南极冰下地形测绘路线规划及制图研究

王连仲, 孙 波, 吴文会, 郭景学, 崔祥斌, 郑福海

(1.黑龙江测绘地理信息局极地测绘工程中心，黑龙江 哈尔滨 150086；2.中国极地研究中心，上海 200000；3.黑龙江地理信息工程院，黑龙江 哈尔滨 150086)

南极冰下地形测绘路线规划及制图研究

王连仲1, 孙 波2, 吴文会1, 郭景学2, 崔祥斌2, 郑福海3

(1.黑龙江测绘地理信息局极地测绘工程中心，黑龙江 哈尔滨 150086；2.中国极地研究中心，上海 200000；3.黑龙江地理信息工程院，黑龙江 哈尔滨 150086)

南极冰下地形测绘在国际上还没有全面开展，获取南极冰下地形为研究南极冰盖运动机理，了解南极冰下全貌具有重要意义。本文通过对南极Dome A核心区域冰下地形测绘实践，并对冰下地形图成图方法进行阐述，得出适合现阶段南极冰下地形测绘的最优方法——深冰雷达探测法。通过严密的规划测线，可以勘测不同比例尺和精度的冰下地形图，直观地获取冰下形态，为研究南极冰盖运动机理提供重要依据进行。

南极；冰下地形；测绘；制图

南极大陆总面积约1 400万km2，98%的陆地常年被冰雪覆盖，冰雪平均厚度约为2 000 m，最大厚度约为4 800 m，全球 90%的冰雪储存在这里。其中Dome A区域是南极海拔最高区域，我国的昆仑站建在这个区域(南纬80°25′01″，东经77° 06′58″，椭球高4 087 m)，自从我国建立昆仑站以来，已经成为南极冰盖科学考察的重要地区。

南极冰盖下地形地貌，一直以来就是世界各国科学家想要了解的重要领域，但是，由于南极冰下陆地地形被冰覆盖，了解冰盖下的地形地貌状况是十分困难的。科学家们根据现有的技术条件，研究和利用各种方法和手段来测绘冰下地形，但都限于南极的特殊环境影响勘测结果不够理想。本文总结出一种测绘冰下地形图的路线方法，经过实地查验，在南极昆仑站20 km×20 km的区域对冰下甘比采夫(Gamburtsev)山脉成功实施，测绘出世界上第一幅1∶500 00比例尺精度的冰下地形图和5 m精度的DEM，为今后南极冰下地形图测绘，研究南极冰盖运动机理提供技术支持。

1 冰下地形测绘方法

确定冰下地形测绘采用机载雷达法、引力传感器测深法、地震勘探法和地面冰雷达测量法。

1)机载雷达和引力传感器法。2009年2月，来自澳大利亚、英国、加拿大、中国、德国、日本和美国的专家组利用测绘飞机使用机载雷达和引力传感器对甘比采夫冰下山脉首次进行了勘测，发现了一处惊人的古山脉，位于南极冰下4 km深处，形状和大小都类似于阿尔卑斯山脉，并绘制出其首批地形图，如图1所示。

此方法测绘面积大，但费用高，同时受飞机的不稳定的影响，测量精度不高，对于局部地区详细冰下地形状况无法细致的了解。

图1 使用机载雷达配合引力传感器测绘的甘比采夫区域地形图

2)地震勘探法。寻找地下资源可采用的地震勘探法，其原理是利用线缆连接多个传感器，采用炸药或空气枪作为震源，通过人工激发地震波，根据地下不同地质构造，传感器接收波的传播信号不同而区分地层介质[2]，如图2所示。此方法可用于南极冰下地形测绘，但轮式工程车无法进入内陆，需要改装到雪地车上。

图2 地震勘探原理

3)冰雷达测深法。2008年1月，在我国第24次南极期间，我国极地研究中心有关专家首次完成了南极Dome A区域200 km×30 km冰下地形测量，受现场条件限制，线路从最窄处几十米到最宽处十几公里不等，以此绘制了冰下三维地形图，见图3，其成果在Nature杂志上发表[1]。

