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历史上 我们怎么测量珠峰的“身高”?

来源:澎湃新闻 2020-05-27 16:25   /

5月27日11时,2020珠峰高程测量登山队8名攻顶队员次落、袁复栋、李富庆、普布顿珠、次仁多吉、次仁平措、次仁罗布、洛桑顿珠克服重重困难,成功从北坡登上珠穆朗玛峰峰顶,下午13时22分时,历经两个小时,珠峰各项测量工作已经完成,登山队员们开始下山返回。

两个小时的测量时间内,队员们在峰顶树立起测量觇标,使用GNSS接收机通过北斗卫星进行高精度定位测量,使用雪深雷达探测仪探测了峰顶雪深,并使用重力仪进行了重力测量。据自然资源部介绍,此次登顶测量也一波三折,5月6日,测量登山队第一次出征冲顶,但由于北坳冰壁有流雪风险而下撤;5月16日,测量登山队第二次向顶峰发起突击,但受气旋风暴“安攀”的影响,7790米以上区域积雪过深,不得不再次下撤。

为什么我们要测量珠穆朗玛峰的高度,而我们究竟是怎样测量山的高度的?在历史上我们曾怎样测量,在徐永清写作的《珠峰简史》中可以找到答案。徐永清为原国家测绘地理信息局测绘发展研究中心副主任,中国测绘学会理事、边海地图工作委员会副主任委员。著有《登峰造极·珠穆朗玛峰测量记》《珠峰简史》《地图简史》等。

5月27日,2020珠峰高程测量登山队向珠峰峰顶挺进

珠穆朗玛峰的高度,已经有160多年的测量历史

关于珠峰的测量历史我们来看以下的这组数据:

1856年,英属印度测量局首次宣布珠峰高度:8839.81米。

1954年,印度政府再次对珠峰进行测量,得出的结果是8847.7344米。

1975年,中国首次进行珠峰测量,测得珠峰高度为8848.13米。

1992年,意大利科学家乔治·普瑞迪带队登珠峰,测出珠峰高度为8846.50米。

1999年,美国探险队测出珠穆朗玛峰积雪覆盖的顶峰高度为8850米。

2005年,中国再测珠峰高度,测得珠峰峰顶岩石面海拔高程为8844.43米。

2020年,中国珠峰高程测量登山队登顶成功。

在《珠峰简史》中,作者介绍,这些珠峰测量小档案中,包含许多知识点。1999年美国探险队测量出的8850米实际上是珠穆朗玛峰积雪覆盖的顶峰高度。而我们在2005年测量的8844.43米则是珠峰峰顶岩石面海拔高程。

珠峰的高度究竟是怎样测量的?我们试以2005年珠峰的复测来看,当时国家测绘局组建了中国珠峰测量队,40多名队员被分成了GPS综合测量分队、水准测量分队、重力测量分队及登山冲顶分队等4个分队,同时展开各自的测量工作。

根据周密拟订的测量计划,整个测量行动按照下列路线图展开:

第一阶段,从3月17日到4月17日,进行珠峰外围地区的测量工作。GPS综合测量分队在青藏高原广大地区的30个主测量点和40多个附测量点展开6轮联机观测行动,这些测量点大都分布在藏北无人区和昆仑、唐古拉、喜马拉雅、冈底斯等藏区大山中,都是被精心选择的青藏高原板块典型的地理标点,联机观测的数据结果将反映青藏高原地壳变化进程的细节。重力测量分队从拉萨开始向珠峰边测量边推进。水准测量分队从已经取得相对青岛水准原点精确高度的西藏拉孜县起测,逐步向珠峰推进。登山冲顶分队在珠峰大本营随西藏登山队开始适应性训练。

第二阶段,从4月到5月,在珠峰周边地区进行测量。GPS综合测量分队完成珠峰GPS控制网32点及峰顶GPS联测网8点的布测。水准测量分队分别通过4条路线向珠峰推进,选定珠峰下的交会测量点,预计完成二等水准379.7千米、三等水准17.3千米、测距高程导线20.5千米。重力测量分队进驻珠峰地区展开测量,预计完成二等重力点及引点5个、加密重力点86个、登山路线上重力点5个。登山冲顶分队进行高海拔适应性训练和登山训练。

红色的金属觇标竖起

2005年登顶成功

第三阶段,珠峰登山测量队5月择机登顶珠穆朗玛峰,在峰顶竖立觇标,在6个交会点进行珠峰峰顶交会测量,采用三角测量方法,从6个方向对峰顶进行前方交会,在5个测站对峰顶进行电磁波测距。

