Геодезисты измерили высоту “головы Земли, касающейся небес”

Геодезисты измерили высоту “головы Земли, касающейся небес”

В мае 2019 непальские геодезисты измерили высоту Эвереста благодаря использованию передовых инструментов и методов, которые дали самую точную на сегодняшний день высоту самой высокой и известной вершины мира.

Восхождение к могучей горе. Фото сделано главным геодезистом исследовательского департамента изысканий и картографии Непала Хим Лал Гаутамом во время восхождения к Эвересту.

Перевод статьи Гэвина Шрока (Gavin Schrock) Surveying the ‘head of the Earth touching heaven’

Сегодня мы, вероятно, все узнали, что гора Эверест имеет новую официальную высоту, объявленную совместно Непалом и Китаем 8 декабря 2020 года. Они согласовали результаты своих соответствующих измерений величайшей горы в 2019 и 2020 годах, чтобы объявить новую высоту над уровнем моря — 8 848,86 метра или 29 031,69 фута. Это почти на метр выше, чем предыдущая измеренная и объявленная высота. Различия могут быть обусловлены тектоническими процессами, изменениями картографической и геодезической подосновы и различиями в определении понятия "вершины" (например, вершина - это скала подо льдом или верхняя часть с учетом ледяной шапки). Но скорее всего, дело в модернизированных методах и технологиях съемки, используемых в этих исследованиях.

То, о чем мы мало узнаем среди шквала новостей, связанных с объявлением - это подробности о самой съемке, геодезистах, проблемах, с которыми они столкнулись при работе в таких экстремальных условиях, и удивительных технологиях, которые они использовали.

В этой статье мы уделим внимание геодезическому и геопространственному аспекту этой новости и включим в нее рассказ из первых уст о подъеме и съемке от ведущего геодезиста непальской исследовательской группы.

Вид Эвереста.

3:00 утра 22 мая 2019 года

Команда из исследовательского департамента правительства Непала достигла вершины Эвереста. Темнота, ветер, беспощадно низкие температуры, истощение и ограниченные запасы кислорода уменьшали шансы на то, что они успешно завершат ГНСС эксперимент и связанные с ним измерения в краткие сроки. Тем не менее команда — главный геодезист Хим Лал Гаутам, инспектор Рабин Карки, ведущий проводник из народности шерп Тширинг Джангбу и еще два шерпа — одержала победу, что свидетельствует о стойкости геодезистов, поддержке шерпов и надежности их инструментов.

Участники экспедиции незадолго до финального рывка


Но разве гору не измеряли уже много раз? После 1852 года, когда во время Великой тригонометрической съемки Индии “Пик XV” (как его тогда называли) был определен как самая высокая гора в мире, были проведены десятки повторных измерений. Поиски более точной высоты привели к появлению новых приборов и методов, начиная с тригонометрических измерений и заканчивая GPS в начале 1990-х годов и позже GNSS. Но зачем же снова перемерять гору? Зачем тратить огромные ресурсы и подвергать геодезистов серьезной угрозе?
Судьба распорядилась так, что стихийное бедствие послужило катализатором для нового исследования. Эта катастрофа, наряду с другими движущими силами геодезической съемки региона, создала необходимость в получении новых измерений вершины.

На вершине. Главный геодезист Хим Лал Гаутам, геодезист Рабин Карки и ведущий шерп Тширинг Джангбу фиксирует исторический момент, пока ГНСС-приемник Trimble R10 на заднем плане собирает данные

В апреле 2015 года во время пика альпинистского сезона Непал пережил землетрясение магнитудой 7,8, причинившее значительный ущерб, травмы и человеческие жертвы. Хотя восстановительные работы могут продолжаться годами, страна добилась огромного прогресса в восстановлении того, что было повреждено, что привело к энергичному национальному росту. После землетрясения возникли вопросы о возможных последствиях для геологии региона и о высоте горы Эверест. Гора ощутила удар землетрясения, в том числе ужасающую лавину.

