權(quán)威專家解讀如何給珠峰“量身高”

谷業(yè)凱 袁泉

5月16日，2020珠峰高程測量登山隊(duì)從珠峰大本營出發(fā)，再次向珠峰頂峰發(fā)起沖擊，這標(biāo)志著2020珠峰高程測量進(jìn)入最后沖刺階段。綜合分析最新天氣預(yù)報(bào)后，2020珠峰高程測量登山隊(duì)決定，22日為攻頂日，21日修路隊(duì)將會把路線打通。新中國成立以來，我國先后兩次成功測定并公布珠峰高程。那珠峰的“身高”究竟是怎么測出來的？測定珠峰高程有哪些意義？2020珠峰高程測量技術(shù)協(xié)調(diào)組組長、中國測繪科學(xué)研究院研究員黨亞民對此進(jìn)行了解讀。

海拔高程起算面怎么確定

珠峰到底有多高？要回答這個問題，首先就要明確珠峰腳下的“海拔零米”在哪里。這就好比蓋房子，首先得找到地基的位置。遺憾的是，這個問題并不容易回答。當(dāng)我們用眼睛看面前的珠峰時，“看到的高度”其實(shí)并不是它真正的高度?！拔覀兛吹降氖茄劬σ暰€范圍內(nèi)珠峰的高度。而真正的珠峰海拔高，是峰頂?shù)较旅娴囊粋€叫‘大地水準(zhǔn)面的距離。”黨亞民說。

這個“大地水準(zhǔn)面”，就是海拔高程的零起算面。我國法定的大地水準(zhǔn)面，是一個和黃海平均海平面重合并延伸到大陸內(nèi)部（比如珠峰下面）的水準(zhǔn)面。而地球是橢圓的，我們視線的起點(diǎn)是腳下的那一點(diǎn)，而不是珠峰腳下的那一點(diǎn)，因此看到的珠峰高度要比其真實(shí)高度“矮”很多。測繪科學(xué)中，經(jīng)常會用到基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)面兩個概念。從字面不難理解，基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)面就是我們通常確定物體空間位置的一些參考點(diǎn)和參考面。比如目前，隨著GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）的廣泛應(yīng)用，大家可以很容易獲得自己所在的位置信息，它在垂直方向可以得到一個叫“大地高”的高程，它的基準(zhǔn)面就是一個規(guī)則的參考橢球面。但大地高并不是我們常說的海拔高程。

既然“大地高”這么容易得到，為什么我們不能用它作為珠峰的高程發(fā)布呢？因?yàn)榈侥壳盀橹?，世界各國的高程基?zhǔn)，都是選擇離自己最近的平均海平面，作為自己國家的高程基準(zhǔn)。這個平均海平面由于受到地球內(nèi)部物質(zhì)的作用，它是一個不規(guī)則的曲面。

“地球上各個點(diǎn)上的重力值是不一樣的，作為海拔高程的起算面，它是一個虛擬的曲面，在這個面上，我們把水倒在上面，水是不流動的，因?yàn)檫@個面上每個點(diǎn)的重力加速度值是相等的。”黨亞民解釋，“這也是為什么‘南水北調(diào)‘西氣東輸?shù)葒抑卮蠊こ?，必須采用海拔高程，只有基于這樣的基準(zhǔn)面，水才不會‘倒流”。

實(shí)際上，我國目前法定的海拔高程起算點(diǎn)（起算面）是由國家1985國家高程基準(zhǔn)規(guī)定。該高程起算面是根據(jù)青島大港驗(yàn)潮站1952年-1979年的驗(yàn)潮資料計(jì)算確定的，并通過位于青島市觀象山的“中華人民共和國水準(zhǔn)原點(diǎn)”實(shí)現(xiàn)。我國海拔高程的基準(zhǔn)，如何從青島“傳遞”到珠峰呢？黨亞民介紹稱，一是通過水準(zhǔn)測量（測定地面上兩點(diǎn)間高差的一種方法），把黃海平均海平面一步步地“延伸”到珠峰腳下。二是通過重力測量把這個高程零點(diǎn)的重力值“引”過來。最終目的都是精確地找到珠峰腳下的海拔高“零基準(zhǔn)面”。

珠峰的高程，實(shí)際上就是要測得其相對于黃海平均海水面的高度。青島與珠峰相隔千山萬水，這種“延伸”豈不是很困難？黨亞民回答，基于先前完成的國家基準(zhǔn)項(xiàng)目，我們已經(jīng)取得西藏拉孜縣相對青島水準(zhǔn)原點(diǎn)的精確高度。這樣，起算面就不必是青島，而是拉孜。測量隊(duì)員只需從拉孜開始向珠峰測量，就相當(dāng)于從青島“延伸”到了珠峰地區(qū)，全程約500公里。

