無人機，上！給世界最大高原懸湖做體檢
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九寨溝、五大連池、鏡泊湖……這些風景如畫的湖泊其實都有一個共同的名字：堰塞湖。
堰塞湖是由火山熔岩流，冰磧物或由地震活動使山體岩石崩塌等原因引起山崩滑坡體等堵截山谷，河谷或河床後貯水而形成的湖泊。上述提到的
大部分堰塞湖自然形成後一直相安無事，但也有個別的堰塞湖因形成的地質結構比較複雜，導致局部堤壩的礫石不太穩定，埋有潰決隱患，一旦壩體決口會對下游形成洪峰，處置不當會引發重大災害。
世界最高天然大壩——塔吉克薩雷茲湖烏索伊大壩
那麼，怎麼處置高危的堰塞湖？首先要摸清隱患所在！下面我們就去看看中國科學院的專家們是怎麼給堰塞湖做體檢的。
塔吉克的世界懸湖
塔吉克的穆爾加布河谷曾於1911年2月18日發生7.4級大地震，導致海拔4500米山體下滑1800米，位於河谷的薩雷茲村遭遇滅頂之災，形成的
堰塞體被稱為烏索伊（Usoi）大壩，是世界上壩體最高、體積最大的天然大壩。大壩堵塞河道後河水積聚起來，形成了現在的薩雷茲湖，也是世界最大高原懸湖
。在堰塞體下有一條長2千米，深30-35米的出水口，流向下游形成巴爾坦格河。如今，湖最深處已逾500米，淡水蓄量豐富，超過17億立方米。
圖中紅色為薩雷茲堰塞湖烏索伊大壩
帕米爾高原是地震活躍帶，近年來因地震及其他原因引發薩雷茲湖岸山岩崩塌現象時有發生，所幸強度不大，沒有引發大災難，但是塔吉克等中亞國家乃至國際社會對薩雷茲湖再釀人間悲劇的擔憂與日俱增。
目前，湖區右岸沿著穆茲科爾山脈有一條長2千米的構造裂縫，如果山體崩塌就將導致洪水下瀉，十幾分鐘內即可摧毀數百平方公里內的村莊。
堰塞體下有成一條長2千米，深30-35米的出水口
據地震學家研究，再次發生類似1911年大地震的間隔期為80至120年，目前已有進入地震活躍期的跡象。地震可能會導致自然湖堤大壩決口，
薩雷茲湖一旦出現問題，受害的不僅是塔吉克，還有下游沿岸的阿富汗、烏茲別克、土庫曼等國共600多萬人口，這將是一場國際生態大災難。
薩雷茲湖一直是塔吉克歷屆政府和聯合國等國際組織重點關注的國際生態問題，2016年聯合國秘書長前往薩雷茲湖進行了考察。薩雷茲湖的安全問題急需國際援助。
給薩雷茲湖做「全身體檢」
中塔雙方於2017年聯合啟動了薩雷茲堰塞湖無人機監測預警項目，由中國科學院新疆生態與地理研究所無人機團隊與塔吉克科學院、塔吉克緊急情況與民防委員會組成聯合考察隊，對薩雷茲湖烏索伊壩區執行航拍和實地考察。
執行薩雷茲湖無人機航拍的團隊
「前蘇聯曾對薩雷茲湖做過相關的調查研究，但沒有一個權威的說法。蘇聯解體以後已近30年了，沒有人去做這方面相關的系統研究，薩雷茲湖到底是可靠還是不可靠，可能潰壩還是不可能潰壩，誰也說不清楚，各種專家的觀點分析依據都是憑50年前的數據，」中科院中亞生態與環境研究中心比什凱克分中心主任李耀明研究員指出，「比如要弄清楚從上游每年直流進湖多少水量，出水多少水量，這要建立一個系統的工作來進行逐項研究。所以
我們首先採取無人機對薩雷茲堰塞湖進行監測，獲取高精度地形數據，搜集水文氣象，冰川變化，山體裂縫等各種參數
。」由於特殊的中亞地理位置，薩雷茲湖被塔國設為戰略禁區，而航拍任務計劃區域的湖面平均海拔3268米，群山環抱，山體平均海拔4800米，北高南低，最高峰海拔5500米，距湖岸3公里。山區自然環境複雜，交通條件惡劣，阻礙人員和設備車輛無法抵近，要在這樣的險峻環境進行無人機航拍和科研活動談何容易。塔方高度重視此次聯合調查，調派軍方直升機穿越山谷，把無人機團隊以及各種設備空降至湖區，為科考創造了必要的條件。
