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2005年珠峰测高中的平面测量数据的获取与处理

2005 年珠峰测高中的平面测量数据的获取与处理 2005 年珠峰测高中的平面测量数据主要通过珠峰地区 3 个网进行测定。 这 3 个网分别是 GPS 监测网、GPS 控制网和 GPS 联测网。GPS 监测网以青藏周边地区的 17 个 GPS 连续运行 站为框架点,GPS 控制网以 GPS 监测网点为基准,ePS 联测网由包括珠峰峰顶 1 个 GPS 点和 地面交会珠峰的 7 个 GPS 点构成(其中定日点系珠峰地区临时性 GPS 连续运行站)。 珠峰地区 3 个 GPS 网的数据进行处理时, GPS 联测网则以 GPS 控制网为基准。 所有这些 GPS 网的数据 进行处理时,采用 IGS 精密星历、WGS 一 84 坐标系统和 GLOBKl0.2 版软件进行整体平差; 坐标框架采用 ITRF2000,历元采用平均瞬时观测历元。 2005 年珠峰测高的高程控制数据的获取与处理分为 2 个部分, 一是从相距珠峰约 160 km 的国家一等水准点“I 萨拉 40 基”开始的高程传递,用二等、三等水准将我国黄海高程基准 通过该点传递至测定珠峰高程的地面测站。 各种等级的水准路线长度累计约 400 km。 此外, 在水准无法工作的地区,还施测了测距高程导线以传递高程,总长 20.5 km。2005 年珠峰 测高中峰顶的高程必须由珠峰地区的大地水准面起算。因此,2005 年珠峰测高的高程控制 数据的获取与处理的第二个部分工作是精化该地区的局域大地水准面。 这项工作的基础是推 算具有较高分辨率的栅格重力值,由于珠峰地区地形崎岖,重力资料稀缺,因此,在归算和 推估珠峰地区重力时,必须充分利用地形资料和均衡模型。经过试算比较,决定在 2005 珠 峰重力推估中, 采用爱黎一海斯卡宁均衡模型和 34 km 的均衡低偿深度。 在利用栅格数字地 形模型(DTM)方面, 国内部分主要采用国家测绘局珠峰地区的 1” ×l” DTM, 国外部分以 SRTM3 的 DSM 为基础, 结合 GToP030(3∥×3 矿)的 DTM。 最后计算了珠峰地区两种栅格(3 矿×30” 和 2.5’×2.5’)形式的重力空间异常。利用这一栅格重力资料,采用移去恢复法,精化 与 EGM96 相应的珠峰地区的重力大地水准面。为了将这一精化后的珠峰地区的重力大地水 准面定位于我国黄海高程基准,由此选用珠峰地区的 44 个 GPS/水准点与该重力大地水准 面进行拟合,作为在 2005 年珠峰测高计算中最终采用的似大地水准面。经过外部检测其精 度为±0.09 m。 此次测量主要采用 GPs 技术和经典大地测量技术综合进行珠峰高程测量。因此在珠峰峰 顶上树立了测量觇标, 以供三角高程测量精确照准之用之外, 在该觇标上还架设了 GPs 天线 和激光测距的反射棱镜,供 GPS 测量和激光测距仪照准之用。经典大地测量技术测定珠峰 峰顶(即峰顶测量觇标处,以下同)雪面大地高时,采用单向三角高程结合激光测距这二种技 术进行,与 GPS 技术测得的珠峰峰顶雪面大地高的值取权平均值,最终求得珠峰顶雪面大 地高。顾及该处的大地水准面,由此求得珠峰顶雪面的正高(海拔高)为 8 847.93 m,该处 相应的冰雪层厚度为 3.50 m。根据上面的计算,2005 年珠峰测高中珠峰峰顶岩面正高(海 拔高)的国家采用值为 8 844.43 m,精度为±0.21 m。

参考文献 [1] 常吉庆.历次珠峰高程测量情况简介[J].测绘通报,2005,(10):2-6. [2] 张燕平,张鹏,岳建利等.2005 珠穆朗玛峰高程测量[J].地理信息世界,2005,3(4):48-52. [3] 郭 春 喜 , 王 斌 , 程 传 录 等 . 珠 穆 朗 玛 峰 高 程 测 量 [J]. 地 球 科 学 与 环 境 学 报,2009,31(1):106-110.

