Resumen: Debido a la descongelación estacional, la autopista de Qinghai-Tíbet tiene una depresión e inestabilidad del lecho de la carretera. Para obtener la interfaz de ablación y las características de contenido de agua de las áreas de permafrost estacionales, se utilizan ampliamente radares de penetración en tierra no destructivos que utilizan métodos de detección de ondas electromagnéticas. En cuanto a la toma de imágenes de la interfaz de ablación en regiones de permafrost, este documento propone un procedimiento de alta precisión para los medios de permafrost estacionales utilizando el análisis de la diferencia de forma de onda, el cálculo del atributo de atenuación de onda electromagnética y el cálculo de la onda relativa conversión de impedancia. Mejora la resolución y la precisión de la división de las imágenes. Además, el estudio demuestra un método para calcular la temperatura y el contenido de agua de la zona de ablación mediante el atributo de atenuación de minería, el atributo de impedancia de onda relativa, el atributo de amplitud instantánea absoluta y la frecuencia media ponderada parámetros de atributo bajo las restricciones de los datos medidos. Este método tiene alta precisión y alta eficiencia y se puede utilizar en el cálculo rápido de la temperatura y el contenido de agua del permafrost estacional en la carretera Qinghai-Tibet.
Palabras clave: GPR; Georadar; Radar penetrante de tierra; permafrost estacional; atributo de onda electromagnética; contenido relativo de agua.

1. Introducción

Varias rocas y suelos con temperaturas inferiores a 0 oC y que contienen hielo se conocen a menudo como suelos congelados. Según el momento en que el suelo está en un estado de congelación continua, el suelo congelado se divide generalmente en suelo congelado a corto plazo (horas a medio mes), permafrost estacional (medio meses a varios meses) y permafrost (de varios años a decenas de miles años). El permafrost de China se distribuye principalmente en la meseta Qinghai-Tíbet, el noreste de Daxing, Xiaoxing’anling, songnen Plain y algunas altas montañas en el oeste, con un área total de aproximadamente 2,07 x 106 km2, lo que representa el 21,5% de la superficie terrestre de China. El permafrost en la meseta Qinghai-Tíbet es el representante del permafrost a gran altitud en las latitudes bajas del mundo, con un área de distribución de aproximadamente 1,5 x 106 km2, que representa el 70% de la superficie total de permafrost en China.

El permafrost es extremadamente sensible a los cambios de temperatura, especialmente el permafrost a gran altitud, y los ligeros cambios de temperatura tienen un impacto significativo en la temperatura y la estabilidad de Permafrost. [2,3]. Según los datos de temperatura del agujero central a lo largo de la carretera Qinghai-Tíbet, se ha formado un núcleo de descongelación con un espesor de 2-7 m bajo la carretera Qinghai-Tíbet, y decenas de kilómetros de un “canal de descongelación” se ha formado bajo el lecho de la carretera a lo largo de la dirección longitudinal de la carretera. La mayor parte del núcleo de descongelación almacena agua durante muchos años, lo que resulta en un fuerte hundimiento desigual y daños en la superficie de la carretera [4,5]. Por lo tanto, la detección de la interfaz de descongelación estacional del permafrost, la temperatura de formación y el contenido de agua en el suelo son de gran importancia para juzgar la estabilidad y seguridad del proyecto vial. Además, también proporciona datos para la investigación sobre el calentamiento global.

A medida que cambian las estaciones y la temperatura, la constante dieléctrica y la conductividad del suelo en los suelos de permafrost estacionales cambian significativamente. La constante dieléctrica de la zona del suelo de permafrost estacional puede variar de 3 a 30. Estos cambios se reflejarán directamente en el campo de onda geofísica [6]. El radar de penetración en tierra (GPR) o Georadar utilizando el método de detección de ondas electromagnéticas ha sido ampliamente utilizado desde la década de 1990 debido a sus ventajas de ser rápido, de alta eficiencia y no destructivo [7].

