珠峰“身高”怎么量？

王少勇 高悅 蘭圣偉

作為世界第一高峰，珠穆朗瑪峰“身高”要想精確測(cè)得并非易事。2020 珠峰高程測(cè)量綜合運(yùn)用了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、光電測(cè)距、交會(huì)和三角高程測(cè)量、雪深雷達(dá)測(cè)量、重力測(cè)量、天文測(cè)量、衛(wèi)星遙感、似大地水準(zhǔn)面精化等多種傳統(tǒng)和現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)，精確測(cè)定珠峰高程。其中，水準(zhǔn)測(cè)量、重力測(cè)量是重要測(cè)量手段。

水準(zhǔn)測(cè)量：用腳步傳遞高程

水準(zhǔn)測(cè)量是珠峰高程測(cè)量的重要手段，是用水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)尺測(cè)定地面上兩點(diǎn)間高差的方法。在地面兩點(diǎn)間安置水準(zhǔn)儀，觀測(cè)豎立在兩點(diǎn)上的水準(zhǔn)標(biāo)尺，按標(biāo)尺上讀數(shù)推算兩點(diǎn)間的高差。通常由水準(zhǔn)已知點(diǎn)出發(fā)，沿選定的水準(zhǔn)路線(xiàn)逐站測(cè)定各點(diǎn)的高差。

2020 珠峰高程測(cè)量的水準(zhǔn)測(cè)量是從日喀則國(guó)家深層基巖水準(zhǔn)點(diǎn)出發(fā)。去年12 月，自然資源部第一大地測(cè)量隊(duì)的水準(zhǔn)測(cè)量組就來(lái)到西藏，經(jīng)拉孜縣一直推到定日縣和聶木拉縣，復(fù)測(cè)了珠峰地區(qū)的一等水準(zhǔn)網(wǎng)。然后，以此一等水準(zhǔn)網(wǎng)為基準(zhǔn)，從定日縣和崗嘎鎮(zhèn)分成兩條支線(xiàn)，進(jìn)行珠峰地區(qū)的二等水準(zhǔn)測(cè)量，一直傳遞到珠峰大本營(yíng)的水準(zhǔn)基點(diǎn)。再以此為已知點(diǎn)，通過(guò)三等水準(zhǔn)測(cè)量、高程導(dǎo)線(xiàn)、三角高程測(cè)量、跨河水準(zhǔn)測(cè)量等方式傳遞到珠峰腳下6 個(gè)交會(huì)點(diǎn)。覘標(biāo)樹(shù)立在珠峰峰頂后，各交會(huì)點(diǎn)通過(guò)三角測(cè)量，并和其他測(cè)量手段所得結(jié)果綜合計(jì)算，以確定珠峰的精準(zhǔn)高程。

一等水準(zhǔn)的精度高于二等，二等高于三等。即使是三等水準(zhǔn)測(cè)量，每公里的偶然誤差也是毫米級(jí)的。水準(zhǔn)測(cè)量對(duì)誤差要求極其嚴(yán)格，以保證水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的精確。

在珠峰腳下的扎西宗鄉(xiāng)和曲當(dāng)鄉(xiāng)之間，記者目睹了水準(zhǔn)測(cè)量操作過(guò)程。下午4 點(diǎn)，水準(zhǔn)組開(kāi)始準(zhǔn)備測(cè)量。他們找到觀測(cè)的間歇點(diǎn)，這是他們上午測(cè)到的位置。水準(zhǔn)測(cè)量要避開(kāi)正午，太陽(yáng)直射不利于觀測(cè)，他們的工作時(shí)間通常是上午8 點(diǎn)到12 點(diǎn)，下午4 點(diǎn)到8 點(diǎn)，每半天被他們稱(chēng)為一個(gè)光段。在這里，他們每個(gè)光段能測(cè)3 公里多。每段路線(xiàn)，都必須一步一步去走。

測(cè)量隊(duì)員金良把電子水準(zhǔn)儀從儀器箱里取出來(lái)，讓其適應(yīng)環(huán)境溫度，以最大限度地避免熱脹冷縮可能帶來(lái)的影響。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)試，測(cè)量開(kāi)始了。一個(gè)負(fù)責(zé)測(cè)距的工人，手持推輪測(cè)距儀，從點(diǎn)位出發(fā)，量12 米，畫(huà)出一個(gè)標(biāo)記，再量12 米，再畫(huà)出一個(gè)標(biāo)記。金良扛起測(cè)距器，把三腳架架設(shè)在第一個(gè)標(biāo)記的正上方。另外一名工人則扛著標(biāo)尺快步走過(guò)第二個(gè)標(biāo)記處，先把一個(gè)金屬的尺臺(tái)放在地上，再把標(biāo)尺固定在尺臺(tái)上。這樣，水準(zhǔn)儀距離前后兩個(gè)標(biāo)尺的距離都是12 米，用他們的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)說(shuō)，就是前后視距要相等。

