Detectie van contrasterende bodemsporen met een grondradar

Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen Academiejaar 2012 – 2013

Detectie van contrasterende bodemsporen met een grondradar

Auke Baeyens Promotor: Prof. dr. ir. Marc Van Meirvenne Copromoter: dr. ir. Timothy Saey Tutor: Samuël Delefortrie

Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van Master in de bio-ingenieurswetenschappen: land- en waterbeheer

Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen Academiejaar 2012 – 2013

Detectie van contrasterende bodemsporen met een grondradar

Auke Baeyens Promotor: Prof. dr. ir. Marc Van Meirvenne Copromoter: dr. ir. Timothy Saey Tutor: Samuël Delefortrie

Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van Master in de bio-ingenieurswetenschappen: land- en waterbeheer

De auteur en de promotoren geven de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van deze masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef.

7 Juni 2013

De promoter

Prof. dr. ir. Marc Van Meirvenne

De auteur

Auke Baeyens

Dankwoord Met veel tevredenheid blik ik terug op de tijd die ik het voorbije academiejaar gespendeerd heb aan mijn thesis. Het uitdagende onderwerp maakte dat het tot stand brengen van deze thesis mij geen moment verveelde en dat ik me met plezier in dit onderwerp heb kunnen verdiepen. Vooreerst wil ik dan ook mijn promoter, prof. dr. ir. Marc Van Meirvenne, bedanken voor het ter beschikking stellen van deze masterproef. Hij hielp mee de concepten van deze thesis uitdenken en was daarenboven steeds beschikbaar om zijn expertise met mij te delen. Met de nodige vrijheid, maar met de nodige tussentijdse evaluaties, was het tot stand brengen van mijn thesis dan ook een plezier. Verder wens ik ook mijn copromoter, dr. ir. Timothy Saey, te bedanken voor het contacteren van de eigenaars van het proefveld, het mee opmeten tijdens de survey en de nodige feedback op mijn tussentijdse evaluaties. In het bijzonder dien ik mijn tutor, Samuël Delefortrie, te bedanken voor de begeleiding die hij me tijdens deze masterproef heeft gegeven. Hij stond steeds ter beschikking bij vragen, reikte mee oplossingen aan voor de gestelde problemen en hielp dankzij de nodige verbeteringen deze thesis te brengen tot dit eindresultaat. Het was me een genoegen met hem samen te werken. Ook mag ik Ellen niet vergeten te danken voor de nodige achtergrondinformatie en de hulp die ze bood bij de dataverwerking. Ik dien ook Annemie te bedanken voor de hulp en uitleg bij de textuuranalyses en de aangename babbelmomenten in het labo. Tevens wens ik mijn medestudenten te bedanken voor de gezellige middag- en namiddagpauzes. De leuke babbels zorgden voor de nodige ontspanning en maakten dat de batterijen weer opgeladen werden om me nadien ten volle op mijn thesis te storten. Tot slot dien ik de eigenaars van het proefveld, de Heer en Mevrouw Perneel-Schepens, te bedanken voor het ter beschikking stellen van hun weide. Twee dagen hielden ze hun koeien van de weide, zodat we metingen op het veld konden uitvoeren. Zonder al deze mensen was het niet mogelijk geweest deze thesis tot een goed einde te brengen.

i

Inhoudstafel Lijst met figuren ……………………………………………………………………………………………………………………………

iv

Lijst met afkortingen ……………………………………………………………………………………………………………….……

vii

Samenvatting ……………………………………………………………………………………………………………………………….

viii

1. Inleiding ………………………………………………………………………………………………………………………………… 1.1 Duiding bij dit onderzoek ………………………………………………………………………………………………….. 1.2 Doelstellingen ……………………………………………………………………………………………………………………

1 1 1

2. Literatuurstudie ……………………………………………………………………………………………………………………. 2.1 Elektromagnetische inductie …………………………………………………………………………………………….. 2.1.1 Werkingsprinicipe …………………………………………………………………………………………………. 2.1.2 Penetratiediepte …………………………………………………………………………………………………… 2.1.3 Schijnbare elektrische geleidbaarheid …………………………………………………………………… 2.2 Ground Penetrating Radar ………………………………………………………………………………………………… 2.2.1 Werkingsprincipe ………………………………………………………………………………………………….. 2.2.2 Elektromagnetisme ……………………………………………………………………………………………….. 2.2.2.1 Maxwell vergelijkingen ……………………………………………………………………………… 2.2.2.2 Constitutieve vergelijkingen ………………………………………………………………………. 2.2.2.3 Polarisatie en relaxatie ………………………………………………………………………………. 2.2.3 Reflectie, refractie en transmissie ………………………………………………………………………….. 2.2.4 Attenuatie ……………………………………………………………………………………………………………… 2.2.4.1 Scattering attenuatie …………………………………………………………………………………. 2.2.4.2 Ohmische attenuatie …………………………………………………………………………………. 2.2.4.3 Totale attenuatie ………………………………………………………………………………………. 2.2.5 Loss factor and skin depth ……………………………………………………………………………………… 2.2.6 Maximale penetratiediepte …………………………………………………………………………………… 2.2.6.1 Nyquist voorwaarde ………………………………………………………………………………….. 2.2.6.2 Radar Range Equation ……………………………………………………………………………….. 2.2.7 Tijd- en frequentiedomein ……………………………………………………………………………………… 2.2.8 Ground- vs air coupled systems ……………………………………………………………………………… 2.2.8.1 Ground coupled systems …………………………………………………………………………… 2.2.8.2 Air coupled systems ……………………………………………………………………………………

2 2 2 3 4 5 5 6 6 6 8 10 11 11 12 12 13 13 13 13 14 15 15 15

3. Materiaal & Methodes …………………………………………………………………………………………………………… 3.1 Inleiding ……………………………………………………………………………………………………………………………… 3.2 Studiegebied ………………………………………………………………………………………………………………………. 3.3 EMI …………………………………………………………………………………………………………………………………….. 3.4 Ground Penetrating Radar ………………………………………………………………………………………………….. 3.4.1 Instellingen ……………………………………………………………………………………………………………… 3.4.1.1 Frequentiebereik ………………………………………………………………………………………… 3.4.1.2 Meetinterval ………………………………………………………………………………………………. 3.4.1.3 Frequentiestap …………………………………………………………………………………………….