2005 年的珠峰高程复测是一项 GPS、精密水准测量、大地水准面精化、重

力测量 、雷达探测、气象探测以及地学理论等大地测量各种相关技术的国家基 础测绘项目,经数据处理取得了重要的可靠成果。 以上是我国军民大地测量工作者和登山队员艰辛劳动的结晶 35 年来所获得 的历次珠峰高程测量的成果,在此谨向他们致以崇高的敬意和谢意。

珠峰的测量分两个阶段 第一阶段: 海拔 5600 米之前———水准测量法 “从拉孜(位于西藏自治区西南部,为此次测量起点)到 5600 米的珠峰半山坡都 要使用水准测量法测量高度,但使用这种传统而精确方法测量每天只能行进 4 公里。 ”总体来说, 测量珠峰行动分为两大部分,一部分是从拉孜出发行进 500 公 里到达珠峰 5600 米处;另一部分从 5600 米起使用觇标、GPS、雪深雷达综合 测量峰顶高度。 ” 据介绍,所谓水准测量法是指从最初的基准点———青岛海拔基本面开始, 每 35 米设立一个标杆,用水准测量仪计算两边标杆尺度的变化,在水平视线内 测出两根标尺之间的高差,然后通过这种在两个相距 70 米标杆间设立水准仪的 测量方法一站一站地将高差累加起来,直到珠峰 5600 米处。 “这种方法能够把误 差控制在每公里 0.5 毫米以内,是目前世界上最精确的方法。不过好在拉孜县的 海拔早在 1997 年就已经测定, 此次测量珠峰我们只需从拉孜出发行程 500 公里 就能到达珠峰 5600 米处的下一个测绘站了。 ”

第二阶段: 海拔 5600 米以后———6 点联测确保精度 在用传统水准测量法到达 5600 米高程之后,测量工作将转入第二阶段,测 量人员将直接进行珠峰山体测量。 这一阶段的测量将是由测量人员在观测点通过 观测登山队员立到珠峰顶上的觇标,通过计算最终得出珠峰山体高度。为了提高 测量精度, 本次珠峰测量一共在珠峰脚下部下了 6 个观测点, 届时观测队员将进 行 6 点联测。据悉这种多角度测量是测量精度的可靠保证。 1975 年我国进行第一次大规模珠峰测量时,觇标只具有角度测量功能,而这 次设计的觇标添加了专门的棱镜,增加了测距功能。这也进一步提高了测量的精 度。 针对珠峰顶部冰雪层厚度年际变化大的问题, 此次珠峰测量还首次动用了冰 雪深雷达。据悉,这将帮助测量人员搞清珠峰顶部冰雪层与岩石层之间的关系。 这将帮助测量人员掌握珠峰顶岩石层的高度。 这个高度将不会随着冰雪层的变化 而变化。据透露,此次测量,登山队员还将在珠峰 8300 米处的一块坚固岩石上 竖立一根永久性的觇标。 测量人员将每年定期观测这根觇标,以掌握珠峰山体的 年际变化。观测数据将成为“珠峰究竟仍在长高还是正在坍塌”问题的最有力证 据。 而由于珠峰地区地质构造极为复杂,珠峰山体的重力线并不是一根直线。 此次测量, 科研人员还大量进行了不同地点的重力测量,这些工作将描述出珠峰 山体重力线弯曲的具体情形, 并为最终修正珠峰高度数据提供科学依据。而觇标 是放置于峰顶的一种测量标志。 此次珠峰测量,科研人员将在珠峰下的观测点通 过观测设在珠峰顶部的觇标最终计算出珠峰高度。 而这根将矗立在世界最高峰顶 上的觇标是地道的北京造。

