资讯 | 珠峰高程测量技术深度剖析

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2020年是人类首次从北坡成功登顶珠峰60周年、中国首次精确测定并公布珠峰高程45周年。

为推动珠峰高程测量工作顺利开展，保证测量工作的科学性、高程成果的精确性，自然资源部组织了中国测绘科学研究院等单位的精锐力量，编制珠峰高程测量技术设计书和实施方案。由陈俊勇院士杨元喜院士领衔的测绘科技与管理方面的专家对该技术设计书进行了严格审查，对“综合运用GNSS卫星测量、精密水准测量、光电测距、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”的技术路线给予了充分肯定。

本次珠峰高程测量工作重点在以下五方面实现技术创新和突破：

一

依托北斗卫星导航系统，开展测量工作

北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统是继美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。与GPS和GLONASS相比，北斗导航终端的优势在于将短信服务与导航结合，增加了通讯功能。也就是说，GPS只解决了一个“我在哪里”的问题，而北斗不仅解决了“我在哪里”，还解决了“你在这里”、“他在哪里”的问题。北斗的用户终端具有收发功能，而GPS却只具有接收功能。GPS虽然可以导航，但是不能通信，当用户手机没有信号时，便不能与外界保持联系，而有了北斗卫星导航系统，用户就可以发送卫星短信与外界沟通。1994年，我国启动北斗一号系统工程建设。2000年，我国发射2颗地球静止轨道卫星，建成北斗一号系统并投入使用，采用有源定位体制，为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务；2003年，第3颗地球静止轨道卫星升空，系统性能进一步增强。
2004年，我国启动北斗二号系统工程建设。2007年，北斗二号首颗卫星成功发射，2012年底，北斗系统正式提供区域服务。在兼容北斗一号技术体制基础上，增加无源定位体制，为亚太地区用户提供定位、测速、授时和短报文通信服务。
2009年，我国启动北斗三号系统建设。2017年11月5日，北斗三号系统首发双星成功发射，2018年底，北斗三号基本系统建成提供全球服务。截至目前，北斗三号系统只剩下最后一颗卫星，北斗全球星座组网将进入最后冲刺的高光时段。北斗三号系统继承有源服务和无源服务两种技术体制，为全球用户提供定位导航授时、全球短报文通信和国际搜救服务，同时可为中国及周边地区用户提供星基增强、地基增强、精密单点定位和区域短报文通信等服务。

星基增强系统

星基增强系统（Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ － Ｂａｓｅｄ Ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ，ＳＢＡＳ），是一个利用地球静止轨道卫星（ＧＥＯ）搭载卫星导航增强信号转发器，向用户播发星历误差、卫星钟差和电离层延迟等多种信息，以实现改进原有卫星导航系统定位精度的系统。

ＳＢＡＳ 的特点是利用静止轨道卫星在卫星导航频点上直接广播信号以提供增强信息，同时这个信号也可以用于测距，可以增强卫星导航系统的可用性和精度性能。

北斗系统建设地基增强系统以及星基增强系统，天地网络融合构成了中国北斗高精度定位能力基础设施，这是提高实现高精度位置服务的中国特色解决方案。

二

国产测绘仪器装备全面担纲本次测量任务

本次高程测量采用GNSS卫星测量、精密水准测量、光电测距、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相结合的技术路线，在涉及的所有技术路线中全面采用国产测绘仪器装备。中国测绘科学研究院在项目策划、组织管理、国际协调、技术设计、方案制定、仪器装备测试与研发、外业测量、数据处理、航空重力测量、新闻宣传和成果发布等方面提供全方位技术支持保障，并承担了2020珠峰高程测量检核计算、国产GNSS仪器选型测试、长距离测距仪研发与定制、实景三维推演和工作布局系统研制等工作。

三

应用航空重力技术，提升测量精度

航空重力技术

传统的地面静态重力测量方法尽管能够通过一定的手段获取地球重力场的高频信息，但受地形等客观因素的制约，不仅效率低下，而且只局限于陆地上的部分地区。航空重力测量是以飞机为载体，综合应用重力仪（或加速度计）、惯性导航系统（INS）、GPS和测高、测姿设备测定近地空中重力加速度的重力测量技术。它不受地形等客观因素的制约，可以在一些难以开展地面重力测量的区域快速、经济地获取高精度、大范围的重力场信息。与地面重力测量方法相比，无论是在人力、物力还是在测量作业便利方面都具有一定的优越性，是卫星重力测量和地面重力测量的有效补充方法。

