“形变”不是“变形”,三峡大坝照片背后有条巨大的科普鸿沟

界面新闻

发布时间:07-1711:32

(作者郭喨系科技哲学博士、浙江大学博士后)

一张来自“谷歌地球”的扭成麻花的“三峡大坝卫星图片”在中文互联网引起了广泛关注和热烈讨论。相关部门紧急发声,然而我们的“应急科普”做得实在太差,整个弥漫着一股“工科八股文”的酸腐味——一味摆琐碎的事实、讲无聊的原理,却没有回应那些关心三峡大坝安全的公众、特别是那些长江下游公众的核心关切。“《专家组:三峡大坝变形处于弹性状态,在设计允许范围内》”,仅这样的标题就把许多人吓得够呛:“什么,三峡大坝‘变形’了?!”在“亚洲最大的食堂”吃饭时我就听见邻桌议论,“你看中国专家都承认三峡大坝变形了!难怪谷歌地图也说‘三峡大坝变形了’!”在公众普遍缺乏对“弹性形变”及与之对应的“塑性形变”概念基本理解的情况下,用“弹性形变”来安抚内心惶恐的公众,简直就跟说“你枕头下面有一颗手雷,放心,它不会爆炸”一样。其实,一旦真的发生了网传地图里那种夸张的变形,同样作为混凝土重力坝的美国胡佛水坝也得跟着一起崩溃了——是个水坝就承受不了图里那种扭曲。

那么,真相到底如何?

其实,首先要搞清楚,“形变”不是“变形”,“形变”时刻都在发生、谁都无法避免。形变包括可以复原的“弹性形变”和不可复原的“塑性形变”(即“变形”)这两类。你把水杯放回桌上、用手捏一下女朋友的脸,“弹性形变”就会发生:办公桌会发生肉眼不可见、脸会发生肉眼可见的形变;当杯子拿起、手指松开,这些外力作用下的形变就会消失。其实,就连我们每个人也都时刻都在发生形变!对大龄“单身狗”而言,相亲要趁早——这样显高!测量身高就能发现,你每天早晨起床后会比晚上睡觉前要高10 ~ 20mm!这是生物圈的人在重力作用下脊柱和椎间盘软骨发生的弹性形变。不过别担心,睡一觉就好啦——外力撤销能够恢复原状,所以叫“弹性形变”。考虑到大概率不足200斤(女生可能还要减半)的你每天都发生10 ~ 20mm的形变却完全没事甚至完全无感,那么2800万M3混凝土浇筑的庞然大物三峡大坝这么多年来的各个方向上的最大弹性形变仅为28.70mm,你是不是忽然感到非常安心?

这就是形变。那什么是“变形”呢?你捏橡皮泥或者在厨房里拿起菜刀“拍黄瓜”,一拍稀碎四分五裂的黄瓜和深凹的橡皮泥会告诉你。由于结构与功能之间的对应关系,变形的黄瓜可以吸收更多的东北大酱以增加其风味,变形的橡皮泥可以记录下你的艺术构想,然而你一定不希望你办公室屋顶也发生同样的“变形”。当可逆的“形变”突破一定限度之后就会转化为不可逆的“变形”。稀碎的黄瓜没法破瓜重圆,变形的橡皮泥记不住你捏它之前的样子:结构破坏、功能受损,这就是“变形”。

事实上,作为这个星球上、也是人类有史以来规模最为宏大的超级水利工程,这座深深扎根于前震旦纪闪云斜长花岗岩体中的三峡大坝的工程安全考虑是极尽周祥的。仅仅监测形变的设施就包括“正垂线、倒垂线、引张线、伸缩仪、精密量距、静力水准仪、精密水准点、双金属标、测温钢管标、多点位移计、基岩变形计、钻孔测斜仪”等全方位、高精度的众多类型,而且与主工程同步埋设了仪器监测点12087个,迄今保持了99.8%的完好率。这些监测覆盖了常规、专项、地质环境监测项目三大类14项。对此,我们完全可以有信心——即使三峡大坝真有个头疼脑热,那也是我们自己——而不是“谷歌地球”,率先发现。监测记录显示,大坝坝体沉降趋稳,坝基垂直最大位移26.69mm,上下游方向水平最大位移4.63mm;坝顶上下游方向水平位移受水位和温度影响周期性变化,最大位移28.70mm。三峡大坝2010年175m高水位运行9年以来“各建筑物工作性态正常,工程运行安全可靠”。横向比较,三峡大坝也是极其秀的:“就安全监测措施的门类和覆盖率、运行十多年后内部观测仪器的完好率以及数据处理的自动化水平,三峡大坝都是首屈一指的。”正如你每天规律性形变10 ~ 20mm一样,三峡大坝的形变也符合重力坝形变规律——事实上大坝的这点形变量你肉眼根本看不出来,不告诉的话我们也不会知道。一句话总结:三峡大坝极其安全——一定会有形变,一定没有变形。