● 圖片來(lái)源：新華社

● 調(diào)試重力測(cè)量?jī)x器（圖片來(lái)源：中國(guó)自然資源報(bào)）

● 合作開(kāi)展重力測(cè)量（圖片來(lái)源：中國(guó)自然資源報(bào)）

金良先把水準(zhǔn)儀對(duì)準(zhǔn)后方的標(biāo)尺，觀測(cè)、瞄準(zhǔn)，讀取并記錄數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)過(guò)頭，對(duì)準(zhǔn)前方的標(biāo)尺，同樣的流程，就得出了這兩點(diǎn)之間的高差。等前后都測(cè)量好了，他一揮手，扛起儀器就走，固定后方兩個(gè)標(biāo)尺的工人也扛起標(biāo)尺就走，前方的標(biāo)尺保持不動(dòng)。

金良把儀器扛到剛才前方標(biāo)尺之前第一個(gè)標(biāo)記處架設(shè)，而工人則把標(biāo)尺扛到第二個(gè)標(biāo)記處固定住。這時(shí)，剛才位于前方的標(biāo)尺就成為后方的，而剛才后方的標(biāo)尺則成為前方的，水準(zhǔn)儀依然位于兩個(gè)標(biāo)尺中間。就這樣再重復(fù)剛才的測(cè)量流程，一站一站測(cè)下去。

在水準(zhǔn)測(cè)量中，有些路段很危險(xiǎn)，路邊是陡峭的山崖，堆滿(mǎn)亂石。隊(duì)員們經(jīng)常測(cè)著測(cè)著，一塊石頭就滾落下來(lái)。有的是被風(fēng)吹落，有的是被山上的巖羊踩落。測(cè)量隊(duì)員們就這樣克服各種不利因素，一步一步將高程傳遞到珠峰腳下。

重力測(cè)量：為了珠峰“身高”更精確

“重力測(cè)量對(duì)珠峰高程測(cè)量具有重大意義，用于珠峰區(qū)域大地水準(zhǔn)面精化、構(gòu)建高精度的重力場(chǎng)模型等，對(duì)精確測(cè)定珠峰高程起到極為重要的作用。”自然資源部第一大地測(cè)量隊(duì)四中隊(duì)（重力中隊(duì)）隊(duì)長(zhǎng)康勝軍說(shuō)，重力測(cè)量成果也可用于冰川變化、地震、板塊運(yùn)動(dòng)等問(wèn)題的研究。

重力測(cè)量是測(cè)定地球表面的重力加速度值。測(cè)定重力值可以利用與重力有關(guān)的物理現(xiàn)象，例如在重力作用下的自由落體運(yùn)動(dòng)、擺的擺動(dòng)、彈簧伸縮等。重力測(cè)量分絕對(duì)重力測(cè)量和相對(duì)重力測(cè)量。絕對(duì)重力測(cè)量是測(cè)定重力場(chǎng)中一點(diǎn)的絕對(duì)重力值。近年來(lái)由于激光干涉系統(tǒng)和高穩(wěn)定度頻率標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，自由落體下落距離和時(shí)間的測(cè)定精度大大提高，如今普遍采用激光絕對(duì)重力儀進(jìn)行絕對(duì)重力測(cè)量。自然資源部第一大地測(cè)量隊(duì)總工辦副主任何志堂介紹說(shuō)，絕對(duì)重力測(cè)量對(duì)溫度、濕度等外界環(huán)境要求苛刻，測(cè)量難度較大，在高原地區(qū)測(cè)得一點(diǎn)的絕對(duì)重力值有時(shí)甚至需要一周的時(shí)間，此次珠峰高程測(cè)量在珠峰周邊測(cè)得兩個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)重力值。絕對(duì)重力值類(lèi)似于水準(zhǔn)測(cè)量中的基準(zhǔn)點(diǎn)，在珠峰高程測(cè)量中，更多的還是進(jìn)行相對(duì)重力測(cè)量。

類(lèi)似于水準(zhǔn)測(cè)量是測(cè)定兩點(diǎn)間的高程差值，相對(duì)重力測(cè)量是測(cè)定兩點(diǎn)的重力差值。何志堂介紹，現(xiàn)在普遍采用彈簧重力儀進(jìn)行相對(duì)重力測(cè)量，在不同的位置，受重力影響，彈簧伸縮的程度不同，根據(jù)兩點(diǎn)彈簧的變化差異獲得重力差值。

康勝軍介紹說(shuō)，自然資源部第一大地測(cè)量隊(duì)已經(jīng)在珠峰周邊進(jìn)行加密重力測(cè)量190 點(diǎn)。通過(guò)對(duì)各重力測(cè)量點(diǎn)數(shù)值的計(jì)算，可獲得此地區(qū)重力場(chǎng)信息。

“重力場(chǎng)信息的重要性，直白地說(shuō)就是能夠給傳統(tǒng)大地測(cè)量手段所得的數(shù)據(jù)和現(xiàn)代大地測(cè)量手段所得的數(shù)據(jù)搭建一個(gè)橋梁。”何志堂說(shuō)，傳統(tǒng)大地測(cè)量手段比如水準(zhǔn)測(cè)量、三角高程測(cè)量，可以測(cè)得珠峰高程數(shù)據(jù)。而基于電子、衛(wèi)星等的現(xiàn)代大地測(cè)量手段，比如全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GNSS）也可測(cè)得珠峰高程數(shù)據(jù)。但這是兩個(gè)系統(tǒng)，測(cè)得的數(shù)據(jù)如何有效互相校正、互為補(bǔ)充，就需要依靠重力場(chǎng)信息。

