什么是海洋测量学 -海洋测量包括哪些内容和方法

邢雷

正文共：7221字

预计阅读时间：19分钟

前一段时间，带孩子参观了北京钟鼓楼。自从北京市提出中轴线申遗计划以来，政府投入大量资金，重新修缮了北京中轴线上的重点古建筑。在鼓楼上，精心打造了关于“时间”的主题展，通过沉浸式的数字光影秀，让人身临其境的感受古代中国是如何记录和传递时间的。

这个时间展的主题叫做“共鸣”，也的确在我心中激发了共鸣。

我们每天生活的这个世界，构成它的基本要素就是时间和空间。对此，我们习以为常，日用而不知。因为随处可得精准的时间，随时可以在空间里自由驰骋。除非是某些专业领域的研究人员，普通百姓很少去关注和思考承载我们生命的这个时空。

但是时间与空间这两个变量，却在实实在在决定了我们的生活方式，影响着人类的历史和未来。曾经有无数伟大的人物，为了探索时空的广度和精度，前赴后继，孜孜求索。

因此，在我看来，不论从事什么样的工作，都应该从认识我们这个世界的基本要素开始。

更深入的了解时间与空间，能帮助我们建立更加宏大的世界观和更加务实的人生观。

于仰望星空时，体味时代与个人之于宇宙历史的沧海一粟；在俯瞰大地中，感悟社会与生命之于微观粒子的精深奥妙，从而以更加包容平和的心态，去看待每一天的工作和生活。

下面就让我们一起对空间和时间进行一次概略的巡礼。

01

时空的尺度

人类自从进化为独立的物种，便开始走出发源地，不断的拓展生存的疆域，将足迹遍布大洲大洋，甚至潜入深海，冲向太空，去探索这个世界的空间边界。目前人类已经认知的空间尺度，跨越了62个数量级，这恐怕连孙大圣伸缩自由的金箍棒也要望尘莫及。

往小处看，目前科学家认为最小的尺度是普朗克长度，它约为1.6×10^-35米。但这个长度并不是真实测量得到的，而是量子理论的开山鼻祖——普朗克先生从理论上推算出来的，因为在这个空间尺度以下，现有的物理学定律将全部失效，即便有更小的尺度存在，我们也无法感知。往大处看，按照目前的天文学观测能力，以地球为中心，可观测的宇宙大小约为930亿光年，约等于8.8×10^26米。但这也并不是宇宙的真正大小，科学家通过哈勃望远镜观测到的红移现象，说明宇宙可能还在不停的膨胀。而且即便宇宙的大小是固定的，我们用来测量宇宙的最强尺子就是光，而它的速度是固定值（约等于3×10^8米/秒），我们永远只能看到，从远方发出光线抵达我们地球的那部分宇宙，而更远的宇宙之光也许永远无法抵达地球。这就是人类目前对空间世界的了解，尽管还难以穷其究竟，但是上跨27个数量级的宏观尺度，下探35个数量级的微观尺度，也足以让我们感叹“虽然身在此间中，不识宇宙真面目”。那么，再来看看人类对于时间的探索，似乎结果更令人欣慰。根据主流的宇宙起源大爆炸理论，宇宙的时间被认为是有起点的，大概诞生在138亿年前。因此时间的最大尺度就是1.38×10^8年，约等于4.3×10^17秒。对于时间的最小尺度，同样是普朗克大人在制订空间尺度时一起配套打造的，也就是光在真空中传播一个普朗克长度所需的时间，约等于5.4×10^-44秒。这样算来，时间这把尺子的跨度也达到了61个数量级，与空间尺度有着几乎完美的对称。这也许并不是巧合，因为根据相对论，在宏观和微观的高速运动中，时间和空间已经紧紧的缠绕在一起，形成无法分割、相互影响的整体。对此，科学家还在不断的探索，希望找到链接宏观与微观、完美诠释宇宙规则的终极理论，这其中就包括《生活大爆炸》里我们可爱的理论物理学家——谢耳朵研究的“弦论”。上述的时空尺度已经横跨了多个学科领域，为了在浩瀚的知识海洋中多停留片刻，撷取几朵浪花，我姑且把时空的尺度截为三段，以便于表述：一是中观尺度，即我们最为熟悉的地球空间和人类历史；二是微观尺度，包含显微镜以下的隐形世界和分秒以下的精密时间；三是宏观尺度，包括地球以外的宇宙空间和亿年以上的地质年代。