航空重力测量是航空地球物理勘查的关键技术之一，是实现找矿突破高效、快速和绿色的现代化勘查技术。因长期受制于国外对敏感高科技的封锁和垄断，该技术发展缓慢更难言大规模应用。近年来我国在该领域有所突破，最新技术将用于珠峰测量。

航空重力技术的创新和突破

在国家“863”计划重大项目和地质调查项目的支持下，中国地质调查局航空物探遥感中心（2006—2015年）组织国防科学技术大学等6家单位，以技术装备国产化和工程化应用为目标，立足自主创新，突破了航空重力关键理论和技术难题，取得了从理论、装备到勘查实践的全链条创新，成功应用于找矿突破战略行动等国家重大资源调查评价工作，取得显著的社会经济效益。该项目有以下成果：

（1）研制出具有自主知识产权的捷联式航空重力仪，实现了航空重力制造技术“零”的突破。提出利用国产高精度惯性器件组合思路，解决了因国内无高精度重力传感器导致多年来航空重力信息提取无法逾越的难题。建立了捷联式航空重力测量和误差模型，以及航空重力异常解算的滤波模型，论证了各分项指标精度要求和测量参数置信度评估方法，为航空重力仪的设计和重力测量数据处理提供了理论基础。采用激光陀螺捷联惯导方案研制航空重力仪，突破捷联式航空重力仪加速度高精度获取、微弱信号提取、组合导航解算、数据滤波等关键技术，解决了高动态噪声(近万mGal)下重力微弱信号(几十mGal)提取的难题，自主研制出捷联惯导式航空重力仪和数据处理软件，填补国内空白，与国外先进技术同步。采用FIR窗函数和Kalman等滤波方法，有效地解决了高动态测量噪声下航空重力扰动测量值解算的难题。通过异常位置和范围的有效确定、构造指数的自动判断等方法技术，提高了欧拉反演深度的稳定性和精度；通过深度加权函数方法，提高了重力反演密度分布的垂向分辨率，解决了反演结果的上漂问题。

（2）研制集成适用于能源资源勘查的航空重力勘查系统，实现了航空重力应用技术跨越发展。研制集成了GT-1A/2A型直升机航空重磁和固定翼航空重力、重磁（图1）、重磁遥4套实用型勘查系统，解决了航空重力勘探方法技术，使中国航空重力技术指标达到国际先进水平，实现了中国资源领域航空重力勘查从无到大规模生产的跨越，具备每年10万km以上的调查能力。

图1 机舱中的航空重磁综合勘查系统（3）在国内首次提出了航空重力缓起伏飞行、地形与布格改正、改正精度评价3项方法技术，系统地研究了航空重力精度评价等9项方法技术，形成了航空重力测量技术要求。建立了“飞机选型改装、科学设计规划、精细策划作业、现场数据处理、质量实时监控、地面快速查证、信息共享反馈”的航空重力调查技术体系，形成一套适用于陆域、海洋不同测量景观的航空重力找矿技术方法，快速有效地服务于资源勘查和基础地质研究。整体测量精度高、稳定性好、作业效率高，应用技术达到国际先进水平，大大地提升了能源资源安全保障的服务能力。
自主研制的捷联式航空重力仪和软件均具有完全自主知识产权，打破了国外技术封锁与垄断，填补了多项国内技术空白，总体达到国际先进水平，实现了航空重力研制技术“零”的突破。

四

利用实景三维技术，直观展示珠峰自然资源状况

实景三维GIS是在二维GIS的基础之上，增加了连续的地面可量测影像库作为新的数据源，并通过开放的软件与GIS无缝集成，从而给用户提供了具有丰富环境信息和立面信息的实景可视化环境，有效的支持了管理和决策等高级应用。

三维技术较早应用于测绘，中国工程院院士刘先林专门总结了它的几个发展阶段：第一是地形三维，第二是城市传统三维（用二维地图改造为三维数据），第三是实景三维（无结构、无分层分类），第四是素模，第五是实体三维。在他看来，只有实体三维才是“实景三维中国”所要达到的终极目标。

