珠峰“身高”怎么测?六问揭秘珠峰高程测量

2020-12-08   来源:未知  
新京报讯(记者 吴娇颖)据新华社消息,12月8日,中国和尼泊尔联合公布珠峰“新身高”——8848.86米。

珠峰高程测量的核心,就是精确测定珠穆朗玛峰高度,这同时也是一项代表国家测绘科技发展水平的综合性测绘工程。

今年4月30日,2020珠峰高程测量正式启动,最终于5月27日成功登顶完成测量。这是继2005年公布8844.43米的珠峰峰顶岩石面海拔高程后,我国时隔15年再测世界最高峰。

为什么要重新测量珠峰?珠峰的“身高”是怎么测的?又是怎么算的?测算结果有什么用……新京报记者就与珠峰新“身高”相关的六个焦点问题,采访了负责珠峰高程解算的大地测量数据处理中心主任郭春喜、2020珠峰高程测量技术协调组组长党亚民与专家成员蒋涛,揭秘如何为珠峰测量计算“身高”。

释疑一:珠峰高程怎么测?

——从日喀则一等水准点起测,将高程传递至珠峰脚下6个交会点

像给人量身高一样,要给珠峰这个大个子量“身高”,首先要确定一个测量的起算面。我们平时说的高度,一般是指某物高出地面多少,而高程是指某物基于平均海水面的高度。

我国从1988年1月1日起开始采用 1985 国家高程基准,起算点位于青岛观象山上的水准原点。以水准原点为起算点,利用精密水准测量原理,我国已建立覆盖全国的国家高程基准网。

这次珠峰高程测量,测量队员便是从珠峰地区的日喀则一等水准点起测,将高程传递至珠峰脚下的6个交会点。在交会点,测量队员要在登顶测量队员架设好测量觇标后,同时开始三角高程测量和交会测量。

登顶队员,首先需要在峰顶架设测量觇标。同时,架设GNSS接收设备,在珠峰峰顶接收包括我国自主建立的北斗卫星导航系统的信号,获得峰顶几何位置GNSS观测数据。

此外,登顶队员要在峰顶开展重力测量,结合外围开展的珠峰周边的重力测量和航空重力测量,为珠峰区域重力场模型构建和似大地水准面精化提供重要基础数据。为准确测定珠峰峰顶岩石面高程,登顶队员还需要在峰顶利用冰雪探测雷达设备,对冰雪层厚度进行准确探测。

因此,珠峰高程测量,是一项采用了多种测量技术的综合性测绘工程,再经过精密的数据处理计算,最终获得珠峰峰顶高程,即大家常说的“高度”。

释疑二:珠峰“身高”怎么算?

——将采集到原始观测数据,进行改正与归算

要想得到珠峰的精确高度,数据处理人员需要将外业测量队员直接采集到的各类原始观测数据,进行改正与归算。

“这些改正与归算,不仅有一套严密的科学逻辑与程序,更要基于我国长期建设并维护的大地、高程、重力测绘基准网数据。”自然资源部大地测量数据处理中心主任郭春喜介绍。

在珠峰高程数据处理中,珠峰的高程并不是只有一个,而是有“雪面大地高”“雪面正常高”“雪面海拔高”“岩石面海拔高”四个高程。珠峰高程数据处理也是围绕这四个高程的精确解算进行的。

2005年我国公布的8844.43米,就是经过严密解算最终获取的当时的珠峰峰顶岩石面海拔高。

珠峰峰顶高程关系示意图

郭春喜解释说,珠峰的“雪面海拔高”“岩石面海拔高”都以大地水准面为起算面。由于真实地球形状是个不规则的球体,地形起伏大,于是科学家引入了“大地水准面”的概念。它假设静止的海面向陆地和岛屿延伸,把地球包裹起来形成的一个物理参考面。因地球表面起伏和地球内部质量分布不匀,大地水准面是一个起伏不大的不规则曲面,它就是海拔高程系统的起算面。

然而,由于大地水准面确定涉及地球内部实测重力,人们又无法通过地面测量获得地球内部的重力值,科学家又找了一个“似大地水准面”。这个面的定义由于加入了可计算获得的正常重力值,测量人员就可以用几何的办法直接测定地球上某一点到似大地水准面的距离。从珠峰峰顶雪面到似大地水准面的距离,就是“雪面正常高”。

