Multi-dimensional GPR full-waveform inversion for small-scale hydrogeophysical soil characterization

Hoven, Dominik; Klotzsche, Anja; Hendricks-Franssen, Harrie-Jan; Wellmann, Jan Florian

doi:43880

Multi-dimensional GPR full-waveform inversion for small-scale hydrogeophysical soil characterization

Hoven, Dominik^RWTH*

2024 & 2025

VerantwortlichkeitsangabeDominik Hoven

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource (IX, 163 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = Energy & environment ; 643

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2024. - Onlineausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Hendricks-Franssen, Harrie-Jan (Thesis advisor)^RWTH* ; Wellmann, Jan Florian (Thesis advisor)^RWTH* ; Klotzsche, Anja (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-09-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-09485
URN: urn:nbn:de:hbz:5:2-1401881
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/994695/files/994695.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bodenradar (frei) ; FWI (frei) ; GPR (frei) ; Vollewellenforminversion (frei) ; full-waveform inversion (frei) ; ground penetrating radar (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Ein detailliertes Verständnis der Prozesse in der kritischen Zone, die den Bereich von der Erdoberfläche bis hinunter zum Grundwasserleiter umfasst, ist für eine nachhaltige Ressourcenverwaltung und den Umweltschutz unerlässlich. Diese Zone weist komplexe Strömungs- und Transportprozesse auf und unterstützt wichtige Ökosystemleistungen, wie Wasserversorgung, Landwirtschaft und Klimaregulierung. Eine hohe Auflösung der kritischen Zone für eine detaillierte Analyse stellt jedoch jedoch aufgrund der Variabilität des Bodenwassergehalts und der komplexen Strukturen im Untergrund eine große Herausforderung dar. In dieser Arbeit wird eine neue 2.5D Bodenradar (GPR) Vollewellenforminversion (FWI) vorgestellt, die die Modellierung des Untergrundes verbessert, indem 3D-Geometrien, wie luft- und wassergefüllte Bohrlöcher, Antennenmodelle und Lysimetergeometrien, in die Vorwärtsmodellierung der GPR FWI einbezogen werden. Darüber hinaus entfällt bei dieser Methode die 3D-zu-2D Datentransformation, welche für die 2D GPR FWI notwendig ist (und ihre Annahmen, z.B. für das Fernfeld). Wir zeigen in synthetischen Studien mit verschiedenen Inversionsmethoden (2D FWI, 2.5D FWI, 2.5D FWI mit Bohrloch und 2.5D FWI mit Bohrloch und Antenne) eine verbesserte Rekonstruktion des Quellsignals durch die Einbeziehung von realistischen Bohrloch- und Antennengeometrien. Dadurch kann die Rekonstruktion der Leitfähigkeit erheblich verbessert werden, was sich in einer Verringerung des mittleren relativen absoluten Fehlers der Leitfähigkeit um mehr als 20% im Vergleich zur einfachen 2D FWI und 2.5D FWI zeigt. Die Verbesserung ist besonders in kontrastreichen Zonen erkennbar. Obwohl die Einbeziehung von Antennengeometrien den Rechenaufwand um einen Faktor ~10 erhöht, bleibt die Qualität der Rekonstruktion ähnlich wie bei der bloßen Einbeziehung von Bohrlöchern. Im Gegensatz zur strahlenbasierten Inversion (RBI), bei der es bei der Verwendung von Daten mit hohem Winkel (72.35%) zu Artefakten kommt, liefert die FWI weiterhin zuverlässige Ergebnisse. In einer folgenden Analyse haben wir getestet, ob ein Modell, das Bohrlöcher und Antennenmodelle für experimentelle Daten mit eischließt, wobei sich Sender und Empfänger in luft- und wassergefüllten Bohrlöchern befanden, die effektive Schätzung des Quellsignals verbessern kann. Ein synthetischer Test zeigt, dass mit diesem Ansatz nur ein Quellsignal für die Rekonstruktion sowohl der ungesättigten als auch der gesättigten Zone verwendet werden muss, anstatt wie zuvor vier. Wir haben jedoch festgestellt, dass das aktuelle Antennenmodell die unterschiedliche Kopplung in luftgefüllten Bohrlöchern für gemessene Daten noch nicht berücksichtigen kann. Bei Verwendung der neuen 2.5D FWI mit Bohrloch- und Antennenmodellen und nur einem Quellsignal waren die Ergebnisse der Rekonstruktion der gesättigten Zone ähnlich wie in früheren Studien, die vier effektive Quellsignale berücksichtigten. Um verlässliche Ergebnisse in der ungesättigten Zone zu erhalten, ist es notwendig, das Antennenmodell anzupassen, um bestehende Unterschiede zu beseitigen. Neben einer verbesserten Modellierung kleinskaliger Strukturen in Wasserleitern sind auch kleinskalige Prozesse im Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum von Interesse. Eine höhere Auflösung erfodert die Nutzung höherer Frequenzen. Zuerst zeigen wir die Einschränkungen auf, die durch hochfrequente GPR-Daten entstehen und die präzisere Startmodelle erfordern, um das Halbwellenlängenkriterium der GPR FWI zu erfüllen. Dieses kann mit dem üblichen Startmodell-Ansatz, der Verwendung von RBI-Modellen, nicht erreicht werden. Wir zeigen, dass ein Frequenzsprungverfahren verwendet werden kann, um Startmodelle zu erzeugen, die diese Anforderungen erfüllen. Darüber hinaus untersuchen wir den Einfluss von Erstankunfts- und Amplitudenänderungen in den Quellsignalen auf die hochfrequente GPR FWI. Unter Verwendung eines angepassten heterogenen Modells können wir eine detailliertere Rekonstruktion mit hochfrequenten Daten im Vergleich zu niederfrequenten Daten zeigen. Im nächsten Schritt haben wir den Modellaufbauprozess der 2.5D GPR FWI erweitert und sind nun in der Lage, komplexere geometrische Strukturen wie Lysimeter in das Vorwärtsmodell einzubeziehen. Da die Anwendung der 2D GPR FWI auf hochfrequente Daten, die an einem Lysimeter gemessen wurden, eine Herausforderung darstellt, analysieren wir zunächst die verschiedenen GPR-Wellen in synthetischen Studien an Lysimetern, die mit homogenen und heterogenen Böden gefüllt waren. Wir zeigen die Komplexität der GPR-Daten, die Luft, direkte und reflektierte Wellen umfassen. Wir haben einen synthetischen 3D-GPR-Lysimeter-Datensatz mit einer Mittenfrequenz von 450 MHz erstellt und die neue 2.5D GPR FWI auf diesen Datensatz angewendet. Die Ergebnisse zeigen eine außergewöhnlich gute Rekonstruktion des Bodens und eine gute Anpassung an den Datensatz durch die Inversionsergebnisse, wobei Luft-, reale Boden- und reflektierte Wellen effektiv simuliert werden und komplizierte Bodeneigenschaften sichtbar werden. Die in dieser Arbeit vorgestellte neu entwickelte 2.5D GPR FWI ermöglicht die hochauflösende Modellierung und Rekonstruktion kleinskaliger Strukturen. Die Anwendung reicht von der Charakterisierung von Grundwasserleitern bis hin zur Inversion von GPR-Daten, die an Lysimetern gemessen wurden. Daher bietet sie eine Verbesserung für Problemstellungen im Bereich der hochauflösenden Untergrunddarstellung.

