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[转载]最新珠峰高度怎样测出的?有何科学道理?专家详解

已有 813 次阅读 2021-1-5 12:25 |个人分类:资料库|系统分类:科普集锦|文章来源:转载

最新珠峰高度怎样测出的?有何科学道理?专家详解

2020年12月16日 05:26 北京日报

  最新珠峰高度是怎样测出来的

  蒋涛

  12月8日,中国和尼泊尔两国联合对外宣布,经过两国团队的扎实工作,珠穆朗玛峰的最新高程为8848.86米。此次珠峰高程测量也是我国对珠峰展开的第四次大规模测绘和科考。

  最新的珠峰高度是怎样测出的?人类测量珠峰的技术手段又经过了怎样的进步发展?本报特约2020珠峰高程测量技术协调组成员、中尼珠峰测量联合技术委员会成员蒋涛撰文向读者解答这些问题。

  珠穆朗玛峰,简称珠峰,是喜马拉雅山脉的主峰,同时是世界海拔最高的山峰,位于中国与尼泊尔边境线上,北部在中国西藏定日县境内,南部在尼泊尔境内。

  数千万年前,印度洋板块与亚欧大陆板块碰撞挤压,青藏高原逐渐隆起并形成“世界屋脊”,其中具代表性的山峰便是珠峰。

  作为世界最高峰,珠峰的准确高度,素来为世人瞩目。那么,2020年珠峰高程测量是怎样进行的?其中的科学道理又是什么呢?

  2020珠峰高程测量,我国采用了“综合运用GNSS卫星测量、水准测量、光电测距、雪深雷达测量、航空重力和遥感测量、似大地水准面精化和实景三维建模等多种传统和现代测绘技术,精确测定珠峰高程”的技术路线,并与尼泊尔扎实开展技术合作,最终确定了基于全球高程基准的珠峰雪面高程为8848.86米。具体的科学工作,可以分为以下六个层面。

  建立GNSS坐标控制网

  在珠峰地区建立全球导航卫星系统(GNSS)坐标控制网,测量队员分阶段开展高精度GNSS网观测,获取343个网点的三维坐标,这就建立了高精度的珠峰高程测量坐标起算基准。

  将黄海高程基准值精确传递到珠峰脚下

  在珠峰及周边地区布设高程控制网,开展水准测量,从位于西藏日喀则地区的国家一等水准点起测,测量队员利用精密水准仪,一站一站地将黄海高程基准值精确传递到珠峰脚下,一共完成了780多公里的水准测量,这都是需要测量队员依靠徒步测量的方式完成的。

  首次在珠峰北侧开展航空重力测量

  在珠峰及周边地区开展重力测量。精确测定珠峰高程需要建立珠峰地区的高精度大地水准面模型,进而需要分布均匀的高精度重力数据。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。珠峰地区平均海拔高度在5000米以上,地形地貌极端复杂,大部分区域无法开展地面重力测量,重力数据稀少,存在大量重力资料空白区。因此,我们在全世界首次在珠峰北侧地区开展航空重力测量,以解决重力数据空白问题,提升珠峰地区高程起算面的精度。

  航空重力测量,顾名思义,就是把航空重力仪安装在飞机上,这相当于在飞机上安装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空中来回飞行,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。

  此次珠峰北侧地区航空重力测量使用航空地质一号飞机,搭载先进的航空重力仪,飞行高度超过1万米,共获取航空重力测线总长度5635.2公里,覆盖面积达1.27万平方公里。珠峰本身地形复杂,数据资料不全,飞机在高海拔地区起飞,风又特别大,可以说是高风险、高难度的飞行。我们在反复咨询空军、民航和气象等部门的技术专家后,才下定决心在珠峰地区开展高风险、高难度的航空测量。

  测量登山队员登顶开展峰顶测量

  珠峰高程测量,最重要的是测量登山队员登顶开展峰顶测量,获取峰顶观测数据。2020年5月27日11时,中国测量登山队登顶成功后,在峰顶创纪录地停留了150分钟。在峰顶开展了测量觇标架设、GNSS测量、雪深雷达测量和地面重力测量,使用的都是国产仪器。