“大地水准面”和“似大地水准面”,因为表面很不规则,表达两点之间的坐标难度很大。为了方便计算测量成果,科学家引入一个与实际地球大小、形状接近的“参考椭球面”。参考椭球面是一个和大地水准面吻合度最好的规则面,可以将地面上一切观测元素都归算到这个椭球面上计算,从地面一点到椭球面的距离称为“大地高”。从珠峰峰顶雪面到参考椭球面的距离,就是“雪面大地高”。

2020珠峰高程测量数据处理流程图

郭春喜介绍,首先,数据处理人员需要处理现代GNSS测量、传统三角高程测量数据,获得珠峰地区基准网、区域框架网、局部控制网及峰顶联测网的平面位置,确定珠峰峰顶雪面大地高。然后,利用精密水准测量与测距高程导线获取各级GNSS控制网点正常高。

再次,基于珠峰地区高分辨率的数字高程模型数据、历年来加密重力测量数据、本次新测的航空重力数据、国内外超高阶重力场模型数据,利用现代似大地水准面确定理论与移去-恢复技术,获得珠峰地区高精度重力似大地水准面。通过GNSS水准融合,获得珠峰地区高精度似大地水准面成果及峰顶高程异常。峰顶大地高减去峰顶高程异常,便可获得珠峰峰顶雪面正常高。

最后,利用本次实测峰顶重力值与高精度地形数据,推算得到峰顶到峰底的平均重力与平均正常重力,再经过严密正常高与正高转换,获得珠峰峰顶雪面海拔高。利用冰雪厚度雷达测量获取峰顶的雪面厚度后,峰顶雪面海拔高扣除雪面厚度,就是峰顶岩石面海拔高。

释疑三:为何要重测珠峰“身高”?

——珠峰的高度并非一成不变

珠穆朗玛峰位于喜马拉雅山脉中段,矗立在中国与尼泊尔的边境线上,北部在中国境内,南部在尼泊尔境内,是世界最高山峰,素有“世界第三极”之称。

2020珠峰高程测量前,我国测绘工作者已对珠峰进行过6次大规模的测绘和科考。1975 年,我国首次将测量觇标矗立于珠峰之巅,并精确测得珠峰海拔高程为 8848.13 米。2005 年珠峰测量,获得珠穆朗玛峰峰顶岩石面海拔高程 8844.43 米。

但珠峰的高度并不是一成不变的。

“大约从三千八百万年前开始,由于印度次大陆与亚洲大陆的碰撞,喜马拉雅山从一片汪洋大海中逐渐升起。喜马拉雅山达到现在的高度,还是最近四百万年以来快速上升的结果,珠穆朗玛峰就是在这一上升过程中上升得最快的山峰。”中国测绘科学研究院研究员、2020珠峰高程测量技术协调组组长党亚民介绍说,由于欧亚板块与印度洋板块的碰撞,到现在为止,珠穆朗玛峰整体趋势还是在持续上升。

“但遇到大的地震,珠穆朗玛峰也会突然下降,例如1934年尼泊尔一次大地震,珠峰高度一下子降低了60多厘米。”据党亚民介绍,一般在三种情况下,就需要对珠峰高程重新测量。

第一种情况是,当珠峰高度缓慢变化积累到一定程度,我们就需要重新测量珠峰高度。第二种是,如果在离珠峰较近的地方发生大地震,认为地震对珠峰高度影响明显,也需要重新测量珠峰高度。第三种情况是,当珠峰高程测量技术有了一个大的飞跃,新技术可以明显提升珠峰测量精度,也需要重新测量珠峰高度。

释疑四:测量用了哪些“黑科技”?

——北斗系统在珠峰高程测量中首次应用

2020珠峰高程测量综合运用了GNSS卫星测量、精密水准测量、光电测距、雪深雷达测量、重力测量、天文测量、卫星遥感、似大地水准面精化等多种传统和现代测绘技术,精确测定珠峰高程。

全球导航卫星系统(GNSS)卫星测量,便是其中重要一环,这也是北斗系统在珠峰高程测量项目中首次应用。

在峰顶,GNSS接收机能通过卫星获取平面位置、峰顶雪面大地高等信息,而大地高与海拔之间有一定换算关系。登顶测量时,顶峰的GNSS接收机能依托北斗系统和珠峰地区以及外围的GNSS监测网联机同步观测,同时还可监测相关地区的地壳运动。