16 16 17 18 20 20 21 21 22 ii

3.4.1.4 Dwell time ……………………………………………………………………………………………….. 3.4.1.5 Scanconfiguratie ………………………………………………………………………………………. 3.4.2 Opstelling antennegroep ………………………………………………………………………………………. 3.4.3 Dataverwerking …………………………………………………………………………………………………….. 3.4.3.1 Data editing ……………..………………………………………………………………………………. 3.4.3.2 Time-ground correction ……………………………………………………………………………. 3.4.3.3 Dewow filtering ……………………………………………………………………………………….. 3.4.3.4 Interference removal ……………………………………………………………………………….. 3.4.3.5 Antennekalibratie …………………………………………………………………………………….. 3.4.3.6 Transformatie naar tijdsdomein ……………………………………………………………….. 3.4.3.7 Filters ……………………………………………………………………………………………..………… 3.4.3.8 Deconvolutie ……………………………………………………………………………………………. 3.4.3.9 Migration …………………………………………………………………………………………………. 3.4.3.10 Gain functions ………………………………………………………………………………………… 3.5 Staalnames ………………………………………………………………………………………………………………………. 3.6 Fysico-chemische analyses …………………………………………………………………………………………….…. 3.7 Visualisatie ……………………………………………………………………………………………………………………….. 3.8 Diepteanalyse …………………………………………………………………………………………………………………… 3.8.1 Variogrammen ………………………………………………………………………………………………………. 3.8.2 Variantiekaarten …………………………………………….……………………………………………………… 3.8.3 Omzetting diepte in tijd naar afstand …………………………………………………………………….

22 22 23 24 24 24 25 25 25 26 26 27 27 28 31 32 33 33 34 37 38

4. Resultaten ……………………………………………………………………………………………………………………………… 4.1 Staalnames ………………………………………………………………………………………………………………………… 4.1.1 Textuuranalyse ……………………………………………………………………………………………..……….. 4.1.2 Beschrijving boringen …..………………………………………………………………………………..………. 4.2 EMI ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 4.3 Ground penetrating radar …………………………………………………………………………………………………. 4.4 Diepte-analyse …………………………………………………………………………………………………………………… 4.4.1 Variogrammen ……………………………………………………………………………………………………….. 4.4.2 Variantiekaarten ……………………………………………………………………………………………………..

39 39 39 41 46 48 48 48 51

5. Discussie …………………………………………………………………………………………………………………………………

52

6. Algemene conclusie ……………………………………………………………………………………………………………….

63

7. Suggesties voor verder onderzoek …………………………………………………………………………………………

65

8. Referenties …………………………………………………………………………………………………………………………….

66

Appendix ………………………………………………………………………………………………………………………………………

71

iii

Lijst met figuren Figuur 2.1

Basisprincipes van elektromagnetische inductie.

Figuur 2.2

Amplitude van het primaire en secundaire veld, oscillerend in de tijd.

Figuur 2.3 (a)

Afbuiging van het golffront langsheen de voortplantingsrichting.

Figuur 2.3 (b)

Spectrale reflectie.

Figuur 2.4

Relaxatiefenomeen voor een geïdealiseerd ‘lossy’ dielectric. Zone A geeft de polarisatie weer geassocieerd met vrije lading, terwijl zone B de moleculaire en atomaire polarisatie geassocieerd met gebonden ladingen weergeeft. [Uit: Cassidy, 2009, p 48]

Figuur 2.5

Permittiviteitsdistributie van zuiver water bij kamertemperatuur volgens Debye. [Uit: Romero]

Figuur 2.6

Wijziging in richting van de EM golven nabij het grensvlak. [Uit: Annan, 2009, p13]

Figuur 2.7

Scattering attenuatie. [Uit: Annan, 2009, p17]

Figuur 3.1

Luchtfoto van de site op 21 juli 1996 (J. Semey) (nr. 115310, archief Universiteit Gent: CD 232-82)

Figuur 3.2

Boringen beschikbaar in ‘Databank Ondergrond Vlaanderen’ aangeduid op een topografische kaart.

Figuur 3.3

Voorstelling van de Dualem-21S sensor.

Figuur 3.4

Cumulatieve respons in functie van de diepte voor de verschillende spoelen.

Figuur 3.5

Opstelling Dualem 21S sensor aan de terreinwagen. [Aangepast uit: De Smedt et al., 2012]

Figuur 3.6

GPR-opstelling tijdens een meting [Uit: De Pue, 2012]

Figuur 3.7

Step-frequency golffront. Komt overeen met één volledige meting. [Aangepast uit: 3d-Radar AS, 2009]

Figuur 3.8

Meetinterval van de GPR. [Uit: 3d-Radar AS, 2009]

Figuur 3.9

Antenne lay-out. [Uit: Uit: 3d-Radar AS, 2009]

Figuur 3.10

Gemiddelde van de reële en imaginaire component in functie van de diepte zonder gain.

Figuur 3.11

Voorbeeld van twee spherical and exponential gains.

Figuur 3.12

Automatic gain control. [Uit: De Pue, 2012]

Figuur 3.13

Distributie van de eerste reeks boringen (24 augustus 2012) aangeduid op de ECaHCP,1m-kaart van het onderzoeksveld.

iv

Figuur 3.14

Aanduiding van de bijkomende Edelmanboringen op de ECaHCP,1m-kaart van het onderzoeksveld.

Figuur 3.15

Schematische voorstelling van de omzetting naar csv-bestanden.

Figuur 3.16

Schematische voorstelling van een typisch variogram.

Figuur 3.17

Gebruikte zone ter bepaling van de variogrammen. [luchtfoto: Google Earth]

Figuur 3.18

Omzetting diepte in tijd naar afstand.

Figuur 4.1

Profiel van het OC-gehalte op de 3 verschillende locaties. Locatie 1: ten zuiden van de binnenste concentrische gracht, locatie 2: in de binnenste gracht en locatie 3: in de ‘middenzone’.

Figuur 4.2

Profiel van de zandfractie op de 3 verschillende locaties.

Figuur 4.3

Profiel van het leem & klei-gehalte op de 3 verschillende locaties.

Figuur 4.4

Bodemprofiel boring A.

Figuur 4.5

Bodemprofiel boring B.

