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珠峰“身高”怎么量?

2020-05-12 11:10:14    来源: 中国自然资源报    作者:王少勇 高悦

作为世界第一高峰,珠穆朗玛峰“身高”要想精确测得并非易事。2020珠峰高程测量综合运用了全球导航卫星系统测量、水准测量、光电测距、交会和三角高程测量、雪深雷达测量、重力测量、天文测量、卫星遥感、似大地水准面精化等多种传统和现代测绘技术,精确测定珠峰高程。其中,水准测量、重力测量是重要测量手段,它们是如何进行的呢?请看本报特派记者从现场发回的报道。

——编者

水准测量:用脚步传递高程

水准测量是珠峰高程测量的重要手段。水准测量是用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差的方法。在地面两点间安置水准仪,观测竖立在两点上的水准标尺,按标尺上读数推算两点间的高差。通常由水准已知点出发,沿选定的水准路线逐站测定各点的高差。

2020珠峰高程测量的水准测量是从日喀则国家深层基岩水准点出发。去年12月,自然资源部第一大地测量队的水准测量组就来到西藏,经拉孜县一直推到定日县和聂木拉县,复测了珠峰地区的一等水准网。然后,以此一等水准网为基准,从定日县和岗嘎镇分成两条支线,进行珠峰地区的二等水准测量,一直传递到珠峰大本营的水准基点。再以此为已知点,通过三等水准测量、高程导线、三角高程测量、跨河水准测量等方式传递到珠峰脚下6个交会点。待到觇标树立在珠峰峰顶,各交会点通过三角测量,并和其他测量手段所得结果综合计算,确定珠峰的精准高程。

一等水准的精度高于二等,二等高于三等。但即使是三等水准测量,每公里的偶然误差也是毫米级的。水准测量对误差要求极其严格,以保证水准数据的精确。

在珠峰脚下的扎西宗乡和曲当乡之间,记者目睹了水准测量操作过程。下午4点,水准组开始准备测量了。他们找到观测的间歇点,这是他们上午测到的位置。水准测量要避开正午,太阳直射不利于观测,他们的工作时间通常是上午8点到12点,下午4点到8点,每半天被他们称为一个光段。在这里,他们每个光段能测3公里多。每段路线,都必须一步一步去走。

测量队员金良把电子水准仪从仪器箱里取出来,让其适应环境温度,以最大限度避免热胀冷缩可能带来的影响。经过简单的调试,测量就开始了。一个负责测距的工人,手持推轮测距仪,从点位出发,量12米,画出一个标记,再量12米,再画出一个标记。金良扛起测距器,把三脚架架设在第一个标记正上方。另外一名工人扛着标尺快步走过第二个标记处,先把一个金属的尺台放在地上,再把标尺固定在尺台上。这样,水准仪距离前后两个标尺的距离都是12米,用他们的专业术语说就是前后视距要相等。

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水准测量现场

金良先把水准仪对准后方的标尺,观测、瞄准,读取并记录数据,再转过头,对准前方的标尺,同样的流程,就得出了这两点之间的高差。等前后都测量好了,他一挥手,扛起仪器就走,固定后方两个标尺的工人扛起标尺就走,前方的标尺保持不动。金良把仪器扛到刚才前方标尺之前第一个标记处架设,而工人则把标尺扛到第二个标记处固定住。这时,刚才位于前方的标尺就成为后方的,而刚才后方的标尺则成为前方的,水准仪依然位于两个标尺中间。就这样再重复刚才的测量流程,一站一站测下去。

在水准测量中,有些路段很危险,路边是陡峭的山崖,堆满乱石。经常队员们正测着测着,一块石头就滚落下来。有的是被风吹落,有的是被山上的岩羊踩落。测量队员们就这样克服各种不利因素,一步一步将高程传递到珠峰脚下。(本报特派记者 王少勇 高悦 兰圣伟

重力测量:为了珠峰“身高”更精确

“重力测量对珠峰高程测量具有重大意义,用于珠峰区域大地水准面精化、构建高精度的重力场模型等,为精确测定珠峰高程起到极为重要的作用。”自然资源部第一大地测量队四中队(重力中队)队长康胜军说,重力测量成果也可用于冰川变化、地震、板块运动等问题的研究。

重力测量是测定地球表面的重力加速度值。测定重力值可以利用与重力有关的物理现象,例如在重力作用下的自由落体运动、摆的摆动、弹簧伸缩等。重力测量分绝对重力测量和相对重力测量。绝对重力测量是测定重力场中一点的绝对重力值。近年来由于激光干涉系统和高稳定度频率标准的出现,使自由落体下落距离和时间的测定精度大大提高,如今普遍采用激光绝对重力仪进行绝对重力测量。自然资源部第一大地测量队总工办副主任何志堂介绍说,绝对重力测量对温度、湿度等外界环境要求苛刻,测量难度较大,在高原地区测得一点的绝对重力值有时甚至需要一周的时间,此次珠峰高程测量在珠峰周边测得两个点的绝对重力值。绝对重力值类似于水准测量中的基准点,在珠峰高程测量中,更多的还是进行相对重力测量。

