中国极地大地测量学十年回顾：1996—2006年，本文主要内容关键词为：测量学论文,极地论文,中国论文,大地论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
修回日期：2007-06-27
中图分类号：P22文献标识码：A文章编号：1001-8166（2007）08-0784-07
1 前言
自1984年我国首次南极科学考察开始，我国极地大地测量学已走过了20多个年头。近10年来，随着我国南极内陆冰盖考察的兴起及北极黄河站的建立，我国南北极科学考察事业不断发展壮大，大地测量学在极地科学中也扮演了越来越重要的角色。本文回顾了近10年来GPS、重力、验潮及合成孔径雷达干涉测量等大地测量技术在我国极地科学考察中的研究进展。
2 全球定位系统（GPS）
20世纪80年代末期，GPS开始应用于极地大地测量学研究。近10年来，随着GPS技术的日臻完善，在南北两极得到了越来越广泛的应用。下面就我国近10年来GPS在南北两极的应用研究分述如下。
2.1 南北两极3个GPS观测站
20世纪90年代初，国际南极研究科学委员会（SCAR）组织了SCAR 90及SCAR 91两次国际GPS观测运动，但只有少数几个国家参加。在此基础上，1994年，SCAR组织了大规模的国际南极GPS联测会战（the SCAR Epoch GPS Campaigns）。会战主要目标是：①在ITRF下建立一个三维的、高精度的南极大地测量观测网；②确定南极板块相对相邻板块及微板块的运动速率及方向；③确定南极岩石圈由于冰、海负荷变化而引起的垂向运动；④建立南极验潮站与ITRF的连接。会战每年进行一次，历时约3个星期，从每年的1月20日开始，2月10日结束，最多时有10多个国家的30多个考察站参加[1]。我国西南极的长城站和东南极的中山站于1997年参加会战观测，中山站为GPS跟踪站，成为南极地区少数几个GPS常年跟踪站之一。
2004年，我国在北极斯瓦尔巴德群岛上的黄河站建立了GPS跟踪站，并实现了GPS数据实时传输。以黄河站的GPS跟踪站为依托，在附近的Austre Lovenbree和Pedersenbreen 2条冰川开展了利用GPS监测冰川运动的研究[2]；长城、中山、黄河3个GPS观测站在ITRF2000框架下，坐标见表1。
在西南极，为了有效地监测菲尔德斯海峡断层的地壳运动，1998—1999年，中国第15次南极科学考察队利用GPS技术，以长城站的GPS观测站为依托，将原有的菲尔德斯海峡地区的二维平面形变监测网改造成三维空间形变网，获得了水平方向优于3mm、高程方向优于6mm的监测精度[3]。随后，在我国第19次和20次南极考察时对该形变网进行了复测和扩建。
在东南极，以中山站的GPS跟踪站为依托，对拉斯曼丘陵地区的大地测量控制网进行了改造，分3期完成，即2002—2003年，2004—2005年及2005—2006年3次共布设35个GPS控制点，采用GAMIT/GLOBK软件进行解算，各控制点的点位精度优于0.2m，能够满足各类比例尺测图及该地区多学科考察所需。
利用长城站、中山站和黄河站的GPS数据，还展开了板块运动、卫星定轨、极区大气环境监测如电离层及GPS气象学等方面的研究工作[4，5]。总之，这3个GPS卫星观测站的建立，大大增强了我国极地测绘科考能力，提高了我国在国际南北极科学考察事业的地位。
2.2 埃默里（Amery）冰架考察
东南极最重要的冰流系统为兰伯特（Lambert）冰川—埃默里冰架系统，兰伯特冰川—埃默里冰架系统位于68.5～81°S，40～95°E，是南极洲最大的冰流系统，总面积为1550000km[2]，其中埃默里冰架面积为69000km[2]。兰伯特冰川—埃默里冰架系统约占东南极冰盖面积的16％，而埃默里冰架的出口却十分狭窄，仅占东南极海岸线长度的2.5％，因此，该地区的冰流在南极冰盖是非常活跃的，其物质平衡状态对整个南极冰盖有着举足轻重的影响[6，7]。
为了监测埃默里冰架前端表面冰流速，2002—2003年和2003—2004年南极夏季期间，第19次和20次中国南极科学考察队（CHINARE）分别在东南极埃默里冰架进行了连续GPS观测，在5个GPS观测站获取了2期数据，利用高精度数据处理软件GAMIT/GLOBK进行数据处理，计算出埃默里冰架前端的表面冰流速，并与国外的现场GPS实测结果及利用InSAR获取的埃默里冰架流速结果进行了对比，对冰架动力学做出初步分析[8，9]。利用我国在埃默里冰架前端A2站点连续5天的GPS数据，提取了冰架下的海潮信号，然后利用埃默里冰架出海口普里兹（Prydz）海域内我国中山验潮站的验潮数据，对GPS测量海潮的结果进行了验证。
