我们究竟是如何测量珠峰的？
新华网2020-05-23 08:20
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珠峰测量的背后是一部测绘科技进步史。那么，300年来，我们究竟是如何测量珠峰的呢？
01 珠峰诞生
数千万年前，印度板块与欧亚板块碰撞挤压，青藏高原逐渐隆起并形成“世界屋脊”。
▽ 印度板块与欧亚板块碰撞示意 |
来源@Christopher Scotese
1718年前后，在清康熙帝的派遣下，我国测量队员带着铜镀金矩度全圆仪、铜质御制方矩象限仪等先进仪器（现藏北京故宫）第一次测量了珠峰高程。他们在《皇舆全览图》上标注其为“朱母郎马阿林”，即珠穆朗玛峰。但这次测量并没有留下珠峰高程数据，也并不知道它是世界最高峰。
▽ 《皇舆全览图（1721）》的牙鲁藏布江图 | 制图@王朝阳/可视化星球
到了十九世纪中叶，英属印度测量局对喜马拉雅山脉进行了广泛调查与测量。在此过程中，他们发现并命名珠峰为Peak XV。之后，他们测量了珠峰高程并改名Mount Everest，珠峰的高度开始为世人所知。
02 印度的遥测时代
1847年，英属印度测量局在离珠峰322km的恒河平原上运用三角测量法对其进行了首次测量，测得高程为8778m（一说8783.7m）。当时的空气污染并不严重，所以300km外也能观测珠峰。
▽ 珠穆朗玛峰南麓 | 制图@王朝阳/可视化星球
三角测量法中，首先要得到测点到珠峰顶的距离（下图L3）。
▽ 三角测量——测点与珠峰顶的距离 | 制图@郑伯容/可视化星球
再测得珠峰顶的高度角（下图β′），即可计算出珠峰高度。
▽ 三角测量——珠峰高度 | 制图@郑伯容/可视化星球
但本次测量误差很大。在300km外测量一座数千米高的山峰，其难度显然远超一般的测量。
第一，测量本身会产生误差。因为距离远，微小的角度误差都会产生巨大的高度误差。
第二，光线折射产生误差。光线在通过不同密度介质时会发生折射，而大气层是一个上疏下密的圈层。
因此从数千米高的山峰反射到我们眼睛里的光线会产生明显的折射，产生大气折光差，从而对测量结果造成影响。
▽ 折光差示意 | 制图@郑伯容/可视化星球
为获得更准确的结果，之后数十年间，印度测量局又多次观测珠峰，一是更靠近珠峰，二是引入折光系数修正测量结果。其计算出的珠峰高程8839.8~8882m不等。
▽ 喜马拉雅山的测量（1858，Andrew S. Waugh Col） | 制图@王朝阳/可视化星球
但这样的结果离精确还有很远的距离，从其巨大的变动幅度就可以看出。问题出在哪里呢？
第一，地球近似椭球体。而椭球体的表面为曲面，远达100多km的距离上珠峰和测量点的“水平面”显然不在一个平面上。
▽ 椭球体对测量结果的影响 | 制图@郑伯容/可视化星球
这就需要天文测量来确定两者的经纬度和相对位置关系。通过测量两地同一天太阳最高时的时间差来确定经度，测量北极星的高度角即可确定纬度（北半球）。
▽ 经度测量示意 | 制图@王朝阳&郑伯容/可视化星球
▽ 纬度测量示意 | 制图@王朝阳&郑伯容/可视化星球
第二，地球只是近似椭球体，其实际形状并不规则。
我们所测量的“高程”是海拔，即相对于平均海水面的高度，在陆地区域则由海平面延伸形成大地水准面——假想的海平面。在这个面上重力处处相等（重力等位面），水不会流动。由于地球物质分布不均，这个面本身是高低不平的。
为了应用方便，我们常用似大地水准面作为替代。网上被广泛传播的“地球真实的形状”就是对大地水准面形状的模拟，显示了各地似大地水准面相对于椭球体的高度。
▽ 大地水准面高度（EGM2008），高度做了夸张 | 制图@王朝阳/可视化星球
而要获取各地相对于大地水准面的精确高度（海拔），需要水准测量和重力测量。
▽ 水准测量示意（h1+h即为海拔）| 制图@郑伯容/可视化星球
因为各地平均海水面并不一致，我国统一以青岛观象山的水准原点作为高程的起算点。该点的高程则由黄海多年平均海水面确定。
重力测量利用重力仪测量各地的重力加速度，通过重力值确定当地的大地水准面。
▽ 重力测量示意| 制图@郑伯容/可视化星球
第三，垂线偏差。即对于椭球体、大地水准面及似大地水准面，它们在同一点的“垂线”并不在一条线上。
▽ 垂线偏差示意 | 制图@王朝阳/可视化星球
因此，1921~1954年，印度又开展了多次测量。经过一系列技术改进后，测得了比较精确的结果：8847.6m，但仍有明显不足。主要问题在于：
第一，没有在珠峰树立测量标识——觇（chān）标，不同测点观测到的目标不一致。毕竟直到1953年人类才首次成功登顶珠峰。
▽ 无觇标与有觇标测量示意 | 制图@郑伯容/可视化星球
第二，珠峰顶覆盖着厚厚的冰雪，并不能算作珠峰本身。
▽ 冰雪覆盖示意 | 制图@郑伯容/可视化星球
03 中国的赶超时代
