(自然資源部第一大地測量隊(duì)，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(guān)注。精確測定珠峰高程對于研究板塊運(yùn)動(dòng)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(dú)組織或與其他國家合作，對珠峰一共進(jìn)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(nèi)專家學(xué)者對珠峰高程測量進(jìn)行了一系列研究，常吉慶[5]詳細(xì)介紹了1714—2005年間，中、印、美、意等國進(jìn)行歷次珠峰高程測量采用的技術(shù)方案；陳俊勇等[6]對2005年珠峰高程測量項(xiàng)目實(shí)施與成果進(jìn)行了詳細(xì)闡述，分析了2005年測量過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(zhǔn)、峰頂雪深探測、珠峰高程值的確定等問題進(jìn)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(jìn)行了研究，并對2020年珠峰高程測量的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了詳細(xì)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(zhǔn)面精化及珠峰正高確定方法進(jìn)行了研究，分析了珠峰高程測量數(shù)據(jù)處理的詳細(xì)技術(shù)方案。2020年相對于之前開展的珠峰測量項(xiàng)目又有了新的技術(shù)進(jìn)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(shù)方案進(jìn)行介紹，著重從測繪設(shè)備和數(shù)據(jù)獲取技術(shù)方案兩個(gè)方面與2005年實(shí)施的珠峰測量方案進(jìn)行對比分析，并探討其中的技術(shù)特點(diǎn)。

1 觀測實(shí)施方案

1.1 總體技術(shù)路線

2020珠峰高程測量總體技術(shù)路線包括外業(yè)觀測和內(nèi)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(diǎn)普查與補(bǔ)埋、坐標(biāo)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(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)聯(lián)測、峰頂交會(huì)測量、冰雪雷達(dá)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(jīng)典的大地測量方法，又采用了航空重力、冰雪雷達(dá)探測等現(xiàn)代測繪技術(shù)。內(nèi)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(jì)算兩方面。總體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)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(zhǔn)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(diǎn)的穩(wěn)定性，2020年珠峰高程測量高程控制點(diǎn)從距珠峰約260 km的國家一等水準(zhǔn)點(diǎn)I薩拉65基上(日喀則深層基巖點(diǎn))起測，沿途布設(shè)一等水準(zhǔn)測量高程控制網(wǎng)，將我國高程基準(zhǔn)成果傳遞至與尼泊爾相鄰的樟木口岸附近。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上通過二等、三等水準(zhǔn)測量、高程導(dǎo)線測量和跨河水準(zhǔn)測量獲取高程控制點(diǎn)的正常高和6個(gè)交會(huì)點(diǎn)(大本營、中絨、Ⅲ7、西絨、東絨2和東絨3)的正常高。高程控制網(wǎng)施測嚴(yán)格按照《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范(GB/T 12897—2006)》[11]、《國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范(GB/T 12898—2009)》中的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行[12]，直接水準(zhǔn)無法連測的交會(huì)點(diǎn)及沿登山線路推進(jìn)的GNSS/水準(zhǔn)/重力點(diǎn)，采用不低于四等水準(zhǔn)精度的測距高程導(dǎo)線的方法施測。水準(zhǔn)路線總長度約782 km，測距高程導(dǎo)線總長度為18.5 km。高程控制網(wǎng)布設(shè)情況如圖2所示。

圖2 高程控制網(wǎng)布設(shè)示意圖Fig. 2 Diagram of elevation control network layout

1.3 坐標(biāo)控制測量

坐標(biāo)控制網(wǎng)包含兩部分：GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)和珠峰局部GNSS控制網(wǎng)，按照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范(GB/T 18314—2009)》[13]實(shí)施。GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)選取了西藏、青海、新疆范圍內(nèi)穩(wěn)定的IGS站、GNSS基準(zhǔn)站、臨時(shí)基準(zhǔn)站等107點(diǎn)作為首級控制網(wǎng)點(diǎn)，臨時(shí)GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站分別位于珠峰大本營和曲當(dāng)鄉(xiāng)，運(yùn)行時(shí)間30天以上，基準(zhǔn)站網(wǎng)點(diǎn)觀測按照B級GNSS測量技術(shù)要求實(shí)施。珠峰局部GNSS控制網(wǎng)在利用珠峰及周邊區(qū)域的GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的基礎(chǔ)上，沿部分一等水準(zhǔn)路線和二等水準(zhǔn)路線布設(shè)包括6個(gè)交會(huì)點(diǎn)在內(nèi)的61個(gè)GNSS控制點(diǎn)，并在控制點(diǎn)上進(jìn)行水準(zhǔn)和重力測量，服務(wù)于似大地水準(zhǔn)面精化等工作，局部GNSS控制網(wǎng)點(diǎn)按照C級GNSS測量技術(shù)要求實(shí)施。珠峰局部GNSS控制網(wǎng)布設(shè)如圖3所示。

