Ice growth and decay on road cuts along Bynesveien in Trondheim

Abstract

Dannelse-, smelte- og nedfallsprosessene til en iskjøving langs fylkesvei 715 i Trøndelag i Norge ble kartlagt gjennom vinteren 2019/2020, med det formål å undersøke påvirkningen av luft- og bergtemperatur på endringer i isvolumet. Daglige volumendringer ble dokumentert ved tre-dimensjonale fotogrammetrimodeller. Modellene ble laget ved hjelp av Structure from Motion, med et håndholdt DSLR kamera, samt med tre actionkameraer montert på en bil. Modellene ble korrelert med LiDAR-modeller fra samme dag. LiDAR-modellene antas å rekonstruere overflaten med høyest nøyaktighet. Sammenligningen ble benyttet for å undersøke egnetheten av fotogrammeteri for å rekonstruere isdekket berg. I tillegg ble isutviklingen dokumentert med et automatisert kamera som tok bilder hvert tiende minutt. Dette ga detaljerte observasjoner av isvekst og isnedfall. I tillegg ble berg- og lufttemperaturloggere installert på studieområdet. Endringer i isvolumet ble diskutert i sammenheng med den registrerte berg- og lufttemperaturen, samt med temperaturdata fra værstasjoner i nærheten.

Én isformasjonsperiode ble observert i løpet av studieperioden i februar/mars 2020. Den genererte et isvolum på omtrent 25 m³. Mesteparten av isen ble dannet i løpet av seks dager med temperaturer mellom 0°C til -8°C. De påfølgende seks dagene karakteriseres av temperaturer rett over 0°C. I denne perioden økte istykkelsen de første tre dagene, etterfulgt av en stabilisering av isvolumet. En temperaturøkning på 6,7°C/11 timer initierte isreduksjonen. Nedgangen i isvolumet foregikk ved en kombinasjon av smelting og små isras. Bergtemperaturen var over 0°C under hele iskjøvingsperioden, noe som tyder på at isen er festet til veggen ved friksjon og ikke ved hjelp av isbroer mellom isen og berget.

Erfaringene fra denne perioden ble sammenlignet med observasjoner fra to kuldeperioder i mars og november 2019. Sistnevnte ble dokumentert i forbindelse med en tidligere prosjektoppgave. Den besto av en vekstperiode på 11 dager, som dannet et isvolum på 29 m³, etterfulgt av isreduksjon. Reduksjonen ble initiert etter 11 dager med plussgrader, etter en temperaturøkning på 5°C/7 timer. Isreduksjonen avvek fra mars 2020 ved at den hovedsakelig forekom ved mer massive isras, hvorav noen krysset veien. Isomfanget i mars 2019 ble dokumentert av NGU for å teste utstyr. Isvolumet var noe større, men isreduksjonsperioden ble ikke dokumentert.

Totalt 17 Structure from Motion-modeller ble brukt for å kartlegge de tredimensjonale endringene i isvolumet i løpet av isperiodene i februar/mars 2020, november 2019 og mars 2019. Ved å beregne isens tykkelse i avgrensede områder kunne detaljerte endringer i isen kartlegges. Fotogrammetrimodellenes presisjon økte i løpet av studieperioden, og stabiliserte seg på et standardavvik i feil på 5-7 mm, som følge av at fotograferingen og prosesseringen av modellene ble optimalisert. Store kontraster mellom stein og is krever optimal bildeeksponering for å fange detaljer i både is og stein. Punktskyene med lav presisjon ble assosiert med over- eller undereksponerte bilder. Alle modellene krevde manuelt justerte kamerainnstilligner. Dette forbedret resultatet i stor grad. DLSR-modellene samsvarer bra med LiDAR-modellene med en feil på 0 ± 12 mm, en økning fra 0 ± 4 mm når det ikke er is i modellene. Den primære feilen skyldes dårlig rekonstruksjon av fritthengende istapper, mens massiv is og det omkringliggende berget viser lavere feil.

Temperaturdata fra 1923 og fram til i dag viser stor variasjon i vintrene, med en trend mot vintre med kortere og varmere perioder med minusgrader. Kun fem vintre har hatt så korte og så varme kuldeperioder som vinteren 2019/2020. Fire av de seks vintrene ble observert i løpet av de siste 13 årene. Det diskuteres om økte svingninger i temperaturen over og under 0°C som følge av klimaendringer kan øke israsfrekvensen.

