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丈量世界第三极--珠穆朗玛峰

2020-11-09 10:25:51 105 发布:中科北纬

2019年春天,由亚历克斯带领美国国家地理学会,与特里布万大学合作,实施2019年珠峰极限探险勘测,目标是对整个昆布冰川做扫描和细致的摄影测量,并对珠峰大本营全部区域进行扫描,以获取到目前为止最高分辨率的影像。

安装在珠峰大本营长凳上的测量基站


3D版的珠穆朗玛峰,由数字地球供图

珠穆朗玛峰海拔8848米(原文为8848米,现阶段我国官方高度为,面高8844.43),是世界上最高的山峰,横跨中尼边境,是一片崎岖迤逦的冰雪世界,周围环绕着岩石和荒野。在它东南方向坐落着横越喜马拉雅山脉的数千座冰川之一----昆布冰川,这些冰川地带的融水汇聚成丰富的水系,为其周边国家中国、印度、巴基斯坦和孟加拉国提供必需的水资源。

了解喜马拉雅冰川的动态将有助于更好的预测全球气候变化对冰川的影响,因此对珠峰进行详细的地图绘制工作就尤为重要。


珠峰坐落位置

测绘手段的迭代

1988年珠峰绘图

1988年,布兰德福特·沃斯本在美国国家地理学会发表的绘制珠峰地形图的工作纪要,为珠峰绘制工作标准的制定提供了重要依据。

沃斯本曾与《美国国家地理》杂志合作,专注于高山区地图绘制,本次的绘图工作,在很多方面,也都在追随他的足迹,并希望在极端海拔的地图绘制中突破极限。


布兰德福特·沃斯本 


 1988年,Bradford Washbum和妻子Barbara

驾驶一架喷气飞机对珠峰进行航空测绘。

在多个国家和诸多专家机构的支持下,耗时四年,

绘制出了一幅详细的珠峰地图并由美国国家地理学会发布。


▲此图中珠峰地名,采用了中国、尼泊尔和西方各自的语言和称呼。

(现阶段珠峰在不同国家和地区的地图上,命名因为历史原因并不统一)

2019年珠峰绘图

亚历克斯团队本次的勘测目标是获取1-5厘米的分辨率的影像数据和三维数据,以显示昆布冰川和珠峰大本营最复杂的细节。根据这些数据绘制的地图将帮助冰川学家和其他科学家更好地了解山上冰雪的动态,以及气候变暖对这一地区的影响。


架站式激光雷达扫描仪



地图影像来源:数字地球、空客


实施过程

首先对珠峰大本营进行地面扫描和影像的收集,用于获取极高分辨率的珠峰大本营3D地图,这也是迄今为止最详细的地图。所用装备如下:


Lidar数据获取

选用的激光雷达扫描仪脉冲频率为2MHz,扫描半径为150m,将设备架设在三脚架上发射激光脉冲,通过返回的激光脉冲,解算出每个激光点的三维坐标,以获取详细的地形数据。


激光雷达扫描仪作业中

激光雷达每秒钟可获取超过百万计的三维点云,使用对应的照片数据进行点云赋色,之后以彩色点云创建地形模型,得到超过厘米级分辨率的成果。


激光雷达部分架站点位

上图视频看起来像是传统的视频数据,实际上,这是由着色后的激光雷达数据构建的3D模型。



无人机摄影测量

在探险活动中大量使用了无人机,由无人机上搭载的高分辨率相机进行垂直视角和倾斜视角影像的拍摄,利用无人机影像补充Lidar扫描过程中可能丢失的区域。


无人机航飞

20195月拍摄的珠峰大本营视频

此外,本次勘测还使用4200万像素的手持相机在地面拍摄了许多照片,这些图像为3D模型提供了不可或缺的细节和纹理,并参与DEM数据制作。

在大约一平方公里的珠峰大本营,共架设364站激光雷达扫描仪,获取8500多张无人机照片以及24000多张地面拍摄照片。影像数据和三维激光扫描仪数据的结合,可提供远超以往山地调查的准确性和细节。


本次获取的数据与现有的最高分辨率卫星影像对比

 

极富挑战的环境

队员在暴风雪后的晚上步行穿过珠峰大本营


       探险队在5300米的地方生活了六个星期,当地的含氧量只有海平面含氧量的一半,会使人感到持续性的疲劳,仅仅是爬上十米高的山头都会让人喘不过气来。在之后的勘测工作中,团队的大部分人都因高海拔低氧环境患上疾病,领队亚历克斯感染了上呼吸道,也是团队中第一个患病的人。经过十天的艰苦跋涉,到达了大本营,虽然精疲力尽,但伴随着低氧、持续雪崩的轰隆声和病痛,晚上的睡眠质量都比较差,体力也无法恢复。两天后,部分团队人员又不得不退到地势较低的地方修整,以逐渐适应这种环境。


