最新珠峰高度是怎樣測出來的
蔣濤
12月8日，中國和尼泊爾兩國聯(lián)合對外宣布，經(jīng)過兩國團(tuán)隊(duì)的扎實(shí)工作，珠穆朗瑪峰的最新高程為8848.86米。此次珠峰高程測量也是我國對珠峰展開的第四次大規(guī)模測繪和科考。
最新的珠峰高度是怎樣測出的？人類測量珠峰的技術(shù)手段又經(jīng)過了怎樣的進(jìn)步發(fā)展？本報(bào)特約2020珠峰高程測量技術(shù)協(xié)調(diào)組成員、中尼珠峰測量聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)成員蔣濤撰文向讀者解答這些問題。
珠穆朗瑪峰，簡稱珠峰，是喜馬拉雅山脈的主峰，同時(shí)是世界海拔最高的山峰，位于中國與尼泊爾邊境線上，北部在中國西藏定日縣境內(nèi)，南部在尼泊爾境內(nèi)。
數(shù)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，素來為世人矚目。那么，2020年珠峰高程測量是怎樣進(jìn)行的？其中的科學(xué)道理又是什么呢？
2020珠峰高程測量，我國采用了“綜合運(yùn)用GNSS衛(wèi)星測量、水準(zhǔn)測量、光電測距、雪深雷達(dá)測量、航空重力和遙感測量、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)代測繪技術(shù)，精確測定珠峰高程”的技術(shù)路線，并與尼泊爾扎實(shí)開展技術(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)，測量隊(duì)員分階段開展高精度GNSS網(wǎng)觀測，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)，開展水準(zhǔn)測量，從位于西藏日喀則地區(qū)的國家一等水準(zhǔn)點(diǎn)起測，測量隊(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)測量，這都是需要測量隊(duì)員依靠徒步測量的方式完成的。
首次在珠峰北側(cè)開展航空重力測量
在珠峰及周邊地區(qū)開展重力測量。精確測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)。一般的重力測量采用的是地面重力測量的方法，測繪人員攜帶重力儀進(jìn)行實(shí)地測量，將儀器放置在某個(gè)測量點(diǎn)位上，測量一段時(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)域無法開展地面重力測量，重力數(shù)據(jù)稀少，存在大量重力資料空白區(qū)。因此，我們在全世界首次在珠峰北側(cè)地區(qū)開展航空重力測量，以解決重力數(shù)據(jù)空白問題，提升珠峰地區(qū)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(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)好的測線在空中來回飛行，多條飛行測線形成一個(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)把空中重力值測出來。
此次珠峰北側(cè)地區(qū)航空重力測量使用航空地質(zhì)一號(hào)飛機(jī)，搭載先進(jìn)的航空重力儀，飛行高度超過1萬米，共獲取航空重力測線總長度5635.2公里，覆蓋面積達(dá)1.27萬平方公里。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，可以說是高風(fēng)險(xiǎn)、高難度的飛行。我們在反復(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)開展高風(fēng)險(xiǎn)、高難度的航空測量。
測量登山隊(duì)員登頂開展峰頂測量
珠峰高程測量，最重要的是測量登山隊(duì)員登頂開展峰頂測量，獲取峰頂觀測數(shù)據(jù)。2020年5月27日11時(shí)，中國測量登山隊(duì)登頂成功后，在峰頂創(chuàng)紀(jì)錄地停留了150分鐘。在峰頂開展了測量覘標(biāo)架設(shè)、GNSS測量、雪深雷達(dá)測量和地面重力測量，使用的都是國產(chǎn)儀器。
測量登山隊(duì)員首次實(shí)現(xiàn)了峰頂北斗衛(wèi)星定位，觀測時(shí)間超過40分鐘，峰頂點(diǎn)與珠峰地區(qū)9個(gè)GNSS地面測站組成峰頂GNSS聯(lián)測網(wǎng)，進(jìn)行GNSS同步觀測。
測量登山隊(duì)員利用國產(chǎn)重力儀，在世界上首次測量了珠峰峰頂重力觀測值，這有助于提高珠峰高程起算面的精度。另外，采用國產(chǎn)地質(zhì)雷達(dá)探測儀器測量了峰頂冰雪層厚度。
與此同時(shí)，地面測量人員從珠峰腳下的6個(gè)測站，利用自主研發(fā)的長測程測距儀照準(zhǔn)峰頂覘標(biāo)反射棱鏡進(jìn)行交會(huì)觀測，最長測距接近19公里，交會(huì)觀測數(shù)據(jù)主要為峰頂GNSS測量數(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)境中成功完成測量，這很好地說明了國產(chǎn)測量儀器的長足進(jìn)步。
珠峰測量數(shù)據(jù)處理分析
所有測量數(shù)據(jù)獲取完畢并經(jīng)過質(zhì)量檢查后，進(jìn)入珠峰測量數(shù)據(jù)處理分析階段。概括而言，珠峰高程測量數(shù)據(jù)處理的核心是通過嚴(yán)密計(jì)算得到珠峰的“頂”和“底”的精確位置。
對GNSS控制網(wǎng)、峰頂GNSS聯(lián)測網(wǎng)和交會(huì)測量數(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測量數(shù)據(jù)計(jì)算的珠峰大地高與交會(huì)測量確定的結(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”的高精度測定。
接下來要精確計(jì)算珠峰“底”的位置，科學(xué)家基于物理大地測量的理論方法進(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)地確定出來了。結(jié)果表明，加入航空重力測量數(shù)據(jù)后，珠峰高程起算面精度達(dá)到了4.8厘米，相比沒有航空重力測量數(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。
