基于gps技術(shù)的珠江海拔高程測量方法

基于gps技術(shù)的珠江海拔高程測量方法

1關(guān)于峰峰測量工作珠穆蘭瑪峰（以下簡稱珠峰）位于中國和尼泊爾之間的邊界上，也是世界上的亮點。過去的一百多年里,對珠峰高程測量的科學(xué)探索一直是國內(nèi)外科學(xué)家關(guān)注的熱點。此外,開展對珠峰的海拔高程測量,必然會涉及珠峰地區(qū)的整體大地測量工作。我國在1975年正式的珠峰高程測量和過去30多年里進行的幾次以科研為目的的珠峰高程測量,實際上涵蓋了包括天文、重力、三角、水準(zhǔn)以及GPS定位等所有的大地測量技術(shù)和手段。尤其在珠峰地區(qū)平均海拔5500m的區(qū)域里開展大地測量野外工作,也是對我國大地測量整體水平的一個全面考衡。過去珠峰高程測量及在該地區(qū)開展的整體大地測量工作,一般都聚焦在珠峰海拔高程的精確測量上。實際上,珠峰地區(qū)整體大地測量工作的開展同樣具有重要的科學(xué)意義。尤其在GPS等現(xiàn)代大地測量技術(shù)的引入后,如何綜合利用野外觀測數(shù)據(jù)精確確定珠峰海拔高程,各種測量手段的誤差分析及對珠峰高程確定的影響,新技術(shù)的引入對珠峰高程測量的影響,以及如何利用30多年積累的珠峰地區(qū)大地測量資料開展相應(yīng)的科學(xué)研究,同樣具有非常重要的科學(xué)意義。本文將結(jié)合我國過去30多年珠峰高程測量的成果,對我國近期即將開展的珠峰高程測復(fù)可能會涉及的幾個問題進行探討。2測量方法2.1我國與印度的立法規(guī)定比較科學(xué)的珠峰高程測量始于17世紀(jì)。1847年,在珠穆朗瑪峰另一側(cè)的尼泊爾,印度測量師第一次測量了珠峰高程,此次測量是在距離珠峰300多公里的地方,利用傳統(tǒng)的三角前方交會方法來確定珠峰的海拔高程,其測量結(jié)果為8780m?？梢钥闯?由于沒有考慮折光和垂線偏差等因素,又缺少大地水準(zhǔn)面的知識,這個結(jié)果有較大誤差。在其后的100多年里,印度測量師先后在珠峰另一側(cè)開展了多次珠峰高程測量,隨著認(rèn)識的不斷提高和測量儀器的不斷改進,測量精度也有所提高。其中比較典型的幾次測量結(jié)果包括,1849～1850年間珠峰海拔高程的測量結(jié)果為8840m;1880～1883年間的測量結(jié)果為8884.5m;1907年的測量結(jié)果為8882m;1922年的測量結(jié)果為8864m;1929年的測量結(jié)果為8854m。上世紀(jì)五十年代,經(jīng)過長期的積累,在綜合考慮了大氣折光、山頂覆雪季節(jié)特征、垂線偏差以及基準(zhǔn)面等因素的基礎(chǔ)上,印度于1952～1954年比較精確地測量了珠峰海拔高程,最終測量結(jié)果為8848m。需要說明的是,盡管考慮了大氣折光等因素,印度的這次測量結(jié)果仍有一些因素沒有考慮,例如缺乏實際的重力測量,仍舊是對山頂而非對測量覘標(biāo)進行交會等。盡管印度8848m的測量結(jié)果和我國1975年更加嚴(yán)格科學(xué)測量的珠峰海拔高程結(jié)果非常接近,但兩者有本質(zhì)上的不同。一是兩者的起算面不同,我國的測量結(jié)果是相對于我國黃海的平均海平面的,而印度的測量結(jié)果是相對于印度洋平均海平面的,由于印度洋平均海面和黃海平均海面之間的差異可以達(dá)到1m左右,因此兩者得到的海拔高程雖可以互相引證,但沒有可比性;二是我國后來的測量包括重力測量,同時又在峰頂設(shè)立了覘標(biāo);三是登山隊員在山頂實際測量了覆雪深度;因此,我國后來精確測量并正式公布的珠峰海拔高程更科學(xué)也更準(zhǔn)確。