2020珠穆朗瑪峰高程測量數(shù)據(jù)獲取方案

(自然資源部第一大地測量隊，陜西 西安 710054)

珠穆朗瑪峰(以下簡稱珠峰)作為世界最高峰，其精確高度一直被人類所關注。精確測定珠峰高程對于研究板塊運動和演化、生態(tài)環(huán)境變化等具有重要意義，也是人類追求科技發(fā)展、研究地球、探索自然的象征。近50年來，我國單獨組織或與其他國家合作，對珠峰一共進行了7次大規(guī)模的外業(yè)測量、數(shù)據(jù)處理和研究工作，并分別于1975年、2005年和2020年正式發(fā)布了珠峰高程測量成果[1-4]。國內專家學者對珠峰高程測量進行了一系列研究，常吉慶[5]詳細介紹了1714—2005年間，中、印、美、意等國進行歷次珠峰高程測量采用的技術方案；陳俊勇等[6]對2005年珠峰高程測量項目實施與成果進行了詳細闡述，分析了2005年測量過程中的關鍵技術進展；黨亞民等[7-9]對我國開展的歷次珠峰高程測量中的高程基準、峰頂雪深探測、珠峰高程值的確定等問題進行了探討，對2005年珠峰高程測量的全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)數(shù)據(jù)處理與大地高確定方法進行了研究，并對2020年珠峰高程測量的數(shù)據(jù)處理進行了詳細闡述與分析；郭春喜等[10]對2005年珠峰高程測量中的數(shù)據(jù)處理、似大地水準面精化及珠峰正高確定方法進行了研究，分析了珠峰高程測量數(shù)據(jù)處理的詳細技術方案。2020年相對于之前開展的珠峰測量項目又有了新的技術進步，本研究主要針對本次珠峰高程測量的數(shù)據(jù)獲取技術方案進行介紹，著重從測繪設備和數(shù)據(jù)獲取技術方案兩個方面與2005年實施的珠峰測量方案進行對比分析，并探討其中的技術特點。

1 觀測實施方案

1.1 總體技術路線

2020珠峰高程測量總體技術路線包括外業(yè)觀測和內業(yè)處理兩大部分。外業(yè)觀測包括珠峰區(qū)域控制測量和峰頂測量兩方面，控制測量包括控制點普查與補埋、坐標控制、高程控制、重力控制等，峰頂測量工作則包括峰頂全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)聯(lián)測、峰頂交會測量、冰雪雷達探測、峰頂重力觀測、峰頂氣象元素觀測，數(shù)據(jù)獲取方法既采用了經典的大地測量方法，又采用了航空重力、冰雪雷達探測等現(xiàn)代測繪技術。內業(yè)處理則包括珠峰測量數(shù)據(jù)處理和珠峰高程測量檢核計算兩方面?？傮w技術路線如圖1所示。

圖1 總體技術路線Fig. 1 Overall technical route

1.2 高程控制測量

高程控制測量首先將1985國家高程基準傳遞至珠峰地區(qū)。2015年4月25日尼泊爾發(fā)生8.1級大地震，為保證高程起算點的穩(wěn)定性，2020年珠峰高程測量高程控制點從距珠峰約260 km的國家一等水準點I薩拉65基上(日喀則深層基巖點)起測，沿途布設一等水準測量高程控制網，將我國高程基準成果傳遞至與尼泊爾相鄰的樟木口岸附近。同時，在此基礎上通過二等、三等水準測量、高程導線測量和跨河水準測量獲取高程控制點的正常高和6個交會點(大本營、中絨、Ⅲ7、西絨、東絨2和東絨3)的正常高。高程控制網施測嚴格按照《國家一、二等水準測量規(guī)范(GB/T 12897—2006)》[11]、《國家三、四等水準測量規(guī)范(GB/T 12898—2009)》中的有關規(guī)定執(zhí)行[12]，直接水準無法連測的交會點及沿登山線路推進的GNSS/水準/重力點，采用不低于四等水準精度的測距高程導線的方法施測。水準路線總長度約782 km，測距高程導線總長度為18.5 km。高程控制網布設情況如圖2所示。

