Waterresourcebeheer in Grotten met de Leica BLK2GO en het Neuchâtel Centrum voor Hydrogeologie en Geothermiek

Een aanzienlijk deel van de Zwitserse waterbronnen bevindt zich in de complexe karstische aquifers, een kritisch natuurlijk systeem dat de nieuwsgierigheid van onderzoekers blijft wekken. Bij het Neuchâtel Centrum voor Hydrogeologie en Geothermiek (CHYN) lanceerde een team van wetenschappers, onder leiding van professor Phillipe Renard en begeleid door klimaatwetenschapper Dr. Tanguy Racine, een initiatief om deze bronnen diepgaand te begrijpen.    

Het doel was duidelijk: de fysica van waterstromen in grotten of ondergrondse karstkanalen bestuderen met behulp van innovatieve technologie – specifiek 3D-laserscanning met de Leica BLK2GO en een op maat gemaakt verlichtingssysteem van Méandre Technologie – om de kloof in het begrip van aquifers te overbruggen die traditionele meet- en modelleringsmethoden niet konden dekken.  

 

Diep ingaan op de vormen van ondergrondse karst

Volgens de United States Geological Survey zijn “[k]arstgebieden gekarakteriseerd door onderscheidende landschapsvormen (zoals bronnen, grotten, sinkholes) en een unieke hydrogeologie die resulteert in aquifers die zeer productief maar uiterst kwetsbaar voor vervuiling zijn.” Voor de karstische aquifers die door CHYN werden bestudeerd, omvatte het project gedetailleerde mapping van de interne oppervlakken van de karstgrotten om waterstromen en verontreiniging, onder andere factoren, te begrijpen.  

Het doel was het creëren van digitale tweelingen met 3D-puntwolkgegevens, kleurrijke panoramische beelden en hoge-resolutienetwerken. Het team voerde hun verkenningen uit op verschillende locaties, waaronder de Waterfall Cave in Môtiers en de Vallorbe-grot.    

Het navigeren door de reis door kilometerslange karstkanalen vereiste geavanceerde mobiele scantechnologie. De BLK2GO werd gekozen als hulpmiddel om dit doel te ondersteunen, met een waardevolle oplossing voor deze taak die een efficiënte manier bood om de complexe geometrie nauwkeurig vast te leggen. Met de BLK2GO konden onderzoekers grote gebieden snel in kaart brengen met meer mobiliteit dan traditionele scanners.    

Het vastleggen van elk kenmerk, of het nu een schacht, tunnel of steengruisgebied is, de efficiëntie van de BLK2GO stelde het team in staat om hun datastrategie aan te passen en zo alle benodigde gebieden vast te leggen. Wat voorheen misschien niet meetbaar was, werd al snel nauwkeurige 3D-puntwolkgegevens van elk gebied dat de onderzoekers moesten documenteren.  

 

Verlichting van het donkere ondergrondse netwerk van grotten

Een van de belangrijkste uitdagingen van deze ondergrondse expeditie was de juiste verlichting. In een natuurlijk lichtarme omgeving was het essentieel dat de BLK2GO effectief alle gegevens kon vastleggen. Het creëren van gekleurde puntwolkgegevens vereist verlichting, die scanners doorgaans niet zelf leveren – ze zijn afhankelijk van natuurlijk of kunstmatig licht om het terrein te verlichten, wat het mogelijk maakt om beelden vast te leggen en de gegevens die met LiDAR zijn verzameld, te kleuren.      

De onderzoekers stonden voor de uitdaging om een oplossing te vinden die de vereiste hoeveelheid verlichting bood om gekleurde puntwolkgegevens te verzamelen tijdens hun bewegingen.

Het team gebruikte een gespecialiseerd verlichtingssysteem ontworpen door Méandre Technologies. Dit add-on verlichtingssysteem, dat gemakkelijk aan de onderkant van het lichte BLK2GO-handvat werd bevestigd, verlichtte de kanalen en stelde de onderzoekers in staat om elk detail vast te leggen door geometrische gegevens met kleurinformatie te combineren, wat een enorm voordeel was voor hun werk.  

 

Digitale tweelingen van aquifers en kanalen creëren

Na hun terugkeer uit het veld was de volgende stap het verwerken van de verworven gegevens. Met behulp van Leica Cyclone REGISTER 360 PLUS-software verwerkten en reinigden ze de gekleurde 3D-puntwolkgegevens, die vervolgens werden gecondenseerd tot een toegankelijke vorm om een efficiënte geomorfologische analyse uit te voeren.    

