第13卷第2期 极地研究 Vol . 13,No. 2 2001年6月CH I N ESE JOU RNAL O F POLAR RESEARCH June 2001 研究论文 南极内陆考察沿线 GPS 高精度 定位点测量结果分析 Ξ 王清华 鄂栋臣 陈春明 黄声享 (武汉大学测绘科学与技术学院南极测绘研究中心, 武汉 430079) 提要 中山站至Dom e2 A 考察是中国承担的 "国际横穿南极科学考察" ( ITA SE) 计划的一部分. 考察沿线布设有 GPS 高精度定位点, 通过两期观测数据的计算可知, 考察沿线的冰川整体上以 8- 24m a 的速度向西北方向(兰伯特冰川盆地方向) 流动, 而且, 越接近冰盖边缘, 运动速度越 快, 最快达到100m a. 同时, 由于冰川的流动, 引起了 GPS 点垂直方向0. 2- 1m 的沉降量. 关键词 南极内陆冰盖 兰伯特冰川 Dom e2 A GPS 冰川运动 1 概述 我国分别于1996 1997、 1997 1998、 1998 1999 南极考察期间, 执行了我国的首次、 第 二次和第三次南极内陆冰盖考察, 分别延伸到距中山站300km、 500km 和1100km 处, 其中 第三次考察到达了位于79° 16′ S, 77° 00′ E, 海拔高度3800m 的Dom e2 A 区域 (黄声享等, 2000) , 初步完成了我国向国际社会承诺的从中山站至Dom e2 A 的"ITA SE 中国计划" (秦 大河, 1995). Dom e2 A 是南极内陆冰盖的最高点, 中国南极中山站至内陆冰盖最高点Dom e2 A 为 轴线的南极大扇形区是南极冰盖研究的薄弱区域. 同时, 以Dom e2 A 为中心的南极冰盖内 陆高原区不仅远离各个考察站区, 而且是地球上自然环境最严酷的区域, 由于无法实行空 中援助, 因此以往被人类称为 "不可接近地区" , 也是南极研究的空白区. 所以, 从中山站到 Dom e2 A 并延伸到南极点的冰川学2地学大断面的考察研究将是填补这一空白区的关键 Ξ [收稿日期] 2000年11月收到来稿, 2000年12月收到修改稿. [基金项目] 国家测绘局科技发展基金资助项目(950403); 国家科技攻关项目子课题 "中山站2 Dom e A 区域冰 盖表面测绘与制图" 资助(98927010505). [作者简介] 王清华, 男, 1972年生. 现为武汉大学在职博士研究生, 主要从事 GPS 数据处理、 冰面测高数据处 理与分析方面的工作. 剖面. 目前, GPS 技术被认为是在南极进行测量定位的最主要的 "工具" (F rezzotti et al. , 1997) , 从1994年开始, 每年都有一次全南极的 GPS 联合观测, 用来监测南极板块的地壳 运动等; 而且由于它测量的高精度性、 快速性及只需较少的后勤支援, GPS 测量技术已经 成为南极内陆地区进行冰川动力和冰面地形野外测量的最重要的工具之一. 在过去的10 年时间里, 随着 GPS 软、 硬件及卫星星历等的发展, GPS 技术可以相当容易地用来进行冰 川运动测量并且能得到高质量的结果 (M anson et al. , 2000). 在中国南极内陆冰盖中, GPS 技术被充分地利用来进行冰雪物质平衡及冰流速等冰川动力学的研究. 2 考察沿线 GPS 高精度定位 2. 1 GPS 高精度定位点观测情况 在考察沿线的宿营点上, 布设有 GPS 高精度定位点, 如下表所示. 表1 中山站—Dome A 沿线 GPS 高精度定位点一览 Table 1. The GPS points along the traverse route from Zhongshan Station to Dom e2 A. 点号 纬度 经度 海拔(m ) 距离(km ) 观测时间 I II III I V 3 DT001 71° 52′ 47″ S 77° 57′ 24″ E 2300 300 √ DT002 71° 52′ 49″ S 77° 59′ 33″ E 2300 300 √ L T980 70° 07′ 56″ S 76° 36′ 02″ E 1300 92 √ √ √ L T940 70° 50′ 08″ S 77° 04′ 37″ E 1870 172 √ √ L T934 70° 56′ 26″ S 77° 09′ 35″ E 1935 184 √ L T918 71° 13′ 20″ S 77° 23′ 48″ E 2070 217 √ √ √ L T907 71° 24′ 49″ S 77° 33′ 14″ E 2150 239 √ DT008 72° 00′ 51″ S 77° 55′ 34″ E 2420 310 √ √ √ DT038 72° 32′ 31″ S 77° 35′ 14″ E 2400 370 √ √ √ DT063 72° 58′ 53″ S 77° 17′ 24″ E 2550 420 √ √ √ DT085 73° 22′ 03″ S 77° 00′ 54″ E 2580 464 √ √ √ DT118 73° 56′ 05″ S 76° 59′ 27″ E 2680 528 √ DT132 74° 10′ 42″ S 77° 00′ 47″ E 2640 556 √ DT158 74° 39′ 34″ S 77° 00′ 30″ E 2800 608 √ DT177 74° 59′ 53″ S 76° 58′ 04″ E 2730 647 √ DT200 75° 24′ 59″ S 76° 55′ 05″ E 2800 693 √ DT217 75° 43′ 05″ S 76° 50′ 18″ E 2800 728 √ DT233 76° 00′ 20″ S 76° 56′ 29″ E 2780 760 √ DT263 76° 32′ 29″ S 77° 01′ 41″ E 2800 820 √ DT278 76° 48′ 40″ S 77° 01′ 34″ E 2900 850 √ DT294 77° 05′ 40″ S 76° 58′ 08″ E 2900 882 √ DT313 77° 25′ 45″ S 76° 59′ 52″ E 3030 920 √ DT338 77° 52′ 18″ S 77° 08′ 30″ E 3150 970 √ DT364 78° 20′ 16″ S 77° 00′ 04″ E 3380 1022 √ DT401 79° 00′ 46″ S 76° 59′ 48″ E 3750 1098 √ 注: 各点的经纬度均为概略经纬度; 海拔高为 GPS 实时显示的概略高; 距离为至中山站的距离; 观测时间中的 I 、 II 、 III 指三次内陆冰盖考察(下同) , I V 3 指1999 2000考察期间进行 Grove 山地考察时所进行的 GPS 复测. 0 3 1 极地研究 第13卷 从上表可以看出, 复测点主要集中在考察路线上前500km 的L T980、 L T940、 L T 918、 DT 008、 DT038、 DT063和DT085诸点, 因此, 主要对这些点进行计算分析. 在冰盖上进行 GPS 高精度定位测量的同时, 中山站有同一类型的 GPS 接收机同时 进行测量. 这样以中山站上的接收机为基准点, 同时登录到澳大利亚测量与土地信息局 (AU SL IG) 的FTP 服务器上, 取得澳大利亚Davis、 Casey、 M aw son 三站的 GPS 数据, 与中 山站和冰盖上的 GPS 数据统一进行差分处理, 便能得到冰盖上各 GPS 高精度定位点厘 米级精度的坐标. 通过不同期的复测数据的计算, 便能得到考察沿线 GPS 高精度定位点 的流动速度, 它也代表着沿线的冰川流动速度. 2. 2 GPS 高精度定位野外实施过程 进行 GPS 高精度定位重复观测时, 定位点的稳定性显得非常重要. 在陆地上, 一般都 将点位标志埋在地质条件稳定、 坚实的地上; 有的要建造定位观测墩(如中山站 GPS 观测 点); 有的还要将点位埋于基岩上. 但是, 平均厚度达2000m 的南极内陆冰盖是整体流动 的, 无法实现 GPS 点位的绝对稳定. 因此, 只能尽量保证点位的相对稳定. 同时, 还得顾及 南极夏季极昼期间, 定位标志竿的吸热性不能太强, 避免引起其周围的冰雪融化, 导致点 位运动. 鉴于此, 选择长1m , 直径30cm , 顶端刻有一 "+ " 字的玻璃钢杆作为 GPS 高精度定 位标志杆. 在每个宿营点进行 GPS 高精度定位测量包括以下工作: 选点、 打钻、 埋标、 对中整平、 天线架设及天线高量取、 定位观测等. 具体操作步骤为: 在离内陆车队发电间约20m (避开 雪地车及雪橇等对 GPS 定位卫星的遮挡, 同时又要在30m 天线电缆所能及范围内) 的地 方, 选一积雪较少的点, 用手摇钻打一深40cm 的雪洞; 插入玻璃钢定位标志杆约30- 40cm 深; 用雪填实空隙, 然后浇灌适量的水, 让雪坑内的虚雪凝固成冰, 固定定位标志杆; 约1h 待定位标志杆完全稳定之后, 架上 GPS 天线, 并严格对中标志杆顶端的 "+ " 字中 心, 开始观测. 为了使 GPS 接收机的液晶显示屏不被南极内陆平均- 30- - 20℃的室外 低温冻坏, 将GPS 主机放在环境温度较高的发电间或乘员舱. 要获取高精度的定位成果, 保证一定时间段的观测数据量是必不可少的. 按理, 观测 时间越长越好, 这样, 多余观测值多, 解算出来的精度会随着观测值的增多而增高. 可是在 内陆冰盖沿线, 每天得保证一定时间的 "行军" 速度, 不可能在每个驻留点(2km 间距的竹 竿点) 都进行长时间的定位观测, 因此选择在每天的宿营点进行长时间的 GPS 高精度定 位数据信息采集. 若是进行复测工作, 车队还应该合理安排每天的 "进度" , 争取能在以前 进行过 GPS 高精度定位测量的点上宿营. 3 GPS 定位点内业计算结果分析 3. 1 GPS 数据处理 GPS 数据处理采用美国麻省理工学院研制的高精度 GPS 定位软件 GAM IT GLOBK (2000版) , 在UL TRA 2工作站上完成. 处理过程参见文献(王清华等, 2001). 3. 2 GPS 定位结果 首次冰盖考察的2个GPS 高精度定位点DT001和DT002, 由于在观测完成后, 2个定 1 3 1 第2期 王清华等: 南极内陆考察沿线 GPS 高精度定位点测量结果分析 位点上分别插了一根长3. 5m 的花杆, 给复测时天线架设工作带来了极大的不便, 加之距 这2个点大约12km 处, 已经有复测点DT008, 因此, 后几次的冰盖考察都未在这2个点进 行复测工作. 第三次内陆考察时, 一直延伸到了距中山站1100km 处的Dom e2 A 区域, 沿 途共在23个点上进行了 GPS 定位观测, 但大部分没有复测资料, 因此我们的分析中都不 包括这些没有复测数据的定位点. 表2 GPS 复测点结果 Table 1. The coordinates for the GPS points along the traverse route. point X (m ) ΡX (mm ) Y (m ) ΡY (mm ) Z (m ) ΡZ (mm ) vN (m a) vE (m a) L T980 II 503828. 9891 8. 1 2115255. 4749 28. 9 - 5977313. 9534 76. 2 III 503918. 1804 4. 9 2115288. 8247 7. 7 - 5977293. 7242 16. 3 56. 69 - 78. 79 L T940 II 469797. 6081 16. 8 2047509. 6875 29. 9 - 6004049. 4434 18. 2 III 469810. 4254 7. 3 2047520. 2835 10. 3 - 6004044. 4697 18. 5 14. 06 - 10. 09 L T918 II 449489. 4232 17. 9 2010357. 7574 51. 5 - 6018287. 9208 107. 6 III 449502. 1605 4. 9 2010361. 2142 7. 8 - 6018285. 3760 17. 