[8,9] del Laboratorio de Investigación e Ingeniería En Frío de Ingeniería del Ejército de los Estados Unidos (CRREL) detectaron con éxito las aguas subterráneas por debajo del suelo congelado en masas de permafrost y rocas que existen dentro de la capa congelada permanente en Alaska usando GPR de 100 MHz y 50 (2008) utilizaron una combinación de GPR y profilometría de resistividad acoplada capacitivamente para examinar la distribución de cuerpos de hielo en capas congeladas de varios años en varias secciones de la isla Richards en el ártico canadiense occidental.

Xiao y Liu [10] utilizaron datos de radar de penetración en tierra de doble frecuencia (100 MHz y 400 MHz) para estudiar las interfaces en capas importantes, como la capa activa estacional y la superficie superior del suelo congelado. Estos estudios se centran principalmente en dos aspectos: 1) el tamaño, la forma y la distribución de los cuerpos de hielo en el permafrost; 2) la estructura estratificada del estado térmico. En el estudio del estudio del contenido de agua del suelo de permafrost utilizando datos de GPR, los estudiosos han propuesto muchas fórmulas de modelo teórico y empírico. Las fórmulas más famosas son: fórmula Topp, fórmula Malicki, fórmula Roth y fórmula Alharathi [11,12]. Du y Sperl propusieron un método para medir el contenido de agua del suelo utilizando datos de compensación comunes GPR [13]. Huisman [14] y otros utilizaron el método WARR para aplicar antenas de 225 MHz y 450 MHz respectivamente para determinar el contenido de agua del suelo en función de la pendiente de la onda de tierra. [15] mejoraron la fórmula Topp usando el atributo de factor de calidad instantáneo GPR para estudiar el contenido relativo de agua del suelo congelado. Sin embargo, estos estudios también tienen los siguientes problemas. En primer lugar, en el estudio del suelo de permafrost estacional en la meseta Qinghai-Tíbet, la división de diferentes capas de temperatura y capas de descongelación no es lo suficientemente elaborada, y sólo se utiliza el reflejo en fase de los datos de GPR. No se han analizado más atributos de datos GPR. En segundo lugar, hay pocos estudios sobre el uso de los datos de RCP para calcular el contenido de agua en el área del suelo congelado. El método de usar un solo atributo para el cálculo del contenido de agua no es lo suficientemente preciso y carece de restricciones.

Para resolver estos problemas, este estudio analizó exhaustivamente las características de los atributos de datos GPR en áreas estacionales del suelo de permafrost. Las imágenes precisas y la división estratigráfica del suelo congelado estacional en la meseta Qinghai-Tibet se llevan a cabo en términos de variación de forma de onda, atenuación de campo de onda y variación de impedancia de onda. Además, bajo la restricción del contenido de agua y los datos de temperatura, el modelo de medición del contenido de agua de la superficie del suelo congelado se reconstruyó utilizando exhaustivamente varios atributos sensibles a los datos GPR. Se calculó el contenido de agua y la temperatura de formación del área de medición.

2. Adquisición de datos
2.1. Sitio de prueba
El sitio de campo se encuentra en la carretera Qinghai-Tíbet, que está cerca del río Tuotuo, región de la meseta de Hoh Xil, centro de la meseta tibetana, China (N 34o10o, E 92o23o). El sitio de recolección de datos se encuentra en la autopista Qinghai-Tibet, 40 km al sur de la ciudad de Tanggula (Figura 1). El rango de cambio de temperatura con las estaciones es grande [16,17]. Afectada por la gran altitud, la temperatura media de la superficie en la zona es de 10-14 oC más baja que otras áreas en la misma latitud. Sin embargo, la temperatura libre en verano es 5-7 oC más alta que la temperatura en la misma llanura de latitud. La temperatura media anual en el área de estudio está por debajo de 0 oC, y la más baja es de 7.0 euros. La temperatura media en junio-septiembre es positiva durante el año, y la temperatura es negativa de octubre a mayo. La temperatura media en julio es la más alta, alrededor de 5.0–6.0 C, y la más baja en enero es de aproximadamente 20,0 a 16,0 oC [7]. Además, la construcción de carreteras en zonas de permafrost afecta al régimen térmico de los suelos congelados, lo que provoca la degradación del permafrost y los daños en la carretera [18]. Debido a las actividades de construcción artificial a largo plazo y al tráfico de vehículos, el permafrost estacional de descongelación en la carretera Qinghai-Tíbet es muy obvio. Debido a la heterogeneidad del medio de permafrost en la carretera Qinghai-Tíbet, la ablación estacional causó muchos colapsos y ondulaciones [7].

