Posted by 2023年10月14日，由日本测地学会主办、日本东北大学大学院理学研究科协办的2023年公开讲座于仙台市举行。本次公开讲座题目为“连接世界的大地测量学——如何精确测量地球的形状”（世界をつなぐ測地学－地球の形を正確に測るには－），共有4位来自日本各地的讲师围绕该题目进行了讲演。本文将根据笔者在讲座中记录的笔记对整个公开讲座进行回顾。
第1节：如何精确到以毫米级来测量地球的大小？——永远都交织在一起的时间和位置（大坪俊通教授）
- 原题目：地球の大きさをミリメートルの精度で測るには？ いつの世もからみあう時間と位置
- 讲师：大坪俊通教授（一桥大学大学院社会学研究科）
大坪俊通教授主要介绍了地表位置测量方法的历史进展。自1492年葡萄牙制造出了世界上首个地球仪以来，人类对地理坐标的测量可谓是越来越精确。例如，从1513年由西班牙人绘制的伊比利亚半岛地图中可以看出，当时的人们已经可以大致掌握南北方向上的地理特征了。然而，在当时的地图中，东西方向上的特征出错较多。究竟是什么原因，导致当时的人们只能掌握某一特定方向上的地理信息呢？
大坪教授通过简单的实验告诉了我们答案。首先，他将摄像头固定在地球仪的不同纬度上，将地球仪旋转的同时进行了录像。通过录像回放，我们可以发现拍摄出的景象是截然不同的。随后，他将摄像头固定在地球仪的不同经度上，重新进行刚才的操作，我们可以发现拍摄出的景象是基本一样的。这个简单的实验中的拍摄到的“景象”可以类比成现实中的天文景象。这一实验告诉我们，相比于经度，人类更容易获取纬度的信息。
直至18世纪，来自英国的John Harrison耗费了他大半辈子才解决了经度问题。他制作了人类史上第一个解决经度问题的道具——经度表。其原理为通过比较目前所处位置与已知时间的另一处的时间差，从而推断所在位置的经度。然而，由于当时没有精确的钟，也没有通讯系统，很难知晓相距甚远的两地之间的时间差。因此，自1728年开始研发以来，历经5代更迭，他终于在1764年制作出了误差仅为经分级的经度表。也就是从这个时代开始，地理位置信息与时间信息逐渐绑定在一起，成为了互相无法分离的2个概念。
到了现代，位置信息与时间信息可以说是紧紧交织在一起的好兄弟。例如，1983年，1米被定义为光在真空中行进距离的299792458分之1。其实，这个道理对于现代的人类而言并不难以理解。根据运动学公式x = vt，我们就可以发现位移x和时间t是紧紧相关的。
基于运动学公式以及更多更加深远的理论，现在的学界可以通过VLBI、SLR、GNSS、DORIS等技术对地表位置进行精度毫米级的精确测量。这种精度是十分夸张的——1毫米约等于地球直径（1.3万千米）的10亿分之1！
第2节：大地测量领域的国际合作 准确测量不断变化的地球（宫原伐折罗技官）
- 原题目：測地学の国際連携 変動する地球を正確に測るために
- 讲师：宫原伐折罗技官（国土地理院）
宫原先生主要介绍了通过各国合作来更加精确测量地表位置信息及地球形状信息的理由和重要性。我们知道，制作正确的地图的前提是能够正确测量国土范围内各个地点的位置，而这些位置需要以纬度、经度、高度等参数进行准确表示。这意味着，测地坐标系的不同将导致关于地理位置的情报出现偏差。例如，20多年前，由于测地坐标系的不同，导致日本在不少世界地图上的位置会偏移400米左右。直至2002年，日本从日本大地测地系统移步至世界大地测量系统，与世界成功接轨。
上述例子侧面反映出，为了准确知晓地球形状和地表位置信息，需要各国的不断合作。对此问题，联合国曾用一句“No one country can do this alone（仅靠一个国家是无法达成的）”精确概括了大地测量领域的国际合作现状。为此，联合国大会于2015年2月通过了题为《促进可持续发展的全球大地测量参考框架》的首个关于测绘地理信息工作的决议。该决议指出，各国应联合起来，共同打造可以正确测量地球的形状和测量地表位置的环境。