  测量登山队员首次实现了峰顶北斗卫星定位,观测时间超过40分钟,峰顶点与珠峰地区9个GNSS地面测站组成峰顶GNSS联测网,进行GNSS同步观测。

  测量登山队员利用国产重力仪,在世界上首次测量了珠峰峰顶重力观测值,这有助于提高珠峰高程起算面的精度。另外,采用国产地质雷达探测仪器测量了峰顶冰雪层厚度。

  与此同时,地面测量人员从珠峰脚下的6个测站,利用自主研发的长测程测距仪照准峰顶觇标反射棱镜进行交会观测,最长测距接近19公里,交会观测数据主要为峰顶GNSS测量数据提供独立检核。

  在珠峰峰顶这样一个极寒、极低气压的高海拔环境中成功完成测量,这很好地说明了国产测量仪器的长足进步。

  珠峰测量数据处理分析

  所有测量数据获取完毕并经过质量检查后,进入珠峰测量数据处理分析阶段。概括而言,珠峰高程测量数据处理的核心是通过严密计算得到珠峰的“顶”和“底”的精确位置。

  对GNSS控制网、峰顶GNSS联测网和交会测量数据进行处理,可以得到珠峰峰顶觇标点的三维空间坐标,即纬度、经度和大地高。数据处理结果表明:利用GNSS测量数据计算的珠峰大地高与交会测量确定的结果,仅相差2.6厘米,考虑到两种技术手段相互独立,这个量级的差异是非常小的;根据误差理论,GNSS测量获取的珠峰大地高结果精度达到了毫米级。这就实现了珠峰“顶”的高精度测定。

  接下来要精确计算珠峰“底”的位置,科学家基于物理大地测量的理论方法进行数据处理,联合航空重力、地面重力、高分辨率地形和其它数据,结合GNSS和水准测量数据,建立珠峰地区的大地水准面模型,这就相当于把珠峰高程起算面,也就是黄海高程基准面这个“底”精准地确定出来了。结果表明,加入航空重力测量数据后,珠峰高程起算面精度达到了4.8厘米,相比没有航空重力测量数据时,精度提高了近40%,这意味着珠峰海拔高程的精准度也会相应提升。

  精准确定了珠峰的“顶”和“底”,珠峰峰顶的大地高减去大地水准面差距,就能获取精确的珠峰高程值。

  中尼合作开展数据处理

  2020珠峰高程测量的总体目标是落实中尼联合声明,实现中尼两国共同宣布珠峰高程。中尼双方成立了中尼珠峰测量联合技术委员会,合作开展了数据处理。

  高程基准是珠峰高程测量的关键要素,中国和尼泊尔都有自己国家法定的高程基准,中国是黄海平均海平面,尼泊尔是印度洋平均海平面。按照国际合作惯例,国际合作中通常采用共同高程基准,而不采用某一方的高程基准。

  中尼联合技术委员会经过技术会谈最终商定:根据国际大地测量协会发布的关于全球高程基准(IHRS)的定义和参数,联合地面重力、航空重力及其它数据建立珠峰地区重力大地水准面,这是全球高程基准在珠峰地区的具体实现,作为中尼共同宣布珠峰高程的起算面。

  选定了高程基准后,中尼在数据处理阶段,逐项对中间数据和结果进行了细致比对和反复检核,双方数据和结果一致性很好,最终双方技术团队共同确定基于全球高程基准的珠峰雪面高程为8848.86米。

  此外,在2020珠峰高程测量工作中,我国还开展了珠峰地区航空遥感测量、实景三维模型构建和冰川变化监测等工作。2020珠峰测量获取的丰富观测数据成果,将为珠峰地区的生态环境保护修复、自然资源管理、地质研究与调查等领域提供宝贵的第一手观测资料。

  延伸阅读

  测量珠峰高度的历史回顾

  人类对珠峰的认识,最初就是从测量其高度开始的。在历史上,珠峰高度测量的技术也经过了不断的发展。

  无人员登顶的三角高程测量

  1714年至1715年,在清朝康熙帝的派遣下,清朝勘测人员深入珠峰脚下,利用铜镀金矩度全圆仪、铜质御制方矩象限仪(现藏故宫博物院)等仪器,对珠峰位置和高度进行过初步的测量,并在《皇舆全览图》上明确标上了珠峰的位置和名称。这是人类第一次测绘珠峰。

  1847年,英属印度测量局在离珠峰300多公里外的恒河平原上,利用三角高程测量方法对珠峰高度进行了首次测量,测得高程为8778米。所谓三角高程测量方法,就是在位于山脚的地面测站架设光学测量仪器,专业测量人员照准珠峰峰顶雪面,测量地面测站到峰顶的距离,再测量峰顶的高度角,也就是观测视线与水平面之间的夹角,最后按照三角函数关系计算出珠峰高度。