Figura 1. Mapa de ubicación del sitio de prueba.

2.2. Experimento de prueba y adquisición de datos
El sistema SIR-20 GPR (GSSI, Inc.) equipado con antenas de frecuencia central de 200 MHz se utilizó para realizar la adquisición de levantamiento de ruedas en el sitio de prueba. El diseño de la línea de medida se muestra en la Figura 2. Las líneas 1 a 6 están dispuestas a lo largo de la dirección de la carretera, con un espaciado de línea de 3 metros; las líneas 7 a 12 están dispuestas perpendiculares a la carretera, con un espaciado de línea de 2 metros. Debido a la anchura de la carretera, la línea 1 a 6 tiene 181 trazas, la línea 7 a 12 tiene 101 trazas. La ventana de tiempo de cada seguimiento es de 200 ns con 512 muestras. Usando la rueda de medición, utilizamos el modo de medición de distancia de desplazamiento cero. La Figura 3 muestra la distribución espacial de 12 líneas de datos.

2.3. Procesamiento experimental de datos
Con el fin de garantizar la calidad de los datos, realizamos análisis de espectro y análisis de capacidad de imagen en estos 12 datos GPR. Los datos se centran en 200 MHz. En el rango de frecuencia de 0 a 500 MHz, la energía de los datos es fuerte, asegurando la integridad espectral de su señal. Los datos originales recopilados por el experimento utilizan un modo de muestreo de distancia en el que la antena blindada se aproxima al desplazamiento cero. Los datos de amplitud de los datos originales se distribuyen entre 0-800 MHz y conllevan contaminación acústica de fondo (Figura 4a). Después de la supresión del ruido, la energía de amplitud se concentra principalmente en el intervalo de 50-400 MHz. Este resultado es consistente con las características de la señal de la antena con una frecuencia central de 200 MHz (Figura 4b). Además, debido a la pequeña influencia del ruido externo y la interferencia del terreno, con el fin de servir mejor a la interpretación de datos GPR, los pasos de procesamiento se pueden resumir de la siguiente manera: posición correcta, eliminación de fondo, filtrado de frecuencia, escalamiento y desconvolución.

Figura 4. Análisis del espectro de datos. (a) Datos en bruto; (b) datos procesados.

La Figura 5 es una columna litológica y estratigráfica de la formación perforada en el hombro en el bloque de adquisición de datos. La capa superficial es de grava artificial y relleno de suelo con un espesor de 1 m. Cuando la profundidad está dentro de 7 metros, la litología de formación es principalmente arcilla y arenisca. Los cambios litológicos en un radio de 7 metros se reflejan principalmente en el tamaño del grano. En formaciones superiores a 3,7 m de profundidad, el derretimiento del suelo congelado da como resultado agua en el medio. Cuando la profundidad es mayor que 3.7, el contenido de agua en el suelo congelado es extremadamente bajo, y el agua se almacena en el suelo en forma de hielo.

Figura 5. Litología y columna estratigráfica.