Totalt ble fire mindre steinsprang observert langs den 340 m lange vegstrekningen i løpet av vinteren 2019/2020, noe som underbygger høy steinsprangaktivitet, som dokumentert i NVEs skreddatabase. Statistikk fra området viser en økning i steinsprang om vinteren og våren, noe som antyder at fryse-tineprosesser påvirker skråningens stabilitet. Kun ett av de fire steinsprangene ble registrert i NVEs skreddatabase, noe som antyder stor underrapportering.

The growth, melt and collapse processes of the ice covering a rockwall along road 715 in Trøndelag in Norway were surveyed throughout the winter of 2019/2020, with the aim of investigating the impact of air and rock temperature on its evolution. Daily changes in ice volume were detected by three dimensional photogrammetry models. The models were developed by Structure from Motion with a handheld DSLR camera, and with three action cameras mounted on a moving car. The photogrammetry models were compared to LiDAR models collected on the same day. LiDAR models are assumed to reconstruct the three dimensional surfaces most adequately. The comparison was done to investigate the suitability of the method of photogrammetry for reconstructing ice-covered rock. Additionally, the detailed ice evolution was recorded by an automated camera capturing images every 10 minutes, allowing for exact recordings of ice growth and ice falls. Furthermore, air and rock temperature loggers were installed at the study site. The changes in ice volume were discussed in correlation to the rock and air temperature records, and to temperature data from nearby weather stations.

One main ice formation period in February/March 2020 was observed during the time of study, generating a total ice volume of approximately 25 m³. The majority of the ice formed during a period of six days with temperatures between 0°C to -8°C. The following six days were characterized by temperatures slightly above 0°C. During that period the ice thickness continued to increase during the first three days, followed by a stabilization of the volume. A temperature increase of 6.7°C/11hrs initiated the ice reduction. The decay occurred as a combination of melting and small ice falls. The rock temperature was above 0°C throughout ice coverage, suggesting that the ice is adhered to the wall by friction and not by ice bridges.

The data were compared to observations from two cold periods in March and November 2019. The latter was documented in a previous specialization project. It consisted of a growth period of 11 days, generating a volume of 29 m³, followed by ice decay. This was initiated after 11 days of positive temperatures, after a temperature increase of 5°C/7hrs. The decay deviated from that of March 2020, occurring primarily by more massive ice falls, some of which crossed the road. The ice extent of March 2019 was documented by NGU to test the equipment. The ice volume was larger, but no data from the period of decay was recorded.

A total of 17 models of Structure from Motion were used to detect the three-dimensional changes in the ice volume throughout the ice formation periods of February/March 2020, November 2019 and March 2019. Investigating the thickness of the ice in limited areas provided a method for detailed observation of changes. The precision of the photogrammetry models increased throughout the period of study, stabilizing on a standard deviation of error of 5-7 mm, as the acquisition procedure and processing were optimized. Large contrasts between rock and ice demand optimal camera exposure for capturing details in both surfaces. Point clouds of low precision were generally associated with over- or underexposed photos. All models demanded a high degree of manual adjustments, largely improving the result. The DLSR models correspond well to LiDAR models with an error of 0±12 mm, an increase from 0±4 mm when no ice is present in the models. The primary error results from poor reconstruction of freely hanging icicles, while the massive ice and surrounding rock reveal small errors.

Temperature data from the last century reveal a large variation in the severity of the winters, with a trend towards an increase of winters with shorter and warmer periods of negative temperatures. Only five winters have had cold periods as short and comparable warm as the winter of 2019/2020. Four of these six winters occurred during the last 13 years. It is suggested that climate change causing larger fluctuations in temperatures from below 0°C to above 0°C, and increased liquid precipitation during winter may result in an increased frequency of ice falls as periods of growth and decay occur several times during one winter.

A total of four minor rock falls were observed along the 340 m long road section during the winter of 2019/2020, supporting the high number of rock falls registered in the public landslide database. Statistics from the study area show an increase in rock falls during winter and spring, suggesting a large impact of freeze-thaw processes on the occurrence of rock falls. Only one of the four mapped rock falls were registered in the landslide database, revealing an under reporting in registrations.