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Main Title: Georadar for small-scale high-resolution dielectric property and water content determination of soils
Translated Title: Georadar zur kleinräumig hochauflösenden Bestimmung von dielektrischen Eigenschaften und des Wassergehaltes von Böden
Author(s): Schmalholz, Jürgen
Advisor(s): Yaramanci, Ugur
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Um zeitliche und andere Prozesse, die durch den volumetrischen Wassergehalt im Boden verursacht werden zu verstehen wird eine genaue Kenntnis der Wasserverteilung im Boden benötigt. Die Anwendbarkeit des Georadar Verfahrens für die Abbildung und zeitliche Überwachung kleinräumiger Bodenheterogenitäten wird untersucht. Standard Georadar Methoden können wegen der im obersten Meter des Bodens ungenügend vorhandenen Reflektoren mit ausreichender Größe keine adäquate Überdeckung des Untersuchungsgebietes unter Feldbedingungen liefern. Es wurden deshalb die vier vielversprechendsten Methoden evaluiert um eine Auswahl für verschiedene fallspezifische Problemstellungen anzubieten. Auf Grund des mittelnden Charakters des Georadar Verfahrens mussten die vorgestellten Methoden für die Fragestellung zur kleinräumigen Untersuchung angepasst werden. Basierend auf numerischen Simulationen und prägnanten Messungen wurden neue Bearbeitungsschritte verwendet um eine räumliche Auflösung von weniger als 0.3 m zu erreichen. Alle vier Methoden konnten unter realistischen Bedingungen im Feld erfolgreich durchgeführt werden. An einer Säule, welche mit ungestörtem natürlichem Boden gefüllt war, wurden Transmissionsmessungen durchgeführt. Im Zuge eines Beregnungsversuches konnte sowohl die Wasserinfiltration als auch die Wasserversickerung nach Abschluss der eigentlichen Bewässerung verfolgt werden. Mittels Georadar Transmissionstomography konnte zusätzlich die Wassergehaltsverteilung während der Versickerungsphase mit einer räumlichen Genauigkeit von 0.1 m und einer zeitlichen Auflösung von etwa 30 min bestimmt werden. Gegenüber der herkömmlichen Vorgehensweise wurde die Aufzeichnung von Georadar Bodenwellen Daten dahingehend optimiert, dass räumlich dichtere Daten zur Verfügung standen. Nach Anwendung eines Laufzeit Inversionsalgorithmus konnten nicht nur Anomalien, welche mit herkömmlichen Methoden nicht detektierbar sind, genau lokalisiert werden sondern auch deren wahrer volumetrischer Wassergehalt bestimmt werden. Durch die Anwendung des Laufzeit Inversionsalgorithmus konnte eine Verbesserung der räumlichen Zuordnung um etwa das Achtfache erzielt werden. Des Weiteren liefert die hier durchgeführte Methode verlässlichere Daten als herkömmliche Standard Bodenwellenmessungen mit vergleichbarer räumlicher Auflösung. Die lokale vertikale Verteilung des volumetrischen Wassergehaltes wurde mit der radar basierten Zeitbereichs Reflektometrie (RB-TDR) bestimmt. Wenngleich diese Methode nicht als zerstörungsfrei bezeichnet werden kann wird dennoch nur eine minimale Störung des Bodens verursacht. Ähnlich der Zeitbereichs Reflektometrie (TDR) werden Laufzeiten geführter elektromagnetischer Wellen ausgewertet. Der Aufbau der RB-TDR Methode besteht aus einem Metallrohr, das direkt neben einer Georadarantenne senkrecht in den Boden gesteckt wird. Bringt man das Rohr nun kontinuierlich weiter in den Boden ein, so kann die Verteilung des Wassergehaltes der Umgebung ermittelt werden. Wassergehalte können mit einer vertikalen Genauigkeit von etwa 0.1 m sowohl für scharfe Grenzen als auch für graduelle Übergänge erzielt werden. Standard Reflexionsmessungen mit festem Antennenabstand können wertvolle Informationen beinhalten selbst wenn keine aussagekräftigen Reflexionsereignisse vorhanden sind. Diffraktionenerzeugende Objekte können Informationen über den darüberliegenden volumetrischen Wassergehalt des Bodens liefern. Wenn die Diffraktions Geschwindigkeitsanalyse (DVA) durchgeführt wird können zwei dimensionale Wassergehaltsverteilungen abgeleitet werden. Wird zusätzlich ein zwei dimensionaler Migrationsalgorithmus angewendet, so kann die Gültigkeit der Wassergehaltsverteilung überprüft und zusätzliche Diffraktoren aufgespürt werden, was die räumliche Auflösung weiter verbessert.
To understand processes and dynamics linked to the volumetric water content of soils thorough knowledge of the water distribution inside soils is required. The applicability of the georadar technique for small scale soil heterogeneity mapping and monitoring is investigated using four different methods. Since the uppermost meter of the soil lacks a sufficient amount of spacious reflectors no standard georadar methods can supply adequate coverage of the investigated area under field conditions. Therefore four methods were evaluated to present an assortment of the most promising methods for different case specific problems. Owing to the averaging nature of the georadar technique the introduced methods needed to be adapted to small scale investigations. Based on numerical simulations and concise measurements new processing procedures are applied to achieve the required spatial resolution of less than 0.3 m. All four methods were successfully applied during realistic field measurement conditions. The transmission method is applied to a soil column experiment filled with undisturbed natural soil. In the course of an irrigation experiment the infiltration of the water front as well as the water dynamics afterwards were reproduced. The application of georadar transmission tomography provided spatial allocatable water content distributions over the time of the water seepage with spatial accuracies of approximately 0.1 m and a temporal resolution of approximately 30 min. The acquisition of georadar ground wave data was optimized in order to record denser sampled datasets than generally used. Applying a travel time inversion algorithm enabled the localization and the determination of true volumetric water contents of otherwise masked anomalies. Due to the travel time inversion a reduction of the corresponding allocated soil region by a factor of approximately eight was achieved. Furthermore, data accuracy is greatly enhanced compared to standard ground wave measurements with similar spatial accuracy. The local vertical distribution of the volumetric water content is determined with the radar based time domain reflectometry (RB-TDR) method. Even though this method cannot be assumed non invasive, minimal disturbance of the soil is registered. Similar to common TDR methods travel times of guided electromagnetic waves are analyzed. The RB-TDR layout consists of a metallic rod inserted vertically into the soil next to a georadar antenna. Gradually inserting the rod into the soil a vertical distribution of the adjacent volumetric water content is recorded. Smooth as well as distinct changes of the volumetric water content can be mapped with vertical accuracies of approximately 0.1 m. Standard constant offset reflection measurements can contain valuable information even when lacking significant reflection events. Diffracting objects can provide information of the overlaying soil's volumetric water content. A two dimensional volumetric water content distribution can be deduced by utilizing the diffraction velocity analysis. With the application of a two dimensional migration algorithm the validity of the volumetric water content distribution can be checked and additional diffracting objects can be identified, further enhancing the spatial accuracy.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-16321
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1963
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1666
Exam Date: 10-Jul-2007
Issue Date: 28-Aug-2007
Date Available: 28-Aug-2007
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): Bodenwelle
Dielektrizitätskoeffizient
Georadar
Wassergehalt
Georadar
Ground wave
Relative permittivity
Water content
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