Figuur 4.6

Bodemprofiel boring D.

Figuur 4.7

Bodemprofiel boring E.

Figuur 4.8

Bodemprofiel boring F.

Figuur 4.9

Bodemprofiel boring G.

Figuur 4.10

Diepteprofiel van het transect doorheen de buitenste gracht.

Figuur 4.11

ECa met de 1m HCP spoel (mS/m).

Figuur 4.12

ECa met de 1.1m PERP spoel (mS/m).

Figuur 4.13

ECa met de 2m HCP spoel (mS/m).

Figuur 4.14

ECa met de 2.1m PERP spoel (mS/m).

Figuur 4.15

Verticaal profiel van een transect doorheen de twee concentrische grachten.

Figuur 4.16

Evolutie van het RNE i.f.v. de diepte voor de data met spherical and exponential gain.

Figuur 4.17

Evolutie van het RNE i.f.v. de diepte voor de data zonder gain.

Figuur 5.1

Timeslice (12ns) met aanduidingen.

Figuur 5.2


Figuur 5.3


Figuur 5.4

Lokale variantie (14,404ns) met aanduidingen van zones met hoge en zones met lage variantie.

v

Figuur 5.5

Evolutie van de exponentiële range i.f.v. de diepte.

Figuur 5.6

Hoogtemodel van het onderzoeksveld met aanduiding van de bijkomstige edelmanboringen.

Figuur 5.7

Bodemvochtgehaltes voor verschillende bodemtexturen. [Uit: ‘Understanding the Hydrologic Cycle’, 2013]

Figuur 5.8

Aanduiding van de meest opvallende structuren op de ECap1,1m-kaart.

vi

Lijst met afkortingen EMI

Elektromagnetische inductie

GPR

Ground penetrating radar

LIN

Low induction number

SPR

Surface penetrating radar

CEC

Cation exchange capacity

EM

Elektromagnetisch(e)

TE

Transverse electric

TM

Transverse magnetic

RRE

Radar range equation

CW radars

Continous wave radars

Swept FM-CW radars

Swept frequency-modulated continuous wave radars

Stepped FM-CW radars

Stepped frequency-modulated continuous wave radars

DOE

Depth of exploration

DMI

Distance measurement instrument

S/N

Signal to noise ratio

CMP method

Common midpoint method

GPS

Global positioning system

IFFT

Invers fast Fourier transformation

ISDFT

Invers discrete Fourier transform

SEC

Spherical and exponential compensation

AGC

Automatic gain control

OC

Organic carbon (=organische koolstof)

OM

Organisch materiaal

vii

Samenvatting In het kader van deze masterproef werd een proefveld met begraven grachten opgemeten aan de hand van een ground penetrating radar (GPR) en aan de hand van een elektromagnetische inductie (EMI) sensor. Het proefveld bevat sporen van een voormalige motte en werd reeds succesvol opgemeten met behulp van een ander type grondradar. Recentelijk kocht de vakgroep ‘Bodembeheer’ een GeoScope™ GS3F ground penetrating radar aan. Teneinde er nog enkele vragen zijn rond de optimale meetconfiguratie van de GPR werd het veld opnieuw opgemeten aan de hand van deze radar. Het veld beschikt namelijk over ideale eigenschappen voor geofysische prospectie aan de hand van GPR. Een eerste doelstelling betreft een vergelijking met voorgaande metingen. De resultaten van de twee verschillende types GPR zijn zeer gelijkaardig. Aan de hand van boringen konden de GPR-beelden aangevuld worden met een diepgaandere interpretatie tot gevolg. Het bepalen van de maximale penetratiediepte van het GPR-signaal ligt niet voor de hand zonder kennis van de nodige bodemparameters. Daarom wordt een geostatistische methode voorgesteld om op objectieve wijze de maximale penetratiediepte alsnog te kunnen bepalen. Het grote voordeel van deze methode is namelijk dat er geen bijkomstige bodemparameters gekend hoeven te zijn. Toepassing op de dataset van het proefveld laat zien dat deze methode wel degelijk bruikbaar is voor het inschatten van de maximale penetratiediepte zonder kennis van de voornaamste bodemparameters. Vergelijking tussen de GPR- en EMI-gegevens maakt duidelijk dat GPR enerzijds toelaat een accuratere diepte-inschatting te maken en anderzijds beter toelaat de aanwezige structuren/objecten te detecteren en al zeker te identificeren. Dit is te wijten aan de hoge haalbare resolutie en duidt op het grote potentieel van deze techniek.

viii

1. Inleiding 1.1

Duiding bij dit onderzoek

De bodem bevat diverse natuurlijke en menselijke fenomenen die vanuit een fysisch oogpunt contrasterend kunnen zijn met de omringende bodemsamenstelling. Ondergrondse objecten of begraven grachten zijn hier voorbeelden van. Teneinde dergelijke fenomenen op een nietdestructieve wijze te identificeren, kan gebruik gemaakt worden van geofysische bodemsensoren. Verscheidene technieken zoals elektromagnetische inductie (EMI), elektrische resistiviteit en ground penetrating radar (GPR) werden hiervoor ontwikkeld. GPR is een radargebaseerde techniek die de laatste decennia aan een serieuze opmars bezig is, ondanks het feit dat ze reeds bestaat sinds het begin van de 20e eeuw. De grote troef van deze techniek is een hoge haalbare ruimtelijke resolutie en de mogelijkheid dieptebepalingen uit te voeren. De vakgroep Bodembeheer kocht in 2011 een GeoScope™ GS3F ground penetrating radar aan naast de, reeds in het bezit zijnde, EMI-sensoren. Ondanks het grote potentieel van deze sensor, kreeg men te maken met enkele kinderziektes en blijven er vragen rond de optimale meetconfiguratie (frequentie, opstelling, interferentie,…). In de thesis van ir. J. De Pue (2012) werd dan ook onderzocht wat de prestaties van deze GPR zijn aan de hand van een experimenteel proefveld met begraven objecten. De resultaten bleken echter, ook na de nodige bewerkingen, over heel wat ruis te beschikken. Deze masterproef bouwt voort op de bevindingen van De Pue (2012). Hiervoor werd een proefveld met begraven grachten opgemeten aan de hand van een GeoScope™ GS3F ground penetrating radar en een EMI-sensor. Dankzij de zandige textuur en het open karakter beschikt het proefveld over ideale eigenschappen voor geofysische prospectie met behulp van deze technieken. De specifieke terminologie in verband met GPR bestaat volledig in het Engels. Soms is het moeilijk een Nederlandstalig equivalent te vinden voor bepaalde termen, zoals bijvoorbeeld gain. In de GPRwereld is dit een gekende term, indien dit vertaald zou worden naar “winst” zou de betekenis veel minder duidelijk zijn. Bepaalde termen werden dan ook niet vertaald naar het Nederlands. Om echter duidelijk te maken dat het om specifieke GPR-terminologie gaat, worden deze termen in italic weergegeven.

