IceMap GPR 系统的典型和非典型应用

摘要：IceMap GPR 系统已用于绘制北部地区冰层厚度图 20 多年，但在这段时间里，创新的客户发现了该技术的其他有趣应用。

传感器和软件 IceMap 系统使用探地雷达 (GPR) 技术测量和绘制加拿大和美国北部地区冬季道路用的冰冻湖泊和河流的冰厚。

IceMap 最初于 2011 年推出，此前该公司与加拿大西北地区交通部密切合作了数个冬季。在过去 20 年中，GPR 技术彻底改变了安全修建、监控和关闭冰路的程序。这包括提供高密度、准确的冰厚度测量以改进冰重容量计算，并帮助尽可能安全地延长冰路季节。

IceMap 的一个典型应用是监测冰层以寻找冰“桥”。顾名思义，冰桥是一条横跨河流的短冰路。在偏远地区建造永久性桥梁通常不切实际，但冰桥提供了一条捷径，可以在冬季节省大量时间和运输成本。

阿尔伯塔省拉克雷特附近的和平河上就有一座这样的冰桥 （图 1a） 。在温暖的月份，这里是渡口，但每年冬天，都会修建一座 700 米（0.5 英里）的冰桥，以节省车辆穿越该地区的时间。最近的横跨和平河的永久性桥梁位于 75 公里外的弗米利恩堡 （图 1b），但公路距离为 100 公里（60 英里）。

图1a

这座宽 700 米的冰桥横跨阿尔伯塔省拉克雷特附近的和平河，可以节省前往最近永久性桥梁 100 公里（60 英里）的车程。

图1b

每年冬天，艾伯塔省北部的皮斯河上都会修建一座 La Crête 冰桥，这样就无需驾车 100 公里（60 英里）前往弗米利恩堡 (Fort Vermillion) 最近的道路桥。

延时视频 数字1c 和 1d 冰层厚度从 40 月初到 170 月底不断增加，厚度从约 XNUMX 厘米增加到 XNUMX 厘米以上。冰层越厚，承载能力就越强，可以承载更重的卡车。

虽然 IceMap 是为测量结冰道路和桥梁上的冰厚度这一特定应用而设计的，但多年来，我们已让客户将 IceMap 用于我们在最初开发它时从未想过的其他应用。下面概述了其中一些应用。

探测冰层

“搁浅冰”是指冰冻至水体底部。搁浅冰对结冰道路来说是一件好事，原因有二：1）搁浅冰不需要像浮冰那样设计到一定厚度，因为它有底部支撑；2）从安全角度来看，如果冰搁浅，车辆就不会有穿过冰层进入深水的危险。

幸运的是，由于物理条件良好，IceMap 通常可以轻松探测到冰层覆盖的区域。这是因为浮在水面上的冰层底部的反射率要高得多（K_冰 3，K_水 = 80, R = 0.68) 比冰冻结到水体底部的沉积物或岩石时 (K_冰 3，K_岩石 = 5，R = 0.13）。反射率的这种差异使得地面冰层区域在 GPR 数据中脱颖而出 （图 2a）. 将 GPS 集成到 IceMap 系统中；使用 EKKO_Project 软件添加点解释后，可以在 Google Earth 上绘制接地冰的位置 （图 2b）.

图2a

IceMap 数据图像显示了由“搁浅”冰引起的低振幅反射，其中冰已冻结到水体的底部，因此不再漂浮在水面上。

图2b

Google Earth 图像显示了 IceMap 调查的路径（绿线）和接地冰的位置（红点）。

分析冰质

冰的承重能力测量基于“纯”冰。如果冰中嵌入了“污染物”，例如气泡、水泡、有机物、内部未冻结层 （图 3a），它就不再纯净了，并且会影响冰的承重能力。

图3a

含有气泡、水泡、有机物、雪泥层等污染物的冰会降低冰的承重能力。即使冰完全被雪覆盖，IceMap 也可用于检测嵌入冰中的物体。

当马尼托巴基础设施分析他们的 IceMap 数据时，他们专门寻找与降低冰质量的材料相关的内部反射器。纯冰是一种均质材料，这意味着材料之间没有对比来引起 GPR 反射 （图 3b 右）。但是，如果冰中有内部物体或层，GPR 通常可以检测到这些 （图 3b 左）.

