2020年5月27日,珠峰高程測量登山隊登頂成功
珠穆朗瑪峰的高度,已經有160多年的測量歷史。
1856年,英屬印度測量局首次宣布珠峰高度:8839.81米。
1954年,印度政府再次對珠峰進行測量,得出的結果是8847.7344米。
1975年,中國首次進行珠峰測量,測得珠峰高度為8848.13米。
1992年,義大利科學家喬治·普瑞迪帶隊登珠峰,測出珠峰高度為8846.50米。
1999年,美國探險隊測量出珠穆朗瑪峰積雪覆蓋的頂峰高度為8850米。
2005年,中國再測珠峰高度,測得珠峰峰頂巖石面海拔高程為8844.43米。
2020年,中國珠峰高程測量登山隊登頂成功。
珠峰高程測量紀念碑
這份珠峰測量小檔案中,包含許多知識點。1999年美國探險隊測量出的8850米實際上是珠穆朗瑪峰積雪覆蓋的頂峰高度。而我們在2005年測量的8844.43米則是珠峰峰頂巖石面海拔高程。
為什麼叫高程?而不叫高度?
珠峰高程究竟是怎麼測量的呢?
在科技不斷進步的今天,測量珠峰為什麼還需要登頂呢?
2005年珠峰測量親歷者、原國家測繪地理信息局測繪發展研究中心副主任徐永清曾在《珠峰簡史》一書中詳細回顧我國上一次珠峰測量的全過程,下面我們就通過該書的部分書摘了解珠峰高程測量中的各種知識。
如何測高珠峰?
4個分隊,同時測量
面對2005年珠峰複測巨大的挑戰,國家測繪局組建了中國珠峰測量隊,40多名隊員被分成了GPS綜合測量分隊、水準測量分隊、重力測量分隊及登山衝頂分隊等4個分隊,同時展開各自的測量工作。
2005 珠峰峰頂交會測量
根據周密擬訂的測量計劃,整個測量行動按照下列路線圖展開:
第一階段,從3月17日到4月17日,進行珠峰外圍地區的測量工作。GPS綜合測量分隊在青藏高原廣大地區的30個主測量點和40多個附測量點展開6輪聯機觀測行動,這些測量點大都分布在藏北無人區和崑崙、唐古拉、喜馬拉雅、岡底斯等藏區大山中,都是被精心選擇的青藏高原板塊典型的地理標點,聯機觀測的數據結果將反映青藏高原地殼變化進程的細節。重力測量分隊從拉薩開始向珠峰邊測量邊推進。水準測量分隊從已經取得相對青島水準原點精確高度的西藏拉孜縣起測,逐步向珠峰推進。登山衝頂分隊在珠峰大本營隨西藏登山隊開始適應性訓練。
水準測量
第二階段,從4月到5月,在珠峰周邊地區進行測量。GPS綜合測量分隊完成珠峰GPS控制網32點及峰頂GPS聯測網8點的布測。水準測量分隊分別通過4條路線向珠峰推進,選定珠峰下的交會測量點,預計完成二等水準379.7千米、三等水準17.3千米、測距高程導線20.5千米。重力測量分隊進駐珠峰地區展開測量,預計完成二等重力點及引點5個、加密重力點86個、登山路線上重力點5個。登山衝頂分隊進行高海拔適應性訓練和登山訓練。
第三階段,珠峰登山測量隊5月擇機登頂珠穆朗瑪峰,在峰頂豎立覘標,在6 個交會點進行珠峰峰頂交會測量,採用三角測量方法,從6個方向對峰頂進行前方交會,在5個測站對峰頂進行電磁波測距。
第四階段,5月至6月,在西安的國家測繪局大地測量數據處理中心和北京的國家基礎地理信息中心進行數據整理、分析和計算,並匯總數據。
第五階段,6月至7月,在國家測繪局大地測量數據處理中心和國家測繪局基礎地理信息中心進行數據的分析和計算,獲得珠峰高程最終數據。並在北京組織召開2005珠穆朗瑪峰高程測量項目驗收會議。項目驗收後,報請國務院批准公布2005珠峰高程測量成果。