Понимание последствий землетрясения, безусловно, было движущей силой для измерения  Сагарматхи (для Непальцев Сагарматха в переводе с санскрита — «Лоб Небес»), высочайшая вершина мира –Эверест – Прим. пер.) Проект измерения высоты с помощью GNSS, осуществляемый геодезическим Департаментом Непала был не единственным. Другие технологии не обнаружили значительных изменений высоты горы, хотя было отмечено горизонтальное смещение из-за тектоники. Спутниковая интерферометрия InSAR, как и другие исследования,показывает, что вертикальное движение мало, хотя существует смещение в горизонтальном направлении. Поэтому полученная новая высота, скорее всего, была обусловлена в основном усовершенствованными методами, технологиями и модернизированными геодезическими параметрами. Более убедительной движущей силой было то, что Непал давно желал более широкого понимания геофизической динамики региона и модернизации региональной опорной геодезической инфраструктуры.

Существует также вопрос национальной гордости, ведь Гималаи - один из самых молодых и динамически активных горных хребтов в мире. Возвышаясь от места столкновения Индо-Австралийской и Евразийской тектонических плит, Гималаи занимают площадь, большую, чем штат Калифорния. Непал является родиной не только культового Эвереста, но и еще семи из четырнадцати “восьмитысячников” мира—гор высотой более 8000 метров (26 247 футов). Величественные вершины являются для Непала источником национальной гордости, самобытности и экономической активности. Тем не менее, история видела, что внимание к самой известной горе в этом хребте привлекало посторонних людей - но не давало ничего, кроме этого пустого внимания. Этот проект был первым, когда непальское правительство само измерило высоту. Все предыдущие измерения проводились экспедициями из других стран. С помощью этой съемки Непал стремится стать главным авторитетом в области геодезии своих собственных национальных сокровищ.

Официальное название измерения этого многогранного геодезического проекта, охватывающего более 2 лет - “Измерение высоты Сагарматхи".” Гора носит много названий: Пик XV, Эверест –по имени сэра Джорджа Эвереста, директора Главной тригонометрической службы Великобритании (который был против того, чтобы пик был назван в его честь). Но есть и другие местные названия, такие как непальская Сагарматха и китайская Жумулангма. Хотя слово Сагарматха, приблизительно означающее "голова земли, соприкасающаяся с небом", уже существовало на санскрите и непальском, оно не было предложено в качестве непальского названия пика до 1930 года, когда вышел очерк Бабурама Ачарьи, непальского историка и ученого. Имя не сразу прижилось; на самом деле, случилась отрицательная реакция, и он был почти  выслан за свое предложение. Однако с тех пор это название получило более широкое признание.

Главный геодезист Хим Лал Гаутам, инспектор Рабин Карки, ведущий проводник из народности шерп Тширинг Джангбу и еще два шерпа, помогавшие с восхождением.

Если есть разногласия по названию, то и по официальному  значению высоты споры также были. Главная тригонометрическая съемка установила высоту 8 840 метров (29 002 фута), а последующие съемки уточнили ее до общепринятой официальной высоты 8 848 метров (29 029 футов) — из Индийского обследования 1955 года и подкреплено китайским обследованием 1975 года. Но есть и другой спор: измеряете ли вы самую высокую точку самой горы или вершину льда/снега, которая может меняться на метры в зависимости от сезона. Появление георадара — достаточно портативного, чтобы донести его на вершину — обеспечило возможность измерять и то, и другое. Непальское исследование также включало георадарные измерения на вершине.


По мере того, как к этой задаче  добавлялись новые технологии — спутниковая съемка, лазеры и ГНСС, — должно было бы появиться больше общего в отношении высоты, но этого не произошло. Измерение высоты Эвереста намного сложнее, чем большинство людей может себе представить. Для любой попытки установить “высоту над уровнем моря” геодезистам требуется усовершенствованная гравиметрическая съемка и опорное геодезическое обоснование. Непальская геодезическая съемка региона была призвана обеспечить все это.