1)GPS 监测网(如图 1 所示) 自青海格尔木至珠峰地区,跨越冈底斯、 喜马拉雅构造带布设 GPs 监测网,并联测其 万方数据 他地壳运动 GPS 监测网点,主要目的 是对青藏板块运动进行监测和研究, 同时将珠峰高程测量的控制网纳入到 国家整体坐标基准框架和地壳运动整 体监测网中。 2)珠峰 GPs 控制网(如图 2 所示) 在珠峰及邻近地区布设,在选点 和观测模式等方面区别于 GPS 监测网。 作为本次珠峰地区的控制网,控制点 沿水准路线布设,联系 GPs 监测网, 并形成 GPS/水准点,辅以加密重力测 量等手段精确求定珠峰高程测量的起 算点并服务于大地水准面精化。 3)水准测量(如图 3 所示) 由最新一期国家一等水准网中的 I 萨拉 40 基点通过二等和三等水准测量、 高程导线测量将国家高程基准准确地 传递至珠峰高程测量起算点。 。4); : ;重力观测(如霆碍所零》i—i: ;|¨ 』些四 图 2 2005 年珠穆朗玛峰 GPs 控制网展点图(共 32 点) 用于局部重力场优化、垂线偏差 计算、大地水准面精化以及水准测量 改正计算等。 5)峰顶测量(如图 5 所示) 主要包括 GPS 测量以及雷达探测 确定峰顶高度及冰雪层厚度、采用测 距和三角高程交会测量方法确定峰顶 的位置和高度等。

峰局部重力场精化 3.1 基础数据整理与处理 珠峰地区局部重力场精化[1—3 所采用的基础资料,主要包括以下几个方面: (1)以珠峰地区 SRTM3(航天雷达测绘任务获得的 3” 地形数据)为基础, 结合 1: 50 000 DEM 和全球 GTOP030 数据,综合确定珠峰地区分辨率为 3”X 3”的数字地形模型。 (2)收集与采用了 2 501 个重力点成果,包括中(国)尼(泊尔)重力剖面成果和中国在珠峰地