雪崩几乎每晚都会出现,冰脊从冰崖上断开时发出巨大的爆裂声,伴随着滚滚的轰隆声,滚落并碎裂开来,直到一团团细小的冰块和雪撞上低处的斜坡。白天也会有雪崩,而我们永远也不会知道下一次的雪崩是否会覆盖住我们的营地。


珠峰大本营侧翼的雪崩


珠峰大本营鸟瞰图

营地的生活和工作

领队亚历克斯在支气管炎康复后,回到大本营,与团队一起使用架站式激光雷达扫描仪,以及头上嗡嗡作响的无人机进行联合作业。同时团队也需要和大本营其他登山队员解释当前的工作,人们普遍表示支持。皮特·阿赞斯,探险队的登山队长,曾经7次登顶珠峰,在大本营有许多朋友,使得团队的工作开展更为顺利。

探险队在营地里工作时,遇到了许多来自不同团队的人,这其中就有许多夏尔巴人的登山领队。在与他们交谈的过程中,探险队了解到过去30年里,大本营地区发生了很大的变化,有越来越多的探险队来到这里,而且以前扎营区的大片平坦地也消失了,取而代之的是这一片更加崎岖不平、碎石覆盖的冰地。


探险队成员在珠峰大本营会面

夏尔巴人还谈到了冰川高度已经在逐渐降低,在陡峭的峡谷地带中,这种消退要更加明显,这些信息也印证了基于卫星图像解译的结果。探险队在考察期间收集的数据使我们能够更精确地确定冰川的变化,并在当年(2019年)建立了冰川范围非常准确的基线。此外,收集的这些数据将有助于我们更好地预测未来全球变暖情景下冰川将如何变化。


高山冰川的冰损主要体现在高度,表面积还是其次

直升机作业

利用直升机搭载最新的激光雷达设备、千万像素级别的可见光和红外相机,收集整个昆布冰川及其邻近的山壁和冰碛(在冰川堆积作用过程中,所挟带和搬运的碎屑构成的堆积物,又称冰川沉积物)2-5cm分辨率的三维数据,面积超过65平方公里。

使用空客3BE直升机进行激光雷达作业

将激光雷达点云和摄影测量获取的影像相结合,制作产生了迄今为止最高分辨率的完整喜马拉雅冰川模型。这个模型包括了侧面冰碛和末端冰碛,以及冰川临近的山壁。探险队在8天的时间内多次收集了该区域的摄影测量数据,并以此建立了冰川的三维模型,为科学家研究冰川结构和冰川动态提供依据,科学家可以利用这些细节来预测冰川关键区域和人类经常踏足的冰川区域的变化。


空客3BE直升机的航飞路径


使用空客3BE直升机进行激光雷达作业

昆布冰川的三维模型也为气象学家提供了重要的数据,探险队的气象组人员建立了世界上最高的气象站,利用冰雪的每日变化数据来测试温度和环境条件如何影响珠峰区域的冰雪融化速度和其他的变化模型。

珠峰的广域影响

喜马拉雅山脉的高山冰川为亚洲许多重要的河流提供水源,作为世界“水塔”,其中储存的高寒冰和雪是这些河流水源的关键组成部分,供人类家庭、农业和工业使用,以及自然生态系统的需要。 


  喜马拉雅山脉水系及下游人口分布

巴基斯坦、印度、孟加拉国和中国都存在较多的城市依赖于喜马拉雅水域,其中包括:拉合尔、德里、达卡和重庆。随着气候变化等人为活动对珠峰冰川和冻雪的影响,地球的生态也在逐渐被改变,这种改变又在反过来影响我们人类的生活,珠峰水系下游地区的人类和自然群落将首先需要适应这种变化。

动态生态平衡

这次科考的数据将有助于更好地了解珠峰过去和当前的环境条件,并有助于人们更好地预测未来几年山地环境和下游地区的变化,并能为人类和自然群落更好地适应这一变化提供辅助决策信息。探险队进行了开拓性的科学研究,这将增强我们对世界上最高山脉的冰川和冻雪变化的认识,这里形成的“水塔”直接和间接供养着地球上1/4的人口。


清晨时分的昆布冰瀑


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