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我们究竟是如何测量珠峰的?

醍醐 2021-02-11

The following article is from 可视化星球 Author 可视化星球

这是来自喜马拉雅的

第 1064 份礼物


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珠峰测量的背后是一部测绘科技进步史。那么,300年来,我们究竟是如何测量珠峰的呢?


01 珠峰诞生


数千万年前,印度板块与欧亚板块碰撞挤压,青藏高原逐渐隆起并形成“世界屋脊”。

▽ 印度板块与欧亚板块碰撞示意 | 来源@


1718年前后,在清康熙帝的派遣下,我国测量队员带着铜镀金矩度全圆仪、铜质御制方矩象限仪等先进仪器(现藏北京故宫)第一次测量了珠峰高程。

他们在《皇舆全览图》上标注其为“朱母郎马阿林,即珠穆朗玛峰。但这次测量并没有留下珠峰高程数据,也并不知道它是世界最高峰。

▽ 《皇舆全览图(1721)》的牙鲁藏布江图 | 制图@王朝阳/可视化星球


到了十九世纪中叶,英属印度测量局对喜马拉雅山脉进行了广泛调查与测量。在此过程中,他们发现并命名珠峰为Peak XV。之后,他们测量了珠峰高程并改名Mount Everest,珠峰的高度开始为世人所知。


02 印度的遥测时代



1847年,英属印度测量局在离珠峰322km的恒河平原上运用三角测量法对其进行了首次测量,测得高程为8778m(一说8783.7m)。当时的空气污染并不严重,所以300km外也能观测珠峰。


▽ 珠穆朗玛峰南麓 | 制图@王朝阳/可视化星球


三角测量法中,首先要得到测点到珠峰顶的距离(下图L3)


▽ 三角测量——测点与珠峰顶的距离 | 制图@郑伯容/可视化星球


再测得珠峰顶的高度角(下图β′),即可计算出珠峰高度。


▽ 三角测量——珠峰高度 | 制图@郑伯容/可视化星球


但本次测量误差很大。在300km外测量一座数千米高的山峰,其难度显然远超一般的测量。


第一,测量本身会产生误差。因为距离远,微小的角度误差都会产生巨大的高度误差。


第二,光线折射产生误差。光线在通过不同密度介质时会发生折射,而大气层是一个上疏下密的圈层。


因此从数千米高的山峰反射到我们眼睛里的光线会产生明显的折射,产生大气折光差,从而对测量结果造成影响。


▽ 折光差示意 | 制图@郑伯容/可视化星球


为获得更准确的结果,之后数十年间,印度测量局又多次观测珠峰,一是更靠近珠峰,二是引入折光系数修正测量结果。其计算出的珠峰高程8839.8~8882m不等。


▽ 喜马拉雅山的测量(1858,Andrew S. Waugh Col) | 制图@王朝阳/可视化星球


但这样的结果离精确还有很远的距离,从其巨大的变动幅度就可以看出。问题出在哪里呢?


第一,地球近似椭球体。而椭球体的表面为曲面,远达100多km的距离上珠峰和测量点的“水平面”显然不在一个平面上。


▽ 椭球体对测量结果的影响 | 制图@郑伯容/可视化星球


这就需要天文测量来确定两者的经纬度和相对位置关系。通过测量两地同一天太阳最高时的时间差来确定经度,测量北极星的高度角即可确定纬度(北半球)。


▽ 经度测量示意 | 制图@王朝阳&郑伯容/可视化星球


▽ 纬度测量示意(北极星也不在正北,需校正误差) | 制图@王朝阳&郑伯容/可视化星球


第二,地球只是近似椭球体,其实际形状并不规则


我们所测量的“高程”是海拔,即相对于平均海水面的高度,在陆地区域则由海平面延伸形成大地水准面——假想的海平面。在这个面上重力位处处相等(重力等位面),水不会流动。由于地球物质分布不均,这个面本身是高低不平的。


为了应用方便,我们常用似大地水准面作为替代。网上被广泛传播的“地球真实的形状”就是对大地水准面形状的模拟,显示了各地似大地水准面相对于椭球体的高度。


▽ 大地水准面高度(EGM2008),高度做了夸张 | 制图@王朝阳/可视化星球


而要获取各地相对于大地水准面的精确高度(海拔),需要水准测量重力测量


▽ 水准测量示意(h1+h即为海拔) | 制图@郑伯容/可视化星球


因为各地平均海水面并不一致,我国统一以青岛观象山的水准原点作为高程的起算点。该点的高程则由黄海多年平均海水面确定。


重力测量利用重力仪测量各地的重力加速度,通过重力值确定当地的大地水准面。


▽ 重力测量示意 | 制图@郑伯容/可视化星球


第三,垂线偏差。即对于椭球体、大地水准面及似大地水准面,它们在同一点的“垂线”并不在一条线上。


▽ 垂线偏差示意 | 制图@王朝阳/可视化星球


因此,1921~1954年,印度又开展了多次测量。经过一系列技术改进后,测得了比较精确的结果:8847.6m,但仍有明显不足。主要问题在于:


第一,没有在珠峰树立测量标识——(chān),不同测点观测到的目标不一致。毕竟直到1953年人类才首次成功登顶珠峰。


▽ 无觇标与有觇标测量示意 | 制图@郑伯容/可视化星球


第二,珠峰顶覆盖着厚厚的冰雪,并不能算作珠峰本身。


▽ 冰雪覆盖示意 | 制图@郑伯容/可视化星球


03 中国的赶超时代




精确测量珠峰的重任落到了中国。


由于珠峰位于中国边境,因此测量珠峰高程对于维护领土主权也有着重要意义。新中国刚成立时,内地到西藏的陆路交通困难重重,经海路绕道印度进藏甚至更容易。


▽ 主要进藏路线示意 | 制图@王朝阳/可视化星球


1966年,珠峰高程测量终于拉开帷幕。


几年内,中国在珠峰周围进行了一系列基础测量工作,把测站点位推进到距峰顶不足10km、海拔6000多m的珠峰脚下。


同时,通过释放探空气球,实测高空温度、气压等数据,计算折光系数,提高了测量精度。最终测得珠峰高程为8849.75m,但缺陷是没有树立觇标。


1975年,中国开展了第二次测量。这次测量最主要的突破就是首次登顶珠峰放置觇标,并探测雪深,同时把重力点推进到海拔7790m、距顶峰仅1.9km的地方。


这次得到的值正是大家熟知的8848.13m,精度±0.35m,而覆雪厚度为0.92m(不含结冰层)。


20世纪90年代起,中外多次开展了珠峰复测,并引入了先进的GPS技术。GPS是全球导航卫星系统(GNSS)的一种,其利用人造卫星实现对地球点位的精确测量。


▽ GPS测量示意(GPS直接测量的是大地高而非海拔/正高) | 制图@郑伯容/可视化星球


同时,利用雪深雷达对冰雪厚度进行了探测。但几次测量结果并不理想,中国未更新珠峰高程。


▽ 冰雪深度测量示意 | 制图@郑伯容/可视化星球


因此,2005年中国再次对珠峰高程进行了测量。此次测量有三套观测方案同时进行:


1.传统的三角测距法观测峰顶树立的觇标与测距反射棱镜;
2.用现代空间大地测量法,将GPS架设在峰顶觇标顶部同轴观测;
3.利用雪深雷达组合GPS动态定位技术观测峰顶覆雪厚度与雪面地形。


▽ 2005年珠峰交会测量示意 | 制图@王朝阳&郑伯容/可视化星球


最终测得的珠峰岩石面高程为8844.43m,精度±0.21m,冰雪厚度则为3.50m,是目前为止最可靠的结果。


既然我们已经测得这么精确的珠峰高程,为什么15年后还要再测呢?


第一,地壳在不断运动,珠峰高程也在变化之中,2015年尼泊尔发生的8.1级大地震也可能产生很大影响;


第二,国际上对于珠峰高程的认定存在差异;


第三,测量技术在进步,我们可以获取更可靠的数据。

 

然而,测量珠峰高程并不仅仅为了得到高度这一个数值,也是为了获取珠峰区域一系列科学数据,这对于板块运动研究、冰川监测和生态保护等都十分重要。


虽然人类的飞行技术已经十分先进,但要将测量仪器送至近9000m的峰顶并开展测量仍然只能靠人力。2020年的今天,我们再次向顶峰发起冲击。那么这次测量有什么新突破呢?


第一,这将是我国专业测绘人员首次登顶珠峰测高,更能保证测量精度,而以前是由登山运动员登顶。


第二,GNSS测量将以中国的北斗系统为主,参考GPS等其他导航卫星系统。


第三,雪深雷达、重力仪等等一系列测量仪器都将使用国产的,5G信号也覆盖了珠峰北坡。


▽ 历次珠峰高程测量 | 制图@王朝阳&郑伯容/可视化星球


可以说,测量珠峰的历史就是一部测绘理论技术发展完善的历史。


人类对珠峰高程的求证

是认识自然、追求真理的过程;

是创新理论、改进技术的过程;

是突破极限、挑战自我的过程;


而对于中国来说,也是追赶与超越的过程。


我们攀登的是地球的最高峰,更是测绘科技的最高峰。

 


-End-



撰稿 | 王朝阳

制图 | 王朝阳 郑伯容

审校 | 巩向杰




参考文献:
1.徐永清. 18世纪珠峰测绘考略[N]. 中国测绘报,2015-04-28(003)

2.陈俊勇,庞尚益,张骥,张全德. 对我国35年来珠峰高程测定成果的思考[J]. 测绘学报,2001(01):1-5

3.常吉庆. 历次珠峰高程测量情况简介[J]. 测绘通报,2005(10):2-6

4.张燕平,张江齐. 求证珠穆朗玛峰海拔高程[J]. 测绘科学,2006(S1):7-13

5.郭春喜,王斌,程传录,庞尚益. 珠穆朗玛峰高程测量[J]. 地球科学与环境学报,2009,31(01):106-110

6.Zheng G, Wang H, Wright T J, et al. Crustal deformation in the India‐Eurasia collision zone from 25 years of GPS measurements[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2017, 122(11): 9290-9312

7.程效军,鲍峰,顾孝烈. 测量学[M]. 上海:同济大学出版社, 2016

8.魏玉坤、武思宇、王沁鸥. 为啥一定要靠人登顶?测量意义何在?……聚焦2020珠峰高程测量五大焦点[OL]. www.xinhuanet.com/2020-05/13/c_1125980427.htm







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