类似于水准测量是测定两点间的高程差值,相对重力测量是测定两点的重力差值。何志堂介绍,现在普遍采用弹簧重力仪进行相对重力测量,在不同的位置,受重力影响,弹簧伸缩的程度不同,根据两点弹簧的变化差异获得重力差值。

康胜军介绍说,自然资源部第一大地测量队已经在珠峰周边进行加密重力测量190点。通过对各重力测量点数值的计算,可获得此地区重力场信息。

“重力场信息的重要性,直白地说就是能够给传统大地测量手段所得的数据和现代大地测量手段所得的数据搭建一个桥梁。”何志堂说,传统大地测量手段比如水准测量、三角高程测量,可以测得珠峰高程数据。而基于电子、卫星等的现代大地测量手段,比如GNSS(全球卫星导航定位系统)也可测得珠峰高程数据。但这是两个系统,测得的数据如何有效互相校正、互为补充,这时就需要依靠重力场信息。

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合作开展重力测量

2005年珠峰高程测量,队员任秀波和柏华岗曾把重力测量推进到7790米,创下了重力测量最高海拔的世界纪录。这次,自然资源部第一大地测量队在确保安全的前提下,计划在珠峰峰顶开展重力测量。康胜军介绍,登山路线重力测量可获得真实、精确的路线和峰顶的重力数据,为后期精化大地水准面及地球重力场的构建提供宝贵的数据。

“此次珠峰高程测量重力仪选用基本与1975年、2005年类型接近的国产高精度重力仪。在原有仪器的基础上,我们与仪器厂商一起,针对珠峰地区特有的自然环境进行了进一步改装,从而确保更适宜珠峰地区使用。”康胜军说。(本报特派记者 王少勇 高悦 兰圣伟

链接:2020珠峰高程测量技术一览

精密水准测量:其作用首先是将我国黄海高程基准,从青岛原点精确传递至珠峰地区。这次珠峰测量,精密水准从位于日喀则的国家一等水准点(也是深层基岩点)起测,将珠峰高程基准传递到珠峰交会点上。除此之外,精密水准与全球导航卫星系统(GNSS)结合,同时利用珠峰地区的地面重力和航空重力资料,得到与 1985 国家高程基准相一致的珠峰似大地水准面模型,作为珠峰海拔高程的起算面。

卫星定位技术:利用全球导航卫星系统(GNSS),用于精确确定地球表面任何一点的几何位置。GNSS包括我国北斗卫星导航系统(BDS)、美国全球定位技术(GPS)、俄罗斯GLONASS卫星导航系统和欧洲伽利略卫星导航系统等。

卫星导航定位基准站:对卫星导航信号进行长期连续观测,并由通信设施将观测数据实时或定时传送至数据中心的地面固定观测站。这些基准站由于连续观测时间长、定位精度高,一般都作为现代大地测量的控制点。卫星导航定位基准站包括长期基准站和临时基准站。国家和省市的测绘基准都采用长期基准站,而一些重大工程,如海岛礁测绘、珠峰高程测量等,则根据需要,建立临时基准站,以提高定位精度。

交会测量:根据多个已知点的平面坐标(或高程),通过测定已知点到某待定点的方向或(和)距离(或测定其竖直角),以推求此待定点平面坐标(或高程)的测量技术和方法。以确定待定点平面坐标为目的,称为平面交会测量;以确定待定点高程的,称为高程交会测量。

三角高程测量:通过观测(已知)控制点与(未知)待定点的水平距离和高度角,求定两点间高差,并确定待定点高程的方法。它的特点是观测方法简单,受地形条件限制小。

似大地水准面精化:大地水准面是指与全球平均海平面(或静止海水面)相重合的水准面,它是描述地球形状的一个重要物理参考面,也是海拔高程系统的起算面。大地水准面的确定是通过确定它与参考椭球面的间距——大地水准面差距(对于似大地水准面而言,则称为高程异常)来实现的。

雪深雷达测量:利用雪深雷达仪可以精确测量珠峰峰顶的冰雪层深度,从而将峰顶雪面高程换算为峰顶岩面高程。

卫星遥感:利用卫星遥感技术监测珠峰地区的冰川变化,研究其时空变化特征,对于珠峰地区的自然资源管理、生态环境保护也具有重要意义。

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关键词: 测绘
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