作為世界最高峰、 “地球第三極”，珠峰高程測(cè)量不僅是測(cè)繪領(lǐng)域的大事，也是公眾關(guān)注的熱點(diǎn)。

　　受印度板塊與歐亞板塊碰撞影響，青藏高原屬于全球板塊運(yùn)動(dòng)劇烈地區(qū)之一，珠峰也處于整體隆起和漂移狀態(tài)，獲得珠峰隆起的具體數(shù)值一直是地球科學(xué)工作者關(guān)注的重要科學(xué)問(wèn)題。同時(shí)，珠峰高程測(cè)量數(shù)據(jù)可為研究青藏地區(qū)板塊運(yùn)動(dòng)、冰雪消融和環(huán)境變化等提供重要參考。精準(zhǔn)的珠峰高程測(cè)量成果不僅是國(guó)家綜合實(shí)力和科技發(fā)展水平的體現(xiàn)，更是國(guó)家主權(quán)的象征，具有重大國(guó)際影響和社會(huì)效益。

　　我國(guó)第三次珠峰高程測(cè)量使用了多種技術(shù)手段，包括水準(zhǔn)測(cè)量、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS，主要包括美國(guó)的GPS、歐洲的伽利略、俄羅斯的格洛納斯和我國(guó)的北斗）測(cè)量、三角高程測(cè)量、航空與峰頂重力測(cè)量，以及雪深雷達(dá)測(cè)量等。這樣的安排不僅有利于不同測(cè)量手段結(jié)果間的檢核，更是為了綜合不同觀測(cè)技術(shù)以提升高程解算結(jié)果精度。

　　不少公眾也許會(huì)問(wèn)，既然有了全新的GNSS測(cè)量，為何還需要傳統(tǒng)的重力測(cè)量？珠峰高程測(cè)量究竟有多難？不妨讓我們從頭說(shuō)起。 

　　2020珠峰高程測(cè)量登山隊(duì)成功登頂后，在峰頂豎立覘標(biāo)，安裝GNSS天線，開(kāi)展各項(xiàng)峰頂測(cè)量工作。來(lái)源：新華社

　　身高起算的“大地水準(zhǔn)面” 

　　高程可通過(guò)不同測(cè)量方式得到，包括水準(zhǔn)測(cè)量、三角高程測(cè)量、GNSS測(cè)量技術(shù)等。但無(wú)論使用哪一種技術(shù)，重力測(cè)量對(duì)高程結(jié)果的最后確定至關(guān)重要。

　　要講清楚這個(gè)問(wèn)題，得從高程的基本定義出發(fā)。

　　何謂 “高度”？比方說(shuō)，一塊紀(jì)念石碑上刻著珠峰高度8844.43米，這是2005年我國(guó)官方發(fā)布的“珠峰高度”值。 “高度”是通常的說(shuō)法，或者是口語(yǔ)的叫法，“高度”的專業(yè)稱謂是“高程”，是指地表點(diǎn)沿鉛垂線方向到大地水準(zhǔn)面的距離，又稱“海拔高” 或“正高”。

　　這里有一個(gè)“大地水準(zhǔn)面”的概念。它指與平均海水面重合，并延伸到大陸內(nèi)部的水準(zhǔn)面。大地水準(zhǔn)面是高程的“起算面”或“基準(zhǔn)面”，我們所說(shuō)的“珠峰高度”就是相對(duì)于這個(gè)起算面的高度值。

　　大地水準(zhǔn)面是有物理含義的。在這個(gè)參考面上，重力位是等值的，所以也稱為“等位面”。也有一種說(shuō)法，“高程”是相對(duì)于平均海平面而言的，這就是它為什么又被稱為 “海拔高”的原因。

　　沿用至今的“國(guó)家高程基準(zhǔn)” 

　　目前，世界上還沒(méi)有一個(gè)十分精準(zhǔn)的全球海平面模型，這使得全球高程系統(tǒng)的統(tǒng)一問(wèn)題，一直是國(guó)際大地測(cè)量界的難題。各國(guó)采用區(qū)域平均海平面為基準(zhǔn)定義“海拔高”。

　　我國(guó)在確定高程時(shí)，采用的是黃海平均海平面作為參考面。依據(jù)這個(gè)參考面，國(guó)家測(cè)繪主管部門發(fā)布了“1985國(guó)家高程基準(zhǔn)”，一直沿用至今。它是依據(jù)青島驗(yàn)潮站1952年至1979年的海潮記錄得到的海平面變化“平均值”，又稱為“平均海平面”。

　　珠峰高程就是峰頂相對(duì)于黃海平均海平面的高差。傳統(tǒng)的珠峰高度測(cè)量采用水準(zhǔn)測(cè)量，也就是從我國(guó)青島水準(zhǔn)原點(diǎn)開(kāi)始，一路向西，就像測(cè)量樓梯臺(tái)階高度那樣逐段測(cè)量，一直測(cè)到珠峰，采用高程傳遞方法獲得珠峰高度。

　　但這種測(cè)量方式不僅距離長(zhǎng)，而且路徑十分復(fù)雜，每次能測(cè)量的距離十分有限，這導(dǎo)致高程傳遞誤差大，人力物力和時(shí)間成本十分昂貴。在極寒、地形極復(fù)雜、極度缺氧的珠峰地區(qū)，用水準(zhǔn)測(cè)量方法直接測(cè)定珠峰高程，還不具備應(yīng)有的條件。