1.2

Doelstellingen

De eerste doelstelling van deze thesis bestaat erin de resultaten bekomen aan de hand van de GPR te vergelijken met de EMI-resultaten. Hierbij wordt vooral gefocust op de meerwaarde en/of tekortkomingen van GPR ten opzichte van elektromagnetische inductie. Het proefveld werd reeds opgemeten door dr. Lieven Verdonck (2009) aan de hand van een ander type GPR. De tweede doelstelling omvat bijgevolg een vergelijking tussen de resultaten bekomen aan de hand van deze twee verschillende types grondradar. Ten derde werd een aantal methodes onderzocht om op objectieve wijze te bepalen op welke diepte het radarsignaal verdwijnt.

1

2. Literatuurstudie 2.1

Elektromagnetische inductie

De GPR-data worden aangevuld en vergeleken met data bekomen aan de hand van een elektromagnetische inductie (EMI) sensor om de meerwaarde van radargebaseerde data te onderzoeken. In wat volgt worden de basisprincipes van EMI dan ook bondig uitgelegd.

2.1.1 Werkingsprincipe Een EMI-sensor bestaat uit minstens twee spoelen: een zend/bron- en een ontvangstspoel (zie figuur 2.1). Doorheen de zendspoel stroomt een variërende elektrische stroom welke, overeenkomstig met de wet van Ampère, resulteert in een veranderend primair magnetisch veld (Hp). Dit primaire magnetische veld manifesteert zich zowel boven- als ondergronds en creëert alternerende stroompjes in de bodem, beschreven door de wet van Faraday. De stroom geïnduceerd in een object is functie van de veranderingssnelheid van het primaire magnetische veld, de vorm en afmetingen van het object, de geleidbaarheid en de magnetische susceptibiliteit van het object en de omringende bodem. Deze stroompjes induceren een secundair magnetisch veld (Hs), wat gedetecteerd wordt door de ontvangstspoel. Ook het primaire veld wordt opgevangen door de ontvangstspoel, zodat de totale respons de resultante is van het primaire en het secundaire magnetische veld. Beide velden creëren elektrische stroompjes in de bodem die een spanning opwekken dewelke kan worden opgemeten in de ontvangstspoel (Saey, 2011).

Figuur 2.1: Basisprincipes van elektromagnetische inductie. Bij frequentiedomein EMI-sensoren heeft het aangelegde voltagesignaal de vorm van een sinusgolf met hoeksnelheid ω (= 2πf) en een amplitude dewelke varieert in functie van de tijd. Er is een tijdsverschil aanwezig tussen het primaire en het secundaire magnetische veld, wat beschreven wordt door een faseverschil en amplitude, afhankelijk van de elektrische eigenschappen van de bodem (Reynolds, 1997). EMI-sensoren zijn in staat om twee componenten van het secundaire veld te meten. De in-phase en quadrature-phase componenten worden in figuur 2.2 weergegeven. De inphase component is een maat voor de amplitude van het secundaire veld wanneer het primaire veld zijn maximum bereikt. De quadrature-phase respons geeft de amplitude van het secundaire veld weer wanneer de amplitude van het primaire veld 0 bedraagt. De amplitude en fase van het 2

secundaire veld verschillen van het primaire veld afhankelijk van de bodemeigenschappen, de afstand tussen de spoelen en hun oriëntatie, de frequentie van het instrument en de afstand ten opzichte van het bodemoppervlak (Hendrickx en Kachanoski, 2002). 1 Primair veld Secundair veld

0.8 0.6

amplitude

0.4 0.2 0

in-phase

-0.2 -0.4

quadrature -phase

-0.6 -0.8 -1

0

2

4

6

8 tijd

10

12

14

16

Figuur 2.2: Amplitude van het primaire en secundaire veld, oscillerend in de tijd.

De quadrature-phase component kan omgezet worden naar een schijnbare elektrische geleidbaarheid (ECa of σa), uitgedrukt in mS m-1, aan de hand van volgende formule (McNeill, 1980): (1)

(3) Hierbij is de magnetische susceptibiliteit, de hoeksnelheid, de intercoil separation, het primaire magnetische veld en het secundaire magnetische veld. Deze formule is een benadering gebaseerd op de assumptie om het instrument te laten opereren bij low induction number (LIN) (McNeil, 1980).

2.1.2 Penetratiediepte Drie factoren bepalen de penetratiediepte bij frequentiedomein EMI-sensoren: (i) de frequentie van het oscillerende elektromagnetische veld, (ii) de afstand tussen zenden ontvangstspoelen en (iii) de oriëntatie van de spoelen. McNeill (1980b) en Wait (1960) leidden functies af die de cumulatieve respons in functie van de diepte weergeven voor de verschillende spoeloriëntaties onder LIN condities, zodat ze onafhankelijk zijn van de frequentie: (2)

(3) (4) 3

met de genormaliseerde diepte uitgedrukt als de ratio van de diepte (of de diepte van de overgang tussen bodemlaag en ), s de afstand tussen de spoelen, ECi de gemiddelde elektrische conductiviteit van laag i, , en de cumulatieve respons bij een genormaliseerde diepte voor respectievelijk de verticale, de horizontale en de loodrechte spoel. Een toename in penetratiediepte kan bijgevolg bekomen worden door de afstand tussen de spoelen te vergroten. Deze responsfuncties zijn geldig in homogene en heterogene bodems (Hendrickx et al., 2002) en er wordt verondersteld dat deze functies onafhankelijk zijn van de elektrische geleidbaarheid wanneer er gewerkt wordt bij LIN (Callegary et al., 2007).