7月18日,國家測繪局和總參測繪局在北京組織召開了「2005珠穆朗瑪峰高程測量」項目驗收會議。驗收委員會由來自科技部、教育部、國土資源部、中國科學院、中國氣象局、中國地震局、國家測繪局和總參測繪局等單位的20名院士、專家組成,他們對這一項目做出高度評價,一致同意通過項目驗收。
10月,2005珠峰高程測量珠峰頂的雪面高和巖石高成果經國務院批准公布。
登頂測高的必要性
21世紀測量技術飛速發展,這樣是否必須登上珠峰頂端才能測高呢?測繪專家們的答案是肯定的。
GPS測量
2005年珠峰複測,採用了的傳統的經典測量方法,就是以常規的水準測量加上三角高程測量來確定珠峰的高程。同時,採用了GPS衛星大地測量法,把GPS帶到珠峰峰頂直接測量珠峰的位置坐標和高程。
測繪專家們將這雙管齊下的方案稱之為「雙保險」。實施這兩種測量方式,都需要登上珠峰頂峰。採用傳統的測量方法需要在珠峰峰頂設立標誌,專業人員稱為覘標,為下面的測距儀和經緯儀服務。而GPS測量儀的天線必須插到峰頂,才能測到珠峰的高度。
過去珠峰高程引起爭議的原因主要有兩個,一個圍繞高程測量技術和計算的精確性,一個是圍繞峰頂雪深。要解決這兩個問題,則必須利用先進技術登頂實地測量。
紅色的金屬覘標豎起
採用現代GPS技術,要求必須將設備攜帶上峰頂。要測量雪深,必須利用雷達設備在峰頂實際操作,直接測量。採用常規技術必須攜帶覘標,將覘標立於峰頂最高處,確定三角交會的唯一目標,提高精確度。同時,兩種技術互相補充,一旦GPS觀測技術出現故障,常規方法可以替代電子設備完成觀測。
所以,登頂珠峰不僅必要,而且必須,而且是決定整個測量行動成敗的關鍵所在。
測量珠峰峰頂冰雪厚度
在海拔8800米以上的珠峰頂,常年覆蓋著一層厚厚的「冰雪鎧甲」,它的厚度到底是多少,由於測量技術手段的局限,在珠峰測量史上始終是一個謎團。而「冰雪鎧甲」厚度的測定,又是精確測定珠穆朗瑪峰高程的一個非常重要的因素。
2005年登頂成功
在2005珠峰高程測量中,中國測繪工作者首次採用雷達探測技術完成了珠峰頂冰雪層厚度的測量。
為了精確測出珠峰峰頂冰雪層的厚度,參加2005珠峰登山測量的國家基礎地理信息中心的技術人員,通過大量的市場調研以及實地的測試,選用了義大利IDS公司出產的500兆赫茲的冰雪探測雷達。選用這種產品很重要的原因,是2004年義大利登山測量隊曾攜帶這種冰雪探測雷達登頂珠峰並成功進行了探測。為2005珠峰登山測量訂製的冰雪探測雷達根據用戶的要求進行了改進和完善,主要考慮了電源保溫、預加熱、可連接雙頻GPS接收機同時一鍵式操作雷達和GPS接收機的啟動,以及可進行時間同步數據、在特殊環境下數據存儲等問題。
雷達測量距離的原理其實很簡單,就如同機場雷達測量空氣中的飛機一樣,發射並接受電磁波,就可獲得到目標點的距離;在雷達上安裝個高精度定位儀,就會知道雷達是在那裡探測到的巖石深度,因此就能依據這些測出珠峰頂巖石地形與峰頂雪深。
2005年5月22日上午11點零8分,中國登山測量隊員成功登頂珠峰,並在珠峰頂啟動峰頂雪深雷達探測儀,開始探測珠峰頂峰神秘的冰雪厚度。這也是我國首次在珠峰高程測量中嘗試測量峰頂冰雪高度。11點38分49秒,冰雪雷達探測儀開始工作,12點18分24秒結束,有效記錄數據38分55秒。
裝載著寶貴數據的珠峰峰頂測量的關鍵設備GPS接收機和雪深探測雷達,經過37小時不間斷的傳遞,於5月24日凌晨送達珠峰大本營測量營地。經過技術人員對雪深探測雷達數據緊張的計算、處理,終於獲得了珠峰峰頂冰雪深度為3.50米,珠峰峰頂「冰雪鎧甲」的謎團由此破解。
為什麼是高程,不是高度?
