珠峰“新身高”是怎么測出來的？ 珠峰高程測量運用GNSS衛(wèi)星測量、航空重力測量等技術；用時3個月完成數(shù)據(jù)處理和反復檢核計算
昨日，中國和尼泊爾聯(lián)合公布珠峰“新身高”——8848.86米。
珠峰高程測量的核心，就是精確測定珠穆朗瑪峰高度，這同時也是一項代表國家測繪科技發(fā)展水平的綜合性測繪工程。
今年4月30日，2020珠峰高程測量正式啟動，最終于5月27日成功登頂完成測量。這是繼2005年公布8844.43米的珠峰峰頂巖石面海拔高程后，我國時隔15年再測世界最高峰。
為什么要重新測量珠峰？珠峰的“身高”是怎么測的？又是怎么算的？測算結(jié)果有什么用……新京報記者就與珠峰新“身高”相關的六個焦點問題，采訪了負責珠峰高程解算的自然資源部大地測量數(shù)據(jù)處理中心主任郭春喜、自然資源部中國測繪科學研究院研究員黨亞民與副研究員蔣濤，揭秘如何為珠峰測量計算“身高”。
揭秘1 為何重測珠峰“身高”？
珠峰高度并非一成不變
珠穆朗瑪峰位于喜馬拉雅山脈中段，矗立在中國與尼泊爾的邊境線上，北部在中國境內(nèi)，南部在尼泊爾境內(nèi)，是世界最高山峰，素有“世界第三極”之稱。
2020珠峰高程測量前，我國測繪工作者已對珠峰進行過6次大規(guī)模的測繪和科考。1975年我國首次將測量覘標矗立于珠峰之巔，并精確測得珠峰海拔高程為8848.13米。2005年珠峰測量，獲得珠穆朗瑪峰峰頂巖石面海拔高程8844.43米。
但珠峰的高度并不是一成不變的。
“大約從三千八百萬年前開始，由于印度次大陸與亞洲大陸的碰撞，喜馬拉雅山從一片汪洋大海中逐漸升起。喜馬拉雅山達到現(xiàn)在的高度，是最近四百萬年以來快速上升的結(jié)果，珠穆朗瑪峰就是在這一上升過程中上升得最快的山峰。”自然資源部中國測繪科學研究院研究員黨亞民介紹說，由于歐亞板塊與印度洋板塊的碰撞，到現(xiàn)在為止，珠穆朗瑪峰整體趨勢還是在持續(xù)上升。
“但遇到大的地震，珠穆朗瑪峰也會突然下降，例如1934年尼泊爾一次大地震，珠峰高度一下子降低了60多厘米。”據(jù)黨亞民介紹，一般在三種情況下，就需要對珠峰高程重新測量。
第一種情況是，當珠峰高度緩慢變化積累到一定程度，就需要重新測量珠峰高度。第二種是如果在離珠峰較近的地方發(fā)生大地震，認為地震對珠峰高度影響明顯，也需要重新測量珠峰高度。第三種情況是，當珠峰高程測量技術有了一個大的飛躍，新技術可以明顯提升珠峰測量精度，也需要重新測量珠峰高度。
揭秘2 珠峰高程怎么測？
首先要確定測量的起算面
要給珠峰量“身高”，首先要確定測量的起算面。
我們平時說的高度，一般是指某物高出地面多少，而高程是指某物基于平均海水面的高度。
我國從1988年1月1日開始采用1985國家高程基準，起算點位于青島觀象山上的水準原點。以水準原點為起算點，利用精密水準測量原理，我國已建立覆蓋全國的國家高程基準網(wǎng)。
這次珠峰高程測量，測量隊員便是從珠峰地區(qū)的日喀則一等水準點起測，將高程傳遞至珠峰腳下的6個交會點。在交會點，測量隊員要在登頂測量隊員架設好測量覘標后，同時開始三角高程測量和交會測量。
登頂隊員首先需要在峰頂架設測量覘標，同時架設GNSS接收設備，在珠峰峰頂接收包括我國自主建立的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的信號，獲得峰頂幾何位置GNSS觀測數(shù)據(jù)。
此外，登頂隊員要在峰頂開展重力測量，結(jié)合外圍開展的珠峰周邊的重力測量和航空重力測量，為珠峰區(qū)域重力場模型構建和似大地水準面精化提供重要基礎數(shù)據(jù)。為準確測定珠峰峰頂巖石面高程，登頂隊員還需要在峰頂利用冰雪探測雷達設備，對冰雪層厚度進行準確探測。
因此，珠峰高程測量，是一項采用了多種測量技術的綜合性測繪工程，再經(jīng)過精密的數(shù)據(jù)處理計算，最終獲得珠峰峰頂高程，即大家常說的“高度”。
揭秘3 測量用了哪些“黑科技”？
北斗系統(tǒng)在珠峰高程測量中首次應用
2020珠峰高程測量綜合運用了GNSS衛(wèi)星測量、精密水準測量、光電測距、雪深雷達測量、重力測量、天文測量、衛(wèi)星遙感、似大地水準面精化等多種傳統(tǒng)和現(xiàn)代測繪技術，精確測定珠峰高程。