2010年1月，武汉大学使用简易冰雷达在南极格罗夫山成功测绘了深度约1 200 m的冰下地形[3]。

综合分析，采用地面冰雷达测量冰下地形的方法是比较科学和适用的，为此，根据此方法测绘了Dome A昆仑站区域的冰下地形图。

2 数据获取及处理

1)深冰雷达。测量用冰深雷达是由中国极地研究中心自主研发的、穿透能力超过3 500 m、拥有自主知识产权的深冰雷达探测系统。它工作于调频脉冲压缩体制，工作频率为500 MHz，发射机最大发射功率为100 W，天线采用对数周期天线，系统的主要技术指标如表1所示。

图3 冰雷达冰下地形探测图

表1 冰盖深部冰雷达系统主要技术指标

2012年12月10—16日完成了所需雷达设备的安装与调试工作，首先使用的是深部雷达与SIR雷达两套系统。深部雷达的对数周期天线共分接收与发射天线两支。首先进行雷达天线自身的组合安装，每个天线有一个馈电用的集合线和13对阵子，每对阵子有两支，从集合线上的馈电端口看去，振子的长度逐渐减小；将13对振子通过专用螺丝安装于集合线上的13对安装孔。组装好的天线长为3.35 m，根据系统特性，将两支天线通过横梁支架(横梁支架固定于雷达舱顶部)分别架设于雷达工作舱的左右两侧，天线底端距离冰面约2.3 m，为了天线在行驶过程中的稳固，在横梁支架的两端装配上下斜撑各两根，天线的连接电缆经雷达工作舱两侧的通线孔进入到舱内。用于浅层探测的SIR雷达天线置于雷达舱后面，根据SIR雷达的天线特性，将天线与冰面进行偶合，将天线固定的特制玻璃钢雪撬内，并将该小雪撬拖挂在大雪撬的雪撬板正后方，使得玻璃钢雪撬在行进过程中一直位于大雪撬的撬辙内，以保证浅层雷达天线紧贴冰面平稳的向前滑行。浅层SIR雷达天线的连接电缆通过雷达舱后面的通线也进行舱内，见图4。

舱内部的深部雷达系统由接收机、发射机、上位机(笔记本)三部分组成。它工作于调频脉冲压缩体制，工作频率是100～200 MHz ，冰体厚度、冰下地形探测深度：>3 500 m，冰体内部结构分辨率：2 m。

2)数据获取。为了详细了解昆仑站区域冰下地形情况，2013年1月我国第29次南极内陆考察期间，重新对以昆仑站为中心20 km×20 km范围冰下地形测量进行严密规划，在已有的1∶500 00比例地形图上，按相同比例尺对冰下地形测绘进行规划设计，根据现场情况分4个测量区域，规划每条航线的起终点坐标，同时，区域间要保证有效连接，考虑到雪地车每天的行走距离，规划每个区域线路总长不大于100 km，线路间距1.5 km，保证地形图每个网格的高程点数不少于9个(地形图测绘基本要求)。

图4 雷达工作舱冰面测量

利用深冰雷达经过4 d的测量，共采集冰深点3万余个，覆盖了基本以昆仑站为中心的附近20 km×20 km的范围，实际冰深点采集路线如图5所示。

图5 实际冰深数据采集路线

对3万余个冰深数据进行了分析处理，首先，按照国家地形图规范要求，在每个成图单元格内(10 cm×10 cm)选取9个以上最深和最浅冰深点，剔除高低连续的中间点，并通过与临格比较，获得了有效冰深点数据，编制了此区域的1∶500 00比例尺冰深图和5 mDEM,同时获得了南极冰盖最厚处位置为距离昆仑站东0.7 km处。

