A new WebGIS approach to support ground penetrating radar deployment

En raison de l’agglomération complexe des infrastructures souterraines dans les grandes zones urbaines et des préoccupations accrues des municipalités ou des gouvernements qui déploient des systèmes d’information foncière ou des industries qui souhaitent construire ou creuser, il devient de plus en plus impératif de localiser et de cartographier avec précision les pipelines, les câbles d’énergie hydroélectrique, les réseaux de communication ou les conduites d’eau potable et d’égout. Le géoradar (Ground Penetrating Radar ou GPR) est un outil en géophysique qui permet de produire des images en coupe du sous-sol desquelles de l’information utile sur les infrastructures souterraines peut être tirée. Des expériences antérieures et une analyse documentaire approfondie ont révélé que les logiciels disponibles pour réaliser des levés GPR qui sont utilisés directement sur le terrain et hors site ne reposent pas ou très peu sur des fonctionnalités géospatiales. En outre, l’intégration de données telles que la visualisation de données GPR dans des espaces géoréférencés avec des orthophotos, des cartes, des points d’intérêt, des plans CAO, etc., est impossible. Lorsque disponible, l’ajout d’annotations ou l’interrogation d’objets géospatiaux susceptibles d’améliorer ou d’accélérer les investigations ne proposent pas des interfaces conviviales. Dans ce projet de recherche, une nouvelle approche est proposée pour déployer le GPR et elle est basée sur quatre fonctionnalités issues du Web et des systèmes d’information géographique (WebGIS) jugées essentielles pour faciliter la réalisation de levés GPR sur le terrain. Pour démontrer la faisabilité de cette nouvelle approche, une extension de la plate-forme logicielle existante GVX (conçue et vendue par Geovoxel) appelée GVX-GPR a été développée. GVX-GPR propose aux utilisateurs d’instruments GPR quatre fonctionnalités soit 1) intégration de cartes, 2) géo-annotations et points d’intérêt, 3) géoréférencement et visualisation de radargrammes et 4) visualisation de sections GPR géoréférencées. Afin de tester l’approche WebGIS et GPXGPR, deux sites d’étude ont été relevés par deux professionnels différents, un expert et un non-expert en géophysique, ont été sélectionnés. Une première expérimentation réalisée sur le campus de l’Université Laval à Québec prévoyait l’identification de trois objets enterrés soit un câble électrique, une fibre optique et un tunnel dont leur position XYZ était connue. Le deuxième essai s’est passé à l’Universidade Federal do Rio de Janeiro (Rio de Janeiro, Brésil), avec un professionnel expert en géophysique. Ce 2e site cherchait à reproduire un environnent plus réaliste avec une quantité inconnue d’objets enterrés. Les quatre fonctionnalités proposées par GVX-GPR ont donc été testées et leur intérêt discuté par les deux utilisateurs GPR. Les deux utilisateurs GPR se sont dits très intéressés par l’outil GVX-GPR et ses nouvelles fonctionnalités et ils aimeraient pouvoir l’intégrer à leur travail quotidien car ils y voient des avantages. En particulier, l’approche et GVX-GPR les a aidés à découvrir de nouvelles cibles, à délimiter le territoire à couvrir, à interpréter les données GPR brutes en permettant l’interaction entre les données géospatiales (en ligne) et les profils de données GPR, et finalement pour la cartographie à produire tout en respectant la norme CityGML (donc utile au partage éventuel des données). De même, une fois le système maitrisé, GVX-GPR a permis d’optimiser la durée du levé. Ce projet de maitrise a donc permis d’élaborer une nouvelle approche pour effectuer des levés GPR et proposer un outil logiciel pour tester la faisabilité de celle-ci. Une première étape de validation de la faisabilité et de l’utilité a été réalisée grâce aux deux tests effectués. Évidemment, ces deux tests sont des premiers pas dans une phase plus large de validation qui pourrait s’effectuer, et ils ont ouvert la porte à des ajustements ou l’ajout d’autres fonctionnalités, comme la manipulation des outils de visualisation 3D et l’ajout de filtres et traitement de signal. Nous estimons néanmoins ces premiers tests concluant pour ce projet de maîtrise, et surtout ils démontrent que les instruments GPR gagneraient à davantage intégrer les données et fonctionnalités géospatiales. Nous pensons également que nos travaux vont permettre à des communautés de non spécialistes en géophysique de s’intéresser aux instruments de type GPR pour les levés d’objets enfouis. Notre approche pourra les aider à préparer les données géospatiales utiles à la planification, à effectuer le levé terrain et à produire les cartes associéesDue to the complex agglomeration of underground infrastructures in large urban areas and accordingly increased concerns by municipalities or government who deploy land information systems or industries who want to construct or excavate, it is imperative to accurately locate and suitability map existing underground utility networks (UUN) such as pipelines, hydroelectric power cables, communication networks, or drinking water and sewage conduits. One emerging category of instrument in geophysics for collecting and extracting data from the underground is the ground penetrating radar (GPR). Previous experiments and a thorough literature review revealed that GPR software used in and off the field do not take advantage of geospatial features and data integration such as visualization of GPR data in a georeferenced space with orthophotographies, map, point of interest, CAD plans, etc. Also missing is the capability to add annotation or querying geospatial objects that may improve or expedite the investigations. These functions are long-lived in the geospatial domain, such as in geographic information system (GIS). In this research project, a new approach is proposed to deploy GPR based on four core WebGIS-enabled features, used to support field investigations with GPR. This WebGIS is based on an existing platform called GVX, designed and sold by Geovoxel as a risk management tool for civil engineering projects. In this proposed approach, a generic guideline based on GVX-GPR was developed which users can follow when deploying GPR. This approach is based on four core features which are missing on most GPR software, (1) map integration, (2) geo-annotations and points of interest, (3) radargram georeferencing and visualization, and (4) georeferenced slice visualization. In order to test the designed WebGIS-based approach, two different professionals, an expert in geophysics and a person without any background in geophysics, used the proposed approach in their day-to-day professional practice. The first experiment was conducted at Université Laval (Québec – Canada) when the subject undertook an area to a survey in order to identify 3 possible targets premapped. The second, with a Geophysics-specialist, took place in Rio de Janeiro, at Universidade Federal do Rio de Janeiro’s campus. This study covered an area counting on an unknown number of buried objects, aiming at reproducing a realistic survey scenario. Four new feature were added and discussed with GPR practitioners. Both GPR user declared to be very interested by the proposed by the tool GVX-GPR and its features, being willing to apply this software on their daily basis due to the added advantages. Particularly, this approach has aided these professionals to find new buried objects, delimit the survey area, interpret raw GPR data by allowing geospatial data interaction and GPR profiles, and, finally, to produce new maps compliant with standards such as CityGML. Also, once mastered, the technology allowed the optimization of survey time. This project enabled the development of a new approach to leverage GPR surveys and proposed a new tool in order to test the approach’s feasibility. A first step into the validation of this proposal has been taken towards a feasibility and utility evaluation with two tests accomplished. Unmistakably, these are the first steps of a likely larger validation process, opening up new possibilities for the continuity of the project such as the addition of signal processing techniques and 3D data handling. We nevertheless consider these conclusive for this master’s project, above all demonstrating the value add by geospatial data integration and functions to GPR instruments. This work is also intended to the community of newcomers, or interested in GPR, to further explore this technology, since this approach shall facilitate the preparation, execution, and post-processing phases of a GPR survey