Сеть

Возможность получения высоты, измеренной с повышенной точностью, или высоты над "уровнем моря“, зависит от ряда других вопросов: Что подразумевается под “уровнем моря"? Выполняли ли измерения относительно местной эталонной отметки с известной высотой? Если да, то как было установлено это значение и до какого уровня измеряли “уровень моря?” ГНСС во многих отношениях является наиболее практичным методом для таких съемок, но он дает только значение высоты над эллипсоидом. Для получения ортометрической высоты необходимо применить точную модель геоида. Но это приводит к еще большему количеству вопросов: Насколько хорошо гравиметрические измерения были привязаны к установленной геодезической основе и модели геоида?

Схема размещения некоторых базовых станций сети.

Проблемы на этом не заканчиваются. Даже с уточненной моделью геоида использование одних только наблюдений ГНСС (например, без поправок в реальном времени или постобработки данных базовой станции) не даст высокой точности. При использовании методов постобработки  места размещения базовых станций должны иметь геодезическую связь с той же системой отсчета, что и модель геоида. Эти переплетенные геодезические зависимости не дают "быстрого" решения. Полностью осознавая эти реалии, геодезический Департамент Непала приступил к одному из самых всеобъемлющих и высокотехнологичных геодезических обследований, когда-либо проводившихся в регионе.

“Мы создали сеть из 298 геодезических пунктов вокруг района горы и провели гравиметрические и GNSS измерения на каждом из них”, - сказал Сушил Дангол, координатор и главный геодезист отдела по измерению высоты Сагарматхи. "Цифровой нивелир [Trimble] DiNi и тригонометрическое нивелирование тахеометрами использовались для установления точных высот на множестве этих пунктов, которые служили опорными точками. Мы провели ГНСС-наблюдения на каждом из них для определения плановых координат.”

Установка одной из восьми постоянно действующих базовых станций ГНСС вокруг горы. Данные этих станций использовались для обработки данных ГНСС с вершины Эвереста.

Чтобы обеспечить базовые данные для наблюдений ГНСС в опорной сети и последующего обследования пика, на горе и вокруг нее было установлено восемь базовых станций. В основном эти станции устанавливались на высотах от 5000 до 6000 метров— некоторые устанавливались с помощью вертолетов. Эта сеть была связана  длительными статическими сеансами и согласована с национальной сетью базовых станций. Непальская сеть станций была создана в сотрудничестве с международным научным сообществом для изучения тектоники плит региона; это крупномасштабное геодезическое предприятие осуществлялось поэтапно в течение нескольких лет и, по оценкам, имеет окончательную стоимость почти в 1,3 миллиона долларов США.

Как национальное картографическое агентство, геодезический Департамент Непала проводит обширные геодезические, инженерные и кадастровые съемки.

Чтобы удовлетворить эти геодезические потребности, у них есть хороший набор современных инструментов. Однако, по словам Дангола,  для обеспечения их новейшим оборудованием с наилучшими возможностями, хорошо подходящим для суровых условий работы, производители геодезических приборов внесли свой вклад в проект.

Экспедиция Национального географического общества.1999 год.

"Trimble India передала нам один базовый приемник Trimble NetR9, два Trimble R10 для съемки пика и три тахеометра S9, которые мы использовали для измерения наших базовых линий для эталонной сети, а также лицензию TBC (Trimble Business Center) для постобработки GNSS”,-сказал Дангол. "Команда из Trimble New Zealand также решила помочь нам и поставить новые инструменты.” Приемники Trimble неоднократно бывали на вершине, в том числе в американской экспедиции на Эверест 1998 года, в экспедиции Национального географического общества США 1999 года, а также в других экспедициях в 2005, 2013 и 2015 годах.

Участники проекта по измерения высоты Сагарматха (SHMP) получают оборудование, подаренное компанией Trimble, для измерения горы и создания опорной геодезической сети. Кроме того, была проведена подготовка к использованию нового оборудования. Компания Trimble уже более двух десятилетий участвует в многочисленных кампаниях по измерению Эвереста

Окно

После создания опорной сети и сбора данных базовых станций для последующей обработки команда была готова выдвигаться на вершину. Альпинисты хорошо акклиматизировались, проделав тренировочные восхождения на больших высотах, а для Гаутама это будет его второй поход на вершину— но первый с необходимостью выполнения геодезических задач. В дополнение к альпинистскому снаряжению, запасам кислорода,  необходимо было передать через последовательные лагеря к Южному седлу — последнему лагерю перед началом восхождения, более чем 41 кг (90 фунтов) геодезического снаряжения .