4 6. 63 - 11. 64 DT008 II 413315. 3002 19. 5 1932458. 4876 48. 4 - 6046436. 6117 100. 5 III 413338. 1662 8. 1 1932463. 7180 10. 8 - 6046433. 1507 18. 4 10. 45 - 21. 20 DT038 II 412709. 4827 89. 5 1875174. 0275 69. 2 - 6064430. 7710 113. 0 III 412728. 5298 5. 7 1875181. 7966 9. 7 - 6064426. 9007 20. 2 12. 27 - 16. 87 DT063 II3 412136. 4897 0. 4 1827371. 7355 0. 2 - 6079065. 0104 0. 1 III 412143. 9849 15. 7 1827375. 0261 20. 8 - 6079063. 1428 33. 5 5. 18 - 6. 56 DT085 II 411670. 9700 14. 6 1785069. 6697 43. 2 - 6091582. 2124 85. 7 III 411678. 8783 10. 5 1785067. 5303 18. 6 - 6091582. 1808 35. 2 - 0. 28 - 8. 15 3 因观测当天中山站 GPS 接收机出现故障, 只能和澳大利亚Davis 站进行单基线解算, 因此点位坐标 X, Y, Z 三分量 精度分别下降为0. 4m、 0. 2m 和0. 1m 3. 3 点位结果精度评定 点位坐标的中误差可按下式估算(周忠谟等, 1999): ΡX = Ρ0 qx x (1) 其中 Ρ0为单位权中误差, 可按下式计算; qx x 为谐因数阵主对角线的相应元素. Ρ0= 2 u t= 1 Τ T PΤ + V T PV 2 u t= 1 3 (m t- nt) + 3 (m - n) 1 2 (2) 其中 Τ为各时段基线向量平差的改正数; V 为网整体平差的基线向量改正数; u 为观测时 段数; m t 和m 是各时段观测量平差和整体平差时的独立基线向量数; nt 和n是各时段观 测量平差和整体平差时的未知点数. 3. 4 结果分析 图1和图2是我们根据复测定位结果所描绘的考察沿线冰川运动速度分别沿南北方向 和东西方向的分量示意图. 从图1和图2我们可知, 整个考察沿线的冰川运动方向是西北方向, 年运动速度在8- 24m a 之间, 越靠近冰盖边缘, 运动速度越快, 距中山站约92km 处的L T980点, 年运动速 度接近100m a. 2 3 1 极地研究 第13卷图1 冰盖考察沿线冰川流动速度北方向分量示意图 F ig. 1. The sketch m ap for the north component of the ice flow velocity along the traverse route . 图2 冰盖考察沿线冰川流动速度东方向分量示意图 F ig. 2. The sketch m ap for the east component of the ice flow velocity along the traverse route. 虽然 GPS 定位测量高程方向的精度始终无法达到平面精度, 但分米级的垂直沉降还 是可以监测出来的. 复测结果表明, 考察沿线冰川有每年10cm - 1m 的冰盖沉降量, 详见 表3. 表3 复测点高程变化情况 Table 3. The elevation change for the GPS points along the traverse route. 复测点 L T980 L T940 L T918 DT008 DT038 DT063 DT085 高程变化量(m a) - 1. 0 - 0. 4 - 0. 4 - 0. 2 - 0. 2 - 0. 4 - 0. 1 3 3 1 第2期 王清华等: 南极内陆考察沿线 GPS 高精度定位点测量结果分析 正是因为整个考察剖面是一倾斜面 (黄声享等, 2000) , 冰川向低方向流动, 因此导致 了GPS 复测点位的下降. 更进一步证实了解算结果的正确性. 3. 5 冰川流动速度描绘 GPS 高精度定位点的平面运动速度和方向由下式计算: v= vN 2 + vE 2 (3) Α = tg - 1 vE vN (4) 按公式(3)、 (4) , 我们可以得到各复测点的平面运动速度及方向如表4所示. 表4 复测点流动平面速度及流向 Table 4. The flow velocity and its direction for the GPS points . 复测点 平面速度 v (m a) 方位角 流速方向描述 L T980 97. 07 305° 34′ 北偏西54° 16′ L T940 17. 31 324° 20′ 北偏西35° 40′ L T918 13. 40 299° 40′ 北偏西60° 20′ DT008 23. 64 296° 15′ 北偏西63° 45′ DT038 20. 86 306° 02′ 北偏西53° 58′ DT063 8. 36 308° 18′ 北偏西51° 42′ DT085 8. 15 268° 02′ 南偏西88° 02′ 根据以上结果, 我们可以在考察路线图上描绘出各点的流速及流向, 如图3所示. 从图 3可知, 该方向大致是兰伯特冰川盆地方向, 也是基本上垂直于等高线的方向. 4 结论、 讨论与建议 只要有足够的观测时间, 并采用高精度的 GPS 数据处理软件, GPS 高精度定位手段 可被充分地利用来以厘米级、 甚至毫米级的精度来监测冰川运动. 从表2可知, 第二次冰盖 考察时, GPS 定位时间只有2h 左右, 点位坐标精度在1cm - 10cm 之间; 第三次内陆冰盖 考察时的 GPS 定位时间在10h 左右, 因此点位坐标精度在3mm - 3cm 之间, 提高了3倍. 若能进行更长时间的观测, 还能得到更高精度的点位坐标. 