Philipp Koyan

• Today, near-surface investigations are frequently conducted using non-destructive or minimally invasive methods of applied geophysics, particularly in the fields of civil engineering, archaeology, geology, and hydrology. One field that plays an increasingly central role in research and engineering is the examination of sedimentary environments, for example, for characterizing near-surface groundwater systems. A commonly employed method in this context is ground-penetrating radar (GPR). In this technique, short electromagnetic pulses are emitted into the subsurface by an antenna, which are then reflected, refracted, or scattered at contrasts in electromagnetic properties (such as the water table). A receiving antenna records these signals in terms of their amplitudes and travel times. Analysis of the recorded signals allows for inferences about the subsurface, such as the depth of the groundwater table or the composition and characteristics of near-surface sediment layers. Due to the high resolution of the GPR method and continuousToday, near-surface investigations are frequently conducted using non-destructive or minimally invasive methods of applied geophysics, particularly in the fields of civil engineering, archaeology, geology, and hydrology. One field that plays an increasingly central role in research and engineering is the examination of sedimentary environments, for example, for characterizing near-surface groundwater systems. A commonly employed method in this context is ground-penetrating radar (GPR). In this technique, short electromagnetic pulses are emitted into the subsurface by an antenna, which are then reflected, refracted, or scattered at contrasts in electromagnetic properties (such as the water table). A receiving antenna records these signals in terms of their amplitudes and travel times. Analysis of the recorded signals allows for inferences about the subsurface, such as the depth of the groundwater table or the composition and characteristics of near-surface sediment layers. Due to the high resolution of the GPR method and continuous technological advancements, GPR data acquisition is increasingly performed in three-dimensional (3D) fashion today. Despite the considerable temporal and technical efforts involved in data acquisition and processing, the resulting 3D data sets (providing high-resolution images of the subsurface) are typically interpreted manually. This is generally an extremely time-consuming analysis step. Therefore, representative 2D sections highlighting distinctive reflection structures are often selected from the 3D data set. Regions showing similar structures are then grouped into so-called radar facies. The results obtained from 2D sections are considered representative of the entire investigated area. Interpretations conducted in this manner are often incomplete and highly dependent on the expertise of the interpreters, making them generally non-reproducible. A promising alternative or complement to manual interpretation is the use of GPR attributes. Instead of using the recorded data directly, derived quantities characterizing distinctive reflection structures in 3D are applied for interpretation. Using various field and synthetic data sets, this thesis investigates which attributes are particularly suitable for this purpose. Additionally, the study demonstrates how selected attributes can be utilized through specific processing and classification methods to create 3D facies models. The ability to generate attribute-based 3D GPR facies models allows for partially automated and more efficient interpretations in the future. Furthermore, the results obtained in this manner describe the subsurface in a reproducible and more comprehensive manner than what has typically been achievable through manual interpretation methods.…
• Die Untersuchung des oberflächennahen Untergrundes erfolgt heutzutage bei Frage- stellungen aus den Bereichen des Bauwesens, der Archäologie oder der Geologie und Hydrologie oft mittels zerstörungsfreier beziehungsweise zerstörungsarmer Methoden der angewandten Geophysik. Ein Bereich, der eine immer zentralere Rolle in Forschung und Ingenieurwesen einnimmt, ist die Untersuchung von sedimentären Umgebungen, zum Beispiel zur Charakterisierung oberflächennaher Grundwassersysteme. Ein in diesem Kontext häufig eingesetztes Verfahren ist das des Georadars (oftmals GPR - aus dem Englischen ground-penetrating radar). Dabei werden kurze elektromagnetische Impulse von einer Antenne in den Untergrund ausgesendet, welche dort wiederum an Kontrasten der elektromagnetischen Eigenschaften (wie zum Beispiel an der Grundwasseroberfläche) reflektiert, gebrochen oder gestreut werden. Eine Empfangsantenne zeichnet diese Signale in Form derer Amplituden und Laufzeiten auf. Eine Analyse dieser aufgezeichneten Signale ermöglicht Aussagen über denDie Untersuchung des oberflächennahen Untergrundes erfolgt heutzutage bei Frage- stellungen aus den Bereichen des Bauwesens, der Archäologie oder der Geologie und Hydrologie oft mittels zerstörungsfreier beziehungsweise zerstörungsarmer Methoden der angewandten Geophysik. Ein Bereich, der eine immer zentralere Rolle in Forschung und Ingenieurwesen einnimmt, ist die Untersuchung von sedimentären Umgebungen, zum Beispiel zur Charakterisierung oberflächennaher Grundwassersysteme. Ein in diesem Kontext häufig eingesetztes Verfahren ist das des Georadars (oftmals GPR - aus dem Englischen ground-penetrating radar). Dabei werden kurze elektromagnetische Impulse von einer Antenne in den Untergrund ausgesendet, welche dort wiederum an Kontrasten der elektromagnetischen Eigenschaften (wie zum Beispiel an der Grundwasseroberfläche) reflektiert, gebrochen oder gestreut werden. Eine Empfangsantenne zeichnet diese Signale in Form derer Amplituden und Laufzeiten auf. Eine Analyse dieser aufgezeichneten Signale ermöglicht Aussagen über den Untergrund, beispielsweise über die Tiefenlage der Grundwasseroberfläche oder die Lagerung und Charakteristika oberflächennaher Sedimentschichten. Dank des hohen Auflösungsvermögens der GPR-Methode sowie stetiger technologischer Entwicklungen erfolgt heutzutage die Aufzeichnung von GPR- Daten immer häufiger in 3D. Trotz des hohen zeitlichen und technischen Aufwandes für die Datenakquisition und -bearbeitung werden die resultierenden 3D-Datensätze, welche den Untergrund hochauflösend abbilden, typischerweise von Hand interpretiert. Dies ist in der Regel ein äußerst zeitaufwendiger Analyseschritt. Daher werden oft repräsentative 2D-Schnitte aus dem 3D-Datensatz gewählt, in denen markante Reflektionsstrukuren markiert werden. Aus diesen Strukturen werden dann sich ähnelnde Bereiche im Untergrund als so genannte Radar-Fazies zusammengefasst. Die anhand von 2D-Schnitten erlangten Resultate werden dann als repräsentativ für die gesamte untersuchte Fläche angesehen. In dieser Form durchgeführte Interpretationen sind folglich oft unvollständig sowie zudem in hohem Maße von der Expertise der Interpretierenden abhängig und daher in der Regel nicht reproduzierbar. Eine vielversprechende Alternative beziehungsweise Ergänzung zur manuellen In- terpretation ist die Verwendung von so genannten GPR-Attributen. Dabei werden nicht die aufgezeichneten Daten selbst, sondern daraus abgeleitete Größen, welche die markanten Reflexionsstrukturen in 3D charakterisieren, zur Interpretation herangezogen. In dieser Arbeit wird anhand verschiedener Feld- und Modelldatensätze untersucht, welche Attribute sich dafür insbesondere eignen. Zudem zeigt diese Arbeit, wie ausgewählte Attribute mittels spezieller Bearbeitungs- und Klassifizierungsmethoden zur Erstellung von 3D-Faziesmodellen genutzt werden können. Dank der Möglichkeit der Erstellung so genannter attributbasierter 3D-GPR-Faziesmodelle können zukünftige Interpretationen zu gewissen Teilen automatisiert und somit effizienter durchgeführt werden. Weiterhin beschreiben die so erhaltenen Resultate den untersuchten Untergrund in reproduzierbarer Art und Weise sowie umfänglicher als es bisher mittels manueller Interpretationsmethoden typischerweise möglich war.…