本文要點(diǎn)：傳播鋸試驗(yàn)（PST）旨在評(píng)估積雪層破裂并可能導(dǎo)致的雪崩傾向。PST對(duì)積雪結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行評(píng)估，確定了可能在壓力下失效的薄弱層。通過(guò)模擬可能導(dǎo)致雪崩的條件，PST有助于理解積雪穩(wěn)定性的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)。然而，目前對(duì)PST的評(píng)估在很大程度上依賴于研究人員主觀觀察，鑒于人類感知的局限性，研究人員可能忽略了一些關(guān)鍵因素。這些因素可能會(huì)進(jìn)一步幫助研究人員提升對(duì)破裂傳播和層識(shí)別的理解。本文利用紅外圖像和基于事件的傳感器進(jìn)行了PST，以捕獲積雪的詳細(xì)圖像。這種創(chuàng)新的方法能夠使用SWIR成像儀獲得可見(jiàn)光譜以外的信息，并使用基于事件的傳感器檢測(cè)雪中的微移動(dòng)現(xiàn)象。SWIR成像為分析積雪層提供了一種突破性的方法，揭示了肉眼看不見(jiàn)的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。通過(guò)捕捉雪表面反射的陽(yáng)光，SWIR技術(shù)可以區(qū)分不同的層，識(shí)別水分含量，并揭示隱藏的結(jié)構(gòu)特征。這種能力增強(qiáng)了積雪的信息，有助于研究者更好地識(shí)別薄弱層并了解其行為。基于事件的傳感器能夠有效地實(shí)現(xiàn)每秒10000幀的傳輸速度，這利于PST期間信息的傳播。這些高速傳感器捕捉到裂縫發(fā)展和推進(jìn)時(shí)積雪內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化，為雪崩引發(fā)前的快速過(guò)程和相互作用提供了詳細(xì)的見(jiàn)解。本文對(duì)SWIR成像和基于事件的傳感器的實(shí)驗(yàn)揭示了新的特征，可以更好地理解破裂傳播。這種創(chuàng)新的方法為積雪和PST分析引入了新的參數(shù)。遵循這些新參數(shù)可以提高對(duì)軟弱層和破裂傳播的認(rèn)識(shí)。

本研究探討了短波紅外（SWIR）成像和基于事件的傳感器在PST和ECT測(cè)試中的應(yīng)用。SWIR成像提供了一種不同的方法來(lái)分析積雪層，通過(guò)捕捉可見(jiàn)光譜以外的細(xì)節(jié)，如水分含量的變化和肉眼不可見(jiàn)的微妙結(jié)構(gòu)特征[Hammonds等人（2023）]。同時(shí)，基于事件的傳感器提供了一種動(dòng)態(tài)方法來(lái)監(jiān)測(cè)裂縫的快速傳播，以每秒10000幀的速度記錄積雪的高速變化。

圖1：實(shí)驗(yàn)便攜裝置

SWIR光譜范圍為0.9至2.5 μm，位于可見(jiàn)光和中波紅外區(qū)域之間。與人眼可見(jiàn)的可見(jiàn)光譜不同，SWIR可以穿透霧、灰塵和其他遮蔽物，同時(shí)提供高對(duì)比度和清晰度。Reid等人（2014年）使用SWIR波長(zhǎng)對(duì)冰進(jìn)行分類（見(jiàn)圖2.a），而C.Schlundt等人（2011年）則使用SWIR確定雪粒徑（見(jiàn)圖2.b）。

圖2. a多光譜冰分類和b反射光譜

這些工作表明，在SWIR范圍內(nèi)，有一些參數(shù)可以幫助區(qū)分雪的類型。最近，Horton等人（2017）更關(guān)注雪崩風(fēng)險(xiǎn)，使用現(xiàn)場(chǎng)光譜儀研究了表面白霜晶體的光譜反射率（見(jiàn)圖3），Hammonds等人（2023）證明，使用多光譜成像儀，他們可以檢測(cè)雪中的液態(tài)水。

圖3. 光譜半球反射率

研究者使用900-1375nm的濾光片捕獲了這張SWIR圖像（見(jiàn)圖4），以聚焦光譜響應(yīng)的最大差異。SWIR成像通過(guò)高度揭示不同的層界面來(lái)增強(qiáng)雪地層學(xué)。為了強(qiáng)調(diào)對(duì)比，本文使用圖像后處理技術(shù)（對(duì)比度增強(qiáng)算法）來(lái)更好地顯示這些不同的層。可以看到的曲線是由于用于切割雪以隔離雪測(cè)試柱的電線造成的。將這些圖像與ROMAN的剖面圖進(jìn)行比較，明顯突出了相似之處（見(jiàn)圖4）：“經(jīng)典”分析首先重新引入了一種經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)的技術(shù)。