我国实施Dom e2 A 断面考察时沿线布设有25个GPS 高精度定位点, 但复测点主要集 中在距中山站90km - 500km 之间, 中山站至Dom e2 A 沿线的大部分路线上都没有复测 点, 特别是距冰盖边缘90km 的路线上, 更是没有布设 GPS 高精度定位点. 建议我国未来 继续进行中山站至Dom e2 A 的断面考察时, 对已有的 GPS 点尽量都进行长时间的复测; 同时在冰盖边缘至L T980沿线加密 GPS 高精度定位点(10- 20km 左右加一 GPS 点). 同时由于专业所限, 因此不能对冰川的运动机理作出分析. 加拿大冰川学家W. S. B. 佩特森(1987) 在他所著的文献中证明, 运动速度在冰川中部最大, 逐渐向两侧减小; 冰川 源头和末端附近, 运动速度比其他地方要缓慢. 由于我们缺乏冰川末端(距中山站100km 范围内) 的数据, 因此不能对该理论加以证明. 冰流速度在积累区与消融区的界限处达到 4 3 1 极地研究 第13卷图3 复测点位流动速度示意图 F ig. 3. The sketch m ap for the flow velocity of GPS points . 最大值. 我们测得的年流速在97m a 的L T980点, 是不是就位于冰盖物质平衡的平衡线 处呢?我们也无法说明. 还有, 冰流速主要取决于冰厚度和冰面坡度, 我们测得的流速和冰 厚度及冰面坡度有什么样的关系, 也有待今后的进一步深入研究. 致谢 感谢澳大利亚测量与土地信息局(AU SL IG) 的Glenn Johnstone 先生, 在我们 获取澳Davis、 Casey、 M aw son 三站 GPS 数据方面提供的大量帮助. 感谢中国科学院寒区 旱区环境与工程研究所的效存德博士提供的资料及对本文提出的修改意见. 感谢内陆冰 盖考察的队友们对 GPS 高精度定位测量所给予的方便和帮助. 内陆冰盖考察队队长、 中 国极地研究所的李院生副研究员在本文脱稿之时, 也提出了宝贵的意见和建议, 一并致 谢. 5 3 1 第2期 王清华等: 南极内陆考察沿线 GPS 高精度定位点测量结果分析 参考文献 王清华、 鄂栋臣、 陈春明(2001): 用GPS 技术监测南极半岛地区形变的结果初步分析, 极地研究, Vol . 13, No. 1, 32- 41. 周忠谟等(1999): GPS 卫星测量原理与应用(修订版) , 测绘出版社, 173- 179. 佩特森(1987): 冰川物理学, 张祥松、 丁亚梅译, 科学出版社, 1- 26, 37- 42. 秦大河(1995): 南极冰盖表层雪内的物理过程和现代气候及环境记录, 科学出版社, 194- 199. 黄声享、 鄂栋臣、 陈春明、 王清华(2000): 中国第三次内陆冰盖考察剖面的雪貌及气象特征, 武汉测绘科技大学学报, 25 (3) , 252- 256. FrezzottiM , V ittuariL and M aggiV (1997): Preli m inary GPS m easurem ent of David Glacier and D rygalski Ice Tongue, T erra A ntarctic R eports, No. 1, 13- 17. M anson R et al . (2000): Ice velocities of theL am bert Glacier from static GPS observations, Earth P lanets S pace, 00, 001- 006, 2000. AN ANALYS I S ON THE RESULTS FOR THE GPS PO I NTS ALONG THE CHI NESE ANTARCTI C I NLAND TRAVERSE ROUTE W ang Q inghua, E Dongchen, Chen Chunm ing and Huang Shengxiang (Chinese A ntarctic Center for Surveying and M apping,W uhan U niversity, W uhan 430079, China) Abstract The route from Zhongshan Station to Dom e2 A is one of the most i mportant expedition routes of the ITA SE p roject. China carried out 3 inland traverses during the 1996 1997, 1997 1998, 1998 1999 A ntarctic summ er seasons respectively. Som e GPS points w ere set up, surveyed and resurveyed along the traverse route. The results for the GPS data p rocessing indicate that the ice flow sw ith an 8- 24m a velocity to the northw est, that is to say to the foot of the L am bert Glacier. M oreover, the nearer to the edge of the ice sheet, the faster the flow is . The m axi m um flow velocity is about 100m a. F inally, due to the ice flow , a 0. 2- 1m a sedi m entation rate for the GPS points is achieved. Key words A ntarctic inland ice2sheet traverse,L am bert Glacier,Dom e2 A , GPS, ice flow. 6 3 1 极地研究 第13卷