Подготовка оборудования перед восхождением.

Чтобы попытаться обеспечить оптимальные условия на вершине для измерений GNSS и георадара, команда выбрала май. И хотя никакие условия на этой, не прощающей ошибок, горе не могли быть охарактеризованы как благоприятные, апрельско-майское окно было лучшим выбором. К сожалению, апрель-май также является пиком альпинистского сезона, и это может привести к фактическим “пробкам” в ключевых точках на самых популярных маршрутах, таких как узкая "ступенька Хиллари" чуть ниже вершины.

Геодезисты выбрали тот же маршрут, по которому сэр Эдмунд Хиллари и Тенцинг Норгей совершили свое историческое восхождение в 1953 году: маршрут Южного седла, который до сих пор остается самым популярным. Команде предстояло преодолеть коварный ледопад Кхумбу и Западный КВМ, более известный как “Долина Молчания”, а затем подняться по склону Лхоцзе к Южному седлу, где они должны разбить лагерь перед последним рывком к вершине. Это популярное место для последнего лагеря и последний перевалочный пункт для оборудования и запасов кислорода, передаваемых на гору шерпами. Это также одно из самых опасных мест на земле.

Южная седловина - это начало так называемой зоны смерти, где опасность исходит не только от резкого ветра и холода — на этой высоте нарушаются определенные функции организма. Дополнительный кислород рассматривается как обязательный груз для альпинистов, сон здесь почти невозможен, а пищеварение практически прекращается — организм часто питается внутренними запасами, а не пытается переварить пищу.

В лагере Южного седла они попытались немного отдохнуть, что на такой высоте это дается с трудом даже самым опытным альпинистам. Затем два геодезиста и трое из четырех проводников-шерпов отправились на вершину— гораздо раньше, чем большинство альпинистов. Это было сделано для того, чтобы избежать скопления людей на вершине и обеспечить дополнительное время для выполнения геодезических задач. Достигнув вершины в 3 часа ночи, они оставались там почти два часа, намного дольше, чем большинство тех, кто совершает восхождение. Прочтите отчет из первых рук руководителя восхождения, Хим Лал Гаутама, в следующей статье: “Два часа на вершине Мира”.

Один из двух Trimble R10 был установлен на мини-штативе с быстросъемным креплением. R10 был предварительно настроен для начала записи статических наблюдений при включении питания. Это было важно, так как контроллер был бы непрактичен; снятие тяжелых перчаток или использование перчаток, достаточно тонких, чтобы управлять клавиатурой контроллера, могло быть опасным. Как бы то ни было, но для работы с контроллером данных, подключенным кабелем к приемнику георадара, требовались более легкие перчатки, что (к сожалению) способствовало обморожению некоторых членов команды.

Хим Лал Гаутам и его исследовательская группа достигли вершины Эвереста 22 мая 2019 года в 3 часа ночи, чтобы избежать скопления людей. Оборудование GNSS на специально разработанном штативе находится на вершине позади альпинистов

В то время как R10 собирал статику — в течение 1 часа и 16 минут — геодезисты выполняли георадарные наблюдения, необходимые для определения самой высокой точки твердого грунта под ледяной и снежной шапкой. “Они сделали сетку с георадаром, с востока на запад и с севера на юг”, - сказал Дангол. "Площадка вершины составляет подобие прямоугольника пять на шесть метров. Никаких сложностей с ГНСС или георадаром у нас не было: приборы занесли наверх в изолированных мешках, и нам не нужно было заряжать батареи. В Trimble R10 была полностью заряженная батарея, кроме того у нас были запасные.”

Китайская исследовательская группа поднялась на Эверест и провела наблюдения ГНСС 27 мая 2020 года.


