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Constructive Inversion of Vadose Zone GPR Observations

Buchner, Jens Stefan

German Title: Konstruktive Inversion von GPR Beobachtungen der vadosen Zone

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Abstract

To predict the of Earth system dynamics, observations of the vadose zone structure and water content are of vital interest. A suited measurement technique is ground penetrating radar (GPR). In this dissertation, the constructive inversion of surface GPR data is introduced. It relies on a parameterized model of the subsurface structure and distribution of dielectric permittivity. With it, GPR measurements are simulated by numerically solving Maxwell’s equations. After detecting signals in the measured and simulated data, the residuals of the signals’ traveltime and amplitude is iteratively minimized to estimate the subsurface parameters. Then, water content is computed from dielectric permittivity. The method was applied to measurements obtained on a testbed, providing ground-truth data. A comparison with the estimation results showed an agreement for the structure within ±5 cm and for the water content, a difference less than 2 % vol. A further evaluation of field data demonstrated the method’s applicability, when representing structure and permittivity by spline functions. Additionally a time-series was evaluated with assuming a constant structure, which enabled to interpret water dynamics. Besides providing accurate information on water content distribution and subsurface structure, the method allows the future attempt to estimate hydraulic properties.

Translation of abstract (German)

Um die Dynamik des Erdsystems vorherzusagen, sind Beobachtungen von Struktur und Wassergehalt der vadosen Zone von großem Interesse. Ein dafür geeignetes Messinstrument ist Ground Penetrating Radar (GPR). In dieser Dissertation wird die konstruktive Inversion von Oberflächen-GPR-Daten vorgestellt. Sie basiert auf einem parametrisierten Modell von Struktur und Verteilung der dielektrischen Permittivität des Untergrunds. Unter Verwendung des Modells werden GPR-Messungen durch die numerische Lösung der Maxwell-Gleichungen simuliert. Nach der Detektion von Signalen in den gemessenen und simulierten Daten, wird das Residuum der Signallaufzeit und -amplitude iterativ minimiert, um die Parameter des Untergrundmodells zu schätzen. Anschließend wird der Wassergehalt aus der dielektrischen Permittivät berechnet. Die Methode wurde auf Messungen eines Testvolumens mit bekannter Struktur und Wassergehalt angewendet. Ein Vergleich mit den Schätzungen zeigte eine Übereinstimmung der Struktur von in- nerhalb ±5 cm und für den Wassergehalt eine Abweichung von weniger als 2 % vol. Die weitere Auswertung von Felddaten zeigte die Anwendbarkeit der Methode, wenn die Struktur und die Permittivität durch Splines dargestellt werden. Weiterhin wurde eine Zeitreihe unter der Annahme einer konstanten Struktur ausgewertet, was eine Interpretation der Wasserdynamik ermöglichte. Neben der Bereitstellung genauer Informationen über die Wassergehaltsverteilung und Struktur des Untergrunds, gestattet die Methode den zukünftigen Versuch der Schätzung von hydraulischen Parametern.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Roth, Prof. Dr. Kurt
Place of Publication: Heidelberg, Germany
Date of thesis defense: 23 November 2012
Date Deposited: 07 Dec 2012 11:04
Date: 30 November 2012
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
550 Earth sciences
Controlled Keywords: Georadar, Ungesättigte Zone, Bodenwassergehalt, Inversionsalgorithmus, Parameterschätzung, Elektromagnetismus
Additional Information: CD-ROM zur Dissertation im Druckexemplar unter der Signatur: 2013 U 32
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