在此后的幾十年里,世界各國的科學(xué)家們一直沒有停止對珠峰高程測量的科學(xué)探索。尤其隨著GPS技術(shù)的引入,對珠峰高程測量的科學(xué)探索也進入到了一個新的階段。國外科學(xué)家獨立或通過與珠峰周邊國家的合作,進行了多次珠峰高程測量的科學(xué)研究,取得了不少的科學(xué)實驗數(shù)據(jù),為人類認(rèn)識珠峰,也為珠峰地區(qū)整體的大地測量會戰(zhàn)積累了豐富的經(jīng)驗。2.2大地測量測量我國珠峰高程測量始于1966年,由于此次測量未能在珠峰峰頂設(shè)置覘標(biāo),且沒能量測覆雪深度,只能觀測珠峰山頭進行交會,難免帶來較大的誤差,因此這次測量結(jié)果沒有正式公布。1975年,我國第一次正式對珠峰海拔高程進行正式測量。這次測量也是人類歷史上利用傳統(tǒng)大地測量手段對珠峰海拔高程進行的一次最全面、最科學(xué)的精確測定。這次測量在珠峰地區(qū)進行了包括天文、三角、水準(zhǔn)、重力、三角高程等大地測量技術(shù)(見圖1),此外,還利用高空探測氣球?qū)嶋H測量氣象元素,對大氣折射、山頂覆雪等因素進行了研究和綜合考慮。1975年的珠峰高程測量,無論是野外施測,還是珠峰海拔高程的計算,都為后來的珠峰海拔高程測量科學(xué)考察提供了重要依據(jù)。其基本思想是,考慮到珠峰特殊的地理位置,盡量將水準(zhǔn)測量觀測到離珠峰峰頂最近的控制點上。再通過三角高程測量確定該控制點到珠峰山頂?shù)母卟?。在一般地區(qū),通常假定大地水準(zhǔn)面的曲率與參考橢球面的曲率相同的,如果考慮了折光因素,則三角高程直接測量得到的高差即可認(rèn)為是兩點水準(zhǔn)面間的高差(正高高差)。但在珠峰進行的三角高程測量則不能這樣進行計算。比較合理的方法就是利用測站垂線偏差將觀測值歸算到參考橢球面,然后以橢球面為基準(zhǔn)面計算珠峰的大地高。再利用天文和重力數(shù)據(jù),用天文水準(zhǔn)方法求珠峰的高程異常,將大地高轉(zhuǎn)換為正常高。最后再根據(jù)珠峰的重力值和周圍地形,將珠峰的正常高轉(zhuǎn)化為正高(海拔高程)。1975年我國最終精確測定并一直沿用至今的珠峰海拔高程值為8848.13m(減去覆雪深度0.92m)。2.3種測量高程測量的方法和過程自1975年以后的30多年里,尤其隨著新的大地測量技術(shù)在珠峰高程測量中的廣泛應(yīng)用,使珠峰高程測量又成為一個新的熱點問題。我國先后在1992年、1998年和1999年利用GPS技術(shù),結(jié)合常規(guī)大地測量手段,單獨或通過國際合作,在珠峰地區(qū)進行了多次以珠峰高程測量為主要目標(biāo)的科研項目,獲得了一批重要的科研成果。對珠峰高程測量的成果概括起來可以根據(jù)技術(shù)手段分為以下三種:1)以常規(guī)大地測量手段交會珠峰山頭測定的峰頂雪面高程:1975年8850.69m(正高,黃海56高程系統(tǒng));1996年8849.75m(正高,黃海56高程系統(tǒng));1998年8848.58m(正高,黃海85高程系統(tǒng))。2)以常規(guī)大地測量手段交會峰頂覘標(biāo)測定的峰頂雪面高程:1975年8849.05m(正高,黃海56高程系統(tǒng));1992年8849.22m(正高,黃海85高程系統(tǒng))。3)GPS技術(shù)測定的峰頂雪面高程:1992年8848.91m(正高,黃海85高程系統(tǒng),歷元92.582);1999年8848.45m(正高,黃海85高程系統(tǒng),歷元99.341)。