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。
