2020珠穆朗玛峰高程测量数据获取方案

(自然资源部第一大地测量队，陕西 西安 710054)

珠穆朗玛峰(以下简称珠峰)作为世界最高峰，其精确高度一直被人类所关注。精确测定珠峰高程对于研究板块运动和演化、生态环境变化等具有重要意义，也是人类追求科技发展、研究地球、探索自然的象征。近50年来，我国单独组织或与其他国家合作，对珠峰一共进行了7次大规模的外业测量、数据处理和研究工作，并分别于1975年、2005年和2020年正式发布了珠峰高程测量成果[1-4]。国内专家学者对珠峰高程测量进行了一系列研究，常吉庆[5]详细介绍了1714—2005年间，中、印、美、意等国进行历次珠峰高程测量采用的技术方案；陈俊勇等[6]对2005年珠峰高程测量项目实施与成果进行了详细阐述，分析了2005年测量过程中的关键技术进展；党亚民等[7-9]对我国开展的历次珠峰高程测量中的高程基准、峰顶雪深探测、珠峰高程值的确定等问题进行了探讨，对2005年珠峰高程测量的全球定位系统(global positioning system,GPS)数据处理与大地高确定方法进行了研究，并对2020年珠峰高程测量的数据处理进行了详细阐述与分析；郭春喜等[10]对2005年珠峰高程测量中的数据处理、似大地水准面精化及珠峰正高确定方法进行了研究，分析了珠峰高程测量数据处理的详细技术方案。2020年相对于之前开展的珠峰测量项目又有了新的技术进步，本研究主要针对本次珠峰高程测量的数据获取技术方案进行介绍，着重从测绘设备和数据获取技术方案两个方面与2005年实施的珠峰测量方案进行对比分析，并探讨其中的技术特点。

1 观测实施方案

1.1 总体技术路线

2020珠峰高程测量总体技术路线包括外业观测和内业处理两大部分。外业观测包括珠峰区域控制测量和峰顶测量两方面，控制测量包括控制点普查与补埋、坐标控制、高程控制、重力控制等，峰顶测量工作则包括峰顶全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)联测、峰顶交会测量、冰雪雷达探测、峰顶重力观测、峰顶气象元素观测，数据获取方法既采用了经典的大地测量方法，又采用了航空重力、冰雪雷达探测等现代测绘技术。内业处理则包括珠峰测量数据处理和珠峰高程测量检核计算两方面。总体技术路线如图1所示。

图1 总体技术路线Fig. 1 Overall technical route

1.2 高程控制测量

高程控制测量首先将1985国家高程基准传递至珠峰地区。2015年4月25日尼泊尔发生8.1级大地震，为保证高程起算点的稳定性，2020年珠峰高程测量高程控制点从距珠峰约260 km的国家一等水准点I萨拉65基上(日喀则深层基岩点)起测，沿途布设一等水准测量高程控制网，将我国高程基准成果传递至与尼泊尔相邻的樟木口岸附近。同时，在此基础上通过二等、三等水准测量、高程导线测量和跨河水准测量获取高程控制点的正常高和6个交会点(大本营、中绒、Ⅲ7、西绒、东绒2和东绒3)的正常高。高程控制网施测严格按照《国家一、二等水准测量规范(GB/T 12897—2006)》[11]、《国家三、四等水准测量规范(GB/T 12898—2009)》中的有关规定执行[12]，直接水准无法连测的交会点及沿登山线路推进的GNSS/水准/重力点，采用不低于四等水准精度的测距高程导线的方法施测。水准路线总长度约782 km，测距高程导线总长度为18.5 km。高程控制网布设情况如图2所示。

图2 高程控制网布设示意图Fig. 2 Diagram of elevation control network layout

1.3 坐标控制测量

坐标控制网包含两部分：GNSS基准站网和珠峰局部GNSS控制网，按照《全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T 18314—2009)》[13]实施。GNSS基准站网选取了西藏、青海、新疆范围内稳定的IGS站、GNSS基准站、临时基准站等107点作为首级控制网点，临时GNSS连续运行基准站分别位于珠峰大本营和曲当乡，运行时间30天以上，基准站网点观测按照B级GNSS测量技术要求实施。珠峰局部GNSS控制网在利用珠峰及周边区域的GNSS连续运行基准站的基础上，沿部分一等水准路线和二等水准路线布设包括6个交会点在内的61个GNSS控制点，并在控制点上进行水准和重力测量，服务于似大地水准面精化等工作，局部GNSS控制网点按照C级GNSS测量技术要求实施。珠峰局部GNSS控制网布设如图3所示。