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）衛(wèi)星測量便是其中重要一環(huán)，這也是北斗系統(tǒng)在珠峰高程測量項目中首次應用。在峰頂，GNSS接收機能通過衛(wèi)星獲取平面位置、峰頂雪面大地高等信息，而大地高與海拔之間有一定換算關系。登頂測量時，峰頂?shù)腉NSS接收機能依托北斗系統(tǒng)和珠峰地區(qū)以及外圍的GNSS監(jiān)測網(wǎng)聯(lián)機同步觀測，同時還可監(jiān)測相關地區(qū)的地殼運動。
為了填補珠峰地區(qū)地面重力資料的空白，此次測量還應用了航空重力測量技術。
“航空重力測量，就是把先進的航空重力儀安裝在飛機上，相當于在飛機安裝的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1萬米左右的高度來回飛行，多條飛行測線形成一個密集的空中重力數(shù)據(jù)面。我們結(jié)合機載衛(wèi)星動態(tài)定位、慣性導航和重力儀數(shù)據(jù)把空中重力值測出來。”自然資源部中國測繪科學研究院副研究員蔣濤介紹，航空重力測量的結(jié)果結(jié)合地面重力測量的結(jié)果，再結(jié)合衛(wèi)星資料獲取的數(shù)據(jù)，通過物理大地測量的理論方法進行數(shù)據(jù)處理，把珠峰高程起算面精準地確定出來后，就可以精確測定珠峰高程。
他透露，根據(jù)估算，加入航空重力測量的數(shù)據(jù)后，起算面精準度可以提高大約30%，珠峰峰頂高度的精準度自然也會相應提升。
此外，此次珠峰高程測量還首次應用了實景三維技術。“這主要是為了在登山過程中給測量登山隊提供指導，另外，也讓公眾能夠更直觀地看到珠峰地區(qū)的實景，更好地理解珠峰測量的過程和意義。”蔣濤說。
揭秘4 珠峰“身高”怎么算？
圍繞四個高程進行精確解算
要想得到珠峰的精確高度，數(shù)據(jù)處理人員需要將外業(yè)測量隊員直接采集到的各類原始觀測數(shù)據(jù)，進行改正與歸算。
“這些改正與歸算，不僅有一套嚴密的科學邏輯與程序，更要基于我國長期建設并維護的大地、高程、重力測繪基準網(wǎng)數(shù)據(jù)。”自然資源部大地測量數(shù)據(jù)處理中心主任郭春喜介紹。
在珠峰高程數(shù)據(jù)處理中，珠峰的高程并不是只有一個，而是有“雪面大地高”“雪面正常高”“雪面海拔高”“巖石面海拔高”四個高程。珠峰高程數(shù)據(jù)處理也是圍繞這四個高程的精確解算進行的。
2005年我國公布的8844.43米，就是經(jīng)過嚴密解算最終獲取的當時的珠峰峰頂巖石面海拔高。
郭春喜介紹，首先數(shù)據(jù)處理人員需要處理現(xiàn)代GNSS測量、傳統(tǒng)三角高程測量數(shù)據(jù)，獲得珠峰地區(qū)基準網(wǎng)、區(qū)域框架網(wǎng)、局部控制網(wǎng)及峰頂聯(lián)測網(wǎng)的平面位置，確定珠峰峰頂雪面大地高。然后，利用精密水準測量與測距高程導線獲取各級GNSS控制網(wǎng)點正常高。
再次，基于珠峰地區(qū)高分辨率的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、歷年來加密重力測量數(shù)據(jù)、本次新測的航空重力數(shù)據(jù)、國內(nèi)外超高階重力場模型數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)代似大地水準面確定理論與移去-恢復技術，獲得珠峰地區(qū)高精度重力似大地水準面。通過GNSS水準融合，獲得珠峰地區(qū)高精度似大地水準面成果及峰頂高程異常。峰頂大地高減去峰頂高程異常，便可獲得珠峰峰頂雪面正常高。
最后，利用本次實測峰頂重力值與高精度地形數(shù)據(jù)，推算得到峰頂?shù)椒宓椎钠骄亓εc平均正常重力，再經(jīng)過嚴密正常高與正高轉(zhuǎn)換，獲得珠峰峰頂雪面海拔高。利用冰雪厚度雷達測量獲取峰頂?shù)难┟婧穸群螅屙斞┟婧０胃呖鄢┟婧穸龋褪欠屙攷r石面海拔高。
揭秘5 為何登頂6個月后才公布結(jié)果？
需經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和反復檢核計算
5月27日，測量登山隊員成功登頂珠峰完成測量任務。為何直到12月，珠峰高程測量結(jié)果才最終公布？