既然如此,“谷歌地球”为什么会把三峡大坝这样靠自重就可以立足的“钢铁直男”掰弯?这是地图制图的偏差。此偏差至少包括光学层面的“测量偏差”和绘图层面的“算法偏差”两类,涉及大地测量学和制图学的复杂原理。在此有必要先纠正两个广泛流行的错误观念,纠正后如下:第一,卫星地图不是“拍摄”的而是(通过“瓦片”和数据)合成的,因此地图形象不直接代表真实地物样态;第二,所有的地图必然存在与真实地物的偏差,这是地图的内在属性决定的。随着硬件设备如飞机和卫星的光学成像系统的进步(美国军民两用测绘卫星的空间分辨率达到了可怕的0.31m),算法偏差占据了越来越大的比例。由于地球是球体的而地图是平面的,所有地球上的地理要素都需要通过变换即“投影”——其本质就就是拉伸、挤压和扭曲——的方式,才能从立体的三维转换成平面的二维。不过“投影”不是胡乱变形,通常只能在长度、面积、角度等要素中保持一种不变或者控制变化在可接受的范围内。制图目的不同,所采用的投影方式也就不同。例如,为了航海和航空目的的地图经常使用“墨卡托投影”(即“正轴等角圆柱投影”),该投影没有角度变形可以保证对象的形状和相对位置不变,因此在墨卡托投影地图上等角航线是一条直线,有利于短途航行;但“等角”会导致该图上长度和面积随着与“基准纬线”距离的增大而增加,产生了著名的“格林兰岛大于澳大利亚”的“变形记”。而谷歌地图使用的是TMS瓦片索引机制,采用的投影是Web墨卡托投影,其投影坐标系是个正方形,对应的地理坐标系覆盖了全部的经度和南北纬85.05度范围——直接放弃了为两极的企鹅们服务。因此,墨卡托投影的变形谷歌地图也都有。另一方面,将光学影像与地理坐标相缀合的过程也会产生一些偏差,不过通常都是可纠正的。这次的谷歌地图的“麻花大坝”就与此有关。

正如我们每个人都不愿意把自己家庭地址随便公开一样,国家对于我国关键地理特征也是有所保留的。我国的地理地底图同样也不能轻易示人。首先,1:200之类的高精度地图绝不公开,能公开的最高只有1:10000和更大比例尺的地图;其次,基于安全的考量,还会进行真实地理坐标与地图坐标的变换,你在不同的地图上输入相同的地理坐标可能会得到不同的位置。WSG-84是全球通用的坐标系,我国基于WSG-84制订了自己的大地测量系统GCJ-02。为了保护重要地标,会通过SM模组的混淆算法对真实坐标系统进行随机偏移——偏移量在20—500米之间,“可以偏到火星去”,于是GCJ-02有一个更响亮的名字叫做“火星坐标系”。国内的高德、腾讯和谷歌地图(中国)使用的就是火星坐标系,然而谷歌地图并没有获取我国测绘局的许可证因而没有对应的纠偏程序。谷歌地球的影像来自卫星所以没有偏移,但道路、地标等数据来自高德,卫星图层和电子图层之间有时会发生偏离。实际上谷歌地图的中国部分一度偏得离谱,直到2006年把卫星地图用火星系坐标系调整了一下才实现了卫星地图和街道地图的重合。此次“麻花地图”的出现,正是由于地理底图中高程信息不准确所致。张寒轩等指出,谷歌由于缺乏准确的高程数据导致“拽偏影像”,“坝体变形位置与高程突变位置基本一致”。

实际上,我国三峡大坝这样的核心基础设施的地理高程等机密信息根本不会公开。所以,掰弯的“歪图”是谷歌的错而非大坝的锅。对地理测绘加以限制是全球的通例,就中国而言只有14家公司被授予了绘制地图权。毕竟谷歌地图也对美国内华达州林肯县——51区、法属波利尼西亚和台北某栋矩形红色屋顶的军事基地等地点都进行了模糊化处理。除了上传斯坦福大学附近的裸女照片、凭空在水深超过千米南太平洋某处吹填出一座Sandy的小岛之外,Google地图发生的类似错误并不罕见——当然我们的高德地图或腾讯地图的错误同样不少,你看光一个重庆黄桷湾立交桥就让他们恨不得互相推荐友商的产品导航了。作为曾用ArcGIS绘制地图的学习者,我对此深有体会:对制图以及导航而言,错误是可以改正却难以避免的。

三峡大坝“变形”的谣言被无脑相信反映了一个值得警惕的事实,那就是我们各级学校的“通识教育”远远不够,我们整个社会的“应急科普”也相当糟糕。我们的专业技术人员在日益专门化的细分领域里面“低头干活”的同时却忘记了“抬头看天”,只会自说自话。既然“眼见为实”是公众乐于相信的传播方式,为什么不及时不展示点最新的图片呢——不用高大上的“卫片”或“航片”,仅仅需要一些剪刀手或大饼脸的游客与大坝合影照就好了——你看,三峡大坝笔直如初。我也是看到了今天的几张游客照,才更加坚定了上述判断。

不过,至于网传的“海草舞”版“三峡大坝”——那么妖娆的扭曲,让我十分想念在天津吃的桂发祥麻花——只有PHOTOSHOP生产的“高弹力柔性混凝土”才能炮制,我们国家的科技实力有限,对此实在无能为力。我们太缺乏既掌握了专门知识又能深入浅出讲清道理的复合型人才。这一次我们劳神费力终于解释清楚了,那,下一次呢?

(注:本文仅代表作者个人观点。责编邮箱:zhoujing@jiemian.com)

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