王連仲, 孫 波, 吳文會(huì), 郭景學(xué), 崔祥斌, 鄭福海

(1.黑龍江測(cè)繪地理信息局極地測(cè)繪工程中心，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國(guó)極地研究中心，上海 200000；3.黑龍江地理信息工程院，黑龍江 哈爾濱 150086)

南極冰下地形測(cè)繪路線規(guī)劃及制圖研究

王連仲1, 孫 波2, 吳文會(huì)1, 郭景學(xué)2, 崔祥斌2, 鄭福海3

(1.黑龍江測(cè)繪地理信息局極地測(cè)繪工程中心，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國(guó)極地研究中心，上海 200000；3.黑龍江地理信息工程院，黑龍江 哈爾濱 150086)

南極冰下地形測(cè)繪在國(guó)際上還沒(méi)有全面開(kāi)展，獲取南極冰下地形為研究南極冰蓋運(yùn)動(dòng)機(jī)理，了解南極冰下全貌具有重要意義。本文通過(guò)對(duì)南極Dome A核心區(qū)域冰下地形測(cè)繪實(shí)踐，并對(duì)冰下地形圖成圖方法進(jìn)行闡述，得出適合現(xiàn)階段南極冰下地形測(cè)繪的最優(yōu)方法——深冰雷達(dá)探測(cè)法。通過(guò)嚴(yán)密的規(guī)劃測(cè)線，可以勘測(cè)不同比例尺和精度的冰下地形圖，直觀地獲取冰下形態(tài)，為研究南極冰蓋運(yùn)動(dòng)機(jī)理提供重要依據(jù)進(jìn)行。

南極；冰下地形；測(cè)繪；制圖

南極大陸總面積約1 400萬(wàn)km2，98%的陸地常年被冰雪覆蓋，冰雪平均厚度約為2 000 m，最大厚度約為4 800 m，全球 90%的冰雪儲(chǔ)存在這里。其中Dome A區(qū)域是南極海拔最高區(qū)域，我國(guó)的昆侖站建在這個(gè)區(qū)域(南緯80°25′01″，東經(jīng)77° 06′58″，橢球高4 087 m)，自從我國(guó)建立昆侖站以來(lái)，已經(jīng)成為南極冰蓋科學(xué)考察的重要地區(qū)。

南極冰蓋下地形地貌，一直以來(lái)就是世界各國(guó)科學(xué)家想要了解的重要領(lǐng)域，但是，由于南極冰下陸地地形被冰覆蓋，了解冰蓋下的地形地貌狀況是十分困難的?？茖W(xué)家們根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件，研究和利用各種方法和手段來(lái)測(cè)繪冰下地形，但都限于南極的特殊環(huán)境影響勘測(cè)結(jié)果不夠理想。本文總結(jié)出一種測(cè)繪冰下地形圖的路線方法，經(jīng)過(guò)實(shí)地查驗(yàn)，在南極昆侖站20 km×20 km的區(qū)域?qū)Ρ赂时炔煞?Gamburtsev)山脈成功實(shí)施，測(cè)繪出世界上第一幅1∶500 00比例尺精度的冰下地形圖和5 m精度的DEM，為今后南極冰下地形圖測(cè)繪，研究南極冰蓋運(yùn)動(dòng)機(jī)理提供技術(shù)支持。

1 冰下地形測(cè)繪方法

確定冰下地形測(cè)繪采用機(jī)載雷達(dá)法、引力傳感器測(cè)深法、地震勘探法和地面冰雷達(dá)測(cè)量法。

1)機(jī)載雷達(dá)和引力傳感器法。2009年2月，來(lái)自澳大利亞、英國(guó)、加拿大、中國(guó)、德國(guó)、日本和美國(guó)的專(zhuān)家組利用測(cè)繪飛機(jī)使用機(jī)載雷達(dá)和引力傳感器對(duì)甘比采夫冰下山脈首次進(jìn)行了勘測(cè)，發(fā)現(xiàn)了一處驚人的古山脈，位于南極冰下4 km深處，形狀和大小都類(lèi)似于阿爾卑斯山脈，并繪制出其首批地形圖，如圖1所示。