圖3 局部GNSS控制網(wǎng)布設(shè)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of local GNSS control network layout

1.4 重力測量

在水準(zhǔn)路線和登山路線上測定重力值，用于水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)處理以及重力場和似大地水準(zhǔn)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(shù)要求實(shí)施。珠峰區(qū)域共實(shí)測重力點(diǎn)210點(diǎn)，其中包括絕對重力點(diǎn)2點(diǎn)、基本重力點(diǎn)1點(diǎn)、二等重力點(diǎn)5點(diǎn)、加密重力點(diǎn)202點(diǎn)。起算點(diǎn)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(diǎn)采用國產(chǎn)Z400型相對重力儀進(jìn)行觀測，未構(gòu)成附和或閉合觀測路線。重力測量點(diǎn)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(jìn)行地面重力測量的同時(shí)，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(chǎn)DGA-01航空重力儀同時(shí)進(jìn)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(diǎn)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(jìn)行的工作主要有：全站儀交會(huì)測量、GNSS同步測量、相對重力測量、冰雪雷達(dá)探測和氣象元素測量。

在登頂成功并架設(shè)覘標(biāo)后，首先進(jìn)行峰頂GNSS觀測，峰頂GNSS接收機(jī)與地面7個(gè)地面控制點(diǎn)和1個(gè)臨時(shí)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站同步組網(wǎng)觀測，具體觀測技術(shù)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(huì)點(diǎn)GNSS同步聯(lián)測不少于4 h，峰頂點(diǎn)位則根據(jù)峰頂停留時(shí)間和具體狀況盡可能地增加采集時(shí)間。峰頂GNSS天線使用功分器連接2臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行記錄，采樣頻率20 Hz，最終峰頂采集時(shí)長約40 min。與此同時(shí)，分布于海拔5 200～6 000 m的6個(gè)交會(huì)點(diǎn)開始利用超長測距全站儀進(jìn)行交會(huì)測量工作，交會(huì)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(jié)果進(jìn)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(zhǔn)測量規(guī)范(GB/T 12898—2009)》[18]執(zhí)行。利用國產(chǎn)Z400相對重力儀在峰頂開展重力觀測，利用專用溫度氣壓計(jì)全程采集峰頂溫度、濕度、氣壓。使用冰雪探測雷達(dá)按既定路徑進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)探測。

1.6 氣象元素觀測

氣象元素測量包括三方面內(nèi)容：利用高空氣球探候、在交會(huì)點(diǎn)利用干濕溫度計(jì)和氣壓計(jì)獲取氣象元素、峰頂利用專用溫度氣壓計(jì)獲取氣象元素。在大本營施放高空探候氣球時(shí)，在交會(huì)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(shí)施氣象元素觀測主要有4個(gè)目的：①為計(jì)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(shí)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(xué)科研究提供實(shí)測數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)獲取方案技術(shù)特點(diǎn)

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(diǎn)。

2.1 充分使用國產(chǎn)設(shè)備

GNSS接收機(jī)、超長測距全站儀、冰雪探測雷達(dá)等國產(chǎn)設(shè)備全面承擔(dān)本次珠峰高程測量任務(wù)。峰頂GNSS測量采用國產(chǎn)華測P5接收機(jī)和進(jìn)口Trimble ALLOY接收機(jī)同時(shí)進(jìn)行觀測，使用GAMIT/GLOBK軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并比對結(jié)果，表明國產(chǎn)設(shè)備與進(jìn)口設(shè)備精度相當(dāng)，且國產(chǎn)設(shè)備和進(jìn)口設(shè)備計(jì)算的峰頂坐標(biāo)差異均小于1 cm[8]。