02

中观尺度的空间先来说说我们最为熟悉的中观尺度。在空间范围上看，从我们的居所，到我们的城市、国家，最终到包括整个地球表面，最小的尺寸可以看成是学生直尺上的毫米刻度，最大的尺寸是地球赤道长度约40000公里，这也是毛主席诗词中所谓“坐地日行八万里”的出处。地球表面积约为5.1亿平方公里，看起来是个庞大的数字，但是刨去71%的海洋，陆地面积只有约1.5亿平方公里，除以当下的世界人口80亿，每个人平均0.02平方公里，这就人人平等下的极限空间。当然，如果你愿意住得高一点，比如住在珠峰上，按照我们国家2020年最新的地理测绘成果，高程为8848．86米，那你可以多占点地方。或者你选择住在海洋最深处11000米左右的马里亚纳海沟，就是压力有点大，大概是地面大气压的1100倍。再不行，你还可以考虑生活在空中。按照国际航空联合会的定义，距离地面100km的“卡门线”被认为是地球大气层与太空的分界线。卡门线以下就是我们熟悉的地球世界。

其中，对流层主宰着我们的风霜雨雪，以及坐飞机时的颠簸起伏。所以在长途飞行中，我们一般会选择飞得高一点，进入平流层，这样就舒服多了，另外臭氧层这个生命的保护伞也在平流层里。如果再高一点，进入中间层，也许你有希望看到更加壮观的流星雨，因为进入地球大气层的大部分流星会在这里被摩擦燃尽而免于砸到地球。一旦越过了卡门线，由于大气过于稀薄，飞机无法进行正常的飞行。这时飞行员将变身为航天员，飞行器发动机燃烧所需的氧气，也不能指望从周围空气中免费获得，而要出发时就随身携带了。关于中观尺度的这些信息，现在只要你动动手指，便很容易在网络上获得。但是古往今来，人类为了获得这些地理数据，不知道发出了多少天问，不知道耗费了多少心力。远古的人们，为了耕种已经开始丈量土地，测绘距离，并在兽皮上手绘地图，指示方位。但是对于更大的空间尺寸、更加准确的长度计量，还需要求助于天上的日月星辰。公元前3世纪，希腊人埃拉托色尼偶然发现，在夏至的正午时分，太阳光正好直射入赛伊尼城里的一口深井中。于是他便利用这个太阳直射当地（北回归线）的特殊时刻，在其北侧800公里的亚历山大城，测量了太阳光线与地面的夹角，推算出了地球的周长，并第一次用实测证实了“地圆说”的理论，被后世尊为“地理学之父”。

到了公元2世纪，著名地理学家托勒密将地理测绘技术向前推进了一大步，他研制了星盘、角距测量仪等工具，出版了划时代意义的《地理学指南》，奠定了西方地理学的基础。随后的西方地理学发展似乎乏善可陈，尤其是进入中世纪在神学统治下还出现了倒退。但与此同时，在古代东方，我们的先人却用智慧书写下可圈可点的精彩篇章。大约比托勒密晚100年的魏晋名臣裴秀，是中国科学制图领域的开山鼻祖，他总结提出了“制图六体”的理论，也就是绘制地图时必须遵守的六项原则，包括分率（比例尺）、准望（方位）、道里（距离）、高下（地势起伏）、方邪（倾斜角度）、迂直（河流、道路的曲直），影响了我国后世千年的地图测绘工作。为了纪念他的功绩，联合国天文组织将月球正面的一座环形山用他的名字命名。随后的历朝历代都有地理学名家，其中宋代的百科全书式人物——沈括凭借科学精神和实地考察，发现了地磁偏角现象，并据此改进了指南针，他测绘了大量中国地图，还曾用地图化解了一次宋辽边界冲突。到了元代，成果更加卓著的郭守敬出场了。他最早在世界上提出了海拔的概念，并在全国建立了二十多个大地观测点，其中就包括登封观星台，2010年，《登封 “天地之中”历史古迹》被联合国科教文组织列入“世界文化遗产名录”。