2.1.3 Schijnbare elektrische geleidbaarheid De elektrische geleidbaarheid is een maat voor hoe goed een bodem elektrische lading geleidt. Elektrische geleiding doorheen een bodem kan op drie manieren plaatsvinden: 1. Elektrolytische geleiding is het proces waarbij ionen aan een relatieve trage snelheid doorheen de bodem bewegen en hangt af van het type ion, de ionenconcentratie en de mobiliteit. 2. Elektronische geleiding omvat het proces waarbij de lading aan een grote snelheid wordt overgedragen zoals bij metalen. 3. Diëlektrische geleiding vindt plaats in zeer zwak geleidende materialen onderworpen aan een variërende stroom. Elektronen worden hierbij lichtjes verschoven in verhouding tot hun nucleus. Algemeen kan gesteld worden dat de geleiding in een bodem voornamelijk elektrolytisch is en plaatsgrijpt doorheen de verzadigde poriën. De geleidbaarheid is bijgevolg afhankelijk volgende bodemeigenschappen:     

De porositeit en bodemstructuur Het vochtgehalte De concentratie aan opgeloste elektrolyten De bodemtemperatuur De hoeveelheid en samenstelling van de colloïden

In voldoende vochtige bodems is de ECa voornamelijk gerelateerd aan zouten aanwezig in de grote bodemporiën. De vaste fase draagt ook bij aan de geleidbaarheid, voornamelijk via de variabele kationen geassocieerd met kleimineralen. Een derde weg bestaat via direct en continu contact van bodempartikels (Rhoades et al., 1989). Samenvattend kan gesteld worden dat ECa-metingen een gecompliceerde grootheid uitdrukken die afhangt van verschillende factoren zoals het vochtgehalte, het zoutgehalte, de bodemtemperatuur, de bodemtextuur en –structuur, het organische stofgehalte en de bulkdensiteit. Bijgevolg is een eenduidige interpretatie van een ECa-kaart niet mogelijk zonder verdere kennis van de voornaamste bodemparameters (Corwin and Lesch, 2003).

4

2.2

Ground Penetrating Radar

De termen ground penetrating radar, ground probing radar, surface penetrating radar (SPR) refereren allen naar elektromagnetische radargebaseerde technieken ontworpen voor de detectie van objecten of contrasterende sporen onder het aardoppervlak (Daniels, 2008). In het vervolg van deze thesis zal verder gewerkt worden met de benaming ground penetrating radar, afgekort als GPR.

2.2.1 Werkingsprincipe GPR is een elektromagnetische techniek die ontworpen is om de ondiepe lagen van de bodem, wegen en andere (bouw)materialen te onderzoeken. GPR is een geofysische techniek die een driedimensionaal pseudobeeld van de bodem voorziet alsook aangewend kan worden om de diepte van begraven objecten of bodemlagen te detecteren (Daniels, 2000). Het begraven object kan een geleider, een dielectric of een combinatie van beide zijn (Daniels, 2008). Het omgevende materiaal wordt het host material genoemd. Het dieptebereik van radars in bodems beperkt zich tot enkele meters, vanwege de sterke absorptie die het signaal ondergaat. Deze absorptie is bovendien materiaalafhankelijk. Zo is GPR minder geschikt in kleibodems met een hoog gehalte aan zouten, vanwege de sterke aborptie (Daniels, 2008). Het algemene werkingsprincipe bestaat erin dat de radar elektromagnetische (EM) straling in de bodem zendt die het dan na reflectie en/of refractie opnieuw opvangt. Eer een golf terug opgevangen wordt, kan deze meermaals reflectie en refractie hebben ondergaan. De reistijd van de elektromagnetische golven en de sterkte van reflectie leveren informatie over wat er zich in de bodem bevindt. De elektromagnetische straling wordt uitgezonden door een zendantenne, plant zich voort doorheen een medium aan een snelheid die voornamelijk bepaald wordt door de permittiviteit ε van het materiaal, tot op het moment dat ze een object of laag bereikt met andere elektrische eigenschappen. Hierop worden de elektromagnetische golven vertrooid/afgebogen (figuur 2.3a) of weerkaatst (figuur 2.3b) De golven die teruggekaatst worden richting radar worden opgevangen door de ontvangstantenne. Het oppervlak rondom de voortbewegende golf wordt een golffront genoemd. De pijlen op de figuren geven de richting weer waarin dit golffront zich voortbeweegt (Daniels, 2000).

Figuur 2.3 (a): Afbuiging van het golffront langsheen de voortplantingsrichting.

Figuur 2.3 (b): Spectrale reflectie.

5

Zoals reeds vermeld zijn het de elektrische eigenschappen van het materiaal die de voortplantingssnelheid van de golf bepalen en dan in het bijzonder de permittiviteit ε. De tijd die het voor een golf vergt om van de zendantenne tot de ontvangstantenne te reizen wordt de reistijd genoemd. De snelheid van elektromagnetische straling in lucht bedraagt 3x108 m/s. De golfsnelheid is omgekeerd evenredig met de vierkantswortel van de permittiviteit en aangezien de permittiviteit van bodemmaterialen altijd groter is dan deze van lucht, is de golfsnelheid in elk ander materiaal dan lucht dus kleiner dan 3x108 m/s (Daniels, 2000). De reistijd voor diepe objecten is uiteraard groter dan deze voor ondiepe objecten. Bijgevolg kan, indien de snelheid van de elektromagnetische golf in de bodem gekend is, de diepte van het aanwezige object bepaald worden.

