最新珠峯高度是怎樣測出來的

蔣濤

12月8日,中國和尼泊爾兩國聯合對外宣佈,經過兩國團隊的紮實工作,珠穆朗瑪峯的最新高程爲8848.86米。此次珠峯高程測量也是我國對珠峯展開的第四次大規模測繪和科考。

最新的珠峯高度是怎樣測出的?人類測量珠峯的技術手段又經過了怎樣的進步發展?本報特約2020珠峯高程測量技術協調組成員、中尼珠峯測量聯合技術委員會成員蔣濤撰文向讀者解答這些問題。

珠穆朗瑪峯,簡稱珠峯,是喜馬拉雅山脈的主峯,同時是世界海拔最高的山峯,位於中國與尼泊爾邊境線上,北部在中國西藏定日縣境內,南部在尼泊爾境內。

數千萬年前,印度洋板塊與亞歐大陸板塊碰撞擠壓,青藏高原逐漸隆起並形成“世界屋脊”,其中具代表性的山峯便是珠峯。

作爲世界最高峯,珠峯的準確高度,素來爲世人矚目。那麼,2020年珠峯高程測量是怎樣進行的?其中的科學道理又是什麼呢?

2020珠峯高程測量,我國採用了“綜合運用GNSS衛星測量、水準測量、光電測距、雪深雷達測量、航空重力和遙感測量、似大地水準面精化和實景三維建模等多種傳統和現代測繪技術,精確測定珠峯高程”的技術路線,並與尼泊爾紮實開展技術合作,最終確定了基於全球高程基準的珠峯雪面高程爲8848.86米。具體的科學工作,可以分爲以下六個層面。

建立GNSS座標控制網

在珠峯地區建立全球導航衛星系統(GNSS)座標控制網,測量隊員分階段開展高精度GNSS網觀測,獲取343個網點的三維座標,這就建立了高精度的珠峯高程測量座標起算基準。

將黃海高程基準值精確傳遞到珠峯腳下

在珠峯及周邊地區佈設高程控制網,開展水準測量,從位於西藏日喀則地區的國家一等水準點起測,測量隊員利用精密水準儀,一站一站地將黃海高程基準值精確傳遞到珠峯腳下,一共完成了780多公里的水準測量,這都是需要測量隊員依靠徒步測量的方式完成的。

首次在珠峯北側開展航空重力測量

在珠峯及周邊地區開展重力測量。精確測定珠峯高程需要建立珠峯地區的高精度大地水準面模型,進而需要分佈均勻的高精度重力數據。一般的重力測量採用的是地面重力測量的方法,測繪人員攜帶重力儀進行實地測量,將儀器放置在某個測量點位上,測量一段時間就能得到這個點位的重力數據。珠峯地區平均海拔高度在5000米以上,地形地貌極端複雜,大部分區域無法開展地面重力測量,重力數據稀少,存在大量重力資料空白區。因此,我們在全世界首次在珠峯北側地區開展航空重力測量,以解決重力數據空白問題,提升珠峯地區高程起算面的精度。

航空重力測量,顧名思義,就是把航空重力儀安裝在飛機上,這相當於在飛機上安裝一個感應地球重力的傳感器,它能反映地面重力的變化。飛機按照事先設計好的測線在空中來回飛行,多條飛行測線形成一個密集的空中重力數據面。我們結合機載衛星動態定位、慣性導航和重力儀數據把空中重力值測出來。

此次珠峯北側地區航空重力測量使用航空地質一號飛機,搭載先進的航空重力儀,飛行高度超過1萬米,共獲取航空重力測線總長度5635.2公里,覆蓋面積達1.27萬平方公里。珠峯本身地形複雜,數據資料不全,飛機在高海拔地區起飛,風又特別大,可以說是高風險、高難度的飛行。我們在反覆諮詢空軍、民航和氣象等部門的技術專家後,才下定決心在珠峯地區開展高風險、高難度的航空測量。

測量登山隊員登頂開展峯頂測量

珠峯高程測量,最重要的是測量登山隊員登頂開展峯頂測量,獲取峯頂觀測數據。2020年5月27日11時,中國測量登山隊登頂成功後,在峯頂創紀錄地停留了150分鐘。在峯頂開展了測量覘標架設、GNSS測量、雪深雷達測量和地面重力測量,使用的都是國產儀器。

