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权威专家解读如何给珠峰“量身高”

2020-05-21 11:41:03来源:

本报赴西藏特派记者 谷业凯 袁 泉

  编者按:5月16日,2020珠峰高程测量登山队从珠峰大本营出发,再次向珠峰顶峰发起冲击,这标志着2020珠峰高程测量进入最后冲刺阶段。综合分析最新天气预报后,2020珠峰高程测量登山队决定,22日为攻顶日,21日修路队将会把路线打通。新中国成立以来,我国先后两次成功测定并公布珠峰高程。那珠峰的“身高”究竟是怎么测出来的?测定珠峰高程有哪些意义?《环球时报》记者日前专访了2020珠峰高程测量技术协调组组长、中国测绘科学研究院研究员党亚民。

  海拔高程起算面怎么确定

  珠峰到底有多高?要回答这个问题,首先就要明确珠峰脚下的“海拔零米”在哪里。这就好比盖房子,首先得找到地基的位置。遗憾的是,这个问题并不容易回答。当我们用眼睛看面前的珠峰时,“看到的高度”其实并不是它真正的高度。“我们看到的是眼睛视线范围内珠峰的高度。而真正的珠峰海拔高,是峰顶到下面的一个叫‘大地水准面’的距离。”党亚民说。

  这个“大地水准面”,就是海拔高程的零起算面。我国法定的大地水准面,是一个和黄海平均海平面重合并延伸到大陆内部(比如珠峰下面)的水准面。而地球是椭圆的,我们视线的起点是脚下的那一点,而不是珠峰脚下的那一点,因此看到的珠峰高度要比其真实高度“矮”很多。测绘科学中,经常会用到基准点、基准面两个概念。从字面不难理解,基准点和基准面就是我们通常确定物体空间位置的一些参考点和参考面。比如目前,随着GNSS(全球导航卫星系统)的广泛应用,大家可以很容易获得自己所在的位置信息,它在垂直方向可以得到一个叫“大地高”的高程,它的基准面就是一个规则的参考椭球面。但大地高并不是我们常说的海拔高程。

  既然“大地高”这么容易得到,为什么我们不能用它作为珠峰的高程发布呢?因为到目前为止,世界各国的高程基准,都是选择离自己最近的平均海平面,作为自己国家的高程基准。这个平均海平面由于受到地球内部物质的作用,它是一个不规则的曲面。

  “地球上各个点上的重力值是不一样的,作为海拔高程的起算面,它是一个虚拟的曲面,在这个面上,我们把水倒在上面,水是不流动的,因为这个面上每个点的重力加速度值是相等的。”党亚民解释,“这也是为什么‘南水北调’‘西气东输’等国家重大工程,必须采用海拔高程,只有基于这样的基准面,水才不会‘倒流’”。

  实际上,我国目前法定的海拔高程起算点(起算面)是由国家1985国家高程基准规定。该高程起算面是根据青岛大港验潮站1952年-1979年的验潮资料计算确定的,并通过位于青岛市观象山的“中华人民共和国水准原点”实现。我国海拔高程的基准,如何从青岛“传递”到珠峰呢?党亚民介绍称,一是通过水准测量(测定地面上两点间高差的一种方法),把黄海平均海平面一步步地“延伸”到珠峰脚下。二是通过重力测量把这个高程零点的重力值“引”过来。最终目的都是精确地找到珠峰脚下的海拔高“零基准面”。

  珠峰的高程,实际上就是要测得其相对于黄海平均海水面的高度。青岛与珠峰相隔千山万水,这种“延伸”岂不是很困难?党亚民回答,基于先前完成的国家基准项目,我们已经取得西藏拉孜县相对青岛水准原点的精确高度。这样,起算面就不必是青岛,而是拉孜。测量队员只需从拉孜开始向珠峰测量,就相当于从青岛“延伸”到了珠峰地区,全程约500公里。

  即便如此,测量珠峰高程也意味着大量、艰苦和琐碎的野外作业。“在此过程中,有些控制点要重新进行观测,珠峰地区也要进行大量的前期和后续测量工作,测量队员才能精确地将这个海拔高‘零基准面’延伸到珠峰脚下,为登顶测量做充分准备。”党亚民说。▲

  登顶测量要做什么

  山高路险,为什么还一定要人来登顶测量?党亚民表示,技术上看,目前测量型无人机或机器人的能力尚无法完成登顶作业;精度上看,卫星遥感影像在高程方向的测量精度在2米左右,和大地测量厘米级精度要求比,差距较大,且这种手段只能测出雪顶高程,而非岩面高程;再者,珠峰峰顶并不是一个点,而是一个20多平方米的面,必须由人将觇标带上峰顶,才能确保目标点一致,精确测得角度和距离。

  党亚民介绍,峰顶测量有三项主要工作:一是峰顶交会测量,即利用三角高程和交会方法,测量峰顶觇标,确定珠峰高度;二是通过高精度GNSS定位方法,测量出珠峰雪顶的位置;三是通过雷达雪深测量,测量峰顶一定范围内,雪面到岩石面的距离。

  先来看峰顶交会测量。1975年我国测定珠峰高程时采用的就是这种传统的经典测量法。简单说,就是在峰顶架起觇标,在各个交会点上,分别测出其与峰顶觇标间的距离和竖直角,推算出峰顶相对于这几个点的高程差,然后对数据进行重力、大气等多方面的改正计算,最终确定有效数据。