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第13卷第2期 极地研究 Vol . 13,No. 2 2001年6月CH I N ESE JOU RNAL O F POLAR RESEARCH June 2001 研究论文 南极内陆考察沿线 GPS 高精度 定位点测量结果分析 Ξ 王清华 鄂栋臣 陈春明 黄声享 (武汉大学测绘科学与技术学院南极测绘研究中心, 武汉 430079) 提要 中山站至Dom e2 A 考察是中国承担的 "国际横穿南极科学考察" ( ITA SE) 计划的一部分. 考察沿线布设有 GPS 高精度定位点, 通过两期观测数据的计算可知, 考察沿线的冰川整体上以 8- 24m a 的速度向西北方向(兰伯特冰川盆地方向) 流动, 而且, 越接近冰盖边缘, 运动速度越 快, 最快达到100m a. 同时, 由于冰川的流动, 引起了 GPS 点垂直方向0. 2- 1m 的沉降量. 关键词 南极内陆冰盖 兰伯特冰川 Dom e2 A GPS 冰川运动 1 概述 我国分别于1996 1997、 1997 1998、 1998 1999 南极考察期间, 执行了我国的首次、 第 二次和第三次南极内陆冰盖考察, 分别延伸到距中山站300km、 500km 和1100km 处, 其中 第三次考察到达了位于79° 16′ S, 77° 00′ E, 海拔高度3800m 的Dom e2 A 区域 (黄声享等, 2000) , 初步完成了我国向国际社会承诺的从中山站至Dom e2 A 的"ITA SE 中国计划" (秦 大河, 1995). Dom e2 A 是南极内陆冰盖的最高点, 中国南极中山站至内陆冰盖最高点Dom e2 A 为 轴线的南极大扇形区是南极冰盖研究的薄弱区域. 同时, 以Dom e2 A 为中心的南极冰盖内 陆高原区不仅远离各个考察站区, 而且是地球上自然环境最严酷的区域, 由于无法实行空 中援助, 因此以往被人类称为 "不可接近地区" , 也是南极研究的空白区. 所以, 从中山站到 Dom e2 A 并延伸到南极点的冰川学2地学大断面的考察研究将是填补这一空白区的关键 Ξ [收稿日期] 2000年11月收到来稿, 2000年12月收到修改稿. [基金项目] 国家测绘局科技发展基金资助项目(950403); 国家科技攻关项目子课题 "中山站2 Dom e A 区域冰 盖表面测绘与制图" 资助(98927010505). [作者简介] 王清华, 男, 1972年生. 现为武汉大学在职博士研究生, 主要从事 GPS 数据处理、 冰面测高数据处 理与分析方面的工作. 剖面. 目前, GPS 技术被认为是在南极进行测量定位的最主要的 "工具" (F rezzotti et al. , 1997) , 从1994年开始, 每年都有一次全南极的 GPS 联合观测, 用来监测南极板块的地壳 运动等; 而且由于它测量的高精度性、 快速性及只需较少的后勤支援, GPS 测量技术已经 成为南极内陆地区进行冰川动力和冰面地形野外测量的最重要的工具之一. 在过去的10 年时间里, 随着 GPS 软、 硬件及卫星星历等的发展, GPS 技术可以相当容易地用来进行冰 川运动测量并且能得到高质量的结果 (M anson et al. , 2000). 在中国南极内陆冰盖中, GPS 技术被充分地利用来进行冰雪物质平衡及冰流速等冰川动力学的研究. 2 考察沿线 GPS 高精度定位 2. 1 GPS 高精度定位点观测情况 在考察沿线的宿营点上, 布设有 GPS 高精度定位点, 如下表所示. 表1 中山站—Dome A 沿线 GPS 高精度定位点一览 Table 1. The GPS points along the traverse route from Zhongshan Station to Dom e2 A. 点号 纬度 经度 海拔(m ) 距离(km ) 观测时间 I II III I V 3 DT001 71° 52′ 47″ S 77° 57′ 24″ E 2300 300 √ DT002 71° 52′ 49″ S 77° 59′ 33″ E 2300 300 √ L T980 70° 07′ 56″ S 76° 36′ 02″ E 1300 92 √ √ √ L T940 70° 50′ 08″ S 77° 04′ 37″ E 1870 172 √ √ L T934 70° 56′ 26″ S 77° 09′ 35″ E 1935 184 √ L T918 71° 13′ 20″ S 77° 23′ 48″ E 2070 217 √ √ √ L T907 71° 24′ 49″ S 77° 33′ 14″ E 2150 239 √ DT008 72° 00′ 51″ S 77° 55′ 34″ E 2420 310 √ √ √ DT038 72° 32′ 31″ S 77° 35′ 14″ E 2400 370 √ √ √ DT063 72° 58′ 53″ S 77° 17′ 24″ E 2550 420 √ √ √ DT085 73° 22′ 03″ S 77° 00′ 54″ E 2580 464 √ √ √ DT118 73° 56′ 05″ S 76° 59′ 27″ E 2680 528 √ DT132 74° 10′ 42″ S 77° 00′ 47″ E 2640 556 √ DT158 74° 39′ 34″ S 77° 00′ 30″ E 2800 608 √ DT177 74° 59′ 53″ S 76° 58′ 04″ E 2730 647 √ DT200 75° 24′ 59″ S 76° 55′ 05″ E 2800 693 √ DT217 75° 43′ 05″ S 76° 50′ 18″ E 2800 728 √ DT233 76° 00′ 20″ S 76° 56′ 29″ E 2780 760 √ DT263 76° 32′ 29″ S 77° 01′ 41″ E 2800 820 √ DT278 76° 48′ 40″ S 77° 01′ 34″ E 2900 850 √ DT294 77° 05′ 40″ S 