基于机载探地雷达与人工样线结合的埋藏冰探测

英文：Drone-Based Ground-Penetrating Radar with Manual Transects for Improved Field Surveys of Buried Ice

研究单位

Adam R. Tjoelker 美国俄亥俄州立大学地理系；

Michel Baraer 加拿大魁北克高等技术学院；

Eole Valence 加拿大麦吉尔大学地球与行星科学系

摘要

冰碛覆盖冰川、岩冰川、碎石坡等冰缘地貌普遍地形陡峭、坡面松散失稳。传统人工地面探地雷达（GPR）作业不仅存在极大安全风险，作业效率与勘测范围也受到严重限制。

为了应对这些挑战，本研究提出了一种利用无人机搭载多低频探地雷达来研究埋藏冰的方法。研究人员在加拿大育空地区西南部的沙尔肖塔加山谷（别称：灰熊溪），沿着一条横跨冰碛覆盖冰川和冰-碎屑复合体的测线，使用了 50 MHz、100 MHz 和 200 MHz 的天线进行了机载飞行勘测。随后，将基于无人机的勘测结果与同一测线上两处人工 GPR 勘测的数据进行了对比。这两段人工勘测均使用相同频率的雷达系统以双站模式进行，并包含了共中心点（ Common Midpoint，CMP）测量。

总体而言，机载GPR成功识别出了埋藏冰，并能够估算冰体的厚度。值得注意的是，CMP 测量结果证实了地层特征，使得整条机载测线的深度得以精确测量。通过对比三种低频雷达的数据，研究人员能够在不同深度范围内区分细节特征，这不仅突显了该方法在未来用于量化埋藏冰方面的潜力，也表明其有望应用于碎屑厚度的调查。

本研究证实，将机载GPR与人工 CMP 测量相结合，是探测以往难以到达区域地下冰体的有效手段。

研究区概况

本研究位于加拿大育空地区西南部的 沙尔肖塔加山谷（别称：灰熊溪）。该区域展现了从洁净冰川到冰碛覆盖冰川，再到岩冰川的连续过渡地貌。测线设置在冰碛覆盖的冰川向冰-碎屑复合体的过渡区域。该区域地形崎岖，布满巨石，且有暴露的冰崖，是测试无人机在危险地形作业能力的理想场所。

图1 研究区位置图

图2 研究场地 (b) 及更大范围子流域山谷 (a) 内机载勘测、

人工勘测和 CMP（共中心点）测线的位置

数据采集与处理方法

研究人员采用了机载GPR解决方案，使用 DJI M600 Pro 无人机搭载 Zond Aero LF 探地雷达，并支持多频段作业（50 MHz、100 MHz 和 200 MHz）。

勘测过程中，无人机在激光高度计的控制下，保持在距地表约 5 米的恒定高度飞行。这一设计既有效降低了与地表巨石发生碰撞的风险，又确保了雷达信号具备足够的穿透力。此外，研究团队还系统性地开展了地面补充勘测与共中心点（CMP）测量，用于对机载探地雷达数据进行校准和验证，从而为精确测量冰层厚度提供了可靠的深度与波速数据。

研究结果

机载和地面的GPR调查结果证实了在陡峭且覆盖碎屑的冰川地形上绘制埋藏冰的可行性。虽然存在一些分辨率限制，但机载配置有效捕捉了地下结构，这一点通过CMP校准的人工调查得到了验证。

成功识别埋藏的冰。机载雷达有效绘制了3个不同冰体，覆盖430米的剖面，清晰划分出此前难以接近的埋藏冰体特征。利用Prism2.7处理和标注的机载探地雷达剖面数据（图3），分别为 (a) 50 MHz、(b) 100 MHz 和 (c) 200 MHz 测线。为便于强调，在三张雷达剖面图上均勾勒出了三个埋藏冰区域（B.I.1、B.I.2 和 B.I.3）。

图3 机载GPR剖面数据

图4为手持探地雷达剖面数据：(a–c) 为冰碛覆盖冰川上的 Manual 2 测线，(d–f) 为冰-碎屑复合体上的 Manual 1 测线。在图 (e) 中，h1、h2 和 h3 表示冰层高度测量值，d1、d2 和 d3 表示从地表到基底反射器的深度测量值。

图4 手持探地雷达剖面数据

图 5 为两组 CMP（共中点）测线的分析结果，其中（a–c）为 CMP 2 的 50 MHz、100 MHz、200 MHz 信号，（d–f）为 CMP 1 的对应频段信号。图中黄色线条为空气波轨迹信号，红色线条标识表层碎屑与冰层的分界面，蓝色线条对应冰体底层界面。

可以看到，50 MHz 和 100 MHz 频段的信号轨迹清晰，能够有效区分不同地层；而 200 MHz 频段受穿透深度限制，无法实现地层界面的清晰分离，因此无法用于估算碎屑层与冰层的物性参数。

图5 不同频率天线 CMP结果对比图

基于上述 CMP 信号分析，提取并整理了两组测线的关键参数，详见表 1。表中列出了不同频率下碎屑层与冰层的厚度、电磁波传播速度及相对介电常数，为后续冰层厚度的定量反演与精度验证提供了基础数据。

表1 CMP分析结果

高精度验证。与人工CMP测量的对比表明，机载测量结果与人工数据高度吻合，冰层高度（冰体自身厚度）平均绝对误差 1.8 m，地表至冰底总埋深平均绝对误差 1.1 m，显示了机载探地雷达技术的可靠性和精度。

提高效率和安全性。机载探地雷达技术使得对此前无法进入的地形进行了高效且安全的覆盖，减少了对危险人工测量的需求。

增强数据分辨率。机载探地雷达（GPR）使得在危险地形中人工勘测无法实现的覆盖冰层更广泛地绘制地图。分辨率受限于天线高度、信号噪声以及难以检测碎片与冰的界面，尤其是在200 MHz天线覆盖粗糙表面时。

研究结论

本研究表明，机载GPR是探测和测量传统人工方法无法到达的复杂、危险地形中埋藏冰的有效手段。尽管存在分辨率和穿透力的权衡，但通过结合人工 CMP 样线进行校准，机载GPR能够提供大范围、高效率的埋藏冰分布图，为未来的冰川变化监测和水文资源评估提供了可靠的技术路径。

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AERO LF NG是一款可用频率可定制的GPR系统，频率范围覆盖50~400MHz。用于地面和空中测量的通用探地雷达系统，采用实时采样（RTS）技术和先进的内置数字信号处理功能，可提供具有出色信噪比的高质量数据。轻量化设计，适用于DJI M400/M350 / M300 RTK 等中型无人机。Aero LF（低频）探地雷达（GPR） 系统专为地下深部调查而设计，特别是在地球物理、考古和工程应用中。其低频天线允许更大的穿透深度，但与高频系统相比分辨率较低。

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