  再看高精度GNSS定位方法。这是一种最近几十年发展起来的测量手段。比如我们利用手机中的导航定位芯片和软件,也能大概知道自己所处的海拔高度。但手机确定的位置,与利用专用测量仪器和软件确定的位置相比,精度差了几百倍。2020珠峰高程测量,我国将首次使用基于北斗卫星导航系统的高精度GNSS定位方法,并且将以北斗数据为主进行峰顶位置的精确测量。

  当然,要把GNSS测量的基于地球椭球面的大地高,改化成基于黄海高程基准海拔高,还需开展大量的测量工作,确定珠峰下面的大地水准面。2020珠峰高程测量,我国还将首次在珠峰北坡地区开展广泛的高精度航空重力测量以及峰顶重力测量,并在靠近峰顶的区域增加大量的地面重力加密测量,这些内容填补了珠峰地区重力测量的国际空白,将大大提升2020珠峰高程测量起算面的精度,也使我们能够获得有史以来精度最高的珠峰高程测量成果。

  最后,需要开展峰顶雪深测量。由于极端寒冷,珠峰峰顶有很深的覆雪和冰冻层。“峰顶一年四季都在变化,而测量是短时间内完成的。但是岩石面的变化很微小,而且只有岩石才算是地物。测量岩面高,其准确度更高,也更有说服力。”党亚民表示。

  1975年,我国女登山队员潘多用一根直径4到5厘米的木头杆子插进雪层,测得深度为92厘米,于是有了珠峰高程采用值8848.13米;2005年,我国首先测得了珠峰顶峰的岩面高程和雪深数据,但当时使用的雪深雷达为进口设备。2020珠峰高程测量,我国将使用兼具卫星大地测量和雷达系统功能的国产雪深雷达,测量精度有望进一步提升。

  珠峰“新身高”最终如何出炉

  精确测定珠峰高度,是一项代表国家测绘科技发展水平的综合性测绘工程。不同时期以不同方式测量珠峰,反映了人类对自然的求知探索精神,也是了解和认识地球的一个重要标志。多年来,我国珠峰高程测量经历了从传统大地测量技术到综合现代大地测量技术的转变。每次珠峰测量,都体现了我国测绘技术的不断进步,彰显了我国测绘技术的最高水平。

  “重测珠峰高程一般有两个重要原因,一是珠峰高度发生变化;二是有了可以明显提升测量精度的新技术。”党亚民说。据了解,2020珠峰测量中,除依托北斗卫星导航系统开展测量工作外,国产测绘仪器装备也将全面担纲本次测量任务,航空重力技术将进一步提升测量精度,实景三维技术将直观展示珠峰自然资源状况。此外,测绘队员有望登顶观测,获取可靠测量数据。

  “现代科学技术不断发展,测量手段越来越方便,精度也越来越高,但精细的数据处理仍然是确保珠峰高精度和高可靠性成果的关键。”党亚民介绍,在登顶测量任务完成后,数据处理团队首先要对各类外业测量数据进行全面的质量检查和分析;数据处理中,需要考虑温度、气压、折光环境等因素对测量成果的影响,并采用合理的模型消除这些误差影响因素;同时要对不同技术路线、各个技术环节的数据处理结果进行检核、对算;在此基础上,还要经过专家组的检查和验证,才能获得珠峰高程最终数据,报国务院批准。

  “这是一个系统工程,大概需要2到3个月时间进行计算,才会得出珠峰精确的‘身高’。”党亚民说。

  “我们测出来的珠峰高程之所以具有权威性,就是因为我们可以在珠峰地区克服各种困难,开展各类细致的高精度基础性野外测量任务,确保我们珠峰高程测量的基准点和海拔高程起算面是全世界最好的。”党亚民说,在2017年召开的珠峰高程测量国际研讨会上,我国展示的全面、先进的珠峰高程测量方法和技术手段,得到了与会多国的认可。我国珠峰高程测量和测绘综合科学技术水平,已经走到了世界前列。

  珠峰“身高”测量史

  珠穆朗玛峰是世界最高峰,人类从300多年前便已开始了探求珠峰高度的努力,多国探险家和测绘工作者都曾为准确给珠峰“量身高”做出不懈努力。

  从20世纪50年代开始,以著名地理学家林超为代表的我国学者便指出,在有史料可查的历史中,世界上首次对珠峰进行测绘的是中国人。

  多份史料证明,公元1715年前后,清政府从北京派出曾在钦天监学过数学的理藩院主事胜住等人,专程进入西藏测绘地图。成果体现于我国首次用现代技术对国土进行测量并绘制的地图——《皇舆全览图》中。在这幅地图上,珠峰以山形符号被标出,并定名为“朱母郎马阿林”。

  19世纪50年代初,英属印度测量局在印度境内采用三角大地测量法对珠峰进行遥测,并公布8840米的数据,将珠峰确认为世界海拔最高峰,后将该峰命名为“埃佛勒斯峰”,但这一名称并不为我国政府和人民所接受。

  20世纪上半叶,英国、瑞士、法国等国家多次对珠峰进行探险,未有高度数据公布。1952年到1954年,印度测量局征得尼泊尔同意,把三角测量推进到尼泊尔境内,最后得出珠峰高程为8847.6米。

  受测量技术等因素影响,世界各国对珠峰高程数据的认定并不完全相同。例如美国测得的数字为8850米,但这一数据并不为中国等国家承认。

  1975年,我国首次将测量觇标矗立于珠峰之巅,精确测得珠峰海拔高程为8848.13米;2005年珠峰高程复测,我国采用传统大地测量与卫星测量结合的技术方法,并首次在珠峰峰顶测量中利用冰雪雷达探测仪测量冰雪厚度,经过严密计算,测得8844.43米。

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