Лучшие практики проведения топографических исследований в холодном и снежном климате
Почему топографические исследования холодного климата требуют специализированных подходов
Топографические съемки в холодном и снежном климате принципиально отличаются от тех, которые проводятся в умеренных или тропических условиях. Низкие температуры, глубокий снежный покров, обледенение, уменьшение дневного света и быстро меняющиеся погодные условия - все это сговорается, чтобы поставить под угрозу качество данных и увеличить операционный риск. Геодезисты, работающие в альпийских, арктических или высокоширотных регионах, должны принимать строгие рабочие процессы, которые учитывают все экологические переменные - от того, как снег изменяет отраженные на земле сигналы до того, как холод сокращает срок службы батареи. В этой статье представлен всеобъемлющий набор лучших практик, взятых из опыта на местах, руководящих принципов производителей оборудования и геопространственных исследований. Следование этим принципам поможет вам производить точные, надежные топографические данные, сохраняя при этом безопасность экипажей и минимизируя воздействие на окружающую среду.
Предварительное планирование и оценка рисков
Тщательная подготовка является единственным наиболее важным фактором успешного обследования холодного климата. В отличие от работы в теплую погоду, где вы можете адаптироваться на лету, холодные условия оставляют мало места для импровизации. Начните планировать по крайней мере за две недели до мобилизации и вовлеките всю полевую команду в обзор.
Погода и климат анализ
Изучите исторические погодные условия и сезонные нормы для района обследования. Используйте такие ресурсы, как Национальная метеорологическая служба или местные метеорологические станции для получения долгосрочных температурных диапазонов, типичного накопления снегопада, факторов охлаждения ветра и частоты штормов. Обратите особое внимание на «плечевые сезоны» ранней зимы и поздней весны, когда циклы замораживания-оттепели создают наиболее опасные условия. Интегрируйте предупреждения о погоде в режиме реального времени в свое ежедневное планирование - многие команды полей теперь используют спутниковые погодные приложения, которые прогнозируют до десяти дней с высокой надежностью.
Один часто упускаемый фактор — солнечный угол. В высоких широтах солнце остается низким на горизонте даже в полдень, снижая эффективность оптических приборов обзора и вызывая длинные тени, которые путают фотограмметическое программное обеспечение. Планируйте часы работы поля вокруг наилучшего доступного света и фактор времени, необходимого для разогрева прибора.
Картографирование местности и опасности
Обзор существующих топографических карт, спутниковых изображений и цифровых моделей возвышения (DEM), если таковые имеются. Идентификация лавинных желобов, карнизов, трещин в ледниковых районах и участков, подверженных переполнению льда. Геологическая служба США предоставляет данные, эквивалентные снежной воде, и исторические карты глубины снега, которые помогают предсказать, где наибольшая загрузка снега. Отметьте эти опасности на полевых картах и планируйте маршруты эвакуации. Для проектов в районах зарубежья, перевозите лавинные приемопередатчики, зонды и лопаты, и убедитесь, что по крайней мере один член команды имеет текущую сертификацию безопасности лавин.
Разрешение и доступ к земле
Обследования холодного климата часто проходят через общественные земли, территории коренных народов или экологически чувствительные районы. Подать заявку на получение разрешений на ранней стадии - некоторые агентства требуют время от 60 до 90 дней для зимних операций. Включите оценку воздействия на окружающую среду, которая касается уплотнения снега, обледенения и временной инфраструктуры. Проконсультируйтесь с местными заинтересованными сторонами, особенно при работе на традиционных территориях или вблизи оленеводческих / карибу.
Выбор оборудования и подготовка к холодной погоде
Стандартное оборудование для обследования быстро выходит из строя в условиях сильного холода. Правильно подготовленное оборудование может означать разницу между продуктивным днем и дорогостоящим абортом.
GPS/GNSS приемники
Высокоточные приемники ГНСС должны быть рассчитаны на низкотемпературную работу. Ищите агрегаты, сертифицированные на -30°С или ниже. Обратите внимание на внутренние часы приемника; некоторые модели дрейфуют при холоде, приводя к ошибкам измерения. Используйте антенны, установленные на полюсе, а не установки рюкзака, поскольку полюс создает тепловой буфер между землей и приемником. Защитите разъемы и кабели с непогодными крышками, и перенесите запасные коаксиальные кабели в случае хрупкого перелома.