科考人員和航拍器材通過塔國軍方直升機空降湖區
無人機出馬大顯身手
眾所周知，無人機（固定翼型、多軸旋翼型）已被廣泛用於城市管理、農業監管、地質普查、氣象觀測、警方巡察等領域。為了有效開展科研活動，新疆生地所也不例外地建立了無人機生產、飛控數據採集的一條龍團隊。
筆者在「車間」裡面看到集聚了各種大小的無人機成機以及機翼等零部件，儼然是座微型「飛機製造廠」。一架剛裝配完成的無人機主要由飛控、動能、圖像採集傳輸系統等關鍵部件組成。
新疆生地所航空遙感實驗室的無人機車間
為確保薩雷茲湖壩體的航拍任務，該無人機團隊從去年初開始準備，在國內的高原進行了多次飛行測試，擬定了多套飛行方案，準備了兩套固定翼無人機航拍設備和兩架四旋翼無人機航拍設備。固定翼無人機執行主要的航拍任務，旋翼無人機執行輔助性的視頻採集任務。
固定翼無人機優異性能體現在抗干擾能力強、抗風性好、續航時間長，沒有限高制約，作業效率高。
執行薩雷茲湖航拍任務的固定翼無人機
「因旋翼無人機抗干擾性差，尤其山區氣象條件多變，並且旋翼無人機續航力也十分有限，在空中難以滯留很長時間，而採用固定翼無人機來進行航拍優勢明顯。」 趙峰工程師介紹說，從以往的飛行經驗來看，高海拔飛行的難點在於起飛階段，需要合適的爬升率和充足的動力。在國內高原測試時，就針對性的改裝了執行此次任務的無人機，更換了大功率的動力電機，優化了螺旋槳的規格尺寸，做了充分的實驗測試，以應對高海拔空氣密度低造成的動力下降的問題。
薩雷茲湖將有高清三維模型
執行薩雷茲堰塞湖無人機航攝的飛行團隊負責人王偉勝介紹，此次無人機飛行航拍任務，完成20厘米的正射航拍面積70平方公里，航向重疊率80%，旁向重疊率80% ，平均航拍高度為海拔5000米，共計拍攝1513張相片，完成以大壩為主體的10厘米傾斜航拍面積10平方公里，航向重疊率85%，旁向重疊率85% ，拍攝高度為海拔3800米，共計拍攝2109張相片，獲取了首批高精度地理空間數據。
航拍區域紅色為20厘米正射飛行區，黃色部分為10厘米傾斜飛行區
航拍數據經過處理，生產出薩雷茲湖20厘米正射影像圖，覆蓋完整的烏索伊大壩、部分湖面、出水口以及周圍的山體，這為後續製作湖區和壩體的三維模型，採集到完整的數據鏈。據悉，中方提交的研究成果得到了塔國總統的高度評價。
高精度的航拍地理數據對烏索伊大壩的災害安全、薩雷茲湖工程地質、水文地質、地球物理、地圖繪製等相關的研究工作具有重大意義。
王偉勝在解釋建立三維模型意義時指出，高精度地表三維數據的獲取是攝影測量與遙感領域的前沿課題，直接為烏索伊大壩的災害安全、災害預防和評估、壩區工程建設、環境評價和環境保護、水資源評價等提供科學依據，未來該地理區域的幾乎所有科研工作都會從中得益，具有廣泛且重大的科學意義。結語
我國通過開展塔吉克薩雷茲湖無人機監測，將拓展與『一帶一路』沿線國家塔吉克在生態環境監測領域的交流與聯繫，共同促進雙方生態環境領域的合作與地區可持續發展，為塔吉克政府解決薩雷茲湖生態安全問題提供新方法新思路。
中方科研人員介紹無人機
今年9月27日，中科院無人機應用和管控研究中心在塔吉克首都杜尚別向新近成立的中塔無人機研究中心贈送了10架固定翼無人機，以幫助塔方在災害應急、資源監測、邊境巡控、國土測量等領域對無人機的應用與人員的培訓。它既是 「一帶一路」沿線國的一項惠民舉措，同時也有助於國際社會關注薩雷茲湖災情的科學監控。
（本文照片由中國科學院新疆生態與地理研究所提供）
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作者單位：中科院科技攝影聯盟
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