測量登山隊員首次實現了峯頂北斗衛星定位,觀測時間超過40分鐘,峯頂點與珠峯地區9個GNSS地面測站組成峯頂GNSS聯測網,進行GNSS同步觀測。

測量登山隊員利用國產重力儀,在世界上首次測量了珠峯峯頂重力觀測值,這有助於提高珠峯高程起算面的精度。另外,採用國產地質雷達探測儀器測量了峯頂冰雪層厚度。

與此同時,地面測量人員從珠峯腳下的6個測站,利用自主研發的長測程測距儀照準峯頂覘標反射棱鏡進行交會觀測,最長測距接近19公里,交會觀測數據主要爲峯頂GNSS測量數據提供獨立檢核。

在珠峯峯頂這樣一個極寒、極低氣壓的高海拔環境中成功完成測量,這很好地說明了國產測量儀器的長足進步。

珠峯測量數據處理分析

所有測量數據獲取完畢並經過質量檢查後,進入珠峯測量數據處理分析階段。概括而言,珠峯高程測量數據處理的核心是通過嚴密計算得到珠峯的“頂”和“底”的精確位置。

對GNSS控制網、峯頂GNSS聯測網和交會測量數據進行處理,可以得到珠峯峯頂覘標點的三維空間座標,即緯度、經度和大地高。數據處理結果表明:利用GNSS測量數據計算的珠峯大地高與交會測量確定的結果,僅相差2.6釐米,考慮到兩種技術手段相互獨立,這個量級的差異是非常小的;根據誤差理論,GNSS測量獲取的珠峯大地高結果精度達到了毫米級。這就實現了珠峯“頂”的高精度測定。

接下來要精確計算珠峯“底”的位置,科學家基於物理大地測量的理論方法進行數據處理,聯合航空重力、地面重力、高分辨率地形和其它數據,結合GNSS和水準測量數據,建立珠峯地區的大地水準面模型,這就相當於把珠峯高程起算面,也就是黃海高程基準面這個“底”精準地確定出來了。結果表明,加入航空重力測量數據後,珠峯高程起算面精度達到了4.8釐米,相比沒有航空重力測量數據時,精度提高了近40%,這意味着珠峯海拔高程的精準度也會相應提升。

精準確定了珠峯的“頂”和“底”,珠峯峯頂的大地高減去大地水準面差距,就能獲取精確的珠峯高程值。

中尼合作開展數據處理

2020珠峯高程測量的總體目標是落實中尼聯合聲明,實現中尼兩國共同宣佈珠峯高程。中尼雙方成立了中尼珠峯測量聯合技術委員會,合作開展了數據處理。

高程基準是珠峯高程測量的關鍵要素,中國和尼泊爾都有自己國家法定的高程基準,中國是黃海平均海平面,尼泊爾是印度洋平均海平面。按照國際合作慣例,國際合作中通常採用共同高程基準,而不採用某一方的高程基準。

中尼聯合技術委員會經過技術會談最終商定:根據國際大地測量協會發布的關於全球高程基準(IHRS)的定義和參數,聯合地面重力、航空重力及其它數據建立珠峯地區重力大地水準面,這是全球高程基準在珠峯地區的具體實現,作爲中尼共同宣佈珠峯高程的起算面。

選定了高程基準後,中尼在數據處理階段,逐項對中間數據和結果進行了細緻比對和反覆檢核,雙方數據和結果一致性很好,最終雙方技術團隊共同確定基於全球高程基準的珠峯雪面高程爲8848.86米。

此外,在2020珠峯高程測量工作中,我國還開展了珠峯地區航空遙感測量、實景三維模型構建和冰川變化監測等工作。2020珠峯測量獲取的豐富觀測數據成果,將爲珠峯地區的生態環境保護修復、自然資源管理、地質研究與調查等領域提供寶貴的第一手觀測資料。

延伸閱讀

測量珠峯高度的歷史回顧

三角高程測量示意圖。

人類對珠峯的認識,最初就是從測量其高度開始的。在歷史上,珠峯高度測量的技術也經過了不斷的發展。

無人員登頂的三角高程測量

1714年至1715年,在清朝康熙帝的派遣下,清朝勘測人員深入珠峯腳下,利用銅鍍金矩度全圓儀、銅質御製方矩象限儀(現藏故宮博物院)等儀器,對珠峯位置和高度進行過初步的測量,並在《皇輿全覽圖》上明確標上了珠峯的位置和名稱。這是人類第一次測繪珠峯。