A detailed understanding of the processes within the critical zone, which covers the area from the earth's surface down to the aquifer, is essential for sustainable resource management and environmental protection. This zone exhibits complex flow and transport processes and supports critical ecosystem services such as water supply, agriculture, and climate regulation. However, imaging the complex critical zone accurately, especially at high resolutions required for a detailed analysis, presents significant challenges because of the variability of soil water content and complex subsurface structures. This thesis introduces a novel 2.5D ground penetrating radar (GPR) full-waveform inversion (FWI) method that enhances subsurface imaging by accurately incorporating 3D geometries, such as air and water filled boreholes, finite length antenna models, and lysimeter geometries, in the forward modeling of the GPR FWI. Furthermore, the 3D-to-2D data transformation with its assumptions, e.g. for the far-field, necessary for 2D GPR FWI, is not required with this method. We show in synthetic studies with different inversion methods (2D FWI, 2.5D FWI, 2.5D FWI with borehole, and 2.5D FWI with borehole and antenna) an improved source wavelet reconstruction with the inclusion of realistic borehole and antenna geometries for the data. The inclusion of these geometries in the forward model of FWI approaches can significantly improve the accuracy of conductivity reconstructions, with a reduction in the mean relative absolute error of conductivity of more than 20% compared to simple 2D FWI and 2.5D FWI. The improvement is particularly noticeable in high-contrast zones. Although including antenna geometries significantly increases computational requirements by a factor of ~10, the quality of reconstruction remains similar to the case with only borehole inclusion. In contrast to ray-based inversion (RBI), where artifacts arise when using high-angle data (72.35%), FWI still provides reliable results. In a following analysis, we tested if a model that includes boreholes and finite length antenna models for experimental data measured with transmitter and receiver positioned in air and water filled boreholes can improve the effective source wavelet estimation. A synthetic test shows that using this approach, only one wavelet can be used for the reconstruction of both the unsaturated and saturated zone. However, we still observed challenges with the current antenna model to account for the different coupling in air filled boreholes for measured data. Using the new 2.5D FWI with borehole and antenna models and a single source wavelet, the results of the saturated zone reconstruction were similar to those observed in previous studies where four effective source wavelets were considered. To obtain reliable results in the unsaturated zone, it is necessary to adapt the antenna model to resolve existing discrepancies. Next to an improved reconstruction of small-scale structures in aquifers, small-scale processes in the soil-plant-atmosphere continuum are also of interest. In order to achieve a higher reconstruction resolution with the FWI for these processes, higher frequencies are necessary. In a first part, we indicate the constraints imposed by high-frequency GPR data, which require more precise starting models to fulfill the half-wavelength criterion of the GPR FWI. This cannot be met by the regular starting model approach of using RBI models. We show that a frequency-hopping approach can be used to generate starting models that meet these requirements. Furthermore, we investigated the influence of first-arrival and amplitude changes in the source wavelets on high-frequency GPR FWI. Utilizing an adapted heterogeneous model, we were able to show a more detailed reconstruction with higher frequency data compared to lower frequency data. In a next step, we extended the model building process of the 2.5D GPR FWI and are now able to include more complex geometrical structures like lysimeters in the forward model. As we faced challenges to use the 2D GPR FWI on experimental high-frequency data acquired on lysimeters, we first investigated the different GPR waves in synthetic studies at lysimeters filled with homogeneous and heterogeneous soils. We show the complexity of the GPR data, that includes air, direct, and reflected waves. We created a synthetic 3D GPR lysimeter dataset with a center frequency of 450 MHz and applied the novel 2.5D GPR FWI to this dataset. It demonstrates an exceptional good reconstruction of the soil and fit of the dataset by the inversion results, effectively simulating air-, real soil-, and reflected waves as well as revealing intricate soil properties. The newly developed 2.5D GPR FWI presented in this thesis enables the modeling and reconstruction of small-scale structures with high resolution. The application ranges from aquifer characterization to the now possible inversion of GPR data measured at lysimeter, providing a foundational framework for future research in high resolution subsurface imaging.

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