圖4. SWIR圖像和ROMANs的結(jié)果（2023）

然而，一些細(xì)節(jié)是肉眼看不見(jiàn)的，因此SWIR技術(shù)可以幫助研究者更好地理解和準(zhǔn)確解釋真實(shí)的雪剖面。為了證實(shí)這一初步觀察結(jié)果，研究者在2024年重復(fù)了同樣的測(cè)試，使用新的方法收集和后處理數(shù)據(jù)。

圖5. SWIR圖像和ROMANs結(jié)果（2024）

2024年，積雪情況和上年不同，如ROMANs剖面和SWIR圖像所示（見(jiàn)圖5），表明SWIR數(shù)據(jù)與ROMANs的結(jié)果一致。該積雪的可見(jiàn)圖像顯示了RO MANs結(jié)果中指示的砂層。在SWIR圖像中，可以清楚地看到積雪的三個(gè)主要層。底部較暗的區(qū)域代表了積雪的深度灰白色區(qū)域，如之前研究所預(yù)期的那樣，在ROMAN的結(jié)果中用紅色表示。可以看到積雪中較暗的區(qū)域，這可能說(shuō)明雪的不同物理性質(zhì)（含水量、顆粒類型、大小等）。復(fù)雜性在于它可以是所有這些屬性的混合。借助SWIR圖像，能夠通過(guò)可視化雪層來(lái)重建積雪的“雪歷史”。

圖6. SWIR 圖片（2024）和輪廓分析

通過(guò)沿線執(zhí)行概要分析（見(jiàn)圖6），可以看到研究的兩個(gè)主要界面。這兩個(gè)界面的梯度不同，它們的水平也不同。也許SWIR中的梯度和水平是兩個(gè)需要遵循的新參數(shù)。

SWIR波長(zhǎng)絕對(duì)可以提供比人類肉眼更多的信息。然而，應(yīng)該進(jìn)行更多的測(cè)試來(lái)確定應(yīng)該遵循哪些參數(shù)以及可以從中提取哪些信息。

圖7. 根據(jù)事件數(shù)據(jù)重建的圖像，具有不同的移動(dòng)區(qū)域

本文使用了足夠的累積時(shí)間來(lái)覆蓋裂紋的開(kāi)始和整個(gè)傳播過(guò)程，以構(gòu)建圖像（見(jiàn)圖7）。為了更好地理解本文的其余工作，研究者定義了兩個(gè)區(qū)域：“鋸后”，即鋸已經(jīng)損壞薄弱層的區(qū)域，以及“鋸前”，即鋸子尚未損壞薄弱層。使用之前重建的圖像（見(jiàn)圖7），可以觀察到四個(gè)感興趣的區(qū)域。為了分析這些不同區(qū)域隨時(shí)間的變化，本文用較小的累積時(shí)間重建了圖像，并創(chuàng)建了一個(gè)3D表示來(lái)整合時(shí)間變化（見(jiàn)圖8）。

圖8. 3D時(shí)間幀

在紅色區(qū)域，可以看到鋸后面的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，在T0的第二張圖像中，可以看到左上角（黃色區(qū)域）的運(yùn)動(dòng)，表明彎曲。最后，在雪剖面右側(cè)鋸前的綠色區(qū)域，可以看到裂紋從左向右擴(kuò)展的運(yùn)動(dòng)。

TSOR表示斷裂開(kāi)始的時(shí)間，即上板由于鋸切的應(yīng)變而彎曲，但此時(shí)沒(méi)有傳播。這些觀察結(jié)果表明，鋸后存在一種機(jī)械現(xiàn)象，產(chǎn)生應(yīng)變和機(jī)械故障，這些應(yīng)變和故障可以通過(guò)雪梁的其余部分傳播。

圖9. PST 1

圖10. PST 2的切片

在研究者的測(cè)試中，使用CT識(shí)別出不同深度的兩個(gè)薄弱層。在較高的弱層中進(jìn)行了PST，并觀察到?jīng)]有滑動(dòng)的坍塌和傳播（見(jiàn)圖9）。第二幀中發(fā)現(xiàn)的一些動(dòng)作可能表明破裂的開(kāi)始，但左上角是隱藏的，所以它不像第一次測(cè)試那么清楚。在執(zhí)行了第一次PST后，研究者決定在積雪內(nèi)確定的較低薄弱層進(jìn)行另一次PST（見(jiàn)圖10）

