南極冰下地形測繪路線規(guī)劃及制圖研究

王連仲, 孫 波, 吳文會, 郭景學(xué), 崔祥斌, 鄭福海

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

南極冰下地形測繪路線規(guī)劃及制圖研究

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

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

南極冰下地形測繪在國際上還沒有全面開展，獲取南極冰下地形為研究南極冰蓋運動機理，了解南極冰下全貌具有重要意義。本文通過對南極Dome A核心區(qū)域冰下地形測繪實踐，并對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繪的最優(yōu)方法——深冰雷達(dá)探測法。通過嚴(yán)密的規(guī)劃測線，可以勘測不同比例尺和精度的冰下地形圖，直觀地獲取冰下形態(tài)，為研究南極冰蓋運動機理提供重要依據(jù)進(jìn)行。

南極；冰下地形；測繪；制圖

南極大陸總面積約1 400萬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%的冰雪儲存在這里。其中Dome A區(qū)域是南極海拔最高區(qū)域，我國的昆侖站建在這個區(qū)域(南緯80°25′01″，東經(jīng)77° 06′58″，橢球高4 087 m)，自從我國建立昆侖站以來，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，一直以來就是世界各國科學(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。科學(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測繪冰下地形，但都限于南極的特殊環(huán)境影響勘測結(jié)果不夠理想。本文總結(jié)出一種測繪冰下地形圖的路線方法，經(jīng)過實地查驗，在南極昆侖站20 km×20 km的區(qū)域?qū)Ρ赂时炔煞?Gamburtsev)山脈成功實施，測繪出世界上第一幅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繪，研究南極冰蓋運動機理提供技術(shù)支持。

1 冰下地形測繪方法

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

1)機載雷達(dá)和引力傳感器法。2009年2月，來自澳大利亞、英國、加拿大、中國、德國、日本和美國的專家組利用測繪飛機使用機載雷達(dá)和引力傳感器對甘比采夫冰下山脈首次進(jìn)行了勘測，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。

此方法測繪面積大，但費用高，同時受飛機的不穩(wěn)定的影響，測量精度不高，對于局部地區(qū)詳細(xì)冰下地形狀況無法細(xì)致的了解。

圖1 使用機載雷達(dá)配合引力傳感器測繪的甘比采夫區(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傳感器，采用炸藥或空氣槍作為震源，通過人工激發(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繪，但輪式工程車無法進(jìn)入內(nèi)陸，需要改裝到雪地車上。

圖2 地震勘探原理

3)冰雷達(dá)測深法。2008年1月，在我國第24次南極期間，我國極地研究中心有關(guān)專家首次完成了南極Dome A區(qū)域200 km×30 km冰下地形測量，受現(xiàn)場條件限制，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)使用簡易冰雷達(dá)在南極格羅夫山成功測繪了深度約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)。測量用冰深雷達(dá)是由中國極地研究中心自主研發(fā)的、穿透能力超過3 500 m、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的深冰雷達(dá)探測系統(tǒng)。它工作于調(diào)頻脈沖壓縮體制，工作頻率為500 MHz，發(fā)射機最大發(fā)射功率為100 W，天線采用對數(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，每個天線有一個饋電用的集合線和13對陣子，每對陣子有兩支，從集合線上的饋電端口看去，振子的長度逐漸減小；將13對振子通過專用螺絲安裝于集合線上的13對安裝孔。組裝好的天線長為3.35 m，根據(jù)系統(tǒng)特性，將兩支天線通過橫梁支架(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雷達(dá)艙后面的通線也進(jìn)行艙內(nèi)，見圖4。

艙內(nèi)部的深部雷達(dá)系統(tǒng)由接收機、發(fā)射機、上位機(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月我國第29次南極內(nèi)陸考察期間，重新對以昆侖站為中心20 km×20 km范圍冰下地形測量進(jìn)行嚴(yán)密規(guī)劃，在已有的1∶500 00比例地形圖上，按相同比例尺對冰下地形測繪進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，根據(jù)現(xiàn)場情況分4個測量區(qū)域，規(guī)劃每條航線的起終點坐標(biāo)，同時，區(qū)域間要保證有效連接，考慮到雪地車每天的行走距離，規(guī)劃每個區(qū)域線路總長不大于100 km，線路間距1.5 km，保證地形圖每個網(wǎng)格的高程點數(shù)不少于9個(地形圖測繪基本要求)。

圖4 雷達(dá)工作艙冰面測量

利用深冰雷達(dá)經(jīng)過4 d的測量，共采集冰深點3萬余個，覆蓋了基本以昆侖站為中心的附近20 km×20 km的范圍，實際冰深點采集路線如圖5所示。

圖5 實際冰深數(shù)據(jù)采集路線

對3萬余個冰深數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，首先，按照國家地形圖規(guī)范要求，在每個成圖單元格內(nèi)(10 cm×10 cm)選取9個以上最深和最淺冰深點，剔除高低連續(xù)的中間點，并通過與臨格比較，獲得了有效冰深點數(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，計算出冰下地形點高程：

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

其中，冰面點高程從1∶500 00比例尺DOME A冰面地形圖獲得。

經(jīng)過計算，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，見圖6。

圖6 1∶5萬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

通過與文獻(xiàn)1中同區(qū)域測量成果對比，可以看出，此區(qū)域冰下甘比采夫山脈地形兩次測量在走向和山體形狀上基本一致，個別區(qū)域有差別，主要原因是兩次測量點密度不同造成的。通過同區(qū)域成圖對比，采用地面冰雷達(dá)測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，其成圖精度可以滿足1∶1萬～1∶5萬比例尺精度要求，其前提條件是，對測量區(qū)域按不同比例尺的規(guī)劃要有合理的路線設(shè)計，保證獲取數(shù)據(jù)有效。

4 結(jié) 論

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

由于在冰下測量時是按照規(guī)劃路線進(jìn)行，受規(guī)劃線路疏密及無法看見冰下地形情況的影響，對冰下地形最高點和最低點可能漏測，不能完全符合冰下地貌，但基本走向和地貌形態(tài)不會因此改變。同時，本項工作的開展在研究南極冰蓋運動機理及全球環(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.

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[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，等.南極冰下地形測繪路線規(guī)劃及制圖研究[J].測繪工程，2017，26(5)：15-19.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.05.004

2016-09-27

王連仲(1963-)，男，高級工程師.

P715

A

1006-7949(2017)05-0015-05