在下面的例子中，马尼托巴基础设施部门非常谨慎地重新规划了冰路，以避开含有内部污染物的冰，因为这可能会危及冰上的安全。

图3b

IceMap 数据图像（左）显示了许多内部反射，这被解释为冰中滞留的气泡，这可能会降低冰的承重能力。因此，冰路被重新规划为一条没有内部反射器的路径（右）。

完整内容请参见： https://www.sensoft.ca/blog/evaluating-ice-road-quality-icemap/

水库容量计算

冰岛的一位 IceMap 客户使用该系统测量大片集水区的积雪厚度，以改进预计流入当地水库的水量的计算 （顶部照片 和 图4）：

IceMap 用于提供集水区的连续积雪数据，改进了传统的“点”测量方法，并增加了对积雪范围和冬季积雪量的了解。总共在陆地上调查了 65 个横截面，以评估集水区的积雪厚度和空间分布。IceMap 能够获取更高空间分辨率的水含量数据，从而对水力发电系统的运行做出更明智的决策。

图4

IceMap 是一款出色的工具，可以测量积雪厚度，有助于估算水力发电的水量。

完整内容请参见： https://www.sensoft.ca/wp-content/uploads/2016/01/2015-07-Subsurface-Views.pdf/

环境敏感区域的冰厚度

沼泽、泥沼和泥炭沼泽等湿地 （图 5a） 都是环境敏感区域，因此工作通常在冬季进行，因为此时区域处于冰冻状态，植物处于休眠状态，动物也处于冬眠状态。

图5a

北方湿地是环境敏感地区，建设项目常常被推迟到冬季。

一位客户使用 IceMap 测量冰层厚度，以确定冰层在不破坏湿地的情况下能够支撑的工程车辆的最大重量。

与上述关于冰质受嵌入材料影响的应用类似但更极端的是，湿地中的冰充满了有机物，由于 GPR 信号的散射和衰减，准确测量冰厚度变得更加困难。然而，通常可以看到冰反射器的底部 （图 5b）.

图5b

虽然冰中嵌入的有机物限制了 IceMap 信号的穿透深度，但冰边界的底部通常是一个强反射器。

检测冰层底部的水袋

此应用程序与上述使用 IceMap 查找地面冰的应用程序有点相反。在这种情况下，客户 Agnico Eagle Mining 需要找到液态水来钻探勘探孔 （图 6a）。问题在于，该勘探项目是在隆冬时节进行的，环境温度为 -40⁰C (-40⁰F)，因此所有当地水体都结冰了。

图6a

阿格尼科鹰矿业公司 (Agnico Eagle Mining) 使用早期的 IceMap 系统（左）在极冷的环境下寻找冰下的液态水袋，该地区的大部分冰都冻结到了湖底。水对他们的勘探项目至关重要。

幸运的是，IceMap 操作员了解 GPR 的物理原理，尤其是 IceMap GPR。浮在水面上的冰底部的反射率要高得多（K_冰 3，K_水 = 80, R = 0.68) 比冰冻结到水体底部的沉积物或岩石时 (K_冰 3，K_岩石 = 5，R = 0.13）。反射率的差异使得冰下的水区在 GPR 数据中脱颖而出 （图 6b）.

图6b

在这个 110 米长的横截面的大部分区域，冰层都冻结到了底部，这由微弱的边界反射显示出来。反射强度较大的区域是冰层下仍有水且尚未冻结到底部的位置。这些位置是为勘探钻探活动而钻探以获取水的位置。

我们喜欢看到客户在使用我们的 GPR 产品时展现的独创性。如果您有任何其他使用 IceMap 或任何其他 GPR 系统的示例，这些系统并非专门为这些应用而设计，但确实有效， 联系我们.

有关 IceMap 的更多信息，请参阅 IceMap 产品页面.

冰桥数据由艾伯塔省麦肯齐县提供
搁浅冰数据图像由 Lithogen Inc. 提供。
分析马尼托巴基础设施提供的冰质数据
IceMap 系统照片和积雪故事由冰岛 Landsvirkjun 提供
探测冰下水的数据和照片由加拿大 Agnico Eagle Mines Ltd 提供