2.2.2 Elektromagnetisme 2.2.2.1

Maxwell vergelijkingen

De theorie van het elektromagnetisme ligt aan de basis van GPR. De vergelijkingen van Maxwell beschrijven op mathematische wijze elektromagnetische velden en hun gerelateerde eigenschappen en worden uitgedrukt als volgt (Annan, 2009):

(5)

(6) q

(7) (8)

Hierbij stelt E (V/m) het elektrische veld, q de elektrische ladingsdichtheid (C/m³), B de magnetische fluxdensiteit (T), J de elektrische stroomdichtheid (A/m²), D de elektrische verplaatsing (C/m²), t de tijd (s) en H het magnetische veld (A/m) voor. 2.2.2.2

Constitutieve vergelijkingen

Constitutieve vergelijkingen beschrijven hoe atomen, moleculen, ionen, … macroscopische gezien reageren op een extern elektromagnetisch veld (Annan, 2001). De elektrische geleidbaarheid σ is een eerste belangrijke eigenschap en omvat de beweging van vrije lading bij aanleg van een elektrisch veld. Het beschrijft met andere woorden de elektrische stroomdichtheid J (A/m²) in aanwezigheid van een elektrisch veld (Annan, 2009). J=σE

(9)

Weerstand tegen deze stroom aan lading resulteert in energiedissipatie. De elektrische geleidbaarheid van een bodem wordt in sterke mate bepaald door het vochtgehalte, de ionenconcentratie van het bodemwater en de cation exchange capacity (CEC). De magnetische permeabiliteit μ beschrijft hoe intrinsieke atomaire en moleculaire magnetische momenten reageren op de aanwezigheid van een magnetisch veld en geeft dus de relatie weer tussen de magnetische fluxdensiteit B en de magnetische veldintensiteit H (Annan, 2009):

6

B=μH

(10)

De permittiviteit ε beschrijft de relatie tussen het elektrische veld E en de elektrische verplaatsing D. Of simpel gesteld, kan het gezien worden als het vermogen om de stroming van vrije lading of de graad van polarisatie in een medium tegen te gaan (Cassidy, 2009a). D=εE

(11)

Meestal wordt ε echter uitgedrukt in termen van een niet-lineaire, relatieve permittiviteit εr. εr = εmateriaal /ε0

(12)

met ε0 de permittiviteit in vacuüm: 8,8542*10-12 F/m. De permittiviteit van bodemmaterialen kan sterk variëren, zeker in de aanwezigheid van vrij en gebonden water. In onderstaande tabel worden enkele typische waarden voor de relatieve permittiviteit gegeven bij een frequentie van 100 MHz. De waarden zijn bekomen uit experimenten en illustreren de invloed van het vochtgehalte. Tabel 1.1: Typische waarden voor de relatieve permittiviteit en geleidbaarheid van enkele veelvoorkomende bodemmaterialen bij een antennefrequentie van 100 MHz. [Uit: Conyers and Goodman, 1997; Reynolds, 1997; Daniels, 2004]

Aangezien het verschil in permittiviteit tussen water, lucht en grondpartikels sterk verschillend is, vormt deze grootheid veruit de belangrijkste elektromagnetische eigenschap met betrekking tot GPR.

7

2.2.2.3

Polarisatie en relaxatie

In de afwezigheid van een EM veld is een materiaal niet gepolariseerd en heerst een netto nullading over het materiaal. Wanneer een propagerende EM puls zich doorheen een materiaal voortplant, zullen ladingen zich verplaatsen en ondergaat het medium een polarisatie. Bijgevolg wordt een dipoolmoment opgebouwd waarvan de densiteit afhankelijk is van de sterkte van het elektrische veld E. Indien er vrije ladingen zijn, zet het polarisatieproces een deel van de EM energie om in warmte. Als dusdanig treedt een energieverlies op dat uit fase met de energieopslag werkt. Dit doet zich voor in de meeste materialen en bijgevolg wordt de permittiviteit omschreven als een complexe grootheid met een reële component, namelijk het energieopslagmechanisme en een imaginaire component, vertegenwoordigd door de energiedissipatie. Beide componenten zijn frequentieafhankelijk, maar in vele gevallen wordt de imaginaire component verwaarloosd. Dit is voldoende voor een schatting van de golfsnelheid, maar te algemeen bij gedetailleerde analyse (Cassidy, 2009a). Bovenvermelde frequentieafhankelijkheid is een gevolg van het relaxatieproces. Onder de relexatiefrequentie zijn de deeltjes in staat snel te reageren en blijven ze in fase met het veranderende EM veld. Bij en boven relaxatiefrequentie zijn ze echter niet in staat het alternerende veld bij te houden, met energieverliezen tot gevolg. Nagenoeg alle materialen vertonen een relaxatiepatroon waarbij de reële component van de permittiviteit afneemt en de imaginaire component een piek bereikt bij toenemende frequenties. Figuur 2.4 illustreert dit fenomeen. De piek van deze distributie wordt de relaxatiefrequentie genoemd.

Figuur 2.4: Relaxatiefenomeen voor een geïdealiseerd ‘lossy’ dielectric. Zone A geeft de polarisatie weer geassocieerd met vrije lading, terwijl zone B de moleculaire en atomaire polarisatie geassocieerd met gebonden ladingen weergeeft. [Uit: Jol, 2009, p 48] Zoals te zien in figuur 2.4 kan deze distributie onderverdeeld worden in verschillende regio’s, die elk een ander type polarisatie voorstellen. 

In droge vaste materialen zijn elektronische en atomaire polarisatie de enige polarisatiemechanismen die optreden met als gevolg een nagenoeg constante permittiviteit over het GPR-frequentiebereik (Cassidy, 2009a). 8



Dipolaire polarisatie doet zich voor in materialen waar de moleculen een permanent dipoolmoment hebben. Meer informatie kan gevonden worden in King en Smith (1981) en Daniels (1996, 2004).

Wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd in vrij water ondervinden de moleculen een torsie die poogt de dipoolmomenten in een richting parallel aan het veld te oriënteren. Thermische agitatie, moleculaire traagheid en de zwakke waterstofbruggen werken deze torsie tegen, resulterende in een tijdsvertraging alvorens de polarisatie bereikt wordt. De tijd die het systeem nodig heeft om opnieuw naar evenwicht te evolueren wordt de relaxatietijd τ genoemd en is gerelateerd aan de relaxatiefrequentie door: frelax = 1/2πτ. Indien de frequentie van het alternerende veld kleiner is dan de relaxatiefrequentie, zullen de dipoolmomenten niet (of nauwelijks) achterlopen op het alternerende veld. Dit opslag en release proces van energie bepaalt de waarde van het reële deel van de permittiviteit. Bij toenemende frequentie begint het netto-oriëntatie proces achter te lopen op het alternerende veld. Als gevolg hiervan wordt de doorgegeven energie en dus de reële component van de permittiviteit gereduceerd. De waarde van de imaginaire component van de permittiviteit neemt toe en de moleculaire botsingen veroorzaken een energieverlies onder de vorm van warmte. Bij de relaxatiefrequentie bereiken het energieverlies en de imaginaire component van de permittiviteit hun maximale waarde. Wanneer de frequentie nog toeneemt worden de veldveranderingen te snel voor de dipoolmomenten om te reageren, zodat zowel de reële en imaginaire component afnemen en stabiliseren bij hogere frequenties (Cassidy, 2009a). Dit fenomeen werd voor het eerst gemodelleerd door Debye (1929). Het model geeft een afname weer in de reële component en een gepiekte distributie in de imaginaire component (zie figuur 2.5).