Управление батареями
Холодные температуры резко снижают емкость батареи - ожидайте на 40-60% меньше времени работы от литий-ионных элементов ниже -20 ° C. Используйте внешние аккумуляторные батареи, предназначенные для холодной погоды (часто с внутренними нагревателями). Держите запасные батареи в изолированном мешочке против вашего тела, прежде чем менять их. Некоторые геодезисты используют небольшие ручные нагреватели, обернутые вокруг аккумуляторного отсека, но будьте осторожны, чтобы не перегреваться и не рисковать тепловым разрядом. Заряжайте батареи полностью перед каждым днем и сохраняйте журнал падения напряжения.
Полные станции и лазерные сканеры
Оптические приборы подвержены конденсации и обледенению на линзах и призмах. Хранят их в корпусах при комнатной температуре в течение ночи; при выведении их наружу позволяют за 20–30 минут выравнивать температуру перед открытием корпуса. Это предотвращает запотевание. Используйте на оптике силиконовые противотуманные салфетки. Для наземных лазерных сканеров (TLS) выбирайте модели с нагретыми корпусами или дефростерами принудительного воздуха. Некоторые производители теперь предлагают интегрированные снежные щиты, которые крепятся вокруг головы сканера.
Трехногие и трибрахи требуют особого внимания: алюминиевые ножки опускаются в мягкий снег, вызывая нестабильность инструмента. Используйте карбоновые или титановые штативы с широкими шипованными ногами. Альтернативно, прикрепляйте снежные туфли к ногам - широкие диски, которые распределяют вес и предотвращают постнастройку. Проверяйте все уровни пузырьков часто, потому что экстремальный холод может привести к тому, что пузырьки станут вялыми.
Дроны и БПЛА
Холодный воздух плотнее и влияет на эффективность пропеллера. Используйте рекомендованный производителем реквизит с высокой нагревом и убедитесь, что батарея предварительно нагревается до по крайней мере 20 ° C перед полетом. Многие дроны имеют температурные предупреждения, которые предотвращают взлет ниже -10 ° C; отключите эти ограничения только в том случае, если у вас есть камера с подогревом батареи. Выполняйте более короткие миссии, чтобы разрешить замену батарей и хранить запасные батареи в нагретом транспортном средстве. Для покрытой снегом местности отсутствие визуального контраста может сбить с толку датчики, обращенные вниз, - летайте в ручном режиме или с позиционированием RTK для надежного контроля высоты. Оснастите свой беспилотник полезной нагрузкой, подходящей для снега: мультиспектральные камеры с поляризационными фильтрами уменьшают блики и датчики проникают в порошок, чтобы записывать основную топографию земли с высокой точностью.
Одежда холодной погоды и средства индивидуальной защиты
Ни одно обследование не может быть успешным, если экипаж недееспособен из-за холода. Следуйте трехслойному принципу: влагоустойчивый базовый слой (синтетический или меринос), изоляционный средний слой (муха или вниз) и ветроустойчивая / дышащая внешняя оболочка. Используйте изолированные, водонепроницаемые сапоги с рейтингом не менее -40 ° C. Принесите несколько пар перчаток - тонкие вкладыши для обработки небольших инструментов, более толстые варежки для неактивных периодов. Очки или ледниковые очки уменьшают снежную слепоту. Каждый член экипажа должен носить личный аварийный комплект, содержащий химический нагреватель для рук, высококалорийную закуску, свисток и космическое одеяло.
Методы сбора данных для снежных территорий
Снег изменяет саму поверхность, которую вы пытаетесь измерить. Стандартные методы обследования, которые работают на голой земле, требуют модификации, чтобы захватить истинную топографическую форму под снежным покровом.
Наземные контрольные точки (GCP) и памятники
Поместите GCP на стабильные, свободные от снега функции, если это возможно - обнажения скал, перекрытия дорог или фундаменты зданий. Где снег неизбежен, используйте высокие, хорошо видимые цели (например, 2 м обзорные столбы с оранжевыми флагами), которые простираются выше ожидаемой максимальной глубины снега. Альтернативно, установите постоянные памятники с металлическими стержнями, вбитыми в вечную мерзлоту или скалу, и отметьте их местоположение GPS-опросом осенью перед снегопадом. Во время обследования, скопитесь до этих памятников и очистите область вокруг них, чтобы избежать ошибок мультипута. Используйте снегопад , чтобы измерить глубину снега на каждом GCP и записать эту глубину для последующей вертикальной коррекции.