Vervolgens creëerden ze verschillende netwerken in Leica Cyclone 3DR, waarmee ze licht wierpen op de geometrische kenmerken van de karstconduits.

Een opmerkelijke uitdaging die tijdens deze studie werd ondervonden, was dat GNSS niet beschikbaar was onder de grond om controlepunten te meten, en het team moest een continue puntwolk creëren vanuit het grottensysteem. Door gebruik te maken van GrandSLAM-technologie, slaagde het team erin de karstgrotten efficiënt vast te leggen. Bij het scannen van afstanden langer dan honderd meter, scande het team in gesloten lussen, waarbij de scan eindigde waar ze begonnen. Op deze manier kan de BLK2GO identieke kenmerken herkennen om de lange puntwolk correct uit te lijnen, en de onderzoekers konden bevestigen dat het 3D-model van de grot niet verschoven was tijdens de lange wandelingen.      

 

Analyse van ondergrondse waternetwerken

De detailrijke digitale tweelingen, vastgelegd door de BLK2GO en gecreëerd door het team, waren cruciaal voor het onderzoeken en synthetiseren van de geometrie van de ondergrondse waterconduitnetwerken. Bijvoorbeeld, hun gebruik voor het modelleren van hoe snel watergedragen verontreinigingen ondergronds worden getransporteerd is van onschatbare waarde. Met 3D-gegevens in de hand, konden de wetenschappers potentiële hotspots voor besmetting monitoren en de kwetsbaarheid van waterbronnen evalueren vanuit analytisch perspectief. Deze proactieve maatregel belooft de milieugezondheid te verbeteren en waterbronnen efficiënt te beheren.      

Toen het ging om het schatten van de waterstroomcapaciteit, bleken de digitale tweelingen van essentieel belang. Het begrijpen van de geometrische details van karstconduits, hun vorm, de stromingskenmerken bij elke bocht en draai, en de aanwezigheid en ruimtelijke relatie tussen kenmerken die de stroming belemmeren, is van vitaal belang voor nauwkeurige stroomschattingen. Door het meten en nemen van dwarsdoorsnedes van karst-quífers met de BLK2GO-gegevens, kon het team betrouwbare voorspellende modellen voor waterstroom, efficiëntie en capaciteit binnen deze conduits opbouwen. Deze gegevens hebben invloed op het beheer van waterbronnen en het vormgeven van beleid voor duurzaam watergebruik.      

 

Vooruitgangen in het onderzoek naar karstische aquifers

Het project toonde de robuuste capaciteiten van de Leica BLK2GO en bracht letterlijk licht in de belofte die handheld 3D-laserscantechnologie heeft om het begrip van natuurlijke hulpbronnen vooruit te helpen. De BLK2GO slaagde erin gegevens te verzamelen in een enkele veldtrip, waardoor meerdere veldbezoeken niet meer nodig waren en de algehele efficiëntie en effectiviteit van het project werden gemaximaliseerd.    

Voor Dr. Racine en het team van CHYN voldeed de BLK2GO aan de eisen voor het vastleggen van beperkte, donkere ondergrondse omgevingen. Het vermogen om snel en betrouwbaar datasets vast te leggen in deze omstandigheden, vooral in combinatie met de verlichtingseenheid van Méandre Technologie, effende de weg voor een dieper begrip en benutting van de belangrijke waterbronnen van Zwitserland.  

Naarmate we verder gaan met klimaatstudies en het begrijpen van hoe we waterbronnen duurzaam kunnen beheren, zal het idee van het scannen van voorheen onbereikbare ruimtes, het vastleggen van voorheen ontoegankelijke gegevens en het beter begrijpen van ons ecosysteem onderzoekers richting geven voor een volledig begrip van de aquifersystemen in Môtiers en de Vallorbe-grot.

Het werk van Dr. Racine en zijn team laat ons een toekomst zien waarin technologie dient als het medium dat ons verbindt met ondergrondse waternetwerken die moeilijk te bereiken of te meten waren. Deze wetenschappers leren nu precies hoe deze aquifers, conduits en grotten werken, wat onderzoekers en openbare werken helpt om duurzamere toepassingen van waterbronnen te monitoren en te creëren.  

 

Succes komt wanneer zorgvuldige planning samenkomt met slimme technologie. Leer meer over handheld scannen met de Leica BLK2GO hier.