2.3 格罗夫山（Grove Mountains）考察
格罗夫山地区位于东南极伊丽莎白公主地腹地，距中山站约380km，距莫森陡崖东侧约160km，有十几处岩石山峰露裸，属东南极内陆冰盖的冰原角峰群。其范围为72°15′～73°15′S，73°～76°E，面积约8000km[2]。山区地形复杂，坡度变化较大，冰裂缝密布，气候条件十分恶劣。格罗夫山区是从中山站至Dome A考察路线中理想的中继站。
1998—1999年南极夏季期间，中国第15次南极考察队进行了第1次格罗夫山实地考察。1999—2000年，中国第16次南极考察队进行了第2次格罗夫山考察时，测绘工作者利用后处理差分GPS（DGPS）技术，实地测绘了第一幅格罗夫山核心区、覆盖面积110km[2]、比例尺为1∶25000的地形图[10，11]。2002—2003年，中国第19次南极考察队进行了第3次格罗夫山实地考察，在格罗夫山区布设了7个GPS大地测量控制点，并埋设了我国永久性大地测量标志，为遥感卫星影像制图和科学考察提供地面控制测量[12，13]。近年来兴起的永久散射体（PS）InSAR技术使得监测冰盖的长期运动成为可能。2005/2006年，中国第22次南极科学考察队进行第4次格罗夫山考察时，埋设了11台角反射器，将推动DINSAR用于冰流的长期遥感监测，并在典型冰流区布设了7个GPS监测点，复测了19次考察时布设的部分控制点。
2.4 Dome A考察
Dome A是南极内陆距海岸线最遥远的一个冰穹，也是南极内陆冰盖海拔最高的地区，气候条件极端恶劣，被称为“不可接近之极”，是南极科学考察和研究的空白地区和制高点。
我国在20个世纪90年代初向国际南极研究科学委员会（SCAR）正式提出Dome A科学考察计划。中国南极考察队从1996年开始连续3次实施了从中山站至Dome A方向的考察，考察路线分别延伸至300km、464km和1100km[14～16]，在考察沿线布设了20多个GPS观测站。
在此基础上，2004—2005年，中国第21次南极科学考察队再次实施了中山站→Dome A内陆冰盖考察计划，深入内陆超过1200km，复测了沿途的GPS观测站，获取了冰盖表面冰流速。考察队最终成功到达Dome A最高区域，建立了高精度GPS观测站，并利用实时差分GPS技术测绘了Dome A最高区域约60km[2]的地形图[17]。
3 重力测量
在南极地区进行重力测量是建立高程基准的基础，当前，世界上已有不少国家致力于用重力测量技术在南极地区开展有关地壳垂直运动、海平面变化、气候变化与大地水准面变化等地球动力学的研究。
我国在长城站建站初期采用LCR型重力仪进行了长城站重力基准点国际联测，测得长城站重力基准点重力值及精度为：（982 208.682±0.021）mgal[18]，当时受测量仪器的限制，重力测量精度较低。2004—2005年南极夏季期间，我国第21次南极科学考察队利用FG5绝对重力仪在长城站2个站点（C001和C002）进行了绝对重力测量，精度在±3×10[-8]m/s[2]以内，并同时进行了重力垂直梯度测量和水平梯度测量；利用2台LCR相对重力仪在韩国站、智利机场（2点）和菲尔德斯半岛地区的山海关、盘龙山、香蕉山、半边山等7个站点进行了高精度相对重力测量，精度达±10×10[-8]m/s[2]，并进行了相对重力仪比例因子的标定，建立了我国南极长城站地区的绝对重力基准。绝对重力测量结果见表2。
我国南极长城站绝对重力测量的实施，对于提高全球重力场模型中南极地区的精度，对于新一代卫星重力计划如CHAMP、GRACE和GOCE的地面校准及建立南极地区的高精度、高分辨率的大地水准面模型都具有重要意义。
4 验潮
在南极地区设立验潮站进行潮汐测量主要是为了确定平均海平面，为大地测量提供高程基准；为航海提供潮汐预报；监测由于温室效应和地壳均衡回弹而引起的海平面变化；校准卫星测高数据及进行海洋学研究等。
为监测东南极的海平面变化，2000年，我国与澳大利亚合作在东南极拉斯曼丘陵的中山站建立了自动验潮站。近年来，在国际南极研究科学委员会（SCAR）地学常设科学组（GSSG）的组织下，南极先后建立20个SCAR-GGI永久验潮站，东南极有Zhongshan,Syowa,Mawson,Davis,Casey,Dumont d' Urville,Terra Nova Bay及Cape Roberts等8个验潮站，西南极有King Sejong,Jubany,Esperanza,O' Higgins,Prat,Palmer,Vernadsky,Rothera,San Martin及Vestkapp等10个验潮站，南大洋有Macquarie和Signy等2个验潮站，其中有10个验潮站加入了全球海平面观测系统计划（GLOSS），验潮数据上报给平均海平面永久服务中心（PSMSL）；南极地区的验潮站分布如图3所示。