第四阶段,5月至6月,在西安的国家测绘局大地测量数据处理中心和北京的国家基础地理信息中心进行数据整理、分析和计算,并汇总数据。

第五阶段,6月至7月,在国家测绘局大地测量数据处理中心和国家测绘局基础地理信息中心进行数据的分析和计算,获得珠峰高程最终数据。并在北京组织召开2005珠穆朗玛峰高程测量项目验收会议。项目验收后,报请国务院批准公布2005珠峰高程测量成果。

7月18日,国家测绘局和总参测绘局在北京组织召开了“2005珠穆朗玛峰高程测量”项目验收会议。验收委员会由来自科技部、教育部、国土资源部、中国科学院、中国气象局、中国地震局、国家测绘局和总参测绘局等单位的20名院士、专家组成,他们对这一项目做出高度评价,一致同意通过项目验收。

10月,2005珠峰高程测量珠峰顶的雪面高和岩石高成果经国务院批准公布。

今天我们为什么要登山测珠峰?

21世纪测量技术飞速发展,这样是否必须登上珠峰顶端才能测高呢?测绘专家们的答案是肯定的。

2005年珠峰复测,采用了传统的经典测量方法,就是以常规的水准测量加上三角高程测量来确定珠峰的高程。同时,采用了GPS卫星大地测量法,把GPS带到珠峰峰顶直接测量珠峰的位置坐标和高程。而这个测量方法具体就是计算围绕地球的卫星到珠峰顶的距离。我们可以通过多个卫星数据,获取珠峰相对于这个地球参考椭球的准确的三维坐标,得到珠峰准确的高程。

测绘专家们将这双管齐下的方案称之为“双保险”。实施这两种测量方式,都需要登上珠峰顶峰。采用传统的测量方法需要在珠峰峰顶设立标志,专业人员称为觇标,为下面的测距仪和经纬仪服务。而GPS测量仪的天线必须插到峰顶,才能测到珠峰的高度。

过去珠峰高程引起争议的原因主要有两个,一个围绕高程测量技术和计算的精确性,一个是围绕峰顶雪深。要解决这两个问题,则必须利用先进技术登顶实地测量。

采用现代GPS技术,要求必须将设备携带上峰顶。要测量雪深,必须利用雷达设备在峰顶实际操作,直接测量。采用常规技术必须携带觇标,将觇标立于峰顶最高处,确定三角交会的唯一目标,提高精确度。同时,两种技术互相补充,一旦GPS观测技术出现故障,常规方法可以替代电子设备完成观测。所以,登顶珠峰不仅必要,而且必须,而且是决定整个测量行动成败的关键所在。

本次测量,则又有了更先进的技术,这次使用的设备是我国自主研发的北斗导航卫星系列,国产测绘仪器装备全面承担本次测量任务。GNSS卫星测量、雪深雷达测量、重力测量、卫星遥感、似大地水准面精化等多种传统和现代测量技术的应用,让珠峰的“身高“更加精准。

珠峰高程测量纪念碑

测量珠峰峰顶冰雪厚度

在海拔8800米以上的珠峰顶,常年覆盖着一层厚厚的“冰雪铠甲”,它的厚度到底是多少,由于测量技术手段的局限,在珠峰测量史上始终是一个谜团。而“冰雪铠甲”厚度的测定,又是精确测定珠穆朗玛峰高程的一个非常重要的因素。

在2005珠峰高程测量中,中国测绘工作者首次采用雷达探测技术完成了珠峰顶冰雪层厚度的测量。

为了精确测出珠峰峰顶冰雪层的厚度,参加2005珠峰登山测量的国家基础地理信息中心的技术人员,通过大量的市场调研以及实地的测试,选用了意大利IDS公司出产的500兆赫兹的冰雪探测雷达。选用这种产品很重要的原因,是2004年意大利登山测量队曾携带这种冰雪探测雷达登顶珠峰并成功进行了探测。为2005珠峰登山测量订制的冰雪探测雷达根据用户的要求进行了改进和完善,主要考虑了电源保温、预加热、可连接双频GPS接收机同时一键式操作雷达和GPS接收机的启动,以及可进行时间同步数据、在特殊环境下数据存储等问题。

雷达测量距离的原理其实很简单,就如同机场雷达测量空气中的飞机一样,发射并接受电磁波,就可获得到目标点的距离;在雷达上安装个高精度定位仪,就会知道雷达是在那里探测到的岩石深度,因此就能依据这些测出珠峰顶岩石地形与峰顶雪深。

2005年5月22日上午11点零8分,中国登山测量队员成功登顶珠峰,并在珠峰顶启动峰顶雪深雷达探测仪,开始探测珠峰顶峰神秘的冰雪厚度。这也是我国首次在珠峰高程测量中尝试测量峰顶冰雪高度。11点38分49秒,冰雪雷达探测仪开始工作,12点18分24秒结束,有效记录数据38分55秒。

装载着宝贵数据的珠峰峰顶测量的关键设备GPS接收机和雪深探测雷达,经过37小时不间断的传递,于5月24日凌晨送达珠峰大本营测量营地。经过技术人员对雪深探测雷达数据紧张的计算、处理,终于获得了珠峰峰顶冰雪深度为3.50米,珠峰峰顶“冰雪铠甲”的谜团由此破解。

珠峰水准测量

为什么是高程,不是高度?