此外,如果以WGS84為參考橢球,以EGM96大地水準(zhǔn)面為正高參考面,則根據(jù)GPS技術(shù)測定的峰頂雪面高程為:1992年8850.38m(正高,歷元92.582);1999年8849.82m(正高,歷元99.341)。不難看出,從1992—1999年七年多的時間里,盡管進行了多次珠峰高程測量,但要真正順利完成一次圍繞珠峰高程測量為目的的珠峰地區(qū)整體大地測量任務(wù)并不是一項容易實現(xiàn)的任務(wù)。利用迄今積累的大地測量資料探求珠峰高程變化并研究該地區(qū)的地球動力學(xué)問題,目前只能是一種宏觀和初步的結(jié)論,進一步的研究尚需該地區(qū)的大地測量資料的不斷積累和完善。眾所周知,珠峰覆雪深度的測量一直是珠峰高程測量的一個關(guān)鍵問題。1975年我國珠峰高程測量的覆雪深度是通過登山隊員將竹竿插入峰頂?shù)难┟媪繙y得到的,顯而易見,這個量測結(jié)果誤差肯定不會小,因為在珠峰峰頂浮雪下面肯定還有很厚的堅冰。如果想要得到一個基于巖面的海拔高程,這樣做肯定有其局限性。2004年底,意大利科學(xué)家喬治·普瑞迪(G.Poretti)等第一次將測量雪深的雷達(dá)探測儀帶到了珠峰頂上,比較準(zhǔn)確地測量了珠峰頂部幾個雪深斷面圖。這項技術(shù)對于今后珠峰高程測量中對覆雪深度的測定有重要的科學(xué)價值。3測量諸位高度3.1兩組主要的差別前已提及,1975年,我國珠峰高程測量采用了中國黃海高程基準(zhǔn)(黃海56與85高程系統(tǒng))。該高程系統(tǒng)與全球高程系統(tǒng)相比還存在著較顯著的差別。隨著GPS技術(shù)的廣泛應(yīng)用,今后基于WGS84橢球和不斷精化的全球大地水準(zhǔn)面模型,測量相對于全球高程基準(zhǔn)的海拔高程將成為一種確定珠峰高程的有效方法。但在地形極其復(fù)雜的珠峰地區(qū),如果沒有詳實的地面水準(zhǔn)、重力和GPS資料,想精確確定該地區(qū)的大地水準(zhǔn)面是難以想象的。因此,精確確定珠峰地區(qū)的大地水準(zhǔn)面將成為珠峰未來高程測量的一個關(guān)鍵因素。3.2頂雪面的巖面高程和積巖gps控制點1975年和1992年兩次珠峰高程測量施測中,都進行了峰頂雪深量測,但兩次結(jié)果卻相差約1.63m。這一方面和測量工具和測量手段有關(guān),當(dāng)然也有可能是雪深的實際變化。但不管怎樣都反映了珠峰雪深測量的難度。2004年,意大利科學(xué)家喬治·普瑞迪(G.Poretti)等利用雷達(dá)探測儀測量珠峰峰頂?shù)难┥?和傳統(tǒng)簡單地測雪深的方法相比,這項技術(shù)將珠峰雪深測量的精度和可靠性提高了一大步。但不可置疑的一個事實是,由于珠峰峰頂惡劣的自然環(huán)境,這種方法量測的珠峰雪深只能是一些斷面,即由一些采樣點構(gòu)成的斷面,而不能將峰頂完全量測。由此內(nèi)插得到從峰頂雪面到巖面的雪深等深線圖。很顯然,這樣得到的從雪面到基巖的雪深量測在測量斷面上較為精確(即只有測量誤差),而離開采樣點,則存在有較大誤差。尤其在有些雪山峰頂,地形較為復(fù)雜。很難用雷達(dá)測深精確地測定峰頂每個點上的雪深?；蛘哒f,雷達(dá)探測到的巖面最高點也許不是實際的巖面最高點,探測巖面最高點也許需要多次測量才能得到。其實,對于珠峰高程測量,人們關(guān)心的是此類雪深測量具有可重復(fù)性,即保證未來的雪深斷面測量和前次的測量具有可比性。