他通过改良传统观天仪器浑仪，创制了更为便捷准确的简仪，还主持凿通了京杭大运河最北端的通惠河，所以他的纪念馆就坐落在今天的什刹海。鉴于他功劳之大，国际上给予的纪念奖励，不仅有月球环形山的命名，还额外送了一颗小行星的命名。同时期的西方，进入了大航海时代，现代科学技术开始在地理测绘领域大放异彩。16世纪，地图学家墨卡托发明了等角正轴圆柱投影——也称墨卡托投影。以地轴方向作为平行线，将地球展开成一个圆柱，再将圆柱展开成平面，便很好的解决了球形地表投影成平面地图的问题，最妙的是这种地图没有角度的变形，显示的地理方位跟真实一样，广受航海家的欢迎，也是我们今天在网络上最为常用的电子地图模型。

但是墨卡托投影也有一个显而易见的问题，越靠近南北极的区域被拉伸变形的越大，于是就出现了北欧的格陵兰岛看来与非洲的面积差不多（后者实际面积是前者10倍以上）的怪事，与之相类似的俄罗斯、加拿大看起来也比实际的更大，希望大家在查阅地图时不要被误导。到了17世纪，荷兰天文学家斯涅尔首创了三角测量法，成为测量学中应用最广泛的技术。它的基本原理就是我们都学过的三角函数，已知A、B两个测站之间的距离，想要获得河对岸树C的位置，只需要分别测出AB与AC的夹角，AB与BC的夹角，然后就能算出C到A、B的距离，这样就有效的解决了难以抵达位置的测量问题。今天我们很多的大地基础测量还是基于这样一种方法。

大约与斯涅尔同时期，明代大臣徐光启敏锐的意识到西方科技的进步，他最早引入了西方的数学、天文学和测绘学知识，并翻译了《几何原本》，今天我们所熟悉的点、线、面和几何这些名词全部都是他的发明。他将西方近代的科学理论与中国测绘传统进行了深入的结合，从此东西方文明的历史时空得以全面的交汇，人类共同生存的地球空间被精准而完整的反映在地图之上。运用融汇中西的测量技术，康熙大帝在清朝初年亲自组织了《皇舆全览图》的测绘，如此大规模的全国大地测量在当时世界上实属罕见，通过测量还发现了高纬度的东北地区比低纬度的华北地区每度经线对应的弧长更长，比欧洲更早地证实了牛顿所提出的“地球扁圆论”。至此，传统大地测量技术已经逼近了理论精度的极限。到了19世纪，随着第三次科技革命，以全球导航定位系统、甚长基线干涉测量、卫星激光测距为代表的新技术，又开创了空间测绘的新纪元，让我们真正实现了小小乾坤、尽在掌握。关于空间的故事，至此暂时告一段落，再来回过头看看时间。

03

中观尺度的时间时间与空间最大区别在于，它是单向的，如同江河奔海，我们只能义无反顾向前，却难以回到过去。因此时间对应着生命的流逝，把握时间就是把握生命。古人很早就利用大自然获取时间，以太阳的东升西落为一天，以月亮的阴晴圆缺为一月，以候鸟的秋去春来为一年。这种用自然现象定义时间单元的传统一直持续到今天。但是仅靠简单的日常观察来获取时间还远远不够，古代人民发明了更加精确的计时工具，主要分为两大类，一类通过观察规律运行的天体进行计时，另一类是找到能确定时间的事件，使它们重复发生，累积进行计时。前者最为典型的就是日晷。全世界各地的人们都不约而同地发明了日晷，根据所在地区的纬度不同，在晷面上为太阳照射晷针投下的影子标记好对应的时间刻度，这样就可以用影子当指针，纪录下光阴的流逝。我国常用的日晷主要是赤道式日晷和地平式日晷两种。前者使用时，将晷针上端指向当地的北极方向，晷面与赤道面保持平行，也就与地面形成一定的夹角，这个夹角就是当地的纬度。