從科學技術來說,2005年珠峰高度複測的價值何在?這一行動策劃準備的時間將近一年,國家投入了大量的資金。從2005年3月起開始實施的這一行動,由國家測繪局組織50餘名測量人員,克服環境、氣候惡劣等重重困難,在珠穆朗瑪峰地區開展了三角測量、水準測量、重力測量、全球衛星定位測量,並將在珠穆朗瑪峰峰頂進行雪深雷達測量。僅僅是花在登山、測量和計算過程的時間,差不多要半年,而且到2005年10月才能向世界公布測量結果。
水準原理示意圖
高度,在測量學中也叫高程,乍一聽,似乎是一個很簡單的幾何概念,不少人以為,測量珠峰是一個幾何學上的問題,其實不然。比如一個人的身高是多少,某個地方的海拔高度是多少,都很好理解。但是往深了想,它並不簡單,在科學上,高程其實是一個位置定義,說某地點的高程是多少,表達的是這個地球表面點,相對於地球的空間位置。而問題的複雜性就在於,地球並不是一個標準的橢圓,而是一個近似橢圓的不規則實體,其表面構造非常複雜又各不相同。在這種情況下,要明確某個地球表面點的空間位置,要定義其高程,就必須要考慮到地球幾何形狀、地球物理性質等諸多因素,而並不僅僅是一個幾何學的問題。
測量珠峰,所依據的基本原理仍然是立體幾何學原理,但是又不僅僅局限於此。珠峰涉及複雜的地質學概念,涉及地球引力,涉及物理學意義上的高度概念,如果是單純的數學問題,所得到的高度只是表觀高度。而此次珠峰複測,所要測量的是珠峰和地球之間引力方向上的高度,就是說重心所在直線的高度,和表觀高度是有差別的。
要弄清楚測定珠峰的高程究竟是什麼意思,意味著什麼,有什麼意義,最重要的是要明確兩個概念,首先是高程的方向,其次是高程的基準。
多臺測量儀器開啟,六點聯動
在測量學中,高程的定義是某地表點在地球引力方向上高度,也就是重心所在地球引力線的高度。這句話的意思是,地球上每個點高程的方向都是不同的。這裡有一個有意思的例子:人的眼睛其實總是在「忠實地欺騙」自己。你用眼睛看面前的珠峰,你看到的高度其實不是珠峰真正的高度,因為地球是橢圓的,你的視線的起點是你腳下的那一點,而不是珠峰腳下的那一點,因此你看到的珠峰要比其真實高度低一些。那些光學的測量儀器如果在遠處測量珠峰,就像人的眼睛一樣,也是有偏差的。
明白了高程的方向,另外一個重要的概念就是高程的基準是什麼。通俗地說,就是珠峰腳下的海拔0米在哪裡。這裡就出現一個重要的概念——大地水準面。測量學中的基準面就是大地水準面,是整體上非常接近於地球自然表面的水準面。由於海洋佔全球面積的71%,因此大地水準面與平均海水面相重合,不受潮汐、風浪及大氣壓變化影響,並延伸到大陸下方處與重力線相垂直。理論上,它是一個延伸到全球的靜止海水面,是一個地球重力等位面,也是一個沒有褶皺、無稜角的連續封閉面。由於地球質量特別是外層質量分布不均勻,使得大地水準面形狀非常複雜。在目前不能唯一地確定大地水準面的時候,各個國家和地區往往選擇一個平均海水面代替它。我國使用的「1985國家高程基準」中,採用的是青島驗潮站的18年長期觀測結果計算出來的平均黃海海水面,作為我國統一的高程起算基準面,也就是海拔零起始面。所以,珠峰的高程實際上就是在珠峰的重力線方向上相對於青島黃海海平面的高度。
大致明白了上述道理,就可以理解,從科學的角度說來,測量珠峰高度,事實上是一件很複雜的工程,它涉及地理、地質、測繪、光學、氣象等多種學科,需要採用多種先進的測繪儀器。工作量也非常大,並且需要大量、艱苦和瑣碎的野外作業。
2005珠峰測量
獲得珠穆朗瑪峰新高度及其重要參數:
海拔高程8844.43m±0.24m;
峰頂雪厚3.50m;
大地經度86°55′30.7517″E;
大地緯度27°59′17.0828″N;
上升速度18mm/a;
移動速度48mm/a;
移動方向方位角東偏北74°;
峰頂重力976816.38mgal;
高程異常-25.199m;
大地水準面高-26.466m;
垂線偏差ξ84=-19.929″,η84=-6.511″;
峰頂氣壓(12點)334.8hPa;
峰頂幹溫(12點)-29.66℃;
峰頂溼溫(12點)-44.26℃;
溫度梯度-0.8776℃/100m。
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