另需提及一點,對于覆雪山峰的高程,對于登山探險來說,人們關(guān)注的是最高點,而不是峰頂?shù)牡匦?例如一個被厚厚冰雪覆蓋的火山口,其巖面最高點也許并不在雪頂。但登山者一定要登到雪頂才算登頂成功。此外,雪面高程的變化對于研究全球氣候變暖也有重要的科學(xué)意義,而對于珠峰地區(qū)地殼運動的研究,則完全可以依靠離峰頂不遠(yuǎn)的露巖GPS控制點來實現(xiàn),從科學(xué)實驗的角度看,這種露巖GPS控制點的可重復(fù)性是它進行地學(xué)研究的優(yōu)勢所在,且這些點又和珠峰峰頂?shù)牡貧み\動有很強的相關(guān)性。珠峰峰頂雪深數(shù)值、以及由此得到峰頂巖面地形和珠峰巖面高程可以作為珠峰海拔高程測量一個重要的科學(xué)探測成果,但將其作為一項成果正式發(fā)布卻需慎之又慎。實際上,以峰頂雪面作為山峰高程采用值的基準(zhǔn)面,也是世界各國確定雪山高程約定俗成的標(biāo)準(zhǔn)。3.3關(guān)于罪犯高程的計算迄今為止,我國已積累了多次精確測定珠峰雪面高程值的結(jié)果。此外,隨著大地測量觀測手段的不斷完善,今后對珠峰高程測量的方法和結(jié)果可能會有若干個,如何綜合利用這些數(shù)據(jù)確定珠峰的高程同樣值得認(rèn)真思考。比較實用的方法是利用加權(quán)平均的方法計算珠峰高程。也可以考慮利用有關(guān)的數(shù)據(jù)融合理論進行嚴(yán)密的數(shù)據(jù)處理。實際上加權(quán)平均的算法可看作是數(shù)據(jù)融合一個特例。在珠峰高程的計算中,確定以全球高程基準(zhǔn)為基準(zhǔn)面得到的珠峰高程也應(yīng)予以充分考慮。在全球高程基準(zhǔn)面珠峰高程確定后,再據(jù)此和以我國黃海高程基準(zhǔn)確定的珠峰高程進行比較,并確定其轉(zhuǎn)換關(guān)系,對我國未來開展的珠峰高程測量有非常重要的科學(xué)價值。4內(nèi)峰高測量的研究展望本文通過對國內(nèi)外珠峰高程測定較為全面的回顧,可以看出,珠峰高程測量由于其異常復(fù)雜和艱苦的自然環(huán)境,傳統(tǒng)的大地測量手段必須更加有效地和大地測量技術(shù)進步相結(jié)合,才能獲得更為精確的測定精度。我國在1975年第一次完成珠峰高程測量后,在以后的30多年里,尤其隨著GPS技術(shù)的廣泛應(yīng)用,曾多次實施了以珠峰高程測量為目的的科研項目,積累了大量觀測資料,也獲得了一批重要的科研成果。這些成果對即將開展的珠峰復(fù)測奠定了基礎(chǔ)。由早期的國內(nèi)外珠峰高程測量的結(jié)果不難看出,盡管在1850年,印度測量師就得到了8840m這個比較接近珠峰海拔高程真值的測量結(jié)果,但在隨后的100年里,反而出現(xiàn)了測量精度較差的一些測量結(jié)果。這說明了珠峰高程測量的精度一定是和當(dāng)時大地測量技術(shù)水平密切相關(guān)的,在當(dāng)時沒有顧及折光等影響觀測精度因素的情況下,即使獲得了8840m這樣的測定結(jié)果,也不能說其測量精度就達(dá)到了很高水平。因此,珠峰復(fù)測的關(guān)鍵是解決復(fù)測中重大的技術(shù)和理論問題。只有理論和技術(shù)的突破才能帶來珠峰測定精度真正意義上的突破。覆雪深度是過去珠峰高程測量考慮的一個重要因素之一,利用雷達(dá)探測儀測量峰頂雪深是近年發(fā)展起來的一項新技術(shù)。利用雷達(dá)測深得到的珠峰峰頂雪深,并由此確定珠峰巖面地形,在此基礎(chǔ)上確定珠峰巖面海拔高程是雪峰高程測量的一個重要技術(shù)進步,但對于由此而產(chǎn)生的今后