此方法測(cè)繪面積大，但費(fèi)用高，同時(shí)受飛機(jī)的不穩(wěn)定的影響，測(cè)量精度不高，對(duì)于局部地區(qū)詳細(xì)冰下地形狀況無(wú)法細(xì)致的了解。

圖1 使用機(jī)載雷達(dá)配合引力傳感器測(cè)繪的甘比采夫區(qū)域地形圖

2)地震勘探法。尋找地下資源可采用的地震勘探法，其原理是利用線纜連接多個(gè)傳感器，采用炸藥或空氣槍作為震源，通過(guò)人工激發(fā)地震波，根據(jù)地下不同地質(zhì)構(gòu)造，傳感器接收波的傳播信號(hào)不同而區(qū)分地層介質(zhì)[2]，如圖2所示。此方法可用于南極冰下地形測(cè)繪，但輪式工程車(chē)無(wú)法進(jìn)入內(nèi)陸，需要改裝到雪地車(chē)上。

圖2 地震勘探原理

3)冰雷達(dá)測(cè)深法。2008年1月，在我國(guó)第24次南極期間，我國(guó)極地研究中心有關(guān)專(zhuān)家首次完成了南極Dome A區(qū)域200 km×30 km冰下地形測(cè)量，受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，線路從最窄處幾十米到最寬處十幾公里不等，以此繪制了冰下三維地形圖，見(jiàn)圖3，其成果在Nature雜志上發(fā)表[1]。

2010年1月，武漢大學(xué)使用簡(jiǎn)易冰雷達(dá)在南極格羅夫山成功測(cè)繪了深度約1 200 m的冰下地形[3]。

綜合分析，采用地面冰雷達(dá)測(cè)量冰下地形的方法是比較科學(xué)和適用的，為此，根據(jù)此方法測(cè)繪了Dome A昆侖站區(qū)域的冰下地形圖。

2 數(shù)據(jù)獲取及處理

1)深冰雷達(dá)。測(cè)量用冰深雷達(dá)是由中國(guó)極地研究中心自主研發(fā)的、穿透能力超過(guò)3 500 m、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深冰雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)。它工作于調(diào)頻脈沖壓縮體制，工作頻率為500 MHz，發(fā)射機(jī)最大發(fā)射功率為100 W，天線采用對(duì)數(shù)周期天線，系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖3 冰雷達(dá)冰下地形探測(cè)圖

表1 冰蓋深部冰雷達(dá)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

2012年12月10—16日完成了所需雷達(dá)設(shè)備的安裝與調(diào)試工作，首先使用的是深部雷達(dá)與SIR雷達(dá)兩套系統(tǒng)。深部雷達(dá)的對(duì)數(shù)周期天線共分接收與發(fā)射天線兩支。首先進(jìn)行雷達(dá)天線自身的組合安裝，每個(gè)天線有一個(gè)饋電用的集合線和13對(duì)陣子，每對(duì)陣子有兩支，從集合線上的饋電端口看去，振子的長(zhǎng)度逐漸減??；將13對(duì)振子通過(guò)專(zhuān)用螺絲安裝于集合線上的13對(duì)安裝孔。組裝好的天線長(zhǎng)為3.35 m，根據(jù)系統(tǒng)特性，將兩支天線通過(guò)橫梁支架(橫梁支架固定于雷達(dá)艙頂部)分別架設(shè)于雷達(dá)工作艙的左右兩側(cè)，天線底端距離冰面約2.3 m，為了天線在行駛過(guò)程中的穩(wěn)固，在橫梁支架的兩端裝配上下斜撐各兩根，天線的連接電纜經(jīng)雷達(dá)工作艙兩側(cè)的通線孔進(jìn)入到艙內(nèi)。用于淺層探測(cè)的SIR雷達(dá)天線置于雷達(dá)艙后面，根據(jù)SIR雷達(dá)的天線特性，將天線與冰面進(jìn)行偶合，將天線固定的特制玻璃鋼雪撬內(nèi)，并將該小雪撬拖掛在大雪撬的雪撬板正后方，使得玻璃鋼雪撬在行進(jìn)過(guò)程中一直位于大雪撬的撬轍內(nèi)，以保證淺層雷達(dá)天線緊貼冰面平穩(wěn)的向前滑行。淺層SIR雷達(dá)天線的連接電纜通過(guò)雷達(dá)艙后面的通線也進(jìn)行艙內(nèi)，見(jiàn)圖4。