76° 58′ 08″ E 2900 882 √ DT313 77° 25′ 45″ S 76° 59′ 52″ E 3030 920 √ DT338 77° 52′ 18″ S 77° 08′ 30″ E 3150 970 √ DT364 78° 20′ 16″ S 77° 00′ 04″ E 3380 1022 √ DT401 79° 00′ 46″ S 76° 59′ 48″ E 3750 1098 √ 注: 各点的经纬度均为概略经纬度; 海拔高为 GPS 实时显示的概略高; 距离为至中山站的距离; 观测时间中的 I 、 II 、 III 指三次内陆冰盖考察(下同) , I V 3 指1999 2000考察期间进行 Grove 山地考察时所进行的 GPS 复测. 0 3 1 极地研究 第13卷 从上表可以看出, 复测点主要集中在考察路线上前500km 的L T980、 L T940、 L T 918、 DT 008、 DT038、 DT063和DT085诸点, 因此, 主要对这些点进行计算分析. 在冰盖上进行 GPS 高精度定位测量的同时, 中山站有同一类型的 GPS 接收机同时 进行测量. 这样以中山站上的接收机为基准点, 同时登录到澳大利亚测量与土地信息局 (AU SL IG) 的FTP 服务器上, 取得澳大利亚Davis、 Casey、 M aw son 三站的 GPS 数据, 与中 山站和冰盖上的 GPS 数据统一进行差分处理, 便能得到冰盖上各 GPS 高精度定位点厘 米级精度的坐标. 通过不同期的复测数据的计算, 便能得到考察沿线 GPS 高精度定位点 的流动速度, 它也代表着沿线的冰川流动速度. 2. 2 GPS 高精度定位野外实施过程 进行 GPS 高精度定位重复观测时, 定位点的稳定性显得非常重要. 在陆地上, 一般都 将点位标志埋在地质条件稳定、 坚实的地上; 有的要建造定位观测墩(如中山站 GPS 观测 点); 有的还要将点位埋于基岩上. 但是, 平均厚度达2000m 的南极内陆冰盖是整体流动 的, 无法实现 GPS 点位的绝对稳定. 因此, 只能尽量保证点位的相对稳定. 同时, 还得顾及 南极夏季极昼期间, 定位标志竿的吸热性不能太强, 避免引起其周围的冰雪融化, 导致点 位运动. 鉴于此, 选择长1m , 直径30cm , 顶端刻有一 "+ " 字的玻璃钢杆作为 GPS 高精度定 位标志杆. 在每个宿营点进行 GPS 高精度定位测量包括以下工作: 选点、 打钻、 埋标、 对中整平、 天线架设及天线高量取、 定位观测等. 具体操作步骤为: 在离内陆车队发电间约20m (避开 雪地车及雪橇等对 GPS 定位卫星的遮挡, 同时又要在30m 天线电缆所能及范围内) 的地 方, 选一积雪较少的点, 用手摇钻打一深40cm 的雪洞; 插入玻璃钢定位标志杆约30- 40cm 深; 用雪填实空隙, 然后浇灌适量的水, 让雪坑内的虚雪凝固成冰, 固定定位标志杆; 约1h 待定位标志杆完全稳定之后, 架上 GPS 天线, 并严格对中标志杆顶端的 "+ " 字中 心, 开始观测. 为了使 GPS 接收机的液晶显示屏不被南极内陆平均- 30- - 20℃的室外 低温冻坏, 将GPS 主机放在环境温度较高的发电间或乘员舱. 要获取高精度的定位成果, 保证一定时间段的观测数据量是必不可少的. 按理, 观测 时间越长越好, 这样, 多余观测值多, 解算出来的精度会随着观测值的增多而增高. 可是在 内陆冰盖沿线, 每天得保证一定时间的 "行军" 速度, 不可能在每个驻留点(2km 间距的竹 竿点) 都进行长时间的定位观测, 因此选择在每天的宿营点进行长时间的 GPS 高精度定 位数据信息采集. 若是进行复测工作, 车队还应该合理安排每天的 "进度" , 争取能在以前 进行过 GPS 高精度定位测量的点上宿营. 3 GPS 定位点内业计算结果分析 3. 1 GPS 数据处理 GPS 数据处理采用美国麻省理工学院研制的高精度 GPS 定位软件 GAM IT GLOBK (2000版) , 在UL TRA 2工作站上完成. 处理过程参见文献(王清华等, 2001). 3. 2 GPS 定位结果 首次冰盖考察的2个GPS 高精度定位点DT001和DT002, 由于在观测完成后, 2个定 1 3 1 第2期 王清华等: 南极内陆考察沿线 GPS 高精度定位点测量结果分析 位点上分别插了一根长3. 5m 的花杆, 给复测时天线架设工作带来了极大的不便, 加之距 这2个点大约12km 处, 已经有复测点DT008, 因此, 后几次的冰盖考察都未在这2个点进 行复测工作. 第三次内陆考察时, 一直延伸到了距中山站1100km 处的Dom e2 A 区域, 沿 途共在23个点上进行了 GPS 定位观测, 但大部分没有复测资料, 因此我们的分析中都不 包括这些没有复测数据的定位点. 表2 GPS 复测点结果 Table 1. The coordinates for the GPS points along the traverse route. point X (m ) ΡX (mm ) Y (m ) ΡY (mm ) Z (m ) ΡZ (mm ) vN (m a) vE (m a) L T980 II 503828. 9891 8. 1 2115255. 4749 28. 9 - 5977313. 9534 76. 2 III 503918. 1804 4. 9 2115288. 8247 7. 7 - 5977293. 7242 16. 3 56. 69 - 78. 79 L T940 II 469797. 6081 16. 8 2047509. 6875 29. 9 - 6004049. 4434 18. 2 III 469810. 4254 7. 3 2047520. 2835 10. 3 - 6004044. 4697 18. 5 14. 06 - 10. 09 L T918 II 449489. 4232 17. 9 2010357. 7574 51. 5 - 6018287. 9208 107. 6 III 449502. 1605 4. 9 2010361. 