原創(chuàng) 可視化星球 可視化星球

珠峰測(cè)量的背后是一部測(cè)繪科技進(jìn)步史。那么，300年來(lái)，我們究竟是如何測(cè)量珠峰的呢？

01 珠峰誕生

數(shù)千萬(wàn)年前，印度板塊與歐亞板塊碰撞擠壓，青藏高原逐漸隆起并形成“世界屋脊”。

▽ 印度板塊與歐亞板塊碰撞示意 | 來(lái)源@Christopher Scotese

1718年前后，在清康熙帝的派遣下，我國(guó)測(cè)量隊(duì)員帶著銅鍍金矩度全圓儀、銅質(zhì)御制方矩象限儀等先進(jìn)儀器（現(xiàn)藏北京故宮）第一次測(cè)量了珠峰高程。

他們?cè)凇痘瘦浫[圖》上標(biāo)注其為“朱母郎馬阿林”，即珠穆朗瑪峰。但這次測(cè)量并沒有留下珠峰高程數(shù)據(jù)，也并不知道它是世界最高峰。

▽ 《皇輿全覽圖（1721）》的牙魯藏布江圖 | 制圖@王朝陽(yáng)/可視化星球

到了十九世紀(jì)中葉，英屬印度測(cè)量局對(duì)喜馬拉雅山脈進(jìn)行了廣泛調(diào)查與測(cè)量。在此過(guò)程中，他們發(fā)現(xiàn)并命名珠峰為Peak XV。之后，他們測(cè)量了珠峰高程并改名Mount Everest，珠峰的高度開始為世人所知。

02 印度的遙測(cè)時(shí)代

1847年，英屬印度測(cè)量局在離珠峰322km的恒河平原上運(yùn)用三角測(cè)量法對(duì)其進(jìn)行了首次測(cè)量，測(cè)得高程為8778m（一說(shuō)8783.7m）。當(dāng)時(shí)的空氣污染并不嚴(yán)重，所以300km外也能觀測(cè)珠峰。

▽ 珠穆朗瑪峰南麓 | 制圖@王朝陽(yáng)/可視化星球

三角測(cè)量法中，首先要得到測(cè)點(diǎn)到珠峰頂?shù)木嚯x（下圖L3）。

▽ 三角測(cè)量——測(cè)點(diǎn)與珠峰頂?shù)木嚯x | 制圖@鄭伯容/可視化星球

再測(cè)得珠峰頂?shù)母叨冉牵ㄏ聢Dβ′），即可計(jì)算出珠峰高度。

▽ 三角測(cè)量——珠峰高度 | 制圖@鄭伯容/可視化星球

但本次測(cè)量誤差很大。在300km外測(cè)量一座數(shù)千米高的山峰，其難度顯然遠(yuǎn)超一般的測(cè)量。

第一，測(cè)量本身會(huì)產(chǎn)生誤差。因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)，微小的角度誤差都會(huì)產(chǎn)生巨大的高度誤差。

第二，光線折射產(chǎn)生誤差。光線在通過(guò)不同密度介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生折射，而大氣層是一個(gè)上疏下密的圈層。

因此從數(shù)千米高的山峰反射到我們眼睛里的光線會(huì)產(chǎn)生明顯的折射，產(chǎn)生大氣折光差，從而對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。

▽ 折光差示意 | 制圖@鄭伯容/可視化星球

為獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，之后數(shù)十年間，印度測(cè)量局又多次觀測(cè)珠峰，一是更靠近珠峰，二是引入折光系數(shù)修正測(cè)量結(jié)果。其計(jì)算出的珠峰高程8839.8~8882m不等。

▽ 喜馬拉雅山的測(cè)量（1858，Andrew S. Waugh Col） | 制圖@王朝陽(yáng)/可視化星球

但這樣的結(jié)果離精確還有很遠(yuǎn)的距離，從其巨大的變動(dòng)幅度就可以看出。問(wèn)題出在哪里呢？

第一，地球近似橢球體。而橢球體的表面為曲面，遠(yuǎn)達(dá)100多km的距離上珠峰和測(cè)量點(diǎn)的“水平面”顯然不在一個(gè)平面上。

▽ 橢球體對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響 | 制圖@鄭伯容/可視化星球

這就需要天文測(cè)量來(lái)確定兩者的經(jīng)緯度和相對(duì)位置關(guān)系。通過(guò)測(cè)量?jī)傻赝惶焯?yáng)最高時(shí)的時(shí)間差來(lái)確定經(jīng)度，測(cè)量北極星的高度角即可確定緯度（北半球）。