3. Análisis y discusión de datos
3.1. Descripción de suelo congelado en capas
La continuidad de los datos GPR en fase y la fuerte interfaz de impedancia se utilizan a menudo para dividir las diversas interfaces del suelo congelado [19]. La Figura 6 muestra la amplitud de la línea 2 y 5 que son paralelas a la alineación de la carretera y las 8 y 12 líneas que son perpendiculares a la alineación de la carretera. Debido al cambio de la constante dieléctrica, aparece una interfaz relativamente reflectante en las proximidades de 20 ns, 50 ns y 100 ns de los datos.

Figura 6. Amplitud de los datos del radar de penetración en tierra (GPR) o Georadar: las líneas discontinuas negras 1, 2 y 3 notas respectivamente 20 ns, 50 ns y 100 ns.

Para determinar con mayor precisión la ubicación de la interfaz, realizamos el análisis de la vista de forma de onda y los atributos de atenuación (Figura 7) en los datos. En la Figura 7, se calculan los atributos de atenuación de la señal GPR. Eso representa el poder instantáneo de las ondas electromagnéticas a lo largo del tiempo en diferentes medios [20]. La atenuación media y mediana representa respectivamente dos métodos de cálculo. En el proceso de cálculo, utilizan la amplitud instantánea media y mediana de todas las trazas. La media es el promedio aritmético de un conjunto de números, o distribución. Es la medida más utilizada de la tendencia central de un conjunto de números. La mediana se describe como el valor numérico que separa la mitad superior de una muestra, una población o una distribución de probabilidad, de la mitad inferior. Se pueden utilizar dos algoritmos estadísticos para evitar la incompleta de cualquier algoritmo, haciendo que los resultados sean más creíbles. Esto también determina los modelos de mejor ajuste para la ley de potencia y la atenuación exponencial en función de los datos de atenuación mediana. Entre las cuatro capas físicas, la atenuación de las ondas electromagnéticas también presenta diferencias debido a varios valores en constante dieléctrica, densidad y contenido de agua. A la vez en 20 ns, 50 ns, y 100 ns, hay un punto de inflexión significativo en el poder instantáneo.

Figura 7. Vista de forma de onda electromagnética y análisis de atenuación de onda. (a) Datos en bruto; (b) datos procesados.

(1) donde A2 y A1 son los valores de amplitud de dos picos adyacentes. Un cambio en la constante dieléctrica producirá impedancia de la onda electromagnética. En relación con el atributo de amplitud, puede reflejar mejor las características cambiantes de la interfaz. Debido a la falta de información precisa de la propiedad física y constante dieléctrica de los medios enterrados, es difícil establecer el modelo inicial necesario para construir la conversión de impedancia de onda absoluta. Afortunadamente, la conversión de impedancia de onda relativa (RAI) no se basa en un modelo inicial. La impedancia de onda relativa es una conversión simplificada. Proporciona una forma rápida y fácil de ver los datos sin someterlos a un proceso de conversión. Resalta las áreas en las que hay cambios en la reflectividad que iluminan propiedades específicas de medios del subsuelo [21]. Debido a su capacidad para identificar capas delgadas, es ideal para la interpretación de datos de radar que requiere alta resolución. La magnitud del coeficiente de reflexión de i indica la intensidad de la reflexión entre dos capas de descongelación de acuerdo con la Ecuación clásica.

La Figura 8 muestra los perfiles de conversión de impedancia de onda relativa para las líneas 2, 5, 8 y 12, respectivamente. En relación con el atributo de amplitud, los datos de impedancia de onda relativa son más claros y la resolución es mayor. Las líneas de puntos negros 1, 2 y 3 muestran respectivamente las posiciones estratificadas de la interfaz física del suelo congelado.

Figura 8. Perfiles de conversión de impedancia de onda relativa.