在第二幀上，可以看到左上角的板材彎曲，這可以確定為斷裂的開(kāi)始。與2023年的觀測(cè)不同，觀察到雪梁頂部的運(yùn)動(dòng)比鋸更遠(yuǎn)。在下一幀中，運(yùn)動(dòng)較少，這可能表明傳播不完整或存在漂移效應(yīng)。最后，在第四幀中，研究者觀察到了傳播，其特征是板的坍塌。

圖11. PST 1和2的切片

圖11顯示了這兩個(gè)連續(xù)PST的完整可視化。有趣的是，觀察到第一和第二PST的每個(gè)相似幀之間的時(shí)間延遲保持不變，這表明在這兩個(gè)不同的弱層中傳播的動(dòng)力學(xué)是相同的。然而，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)查，以完善這些觀察結(jié)果，并進(jìn)行可靠的裂紋速度測(cè)量。有趣的是，觀察到第一和第二PST的每個(gè)相似幀之間的時(shí)間延遲保持不變，這表明在這兩個(gè)不同的弱層中傳播的動(dòng)力學(xué)是相同的。然而，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)查，以完善這些觀察結(jié)果，并進(jìn)行可靠的裂紋速度測(cè)量。

此外，值得強(qiáng)調(diào)的是，在2023年期間進(jìn)行測(cè)試時(shí)，在PST期間，發(fā)生了初始傳播，但沒(méi)有導(dǎo)致孤立的雪測(cè)試柱滑動(dòng)。然后在同一薄弱層進(jìn)行第二次PST，在這次測(cè)試中，發(fā)生了第二次傳播，導(dǎo)致整個(gè)雪測(cè)試柱滑動(dòng)。如下圖所示（見(jiàn)圖17）。

圖12. 表示同一弱層中的兩次傳播（第一次為紅色，第二次為綠色）

在2024年的測(cè)試中，研究者決定從山腰進(jìn)行PST，以獲得不同的視角，而不會(huì)受到操作員的掩模效應(yīng)。用足夠的空間隔離了積雪，以便從后面進(jìn)行PST。在這項(xiàng)測(cè)試中，研究者在雪梁滑動(dòng)之前，在同一薄弱層中連續(xù)進(jìn)行了6次PST。為了直觀地展示這一點(diǎn)，本文在同一張圖片中繪制6種傳播（見(jiàn)圖13）。從下到上的色階顯示了傳播次數(shù)，第一次傳播在色階的底部，最后一次傳播在頂部。對(duì)于每次傳播，本文使用以傳播事件為中心的1秒時(shí)間線。

圖13. 多重傳播展示

每個(gè)PST結(jié)果都是陽(yáng)性的，即板的彎曲意味著裂紋擴(kuò)展到薄弱層，隨后是板的坍塌。雪束在每次傳播后都會(huì)移動(dòng)，最終導(dǎo)致板材滑動(dòng)，這可能是因?yàn)殇徢袑?dǎo)致其整體角度增強(qiáng)（最初測(cè)量的坡度角為26°）。

這項(xiàng)研究的目的是使用新的傳感器來(lái)克服人類感知的局限性，通過(guò)捕獲可見(jiàn)光譜以外的信息，同時(shí)做到比人眼更快。研究者在兩個(gè)單獨(dú)的時(shí)間段中進(jìn)行了測(cè)試，以比較不同冬季的數(shù)據(jù)，從而改進(jìn)觀測(cè)結(jié)果。使用SWIR成像儀，研究者可以看到可見(jiàn)光以外的信息，并能夠拍攝到類似于樹(shù)木年輪的積雪歷史。通過(guò)剖面分析來(lái)分析這片積雪，揭示了兩個(gè)值得遵循的參數(shù)（坡度和水平）。有了事件傳感器，可以用體積較小的相機(jī)捕捉到非常高速的現(xiàn)象。這為高速事件的分析開(kāi)辟了一個(gè)領(lǐng)域，例如裂紋擴(kuò)展和不安全區(qū)域的板坯坍塌。使用這種類型的傳感器，可以在不使用目標(biāo)或加速計(jì)的情況下接近裂紋速度測(cè)量值。總之，采用這種創(chuàng)新方法跟蹤C(jī)T和PST可以進(jìn)一步理解，新的參數(shù)——高光照——可能是高活性的弱層。

參考文獻(xiàn)

GOUJON C, DUCLOS A, PERILLAT C, et al. CAN WE SEE THE UNSEEN? TO BETTER UNDERSTAND CRACK PROPAGATION A THE ORIGIN OF AN AVALANCHE AND RELATED PHYSICAL PRINCIPLES[J].