Figuur 2.5: Permittiviteitsdistributie van zuiver water bij kamertemperatuur volgens Debye. [Uit: Romero, 2012] Thermische effecten hebben ook een invloed op het polarisatieproces, zodoende is de permittiviteit sterk temperatuursafhankelijk. Bij afnemende temperatuur verschuift het permittiviteitsspectrum naar lagere frequenties (Daniels, 2004). Bijgevolg nemen de verliezen van het GPR-signaal toe en kunnen significante attenuatie en dispersie optreden (Arcone et al., 1998, 2002).

9

De klassieke dipolaire relaxatie van water (Debye) is een benadering die enkel geldig is voor volumes van vrij water. Minstens een deel van het aanwezige water in bodems is gebonden aan de minerale fractie. De aanwezigheid van gebonden water is van extreem belang aangezien het resulteert in een permittiviteitsspectrum dat uiterst gevoelig wordt voor variaties in vochtgehalte van de toplaag. Het precieze effect is echter afhankelijk van de graad van verzadiging, de bodemtextuur en -structuur, de bodemcompactie, het poriëngehalte en de ionengeleidbaarheid en wordt nog volop onderzocht (Cassidy, 2009a). Het model van Debye is een goede benadering voor zuivere en verdunde polaire vloeistoffen, maar is niet geschikt voor meer complexe polaire materialen. De verbeterde modellen van Onsager, Kirkwood en Fröhlich (Von Hippel, 1954) leveren hier juistere resultaten. Hiervoor wordt verwezen gespecialiseerde literatuur.

2.2.3 Reflectie, refractie en transmissie Het werkingsprincipe van een GPR bestaat erin EM golven te versturen en gereflecteerde en/of verstrooide golven, tengevolge van een wijziging in elektromagnetische eigenschappen van het medium, op te vangen. Vlakke objectgrenzen leiden zonder meer tot het meest simpele model. De Fresnel reflectiecoëfficiënten (Jackson, 1962; Born and Wolf, 1980) geven weer hoe de amplitude van het EM veld wijzigt over een grensvlak tussen twee materialen. Dit valt echter buiten het bestek van deze thesis. Naast de amplitude wijzigt ook de richting waarin de EM-golven zich voortbewegen (zie figuur 2.6). De hoek van het gereflecteerde signaal is gelijk aan de hoek waaronder de straling invalt, namelijk . Het object dat aanleiding geeft tot de reflectie ligt dus steeds in het midden van de zenden ontvangstantenne. Een deel van het signaal plant zich echter voort doorheen het object of de laag. De hoek waaronder dit gebeurt, de hoek van refractie, wordt beschreven door de wet van Snellius (Annan, 2009): (13) Wanneer > , heeft medium 2 een kritische hoek waarboven energie zich niet kan voortzetten van medium 1 naar medium 2. De kritische hoek kan bepaald worden door gelijk te stellen aan 90°. De kritische hoek speelt een rol in veel GPR-reponsen. Wanneer de EM golven een grensvlak bereiken, scheiden ze in twee onafhankelijke componenten bepaald door de oriëntatie van het EM veld ten aanzien van het grensvlak. Deze componenten zijn gekend als transverse electric field (TE) en tranverse magnetic field (TM). Het invallende ( ), gereflecteerde ( ) en de doorgelaten ( ) veld zijn gebonden door volgende vergelijking (Annan, 2009): (14) Het invallende ( ) en gereflecteerde ( ) veld worden bepaald door te veronderstellen dat aan de wet van Snellius voldaan is, de elektrische en magnetische velden in het grensvlak continu zijn en de elektrische stroom en magnetische fluxdensiteit die het vlak kruisen aan beide zijden gelijk zijn. Uitwerken levert volgend resultaat:

10

(15) (16) (14) (17) (14) (15) (18) (16) (15) (14) (14) (16) (15) of Yi = 1/Zi) Hierbij zijn Zi en Yi respectievelijk de impedanties en admittanties (inverse van impedantie de van het i materiaal. Wanneer de EM straling loodrecht op het grensvlak invalt ((15)= = 0°) is er (16) geen onderscheid tussen de TE en de TM golven en worden de TE- en de TM-reflectiecoëfficiënten identiek. (16)

Figuur 2.6: Wijziging in richting van de EM golven nabij het grensvlak. [Uit: Annan, 2009, p13]

2.2.4 Attenuatie 2.2.4.1

Scattering attenuatie

De GPR-signalen stuiten nagenoeg constant op magnetische en elektrische heterogeniteiten op verschillende schalen. Heterogeniteiten op kleine schaal genereren zwakke of niet te detecteren responsen, maar hebben wel een impact op het signaal. Aangezien energie wordt verstrooid in alle richtingen zwakt het doorgelaten signaal af. Dit staat bekend als de scattering attenuation en wordt geïllustreerd in onderstaande figuur.