2142 7. 8 - 6018285. 3760 17. 4 6. 63 - 11. 64 DT008 II 413315. 3002 19. 5 1932458. 4876 48. 4 - 6046436. 6117 100. 5 III 413338. 1662 8. 1 1932463. 7180 10. 8 - 6046433. 1507 18. 4 10. 45 - 21. 20 DT038 II 412709. 4827 89. 5 1875174. 0275 69. 2 - 6064430. 7710 113. 0 III 412728. 5298 5. 7 1875181. 7966 9. 7 - 6064426. 9007 20. 2 12. 27 - 16. 87 DT063 II3 412136. 4897 0. 4 1827371. 7355 0. 2 - 6079065. 0104 0. 1 III 412143. 9849 15. 7 1827375. 0261 20. 8 - 6079063. 1428 33. 5 5. 18 - 6. 56 DT085 II 411670. 9700 14. 6 1785069. 6697 43. 2 - 6091582. 2124 85. 7 III 411678. 8783 10. 5 1785067. 5303 18. 6 - 6091582. 1808 35. 2 - 0. 28 - 8. 15 3 因观测当天中山站 GPS 接收机出现故障, 只能和澳大利亚Davis 站进行单基线解算, 因此点位坐标 X, Y, Z 三分量 精度分别下降为0. 4m、 0. 2m 和0. 1m 3. 3 点位结果精度评定 点位坐标的中误差可按下式估算(周忠谟等, 1999): ΡX = Ρ0 qx x (1) 其中 Ρ0为单位权中误差, 可按下式计算; qx x 为谐因数阵主对角线的相应元素. Ρ0= 2 u t= 1 Τ T PΤ + V T PV 2 u t= 1 3 (m t- nt) + 3 (m - n) 1 2 (2) 其中 Τ为各时段基线向量平差的改正数; V 为网整体平差的基线向量改正数; u 为观测时 段数; m t 和m 是各时段观测量平差和整体平差时的独立基线向量数; nt 和n是各时段观 测量平差和整体平差时的未知点数. 3. 4 结果分析 图1和图2是我们根据复测定位结果所描绘的考察沿线冰川运动速度分别沿南北方向 和东西方向的分量示意图. 从图1和图2我们可知, 整个考察沿线的冰川运动方向是西北方向, 年运动速度在8- 24m a 之间, 越靠近冰盖边缘, 运动速度越快, 距中山站约92km 处的L T980点, 年运动速 度接近100m a. 2 3 1 极地研究 第13卷图1 冰盖考察沿线冰川流动速度北方向分量示意图 F ig. 1. The sketch m ap for the north component of the ice flow velocity along the traverse route . 图2 冰盖考察沿线冰川流动速度东方向分量示意图 F ig. 2. The sketch m ap for the east component of the ice flow velocity along the traverse route. 虽然 GPS 定位测量高程方向的精度始终无法达到平面精度, 但分米级的垂直沉降还 是可以监测出来的. 复测结果表明, 考察沿线冰川有每年10cm - 1m 的冰盖沉降量, 详见 表3. 表3 复测点高程变化情况 Table 3. The elevation change for the GPS points along the traverse route. 复测点 L T980 L T940 L T918 DT008 DT038 DT063 DT085 高程变化量(m a) - 1. 0 - 0. 4 - 0. 4 - 0. 2 - 0. 2 - 0. 4 - 0. 1 3 3 1 第2期 王清华等: 南极内陆考察沿线 GPS 高精度定位点测量结果分析 正是因为整个考察剖面是一倾斜面 (黄声享等, 2000) , 冰川向低方向流动, 因此导致 了GPS 复测点位的下降. 更进一步证实了解算结果的正确性. 3. 5 冰川流动速度描绘 GPS 高精度定位点的平面运动速度和方向由下式计算: v= vN 2 + vE 2 (3) Α = tg - 1 vE vN (4) 按公式(3)、 (4) , 我们可以得到各复测点的平面运动速度及方向如表4所示. 表4 复测点流动平面速度及流向 Table 4. The flow velocity and its direction for the GPS points . 复测点 平面速度 v (m a) 方位角 流速方向描述 L T980 97. 07 305° 34′ 北偏西54° 16′ L T940 17. 31 324° 20′ 北偏西35° 40′ L T918 13. 40 299° 40′ 北偏西60° 20′ DT008 23. 64 296° 15′ 北偏西63° 45′ DT038 20. 86 306° 02′ 北偏西53° 58′ DT063 8. 36 308° 18′ 北偏西51° 42′ DT085 8. 15 268° 02′ 南偏西88° 02′ 根据以上结果, 我们可以在考察路线图上描绘出各点的流速及流向, 如图3所示. 从图 3可知, 该方向大致是兰伯特冰川盆地方向, 也是基本上垂直于等高线的方向. 4 结论、 讨论与建议 只要有足够的观测时间, 并采用高精度的 GPS 数据处理软件, GPS 高精度定位手段 可被充分地利用来以厘米级、 甚至毫米级的精度来监测冰川运动. 从表2可知, 第二次冰盖 考察时, GPS 定位时间只有2h 左右, 点位坐标精度在1cm - 10cm 之间; 第三次内陆冰盖 考察时的 GPS 定位时间在10h 左右, 因此点位坐标精度在3mm - 3cm 之间, 提高了3倍. 若能进行更长时间的观测, 还能得到更高精度的点位坐标. 