Дангол и его геодезисты сказали, что они довольны ГНСС приемником Trimble R10, отметили его легкость и компактность и что они не имели никаких проблем во время подъема и многочисленных тренировок и испытаний. Надежность была ключевым фактором; на пике не было никакого плана "B". R10 весит чуть более 1 кг (2,25 фунта) и работает при температуре от -40°C до +65°C (от -40°F до +149°F), что хорошо подходит для средних показателей вершины Эвереста в мае -26°C (-15°F). Но, вероятно, во время измерений в 3 часа ночи было гораздо холоднее.

Памятная фотография участников экспедиции на вершине Сагарматха (Эверест)

Времени на фотосъемку было мало, так как запасы кислорода подходили к концу. Кислорода оставалось так мало, что во время спуска, который может быть самой опасной частью путешествия, у одного из членов команды закончился кислород и возникла опасность смерти. Кислородный баллон, позаимствованный у другой команды шерпов, спас ему жизнь. Гаутама также получил некоторые необратимые повреждения от обморожения. В остальном команда вернулась благополучно и с нужными данными; оборудование работало безупречно.

Статические данные, собранные R10 на вершине и восемью базовыми станциями, работающими одновременно, включают данные четырех созвездий: GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou. Данные были обработаны в программном обеспечении TBC в главных офисах Департамента геодезии Непала. Использование нескольких созвездий обеспечивает оптимальную геометрию и является плюсом для относительно короткого времени наблюдений. Как оказалось, 76 минут наблюдений было более чем достаточно.

Объявление

В совместном виртуальном мероприятии 8 декабря 2020 года представители Китая и Непала одновременно нажали кнопки, и на экране появилась новая высота: 8 848,86 м.

Объявление результатов затянулось, поскольку прошло уже более 18 месяцев со времени непальского измерения и более шести месяцев со времени китайского обследования. Каждая команда потратила время на тщательный анализ собственных данных. Большая часть задержек была также, вероятно, связана с характером соглашения о сотрудничестве между этими двумя странами.

Каждая команда должна была сохранять самостоятельность в своих собственных исследованиях и вычислять высоту независим. Применялось схожее оборудование: обе команды использовали приемники ГНСС и георадар на вершине, и обе использовали сети базовых станций ГНСС для уточнения координат. Однако были и различия. Обследование Непала было частью широкого регионального обновления их геодезической опорной сети. Но не так много известно (публично) о прикладных задачах этого исследования у Китайской экспедиции. Маловероятно, что данные независимого исследования были обработаны совместно и вычислены как единое решение. Но методы можно было бы сравнить и провести дискуссии о том, как представить результаты в общем исследовании. Достижение соглашения о значении высоты заняло бы некоторое время, но еще больше времени потребовалось для планирования деталей и обмена сообщениями для совместного объявления.

Решение о совместном объявлении было принято в результате дипломатических контактов. В октябре 2019 года председатель КНР Си Цзиньпин посетил Непал и, находясь там для обсуждения других вопросов, поднял тему восхождения на Эверест. Китай планировал провести собственное повторное обследование пика, и обе страны согласились подождать и сделать совместное объявление результатов обоих обследований. Китайская исследовательская группа поднялась на вершину 27 мая 2020 года.

Таблица проведенных спутниковых измерений горы Эверест.

Дангол сияет от удовольствия, рассказывая о работе команды, восходившей на гору, и всей команды, участвующей в этом обширном геодезическом проекте. “Между участниками нашей команды была великолепная координация, - сказал Дангол. “У нас очень трудолюбивая команда, которой пришлось проводить исследования в суровых условиях, а не просто обследование вершины. Большая часть полевых работ для [более широкой региональной] геодезической съемки также проводилась в основном на больших высотах и в ненастную погоду. Этот проект был стал предметом национальной гордости Непала и делом престижа для непальского правительства. Я очень горжусь тем, что мы смогли успешно завершить его. Это удивительная команда”. Все это является частью национальной идентичности непальцев— то, что они действительно являются хозяевами своих собственных гор во всех отношениях. И теперь к этому источнику национальной гордости можно добавить еще и знак отличия в проведении самых высотных геодезических работ на Земле.