1847年,英屬印度測量局在離珠峯300多公里外的恆河平原上,利用三角高程測量方法對珠峯高度進行了首次測量,測得高程爲8778米。所謂三角高程測量方法,就是在位於山腳的地面測站架設光學測量儀器,專業測量人員照準珠峯峯頂雪面,測量地面測站到峯頂的距離,再測量峯頂的高度角,也就是觀測視線與水平面之間的夾角,最後按照三角函數關係計算出珠峯高度。

在人類尚未登頂珠峯的時期,三角高程測量珠峯高度是一種非常巧妙的遠距離測量技術。但是,因爲地面測站到峯頂的距離遠,即使微小的高度角測量誤差也會造成很大的高度誤差。另外,大氣層是一個上疏下密的圈層,光線在通過不同密度介質時會發生折射。從地面測站對峯頂進行照準觀測時,視線穿過三千米左右厚度的大氣層,反射光線會產生明顯的折射,產生大氣折光差,導致珠峯高度的測量誤差。

1921年至1954年,英屬印度測量局對測量儀器、技術和方法進行改進後,開展了多次測量,通過加權計算得到了比較精確的珠峯高程8847.6米,近似爲8848米。

人員登頂珠峯立起測量覘標

從地面測站照準珠峯峯頂雪面,不同測站觀測到的目標不一致,會產生較大誤差,這是三角高程測量方法的缺陷。

1975年,中國開展大規模珠峯測量,登山隊員第一次在峯頂最高點立起測量覘標,從10個地面測站同時觀測覘標,保證了所有地面測站照準的都是峯頂最高點,而且是同一個點。

通過我國科學家的努力,採用改進的理論方法,結合氣象參數觀測數據,很好地解決了大氣折光誤差的難題。

這一次還採用了人力插杆的方式,測量了峯頂覆雪厚度0.92米(不含結冰層)。此外,在珠峯地區開展的三角網測量、水準測量和重力測量,相關數據爲珠峯高程提供了起算基準。獲取所有測量數據後,最後計算出珠峯高程爲8848.13米。

衛星精密定位技術測量珠峯高程

自1987年開始,隨着全球導航衛星系統(GNSS)的成功應用,珠峯高程測量進入衛星精密定位時代,中外各國多次利用GNSS技術測量珠峯高度。

GNSS測量是利用人造衛星實現對地表點位的精確測量,利用地面GNSS觀測設備接收衛星信號,根據信號傳播速度和傳播時間,測量衛星到地表測點的距離。由於衛星到地心的距離可通過精密確定衛星軌道得知,那麼就可以得到地表測點到地球參考橢球面的距離,這一距離被稱爲“大地高”。

需要指出的是,“大地高”並不是我們常說的“海拔高”,要得到“海拔高”,還需要確定大地水準面,它是指與平均海平面重合,並延伸到大陸內部,並將地球全部包裹起來的水準面。大地水準面代表的是平均海平面,是高程的起算面或基準面,我們平時所說的海拔高度就是相對於這個起算面的高度值,這也是稱之爲海拔高度的原因所在。

確定大地水準面,就是測定大地水準面相對於地球參考橢球面的距離,即大地水準面差距,這需要利用區域內密集分佈的重力資料,根據物理大地測量的理論和方法求定,因此需要進行重力測量。我國1975年和2005年兩次大規模珠峯測量,都是利用水準測量和重力測量技術,將位於青島的黃海高程基準值傳遞至珠峯地區,實現了珠峯高程起算面的確定。

精密確定珠峯峯頂的大地高和大地水準面差距值後,前者減去後者,即可得到珠峯峯頂的海拔高度,測量學上稱之爲正高。

珠峯峯頂冰雪層厚度測量

珠峯峯頂常年被冰雪覆蓋,對珠峯峯頂雪面到岩石面的冰雪層厚度,2005年以前一直採用人力插杆測深的方法。我國2005年珠峯測量時首次使用了便攜式雷達探測儀精確探測珠峯峯頂冰雪層厚度,獲得峯頂覘標點的冰雪層厚度值爲3.50米,測量精度爲±0.1米。