LiDAR обследует снег
Воздушно-десантный и наземный LiDAR может проникать до нескольких метров сухого снега, но точность ухудшается с влажным или плотным снегом. При планировании обзора LiDAR планируйте его в холодные периоды, когда снег сухой и пушистый. Используйте датчик с узкой шириной импульса и высокой частотой повторения импульсов (например, серия VQ Riegl или Leica ALS80). Программное обеспечение для постобработки может отфильтровать возвраты поверхности снега от возвратов земли, анализируя множественные эхо-сигналы. Программа прибрежного дистанционного зондирования NOAA предлагает руководство по проникновению лидара по снегу; см. их техническое примечание по заснеженным лидарным исследованиям .
Для TLS-опросов поместите сканер на возвышенные платформы (например, снежную пандус или ледяную площадку), чтобы получить лучший угол. Сканирование в нескольких проходах из разных положений; слияние облаков точек позже усреднит ошибки, вызванные поверхностными неровностями.
Фотограмметрия в снежной среде
Высокое альбедо и контрастность снега создают проблемы для обычной фотограмметрии. Используйте поляризационный фильтр для уменьшения бликов и установите компенсацию экспозиции камеры до -1 или -2 EV, чтобы избежать чрезмерного воздействия яркого снега. Бронирование беспилотников на последовательных высотах и включает в себя несколько наземных контрольных точек, даже если они похоронены - вы можете исследовать их с помощью приемника GNSS после их выкапывания. Изображения процесса с использованием программного обеспечения Structure-from-Motion (например, ]Agisoft Metashape или ]Pix4D ) с настроем «снего режима», если это доступно; в противном случае, обработанная цифровая модель поверхности будет представлять поверхность снега, а не землю. Чтобы получить истинную модель голой земли, вычтите карту глубины снега, которую вы можете генерировать из измерений снежного зонда или из зимнего и летнего DEM-различения.
Термическая и инфракрасная визуализация
Термальные камеры могут выявить скрытые особенности, такие как кульверты, ледяные линзы или узоры вечной мерзлоты. Интегрируйте тепловую полезную нагрузку на свой беспилотник или используйте ручную тепловую камеру во время наземных съемок. Контраст между снегом (кольдер) и твердой землей или водой (теплый) помогает идентифицировать поверхностные гидрологии, которые не будут видны на оптических изображениях. Это особенно полезно для очерчивания дренажных сетей под снежным покровом.
Протоколы безопасности для экстремальных холодных операций
Безопасность в холодную погоду выходит за рамки теплой одежды. Реализуйте комплексный план безопасности, который охватывает медицинские чрезвычайные ситуации, погодные триггеры и коммуникационные протоколы.
Холодный стресс и профилактика гипотермии
Установите температурный порог для остановки работы — общие рекомендации рекомендуют прекратить наружные нагрузки, когда температура окружающей среды плюс озноб ветра ниже —30 ° C. Следите за каждым членом экипажа за признаками обморожения (белые пятна на щеках, носу, пальцах) и гипотермии (дрожащая путаница, невнятная речь). Используйте «систему прибоя», чтобы никто не работал в одиночку. Носите набор для лечения гипотермии: теплый напиток, смена сухой одежды и изоляционная спальная площадка. Каждый член должен знать, как выполнять перегрев, не вызывая сердечных осложнений.
Лавина и неустойчивость склона
При работе в горной местности предвидеть лавинную опасность. Получить ежедневный прогноз лавин от местных центров (например, Канадская лавинная ассоциация или Colorado Avalanche Information Center. Нести маяки, зонды и лопаты, а также еженедельно практиковать спасательные учения. Убираться от склонов круче 25 градусов, когда накопился свежий снег. Если лавина возникает, следуйте установленным процедурам поиска; не оставляйте жертву в покое.
Безопасность ледяной поверхности
Обследования замерзших озер, рек или морского льда требуют особой осторожности. Измерять толщину льда систематически с помощью ледового шнека — минимально рекомендуемая толщина для пешеходного движения составляет 10 см прозрачного синего льда; для небольших транспортных средств 30 см. Испытать лед в нескольких точках, потому что толщина сильно варьируется из-за течений, снегозагрузки и трещин. Носите плавучий костюм и носите ледовые кирки. Общайтесь с местными экспертами по льду, которые знают историю водоема.
Коммуникация и экстренное реагирование
Сотовое покрытие часто отсутствует в отдаленных холодных регионах. Используйте спутниковые телефоны, двусторонние радиоприемники с ретрансляторами или маяки личного локатора. Установите график регистрации с базовым лагерем: каждые два часа во время полевых работ. Предварительно организуйте варианты эвакуации: снегоходы, вертолеты в режиме ожидания или гусеничные транспортные средства. Носите комплексный комплект первой помощи, который включает в себя уход за ранами при травмах в холодную погоду (морозоустойчивость, снежная слепота и травма от льдов).