即便如此，測量珠峰高程也意味著大量、艱苦和瑣碎的野外作業(yè)。“在此過程中，有些控制點(diǎn)要重新進(jìn)行觀測，珠峰地區(qū)也要進(jìn)行大量的前期和后續(xù)測量工作，測量隊(duì)員才能精確地將這個海拔高‘零基準(zhǔn)面延伸到珠峰腳下，為登頂測量做充分準(zhǔn)備?！秉h亞民說。

登頂測量要做什么？

山高路險(xiǎn)，為什么還一定要人來登頂測量？黨亞民表示，技術(shù)上看，目前測量型無人機(jī)或機(jī)器人的能力尚無法完成登頂作業(yè);精度上看，衛(wèi)星遙感影像在高程方向的測量精度在2米左右，和大地測量厘米級精度要求比，差距較大，且這種手段只能測出雪頂高程，而非巖面高程;再者，珠峰峰頂并不是一個點(diǎn)，而是一個20多平方米的面，必須由人將覘標(biāo)帶上峰頂，才能確保目標(biāo)點(diǎn)一致，精確測得角度和距離。

黨亞民介紹，峰頂測量有三項(xiàng)主要工作：一是峰頂交會測量，即利用三角高程和交會方法，測量峰頂覘標(biāo)，確定珠峰高度;二是通過高精度GNSS定位方法，測量出珠峰雪頂?shù)奈恢?三是通過雷達(dá)雪深測量，測量峰頂一定范圍內(nèi)，雪面到巖石面的距離。

先來看峰頂交會測量。1975年我國測定珠峰高程時采用的就是這種傳統(tǒng)的經(jīng)典測量法。簡單說，就是在峰頂架起覘標(biāo)，在各個交會點(diǎn)上，分別測出其與峰頂覘標(biāo)間的距離和豎直角，推算出峰頂相對于這幾個點(diǎn)的高程差，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行重力、大氣等多方面的改正計(jì)算，最終確定有效數(shù)據(jù)。

再看高精度GNSS定位方法。這是一種最近幾十年發(fā)展起來的測量手段。比如我們利用手機(jī)中的導(dǎo)航定位芯片和軟件，也能大概知道自己所處的海拔高度。但手機(jī)確定的位置，與利用專用測量儀器和軟件確定的位置相比，精度差了幾百倍。2020珠峰高程測量，我國將首次使用基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度GNSS定位方法，并且將以北斗數(shù)據(jù)為主進(jìn)行峰頂位置的精確測量。

當(dāng)然，要把GNSS測量的基于地球橢球面的大地高，改化成基于黃海高程基準(zhǔn)海拔高，還需開展大量的測量工作，確定珠峰下面的大地水準(zhǔn)面。2020珠峰高程測量，我國還將首次在珠峰北坡地區(qū)開展廣泛的高精度航空重力測量以及峰頂重力測量，并在靠近峰頂?shù)膮^(qū)域增加大量的地面重力加密測量，這些內(nèi)容填補(bǔ)了珠峰地區(qū)重力測量的國際空白，將大大提升2020珠峰高程測量起算面的精度，也使我們能夠獲得有史以來精度最高的珠峰高程測量成果。

最后，需要開展峰頂雪深測量。由于極端寒冷，珠峰峰頂有很深的覆雪和冰凍層?！胺屙斠荒晁募径荚谧兓?，而測量是短時間內(nèi)完成的。但是巖石面的變化很微小，而且只有巖石才算是地物。測量巖面高，其準(zhǔn)確度更高，也更有說服力?！秉h亞民表示。

1975年，我國女登山隊(duì)員潘多用一根直徑4到5厘米的木頭桿子插進(jìn)雪層，測得深度為92厘米，于是有了珠峰高程采用值8848.13米;2005年，我國首先測得了珠峰頂峰的巖面高程和雪深數(shù)據(jù)，但當(dāng)時使用的雪深雷達(dá)為進(jìn)口設(shè)備。2020珠峰高程測量，我國將使用兼具衛(wèi)星大地測量和雷達(dá)系統(tǒng)功能的國產(chǎn)雪深雷達(dá)，測量精度有望進(jìn)一步提升。

珠峰“新身高”最終如何出爐

精確測定珠峰高度，是一項(xiàng)代表國家測繪科技發(fā)展水平的綜合性測繪工程。不同時期以不同方式測量珠峰，反映了人類對自然的求知探索精神，也是了解和認(rèn)識地球的一個重要標(biāo)志。多年來，我國珠峰高程測量經(jīng)歷了從傳統(tǒng)大地測量技術(shù)到綜合現(xiàn)代大地測量技術(shù)的轉(zhuǎn)變。每次珠峰測量，都體現(xiàn)了我國測繪技術(shù)的不斷進(jìn)步，彰顯了我國測繪技術(shù)的最高水平。