艙內(nèi)部的深部雷達(dá)系統(tǒng)由接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、上位機(jī)(筆記本)三部分組成。它工作于調(diào)頻脈沖壓縮體制，工作頻率是100～200 MHz ，冰體厚度、冰下地形探測(cè)深度：>3 500 m，冰體內(nèi)部結(jié)構(gòu)分辨率：2 m。

2)數(shù)據(jù)獲取。為了詳細(xì)了解昆侖站區(qū)域冰下地形情況，2013年1月我國(guó)第29次南極內(nèi)陸考察期間，重新對(duì)以昆侖站為中心20 km×20 km范圍冰下地形測(cè)量進(jìn)行嚴(yán)密規(guī)劃，在已有的1∶500 00比例地形圖上，按相同比例尺對(duì)冰下地形測(cè)繪進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分4個(gè)測(cè)量區(qū)域，規(guī)劃每條航線的起終點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)，區(qū)域間要保證有效連接，考慮到雪地車(chē)每天的行走距離，規(guī)劃每個(gè)區(qū)域線路總長(zhǎng)不大于100 km，線路間距1.5 km，保證地形圖每個(gè)網(wǎng)格的高程點(diǎn)數(shù)不少于9個(gè)(地形圖測(cè)繪基本要求)。

圖4 雷達(dá)工作艙冰面測(cè)量

利用深冰雷達(dá)經(jīng)過(guò)4 d的測(cè)量，共采集冰深點(diǎn)3萬(wàn)余個(gè)，覆蓋了基本以昆侖站為中心的附近20 km×20 km的范圍，實(shí)際冰深點(diǎn)采集路線如圖5所示。

圖5 實(shí)際冰深數(shù)據(jù)采集路線

對(duì)3萬(wàn)余個(gè)冰深數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，首先，按照國(guó)家地形圖規(guī)范要求，在每個(gè)成圖單元格內(nèi)(10 cm×10 cm)選取9個(gè)以上最深和最淺冰深點(diǎn)，剔除高低連續(xù)的中間點(diǎn)，并通過(guò)與臨格比較，獲得了有效冰深點(diǎn)數(shù)據(jù)，編制了此區(qū)域的1∶500 00比例尺冰深圖和5 mDEM,同時(shí)獲得了南極冰蓋最厚處位置為距離昆侖站東0.7 km處。

為了得到冰下地形點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)同區(qū)域的冰面地形圖，內(nèi)插獲得冰下同平面坐標(biāo)的冰上高程，計(jì)算出冰下地形點(diǎn)高程：

式中：H底為冰下地形點(diǎn)高程；H面為冰面地形點(diǎn)高程；h為此處的冰蓋厚度，即冰層深度。

其中，冰面點(diǎn)高程從1∶500 00比例尺DOME A冰面地形圖獲得。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，繪制出昆侖站區(qū)域1∶500 00比例尺冰下地形圖和DEM為5 m精度的冰下三維地形圖，見(jiàn)圖6。

圖6 1∶5萬(wàn)Dome A冰下甘比采夫山脈昆侖站區(qū)域三維效果圖

3 冰下地形圖精度

通過(guò)與文獻(xiàn)1中同區(qū)域測(cè)量成果對(duì)比，可以看出，此區(qū)域冰下甘比采夫山脈地形兩次測(cè)量在走向和山體形狀上基本一致，個(gè)別區(qū)域有差別，主要原因是兩次測(cè)量點(diǎn)密度不同造成的。通過(guò)同區(qū)域成圖對(duì)比，采用地面冰雷達(dá)測(cè)量獲取冰下地形圖的方法是比較先進(jìn)的，如果進(jìn)行精密規(guī)劃，其成圖精度可以滿(mǎn)足1∶1萬(wàn)～1∶5萬(wàn)比例尺精度要求，其前提條件是，對(duì)測(cè)量區(qū)域按不同比例尺的規(guī)劃要有合理的路線設(shè)計(jì)，保證獲取數(shù)據(jù)有效。