中山验潮站选在纳拉峡湾靠近劳基地附近的大明湖西北侧的海湾上，它的东侧为到进步一站车道的大陡坡，位于69°22.998′S，76°22.803′E。中山站验潮仪由澳方提供，为压力式验潮仪。压力式验潮仪不需要打井建站，无须海岸作依托，轻便灵活，为南极验潮站广泛采用。验潮数据每年下载一次，每年南极夏季，澳方测量人员乘直升机从戴维斯站飞往中山站，与我国中山站测量人员合作下载验潮数据，数据双方共享。中澳合作南极中山站验潮站已经连续运行6年，数据分析表明中山站附近海域潮汐为混合潮的不正规日潮，最大潮差2m左右。利用中山站2004年12月26～29日的验潮数据，记录到了印度尼西亚苏门答腊岛至印度安达曼群岛西侧海沟的大地震而引发的印度洋大海啸事件。海啸通过印度洋于震后12h达到南极中山站海域，海啸最大波高约40cm。
5 合成孔径雷达干涉测量（InSAR）
合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）是近10年来发展起来的一项新的空间对地观测技术。它综合了SAR成像原理和干涉测量技术，利用传感器的系统参数、姿态参数和轨道之间的几何关系等精确测量地表某一点的三维空间位置及微小变化。其优势在于能够全天候、全天时工作，不受云雾干扰，并能一次大面积成像。对于南极地区，则能不分极昼极夜正常工作。一方面能对人类难以到达的区域进行大规模、大面积的地形测量；更重要的是差分干涉测量能监测厘米甚至毫米级的形变，成为监测南极冰盖、冰架及冰川变化的一种新的技术手段。
周春霞等[19～21] 利用1996年ERS-1/2 tandem方式的雷达影像数据，通过复图像的精确配准、生成干涉图、相位解缠等处理，生成了东南极格罗夫山区数字高程模型（DEM），如图4所示，并与1999/2000年南极夏季期间，彭文均等现场利用差分GPS实测的DEM进行了比较，二者在相对稳定区域标准差为5.4m，不稳定区域为20.3m，验证了InSAR用于南极测图是一种非常有效的手段。
6 总结与展望
本文回顾了近10年来大地测量技术在我国极地科学考察中的研究进展。具体介绍了以长城站、中山站和黄河站3个GPS观测站为依托，开展了板块运动、卫星定轨及极区大气环境监测方面的研究；GPS在埃默里冰架、格罗夫山及Dome A考察中的应用研究；长城站的高精度绝对重力及相对重力测量；中山站自动验潮站的建立；合成孔径雷达干涉测量在南极内陆冰盖的应用研究等。我国极地大地测量学虽然起步较晚，但已取得了一批显著的成果。
“十一五”期间，我国计划将长城站的GPS观测站改造成常年跟踪站，以期获取地壳运动变化剧烈的南极半岛地区的长期连续的GPS数据；完成中山站的绝对重力测量；更新中山验潮站的仪器设备等。
随着2007/2008国际极地年（IPY）的到来，我国计划实施普里兹湾→埃默里冰架→格罗夫山→Dome A的PANDA计划，并在Dome A建立我国第3个南极科学考察站，届时，GPS、InSAR、卫星测高及卫星重力等大地测量技术也必将在极地科学研究中发挥越来越重要的作用。
为迎接2007—2008国际极地年（IPY）的到来，全球20多个国家计划联合开展一项空前规模的极地对地观测网络计划（Polar Earth Observing Network,POLENET）。POLENET计划将进行极地地球动力学、地球磁场、地壳、地幔和地核结构与动态变化、固体地球系统交互作用、冰冻圈、海洋和大气等方面的调查研究。POLENET行动将配合跟踪站和卫星观测，重点进行内陆和海岸难以到达地区的自动观测，包括全球导航卫星系统（GNSS），绝对重力和相对重力，地磁，验潮（海岸站）、海洋学及化学观测（近海）等。POLENET计划为我国极地大地测量学的发展提供了一个良好的契机。今后，我们期望能够进一步加强国际合作与交流，继续开展大地测量学与地球物理学、冰川学，遥感学、大气科学及海洋学等学科间的交叉协作，培养一批优秀的青年骨干力量，使我国的极地大地测量学研究更上一个台阶。
致谢：我国历次南北极科学考察的队员们均在冰雪极地付出了艰辛的劳作，在此表示诚挚的感谢。