我国实施Dom e2 A 断面考察时沿线布设有25个GPS 高精度定位点, 但复测点主要集 中在距中山站90km - 500km 之间, 中山站至Dom e2 A 沿线的大部分路线上都没有复测 点, 特别是距冰盖边缘90km 的路线上, 更是没有布设 GPS 高精度定位点. 建议我国未来 继续进行中山站至Dom e2 A 的断面考察时, 对已有的 GPS 点尽量都进行长时间的复测; 同时在冰盖边缘至L T980沿线加密 GPS 高精度定位点(10- 20km 左右加一 GPS 点). 同时由于专业所限, 因此不能对冰川的运动机理作出分析. 加拿大冰川学家W. S. B. 佩特森(1987) 在他所著的文献中证明, 运动速度在冰川中部最大, 逐渐向两侧减小; 冰川 源头和末端附近, 运动速度比其他地方要缓慢. 由于我们缺乏冰川末端(距中山站100km 范围内) 的数据, 因此不能对该理论加以证明. 冰流速度在积累区与消融区的界限处达到 4 3 1 极地研究 第13卷图3 复测点位流动速度示意图 F ig. 3. The sketch m ap for the flow velocity of GPS points . 最大值. 我们测得的年流速在97m a 的L T980点, 是不是就位于冰盖物质平衡的平衡线 处呢?我们也无法说明. 还有, 冰流速主要取决于冰厚度和冰面坡度, 我们测得的流速和冰 厚度及冰面坡度有什么样的关系, 也有待今后的进一步深入研究. 致谢 感谢澳大利亚测量与土地信息局(AU SL IG) 的Glenn Johnstone 先生, 在我们 获取澳Davis、 Casey、 M aw son 三站 GPS 数据方面提供的大量帮助. 感谢中国科学院寒区 旱区环境与工程研究所的效存德博士提供的资料及对本文提出的修改意见. 感谢内陆冰 盖考察的队友们对 GPS 高精度定位测量所给予的方便和帮助. 内陆冰盖考察队队长、 中 国极地研究所的李院生副研究员在本文脱稿之时, 也提出了宝贵的意见和建议, 一并致 谢. 5 3 1 第2期 王清华等: 南极内陆考察沿线 GPS 高精度定位点测量结果分析 参考文献 王清华、 鄂栋臣、 陈春明(2001): 用GPS 技术监测南极半岛地区形变的结果初步分析, 极地研究, Vol . 13, No. 1, 32- 41. 周忠谟等(1999): GPS 卫星测量原理与应用(修订版) , 测绘出版社, 173- 179. 佩特森(1987): 冰川物理学, 张祥松、 丁亚梅译, 科学出版社, 1- 26, 37- 42. 秦大河(1995): 南极冰盖表层雪内的物理过程和现代气候及环境记录, 科学出版社, 194- 199. 黄声享、 鄂栋臣、 陈春明、 王清华(2000): 中国第三次内陆冰盖考察剖面的雪貌及气象特征, 武汉测绘科技大学学报, 25 (3) , 252- 256. FrezzottiM , V ittuariL and M aggiV (1997): Preli m inary GPS m easurem ent of David Glacier and D rygalski Ice Tongue, T erra A ntarctic R eports, No. 1, 13- 17. M anson R et al . (2000): Ice velocities of theL am bert Glacier from static GPS observations, Earth P lanets S pace, 00, 001- 006, 2000. AN ANALYS I S ON THE RESULTS FOR THE GPS PO I NTS ALONG THE CHI NESE ANTARCTI C I NLAND TRAVERSE ROUTE W ang Q inghua, E Dongchen, Chen Chunm ing and Huang Shengxiang (Chinese A ntarctic Center for Surveying and M apping,W uhan U niversity, W uhan 430079, China) Abstract The route from Zhongshan Station to Dom e2 A is one of the most i mportant expedition routes of the ITA SE p roject. China carried out 3 inland traverses during the 1996 1997, 1997 1998, 1998 1999 A ntarctic summ er seasons respectively. Som e GPS points w ere set up, surveyed and resurveyed along the traverse route. The results for the GPS data p rocessing indicate that the ice flow sw ith an 8- 24m a velocity to the northw est, that is to say to the foot of the L am bert Glacier. M oreover, the nearer to the edge of the ice sheet, the faster the flow is . The m axi m um flow velocity is about 100m a. F inally, due to the ice flow , a 0. 2- 1m a sedi m entation rate for the GPS points is achieved. Key words A ntarctic inland ice2sheet traverse,L am bert Glacier,Dom e2 A , GPS, ice flow. 6 3 1 极地研究 第13卷