高程基準(zhǔn),中國(guó)是黃海平均海平面,尼泊爾是印度洋平均海平面。按照國(guó)際合作慣例,國(guó)際合作中通常采用共同高程基準(zhǔn),而不采用某一方的高程基準(zhǔn)。

中尼聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)經(jīng)過(guò)技術(shù)會(huì)談最終商定:根據(jù)國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)發(fā)布的關(guān)于全球高程基準(zhǔn)(IHRS)的定義和參數(shù),聯(lián)合地面重力、航空重力及其它數(shù)據(jù)建立珠峰地區(qū)重力大地水準(zhǔn)面,這是全球高程基準(zhǔn)在珠峰地區(qū)的具體實(shí)現(xiàn),作為中尼共同宣布珠峰高程的起算面。

選定了高程基準(zhǔn)后,中尼在數(shù)據(jù)處理階段,逐項(xiàng)對(duì)中間數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行了細(xì)致比對(duì)和反復(fù)檢核,雙方數(shù)據(jù)和結(jié)果一致性很好,最終雙方技術(shù)團(tuán)隊(duì)共同確定基于全球高程基準(zhǔn)的珠峰雪面高程為8848.86米。

此外,在2020珠峰高程測(cè)量工作中,我國(guó)還開(kāi)展了珠峰地區(qū)航空遙感測(cè)量、實(shí)景三維模型構(gòu)建和冰川變化監(jiān)測(cè)等工作。2020珠峰測(cè)量獲取的豐富觀測(cè)數(shù)據(jù)成果,將為珠峰地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)、自然資源管理、地質(zhì)研究與調(diào)查等領(lǐng)域提供寶貴的第一手觀測(cè)資料。

延伸閱讀

測(cè)量珠峰高度的歷史回顧

人類對(duì)珠峰的認(rèn)識(shí),最初就是從測(cè)量其高度開(kāi)始的。在歷史上,珠峰高度測(cè)量的技術(shù)也經(jīng)過(guò)了不斷的發(fā)展。

無(wú)人員登頂?shù)娜歉叱虦y(cè)量

1714年至1715年,在清朝康熙帝的派遣下,清朝勘測(cè)人員深入珠峰腳下,利用銅鍍金矩度全圓儀、銅質(zhì)御制方矩象限儀(現(xiàn)藏故宮博物院)等儀器,對(duì)珠峰位置和高度進(jìn)行過(guò)初步的測(cè)量,并在《皇輿全覽圖》上明確標(biāo)上了珠峰的位置和名稱。這是人類第一次測(cè)繪珠峰。

1847年,英屬印度測(cè)量局在離珠峰300多公里外的恒河平原上,利用三角高程測(cè)量方法對(duì)珠峰高度進(jìn)行了首次測(cè)量,測(cè)得高程為8778米。所謂三角高程測(cè)量方法,就是在位于山腳的地面測(cè)站架設(shè)光學(xué)測(cè)量?jī)x器,專業(yè)測(cè)量人員照準(zhǔn)珠峰峰頂雪面,測(cè)量地面測(cè)站到峰頂?shù)木嚯x,再測(cè)量峰頂?shù)母叨冉?,也就是觀測(cè)視線與水平面之間的夾角,最后按照三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算出珠峰高度。

在人類尚未登頂珠峰的時(shí)期,三角高程測(cè)量珠峰高度是一種非常巧妙的遠(yuǎn)距離測(cè)量技術(shù)。但是,因?yàn)榈孛鏈y(cè)站到峰頂?shù)木嚯x遠(yuǎn),即使微小的高度角測(cè)量誤差也會(huì)造成很大的高度誤差。另外,大氣層是一個(gè)上疏下密的圈層,光線在通過(guò)不同密度介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生折射。從地面測(cè)站對(duì)峰頂進(jìn)行照準(zhǔn)觀測(cè)時(shí),視線穿過(guò)三千米左右厚度的大氣層,反射光線會(huì)產(chǎn)生明顯的折射,產(chǎn)生大氣折光差,導(dǎo)致珠峰高度的測(cè)量誤差。

1921年至1954年,英屬印度測(cè)量局對(duì)測(cè)量?jī)x器、技術(shù)和方法進(jìn)行改進(jìn)后,開(kāi)展了多次測(cè)量,通過(guò)加權(quán)計(jì)算得到了比較精確的珠峰高程8847.6米,近似為8848米。

