无人机，上！给世界最大高原悬湖做体检

作者：谢震霖（中科院科技摄影联盟）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

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九寨沟、五大连池、镜泊湖……这些风景如画的湖泊其实都有一个共同的名字：堰塞湖。

堰塞湖是由火山熔岩流，冰碛物或由地震活动使山体岩石崩塌等原因引起山崩滑坡体等堵截山谷，河谷或河床后贮水而形成的湖泊。上述提到的大部分堰塞湖自然形成后一直相安无事，但也有个别的堰塞湖因形成的地质结构比较复杂，导致局部堤坝的砾石不太稳定，埋有溃决隐患，一旦坝体决口会对下游形成洪峰，处置不当会引发重大灾害。

世界最高天然大坝——塔吉克斯坦萨雷兹湖乌索伊大坝

那么，怎么处置高危的堰塞湖？首先要摸清隐患所在！下面我们就去看看中国科学院的专家们是怎么给堰塞湖做体检的。

塔吉克斯坦的世界悬湖

塔吉克斯坦的穆尔加布河谷曾于1911年2月18日发生7.4级大地震，导致海拔4500米山体下滑1800米，位于河谷的萨雷兹村遭遇灭顶之灾，形成的堰塞体被称为乌索伊（Usoi）大坝，是世界上坝体最高、体积最大的天然大坝。大坝堵塞河道后河水积聚起来，形成了现在的萨雷兹湖，也是世界最大高原悬湖。在堰塞体下有一条长2千米，深30-35米的出水口，流向下游形成巴尔坦格河。如今，湖最深处已逾500米，淡水蓄量丰富，超过17亿立方米。

图中红色为萨雷兹堰塞湖乌索伊大坝

帕米尔高原是地震活跃带，近年来因地震及其他原因引发萨雷兹湖岸山岩崩塌现象时有发生，所幸强度不大，没有引发大灾难，但是塔吉克斯坦等中亚国家乃至国际社会对萨雷兹湖再酿人间悲剧的担忧与日俱增。

目前，湖区右岸沿着穆兹科尔山脉有一条长2千米的构造裂缝，如果山体崩塌就将导致洪水下泻，十几分钟内即可摧毁数百平方公里内的村庄。

堰塞体下有成一条长2千米，深30-35米的出水口

据地震学家研究，再次发生类似1911年大地震的间隔期为80至120年，目前已有进入地震活跃期的迹象。地震可能会导致自然湖堤大坝决口，萨雷兹湖一旦出现问题，受害的不仅是塔吉克斯坦，还有下游沿岸的阿富汗、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦等国共600多万人口，这将是一场国际生态大灾难。

萨雷兹湖一直是塔吉克斯坦历届政府和联合国等国际组织重点关注的国际生态问题，2016年联合国秘书长前往萨雷兹湖进行了考察。萨雷兹湖的安全问题急需国际援助。

给萨雷兹湖做“全身体检”

中塔双方于2017年联合启动了萨雷兹堰塞湖无人机监测预警项目，由中国科学院新疆生态与地理研究所无人机团队与塔吉克斯坦科学院、塔吉克斯坦紧急情况与民防委员会组成联合考察队，对萨雷兹湖乌索伊坝区执行航拍和实地考察。

执行萨雷兹湖无人机航拍的团队

“前苏联曾对萨雷兹湖做过相关的调查研究，但没有一个权威的说法。苏联解体以后已近30年了，没有人去做这方面相关的系统研究，萨雷兹湖到底是可靠还是不可靠，可能溃坝还是不可能溃坝，谁也说不清楚，各种专家的观点分析依据都是凭50年前的数据，”中科院中亚生态与环境研究中心比什凯克分中心主任李耀明研究员指出，“比如要弄清楚从上游每年直流进湖多少水量，出水多少水量，这要建立一个系统的工作来进行逐项研究。所以我们首先采取无人机对萨雷兹堰塞湖进行监测，获取高精度地形数据，搜集水文气象，冰川变化，山体裂缝等各种参数。”

由于特殊的中亚地理位置，萨雷兹湖被塔国设为战略禁区，而航拍任务计划区域的湖面平均海拔3268米，群山环抱，山体平均海拔4800米，北高南低，最高峰海拔5500米，距湖岸3公里。山区自然环境复杂，交通条件恶劣，阻碍人员和设备车辆无法抵近，要在这样的险峻环境进行无人机航拍和科研活动谈何容易。塔方高度重视此次联合调查，调派军方直升机穿越山谷，把无人机团队以及各种设备空降至湖区，为科考创造了必要的条件。