　　從多次珠峰高程測(cè)量來(lái)看，采用直接水準(zhǔn)測(cè)量與測(cè)距高程導(dǎo)線測(cè)量，測(cè)得的高程僅到海拔6000多米的地方，海拔更高位置的測(cè)量使用的是三角高程測(cè)量技術(shù)。

　　理論上的“正常重力值” 

　　在精密水準(zhǔn)測(cè)量中，重力測(cè)量能起到至關(guān)重要的作用。

　　我們知道，由于大地水準(zhǔn)面存在起伏，導(dǎo)致重力位水準(zhǔn)面也不是標(biāo)準(zhǔn)球面。在精密水準(zhǔn)測(cè)量中，如果沿不同測(cè)量路線測(cè)量?jī)蓚€(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)間的高差，這會(huì)導(dǎo)致得到的高差結(jié)果不一致。

　　在一個(gè)大范圍區(qū)域開(kāi)展精密水準(zhǔn)測(cè)量，如果不加入重力改正，這些測(cè)量成果不具備嚴(yán)密性，就沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。通過(guò)水準(zhǔn)點(diǎn)上進(jìn)行加密重力測(cè)量，獲得水準(zhǔn)點(diǎn)上的實(shí)測(cè)重力值，再利用相鄰水準(zhǔn)點(diǎn)重力異常值與實(shí)測(cè)高差完成重力異常改正，通過(guò)在精密水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)處理中加入正常水準(zhǔn)面不平行改正、重力異常改正（統(tǒng)稱“重力改正”），獲得最終的觀測(cè)高差，用其進(jìn)行水準(zhǔn)網(wǎng)平差，推算水準(zhǔn)點(diǎn)的高程值，這樣就能確保精密水準(zhǔn)成果的科學(xué)性、唯一性和嚴(yán)密性。

　　另外，應(yīng)該注意的是，地球并不是標(biāo)準(zhǔn)球形體，而是一個(gè)近似橢球體。為方便科學(xué)研究，歷史上德國(guó)科學(xué)家引入了一個(gè)理想橢球體來(lái)近似真實(shí)地球，又稱為“平均橢球體”或“參考橢球體”。

　　這個(gè)參考橢球體包含了地球所有質(zhì)量，其面上的重力可通過(guò)理論模擬獲得，行業(yè)領(lǐng)域?qū)⑦@個(gè)理論模擬稱為“正常重力值”。也就是說(shuō)，一旦確定了橢球面上某點(diǎn)位置，就可以知道該點(diǎn)的幾何坐標(biāo)和正常重力值——參考橢球面是處理大地測(cè)量成果而采用的與地球大小和形狀十分接近并進(jìn)行定位的橢球表面。

　　來(lái)自導(dǎo)航衛(wèi)星的“大地高” 

　　隨著科技快速發(fā)展，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的成功應(yīng)用，為高程測(cè)量帶來(lái)革命性變化。在此次珠峰高程測(cè)量中，我國(guó)高精度北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)揮著主力軍作用。

　　GNSS技術(shù)測(cè)量的是衛(wèi)星到地表測(cè)點(diǎn)的距離。由于衛(wèi)星到地心的距離可通過(guò)確定衛(wèi)星軌道得知，那么就容易得到地表測(cè)點(diǎn)到參考橢球面的距離，這一距離又被稱為“大地高”。

　　通常大地水準(zhǔn)面與參考橢球面并不重合，兩者存在一定差異，利用GNSS技術(shù)不能直接確定測(cè)點(diǎn)到“大地水準(zhǔn)面”的距離，也就無(wú)法測(cè)定“高程”或者“海拔高”。

　　利用重力測(cè)量，能夠得到珠峰地區(qū)及峰頂?shù)闹亓χ?，在?jīng)過(guò)各種改正后（包括儀器零漂、地球固體潮、大氣壓力等，將峰頂點(diǎn)重力值歸算到大地水準(zhǔn)面），我們就能得到大地水準(zhǔn)面的重力值。結(jié)合參考橢球體面已知的“正常重力值”，就能得到大地水準(zhǔn)面與參考橢球體面之間的重力差（通常被稱為“重力異?！保?，從而進(jìn)一步計(jì)算得到大地水準(zhǔn)面與參考橢球面間的距離——在珠峰地區(qū)，這一“高程異?！贝蠹s是-25米（負(fù)值代表大地水準(zhǔn)面在參考橢球面以下）。

　　“新身高”精度將達(dá)歷史最佳 

　　此次珠峰頂?shù)亩c(diǎn)重力測(cè)量和北坡1.25萬(wàn)平方公里的航空重力測(cè)量，將顯著提升珠峰地區(qū)大地水準(zhǔn)面的精度，為高精度的珠峰高程測(cè)量提供歷史最好的海拔高程起算基準(zhǔn)。因此，這次珠峰高程測(cè)量的精度將達(dá)“史上最高”。

　　簡(jiǎn)言之，珠峰高程的測(cè)量取決于兩個(gè)關(guān)鍵因素：一個(gè)是珠峰峰頂測(cè)點(diǎn)位置到參考橢球面間的距離，即“大地高”；另一個(gè)是大地水準(zhǔn)面到參考橢球面的差距，即 “大地水準(zhǔn)面差距”或“高程異?！薄NSS測(cè)量技術(shù)確定“大地高”，重力測(cè)量技術(shù)確定“高程異?！?。

　　因此，“海拔高”實(shí)際就是“大地高”和“高程異?！敝?。這就是為什么用GNSS測(cè)量高程時(shí)一定要使用重力測(cè)量的原因。

　　作者：孫和平（中科院院士、中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院研究員） 

　　編輯：王星 

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