Apports de l'ultra large bande et de la diversité de polarisation du radar de sol pour l'auscultation des ouvrages du génie civil

The Ground Penetrating Radar technique (GPR) is now widely used as a non destructive probing and imaging tool in several civil engineering applications mainly concerning inspection of construction materials and structures, mapping of underground utilities and voids, characterization of sub-structures, foundations and soil and estimation of sub-surface volumetric moisture content. GPR belongs to a continuously evolving field due to electronic integration, high-performance computing, and advanced signal processing. The promotion of this technology relies on the development of new system configurations and data processing tools for the interpretation of sub-surface images. In this context, the work presents first the dual polarization UWB ground coupled GPR system which has been developed recently. Then, the data processing has focalized on the development of analysis tools to transform the raw images in a more user-readable image in order to improve the GPR data interpretation especially within the scope of detection of urban pipes and soil characterization. The processing means used concern clutter removal in the pre-processing step using adaptations and extensions of the PCA and ICA algorithms. Moreover, a template matching image processing technique is presented to help the detection of hyperbola within GPR raw B-scan images. The dual polarization is finally shown to bring additional information and to improve the detection of buried dielectric objects or medium discontinuities. The performances of our analysis approaches are illustrated using synthetic data (3D FDTD simulations) and field-measurement data in controlled environments. Different polarization configurations and dielectric characteristics of objects have been considered. The potential for target discrimination has been quantified using statistical criteria such as ROCLa technique de Georadar (GPR) est actuellement largement utilisée comme une technique non-destructive de sondage et d'imagerie dans plusieurs applications du génie civil qui concernent principalement: l'inspection des structures et des matériaux de construction, la cartographie des réseaux enterrés et des cavités, la caractérisation des fondations souterraines et du sol ainsi que l'estimation de la teneur en eau volumique du sous-sol. Le radar GPR est une technique en continuelle évolution en raison de l'intégration toujours plus poussée des équipements électroniques, des performances des calculateurs numériques, et des traitements du signal avancés. La promotion de cette technologie repose sur le développement de nouvelles configurations de systèmes et d'outils de traitement des données en vue de l'interprétation des images du sous-sol. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse présentent tout d'abord le système GPR ULB (Ultra large bande) à double polarisation couplé au sol, lequel a été développé récemment au laboratoire. Par la suite, les traitement des données ont été focalisés sur le développement d'outils d'analyse en vue d'obtenir à partir des images brutes des images plus facilement lisibles par l'utilisateur afin d'améliorer l'interprétation des données GPR, en particulier dans le cadre de la détection de canalisations urbaines et la caractérisation des sols. Les moyens de traitement utilisés concernent l'élimination du clutter au cours d'une étape de prétraitement en utilisant des adaptations et des extensions des algorithmes fondés sur les techniques PCA et ICA. De plus, une technique de traitement d'image ‘'template matching” a été proposée pour faciliter la détection d'hyperbole dans une image Bscan de GPR. La diversité de polarisation est enfin abordée, dans le but de fournir des informations supplémentaires pour la détection d'objets diélectriques et des discontinuités du sous-sol. Les performances de nos outils d'analyse sont évaluées sur de données synthétiques (simulations 3D FDTD) et des données de mesures obtenues dans des environnements contrôlés. Pour cela, nous avons considéré différentes configurations de polarisation et des objets à caractéristiques diélectriques variées. Le potentiel de discrimination des cibles a été quantifié en utilisant le critère statistique fondé sur les courbes RO