Basándonos en el análisis anterior, dividimos el permafrost estacional en cuatro partes. El intervalo 0-20 ns es la capa de descongelación completa; el 20–50 ns es la capa de descongelación, donde la profundidad de 50 ns es la interfaz superior de la ablación estacional de permafrost; el 50 ns es la capa de suelo congelado sin blated, de los cuales 50–100 ns es la ablación parcial del suelo congelado temprano. La capa de cambio de propiedad dieléctrica, por debajo de 100 ns es una capa de suelo completamente congelada. La razón de la ablación parcial temprana en 50-100 ns fue que la profundidad de 50 ns era la superficie antes de que se construyera la carretera Qinghai-Tibet. En combinación con los datos de medición de perforación, cuando la constante dieléctrica del medio es 11, los datos GPR tienen la mejor correspondencia con el horizonte de formación.

3.2. Cálculo relativo del contenido de agua y la temperatura.

El cálculo del contenido de agua del permafrost estacional es una parte importante de los datos de radar de penetración en tierra. La temperatura es el principal factor que afecta al contenido de agua del suelo congelado. Al mismo tiempo, debido al cambio de contenido de agua, la información del parámetro de propiedad física se reflejará directamente en los datos de ondas electromagnéticas del radar de penetración en tierra. Mediante la extracción de la información multiatributo de los datos de GPR, la correspondencia entre el atributo de datos GPR y el contenido y la temperatura medidos del agua es la base para el cálculo del contenido de agua utilizando datos GPR. Cuando la correlación entre el valor del atributo y el contenido de agua es superior al 80%, se juzga como un atributo valioso para calcular el contenido de agua. Por cálculo, obtenemos el atributo valioso: La amplitud instantánea absoluta y el atributo de frecuencia promedio ponderado. La frecuencia media ponderada es una mejora en la frecuencia instantánea. La frecuencia instantánea w(t) se define como la derivada de la fase de la señal. La señal z(t) se puede escribir como la suma de N elementos del índice de señal:

El atributo de frecuencia promedio ponderada rara vez se ve afectado por la longitud de onda corta y el ruido [23]. En la Figura 9a, b, hay una alta correlación entre la amplitud instantánea absoluta (Ai), el atributo de frecuencia promedio ponderado y el contenido de agua medido. La amplitud instantánea absoluta de alto rojo y el atributo de frecuencia media ponderada se corresponden bien con el contenido de agua de la pantalla negra. En la minería de atributos valiosos que representan la temperatura, usamos el valor de correlación superior al 65% como valor de referencia para la minería de atributos. Debido a las diferencias en las propiedades de los medios y las partículas en el lecho de la carretera de la superficie, la correlación entre la temperatura y el contenido de agua en la capa superficial no es alta. El atributo de frecuencia promedio ponderada puede reflejar básicamente las características de distribución de temperatura de una capa totalmente derretida con agua y una capa de hielo incompletamente derretida. Sin embargo, debido a que el valor de cambio de temperatura no es grande, la precisión no puede alcanzar el estándar de correlación de contenido de agua. Por lo tanto, usamos este atributo para mostrar la tendencia de la temperatura (Figura 9b).

Se utiliza principalmente como factor de control para el cálculo del contenido de agua. La Figura 10 muestra el atributo de frecuencia promedio ponderado que refleja la formación de la temperatura. La Figura 10 indica el efecto reflectante de la temperatura en el contacto agua-hielo. La temperatura de la capa completamente derretida es superior a 0 oC y la temperatura de la capa que contiene hielo es inferior a 0 oC.

Figura 9. Diagrama de correspondencia entre el atributo de onda electromagnética y los datos medidos. (a) Atributo de amplitud instantánea absoluta; (b) atributo de frecuencia promedio ponderado; el contenido de agua se inserta en las letra a) y b); círculo negro señala la temperatura en (b). La constante dieléctrica del medio es 11.

Figura 10. El atributo de frecuencia promedio ponderado.

La relación entre los datos medidos y los atributos de onda electromagnética que minería y estudios de cribado proporciona atributo de atenuación, impedancia de onda relativa, atributo de amplitud instantánea absoluta y el atributo de frecuencia media ponderada para conversión de contenido de agua. Los valores del contenido de agua en el medio conducen a diferencias en la constante dieléctrica. El cambio de la constante dieléctrica del medio provoca el cambio del valor de impedancia de onda electromagnética. Debido a la correlación positiva entre ellos, el parámetro de impedancia de onda electromagnética se puede agregar al cálculo del contenido de agua relativo.

