為何珠峰新「身高」如此難測？院士帶你了解「海拔高度」的這些冷知識

作為世界最高峰、「地球第三極」，珠峰高程測量不僅是測繪領域的大事，也是公眾關注的熱點。

受印度板塊與歐亞板塊碰撞影響，青藏高原屬於全球板塊運動劇烈地區之一，珠峰也處於整體隆起和漂移狀態，獲得珠峰隆起的具體數值一直是地球科學工作者關注的重要科學問題。同時，珠峰高程測量數據可為研究青藏地區板塊運動、冰雪消融和環境變化等提供重要參考。精準的珠峰高程測量成果不僅是國家綜合實力和科技發展水平的體現，更是國家主權的象徵，具有重大國際影響和社會效益。

我國第三次珠峰高程測量使用了多種技術手段，包括水準測量、全球導航衛星系統（GNSS，主要包括美國的GPS、歐洲的伽利略、俄羅斯的格洛納斯和我國的北鬥）測量、三角高程測量、航空與峰頂重力測量，以及雪深雷達測量等。這樣的安排不僅有利於不同測量手段結果間的檢核，更是為了綜合不同觀測技術以提升高程解算結果精度。

不少公眾也許會問，既然有了全新的GNSS測量，為何還需要傳統的重力測量？珠峰高程測量究竟有多難？不妨讓我們從頭說起。

2020珠峰高程測量登山隊成功登頂後，在峰頂豎立覘標，安裝GNSS天線，開展各項峰頂測量工作。來源：新華社

身高起算的「大地水準面」

高程可通過不同測量方式得到，包括水準測量、三角高程測量、GNSS測量技術等。但無論使用哪一種技術，重力測量對高程結果的最後確定至關重要。

要講清楚這個問題，得從高程的基本定義出發。

何謂「高度」？比方說，一塊紀念石碑上刻著珠峰高度8844.43米，這是2005年我國官方發布的「珠峰高度」值。「高度」是通常的說法，或者是口語的叫法，「高度」的專業稱謂是「高程」，是指地表點沿鉛垂線方向到大地水準面的距離，又稱「海拔高」或「正高」。

這裡有一個「大地水準面」的概念。它指與平均海水面重合，並延伸到大陸內部的水準面。大地水準面是高程的「起算面」或「基準面」，我們所說的「珠峰高度」就是相對於這個起算面的高度值。

大地水準面是有物理含義的。在這個參考面上，重力位是等值的，所以也稱為「等位面」。也有一種說法，「高程」是相對於平均海平面而言的，這就是它為什麼又被稱為「海拔高」的原因。

沿用至今的「國家高程基準」

目前，世界上還沒有一個十分精準的全球海平面模型，這使得全球高程系統的統一問題，一直是國際大地測量界的難題。各國採用區域平均海平面為基準定義「海拔高」。

我國在確定高程時，採用的是黃海平均海平面作為參考面。依據這個參考面，國家測繪主管部門發布了「1985國家高程基準」，一直沿用至今。它是依據青島驗潮站1952年至1979年的海潮記錄得到的海平面變化「平均值」，又稱為「平均海平面」。

珠峰高程就是峰頂相對於黃海平均海平面的高差。傳統的珠峰高度測量採用水準測量，也就是從我國青島水準原點開始，一路向西，就像測量樓梯臺階高度那樣逐段測量，一直測到珠峰，採用高程傳遞方法獲得珠峰高度。

但這種測量方式不僅距離長，而且路徑十分複雜，每次能測量的距離十分有限，這導致高程傳遞誤差大，人力物力和時間成本十分昂貴。在極寒、地形極複雜、極度缺氧的珠峰地區，用水準測量方法直接測定珠峰高程，還不具備應有的條件。

從多次珠峰高程測量來看，採用直接水準測量與測距高程導線測量，測得的高程僅到海拔6000多米的地方，海拔更高位置的測量使用的是三角高程測量技術。

理論上的「正常重力值」

在精密水準測量中，重力測量能起到至關重要的作用。

我們知道，由於大地水準面存在起伏，導致重力位水準面也不是標準球面。在精密水準測量中，如果沿不同測量路線測量兩個水準點間的高差，這會導致得到的高差結果不一致。

在一個大範圍區域開展精密水準測量，如果不加入重力改正，這些測量成果不具備嚴密性，就沒有實用價值。通過水準點上進行加密重力測量，獲得水準點上的實測重力值，再利用相鄰水準點重力異常值與實測高差完成重力異常改正，通過在精密水準測量數據處理中加入正常水準面不平行改正、重力異常改正（統稱「重力改正」），獲得最終的觀測高差，用其進行水準網平差，推算水準點的高程值，這樣就能確保精密水準成果的科學性、唯一性和嚴密性。

另外，應該注意的是，地球並不是標準球形體，而是一個近似橢球體。為方便科學研究，歷史上德國科學家引入了一個理想橢球體來近似真實地球，又稱為「平均橢球體」或「參考橢球體」。

這個參考橢球體包含了地球所有質量，其面上的重力可通過理論模擬獲得，行業領域將這個理論模擬稱為「正常重力值」。也就是說，一旦確定了橢球面上某點位置，就可以知道該點的幾何坐標和正常重力值——參考橢球面是處理大地測量成果而採用的與地球大小和形狀十分接近並進行定位的橢球表面。

來自導航衛星的「大地高」

隨著科技快速發展，全球導航衛星系統（GNSS）的成功應用，為高程測量帶來革命性變化。在此次珠峰高程測量中，我國高精度北鬥衛星導航定位系統發揮著主力軍作用。

GNSS技術測量的是衛星到地表測點的距離。由於衛星到地心的距離可通過確定衛星軌道得知，那麼就容易得到地表測點到參考橢球面的距離，這一距離又被稱為「大地高」。

通常大地水準面與參考橢球面並不重合，兩者存在一定差異，利用GNSS技術不能直接確定測點到「大地水準面」的距離，也就無法測定「高程」或者「海拔高」。

利用重力測量，能夠得到珠峰地區及峰頂的重力值，在經過各種改正後（包括儀器零漂、地球固體潮、大氣壓力等，將峰頂點重力值歸算到大地水準面），我們就能得到大地水準面的重力值。結合參考橢球體面已知的「正常重力值」，就能得到大地水準面與參考橢球體面之間的重力差（通常被稱為「重力異常」），從而進一步計算得到大地水準面與參考橢球面間的距離——在珠峰地區，這一「高程異常」大約是-25米（負值代表大地水準面在參考橢球面以下）。

「新身高」精度將達歷史最佳

此次珠峰頂的定點重力測量和北坡1.25萬平方公裡的航空重力測量，將顯著提升珠峰地區大地水準面的精度，為高精度的珠峰高程測量提供歷史最好的海拔高程起算基準。因此，這次珠峰高程測量的精度將達「史上最高」。

簡言之，珠峰高程的測量取決於兩個關鍵因素：一個是珠峰峰頂測點位置到參考橢球面間的距離，即「大地高」；另一個是大地水準面到參考橢球面的差距，即「大地水準面差距」或「高程異常」。GNSS測量技術確定「大地高」，重力測量技術確定「高程異常」。

因此，「海拔高」實際就是「大地高」和「高程異常」之差。這就是為什麼用GNSS測量高程時一定要使用重力測量的原因。

作者：孫和平（中科院院士、中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員）

編輯：王星