人員登頂珠峰立起測(cè)量覘標(biāo)

從地面測(cè)站照準(zhǔn)珠峰峰頂雪面,不同測(cè)站觀測(cè)到的目標(biāo)不一致,會(huì)產(chǎn)生較大誤差,這是三角高程測(cè)量方法的缺陷。

1975年,中國(guó)開(kāi)展大規(guī)模珠峰測(cè)量,登山隊(duì)員第一次在峰頂最高點(diǎn)立起測(cè)量覘標(biāo),從10個(gè)地面測(cè)站同時(shí)觀測(cè)覘標(biāo),保證了所有地面測(cè)站照準(zhǔn)的都是峰頂最高點(diǎn),而且是同一個(gè)點(diǎn)。

通過(guò)我國(guó)科學(xué)家的努力,采用改進(jìn)的理論方法,結(jié)合氣象參數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù),很好地解決了大氣折光誤差的難題。

這一次還采用了人力插桿的方式,測(cè)量了峰頂覆雪厚度0.92米(不含結(jié)冰層)。此外,在珠峰地區(qū)開(kāi)展的三角網(wǎng)測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量和重力測(cè)量,相關(guān)數(shù)據(jù)為珠峰高程提供了起算基準(zhǔn)。獲取所有測(cè)量數(shù)據(jù)后,最后計(jì)算出珠峰高程為8848.13米。

衛(wèi)星精密定位技術(shù)測(cè)量珠峰高程

自1987年開(kāi)始,隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的成功應(yīng)用,珠峰高程測(cè)量進(jìn)入衛(wèi)星精密定位時(shí)代,中外各國(guó)多次利用GNSS技術(shù)測(cè)量珠峰高度。

GNSS測(cè)量是利用人造衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)地表點(diǎn)位的精確測(cè)量,利用地面GNSS觀測(cè)設(shè)備接收衛(wèi)星信號(hào),根據(jù)信號(hào)傳播速度和傳播時(shí)間,測(cè)量衛(wèi)星到地表測(cè)點(diǎn)的距離。由于衛(wèi)星到地心的距離可通過(guò)精密確定衛(wèi)星軌道得知,那么就可以得到地表測(cè)點(diǎn)到地球參考橢球面的距離,這一距離被稱為“大地高”。

需要指出的是,“大地高”并不是我們常說(shuō)的“海拔高”,要得到“海拔高”,還需要確定大地水準(zhǔn)面,它是指與平均海平面重合,并延伸到大陸內(nèi)部,并將地球全部包裹起來(lái)的水準(zhǔn)面。大地水準(zhǔn)面代表的是平均海平面,是高程的起算面或基準(zhǔn)面,我們平時(shí)所說(shuō)的海拔高度就是相對(duì)于這個(gè)起算面的高度值,這也是稱之為海拔高度的原因所在。

確定大地水準(zhǔn)面,就是測(cè)定大地水準(zhǔn)面相對(duì)于地球參考橢球面的距離,即大地水準(zhǔn)面差距,這需要利用區(qū)域內(nèi)密集分布的重力資料,根據(jù)物理大地測(cè)量的理論和方法求定,因此需要進(jìn)行重力測(cè)量。我國(guó)1975年和2005年兩次大規(guī)模珠峰測(cè)量,都是利用水準(zhǔn)測(cè)量和重力測(cè)量技術(shù),將位于青島的黃海高程基準(zhǔn)值傳遞至珠峰地區(qū),實(shí)現(xiàn)了珠峰高程起算面的確定。

精密確定珠峰峰頂?shù)拇蟮馗吆痛蟮厮疁?zhǔn)面差距值后,前者減去后者,即可得到珠峰峰頂?shù)暮0胃叨?,測(cè)量學(xué)上稱之為正高。

珠峰峰頂冰雪層厚度測(cè)量

珠峰峰頂常年被冰雪覆蓋,對(duì)珠峰峰頂雪面到巖石面的冰雪層厚度,2005年以前一直采用人力插桿測(cè)深的方法。我國(guó)2005年珠峰測(cè)量時(shí)首次使用了便攜式雷達(dá)探測(cè)儀精確探測(cè)珠峰峰頂冰雪層厚度,獲得峰頂覘標(biāo)點(diǎn)的冰雪層厚度值為3.50米,測(cè)量精度為±0.1米。

  • 標(biāo)簽:珠峰,高程測(cè)量

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