  在人类尚未登顶珠峰的时期,三角高程测量珠峰高度是一种非常巧妙的远距离测量技术。但是,因为地面测站到峰顶的距离远,即使微小的高度角测量误差也会造成很大的高度误差。另外,大气层是一个上疏下密的圈层,光线在通过不同密度介质时会发生折射。从地面测站对峰顶进行照准观测时,视线穿过三千米左右厚度的大气层,反射光线会产生明显的折射,产生大气折光差,导致珠峰高度的测量误差。

  1921年至1954年,英属印度测量局对测量仪器、技术和方法进行改进后,开展了多次测量,通过加权计算得到了比较精确的珠峰高程8847.6米,近似为8848米。

  人员登顶珠峰立起测量觇标

  从地面测站照准珠峰峰顶雪面,不同测站观测到的目标不一致,会产生较大误差,这是三角高程测量方法的缺陷。

  1975年,中国开展大规模珠峰测量,登山队员第一次在峰顶最高点立起测量觇标,从10个地面测站同时观测觇标,保证了所有地面测站照准的都是峰顶最高点,而且是同一个点。

  通过我国科学家的努力,采用改进的理论方法,结合气象参数观测数据,很好地解决了大气折光误差的难题。

  这一次还采用了人力插杆的方式,测量了峰顶覆雪厚度0.92米(不含结冰层)。此外,在珠峰地区开展的三角网测量、水准测量和重力测量,相关数据为珠峰高程提供了起算基准。获取所有测量数据后,最后计算出珠峰高程为8848.13米。

  卫星精密定位技术测量珠峰高程

  自1987年开始,随着全球导航卫星系统(GNSS)的成功应用,珠峰高程测量进入卫星精密定位时代,中外各国多次利用GNSS技术测量珠峰高度。

  GNSS测量是利用人造卫星实现对地表点位的精确测量,利用地面GNSS观测设备接收卫星信号,根据信号传播速度和传播时间,测量卫星到地表测点的距离。由于卫星到地心的距离可通过精密确定卫星轨道得知,那么就可以得到地表测点到地球参考椭球面的距离,这一距离被称为“大地高”。

  需要指出的是,“大地高”并不是我们常说的“海拔高”,要得到“海拔高”,还需要确定大地水准面,它是指与平均海平面重合,并延伸到大陆内部,并将地球全部包裹起来的水准面。大地水准面代表的是平均海平面,是高程的起算面或基准面,我们平时所说的海拔高度就是相对于这个起算面的高度值,这也是称之为海拔高度的原因所在。

  确定大地水准面,就是测定大地水准面相对于地球参考椭球面的距离,即大地水准面差距,这需要利用区域内密集分布的重力资料,根据物理大地测量的理论和方法求定,因此需要进行重力测量。我国1975年和2005年两次大规模珠峰测量,都是利用水准测量和重力测量技术,将位于青岛的黄海高程基准值传递至珠峰地区,实现了珠峰高程起算面的确定。

  精密确定珠峰峰顶的大地高和大地水准面差距值后,前者减去后者,即可得到珠峰峰顶的海拔高度,测量学上称之为正高。

  珠峰峰顶冰雪层厚度测量

  珠峰峰顶常年被冰雪覆盖,对珠峰峰顶雪面到岩石面的冰雪层厚度,2005年以前一直采用人力插杆测深的方法。我国2005年珠峰测量时首次使用了便携式雷达探测仪精确探测珠峰峰顶冰雪层厚度,获得峰顶觇标点的冰雪层厚度值为3.50米,测量精度为±0.1米。

来源(https://www.chinanews.com/m/gn/2020/12-16/9363225.shtml?f=qbapp)

蒋涛,男,1984年生,博士,副研究员。
  2002年9月至2011年12月,在武汉大学测绘学院学习,先后获得学士、硕士和博士学位。
  2012年2月至今,在中国测绘科学研究院工作,先后任助理研究员、副研究员。2014年1月至2015年5月,在美国国家海洋与大气管理局国家大地测量局从事博士后科研工作。2016年3月至2017年3月,在自然资源部第一大地测量队担任副总工程师(挂职)。】(——来自中国测绘科学研究院网站)



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