【迈拓全站仪-珠峰测量】8848.86米!珠峰“新身高”是怎么测出来的?

2020-12-09 13:57
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8848.86米——2020年12月8日,国家主席习近平同尼泊尔总统班达里互致信函,共同宣布珠穆朗玛峰最新高程。

“地球之巅”高度最新出炉!

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图片来源:视觉中国



历时10月完成数据处理工作


  • 60年前,中国人首次从北坡登顶珠峰。

  • 45年前,中国人首次将觇标带至峰顶,测得高度8848.13米。

  • 2005年,中国再测珠峰,其岩面高度为8844.43米。

  • 2020年5月27日,中国人又一次登上世界海拔最高的珠穆朗玛峰峰顶。


从海量数据到8848.86米,这中间有哪些“解题”步骤?


承担此次珠峰测量数据处理任务的是位于西安的自然资源部大地测量数据处理中心。这也是我国唯一从事大地测量数据处理与大地测量档案管理的专业队伍。


“珠峰地区海拔高、极寒缺氧,又是全球地壳运动最剧烈的地区之一,地质环境复杂,要获得精准的珠峰高程是一项极具挑战性、极其复杂、极具难度的综合性工作。”数据处理中心主任郭春喜说。他已是第三次参与珠峰高程的计算工作。


郭春喜介绍道,从去年开始,中心就持续进行技术研究和攻关,完成了相关数据处理方案编写、数据模型建立、软件编程测试、数据比对分析与验证等工作。


郭春喜说,相比于2005年的珠峰测量,此次数据处理的难点在于数据种类更多,数据量更大。“比如说,今年在峰顶进行了一万多平方公里的航空重力测量,以前,GNSS卫星测量主要依赖GPS,今年,我们同时参考美国GPS、欧洲伽利略、俄罗斯格洛纳斯和中国北斗这四大全球导航卫星系统,并且以北斗的数据为主。”


一共处理多少数据?郭春喜坦言,这无法准确核算。他举个例子,“为了把珠峰顶点的位置测准,我们每1秒采集一次基准站的数据,每次基准站的数据里就包含了50多颗导航卫星的数据。想象一下,1天就有86400秒,再加上我们还有大量的基准站观测数据,仅仅这块的数据就很庞大了。”


他介绍道,从2019年4月份起,就开始着手收集了大量珠峰地区已有的高程、GNSS和重力等数据并进行初步的整理分析,为后续工作做准备。

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2020年5月23日,测量登山队员张卫东用国产重力仪在海拔6500米进行重力测量。国测一大队供图


“今年6月以来,在珠峰峰顶及珠峰地区数据传送至我中心后,我们又着重处理了包括:343个GNSS点数据、约780多公里的一二三等水准网数据、约210个不同等级重力点数据、6个峰顶交会点数据以及重力似大地水准面确定、峰顶冰雪探测雷达测量数据处理等等。”郭春喜说。


如何用这些数据计算出珠峰的“身高”?


郭春喜介绍道,首先,利用GNSS测量、三角测量、三角高程测量获得珠峰地区基准网、区域框架网、局部控制网及峰顶联测网的平面位置与大地高。


然后,利用精密水准测量与测距高程导线获取各级GNSS控制网点正常高。再利用珠峰地区高分辨率的数字高程模型数据、历年来加密重力测量数据、本次新测的航空重力数据、国内外超高阶重力场模型数据,利用现代似大地水准面确定理论与移去-恢复技术,获得珠峰地区高精度重力似大地水准面。通过GNSS水准融合,获得珠峰地区高精度似大地水准面成果及峰顶高程异常。


最后,峰顶大地高减去峰顶高程异常获得峰顶正常高。通过推算得到峰顶到峰底的平均重力与平均正常重力,然后通过严密正常高与正高转换,获得珠峰顶的雪面正高(海拔高),利用冰雪厚度雷达测量获取峰顶的雪面厚度,把峰顶雪面正高转换为岩石面正高。


针对此次珠峰“新身高”计算,该中心成立了专项任务实施领导小组,抽调骨干组成高程控制网计算组、多源GNSS融合计算组、峰顶交会测量计算组、珠峰局部重力场和似大地水准面精化组、珠峰高程综合确定组、项目协调组、后勤保障与宣传组等7个专项任务实施小组。