▽ 經(jīng)度測(cè)量示意 | 制圖@王朝陽(yáng)&鄭伯容/可視化星球

▽ 緯度測(cè)量示意 | 制圖@王朝陽(yáng)&鄭伯容/可視化星球

第二，地球只是近似橢球體，其實(shí)際形狀并不規(guī)則。

我們所測(cè)量的“高程”是海拔，即相對(duì)于平均海水面的高度，在陸地區(qū)域則由海平面延伸形成大地水準(zhǔn)面——假想的海平面。在這個(gè)面上重力處處相等（重力等位面），水不會(huì)流動(dòng)。由于地球物質(zhì)分布不均，這個(gè)面本身是高低不平的。

為了應(yīng)用方便，我們常用似大地水準(zhǔn)面作為替代。網(wǎng)上被廣泛傳播的“地球真實(shí)的形狀”就是對(duì)大地水準(zhǔn)面形狀的模擬，顯示了各地似大地水準(zhǔn)面相對(duì)于橢球體的高度。

▽ 大地水準(zhǔn)面高度（EGM2008），高度做了夸張 | 制圖@王朝陽(yáng)/可視化星球

而要獲取各地相對(duì)于大地水準(zhǔn)面的精確高度（海拔），需要水準(zhǔn)測(cè)量和重力測(cè)量。

▽ 水準(zhǔn)測(cè)量示意（h1+h即為海拔） | 制圖@鄭伯容/可視化星球

因?yàn)楦鞯仄骄Ｋ娌⒉灰恢?，我?guó)統(tǒng)一以青島觀象山的水準(zhǔn)原點(diǎn)作為高程的起算點(diǎn)。該點(diǎn)的高程則由黃海多年平均海水面確定。

重力測(cè)量利用重力儀測(cè)量各地的重力加速度，通過(guò)重力值確定當(dāng)?shù)氐拇蟮厮疁?zhǔn)面。

▽ 重力測(cè)量示意 | 制圖@鄭伯容/可視化星球

第三，垂線偏差。即對(duì)于橢球體、大地水準(zhǔn)面及似大地水準(zhǔn)面，它們?cè)谕稽c(diǎn)的“垂線”并不在一條線上。

▽ 垂線偏差示意 | 制圖@王朝陽(yáng)/可視化星球

因此，1921~1954年，印度又開展了多次測(cè)量。經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)改進(jìn)后，測(cè)得了比較精確的結(jié)果：8847.6m，但仍有明顯不足。主要問(wèn)題在于：

第一，沒有在珠峰樹立測(cè)量標(biāo)識(shí)——覘（chān）標(biāo)，不同測(cè)點(diǎn)觀測(cè)到的目標(biāo)不一致。畢竟直到1953年人類才首次成功登頂珠峰。

▽ 無(wú)覘標(biāo)與有覘標(biāo)測(cè)量示意 | 制圖@鄭伯容/可視化星球

第二，珠峰頂覆蓋著厚厚的冰雪，并不能算作珠峰本身。

▽ 冰雪覆蓋示意 | 制圖@鄭伯容/可視化星球

03 中國(guó)的趕超時(shí)代

精確測(cè)量珠峰的重任落到了中國(guó)。

由于珠峰位于中國(guó)邊境，因此測(cè)量珠峰高程對(duì)于維護(hù)領(lǐng)土主權(quán)也有著重要意義。新中國(guó)剛成立時(shí)，內(nèi)地到西藏的陸路交通困難重重，經(jīng)海路繞道印度進(jìn)藏甚至更容易。

▽ 主要進(jìn)藏路線示意 | 制圖@王朝陽(yáng)/可視化星球

1966年，珠峰高程測(cè)量終于拉開帷幕。

幾年內(nèi)，中國(guó)在珠峰周圍進(jìn)行了一系列基礎(chǔ)測(cè)量工作，把測(cè)站點(diǎn)位推進(jìn)到距峰頂不足10km、海拔6000多m的珠峰腳下。

同時(shí)，通過(guò)釋放探空氣球，實(shí)測(cè)高空溫度、氣壓等數(shù)據(jù)，計(jì)算折光系數(shù)，提高了測(cè)量精度。最終測(cè)得珠峰高程為8849.75m，但缺陷是沒有樹立覘標(biāo)。

1975年，中國(guó)開展了第二次測(cè)量。這次測(cè)量最主要的突破就是首次登頂珠峰放置覘標(biāo)，并探測(cè)雪深，同時(shí)把重力點(diǎn)推進(jìn)到海拔7790m、距頂峰僅1.9km的地方。