2005 年珠峰高程測(cè)量，隊(duì)員任秀波和柏華崗曾把重力測(cè)量推進(jìn)到7790 米，創(chuàng)下了重力測(cè)量最高海拔的世界紀(jì)錄。這次，自然資源部第一大地測(cè)量隊(duì)在確保安全的前提下，在珠峰峰頂開(kāi)展重力測(cè)量。康勝軍介紹，登山路線(xiàn)重力測(cè)量可以獲得真實(shí)、精確的路線(xiàn)和峰頂?shù)闹亓?shù)據(jù)，為后期精化大地水準(zhǔn)面以及地球重力場(chǎng)的構(gòu)建提供寶貴的數(shù)據(jù)。

“此次珠峰高程測(cè)量重力儀選用基本與1975 年、2005 年類(lèi)型接近的國(guó)產(chǎn)高精度重力儀。在原有儀器的基礎(chǔ)上，我們與儀器廠商一起，針對(duì)珠峰地區(qū)特有的自然環(huán)境進(jìn)行了進(jìn)一步改裝，從而確保更適宜珠峰地區(qū)使用。”康勝軍說(shuō)。

鏈接：2020珠峰高程測(cè)量技術(shù)一覽

精密水準(zhǔn)測(cè)量：其作用首先是將我國(guó)黃海高程基準(zhǔn)，從青島原點(diǎn)精確傳遞至珠峰地區(qū)。這次珠峰測(cè)量，精密水準(zhǔn)從位于日喀則的國(guó)家一等水準(zhǔn)點(diǎn)（也是深層基巖點(diǎn)）起測(cè)，將珠峰高程基準(zhǔn)傳遞到珠峰交會(huì)點(diǎn)上。除此之外，精密水準(zhǔn)與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）結(jié)合，同時(shí)利用珠峰地區(qū)的地面重力和航空重力資料，得到與1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)相一致的珠峰似大地水準(zhǔn)面模型，作為珠峰海拔高程的起算面。

衛(wèi)星定位技術(shù)：利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），精確確定地球表面任何一點(diǎn)的幾何位置。GNSS包括我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯GLONASS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等。

衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站：對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)，并由通信設(shè)施將觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或定時(shí)傳送至數(shù)據(jù)中心的地面固定觀測(cè)站。這些基準(zhǔn)站由于連續(xù)觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、定位精度高，一般都作為現(xiàn)代大地測(cè)量的控制點(diǎn)。衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站包括長(zhǎng)期基準(zhǔn)站和臨時(shí)基準(zhǔn)站。國(guó)家和省級(jí)的測(cè)繪基準(zhǔn)都采用長(zhǎng)期基準(zhǔn)站，而一些重大工程，如海島礁測(cè)繪、珠峰高程測(cè)量等，則根據(jù)需要，建立臨時(shí)基準(zhǔn)站，以提高定位精度。

交會(huì)測(cè)量：根據(jù)多個(gè)已知點(diǎn)的平面坐標(biāo)（或高程），通過(guò)測(cè)定已知點(diǎn)到某待定點(diǎn)的方向或（和）距離（或測(cè)定其豎直角），以推求此待定點(diǎn)平面坐標(biāo)（或高程）的測(cè)量技術(shù)和方法。以確定待定點(diǎn)平面坐標(biāo)為目的的，稱(chēng)為平面交會(huì)測(cè)量；以確定待定點(diǎn)高程的，稱(chēng)為高程交會(huì)測(cè)量。

三角高程測(cè)量：通過(guò)觀測(cè)（已知）控制點(diǎn)與（未知）待定點(diǎn)的水平距離和高度角，求兩點(diǎn)間高差，并確定待定點(diǎn)高程的方法。它的特點(diǎn)是觀測(cè)方法簡(jiǎn)單，受地形條件限制小。

似大地水準(zhǔn)面精化：大地水準(zhǔn)面是指與全球平均海平面（或靜止海水面）相重合的水準(zhǔn)面，它是描述地球形狀的一個(gè)重要物理參考面，也是海拔高程系統(tǒng)的起算面。大地水準(zhǔn)面的確定是通過(guò)確定它與參考橢球面的間距——大地水準(zhǔn)面差距（對(duì)于似大地水準(zhǔn)面而言，則稱(chēng)為高程異常）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

雪深雷達(dá)測(cè)量：利用雪深雷達(dá)儀可以精確測(cè)量珠峰峰頂?shù)谋由疃龋瑥亩鴮⒎屙斞┟娓叱虛Q算為峰頂巖面高程。

衛(wèi)星遙感：利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)珠峰地區(qū)的冰川變化，研究其時(shí)空變化特征，對(duì)于珠峰地區(qū)的自然資源管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)也具有重要意義。

● 圖片來(lái)源：新華社