科考人员和航拍器材通过塔国军方直升机空降湖区

无人机出马大显身手

众所周知，无人机（固定翼型、多轴旋翼型）已被广泛用于城市管理、农业监管、地质普查、气象观测、警方巡察等领域。为了有效开展科研活动，新疆生地所也不例外地建立了无人机生产、飞控数据采集的一条龙团队。

笔者在“车间”里面看到集聚了各种大小的无人机成机以及机翼等零部件，俨然是座微型“飞机制造厂”。一架刚装配完成的无人机主要由飞控、动能、图像采集传输系统等关键部件组成。

新疆生地所航空遥感实验室的无人机车间

为确保萨雷兹湖坝体的航拍任务，该无人机团队从去年初开始准备，在国内的高原进行了多次飞行测试，拟定了多套飞行方案，准备了两套固定翼无人机航拍设备和两架四旋翼无人机航拍设备。固定翼无人机执行主要的航拍任务，旋翼无人机执行辅助性的视频采集任务。

固定翼无人机优异性能体现在抗干扰能力强、抗风性好、续航时间长，没有限高制约，作业效率高。

执行萨雷兹湖航拍任务的固定翼无人机

“因旋翼无人机抗干扰性差，尤其山区气象条件多变，并且旋翼无人机续航力也十分有限，在空中难以滞留很长时间，而采用固定翼无人机来进行航拍优势明显。” 赵峰工程师介绍说，从以往的飞行经验来看，高海拔飞行的难点在于起飞阶段，需要合适的爬升率和充足的动力。在国内高原测试时，就针对性的改装了执行此次任务的无人机，更换了大功率的动力电机，优化了螺旋桨的规格尺寸，做了充分的实验测试，以应对高海拔空气密度低造成的动力下降的问题。

萨雷兹湖将有高清三维模型

执行萨雷兹堰塞湖无人机航摄的飞行团队负责人王伟胜介绍，此次无人机飞行航拍任务，完成20厘米的正射航拍面积70平方公里，航向重叠率80%，旁向重叠率80% ，平均航拍高度为海拔5000米，共计拍摄1513张相片，完成以大坝为主体的10厘米倾斜航拍面积10平方公里，航向重叠率85%，旁向重叠率85% ，拍摄高度为海拔3800米，共计拍摄2109张相片，获取了首批高精度地理空间数据。

航拍区域红色为20厘米正射飞行区，黄色部分为10厘米倾斜飞行区

航拍数据经过处理，生产出萨雷兹湖20厘米正射影像图，覆盖完整的乌索伊大坝、部分湖面、出水口以及周围的山体，这为后续制作湖区和坝体的三维模型，采集到完整的数据链。据悉，中方提交的研究成果得到了塔国总统的高度评价。

高精度的航拍地理数据对乌索伊大坝的灾害安全、萨雷兹湖工程地质、水文地质、地球物理、地图绘制等相关的研究工作具有重大意义。王伟胜在解释建立三维模型意义时指出，高精度地表三维数据的获取是摄影测量与遥感领域的前沿课题，直接为乌索伊大坝的灾害安全、灾害预防和评估、坝区工程建设、环境评价和环境保护、水资源评价等提供科学依据，未来该地理区域的几乎所有科研工作都会从中得益，具有广泛且重大的科学意义。

结语

我国通过开展塔吉克斯坦萨雷兹湖无人机监测，将拓展与‘一带一路’沿线国家塔吉克斯坦在生态环境监测领域的交流与联系，共同促进双方生态环境领域的合作与地区可持续发展，为塔吉克斯坦政府解决萨雷兹湖生态安全问题提供新方法新思路。

中方科研人员介绍无人机

2018年9月27日，中科院无人机应用和管控研究中心在塔吉克斯坦首都杜尚别向新近成立的中塔无人机研究中心赠送了10架固定翼无人机，以帮助塔方在灾害应急、资源监测、边境巡控、国土测量等领域对无人机的应用与人员的培训。它既是 “一带一路”沿线国的一项惠民举措，同时也有助于国际社会关注萨雷兹湖灾情的科学监控。

（本文照片由中国科学院新疆生态与地理研究所提供）