這次得到的值正是大家熟知的8848.13m，精度±0.35m，而覆雪厚度為0.92m（不含結(jié)冰層）。

20世紀(jì)90年代起，中外多次開展了珠峰復(fù)測(cè)，并引入了先進(jìn)的GPS技術(shù)。GPS是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的一種，其利用人造衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)地球點(diǎn)位的精確測(cè)量。

▽ GPS測(cè)量示意（GPS直接測(cè)量的是大地高而非海拔/正高） | 制圖@鄭伯容/可視化星球

同時(shí)，利用雪深雷達(dá)對(duì)冰雪厚度進(jìn)行了探測(cè)。但幾次測(cè)量結(jié)果并不理想，中國(guó)未更新珠峰高程。

▽ 冰雪深度測(cè)量示意 | 制圖@鄭伯容/可視化星球

因此，2005年中國(guó)再次對(duì)珠峰高程進(jìn)行了測(cè)量。此次測(cè)量有三套觀測(cè)方案同時(shí)進(jìn)行：

1.傳統(tǒng)的三角測(cè)距法觀測(cè)峰頂樹立的覘標(biāo)與測(cè)距反射棱鏡；

2.用現(xiàn)代空間大地測(cè)量法，將GPS架設(shè)在峰頂覘標(biāo)頂部同軸觀測(cè)；

3.利用雪深雷達(dá)組合GPS動(dòng)態(tài)定位技術(shù)觀測(cè)峰頂覆雪厚度與雪面地形。

▽ 2005年珠峰交會(huì)測(cè)量示意 | 制圖@王朝陽(yáng)&鄭伯容/可視化星球

最終測(cè)得的珠峰巖石面高程為8844.43m，精度±0.21m，冰雪厚度則為3.50m，是目前為止最可靠的結(jié)果。

既然我們已經(jīng)測(cè)得這么精確的珠峰高程，為什么15年后還要再測(cè)呢？

第一，地殼在不斷運(yùn)動(dòng)，珠峰高程也在變化之中，2015年尼泊爾發(fā)生的8.1級(jí)大地震也可能產(chǎn)生很大影響；

第二，國(guó)際上對(duì)于珠峰高程的認(rèn)定存在差異；

第三，測(cè)量技術(shù)在進(jìn)步，我們可以獲取更可靠的數(shù)據(jù)。

然而，測(cè)量珠峰高程并不僅僅為了得到高度這一個(gè)數(shù)值，也是為了獲取珠峰區(qū)域一系列科學(xué)數(shù)據(jù)，這對(duì)于板塊運(yùn)動(dòng)研究、冰川監(jiān)測(cè)和生態(tài)保護(hù)等都十分重要。

雖然人類的飛行技術(shù)已經(jīng)十分先進(jìn)，但要將測(cè)量?jī)x器送至近9000m的峰頂并開展測(cè)量仍然只能靠人力。2020年的今天，我們?cè)俅蜗蝽敺灏l(fā)起沖擊。那么這次測(cè)量有什么新突破呢？

第一，這將是我國(guó)專業(yè)測(cè)繪人員首次登頂珠峰測(cè)高，更能保證測(cè)量精度，而以前是由登山運(yùn)動(dòng)員登頂。

第二，GNSS測(cè)量將以中國(guó)的北斗系統(tǒng)為主，參考GPS等其他導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。

第三，雪深雷達(dá)、重力儀等等一系列測(cè)量?jī)x器都將使用國(guó)產(chǎn)的，5G信號(hào)也覆蓋了珠峰北坡。

▽ 歷次珠峰高程測(cè)量 | 制圖@王朝陽(yáng)&鄭伯容/可視化星球

可以說(shuō)，測(cè)量珠峰的歷史就是一部測(cè)繪理論技術(shù)發(fā)展完善的歷史。

人類對(duì)珠峰高程的求證

是認(rèn)識(shí)自然、追求真理的過(guò)程；

是創(chuàng)新理論、改進(jìn)技術(shù)的過(guò)程；

是突破極限、挑戰(zhàn)自我的過(guò)程；

而對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，也是追趕與超越的過(guò)程。

我們攀登的是地球的最高峰，更是測(cè)繪科技的最高峰。

-End-

撰稿 | 王朝陽(yáng)

制圖 | 王朝陽(yáng) 鄭伯容

審校 | 鞏向杰

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原標(biāo)題：《我們究竟是如何測(cè)量珠峰的？》

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