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The search for and location of inhomogeneities in seasonal snowpacks utilizing ground-penetrating radar

Heilig, Achim

German Title: Die Suche nach und Lokalisierung von Inhomogenitäten in saisonalen Schneedecken mittels Georadar

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Abstract

The location of singular objects or layered transitions below the surface and properties thereof in the ground are a pivotal topic in geosciences. In mountainous regions is the investigation of objects and layer transitions specifically of interest for the seasonal snowpack, primarily to reduce the threat to humans and infrastructures by natural hazards. Snow avalanches are a major natural hazard causing numerous fatalities throughout the world and they are a direct consequence of snowpack conditions. The annual fatality numbers of avalanches are fairly constant for the last 30 years, while in other fields such as e.g. road traffic these numbers decreased significantly. It can be assumed that the permanent enhancements in active and passive safety systems in road traffic are the reason for the decrease in victim numbers. In the field of professional search and rescue operations or accident prevention in avalanches such as hazard forecast, enhancements of instrumentations are marginal for the last three decades. The present study describes two different assessments for the use of ground-penetrating radar (GPR) systems to improve the instrumentation for the location of buried avalanche victims and the prediction of avalanches. Consequently, it demonstrates the feasibility of radar systems for the detection of inhomogeneities in seasonal snowpacks. With regard to the improvement of current methods to search and locate buried avalanche victims, which are not equipped with a location device (e.g. avalanche beacon), the main objective is to shorten search time. The assessment of this thesis was therefore to use helicopter-borne non-invasive location methods. To simulate helicopter flights, test arrangements were designed to perform field tests from above the surface. I developed methods to measure from 6--12 m above the snow cover. To measure non-invasively, the arrangement is based on pulsed radar technology. To shorten search time and to minimize the influence of man-made error possibilities, an automatic location software was developed. The results of the field tests present the answers of the fundamental questions for an airborne location operation and enabled the development of a location algorithm. Measurements showed, that the sidewise detectable range of 3--5 m of an antenna set-up with one transmitter -- receiver pair is rather small for the given flight height of 6 to 12 m. Furthermore, the reflection amplitude of the snow surface decreases almost linearly with the flight height. Unfortunately, in wet snow avalanches a buried object in the snowpack does not appear as typical reflection pattern and is therefore not explicitly locatable. The developed software algorithm proved to be sufficient for all applied test arrangements in dry snow conditions. The algorithm is able to distinguish between buried victims in the snowpack and reflections caused by only air holes within the snow cover. Further implementations on helicopters can be achieved, based on these results, but more field tests are necessary to adapt the software to the rougher flight conditions in helicopters. Concerning the observation of stratigraphic inhomogeneities within a snowpack, this thesis showed that a record of specific snowpack conditions from beneath the snow cover is feasible with GPR. The assessment of the present work is to provide snowpack information in avalanche endangered slopes and to follow the temporal evolution of the snowpack over a whole season. Two different kinds of field measurements in dry and wet snow conditions were performed to ascertain the GPR set-up, which provides the best trade-off between penetration depth and layer resolution. On the one hand, temporally singular measurements at different locations, concerning altitude, snowpack conditions and climatic regions in the European Alps, enabled the determination of capable test arrangements. On the other hand, a temporal monitoring of the snow cover at a fixed position over several months, facilitated the record of the change of specific parameters in the snowpack. In terms of system parameters, antennas with a center frequency of about 800--900 MHz are able to penetrate and adequately record stratigraphic transitions in dry and wet snow conditions. The radar-measured snow height in dry snow using a mean wave speed value for the conversion of the two-way travel time was in a good agreement to the probed snow depth and arose in an uncertainty slightly higher than of ultrasonic sensors. In terms of snowpack parameters, the recorded signals of the various snow covers were in good agreement with the measured snow properties. For dry snow conditions, the appearance and the manner of reflections recorded in the snow cover corresponded to the size and the algebraic sign of the gradient in snow density. Moisture in the snowpack attenuates the radar signal significantly. This thesis presents encouraging results of the use of impulse radar technology for the location of inhomogeneities in seasonal snowpacks. Parts of the presented results and methodologies (e.g. the automatic location algorithm) are possibly easily adaptable in related areas of geoscientific research and could also provide advances in other, non-snow related fields.

Translation of abstract (German)