“登頂測量只是完成了最重要的測量數(shù)據(jù)，但最終的珠峰高程，還需要經(jīng)過一段時間的數(shù)據(jù)處理和反復檢核計算。”蔣濤說。
首先，包括登頂測量在內(nèi)的外業(yè)測量全部結(jié)束后，技術協(xié)調(diào)組要組織相關單位完成全部外業(yè)測量數(shù)據(jù)的整理，外業(yè)觀測成果的質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)匯總等。
之后，所有測量數(shù)據(jù)被傳輸至位于西安的大地測量數(shù)據(jù)處理中心，由技術人員進行數(shù)據(jù)綜合處理，才能計算得出準確的珠峰新高程。
據(jù)郭春喜介紹，大地測量數(shù)據(jù)處理中心從2019年4月份，就開始著手收集了大量珠峰地區(qū)已有的高程、GNSS和重力等數(shù)據(jù)并進行初步的整理分析，為后續(xù)工作做準備。
今年6月以來，在珠峰峰頂及珠峰地區(qū)數(shù)據(jù)傳送至大地測量數(shù)據(jù)處理中心后，技術人員著重處理了343個GNSS點數(shù)據(jù)、約780多公里的一二三等水準網(wǎng)數(shù)據(jù)、約210個不同等級重力點數(shù)據(jù)、12個峰頂交會點數(shù)據(jù)以及重力似大地水準面確定、峰頂冰雪探測雷達測量數(shù)據(jù)處理等。
“整個珠峰高程測量數(shù)據(jù)處理工作，在數(shù)據(jù)整理分析、數(shù)據(jù)解算和融合處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、多期數(shù)據(jù)結(jié)果比對分析、技術文檔編寫等階段，都有相當?shù)墓ぷ髁俊榱吮M快精算得到珠峰高程成果，所有項目參與人員加班加點工作，僅僅用時3個月就完成了整個數(shù)據(jù)處理工作。”郭春喜說。
獲得初步的珠峰高程結(jié)果后，還要完成院、局兩級檢查，聯(lián)合尼泊爾方面、中科院以及專家學者團隊，進行珠峰高程綜合確定，組織開展成果驗收。
揭秘6 測量的數(shù)據(jù)成果有什么用？
為冰川監(jiān)測等研究提供第一手資料
記者了解到，此次珠峰高程測量的成果可用于地球動力學板塊運動等領域研究。精確的峰頂雪深、氣象和風速等數(shù)據(jù)，將為冰川監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境保護等方面的研究提供第一手資料。重力測量成果可用于珠峰地區(qū)區(qū)域地球重力場模型的建立和冰川變化、地震、地殼運動等問題的研究。
除了用于監(jiān)測與研究外，珠峰測量的結(jié)果與普通公眾關系大嗎？蔣濤認為，除了獲取重要地理信息外，最重要的一點是，珠峰高程的變化能典型地反映出全球氣候變暖的趨勢。
據(jù)其介紹，除了珠峰高程測量，這次任務還包括對珠峰及其周邊地區(qū)冰川變化的監(jiān)測、地殼變化的監(jiān)測等。
“這些數(shù)據(jù)結(jié)果，以珠峰為切入點，可以讓公眾了解到目前青藏高原正在發(fā)生的一些氣候和環(huán)境變化，比如近十年來高原湖泊面積有擴大的趨勢，青藏高原冰川消融的速度，等等。”蔣濤認為，這也將加強公眾對目前全球氣候和環(huán)境變化的認識與關注。
登頂成功那一刻，感覺非常激動，情緒非常脆弱，見到誰都想擁抱一下。但是也就激動了十幾分鐘，馬上又緊張關注在峰頂?shù)臏y量工作是否正常開展。登頂只是成功的第一步，圓滿完成在峰頂?shù)臏y量工作后，才能算是最終的勝利。
當?shù)巧綔y量隊員在登頂后開展測量工作時，儀器設備在極端環(huán)境里出現(xiàn)各種警報，一度不能正常工作。時間在飛快流逝，能不能在有限的1到2個小時內(nèi)獲得必需的測量數(shù)據(jù)，不得而知。當時確實壓力比較大，非常緊張。
5月28日晚上8點半，測量登山隊員下撤到大本營，我們盡快安排專人下載檢查數(shù)據(jù)。到晚上11點，經(jīng)初步檢查分析，數(shù)據(jù)安全，質(zhì)量良好，滿足要求。這個時候才可以說，珠峰峰頂測量工作真正完成了，也標志著珠峰測量外業(yè)工作圓滿完成。我才真正地松了一口氣。
——自然資源部國測一大隊隊長、2020珠峰高程測量現(xiàn)場總指揮李國鵬
新京報記者 吳嬌穎