为何珠峰新"身高"如此难测?院士带你了解"海拔高度"的这些冷知识

来源:中国地理信息产业协会

作者:孙和平(中科院院士、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员)

作为世界最高峰、 “地球第三极”,珠峰高程测量不仅是测绘领域的大事,也是公众关注的热点。

受印度板块与欧亚板块碰撞影响,青藏高原属于全球板块运动剧烈地区之一,珠峰也处于整体隆起和漂移状态,获得珠峰隆起的具体数值一直是地球科学工作者关注的重要科学问题。同时,珠峰高程测量数据可为研究青藏地区板块运动、冰雪消融和环境变化等提供重要参考。精准的珠峰高程测量成果不仅是国家综合实力和科技发展水平的体现,更是国家主权的象征,具有重大国际影响和社会效益。

我国第三次珠峰高程测量使用了多种技术手段,包括水准测量、全球导航卫星系统(GNSS,主要包括美国的GPS、欧洲的伽利略、俄罗斯的格洛纳斯和我国的北斗)测量、三角高程测量、航空与峰顶重力测量,以及雪深雷达测量等。这样的安排不仅有利于不同测量手段结果间的检核,更是为了综合不同观测技术以提升高程解算结果精度。

不少公众也许会问,既然有了全新的GNSS测量,为何还需要传统的重力测量?珠峰高程测量究竟有多难?不妨让我们从头说起。

身高起算的“大地水准面”

高程可通过不同测量方式得到,包括水准测量、三角高程测量、GNSS测量技术等。但无论使用哪一种技术,重力测量对高程结果的最后确定至关重要。

要讲清楚这个问题,得从高程的基本定义出发。

何谓 “高度”?比方说,一块纪念石碑上刻着珠峰高度8844.43米,这是2005年我国官方发布的“珠峰高度”值。“高度”是通常的说法,或者是口语的叫法,“高度”的专业称谓是“高程”,是指地表点沿铅垂线方向到大地水准面的距离,又称“海拔高” 或“正高”。

这里有一个“大地水准面”的概念。它指与平均海水面重合,并延伸到大陆内部的水准面。大地水准面是高程的“起算面”或“基准面”,我们所说的“珠峰高度”就是相对于这个起算面的高度值。

大地水准面是有物理含义的。在这个参考面上,重力位是等值的,所以也称为“等位面”。也有一种说法,“高程”是相对于平均海平面而言的,这就是它为什么又被称为 “海拔高”的原因。

沿用至今的“国家高程基准”

目前,世界上还没有一个十分精准的全球海平面模型,这使得全球高程系统的统一问题,一直是国际大地测量界的难题。各国采用区域平均海平面为基准定义“海拔高”。

我国在确定高程时,采用的是黄海平均海平面作为参考面。依据这个参考面,国家测绘主管部门发布了“1985国家高程基准”,一直沿用至今。它是依据青岛验潮站1952年至1979年的海潮记录得到的海平面变化“平均值”,又称为“平均海平面”。

珠峰高程就是峰顶相对于黄海平均海平面的高差。传统的珠峰高度测量采用水准测量,也就是从我国青岛水准原点开始,一路向西,就像测量楼梯台阶高度那样逐段测量,一直测到珠峰,采用高程传递方法获得珠峰高度。

但这种测量方式不仅距离长,而且路径十分复杂,每次能测量的距离十分有限,这导致高程传递误差大,人力物力和时间成本十分昂贵。在极寒、地形极复杂、极度缺氧的珠峰地区,用水准测量方法直接测定珠峰高程,还不具备应有的条件。

从多次珠峰高程测量来看,采用直接水准测量与测距高程导线测量,测得的高程仅到海拔6000多米的地方,海拔更高位置的测量使用的是三角高程测量技术。

理论上的“正常重力值”

在精密水准测量中,重力测量能起到至关重要的作用。

我们知道,由于大地水准面存在起伏,导致重力位水准面也不是标准球面。在精密水准测量中,如果沿不同测量路线测量两个水准点间的高差,这会导致得到的高差结果不一致。

在一个大范围区域开展精密水准测量,如果不加入重力改正,这些测量成果不具备严密性,就没有实用价值。通过水准点上进行加密重力测量,获得水准点上的实测重力值,再利用相邻水准点重力异常值与实测高差完成重力异常改正,通过在精密水准测量数据处理中加入正常水准面不平行改正、重力异常改正(统称“重力改正”),获得最终的观测高差,用其进行水准网平差,推算水准点的高程值,这样就能确保精密水准成果的科学性、唯一性和严密性。

另外,应该注意的是,地球并不是标准球形体,而是一个近似椭球体。为方便科学研究,历史上德国科学家引入了一个理想椭球体来近似真实地球,又称为“平均椭球体”或“参考椭球体”。

这个参考椭球体包含了地球所有质量,其面上的重力可通过理论模拟获得,行业领域将这个理论模拟称为“正常重力值”。也就是说,一旦确定了椭球面上某点位置,就可以知道该点的几何坐标和正常重力值——参考椭球面是处理大地测量成果而采用的与地球大小和形状十分接近并进行定位的椭球表面。

来自导航卫星的“大地高”

随着科技快速发展,全球导航卫星系统(GNSS)的成功应用,为高程测量带来革命性变化。在此次珠峰高程测量中,我国高精度北斗卫星导航定位系统发挥着主力军作用。

GNSS技术测量的是卫星到地表测点的距离。由于卫星到地心的距离可通过确定卫星轨道得知,那么就容易得到地表测点到参考椭球面的距离,这一距离又被称为“大地高”。

通常大地水准面与参考椭球面并不重合,两者存在一定差异,利用GNSS技术不能直接确定测点到“大地水准面”的距离,也就无法测定“高程”或者“海拔高”。

利用重力测量,能够得到珠峰地区及峰顶的重力值,在经过各种改正后(包括仪器零漂、地球固体潮、大气压力等,将峰顶点重力值归算到大地水准面),我们就能得到大地水准面的重力值。结合参考椭球体面已知的“正常重力值”,就能得到大地水准面与参考椭球体面之间的重力差(通常被称为“重力异常”),从而进一步计算得到大地水准面与参考椭球面间的距离——在珠峰地区,这一“高程异常”大约是-25米(负值代表大地水准面在参考椭球面以下)。

“新身高”精度将达历史最佳

此次珠峰顶的定点重力测量和北坡1.25万平方公里的航空重力测量,将显著提升珠峰地区大地水准面的精度,为高精度的珠峰高程测量提供历史最好的海拔高程起算基准。因此,这次珠峰高程测量的精度将达“史上最高”。

简言之,珠峰高程的测量取决于两个关键因素:一个是珠峰峰顶测点位置到参考椭球面间的距离,即“大地高”;另一个是大地水准面到参考椭球面的差距,即 “大地水准面差距”或“高程异常”。GNSS测量技术确定“大地高”,重力测量技术确定“高程异常”。

因此,“海拔高”实际就是“大地高”和“高程异常”之差。这就是为什么用GNSS测量高程时一定要使用重力测量的原因。

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