Datos clave
- Organizaciones: SINTEF; Instituto Geotécnico Noruego (NGI); Administración de Carreteras Públicas de Noruega; Universidad Grenoble Alpes
- Ubicación: Noruega central y occidental
- Desafío: Caracterización repetible del manto nivoso en terrenos escarpados y propensos a avalanchas
- Solución: GPR transportado por UAV levantamientos utilizando antenas de multifrecuencia con computadora de a bordo SkyHub y software de planificación de vuelo de drones UgCS
- Resultado clave: Mediciones demostrables y repetibles de la altura de la nieve y la estratificación interna con directrices operativas definidas
Antecedentes: requisitos de monitoreo del manto nivoso en terrenos alpinos y propensos a avalanchas
La caracterización precisa del manto nivoso es fundamental para la predicción de avalanchas, la hidrología, los estudios de balance de masa de glaciares y la seguridad de las infraestructuras en regiones frías. Los estudios tradicionales de GPR realizados desde tierra proporcionan información del subsuelo de alta calidad pero exponen a los operadores a terrenos peligrosos y tienen una cobertura espacial limitada.
Los avances recientes en la integración de cargas útiles en drones y en el control de vuelo con seguimiento del terreno han permitido que los estudios GPR con drones se realicen a pocos metros sobre la superficie de la nieve. Este enfoque busca mejorar la seguridad y la cobertura espacial de los estudios, manteniendo al mismo tiempo una resolución suficiente para el análisis de la altura y la estratificación de la nieve.
El desafío: mantener la calidad y la repetibilidad de los datos en condiciones operativas alpinas
Los estudios del manto nivoso en entornos montañosos enfrentan desafíos tanto ambientales como técnicos. La acumulación de nieve y la estratificación interna varían rápidamente debido a la redistribución por el viento, la exposición de la ladera y los gradientes de temperatura. Al mismo tiempo, el terreno escarpado y el riesgo de avalanchas limitan la viabilidad de realizar mediciones terrestres repetidas.
Desde la perspectiva de los drones, la recopilación de datos GPR fiables requiere mantener una altura de antena estable sobre una superficie de nieve irregular mientras se siguen rutas de vuelo predefinidas. Las variaciones en la actitud del dron, la precisión del posicionamiento y las propiedades de la superficie de la nieve pueden influir en el ángulo de incidencia de la señal y en la repetibilidad. Además, las condiciones de nieve húmeda introducen una atenuación de la señal que puede reducir la profundidad de penetración, particularmente a frecuencias de radar más altas.
Por lo tanto, el estudio se centró en determinar si los estudios GPR basados en drones podían:
- Ofrecer mediciones repetibles de la superficie de la nieve y de la interfaz nieve-suelo
- Operar dentro de altitudes y velocidades de vuelo seguras en terreno alpino
- Mantener una penetración y resolución suficientes bajo condiciones de nieve variables
La solución: estudios GPR transportados por drones con parámetros de vuelo controlados
Para abordar estos desafíos, el equipo de investigación desplegó sistemas GPR transportados por drones en un DJI Matrice 300 RTK, seleccionado por su capacidad de carga útil y estabilidad en condiciones montañosas.
Se utilizaron dos configuraciones de GPR para evaluar las compensaciones entre resolución y penetración:
- Un Antena biestática blindada de 1 GHz para imágenes de alta resolución de capas de nieve poco profundas (usando Zond Aero 1000 MHz)
- Un sistema GPR de muestreo en tiempo real (RTS) de 400 MHz con antenas dipolo para una mayor penetración en nieve húmeda
La capacidad de seguimiento del terreno se habilitó mediante un altímetro de radar Nanoradar NRA24 (24 GHz), integrado con el software de planificación de vuelo UgCS . Skyhub, un ordenador a bordo, gestionó la integración de sensores y el registro de datos. Se utilizó posicionamiento GNSS para la georreferenciación, con RTK disponible pero no aplicado de forma constante.
La metodología de estudio destacó:
- Rutas de vuelo predefinidas paralelas a la pendiente del terreno
Variación sistemática de la altitud y velocidad de vuelo - Estudios repetidos a lo largo de rutas idénticas para evaluar la repetibilidad
Resultados: Mediciones repetibles del manto nivoso y directrices operativas
Los estudios GPR transportados por UAV produjeron reflexiones consistentes de la superficie de la nieve y de la interfaz nieve-suelo al repetirse a lo largo de rutas de vuelo idénticas. Las pequeñas diferencias entre perfiles se atribuyeron principalmente a la incertidumbre en el posicionamiento del UAV y no a cambios en la estructura del manto nivoso, lo que respalda la idoneidad del método para el monitoreo temporal.
Las pruebas realizadas en varios sitios demostraron que operar a una altura de entre 2 y 4 metros sobre la superficie de la nieve proporcionaba un equilibrio fiable entre la seguridad del vuelo y la calidad de los datos. Dentro de este rango de altitud, las capas internas de nieve permanecieron claramente identificables. Aumentar la velocidad de vuelo hasta los 2–2,5 m/s no degradó significativamente la calidad de los datos para las aplicaciones de seguimiento de capas.
Se detectaron capas internas de nieve, incluidas costras de fusión y recongelación de escala centimétrica, en condiciones de nieve seca, las cuales se correlacionaron con las observaciones realizadas en calicatas cercanas. En nieve húmeda, la antena de 1 GHz mostró una menor profundidad de penetración, mientras que la antena de 400 MHz mejoró la penetración a costa de la resolución vertical.
Conclusión
Este estudio de caso demuestra que los levantamientos con georradar (GPR) transportado por UAV, utilizando un DJI Matrice 300 RTK y sistemas GPR multifrecuencia, pueden proporcionar mediciones repetibles de la altura de la nieve y de la estratificación interna en entornos alpinos. Cuando se opera dentro de los límites definidos de altitud y velocidad de vuelo, este método ofrece una alternativa práctica y más segura a los levantamientos terrestres para la caracterización del manto nivoso en terrenos escarpados y propensos a avalanchas.