“我们通过开展‘2020珠峰高程数据处理百日大会战’主题劳动竞赛、组织青年职工技术交流会等形式,激发项目参与人员干事创业的热情。”郭春喜说,全体项目参与人员都主动放弃节假日休息时间,加班加点,“仅用10个月就完成了整个数据处理工作。”


我国测绘技术综合运用的一次大检阅


珠峰高程测量的核心是精确测定珠峰高度,这同时也是一项代表国家测绘科技发展水平的综合性测绘工程。


新中国成立以来,我国珠峰高程测量经历了从传统大地测量技术到综合现代大地测量技术的转变。每次珠峰测量,都体现了我国测绘技术的不断进步,彰显了我国测绘技术的最高水平。

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2020年5月27日,测量登山队员在珠峰峰顶与国旗合影。国测一大队供图



郭春喜介绍道,同2005年相比,珠峰高程测量的科学性、可靠性、创新性明显提高,主要体现在以下7个方面:


一是将我国自主研制、拥有完全自主知识产权的北斗卫星导航系统首次应用于珠峰峰顶大地高的计算,获取了更长观测时间、更多卫星观测数量的观测数据。北斗与GPS数据融合,获取了峰顶雪面精度±0.9cm大地高成果,与2005年成果相比,精度提高了2.1cm,北斗与GPS数据融合有效提升峰顶大地高精度和可靠性。北斗同GPS大地高成果一致性较好,精度均为±2.0cm,验证了北斗系统在珠峰地区能够获得同GPS精度相当的大地高结果。


二是国产仪器担纲2020珠峰高程测量。国产、进口GNSS接收机在峰顶的共同使用,获取了同等精度峰顶大地高成果,融合结果显著提升了大地高精度;国产长测程全站仪的使用,使得三角高程测量的大地高与GNSS成果的差异由2005年的29cm缩小至2.6cm,大幅度提高了峰顶三角高程大地高的精度及其与GNSS大地高的一致性;国产重力仪首次登顶实测峰顶重力值,同时融入国产航空重力仪测量数据,大幅度提升珠峰地区重力似大地水准面模型精度,建立了精度为±4.8cm的珠峰地区重力似大地水准面模型,同仅用地面重力数据建立的精度为±7.8cm的模型相比,航空重力数据的加入使精度提高3.0cm。


三是获得了珠峰地区高精度似大地水准面精化模型。数据资料更加丰富,基础数据分辨率、质量、时效性都有较大程度提升,利用超高阶次的地球重力场模型,采用科学先进的似大地水准面精化理论技术,试算模型更具多样化,根据不同数据特点,排列组合出上千种重力水准面模型,进行试算并结合实测值优中选优,大幅度提升了珠峰地区似大地水准面模型精度。


四是2020珠峰高程测量数据处理工作进行了多个层面的成果比对工作,保证最终发布成果的可靠性,包括国内外不同GNSS数据处理软件的成果比对;不同观测技术的成果比对;2020年计算成果与2005年计算成果的比对;数据中心计算成果与中国测绘科学研究院检核成果的比对;我国计算成果与尼泊尔计算成果的比对。


五是中尼首次联合构建了珠峰地区全球高程基准,峰顶大地水准面差距仅相差7.2cm,成果符合性好,为两国联合发布基于全球高程基准的珠峰新高度奠定了坚实的基础。


六是采用大量自主研发的数据处理软件,基于陕西局地理空间大数据中心资源与云计算技术,研发出适应不同环境、具有不同区域特点的数据处理软件。自主研发了精密水准网平差软件、三角高程网平差软件、重力场精细结构确定与大地水准面精化软件、基于多源GNSS结果的融合软件、加密重力点快速评定与质检软件等。


七是首次将5G和北斗结合,利用通信专网和北斗数据信息化管理平台,在登顶测量前对大本营、二本营以及前进营的北斗/GNSS观测数据进行多次在线采集、数据预分析实验,实现了高寒、高海拔环境下北斗二号和北斗三号卫星信号的同时接收、实时解析和质量预评估,验证分析了高寒、高海拔环境下的北斗观测质量。


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孙和平撰文分析,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”。


此次对珠峰地区进行科学考察获得的数据成果,为珠峰高程的精确测定提供重要的数据支撑,为珠峰地区的生态环境保护、地质调查、地壳运动监测、地形测绘、基础建设等方面提供重要数据和技术支撑,也为做好全国现代测绘基准体系维护与更新奠定坚实的基础,为服务自然资源管理提供基础测绘保障。