那么，关于上述话题，学界目前正在面临怎样的难题呢？显而易见的是，地球的形状并不是一成不变的。这种变化的起因是多种多样的。例如，从长期来讲，地球的自转速度整体上是在变慢的，从而导致扁平率发生细微变化；而从短期来讲，地震等自然现象会在一瞬间导致地球局部发生变形。在近代日本，后者的例子可谓是屡见不鲜。最典型的例子莫过于2011年日本东北地方太平洋近海地震（即3·11大地震）。在该地震发生后，设置于仙台市的电子基准点向东移动了约2.5米。而在随后的10余年内，该电子基准点因震后效应向东持续移动了1.5米左右。
准确把握地球形状和地理位置信息对人类而言是十分有益的。它不仅能够为地球科学领域的研究带来巨大帮助，还能为防灾（受灾地的位置情报、地震学的研究）、SDGs等方面做出贡献。然而，只有各国齐心协力，消除各国之间的情报隔阂，才有可能达成上述课题。
第3节：全球环境监测的前沿 在南极测量地球的变化（青山雄一准教授）
- 原题目：地球環境監視の最前線 南極で地球の変動を測る
- 讲师：青山雄一准教授（国立极地研究所）
该讲演是由长期驻扎在南极进行研究的青山雄一准教授进行的。他主要介绍了在南极进行的关于地球变化的测量。其中，他着重介绍了南极冰盖变化的测定方法。
南极洲作为世界上面积第五大的大陆，却因其极端的生存条件，鲜有人类长期居住。说到南极洲，不少人可能会第一时间想到它那无边无际的巨大冰盖。南极洲的冰盖被认为是70万至150万年前开始因降雪堆积形成的。这意味着，南极冰盖保存了第四纪后半期的地球环境信息。通过采取冰芯，对冰芯进行研究，便可以了解第四纪地球环境的变动。
日本作为最早对南极进行研究的国家之一，在1957年便建设了该国的第一个南极科考站——昭和基地。随后的几十年内，瑞穗基地（1970年）、飞鸟基地（1985年）、富士圆顶基地（1995年）也陆续建成。青山教授主要在昭和基地进行研究，因此他着重介绍了昭和基地的情况。
昭和基地自建成以来就在长期对地球的各种现象进行观测。例如，国土地理院于1957年开始了重力测定、在1995年设置了GNSS电子基准点；气象厅于1957年开始了气象观测；海上保安厅于1971年开始了潮汐观测；情报通信研究机构也在长期进行电离层观测。与此同时，对南极冰盖变化的测量也在持续进行中。作为背景知识，若南极冰盖全部融化，全球平均海平面可能会上升57米，包括日本首都圈在内的沿海地区将被淹没。因此，南极冰盖变化的测量一直被认为是南极科考的重点课题之一。
由于南极冰盖变化量难以直接测量，研究者们正运用多种手法对南极冰盖变化进行间接测量。例如，通过测量冰床表面的高度、流失冰量和降雪量等可以推算出南极冰盖变化量。然而，这种方法由于只能估算表面情况，因此有着很大的局限性。此外，通过测定绝对重力也可以推算出南极冰盖变化量。然而，由于绝对重力的变化因素过多（如地面隆起、积雪增加等），难以准确推测出所需的结果。而利用全球大地测量观测系统（GGOS）对全球平均海平面高度进行测量，从而对南极冰盖变化量进行估算的方法也是一种选择。然而，由于海平面基准难以确定，这种方法也并非万能方案。因此，只有将目前已有的所有方法进行有效结合，才能得出更加可靠的数据。
第4节：支起防灾的大地测量学 通过精确测量地球形状从而减轻灾害影响（三浦哲教授）
- 原题目：防災を支える測地学 地球の形を正確に測って災害軽減
- 讲师：三浦哲教授（日本东北大学大学院理学研究科）
三浦哲教授作为日本东北大学地震·喷火预知观测中心长，长期关注于地震和火山喷发等自然现象。他在本次公开讲座中主要介绍了几种通过观测地壳变动现象从而对地震和火山喷发等进行预测、观测、解析的方法。
地壳变动可以说是一种自古以来就在不停发生的现象。其成因主要有海洋板块在海沟处俯冲、地震的发生以及其前兆现象和震后效应、火山喷发前的演讲和热水的积蓄过程和移动现象等。研究者们可通过观测地球形状的时间变化，可以推测出地壳变动的情况。而这种与地壳变动相关的情报，又可以为地震和火山活动等的研究提供重要线索。