圖2 高程控制網布設示意圖Fig. 2 Diagram of elevation control network layout

1.3 坐標控制測量

坐標控制網包含兩部分：GNSS基準站網和珠峰局部GNSS控制網，按照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范(GB/T 18314—2009)》[13]實施。GNSS基準站網選取了西藏、青海、新疆范圍內穩(wěn)定的IGS站、GNSS基準站、臨時基準站等107點作為首級控制網點，臨時GNSS連續(xù)運行基準站分別位于珠峰大本營和曲當鄉(xiāng)，運行時間30天以上，基準站網點觀測按照B級GNSS測量技術要求實施。珠峰局部GNSS控制網在利用珠峰及周邊區(qū)域的GNSS連續(xù)運行基準站的基礎上，沿部分一等水準路線和二等水準路線布設包括6個交會點在內的61個GNSS控制點，并在控制點上進行水準和重力測量，服務于似大地水準面精化等工作，局部GNSS控制網點按照C級GNSS測量技術要求實施。珠峰局部GNSS控制網布設如圖3所示。

圖3 局部GNSS控制網布設示意圖Fig. 3 Schematic diagram of local GNSS control network layout

1.4 重力測量

在水準路線和登山路線上測定重力值，用于水準測量數(shù)據(jù)處理以及重力場和似大地水準面精化。重力測量按照《國家重力控制測量規(guī)范(GB/T 20256—2019)》[14]、《國家加密重力測量規(guī)范(GB/T 17944—2018)》[15]技術要求實施。珠峰區(qū)域共實測重力點210點，其中包括絕對重力點2點、基本重力點1點、二等重力點5點、加密重力點202點。起算點利用FG5絕對重力儀觀測，地面相對重力采用CG-6相對重力儀觀測，登山路線重力點采用國產Z400型相對重力儀進行觀測，未構成附和或閉合觀測路線。重力測量點位分布如圖4所示。為獲取珠峰區(qū)域密集、均勻的高精度重力數(shù)據(jù)，在進行地面重力測量的同時，還采用了航空重力測量手段。利用加拿大CMG(Computer Modelling Group Ltd.)公司的GT-2A航空重力儀和國產DGA-01航空重力儀同時進行數(shù)據(jù)采集，飛行測線間隔5 km，共采集測線5 635.2 km[8]。

圖4 重力測量點位分布示意圖Fig. 4 Distribution diagram of gravity measuring points

1.5 峰頂測量

登頂成功后需要進行的工作主要有：全站儀交會測量、GNSS同步測量、相對重力測量、冰雪雷達探測和氣象元素測量。

在登頂成功并架設覘標后，首先進行峰頂GNSS觀測，峰頂GNSS接收機與地面7個地面控制點和1個臨時連續(xù)運行基準站同步組網觀測，具體觀測技術參照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范(GB/T 18314—2009)》[16]的規(guī)定執(zhí)行，其中各交會點GNSS同步聯(lián)測不少于4 h，峰頂點位則根據(jù)峰頂停留時間和具體狀況盡可能地增加采集時間。峰頂GNSS天線使用功分器連接2臺接收機進行記錄，采樣頻率20 Hz，最終峰頂采集時長約40 min。與此同時，分布于海拔5 200～6 000 m的6個交會點開始利用超長測距全站儀進行交會測量工作，交會測量主要觀測水平角、垂直角和距離，利用該方法的主要目的是與GNSS測量結果進行比對檢核，作業(yè)參照《國家三角測量規(guī)范(GB/T 17942—2000)》[17]和《國家三、四等水準測量規(guī)范(GB/T 12898—2009)》[18]執(zhí)行。利用國產Z400相對重力儀在峰頂開展重力觀測，利用專用溫度氣壓計全程采集峰頂溫度、濕度、氣壓。使用冰雪探測雷達按既定路徑進行連續(xù)動態(tài)探測。