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

表1 6個(gè)交會(huì)點(diǎn)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(fēng)力及冷凍風(fēng)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(yùn)動(dòng)和全球氣候變暖具有重要的科學(xué)意義。冰雪探測雷達(dá)作為珠峰高程測量的關(guān)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(chǎn)的雷達(dá)設(shè)備，如圖5(a)所示，其中集成了定位模塊，但由于技術(shù)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(dòng)打入GPS時(shí)間標(biāo)記。2020年，國產(chǎn)GNSS和雷達(dá)生產(chǎn)廠家聯(lián)合定制了國產(chǎn)冰雪探測雷達(dá)，主要解決了兩個(gè)問題：一是將國產(chǎn)GNSS接收機(jī)和探地雷達(dá)進(jìn)行集成；二是實(shí)現(xiàn)了GNSS接收機(jī)與雷達(dá)數(shù)據(jù)的獨(dú)立自動(dòng)記錄，并存儲(chǔ)了GNSS與雷達(dá)數(shù)據(jù)的時(shí)間同步信息用于后差分坐標(biāo)與冰雪層厚匹配。如圖5(b)所示，設(shè)備開機(jī)后無需人工操作，可同時(shí)接收北斗衛(wèi)星信號，經(jīng)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(yīng)用需求。雷達(dá)測量頻率設(shè)置為40 Hz，時(shí)窗設(shè)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(dá) (b)2020年使用的國產(chǎn)冰雪探測雷達(dá)

2.2 控制測量更全面

穩(wěn)定、高精度的控制網(wǎng)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(biāo)控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)范圍更廣，數(shù)量更多，以避免起算點(diǎn)的坐標(biāo)和高程受到“4·25”尼泊爾大地震和珠峰局部板塊運(yùn)動(dòng)的影響[21-23]。2005年珠峰高程的控制起測點(diǎn)為I薩拉40基，該點(diǎn)位于拉孜境內(nèi)，距珠峰約160 km，總水準(zhǔn)路線長度約400 km，2020年則從更遠(yuǎn)的日喀則一等水準(zhǔn)點(diǎn)起測，總水準(zhǔn)路線長度比2005年增加了約382 km。

2005年布設(shè)了青藏地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)用于提供基準(zhǔn)和地球動(dòng)力學(xué)研究，2020年則基于西藏及其周邊省已建成的國家GNSS基準(zhǔn)站作為起算基準(zhǔn)和外部首級控制點(diǎn)，將最終坐標(biāo)成果歸算到CGCS2000國家大地坐標(biāo)系。同時(shí)在珠峰外圍布設(shè)了更多GNSS控制點(diǎn)，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(wǎng)點(diǎn)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(nèi)容更豐富

以區(qū)域重力點(diǎn)數(shù)據(jù)、地形模型、地球重力場模型和GNSS、水準(zhǔn)成果等為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用莫洛金斯基理論下的移去-恢復(fù)技術(shù)特別適合解算珠峰地區(qū)的似大地水準(zhǔn)面，其中密度高且均勻的加密重力點(diǎn)對于提高模型精度和計(jì)算大地水準(zhǔn)面差距至關(guān)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(gè)方面的進(jìn)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(diǎn)起算，點(diǎn)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(zhǔn)站進(jìn)行了絕對重力實(shí)測，起算精度可達(dá)0.3 μGal；

2) 相比于2005年，2020年布設(shè)了更多的二等重力點(diǎn)和加密點(diǎn)，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(jìn)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(shí)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(shù)，獲取了覆蓋珠峰周邊約12 700 km2的重力格網(wǎng)數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[8]表明，航空重力數(shù)據(jù)成果使似大地水準(zhǔn)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(zhǔn)面模型，模型精度從2005年的±14.6 cm提升至±4.8 cm，同時(shí)也使模型的分辨率從2.5′×2.5′提升至1.5′×1.5′。

3 結(jié)語

對2020年珠峰高程測量實(shí)施中的高程控制、坐標(biāo)控制、重力測量、峰頂測量、氣象元素觀測等工作進(jìn)行了闡述，并與2005年珠峰高程測量數(shù)據(jù)獲取方案進(jìn)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(dá)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(chǎn)設(shè)備，控制測量、重力測量等方案有了多方面進(jìn)步，成功獲取了高質(zhì)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(fù)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(shù)方法和測繪新技術(shù)新方法，創(chuàng)造了多個(gè)歷史第一：首次在峰頂使用國產(chǎn)設(shè)備和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行GNSS測量；首次實(shí)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(xué)技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)。

此外，還采用了InSAR觀測數(shù)據(jù)對珠峰區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)與形變進(jìn)行了監(jiān)測分析；采用光學(xué)與SAR遙感技術(shù)，對珠峰及周邊區(qū)域的山地冰川進(jìn)行了變化監(jiān)測；利用星載影像結(jié)合DEM構(gòu)建珠峰地區(qū)實(shí)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。