Экологическая безопасность во время зимних исследований
Холодные экосистемы часто хрупкие и медленно восстанавливаются. Минимизируйте свой след, чтобы избежать повреждения вечной мерзлоты, нарушения дикой природы или оставления отходов.
Нарушение дикой природы
Зима — сложный сезон для животных; любой дополнительный стресс может быть фатальным. Избегайте обзорных работ вблизи известных районов отела или деннинга (например, росомахи, места гнездования птиц). Используйте меры по снижению шума на генераторах и транспортных средствах. Если вы используете беспилотники, сохраняйте минимальную высоту 120 метров в коридорах дикой природы. Следуйте рекомендациям Службы охраны рыбных ресурсов и дикой природы США или эквивалента вашей страны. Немедленно сообщайте о любых больных или несчастных животных местным органам по охране дикой природы.
Защита от вечной мерзлоты
Вождение транспортных средств или многократная ходьба по одним и тем же дорожкам могут повредить изолирующий слой растительности, что приводит к деградации вечной мерзлоты и термокарсту. Используйте транспортные средства низкого давления или снегоходы на установленных тропах. При установке приборов поместите их на изоляционные платформы (например, толстые пластиковые листы), а не непосредственно на снег. Удалите все оборудование и заполните любые отверстия, сделанные для якорей или зондов почвы.
Управление отходами
Все отходы — человеческие, биоразлагаемые и синтетические — должны быть упакованы. Используйте переносные туалеты с морозостойкими химикатами или выкапайте уборные не менее чем в 100 метрах от любого источника воды. Не сжигайте отходы в холодных условиях; неполное сгорание выделяет токсины. Утилизируйте отработанные батареи в назначенных центрах переработки, никогда в полевых условиях.
Постобработка и проверка данных в холодном климате
Сырье, собранное в снегу и при низких температурах, требует специальной обработки для исправления экологических искажений.
Коррекция снежного покрова в облаках точек
Облака точек LiDAR будут содержать возвраты как от поверхности снега, так и от фактической земли. Фильтруйте их с помощью алгоритмов классификации: низкие точки, земля и снежная поверхность. Программное обеспечение, такое как LAStools или Global Mapper , имеет фильтры, которые идентифицируют снег как возврат с более низкой интенсивностью и более высоким возвышением, чем окружающая земля. Создайте модель голой земли, вычитая интерполированный слой глубины снега. Если вы измерили глубину снега в GCPs, используйте интерполяцию кригинга для создания непрерывной снежной поверхности и вычитайте ее из цифровой модели поверхности (DSM) для получения цифровой модели местности (DTM).
Геоидные и датумовые корректировки для высоких широт
В полярных регионах геоид волнообразнее, чем в средних широтах. Используйте последнюю локальную геоидную модель, а не глобальную. Регулярно проверяйте свои ориентиры: морозная петля может сдвигать памятники вертикально на несколько сантиметров в течение одной зимы. Настройте все данные ГНСС с точной обработкой точечного позиционирования (ППП), которая учитывает сезонную погрузку льда и снега на земную кору.
Контроль качества и валидация
Перекрестно проверьте ваш окончательный DTM на независимые измерения: профили наземного проникающего радара (GPR), исторические карты или данные летних обследований из одной и той же области. Вычислите корневую среднюю квадратную ошибку (RMSE) во всех точках наземного контроля после коррекции на глубину снега. Если RMSE превышает спецификации проекта (обычно 5-10 см для ортометрических высот), повторно посетите подозрительные области или рассмотрите перелетные участки с плохим покрытием. Документируйте все этапы обработки и исправления в файле метаданных для будущей ссылки.
Заключение
Топографическая съемка в холодном и снежном климате - это сложная дисциплина, которая вознаграждает тщательное планирование, надежное оборудование, строгие процедуры безопасности и экологически сознательные практики. Инвестируя в анализ опасности перед наблюдением, выбирая оборудование, построенное для экстремального холода, адаптируя методы сбора данных к снежному покрову и постобработку с алгоритмами коррекции снега, вы можете достичь того же уровня точности, что и летняя съемка - даже под метрами снега. Принципы, изложенные здесь, были доказаны на протяжении десятилетий высокоширотной съемки, от арктических инфраструктурных проектов до исследований альпийской гляциологии. Поскольку изменение климата меняет зимние условия, потребность в надежных топографических данных холодного климата будет только расти. Осваивайте эти лучшие практики сейчас, и вы будете оснащены для производства качественных результатов под любым зимним небом.