为了得到冰下地形点数据，根据同区域的冰面地形图，内插获得冰下同平面坐标的冰上高程，计算出冰下地形点高程：

式中：H底为冰下地形点高程；H面为冰面地形点高程；h为此处的冰盖厚度，即冰层深度。

其中，冰面点高程从1∶500 00比例尺DOME A冰面地形图获得。

经过计算，绘制出昆仑站区域1∶500 00比例尺冰下地形图和DEM为5 m精度的冰下三维地形图，见图6。

图6 1∶5万Dome A冰下甘比采夫山脉昆仑站区域三维效果图

3 冰下地形图精度

通过与文献1中同区域测量成果对比，可以看出，此区域冰下甘比采夫山脉地形两次测量在走向和山体形状上基本一致，个别区域有差别，主要原因是两次测量点密度不同造成的。通过同区域成图对比，采用地面冰雷达测量获取冰下地形图的方法是比较先进的，如果进行精密规划，其成图精度可以满足1∶1万～1∶5万比例尺精度要求，其前提条件是，对测量区域按不同比例尺的规划要有合理的路线设计，保证获取数据有效。

4 结 论

采用地面冰雷达测量方法测绘冰下地形图是现阶段最实用、最方便和精度最高的测量方法。在内业成图处理上，需要计算冰下地形点高程，同时需要对大量的数据进行比较筛选，获得比较真实的冰下高程，从而绘制出冰下地形。

由于在冰下测量时是按照规划路线进行，受规划线路疏密及无法看见冰下地形情况的影响，对冰下地形最高点和最低点可能漏测，不能完全符合冰下地貌，但基本走向和地貌形态不会因此改变。同时，本项工作的开展在研究南极冰盖运动机理及全球环境变化奠定基础。

[1] SUN Bo, etc.《The Gamburtsev mountains and the origin and rarly evolution of the Antarctic Ice Sheet》,Nature,Vol.459,4June 2009.

[2] 王泽民，谭智，艾松涛，等.南极格罗夫山核心区冰下地形测绘[J].极地研究，2014，26(4)：399-404.

[3] 王连仲,毛伟娣,陈华.南极地图符号的标准化探讨及在GIS中的实现[J].测绘与空间地理信息，2009，32(5)：68-70.

[4] 韩惠军,吴文会.南极测量控制点新标志的设计与实现[J].测绘与空间地理信息，2013，36(4)：192-194.

[5] 徐敏,初启凤,阳俊,等.南极1∶5000地形图测绘关键技术及相关问题处理——以南极维多利亚地站为例[J].测绘工程，2016，24(1):73-76.

[6] 冯守珍，雷宁.南极中山站海湾地形特征研究[J].海洋测绘，2005，25(5)：28-30.

[7] 吴文会，殷福忠，吴迪.基于直升机平台及非量测数码相机的南极航空摄影测量技术研究[J].极地研究，2010，22(2)：190-198.

[8] 王连仲，孔繁宇，朱虹.WalkField软件在南极测绘中的应用[J].测绘工程，2007，15(3):1-5.

[9] 吴学峰，魏宝安，乔辉.高精度GPS测量在南极内陆测绘中的应用研究[J].测绘与空间地理信息，2010，33(4)：89-91.

[10] 潘家训.南极麦克斯威尔湾的测绘及海底地形分析[J].海洋测绘，1995，15(2)：30-37.

[11] 温家洪，王清华，吴健平.地理信息系统在南极考察和研究中的应用[J].极地研究，2001，13(3)：217-228.

[责任编辑：李铭娜]

Design and research of subglacial topography surveying and mapping in Antarctic

WANG Lianzhong1, SUN bo2, WU Wenhui1, GUO Jingxue2, CUI Xiangbin2，Zheng Fuhai3

(1.Heilongjiang Bureau of Surveying and Mapping,Harbin 150086，China;2.China′s Institute of Polar Research,Shanghai 200000,China;3.Heilongjiang Institute of Geomatics Engineering, Harbin 150086,China)

Internationally,subglacial topography surveying and mapping has not been comprehensively carried out in Antarctic,which is the key of research on the ice sheet motion to obtain the whole subglacial topography.This paper gives the optimal method at the present stage through summarizing subglacial topography surveying and mapping in Dome A area,Antarctic.At the same time,a simple method of subglacial topography mapping is provided.

Antarctic;subglacial topography;surveying;mapping

引用著录：王连仲,孙波,吴文会，等.南极冰下地形测绘路线规划及制图研究[J].测绘工程，2017，26(5)：15-19.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.05.004

2016-09-27

王连仲(1963-)，男，高级工程师.

P715

A

1006-7949(2017)05-0015-05