这样小小的日晷就模拟了一个地球，从春分到秋分的这前半年，太阳直射北半球，因此晷针的影子都会落在日晷的上面；从秋分到春分的这后半年，正好相反，需要使用日晷的背面来读出时间。地平式日晷则是将晷面平放在地面上，将晷针倾斜，这样使用时更加方便，但是晷面刻度就是不均匀的。

上述的观象授时，是古人计时的基本遵循。但是这种计时方式不容易精确到分钟，也没法满足夜间计时的需要。于是另一类累积计时的方法被不断发明出来，比如铜刻漏、碑漏和时辰香。铜刻漏，是利用水滴掉落的固定频率来计时。特别值得一提的是，在使用过程中，古人已经发现随着水位降低，受压强下降的影响，水滴的速度会变慢，于是在传统的滴水壶和接水壶基础上进行了改良，巧妙地在滴水壶的上方再设置两个滴水壶，这样就能保证最下方滴水壶的水位相对稳定，出水均匀，计时准确。

碑漏是很有中国特色的计时器，“之”字形的铜管轨道被巧妙的隐藏在木制碑体里，金属小球从碑顶投入，正好花费24秒钟，滚至碑底，敲响出口处的铜铙。如此往复，36个金属球连续滚落，敲击36下，为1刻钟。3600个金属球的下落时间正好对应24小时，从而实现计时功能。

时辰香就更容易理解了，古代武侠剧中的一炷香时间，是可以发生不少故事的，根据时辰香的形状有各式各样的名字，也对应着不同计时区间。其实在国外也有类似通过油灯燃油量来计时的方法。到了近代的14~16世纪，西方诞生了重锤驱动的机械钟和发条弹簧驱动的表，也是我们今天所使用钟表的雏形。进入20世纪，美国工程师莫里森发明了石英表，利用石英晶体的震动频率来计时，让手表变得更加小巧而精准，成为普通人都可以享用的计时工具，大家再也不用每天定时收听广播来校对钟表时间，真正实现了时间自由。截止目前，全世界最为准确的计时工具是铯原子钟，这是利用原子的特征振动频率来计时。根据1967年国际计量大会的决定，将铯133原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射周期 9,192,631,770倍所持续的时间定义为1秒。这标志着人类彻底摆脱了对天文计时的依赖，进入了原子计时时代。但是，光有准确的计时工具，还不能满足越来越复杂的人类活动。不同人群之间的相互交流，需要有一套共同约定的时间计量体系，这便是历法诞生的源头。从古至今，人类采用的历法主要包括阳历、阴历和阴阳合历三大类。阳历中最为典型的代表，就是我们现在通用的公历，它经历了从儒略历到格里高利历的演变。儒略历是西方历法的基础，是罗马帝国执政官凯撒在埃及太阳历的基础上制定的。它最大的特点是采用4年1润的方法来弥合年与日之间的时间误差。根据现代的精确测量，地球绕太阳一周的时间是365.2422天。古代埃及的太阳历便将1年定义为365天，但是与实际相差的这不到1/4天，如果不做处理，日积月累，100多年后就会相差1个月。于是凯撒规定，每4年中就要设置1个闰年，在2月份多加1天，这样平均算下来每年的时间为365.25天，比较接近实际情况。但是这么一加，比真实的时间又略微多了一点点。于是到了1500多年之后，这个误差的累积已经达到10天。罗马教皇格里高利为了解决这个误差问题，于1582年颁布了新历法，人们称为格里高利历。新历法在儒略历的基础上，又规定每逢百年只有能被400除尽的年份才设为闰年，这样每四百年中，格里高利历比儒略历就减少3个闰年，与实际时间更加接近，3000年才有1天左右的误差，算是基本上解决了时间偏差的问题，于是成为了全世界通用并流行至今的历法。阴历的典型代表就是伊斯兰历，只根据月相变化来确定1个月的时间周期。一年设12个月，单数月30天，双数月29天。以30年为一个周期，其中有11年是闰年355天，另外19年是平年354天，不去弥合月与年之间的时间误差，简单易行。但这样带来问题是，按月计算的年与真实年时间相差10天左右，每年的新年和斋月等重要活动的日期会不停的变化，时而在冬天，时而在夏天。最后来说一下阴阳合历，最典型的代表就是我们中国的农历。很多人一直认为，公历是阳历，农历是阴历。实际上，我们的农历从汉武帝时的太初历，经历南北朝祖冲之的大明历，再到郭守敬的授时历，以及明末的时宪历，始终都将太阳和月亮的运行周期共同纳入其中。农历之所以给大家留下阴历的印象，主要在于现代人忽视了农历中对24节气的记述。农历其实内含了两套计时系统。一套是观察太阳在天空中的运行轨迹，于正午时分“立竿测影”，日影最长那天就是冬至，两个冬至之间的时长就是1年。再根据太阳运行到不同位置，细分为24节气，每个节气14~16天不等，可以灵活设置来弥合年与日的时间误差。