中尼合作開展數(shù)據(jù)處理
2020珠峰高程測量的總體目標(biāo)是落實(shí)中尼聯(lián)合聲明，實(shí)現(xiàn)中尼兩國共同宣布珠峰高程。中尼雙方成立了中尼珠峰測量聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)，合作開展了數(shù)據(jù)處理。
高程基準(zhǔn)是珠峰高程測量的關(guān)鍵要素，中國和尼泊爾都有自己國家法定的高程基準(zhǔn)，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)過技術(shù)會(huì)談最終商定：根據(jù)國際大地測量協(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)對中間數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行了細(xì)致比對和反復(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珠峰高程測量工作中，我國還開展了珠峰地區(qū)航空遙感測量、實(shí)景三維模型構(gòu)建和冰川變化監(jiān)測等工作。2020珠峰測量獲取的豐富觀測數(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資料。
延伸閱讀
測量珠峰高度的歷史回顧
人類對珠峰的認(rèn)識(shí)，最初就是從測量其高度開始的。在歷史上，珠峰高度測量的技術(shù)也經(jīng)過了不斷的發(fā)展。
無人員登頂?shù)娜歉叱虦y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，對珠峰位置和高度進(jìn)行過初步的測量，并在《皇輿全覽圖》上明確標(biāo)上了珠峰的位置和名稱。這是人類第一次測繪珠峰。
1847年，英屬印度測量局在離珠峰300多公里外的恒河平原上，利用三角高程測量方法對珠峰高度進(jìn)行了首次測量，測得高程為8778米。所謂三角高程測量方法，就是在位于山腳的地面測站架設(shè)光學(xué)測量儀器，專業(yè)測量人員照準(zhǔn)珠峰峰頂雪面，測量地面測站到峰頂?shù)木嚯x，再測量峰頂?shù)母叨冉牵簿褪怯^測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，三角高程測量珠峰高度是一種非常巧妙的遠(yuǎn)距離測量技術(shù)。但是，因?yàn)榈孛鏈y站到峰頂?shù)木嚯x遠(yuǎn)，即使微小的高度角測量誤差也會(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，光線在通過不同密度介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生折射。從地面測站對峰頂進(jìn)行照準(zhǔn)觀測時(shí)，視線穿過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)致珠峰高度的測量誤差。
1921年至1954年，英屬印度測量局對測量儀器、技術(shù)和方法進(jìn)行改進(jìn)后，開展了多次測量，通過加權(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量覘標(biāo)
從地面測站照準(zhǔn)珠峰峰頂雪面，不同測站觀測到的目標(biāo)不一致，會(huì)產(chǎn)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(guī)模珠峰測量，登山隊(duì)員第一次在峰頂最高點(diǎn)立起測量覘標(biāo)，從10個(gè)地面測站同時(shí)觀測覘標(biāo)，保證了所有地面測站照準(zhǔn)的都是峰頂最高點(diǎn)，而且是同一個(gè)點(diǎn)。
通過我國科學(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)開展的三角網(wǎng)測量、水準(zhǔn)測量和重力測量，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)測量珠峰高程
自1987年開始，隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的成功應(yīng)用，珠峰高程測量進(jìn)入衛(wèi)星精密定位時(shí)代，中外各國多次利用GNSS技術(shù)測量珠峰高度。
GNSS測量是利用人造衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對地表點(diǎn)位的精確測量，利用地面GNSS觀測設(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，測量衛(wèi)星到地表測點(diǎn)的距離。由于衛(wèi)星到地心的距離可通過精密確定衛(wèi)星軌道得知，那么就可以得到地表測點(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)所說的海拔高度就是相對于這個(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，就是測定大地水準(zhǔn)面相對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)物理大地測量的理論和方法求定，因此需要進(jìn)行重力測量。我國1975年和2005年兩次大規(guī)模珠峰測量，都是利用水準(zhǔn)測量和重力測量技術(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胃叨龋瑴y量學(xué)上稱之為正高。
珠峰峰頂冰雪層厚度測量
珠峰峰頂常年被冰雪覆蓋，對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深的方法。我國2005年珠峰測量時(shí)首次使用了便攜式雷達(dá)探測儀精確探測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，測量精度為±0.1米。