1.6 氣象元素觀測

氣象元素測量包括三方面內容：利用高空氣球探候、在交會點利用干濕溫度計和氣壓計獲取氣象元素、峰頂利用專用溫度氣壓計獲取氣象元素。在大本營施放高空探候氣球時，在交會測量期間每天施放探空氣球4次，在登頂測量期間每天施放7次，海拔每隔100 m獲取該高度的溫度、濕度、氣壓等氣象信息。實施氣象元素觀測主要有4個目的：①為計算各觀測站的大氣垂直折光系數(shù)K提供溫度梯度數(shù)據(jù)[19]；②為光電測距方法測定測站與峰頂距離時提供氣象改正數(shù)據(jù)；③通過規(guī)律測定海拔4 500～9 000 m間的氣象信息，為登頂作業(yè)提供保障；④為氣象、環(huán)境等其他學科研究提供實測數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)獲取方案技術特點

相對于2005年珠峰高程測量，2020年珠峰高程測量數(shù)據(jù)獲取方案主要有如下3方面特點。

2.1 充分使用國產設備

GNSS接收機、超長測距全站儀、冰雪探測雷達等國產設備全面承擔本次珠峰高程測量任務。峰頂GNSS測量采用國產華測P5接收機和進口Trimble ALLOY接收機同時進行觀測，使用GAMIT/GLOBK軟件對數(shù)據(jù)進行處理并比對結果，表明國產設備與進口設備精度相當，且國產設備和進口設備計算的峰頂坐標差異均小于1 cm[8]。

超長測距全站儀主要用于交會測量工作，當前市場主流全站儀的測量極限距離均不足10 km，而6個交會點距峰頂?shù)木嚯x均大于10 km，如表1所示，大本營交會點距峰頂最遠距離達18.3 km。2005年珠峰測量采用進口WILD T2/T3、TCA2003等設備進行測角，采用WILD DI3000測距儀進行測距[20]，2020珠峰高程測量則使用了國內廠家研發(fā)的超長測距全站儀。項目前期對超長測程全站儀進行了相關測試，結果表明該設備測角精度2″，測距精度2 mm+2 ppm，測程可達19.5 km。分別在基線長度15.4、19.5 km進行精度測試，將超長測距全站儀測量結果與GNSS靜態(tài)測量計算的基線長度比對，結果差值小于3.5 cm，一致性良好。

表1 6個交會點與峰頂?shù)木嚯xTab.1 Distance between the six meeting points and the summit

珠峰峰頂常年有冰雪覆蓋，冰雪層厚度受季節(jié)、溫度、降雪、風力及冷凍風化、峰頂脫片等因素影響較大，雪面高程的變化對研究板塊運動和全球氣候變暖具有重要的科學意義。冰雪探測雷達作為珠峰高程測量的關鍵儀器裝備，其作用是探測珠峰峰頂?shù)谋雍穸?，描繪峰頂雪面地形。2005年使用了意大利IDS公司生產的雷達設備，如圖5(a)所示，其中集成了定位模塊，但由于技術條件有限只能接收GPS衛(wèi)星信號，并且在峰頂測量過程中需手動打入GPS時間標記。2020年，國產GNSS和雷達生產廠家聯(lián)合定制了國產冰雪探測雷達，主要解決了兩個問題：一是將國產GNSS接收機和探地雷達進行集成；二是實現(xiàn)了GNSS接收機與雷達數(shù)據(jù)的獨立自動記錄，并存儲了GNSS與雷達數(shù)據(jù)的時間同步信息用于后差分坐標與冰雪層厚匹配。如圖5(b)所示，設備開機后無需人工操作，可同時接收北斗衛(wèi)星信號，經測試能夠在-40 ℃的環(huán)境中連續(xù)工作1 h以上，滿足在峰頂惡劣環(huán)境中的應用需求。雷達測量頻率設置為40 Hz，時窗設置為100 ns，最終獲取了珠峰峰頂?shù)挠行в^測值11 326道[8]。

(a)2005年使用的冰雪探測雷達 (b)2020年使用的國產冰雪探測雷達

2.2 控制測量更全面

穩(wěn)定、高精度的控制網是提高成果可靠性的必要條件。相對于2005年，2020年珠峰高程測量選擇的坐標控制點和高程控制點范圍更廣，數(shù)量更多，以避免起算點的坐標和高程受到“4·25”尼泊爾大地震和珠峰局部板塊運動的影響[21-23]。2005年珠峰高程的控制起測點為I薩拉40基，該點位于拉孜境內，距珠峰約160 km，總水準路線長度約400 km，2020年則從更遠的日喀則一等水準點起測，總水準路線長度比2005年增加了約382 km。