“实景三维”看珠峰

五

测绘队员登顶观测，获取可靠测量数据

国测一大队与珠峰测量

珠峰地区是人类挑战生命极限的极地，真正的生命禁区。然而，欲测量其准确高度，必须有一定规模的测量队伍进入纵深地区进行观测，否则无法得到科学而令人信服的结论。

1966年、1968年、1975年、1992年、1998年、2005年，为精确测量珠峰高程，国测一大队的测量队员大规模进入珠峰地区，他们凭着惊人的勇气，超常的坚忍，顽强的意志，在生命禁区勇斗风雪，挑战自我，在高寒缺氧、极端艰苦的条件下连续奋战，勇攀地球之巅，跨越科学高峰，谱写出一曲气壮山河、感天动地的英雄史诗。

 

1966年国测一大队人员两次进入珠峰测区，建立定日到珠峰山麓的大地控制网，并获取珠峰地区大气折光的试验数据。测量队员经过天文、重力、水准、物理测距、折光试验等各项测量工作，经计算获得珠峰峰顶的雪面高程。这是珠峰第一次有了中国测量的高度，但是由于这次测量没有登顶，峰顶未设觇标，高程没有对外公布。1968年，国测一大队再度两进两出珠峰，这两次在珠峰地区的布测，为1975年的珠峰高程测量积累了第一手资料。

 左图：1975年,国测一大队在珠峰进行大地测量。

 中图：2005年 5月,国测一大队队员在珠峰进行水准测量。

 右图：2005年10月9日,国家测绘局在北京宣布珠穆朗玛峰的高度为8844.43米。这是竖立在珠峰脚下的珠穆朗玛峰高程测量纪念碑。新华社发(资料照片)

1975年，国测一大队几名队员参加中国登山队测量分队，他们成功攀登到珠峰北坳7050米的高度，这也是我国测绘工作者当时到达的最高测量位置。5月27日，我国首次将测量觇标立于珠峰之巅。从珠峰附近选设的9个经过三角测量、导线测量、水准测量和三角高程测量方法求得坐标和高程的测站点上，对珠峰觇标进行水平角和垂直角观测，根据水平角确定珠峰的水平位置和各测站至珠峰的水平距离。根据三角高程测量原理，由这些垂直角和水平距离确定各测站同珠峰之间的高差，进而推得从我国黄海平均海面起算的珠峰高程为8848.13米，这一数据由我国政府对外发布，得到全世界的公认。在20世纪90年代的中外合作珠峰测绘中，国测一大队外业测量成果丰硕，并在实践中引入新的测绘技术，培养了大批人才，锻炼了队伍。2005年3月至5月，国测一大队再次承担了测量珠峰高程的任务，他们仅用了一个多月的时间，就在青藏高原布下了覆盖30多万平方公里的监测网，在珠峰脚下布设了6个交会点位，并于5月22日成功进行珠峰登顶测量。2005年珠峰高程复测采用了GPS测量、重力场的理论和方法、峰顶冰雪层雷达探测等现代测量技术，结合水准测量、三角高程测量、电磁波测距、高程导线测量等经典测量方法，登上了世界测绘科技的新高峰。2005年10月9日，珠穆朗玛峰的新高程数据向世界公布：峰顶岩石面海拔高程为8844.43米，峰顶岩石面高程测量精度±0.21米；峰顶冰雪深度3.50米，原1975年公布的珠峰高程数据8848.13米停止使用。

据介绍，此次珠峰高程测量的成果可用于地球动力学板块运动等领域研究。精确的峰顶雪深、气象和风速等数据，将为冰川监测、生态环境保护等方面的研究提供第一手资料。GNSS测量、水准测量、重力测量的成果结合以前相关资料，不仅可以准确地分析目前地壳运动变化影响情况，同时也可为后续的似大地水准面模型建立提供准确的重力异常数据。重力测量成果可用于珠峰地区区域地球重力场模型的建立和冰川变化、地震、地壳运动等问题的研究。

参考文献：

[1]李霞、于德浩、龙凡、韩天成、杨清雷. 航空测量重力综述[A]; 中国地球物理学会会议论文集[C].2015

[2]航空重力调查技术创新[J]. 中国地质调查成果快讯，2016年第一卷（总第024期）

文章转载自微信公众号中山大学测绘科学与技术学院，来源：科学24小时作者、科技日报、卫星与网络、陕西测绘地理信息局、中国青年报、中国地质调查、鱼眼看矿业、北斗科技文化

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