这一套时间体系在古代极为重要，它是依据太阳运行划分的，有显著的阳历特征，又因为始终契合四季的变化，是古代人指导农业生产的主要依据。2016年，联合国教科文组织将“二十四节气——中国人通过观察太阳周年运动而形成的时间知识体系及其实践”定为人类非物质文化遗产。另一套计时系统是观察月相的变化，新月出现的时刻称为“朔”，满月出现的时刻称为“望”，以此来确定农历月的初一和十五，具有显著的阴历特征。中国人自古对月亮情有独钟，传统重要节日除了清明和冬至以外，几乎全都设置在这套时间系统上，也是大家在看农历时主要关注的时间内容。为了弥合阴历普遍存在的每年10天左右的误差，古代先人创造性地采用闰月的方法，以十九年为周期，设置七个闰月。这样在继续保持了月相对应周期的同时，克服了与年的周期误差。这两套计时系统分别运行，但又相互联系。每年初，先根据太阳位置定下节气的起点，再根据月相定下月份的起点。然后规定冬至所在的月定义为十一月（古称冬月），又规定第一个没有中气（二十四节气中序号为偶数的那些节气）的月份要设置为闰月（继续采用上个月的天数）。这样一年中的月份和日子都确定下来，最后将正月的初一定为一年的开始。我国的农历，既有阴历的特点——能够反映月相的变化，便于掌握潮汐等自然现象，又有阳历的特点——能够反映四季的更替，便于跟踪农时开展生产。集阴阳历之大成，体现了中华文化阴阳调和的价值观。当然农历也有缺点，就是过于复杂，老百姓是很难自己推定时间的。在古代中国，颁布历法是一件至高神圣的事情，是国家和皇帝权威的重要体现。国家专门设置了掌管历法的机构，每年进行测定，并于岁末由皇帝亲自颁发下一年的日历。到这里，关于中观尺度的探讨先告一段落。由于篇幅所限，对于宏观尺度和微观尺度的讨论就留到下篇再述。最后推荐两个网站“天地图”，作为近年来国家在地理信息测绘领域成果的集中展示平台，内容涵盖国内外的地理信息，同时延伸到生产生活方方面面的数据，至少当你需要寻找高清地图时可以去翻翻。“全历史”，内容涵盖古-今-中-外的“历史”和“文化”知识点，想对历史知识有个初步了解，应该是不用买别的书了。

什么是海洋测量学 -海洋测量包括哪些内容和方法

您看了很久哦，登陆下吧！