4 結(jié) 論

采用地面冰雷達(dá)測(cè)量方法測(cè)繪冰下地形圖是現(xiàn)階段最實(shí)用、最方便和精度最高的測(cè)量方法。在內(nèi)業(yè)成圖處理上，需要計(jì)算冰下地形點(diǎn)高程，同時(shí)需要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較篩選，獲得比較真實(shí)的冰下高程，從而繪制出冰下地形。

由于在冰下測(cè)量時(shí)是按照規(guī)劃路線進(jìn)行，受規(guī)劃線路疏密及無(wú)法看見(jiàn)冰下地形情況的影響，對(duì)冰下地形最高點(diǎn)和最低點(diǎn)可能漏測(cè)，不能完全符合冰下地貌，但基本走向和地貌形態(tài)不會(huì)因此改變。同時(shí)，本項(xiàng)工作的開(kāi)展在研究南極冰蓋運(yùn)動(dòng)機(jī)理及全球環(huán)境變化奠定基礎(chǔ)。

[1] SUN Bo, etc.《The Gamburtsev mountains and the origin and rarly evolution of the Antarctic Ice Sheet》,Nature,Vol.459,4June 2009.

[2] 王澤民，譚智，艾松濤，等.南極格羅夫山核心區(qū)冰下地形測(cè)繪[J].極地研究，2014，26(4)：399-404.

[3] 王連仲,毛偉娣,陳華.南極地圖符號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化探討及在GIS中的實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪與空間地理信息，2009，32(5)：68-70.

[4] 韓惠軍,吳文會(huì).南極測(cè)量控制點(diǎn)新標(biāo)志的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪與空間地理信息，2013，36(4)：192-194.

[5] 徐敏,初啟鳳,陽(yáng)俊,等.南極1∶5000地形圖測(cè)繪關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)問(wèn)題處理——以南極維多利亞地站為例[J].測(cè)繪工程，2016，24(1):73-76.

[6] 馮守珍，雷寧.南極中山站海灣地形特征研究[J].海洋測(cè)繪，2005，25(5)：28-30.

[7] 吳文會(huì)，殷福忠，吳迪.基于直升機(jī)平臺(tái)及非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)的南極航空攝影測(cè)量技術(shù)研究[J].極地研究，2010，22(2)：190-198.

[8] 王連仲，孔繁宇，朱虹.WalkField軟件在南極測(cè)繪中的應(yīng)用[J].測(cè)繪工程，2007，15(3):1-5.

[9] 吳學(xué)峰，魏寶安，喬輝.高精度GPS測(cè)量在南極內(nèi)陸測(cè)繪中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2010，33(4)：89-91.

[10] 潘家訓(xùn).南極麥克斯威爾灣的測(cè)繪及海底地形分析[J].海洋測(cè)繪，1995，15(2)：30-37.

[11] 溫家洪，王清華，吳健平.地理信息系統(tǒng)在南極考察和研究中的應(yīng)用[J].極地研究，2001，13(3)：217-228.

[責(zé)任編輯：李銘娜]

Design and research of subglacial topography surveying and mapping in Antarctic

WANG Lianzhong1, SUN bo2, WU Wenhui1, GUO Jingxue2, CUI Xiangbin2，Zheng Fuhai3

(1.Heilongjiang Bureau of Surveying and Mapping,Harbin 150086，China;2.China′s Institute of Polar Research,Shanghai 200000,China;3.Heilongjiang Institute of Geomatics Engineering, Harbin 150086,China)

Internationally,subglacial topography surveying and mapping has not been comprehensively carried out in Antarctic,which is the key of research on the ice sheet motion to obtain the whole subglacial topography.This paper gives the optimal method at the present stage through summarizing subglacial topography surveying and mapping in Dome A area,Antarctic.At the same time,a simple method of subglacial topography mapping is provided.

Antarctic;subglacial topography;surveying;mapping

引用著錄：王連仲,孫波,吳文會(huì)，等.南極冰下地形測(cè)繪路線規(guī)劃及制圖研究[J].測(cè)繪工程，2017，26(5)：15-19.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.05.004

2016-09-27

王連仲(1963-)，男，高級(jí)工程師.

P715

A

1006-7949(2017)05-0015-05