为了填补珠峰地区地面重力资料的空白,此次测量还应用了航空重力测量技术。

中国测绘科学研究院副研究员、2020珠峰高程测量技术协调组专家成员蒋涛解释,一般的重力测量采用的是地面重力测量的方法,测绘人员携带重力仪进行实地测量,将仪器放置在某个测量点位上,测量一段时间就能得到这个点位的重力数据。但珠峰地区平均海拔在5000米以上,地形地貌极其复杂,绝大部分地方人员无法到达,存在大量的重力数据空白区,这就严重制约了海拔高程起算面的精准度。

“而航空重力测量,是把先进的航空重力仪安装在飞机上,这相当于在飞机安装的一个感应地球重力的传感器,它能反映地面重力的变化。飞机按照事先设计好的测线在1万米左右的高度来回飞行,多条飞行测线形成一个密集的空中重力数据面。我们结合机载卫星动态定位、惯性导航和重力仪数据把空中重力值测出来。”

蒋涛介绍,这样,航空重力测量的结果结合地面重力测量的结果,再结合卫星资料获取的数据,通过物理大地测量的理论方法进行数据处理,把珠峰高程起算面精准的确定出来后,就可以精确测定珠峰高程。

他透露,根据估算,加入航空重力测量的数据后,起算面精准度可以提高大约30%,珠峰峰顶高度的精准度自然也会相应提升。

此外,此次珠峰高程测量还首次应用了实景三维技术。“这主要是为了在登山过程中给测量登山队提供指导,另外,也让公众能够更直观地看到珠峰地区的实景,更好地理解珠峰测量的过程和意义。”蒋涛说。

释疑五:为何登顶6个月后才公布测量结果?

——珠峰高程需经过数据处理和反复检核计算

5月27日,测量登山队员成功登顶珠峰完成测量任务。为何直到12月,珠峰高程测量结果才最终公布?

“登顶测量只是完成了最重要的测量数据,但最终的珠峰高程,还需要经过一段时间的数据处理和反复检核计算。“蒋涛说。

首先,包括登顶测量在内的外业测量全部结束后,技术协调组要组织相关单位完成全部外业测量数据的整理,外业观测成果的质量检查、数据汇总等。

之后,所有测量数据被传输至位于西安的大地测量数据处理中心,由技术人员进行数据综合处理,才能计算得出准确的珠峰新高程。

据郭春喜介绍,大地测量数据处理中心从2019年4月份起,就开始着手收集了大量珠峰地区已有的高程、GNSS和重力等数据并进行初步的整理分析,为后续工作做准备。

今年6月以来,在珠峰峰顶及珠峰地区数据传送至大地测量数据处理中心后,技术人员着重处理了343个GNSS点数据、约780多公里的一二三等水准网数据、约210个不同等级重力点数据、12个峰顶交会点数据以及重力似大地水准面确定、峰顶冰雪探测雷达测量数据处理等。

“整个珠峰高程测量数据处理工作,在数据整理分析、数据解算和融合处理、数据质量控制、多期数据结果比对分析、技术文档编写等阶段,都有相当的工作量。为了尽快精算得到珠峰高程成果,所有项目参与人员加班加点工作,仅仅用时3个月就完成了整个数据处理工作。”郭春喜说。

获得初步的珠峰高程结果后,还要完成院、局两级检查,联合尼泊尔方面、中科院以及专家学者团队,进行珠峰高程综合确定,组织开展成果验收。

释疑六:珠峰测量的数据成果有什么用?

——为冰川监测、生态环境保护等研究提供一手资料

记者了解到,此次珠峰高程测量的成果可用于地球动力学板块运动等领域研究。精确的峰顶雪深、气象和风速等数据,将为冰川监测、生态环境保护等方面的研究提供第一手资料。重力测量成果可用于珠峰地区区域地球重力场模型的建立和冰川变化、地震、地壳运动等问题的研究。

除了用于监测与研究外,珠峰测量的结果与普通公众关系大吗?蒋涛认为,除了获取重要地理信息外,最重要的一点是,珠峰高程的变化能典型地反映出全球气候变暖的趋势。

据其介绍,除了珠峰高程测量,这次任务还包括对珠峰及其周边地区冰川变化的监测、地壳变化的监测等。

“这些数据结果,以珠峰为切入点,可以让公众了解到目前青藏高原正在发生的一些气候和环境变化,比如近十年来高原湖泊面积有扩大的趋势,比如青藏高原冰川消融的速度,等等。”蒋涛认为,这也将加强公众对目前全球气候和环境变化的认识与关注。

新京报记者 吴娇颖

编辑 陈思 校对 陈荻雁

 
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