Die Lokalisierung von einzelnen Objekten oder von Schichtübergängen unterhalb der Oberfläche und die Bestimmung von deren Eigenschaften sind zentrale Themen in den Geowissenschaften. Für Bergregionen ist die Erkundung von Objekten und Schichtübergängen im Speziellen für die saisonale Schneedecke von Interesse. Dieses Interesse besteht vor allem in Hinblick auf die Reduzierung der Bedrohung für Mensch und Infrastruktur durch Naturgefahren. Schneelawinen stellen eine der bedeutensten Naturgefahren in Bergregionen dar, mit jährlich zahlreichen Todesopfern weltweit. Lawinen sind eine direkte Folge der Schneedeckeneigenschaften. Die durchschnittlichen Zahlen von Lawinenopfern pro Jahr sind seit 30 Jahren fast unverändert. Für andere Bereiche hingegen, wie zum Beispiel im Straßenverkehr, haben sich die Zahlen der jährlichen Unfälle mit Todesopfern signifikant verringert. Es ist anzunehmen, dass die ständige Weiterentwicklung von aktiven und passiven Sicherheitssystemen im Straßenverkehr zu dieser deutlichen Verringerung der Opferzahlen geführt hat. Im Bereich der Suche und Rettung von Lawinenverschütteten und der Vorhersage der Lawinengefahr sind die Entwicklungen von Instrumenten zur Unterstützung der Einsatzkräfte im Vergleich eher marginal. Diese Arbeit beschreibt zwei verschiedene Ansätze für den Einsatz von Georadarsystemen, um gegenwärtige Instrumentierungen für die professionelle Lawinensuche und Lawinenvorhersage zu verbessern und zeigt deren Möglichkeiten für die Ortung von Inhomogenitäten in der Schneedecke. Im Hinblick auf die Verbesserung von momentanen Ortungsmethoden für Lawinenverschüttete, welche kein Ortungssystem (z.B. Lawinenverschütteten-Suchgerät LVS) bei sich tragen, ist das Hauptziel, Suchzeiten zu verringern. Der Ansatz dieser Arbeit ist demzufolge berührungsfreie, helikoptergestützte Lokalisierungsmethoden einzusetzen. Für die Simulation von Helikopterflügen wurden Versuchsaufbauten konstruiert, mit denen Feldtests in einer Höhe von 6--12 m über Grund möglich waren. Für die berührungsfreie Untersuchung der Schneedecke wurden Georadarsysteme ausgewählt. Um Suchzeiten zu verringern und um den Einfluss von menschlichen Fehlermöglichkeiten zu minimieren wurde eine automatische Lokalisierungssoftware entwickelt. Die Ergebnisse der Feldmessungen ergaben Antworten auf die Grundfragen zur luftgestützten Verschüttetenortung und ermöglichten die Entwicklung eines Lokalisierungsalgorithmuses. Die Messungen zeigten, dass die zur Seite gerichtete Detektierungsreichweite einer Antennenkonfiguration mit einem Sender -- Empfängerpaar für die gegebenen Flughöhen von 6--12 m sehr schmal ist. Zusätzlich nimmt die Stärke der Reflektionsamplitude der Schneeoberfläche mit der Flughöhe annähernd linear ab. Für den Fall von Nassschneelawinen erscheint kein typisches Reflexionsmuster von verschütteten Objekten, mit der Folge, dass eine eindeutige Lokalisierung nicht möglich ist. Der entwickelte Lokalisierungsalgorithmus hingegen hat in allen angewandten Versuchsaufbauten in trockenen Schnee gute Ergebnisse erbracht. Der Algorithmus ist in der Lage zwischen eingegrabenen Objekten, Schnee und Reflexionen, hervorgerufen durch Hohlräume, eindeutig zu unterscheiden. Eine zukünftige Implementierung dieses Systems, basierend auf den hier präsentierten Ergebnissen, ist möglich, jedoch sind weitere Feldarbeiten nötig, um die Software an die schwierigeren Flugbedingungen in Helikoptern anzupassen. Im Hinblick auf die Beobachtung von stratigraphischen Inhomogenitäten in der Schneedecke zeigt diese Arbeit, dass die Aufnahme von bestimmten Schneeeigenschaften von unterhalb der Schneedecke mittels Georadarsystemen möglich ist. Der Ansatz der präsentierten Arbeit ist, Schneedeckeninformationen in lawinengefährdeten Gebieten bereit zu stellen und die zeitliche Entwicklung der Schneedecke über den gesamten Winter zu beobachten. Zwei verschiedene Arten von Feldmessungen unter trockenen und nassen Schneebedingungen wurden durchgeführt, um die Georadar -- Komponenten zu bestimmen, welche den besten Kompromiss zwischen Eindringtiefe und Auflösungsvermögen garantieren. Einzelmessungen mit Versuchsaufbauten an verschiedenen Orten, mit unterschiedlichen Höhenlagen, Schneedeckenbedingungen und Witterungseinflüssen, ermöglichten zum einen die Bestimmung von einsetzbaren Messmethoden. Andererseits war es möglich, mittels einer Langzeituntersuchung der Schneedecke über mehrere Monate an einem gegebenen Ort, die zeitlichen Veränderungen bestimmter Schichten aufzunehmen. Es hat sich herausgestellt, dass Antennen mit einer Nominalfrequenz von 800--900 MHz trockene und nasse Schneedecken ausreichend durchdringen und Schichtübergänge hinreichend detailliert aufnehmen können. Die Schneehöhenbestimmung mittels der angewandten Radarsysteme bei trockenen Schneebedingungen, war in guter Übereinstimmung mit den sondierten Schneehöhen, und die Messungenauigkeit nur knapp höher als bei Ultraschallsensoren, wobei die doppelte Signallaufzeit von Radarwellen im Schnee mit einer mittleren Ausbreitungsgeschwindigkeit in Höhenwerte umgerechnet wurde. Bezüglich aufgenommener Schneeparameter war eine Konkordanz zwischen reflektierten Signalen in der Schneedecke und gemessenen Schneeeigenschaften beobachtbar. Das Auftreten von Reflexionen und die Art der jeweiligen Reflexion entsprachen der Größe und des Vorzeichens von korrespondierenden Dichteübergängen an den jeweiligen Schichtgrenzen im trockenen Schnee. Feuchte in der Schneedecke dämpft das Radarsignal signifikant. Diese Arbeit präsentiert ermutigende Resultate für den Einsatz von Georadartechnologie für die Detektion von Inhomogenitäten in saisonalen Schneedecken. Teile der präsentierten Resultate und Methoden (z.B. der Lokalisierungsalgorhythmus für die Hyperbeldetektierung) sind unter Umständen leicht in vergleichbare Gebiete der Geowissenschaften implementierbar, wodurch dort ebenfalls Fortschritte erzielt werden können.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Roth, Prof. Dr. Kurt
Date of thesis defense: 6. November 2009
Date Deposited: 01. Apr 2010 11:25
Date: 2009
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 550 Earth sciences
Uncontrolled Keywords: Georadar , Inhomogenitäten , saisonale Schneedecke , Stratigraphieground-penetrating radar , seasonal snowpack , inhomogeneities
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