新华日报
2020年05月27日
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第20版:科技周刊·新知

首次应用航空重力测量技术与北斗卫星数据

珠峰测高更专业更精准

5月24日,2020珠峰高程测量登山队部分人员从前进营地出发,前往海拔7028米的北坳营地。这支由专业登山运动员和专业测绘人员组成的队伍携带GNSS(全球卫星导航系统)接收机、重力仪、雪深雷达和觇标等测量设备,登顶珠峰测定珠峰高度。

珠穆朗玛峰作为地球之巅,一直为世人所瞩目。攀登珠峰是勇敢者的挑战,测量珠峰更是难上加难。为何要对这一难题发起攻坚?多次给珠峰测高具有什么意义?测绘队员又是怎么来给珠峰量“身高”的?

珠峰精确高程意义非凡

珠峰位于中国与尼泊尔边界的东段,是世界上最高的山峰。新中国成立以来,我国测绘工作者先后于1975年和2005年两次成功测定并公布珠峰高程(高度)。

1975年,我国测绘工作者首次利用测量觇标精确测得珠峰海拔高程为8848.13米。2005年珠峰高程复测,我国测量队采用了传统大地测量与卫星定位测量结合的技术方法,测得珠峰顶岩石面海拔高程8844.43米,这一数据也成为我国公开出版的地图和教材中使用的权威数据。

“尽管8844.43米的珠峰高度已被广泛认同,但从地质学角度来看,珠穆朗玛峰位于亚欧板块和印度洋板块交叉处,板块运动剧烈,造成珠峰的高度仍在不断变化。”江苏省地质学会副理事长、江苏省地质调查研究院院长朱锦旗说,因此人们尝试利用新技术去寻找更精确的珠峰高度,珠峰高程测量工作也于2020年5月再次开始。

测量珠峰的高度是一项复杂、精密、需要多部门参与的系统工程。按照计划,测量登山队会从北坡传统路线攀登珠峰,经过北坳冰壁、“大风口”、“第二台阶”三道难关。其中一部分测量登山队员向珠峰顶发起冲刺,另一部分测量队员在珠峰脚下寻找适宜位置,即交会点,以便在登山队员登顶后,与登顶队员最终配合测出珠峰的高度。

江苏省测绘工程院总工程师宋玉兵介绍,珠峰高程数据是国家重要地理信息,珠峰高程测量是一项代表国家测绘科技发展水平的综合性测绘工程。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,将为全球气候变化监测、生态环境保护等方面的研究提供第一手资料。

著名大地测量学家、中国科学 院院士陈俊勇曾颇为形象地描述了测量珠峰意义:“父母要定期给自己不断成长的子女量身高,是理所应当的。人类要不断深入认识自然,中国人要不断深入认识自己的国土。”因此,精确量取其海拔高度,对维护国家主权、展现科技实力具有重要意义。这次珠峰测量,也体现了我国测绘技术的不断进步,代表了我国测绘技术的最高水平。

珠峰的“脚”从黄海平面算起

为人测身高,从脚量到头顶即可。为世界最高峰珠峰测“身高”,如何确定“头”和“脚”?

测定高程,首先要确定一个起算面。“我国法定的高程起算面是黄海平均海水面,是根据青岛大港验潮站1953~1979年观测资料计算确定的,即珠峰的‘脚’。”中国矿业大学环境与测绘学院教授高井祥告诉《科技周刊》记者,珠峰的“头”是指珠峰顶峰的岩石面,不包含顶峰岩石面上覆盖的冰层和积雪。也就是说,珠峰高程就是黄海平均海水面到珠峰顶峰岩石面的垂直距离。

珠峰的“脚”找到了,如何将其与峰顶联系起来?高井祥解释,此次测量从青岛一路测到珠峰并不现实,所以黄海的平均海水面通过一场“接力”传递到全国各地。通过我国已建立覆盖全国的国家高程基准网,以高程基准点为参考,在不同地区进行高程测量时,仅需测出待测点相对于附近高程基准点的高差,即可推算出待测点的绝对高程。“珠峰高程测量通常选西藏日喀则市的高程基准点作为起算点。”他说,珠峰高程测量从日喀则起步后,将高程传递至珠峰脚下的6个交会点。

当登顶测量队员登顶成功后,测量队员将在珠峰峰顶竖立起测量觇标,开展卫星定位测量和雪深测量等工作。与此同时,位于大本营、中绒布冰川、西绒布冰川等6个交会点的测量队员将瞄准峰顶觇标同步开展三角高程测量和交会测量。

“三角高程测量是指通过在已知控制点上,观测未知点水平距离和高度角(或天顶距),求定两点间高差的方法,也就是常说的‘勾股定理’。”宋玉兵说,交会测量则是根据多个已知点的平面坐标,通过测量已知点到待定点的方向和距离,以推求此待定点平面坐标的测量技术。

目前,珠峰高程测量已实现了由传统大地测量技术到现代大地测量技术的转变。为了使测量数字更精准,测量团队还会将雪深雷达、重力仪等仪器携带到峰顶,结合外围开展的珠峰周边的GNSS测量、水准测量、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。

技术不断刷新,国产新设备“加持”

我国之前已两次成功测定并公布珠峰高程,这一次“再测高”在团队构成、技术方法、仪器设备等方面都有很大的改进与创新。

“前两次的珠峰登顶测量,均由登山运动员代为测量,而本次测量将由专业测量人员实地登顶测量,以保证成果的可靠性。”高井祥说,1975年珠峰测量以传统的三角高程测量技术为主,2005年珠峰测量首次使用了GPS卫星大地测量技术,而本次珠峰测量除采用2005年的测量技术外,还将首次使用航空重力测量技术。据前期计算,使用航空重力测量可将测量精度提高30%至40%。

“此次‘再测量’的技术难点在于一定要登顶才能测量。”高井祥强调,之前测量珠峰高度都是依靠登山队员,而本次测量是专业测绘队员在珠峰之巅竖起测量觇标。携带大量专业测量设备登上珠峰顶峰,登顶过程本身就十分困难。登上顶峰后,只有40-50分钟停留时间,如何在有限时间内,快速完成雪深(覆冰)、重力、GNSS卫星观测等测量工作,寒冷的天气加上七八级的大风,技术难度极大。

值得骄傲的是,本次珠峰测量设备使用了很多国产设备,相较2005年卫星大地测量主要依赖美国的GPS,本次珠峰测量将以我国自主建立的北斗卫星数据为主,充分展现我国国产测量装备的进步与水平。“作为在峰顶使用的设备,它还需要具备轻便易携,能在低温、低压、低氧环境下工作的特点,市场上并没有现成的产品。” 宋玉兵表示,令人振奋的是,测绘人员从去年就开始调研企业,专门量身打造了珠峰峰顶觇标、冰雪探测雷达、相对重力仪、天文测量系统以及相关GNSS测量设备,最终由国内机构研发并生产成功。

宋玉兵透露,这些珍贵的测量数据都将被传输至西安,由自然资源部大地测量数据处理中心进行集中处理、验算。整个计算过程需耗时两个月左右。目前,数十位专业人员已经做好准备,建好模型,只等测量数据的到来。珠峰到底是变高了还是变矮了?让我们拭目以待吧!

本报记者 张 宣 王 拓 

视觉中国供图

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