珠峰“身高”怎么量？

王少勇 高悅

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

水準(zhǔn)測量：用腳步傳遞高程

水準(zhǔn)測量是珠峰高程測量的重要手段。水準(zhǔn)測量是用水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)尺測定地面上兩點(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)路線逐站測定各點(diǎn)的高差。

2020年珠峰高程測量的水準(zhǔn)測量是從日喀則國家深層基巖水準(zhǔn)點(diǎn)出發(fā)。2019年12月，自然資源部第一大地測量隊(duì)的水準(zhǔn)測量組就來到西藏，經(jīng)拉孜縣一直推到定日縣和聶木拉縣，復(fù)測了珠峰地區(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，進(jìn)行珠峰地區(qū)的二等水準(zhǔn)測量，一直傳遞到珠峰大本營的水準(zhǔn)基點(diǎn)。再以此為已知點(diǎn)，通過三等水準(zhǔn)測量、高程導(dǎo)線、三角高程測量、跨河水準(zhǔn)測量等方式傳遞到珠峰腳下6個(gè)交會點(diǎn)。待到覘標(biāo)樹立在珠峰峰頂，各交會點(diǎn)通過三角測量，并和其他測量手段所得結(jié)果綜合計(jì)算，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。但即使是三等水準(zhǔn)測量，每公里的偶然誤差也是毫米級的。水準(zhǔn)測量對誤差要求極其嚴(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)測量操作過程。下午4點(diǎn)，水準(zhǔn)組開始準(zhǔn)備測量了。他們找到觀測的間歇點(diǎn)，這是他們上午測到的位置。水準(zhǔn)測量要避開正午，太陽直射不利于觀測，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)，每半天被他們稱為一個(gè)光段。在這里，他們每個(gè)光段能測3公里多。每段路線，都必須一步一步去走。

測量隊(duì)員金良把電子水準(zhǔn)儀從儀器箱里取出來，讓其適應(yīng)環(huán)境溫度，以最大限度避免熱脹冷縮可能帶來的影響。經(jīng)過簡單的調(diào)試，測量就開始了。一個(gè)負(fù)責(zé)測距的工人，手持推輪測距儀，從點(diǎn)位出發(fā)，量12米，畫出一個(gè)標(biāo)記，再量12米，再畫出一個(gè)標(biāo)記。金良扛起測距器，把三腳架架設(shè)在第一個(gè)標(biāo)記正上方。另外一名工人扛著標(biāo)尺快步走過第二個(gè)標(biāo)記處，先把一個(gè)金屬的尺臺放在地上，再把標(biāo)尺固定在尺臺上。這樣，水準(zhǔn)儀距離前后兩個(gè)標(biāo)尺的距離都是12米，用他們的專業(yè)術(shù)語說就是前后視距要相等。

金良先把水準(zhǔn)儀對準(zhǔn)后方的標(biāo)尺，觀測、瞄準(zhǔn)，讀取并記錄數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)過頭，對準(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)尺的工人扛起標(biāo)尺就走，前方的標(biāo)尺保持不動。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)剛才的測量流程，一站一站測下去。

在水準(zhǔn)測量中，有些路段很危險(xiǎn)，路邊是陡峭的山崖，堆滿亂石。經(jīng)常隊(duì)員們正測著測著，一塊石頭就滾落下來。有的是被風(fēng)吹落，有的是被山上的巖羊踩落。測量隊(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。

重力測量：為了珠峰“身高”更精確

“重力測量對珠峰高程測量具有重大意義，用于珠峰區(qū)域大地水準(zhǔn)面精化、構(gòu)建高精度的重力場模型等，為精確測定珠峰高程起到極為重要的作用?！弊匀毁Y源部第一大地測量隊(duì)四中隊(duì)（重力中隊(duì)）隊(duì)長康勝軍說，重力測量成果也可用于冰川變化、地震、板塊運(yùn)動等問題的研究。

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

類似于水準(zhǔn)測量是測定兩點(diǎn)間的高程差值，相對重力測量是測定兩點(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)行相對重力測量，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，自然資源部第一大地測量隊(duì)已經(jīng)在珠峰周邊進(jìn)行加密重力測量190點(diǎn)。通過對各重力測量點(diǎn)數(shù)值的計(jì)算，可獲得此地區(qū)重力場信息。

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

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

“此次珠峰高程測量重力儀選用基本與1975年、2005年類型接近的國產(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?！笨祫佘娬f。

鏈接：2020珠峰高程測量技術(shù)一覽

精密水準(zhǔn)測量：其作用首先是將我國黃海高程基準(zhǔn)，從青島原點(diǎn)精確傳遞至珠峰地區(qū)。這次珠峰測量，精密水準(zhǔn)從位于日喀則的國家一等水準(zhǔn)點(diǎn)（也是深層基巖點(diǎn)）起測，將珠峰高程基準(zhǔn)傳遞到珠峰交會點(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），用于精確確定地球表面任何一點(diǎn)的幾何位置。GNSS包括我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、美國全球定位技術(shù)（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：對衛(wèi)星導(dǎo)航信號進(jìn)行長期連續(xù)觀測，并由通信設(shè)施將觀測數(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站。這些基準(zhǔn)站由于連續(xù)觀測時(shí)間長、定位精度高，一般都作為現(xiàn)代大地測量的控制點(diǎn)。衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站包括長期基準(zhǔn)站和臨時(shí)基準(zhǔn)站。國家和省市的測繪基準(zhǔn)都采用長期基準(zhǔn)站，而一些重大工程，如海島礁測繪、珠峰高程測量等，則根據(jù)需要，建立臨時(shí)基準(zhǔn)站，以提高定位精度。

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

三角高程測量：通過觀測（已知）控制點(diǎn)與（未知）待定點(diǎn)的水平距離和高度角，求定兩點(diǎn)間高差，并確定待定點(diǎn)高程的方法。它的特點(diǎn)是觀測方法簡單，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)面的確定是通過確定它與參考橢球面的間距——大地水準(zhǔn)面差距（對于似大地水準(zhǔn)面而言，則稱為高程異常）來實(shí)現(xiàn)的。

雪深雷達(dá)測量：利用雪深雷達(dá)儀可以精確測量珠峰峰頂?shù)谋由疃?，從而將峰頂雪面高程換算為峰頂巖面高程。

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