图3 局部GNSS控制网布设示意图Fig. 3 Schematic diagram of local GNSS control network layout

1.4 重力测量

在水准路线和登山路线上测定重力值，用于水准测量数据处理以及重力场和似大地水准面精化。重力测量按照《国家重力控制测量规范(GB/T 20256—2019)》[14]、《国家加密重力测量规范(GB/T 17944—2018)》[15]技术要求实施。珠峰区域共实测重力点210点，其中包括绝对重力点2点、基本重力点1点、二等重力点5点、加密重力点202点。起算点利用FG5绝对重力仪观测，地面相对重力采用CG-6相对重力仪观测，登山路线重力点采用国产Z400型相对重力仪进行观测，未构成附和或闭合观测路线。重力测量点位分布如图4所示。为获取珠峰区域密集、均匀的高精度重力数据，在进行地面重力测量的同时，还采用了航空重力测量手段。利用加拿大CMG(Computer Modelling Group Ltd.)公司的GT-2A航空重力仪和国产DGA-01航空重力仪同时进行数据采集，飞行测线间隔5 km，共采集测线5 635.2 km[8]。

图4 重力测量点位分布示意图Fig. 4 Distribution diagram of gravity measuring points

1.5 峰顶测量

登顶成功后需要进行的工作主要有：全站仪交会测量、GNSS同步测量、相对重力测量、冰雪雷达探测和气象元素测量。

在登顶成功并架设觇标后，首先进行峰顶GNSS观测，峰顶GNSS接收机与地面7个地面控制点和1个临时连续运行基准站同步组网观测，具体观测技术参照《全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T 18314—2009)》[16]的规定执行，其中各交会点GNSS同步联测不少于4 h，峰顶点位则根据峰顶停留时间和具体状况尽可能地增加采集时间。峰顶GNSS天线使用功分器连接2台接收机进行记录，采样频率20 Hz，最终峰顶采集时长约40 min。与此同时，分布于海拔5 200～6 000 m的6个交会点开始利用超长测距全站仪进行交会测量工作，交会测量主要观测水平角、垂直角和距离，利用该方法的主要目的是与GNSS测量结果进行比对检核，作业参照《国家三角测量规范(GB/T 17942—2000)》[17]和《国家三、四等水准测量规范(GB/T 12898—2009)》[18]执行。利用国产Z400相对重力仪在峰顶开展重力观测，利用专用温度气压计全程采集峰顶温度、湿度、气压。使用冰雪探测雷达按既定路径进行连续动态探测。

1.6 气象元素观测

气象元素测量包括三方面内容：利用高空气球探候、在交会点利用干湿温度计和气压计获取气象元素、峰顶利用专用温度气压计获取气象元素。在大本营施放高空探候气球时，在交会测量期间每天施放探空气球4次，在登顶测量期间每天施放7次，海拔每隔100 m获取该高度的温度、湿度、气压等气象信息。实施气象元素观测主要有4个目的：①为计算各观测站的大气垂直折光系数K提供温度梯度数据[19]；②为光电测距方法测定测站与峰顶距离时提供气象改正数据；③通过规律测定海拔4 500～9 000 m间的气象信息，为登顶作业提供保障；④为气象、环境等其他学科研究提供实测数据。

2 数据获取方案技术特点

相对于2005年珠峰高程测量，2020年珠峰高程测量数据获取方案主要有如下3方面特点。

2.1 充分使用国产设备

GNSS接收机、超长测距全站仪、冰雪探测雷达等国产设备全面承担本次珠峰高程测量任务。峰顶GNSS测量采用国产华测P5接收机和进口Trimble ALLOY接收机同时进行观测，使用GAMIT/GLOBK软件对数据进行处理并比对结果，表明国产设备与进口设备精度相当，且国产设备和进口设备计算的峰顶坐标差异均小于1 cm[8]。

超长测距全站仪主要用于交会测量工作，当前市场主流全站仪的测量极限距离均不足10 km，而6个交会点距峰顶的距离均大于10 km，如表1所示，大本营交会点距峰顶最远距离达18.3 km。2005年珠峰测量采用进口WILD T2/T3、TCA2003等设备进行测角，采用WILD DI3000测距仪进行测距[20]，2020珠峰高程测量则使用了国内厂家研发的超长测距全站仪。项目前期对超长测程全站仪进行了相关测试，结果表明该设备测角精度2″，测距精度2 mm+2 ppm，测程可达19.5 km。分别在基线长度15.4、19.5 km进行精度测试，将超长测距全站仪测量结果与GNSS静态测量计算的基线长度比对，结果差值小于3.5 cm，一致性良好。

表1 6个交会点与峰顶的距离Tab.1 Distance between the six meeting points and the summit

珠峰峰顶常年有冰雪覆盖，冰雪层厚度受季节、温度、降雪、风力及冷冻风化、峰顶脱片等因素影响较大，雪面高程的变化对研究板块运动和全球气候变暖具有重要的科学意义。冰雪探测雷达作为珠峰高程测量的关键仪器装备，其作用是探测珠峰峰顶的冰雪层厚度，描绘峰顶雪面地形。2005年使用了意大利IDS公司生产的雷达设备，如图5(a)所示，其中集成了定位模块，但由于技术条件有限只能接收GPS卫星信号，并且在峰顶测量过程中需手动打入GPS时间标记。2020年，国产GNSS和雷达生产厂家联合定制了国产冰雪探测雷达，主要解决了两个问题：一是将国产GNSS接收机和探地雷达进行集成；二是实现了GNSS接收机与雷达数据的独立自动记录，并存储了GNSS与雷达数据的时间同步信息用于后差分坐标与冰雪层厚匹配。如图5(b)所示，设备开机后无需人工操作，可同时接收北斗卫星信号，经测试能够在-40 ℃的环境中连续工作1 h以上，满足在峰顶恶劣环境中的应用需求。雷达测量频率设置为40 Hz，时窗设置为100 ns，最终获取了珠峰峰顶的有效观测值11 326道[8]。