三浦教授主要介绍了2种相关的研究方法。首先，他介绍了可通过动态GNSS（kinematic GNSS）技术对地震断层模型进行推定。其原理为根据短时间范围内的GNSS位置变化分析地震的规模，从而对地震断层模型进行推定。这一技术的可靠性已在近年得到验证。例如，311大地震时，紧急地震速报系统实时算出的震级仅为MJMA 8.1，但动态GNSS实时算出的震级达到了MW 8.9，更符合现实。在震后迅速算出正确震级，对海啸预警的发布、震后响应等有重要作用。如果当年气象厅就已采用动态GNSS技术，或许就可以避免低估海啸高度致使众多沿岸居民不幸被海啸卷走的悲剧。
而在动态GNSS的基础上，可利用实时GNSS解析系统（Real-time GEONET analysis system for rapid deformation monitoring, REGARD）对地震进行更加详细的测定，从而建立更加完善的地震断层模型。该技术是基于Ohta et al., 2012的研究，由国土地理院和日本东北大学共同开发，并自2016年起运用的技术（川元等人，2016；Kawamoto et al., 2017）。该技术利用GNSS电子基准点、IGS、紧急地震速报系统的数据，与实时海啸浸水被害预测系统联动。除了对各个地点的海啸高度、浸水范围进行计算外，在大震发生30分钟内，各地建筑的受灾情况也可以得到计算。这对震后响应、救灾而言具有重要意义。
随后，他介绍了一种使用倾斜计、伸缩计、应变计等仪器，对地面倾斜进行观测，从而测定慢地震事件的方法。其原理在于通过连续观测地壳变动，从而捕捉短时间内的地壳变动。而在这种观测的基础上引入Hi-Net的观测数据，便可对地下的慢地震事件、深部低周波微动现象等进行更加准确的测量。正是通过Hi-Net和地表倾斜的观测，Obara（2002）发现了深部低周波微动现象。而根据类似的观测量，也可对火山活动进行监测。例如，在2009年4月9日樱岛火山喷发的1天前，由于火山口下方的膨胀，研究者在当地观测到了应变的前兆变化，从而对火山喷发进行了预警。
以上的方法无一例外地展示了大地测量学与地震学、火山学等学科之间的紧密关联性。正如三浦教授发表的题目一样，通过精确测量地球形状，便可为减灾、防灾做出巨大贡献。
参考文献
- Ohta, Y., Kobayashi, T., Tsushima, H., Miura, S., Hino, R., Takasu, T., … & Umino, N. (2012). Quasi real‐time fault model estimation for near‐field tsunami forecasting based on RTK‐GPS analysis: Application to the 2011 Tohoku‐Oki earthquake (Mw 9.0). Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 117(B2).
- 川元智司, 檜山洋平, 古屋智秋, 佐藤雄大, 太田雄策, 西村卓也, & 等々力賢. (2016). 電子基準点リアルタイム解析システム (REGARD) プロトタイプの開発. 国土地理院時報, 128, 55-66.
- Kawamoto, S., Ohta, Y., Hiyama, Y., Todoriki, M., Nishimura, T., Furuya, T., … & Miyagawa, K. (2017). REGARD: A new GNSS‐based real‐time finite fault modeling system for GEONET. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 122(2), 1324-1349.
- Obara, K. (2002). Nonvolcanic deep tremor associated with subduction in southwest Japan. Science, 296(5573), 1679-1681.
延伸链接
- 日本测地学会官网（日语）
- 日本测地学会2023年公开讲座页面（日语）