2005年布設了青藏地區(qū)地殼運動監(jiān)測網用于提供基準和地球動力學研究，2020年則基于西藏及其周邊省已建成的國家GNSS基準站作為起算基準和外部首級控制點，將最終坐標成果歸算到CGCS2000國家大地坐標系。同時在珠峰外圍布設了更多GNSS控制點，保證了起算數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，為后期解算提供了豐富的數(shù)據(jù)源，兩次GNSS測量情況如表2所示。

表2 2005年與2020年珠峰高程測量GNSS控制網點數(shù)Tab. 2 Number of GNSS control points for Qomolangma height surveying in 2005 and 2020

表3 2005年與2020年重力測量情況對比Tab. 3 Comparison of 2005 and 2020 gravity measurements

2.3 重力測量內容更豐富

以區(qū)域重力點數(shù)據(jù)、地形模型、地球重力場模型和GNSS、水準成果等為基礎數(shù)據(jù)，采用莫洛金斯基理論下的移去-恢復技術特別適合解算珠峰地區(qū)的似大地水準面，其中密度高且均勻的加密重力點對于提高模型精度和計算大地水準面差距至關重要[24-25]。如表3所示，相對于2005年，2020年珠峰高程測量重力測量方案主要有4個方面的進步：

1) 2005年重力起算成果從距珠峰大本營約260 km的日喀則單點起算，點位精度為10 μGal，2020年則分別在日喀則和距珠峰約18 km的GNSS基準站進行了絕對重力實測，起算精度可達0.3 μGal；

2) 相比于2005年，2020年布設了更多的二等重力點和加密點，利用CG-6相對重力儀首次將高精度的重力成果引測到了海拔6 500 m營地；

3) 2005年相對重力測量最高推進到了海拔7 790 m營地，峰頂重力通過推算得到，而2020年則首次在珠峰峰頂實測了相對重力值；

4) 在珠峰地區(qū)首次使用航空重力測量技術，獲取了覆蓋珠峰周邊約12 700 km2的重力格網數(shù)據(jù)，文獻[8]表明，航空重力數(shù)據(jù)成果使似大地水準面模型精度提高了38.5%。

利用豐富的重力測量成果，2020年建立了歷史上精度最高的珠峰區(qū)域似大地水準面模型，模型精度從2005年的±14.6 cm提升至±4.8 cm，同時也使模型的分辨率從2.5′×2.5′提升至1.5′×1.5′。

3 結語

對2020年珠峰高程測量實施中的高程控制、坐標控制、重力測量、峰頂測量、氣象元素觀測等工作進行了闡述，并與2005年珠峰高程測量數(shù)據(jù)獲取方案進行了對比分析。2005年獲取的珠峰峰頂雪面正高精度為0.188 m，2020年獲取的基于國際高程參考系統(tǒng)的珠峰雪面正高精度為0.06 m，達到了歷史最高精度。2020年珠峰高程測量使用了大量高性能國產設備，控制測量、重力測量等方案有了多方面進步，成功獲取了高質量的原始數(shù)據(jù)，這些都成為提高最終成果精度的重要因素。

珠峰地區(qū)低溫、低壓、環(huán)境復雜多變，克服這些因素開展系統(tǒng)性的測量工作難度極大，2020年珠峰測量綜合使用了傳統(tǒng)大地測量技術方法和測繪新技術新方法，創(chuàng)造了多個歷史第一：首次在峰頂使用國產設備和北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行GNSS測量；首次實測獲取峰頂相對重力數(shù)據(jù)；首次在珠峰區(qū)域開展航空重力測量，這些新的成就與我國科學技術發(fā)展密切相關。

此外，還采用了InSAR觀測數(shù)據(jù)對珠峰區(qū)域地殼運動與形變進行了監(jiān)測分析；采用光學與SAR遙感技術，對珠峰及周邊區(qū)域的山地冰川進行了變化監(jiān)測；利用星載影像結合DEM構建珠峰地區(qū)實景三維模型，為珠峰地區(qū)自然資源監(jiān)測研究提供了更豐富的數(shù)據(jù)源。