精确测量珠峰的重任落到了中国。
由于珠峰位于中国边境，因此测量珠峰高程对于维护领土主权也有着重要意义。新中国刚成立时，内地到西藏的陆路交通困难重重，经海路绕道印度进藏甚至更容易。
1966年，珠峰高程测量终于拉开帷幕。
几年内，中国在珠峰周围进行了一系列基础测量工作，把测站点位推进到距峰顶不足10km、海拔6000多米的珠峰脚下。
同时，通过释放探空气球，实测高空温度、气压等数据，计算折光系数，提高了测量精度。最终测得珠峰高程为8849.75m，但缺陷是没有树立觇标。
1975年，中国开展了第二次测量。这次测量最主要的突破就是首次登顶珠峰放置觇标，并探测雪深，同时把重力点推进到海拔7790m、距顶峰仅1.9km的地方。
这次得到的值正是大家熟知的8848.13m，精度0.35m，而覆雪厚度为0.92m（不含结冰层）。
20世纪90年代起，中外多次开展了珠峰复测，并引入了先进的GPS技术。GPS是全球导航卫星系统（GNSS）的一种，其利用人造卫星实现对地球点位的精确测量。
▽ GPS测量示意（GPS直接测量的是大地高而非海拔/正高） | 制图@郑伯容/可视化星球
同时，利用雪深雷达对冰雪厚度进行了探测。但几次测量结果并不理想，中国未更新珠峰高程。
▽ 冰雪深度测量示意 | 制图@郑伯容/可视化星球
因此，2005年中国再次对珠峰高程进行了测量。此次测量有三套观测方案同时进行：
1.传统的三角测距法观测峰顶树立的觇标与测距反射棱镜；2.用现代空间大地测量法，将GPS架设在峰顶觇标顶部同轴观测； 3.利用雪深雷达组合GPS动态定位技术观测峰顶覆雪厚度与雪面地形。
▽ 2005年珠峰交会测量示意 | 制图@王朝阳&郑伯容/可视化星球
最终测得的珠峰岩石面高程为8844.43m，精度0.21m，冰雪厚度则为3.50m，是目前为止最可靠的结果。
既然我们已经测得这么精确的珠峰高程，为什么15年后还要再测呢？
第一，地壳在不断运动，珠峰高程也在变化之中，2015年尼泊尔发生的8.1级大地震也可能产生很大影响；
第二，国际上对于珠峰高程的认定存在差异；
第三，测量技术在进步，我们可以获取更可靠的数据。
然而，测量珠峰高程并不仅仅为了得到高度这一个数值，也是为了获取珠峰区域一系列科学数据，这对于板块运动研究、冰川监测和生态保护等都十分重要。
虽然人类的飞行技术已经十分先进，但要将测量仪器送至近9000m的峰顶并开展测量仍然只能靠人力。2020年的今天，我们再次向顶峰发起冲击。那么这次测量有什么新突破呢？
第一，这将是我国专业测绘人员首次登顶珠峰测高，更能保证测量精度，而以前是由登山运动员登顶。
第二，GNSS测量将以中国的北斗系统为主，参考GPS等其他导航卫星系统。
第三，雪深雷达、重力仪等等一系列测量仪器都将使用国产的，5G信号也覆盖了珠峰北坡。
▽ 历次珠峰高程测量 | 制图@王朝阳&郑伯容/可视化星球
可以说，测量珠峰的历史就是一部测绘理论技术发展完善的历史。
人类对珠峰高程的求证
是认识自然、追求真理的过程；
是创新理论、改进技术的过程；
是突破极限、挑战自我的过程；
而对于中国来说，也是追赶与超越的过程。
我们攀登的是地球的最高峰，更是测绘科技的最高峰。
-End-撰稿 | 王朝阳 制图 | 王朝阳 郑伯容 审校 | 巩向杰
参考文献：1.徐永清. 18世纪珠峰测绘考略[N]. 中国测绘报,2015-04-28(003) 2.陈俊勇,庞尚益,张骥,张全德. 对我国35年来珠峰高程测定成果的思考[J]. 测绘学报,2001(01):1-5 3.常吉庆. 历次珠峰高程测量情况简介[J]. 测绘通报,2005(10):2-6 4.张燕平,张江齐. 求证珠穆朗玛峰海拔高程[J]. 测绘科学,2006(S1):7-13 5.郭春喜,王斌,程传录,庞尚益. 珠穆朗玛峰高程测量[J]. 地球科学与环境学报,2009,31(01):106-110 6.Zheng G, Wang H, Wright T J, et al. Crustal deformation in the IndiaEurasia collision zone from 25 years of GPS measurements[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2017, 122(11): 9290-9312 7.程效军，鲍峰，顾孝烈. 测量学[M]. 上海：同济大学出版社, 2016 8.魏玉坤、武思宇、王沁鸥. 为啥一定要靠人登顶？测量意义何在？……聚焦2020珠峰高程测量五大焦点[OL]. www.xinhuanet.com/2020-05/13/c_1125980427.htm
来源：新华号 可视化星球
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