(a)2005年使用的冰雪探测雷达 (b)2020年使用的国产冰雪探测雷达

2.2 控制测量更全面

稳定、高精度的控制网是提高成果可靠性的必要条件。相对于2005年，2020年珠峰高程测量选择的坐标控制点和高程控制点范围更广，数量更多，以避免起算点的坐标和高程受到“4·25”尼泊尔大地震和珠峰局部板块运动的影响[21-23]。2005年珠峰高程的控制起测点为I萨拉40基，该点位于拉孜境内，距珠峰约160 km，总水准路线长度约400 km，2020年则从更远的日喀则一等水准点起测，总水准路线长度比2005年增加了约382 km。

2005年布设了青藏地区地壳运动监测网用于提供基准和地球动力学研究，2020年则基于西藏及其周边省已建成的国家GNSS基准站作为起算基准和外部首级控制点，将最终坐标成果归算到CGCS2000国家大地坐标系。同时在珠峰外围布设了更多GNSS控制点，保证了起算数据的稳定性和可靠性，为后期解算提供了丰富的数据源，两次GNSS测量情况如表2所示。

表2 2005年与2020年珠峰高程测量GNSS控制网点数Tab. 2 Number of GNSS control points for Qomolangma height surveying in 2005 and 2020

表3 2005年与2020年重力测量情况对比Tab. 3 Comparison of 2005 and 2020 gravity measurements

2.3 重力测量内容更丰富

以区域重力点数据、地形模型、地球重力场模型和GNSS、水准成果等为基础数据，采用莫洛金斯基理论下的移去-恢复技术特别适合解算珠峰地区的似大地水准面，其中密度高且均匀的加密重力点对于提高模型精度和计算大地水准面差距至关重要[24-25]。如表3所示，相对于2005年，2020年珠峰高程测量重力测量方案主要有4个方面的进步：

1) 2005年重力起算成果从距珠峰大本营约260 km的日喀则单点起算，点位精度为10 μGal，2020年则分别在日喀则和距珠峰约18 km的GNSS基准站进行了绝对重力实测，起算精度可达0.3 μGal；

2) 相比于2005年，2020年布设了更多的二等重力点和加密点，利用CG-6相对重力仪首次将高精度的重力成果引测到了海拔6 500 m营地；

3) 2005年相对重力测量最高推进到了海拔7 790 m营地，峰顶重力通过推算得到，而2020年则首次在珠峰峰顶实测了相对重力值；

4) 在珠峰地区首次使用航空重力测量技术，获取了覆盖珠峰周边约12 700 km2的重力格网数据，文献[8]表明，航空重力数据成果使似大地水准面模型精度提高了38.5%。

利用丰富的重力测量成果，2020年建立了历史上精度最高的珠峰区域似大地水准面模型，模型精度从2005年的±14.6 cm提升至±4.8 cm，同时也使模型的分辨率从2.5′×2.5′提升至1.5′×1.5′。

3 结语

对2020年珠峰高程测量实施中的高程控制、坐标控制、重力测量、峰顶测量、气象元素观测等工作进行了阐述，并与2005年珠峰高程测量数据获取方案进行了对比分析。2005年获取的珠峰峰顶雪面正高精度为0.188 m，2020年获取的基于国际高程参考系统的珠峰雪面正高精度为0.06 m，达到了历史最高精度。2020年珠峰高程测量使用了大量高性能国产设备，控制测量、重力测量等方案有了多方面进步，成功获取了高质量的原始数据，这些都成为提高最终成果精度的重要因素。

珠峰地区低温、低压、环境复杂多变，克服这些因素开展系统性的测量工作难度极大，2020年珠峰测量综合使用了传统大地测量技术方法和测绘新技术新方法，创造了多个历史第一：首次在峰顶使用国产设备和北斗卫星导航系统进行GNSS测量；首次实测获取峰顶相对重力数据；首次在珠峰区域开展航空重力测量，这些新的成就与我国科学技术发展密切相关。

此外，还采用了InSAR观测数据对珠峰区域地壳运动与形变进行了监测分析；采用光学与SAR遥感技术，对珠峰及周边区域的山地冰川进行了变化监测；利用星载影像结合DEM构建珠峰地区实景三维模型，为珠峰地区自然资源监测研究提供了更丰富的数据源。