区施测的重力成果。 (3)采用重力点成果、3”×3”DEM 数据,完成了 30”×30”和 2.5’×2.51 平均空 间异常的计算。 (4)采用 44 个 GPS 水准点作为拟合珠峰地区重力似大地水准面的重控制数据。 3.2 珠峰地区均衡模型及均衡深度确定 由于珠峰地区重力资料较少, 因此在重力归算和推估中应采用合适的均衡模型和抵偿均衡深 度。1975 年计算珠峰地区均衡改正时,因受当时计算条件等限制,采用的是海福特模板, 均衡抵偿深度采用 113.7 km。本次计算珠峰地区均衡改正时,拟采用目前运用较为广泛的 爱黎模型,采用快速算法进行积分。为此采用普拉特模型和爱黎模型分别进行了试算,并对 两种模型的计算结果进行了比较, 同时通过试算确定了爱黎模型在珠峰地区应采用的均衡深 度。 在两种均衡模型的试算中,主要采用登山路线上 5 个重力点的地形均衡异常的计算结果 进行比较分析。采用普拉特均衡模型计算时,均衡低偿深度采用 113.7 km,积分半径采用 166.7 km,对于爱黎模型,选择了 34、35、37、40 km 4 个均衡深度分别计算了登山路线 上 5 个重力点的地形均衡异常。 从两种均衡模型的几种试算结果可以看出, 均衡模型选用爱 黎模型,均衡深度采用 34 km 时,登山路线上 5 个重力点的均衡异常的数值小且变化均匀, 因此在计算珠峰地区均衡改正时,均衡模型选择爱黎模型,均衡深度采用 34 km。 3.3 珠峰地区似大地水准面的确定 利用珠峰地区加密重力点成果、 高分辨率数字地形模型、 高阶次的地球重力场模型及分布较 均匀、现势性较好的 GPS 水准成果,采用重力法(Molodell—sky 原理)及移去一恢复技术完成 了珠峰地区分辨率为 2.5’x2.5’的高精度似大地水准面精化工作。计算时选择 EGM96、 WDM94、IGC 如 5B、DQM2000D 和 CG03C 5 种参考重力场模型进行了试算比较,确定了最 终采用的似大地水准面模型。 (1)选择 E∞他 6、WDM94、IGG05B、DQM2000D 和 CG03C 作为重力场模型,分别完成了 珠峰地区模型似大地水准面和模型平均空间异常计算。 (2)由实测的平均空间异常、模型平均空间异常以及前面计算的地形改正,计算剩余法耶 异常,用剩余法耶异常计算区域重力似大地水准面。 (3)在采用重力法计算区域重力似大地水准面时,考虑到地球重力场模型的阶次和积分半 径大小对似大地水准面的计算精度有着重要影响,因此,采用 Molodensky 公式,每个地球 重力场模型选用 360 阶次, 按 5 km 间隔, 选择从 20 km 到 100 km 的积分半径进行区域重力 似大地水准面的试算。经比较分析,采用 55 km 积分半径,选择 EGM96,wDM94、IGG05B、 DQM2000D 和 CG03C 作为参考重力场模型,分别完成了珠峰地区区域重力似大地水准面的 计算。 (4)区域重力似大地水准面采用的是 GRS80 椭球, 而 GPS 水准网则使用的是 WGS84 椭球, 加上重力基准等因素的影响,使得 GPS 水准与重力似大地水准面存在一定的差异,对此利 用 44 个 GPS 水准点,采用二元二次多项式拟合法,分别将 EGM96、WDM94、IGG05B、 DQM2000D 和 CG03C 作为参考重力场模型计算的区域重力似大地水准面拟合适配于该地区 GPS 水准网,由此获得了相应的拟合似大地水准面成果及有关的精度信息。 (5)利用拟合似大地水准面的格网成果,通过内插方法求得各 GPS 水准点的内插高程异常 值,然后将内插高程异常值同 GPS 水准点的已知高程异常值进行比较,从而计算拟合似大 地水准面的高程异常残差中误差。从计算结果发现,分别选择 EGM96、WDM94、IGG05B、 DQM2000D 和 IG03C 作为参考重力场模型确定的珠峰地区拟合似大地水准面的精度比较接 近,考虑到 EGM96 地球重力场模型在全球的广泛应用,并结合该模型在中国的应用实践, 选择 EGM96 作为参考重力场模型确定的珠峰地区拟合似大地水准面作为最终似大地水准面。

利用最终确定的似大地水准面,根据珠峰峰顶坐标,采用 Shepard 插值法完成了珠峰顶高程 异常等:珠穆朗玛峰高程测量 109 值的推算,求得珠峰顶高程异常值。 3.4 珠峰顶重力值推算 完成登山路线上 5 个实测重力点及珠峰顶的空间改正、 层间改正计算以及局部地形改正、 均 衡改正计算。 根据登山路线上 5 个重力点的地形均衡重力异常成果推估珠峰顶地形均衡重力 异常值(o.5×10-5 ms_2),利用珠峰顶地形均衡重力异常及下述公式完成了珠峰顶重力值的 推算 g—Agi。+',一船 1 一孵 2 一船。 。一豫 b (1)式中:g 为珠峰顶重力值;Agb 为地形均衡 重力异常,y 为珠峰顶正常重力值;船。为空间改正;豫:为层间改正;豫。 。为局部地形 改正;船 h 为均衡改正。 3.5 珠峰地区垂线偏差计算 在 2005 珠峰高程测量实施时,为满足观测数据归算到 WGS-84 椭球的要求,需要求解各控 制点相应于 WGS84 椭球的地面垂线偏差和。因此采用珠峰地区 30"×30”和 2.57×2.5t 格网重力异常数据作为地面重力垂线偏差计算的输入数据, 采用国内外广泛应用的移去嗽复 技术和应用高阶次地球重力位模型(EGM96)完成珠峰附近大地点地面重力垂线偏差的计算。 同时采用珠峰附近实测天文点 WGS-84 椭球的垂线偏差对地面重力垂线偏差进行系统转换, 获得珠峰附近大地点相应于 WGS-84 椭球的地面垂线偏差。


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