Figura 11. Diagrama de flujo de método.

La Figura 12 muestra el perfil de contenido de agua para la conversión de diferentes datos de línea.

Debido a que en la investigación del cálculo del contenido de agua de suelo congelado, el área de preocupación principal es la zona de fusión completa del nódulo del suelo congelado entre 20 x 55 (10) ns. Los datos de muestra medidos están en buen acuerdo con el valor de contenido de agua calculado por los datos GPR en esta región. En las áreas de 50 (10) a 100 ns y 100-120 ns, no es el área de preocupación. El suelo en esta área contiene principalmente hielo, y el contenido de agua medido es inferior al valor calculado. Además, debido a la baja calidad de los datos profundos, los datos profundos conllevan menos información física.

Calculamos y presentamos los datos en un radio de 65 ns. La Figura 13 muestra las características de variación plana del contenido de agua a diferentes profundidades de tiempo. El rojo representa un alto contenido de agua y el verde representa un bajo contenido de agua. Antes de 10 ns, debido al medio de lecho de carretera, el medio de superficie era relativamente seco y el contenido de agua era muy bajo. A medida que aumenta la profundidad, aumenta el contenido de agua en la capa de descongelación. A medida que la profundidad sigue aumentando, el contenido de agua se hace más pequeño. Estas características y valores son coherentes con las características y los datos medidos de la ablación estacional de permafrost.

Figura 12. Cálculo relativo del contenido de agua para el conjunto de líneas 2, 5, 8 y 12.

Figura 13. Las características de variación plana del contenido relativo de agua a diferentes profundidades de tiempo.

4. Conclusiones.

Proporcionamos un método de identificación de interfaz para utilizar datos de radar de penetración en tierra para llevar a cabo áreas de permafrost estacionales en la meseta tibetana. A diferencia del método tradicional de baja resolución, solo se utiliza el cambio de datos de amplitud para distinguir la interfaz. En este estudio, el análisis de amplitud, el análisis de forma de onda y el atributo de atenuación de ondas electromagnéticas se utilizan para crear una división de imágenes más detallada del área de permafrost estacional. El medio en el área de permafrost estacional se divide en una estructura de cuatro capas más fina. Son: subgrado, capa de ablación de suelo congelado, capa semi-ablativa del suelo congelado y capa de permafrost. A través de la calibración de los datos de perforación, la constante dieléctrica de conversión de tiempo-profundidad en la carretera Qinghai-Tibet, que está cerca del río Tuotuo, y la región de la meseta Hoh Xil, el centro de la meseta tibetana, está cerca de 11.

Además, cuando la correlación entre el valor del atributo y el contenido de agua es superior al 80%, se juzga como un atributo valioso para calcular el contenido de agua. La amplitud instantánea absoluta y el atributo de frecuencia promedio ponderado pueden reaccionar bien a los cambios en el contenido de agua. El uso de datos GPR es más difícil para el cálculo de la temperatura. El atributo de frecuencia promedio ponderado puede reflejar básicamente la temperatura y el cambio, pero su precisión no alcanza el estándar de correlación del contenido de agua.

Dado que los datos GPR no pueden obtener directamente la constante dieléctrica en todo el medio, reemplazamos la constante dieléctrica por un factor de cálculo que combina el atributo de atenuación, el atributo de impedancia de onda relativa, la amplitud instantánea absoluta atributo y el atributo de frecuencia promedio ponderado para calcular el contenido de humedad relativo. Los resultados del cálculo están en buen acuerdo con las mediciones reales de la muestra en la zona de ablación del suelo congelado. Cuando el estado de contención de hielo se produce en el suelo, el error de este método de cálculo se vuelve grande.

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