“重測珠峰高程一般有兩個重要原因，一是珠峰高度發(fā)生變化;二是有了可以明顯提升測量精度的新技術(shù)?！秉h亞民說。據(jù)了解，2020珠峰測量中，除依托北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開展測量工作外，國產(chǎn)測繪儀器裝備也將全面擔(dān)綱本次測量任務(wù)，航空重力技術(shù)將進(jìn)一步提升測量精度，實(shí)景三維技術(shù)將直觀展示珠峰自然資源狀況。此外，測繪隊(duì)員有望登頂觀測，獲取可靠測量數(shù)據(jù)。

“現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，測量手段越來越方便，精度也越來越高，但精細(xì)的數(shù)據(jù)處理仍然是確保珠峰高精度和高可靠性成果的關(guān)鍵?！秉h亞民介紹，在登頂測量任務(wù)完成后，數(shù)據(jù)處理團(tuán)隊(duì)首先要對各類外業(yè)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的質(zhì)量檢查和分析;數(shù)據(jù)處理中，需要考慮溫度、氣壓、折光環(huán)境等因素對測量成果的影響，并采用合理的模型消除這些誤差影響因素;同時要對不同技術(shù)路線、各個技術(shù)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行檢核、對算;在此基礎(chǔ)上，還要經(jīng)過專家組的檢查和驗(yàn)證，才能獲得珠峰高程最終數(shù)據(jù)，報(bào)國務(wù)院批準(zhǔn)。

“這是一個系統(tǒng)工程，大概需要2到3個月時間進(jìn)行計(jì)算，才會得出珠峰精確的‘身高?！秉h亞民說。

“我們測出來的珠峰高程之所以具有權(quán)威性，就是因?yàn)槲覀兛梢栽谥榉宓貐^(qū)克服各種困難，開展各類細(xì)致的高精度基礎(chǔ)性野外測量任務(wù)，確保我們珠峰高程測量的基準(zhǔn)點(diǎn)和海拔高程起算面是全世界最好的?！秉h亞民說，在2017年召開的珠峰高程測量國際研討會上，我國展示的全面、先進(jìn)的珠峰高程測量方法和技術(shù)手段，得到了與會多國的認(rèn)可。我國珠峰高程測量和測繪綜合科學(xué)技術(shù)水平，已經(jīng)走到了世界前列。

珠峰“身高”測量史

珠穆朗瑪峰是世界最高峰，人類從300多年前便已開始了探求珠峰高度的努力，多國探險(xiǎn)家和測繪工作者都曾為準(zhǔn)確給珠峰“量身高”做出不懈努力。

從20世紀(jì)50年代開始，以著名地理學(xué)家林超為代表的我國學(xué)者便指出，在有史料可查的歷史中，世界上首次對珠峰進(jìn)行測繪的是中國人。

多份史料證明，公元1715年前后，清政府從北京派出曾在欽天監(jiān)學(xué)過數(shù)學(xué)的理藩院主事勝住等人，專程進(jìn)入西藏測繪地圖。成果體現(xiàn)于我國首次用現(xiàn)代技術(shù)對國土進(jìn)行測量并繪制的地圖——《皇輿全覽圖》中。在這幅地圖上，珠峰以山形符號被標(biāo)出，并定名為“朱母郎馬阿林”。

19世紀(jì)50年代初，英屬印度測量局在印度境內(nèi)采用三角大地測量法對珠峰進(jìn)行遙測，并公布8840米的數(shù)據(jù)，將珠峰確認(rèn)為世界海拔最高峰，后將該峰命名為“埃佛勒斯峰”，但這一名稱并不為我國政府和人民所接受。

20世紀(jì)上半葉，英國、瑞士、法國等國家多次對珠峰進(jìn)行探險(xiǎn)，未有高度數(shù)據(jù)公布。1952年到1954年，印度測量局征得尼泊爾同意，把三角測量推進(jìn)到尼泊爾境內(nèi)，最后得出珠峰高程為8847.6米。

受測量技術(shù)等因素影響，世界各國對珠峰高程數(shù)據(jù)的認(rèn)定并不完全相同。例如美國測得的數(shù)字為8850米，但這一數(shù)據(jù)并不為中國等國家承認(rèn)。

1975年，我國首次將測量覘標(biāo)矗立于珠峰之巔，精確測得珠峰海拔高程為8848.13米;2005年珠峰高程復(fù)測，我國采用傳統(tǒng)大地測量與衛(wèi)星測量結(jié)合的技術(shù)方法，并首次在珠峰峰頂測量中利用冰雪雷達(dá)探測儀測量冰雪厚度，經(jīng)過嚴(yán)密計(jì)算，測得8844.43米。