从2005年到今年,为什么我们仍旧要投入大量的人力物力测珠峰的身高?我们以2005年的测试来看,当年的行动策划准备的时间将近一年,国家投入了大量的资金。从2005年3月起开始实施的这一行动,由国家测绘局组织50余名测量人员,克服环境、气候恶劣等重重困难,在珠穆朗玛峰地区开展了三角测量、水准测量、重力测量、全球卫星定位测量,并将在珠穆朗玛峰峰顶进行雪深雷达测量。仅仅是花在登山、测量和计算过程的时间,差不多要半年,而且到2005年10月才能向世界公布测量结果。

高度,在测量学中也叫高程,乍一听,似乎是一个很简单的几何概念,不少人以为,测量珠峰是一个几何学上的问题,其实不然。比如一个人的身高是多少,某个地方的海拔高度是多少,都很好理解。但是往深了想,它并不简单,在科学上,高程其实是一个位置定义,说某地点的高程是多少,表达的是这个地球表面点,相对于地球的空间位置。而问题的复杂性就在于,地球并不是一个标准的椭圆,而是一个近似椭圆的不规则实体,其表面构造非常复杂又各不相同。在这种情况下,要明确某个地球表面点的空间位置,要定义其高程,就必须要考虑到地球几何形状、地球物理性质等诸多因素,而并不仅仅是一个几何学的问题。

测量珠峰,所依据的基本原理仍然是立体几何学原理,但是又不仅仅局限于此。珠峰涉及复杂的地质学概念,涉及地球引力,涉及物理学意义上的高度概念,如果是单纯的数学问题,所得到的高度只是表观高度。而此次珠峰复测,所要测量的是珠峰和地球之间引力方向上的高度,就是说重心所在直线的高度,和表观高度是有差别的。

要弄清楚测定珠峰的高程究竟是什么意思,意味着什么,有什么意义,最重要的是要明确两个概念,首先是高程的方向,其次是高程的基准。

在测量学中,高程的定义是某地表点在地球引力方向上高度,也就是重心所在地球引力线的高度。这句话的意思是,地球上每个点高程的方向都是不同的。这里有一个有意思的例子:人的眼睛其实总是在“忠实地欺骗”自己。你用眼睛看面前的珠峰,你看到的高度其实不是珠峰真正的高度,因为地球是椭圆的,你的视线的起点是你脚下的那一点,而不是珠峰脚下的那一点,因此你看到的珠峰要比其真实高度低一些。那些光学的测量仪器如果在远处测量珠峰,就像人的眼睛一样,也是有偏差的。

明白了高程的方向,另外一个重要的概念就是高程的基准是什么。通俗地说,就是珠峰脚下的海拔0米在哪里。这里就出现一个重要的概念——大地水准面。测量学中的基准面就是大地水准面,是整体上非常接近于地球自然表面的水准面。由于海洋占全球面积的71%,因此大地水准面与平均海水面相重合,不受潮汐、风浪及大气压变化影响,并延伸到大陆下方处与重力线相垂直。理论上,它是一个延伸到全球的静止海水面,是一个地球重力等位面,也是一个没有褶皱、无棱角的连续封闭面。由于地球质量特别是外层质量分布不均匀,使得大地水准面形状非常复杂。在目前不能唯一地确定大地水准面的时候,各个国家和地区往往选择一个平均海水面代替它。我国使用的“1985国家高程基准”中,采用的是青岛验潮站的18年长期观测结果计算出来的平均黄海海水面,作为我国统一的高程起算基准面,也就是海拔零起始面。所以,珠峰的高程实际上就是在珠峰的重力线方向上相对于青岛黄海海平面的高度。

大致明白了上述道理,就可以理解,从科学的角度说来,测量珠峰高度,事实上是一件很复杂的工程,它涉及地理、地质、测绘、光学、气象等多种学科,需要采用多种先进的测绘仪器。工作量也非常大,并且需要大量、艰苦和琐碎的野外作业。

(以上节选自《珠峰简史》)(本文来自澎湃新闻,更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)

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