Figuur 2.7: Scattering attenuatie. [Uit: Annan, 2009, p17] 11

De initiële straling, met een bepaalde energie-inhoud, botst op kleine lokale onzuiverheden, gekenmerkt door een scattering cross section A en een aantal per volume-eenheid N. De attenuetiecoëfficient αscattering is een maat voor de sterkte waarmee het elektromagnetische veld afneemt (Annan, 2005). (19) Er heerst een exponentiële afname van het EM signaal met de afstand r tot de bron. (20) Attenuatie is een frequentieafhankelijk fenomeen, wat duidelijk wordt door de respons van zeer kleine onzuiverheden op EM straling te onderzoeken. Deze staat gekend als de Rayleigh scattering, waarbij de onzuiverheden veel kleiner zijn dan de golflengte van de straling (Encyclopaedia Britannica). De scattering cross section A wordt als volgt berekend. (21) met C een constante met eenheden 1/(m4*Hz4), de straal van de heterogeniteiten and de frequentie. Hieruit blijkt rechtstreeks de frequentieafhankelijkheid van de attenuatiecoëfficiënt. Hoe kleiner de frequentie, des te kleiner A wordt en hoe kleiner met andere woorden de attenuatiecoëfficiënt wordt. Dit houdt in dat lage frequenties dus minder afgezwakt worden en dieper in de bodem kunnen penetreren. Lage frequenties (of grote golflengtes) leveren dus voornamelijk informatie over de dieper gelegen bodemlagen (Annan, 2009). 2.2.4.2

Ohmische attenuatie

Ondergrondse materialen worden dikwijls omschreven als dielectrics. Strikt genomen zijn dielectrics een klasse van niet-geleidende materialen die een voortplantend EM veld verder zetten en als dusdanig mogen er enkel gebonden elektrische ladingen in dergelijke materialen voorkomen. Indien er vrije lading voorkomen, zullen deze onder invloed van het EM veld doorheen het materiaal stromen, resulterende in attenuatie en een verlies in energie. In realiteit bezitten alle materialen wel enkele vrije ladingen die leiden tot attenuatie. Indien het aantal vrije ladingen beperkt blijft, worden deze materialen ook wel lossy dielectrics genoemd. Sommige bodems, zoals zilte bodems of bodems met een hoog kleigehalte, bevatten echter een grote hoeveelheid vrije ladingen welke resulteert in een zeer sterke afname van het EM signaal uitgezonden door de GPR en bijgevolg zijn deze bodems minder geschikt voor analyse met GPR. Attenuatie ten gevolge van vrije ladingen in het bodemmateriaal wordt ook wel ohmische attenuatie genoemd. 2.2.4.3

Totale attenuatie

De totale attenuatie van het EM signaal is niks anders dan de som van scattering attenuatie en de ohmische attenuatie: (22)

12

2.2.5 Loss factor and skin depth De loss factor P en de skin depth δ worden gebruikt om de verliescomponent van een materiaal weer te geven en zijn gerelateerd met de conductiviteit, permittiviteit en attenuatiecoëfficiënt door volgende vergelijking: (23) Deze parameters geven een indicatie van het aantal vrije ladingen in een lossy dielectric en dus ook van de afzwakking van het signaal in het betreffende materiaal. De skin depth (δ) is de afstand die een golf moet afleggen alvorens de amplitude met een factor van e-1 (of ongeveer 37%) is afgenomen. De loss factor (P) is de ratio van de EM energieverliezen (σ’+ωε’’) ten opzichte van de energieopslag (ωε’-σ’’) en geeft een indicatie van de geschiktheid van lage-verlies assumpties. Voor bodems met een lage geleidbaarheid worden de imaginaire componenten verwaarloosd en herleidt deze vergelijking zich tot (Cassidy, 2009a). (24) Hieruit kan dan de voortplantingssnelheid van de EM straling geschat worden: (25)

2.2.6 Maximale penetratiediepte De maximale penetratiediepte is de diepte tot waarop een object in de bodem onderscheiden kan worden van de omgevende bodem. Dit wordt enerzijds bepaald door de GPR zelf, meer bepaald door de gebruikte frequenties en de power van het instrument, maar anderzijds ook door de bodemeigenschappen. Attenuatie zwakt namelijk het georadarsignaal af waardoor op een bepaalde diepte het gereflecteerde signaal van een ondergronds object niet langer te detecteren is. Attenuatie kent een exponentiële afname met de diepte en is afhankelijk van de diëlektrische eigenschappen van de bodem en de gebruikte radarfrequentie (Leucci, 2008). 2.2.6.1

Nyquist voorwaarde

De Nyquist voorwaarde stelt dat een object in de ambiguous range, , dient te liggen ten einde detecteerbaar te blijven voor de gebruikte grondradar. De ambiguous range kan bepaald worden aan de hand van volgende vergelijking (Jol, 2009): (26) Hierbij stelt golf.

de gebruikte frequentiestap (Hz) voor en

2.2.6.2

(ms-1) de snelheid van de propagerende

Radar Range Equation

Een theoretisch zeer geschikt model ter bepaling van de maximale penetratiediepte is de radar range equation (RRE). Het model beschrijft de sterkte van het gereflecteerde signaal in de ontvangstantenne. Uitgedrukt in functie van de maximale penetratiediepte wordt vergelijking 27 bekomen (http://www.georentals.co.uk/gprsee.htm). 13

(27) met de maximale penetratiediepte, de uitgezonden power [W], G de antennegain, λ de gebruikte golflengte, de radar cross section, de kleinst detecteerbare power van de ontvangstantenne,   

een verliesfactor samengesteld uit:

Ld: de interne attenuatiefactoren Lf: de fluctuatieverliezen gedurende de reflectie Latm: de atmosferische verliezen tijdens de propagatie van de EM golven van en naar het gedetecteerde object

Gezien de noodzaak om bovenvermelde variabelen te kwantificeren, is het gebruik van de RRE in het kader van deze masterproef echter te gecompliceerd.

2.2.7 Tijd- en frequentiedomein Er zijn verschillende types GPR. Het meest kenmerkende verschil is de manier waarop de data verzameld wordt, in het tijdsdomein dan wel in het frequentiedomein. Pulsradars opereren in het tijdsdomein terwijl continuous wave (CW) radars in het frequentiedomein opereren. Oorspronkelijk bestonden alleen de pulsradarsystemen en deze zijn nog steeds de meest gebruikte. De CW radars zijn pas ontwikkeld de laatste decennia, maar kennen sinds begin jaren ’90 een serieuze opmars (Noon et al., 1994). Pulsradarsystemen zenden een puls aan EM straling uit in het tijdsdomein en vangen de gereflecteerde energie op in functie van de tijd. De antenne-eigenschappen bepalen de centrale frequentie van het EM golffront en de bijhorende bandbreedte. Het gereflecteerde golffront wordt vervolgens gedigitaliseerd voor dataopslag, verdere verwerking en weergave. De voordelen van de impulsradar zijn de eenvoud van impulsopwekking en lagere kosten van de onderdelen. Nadelen zijn dan weer de grotere inefficiëntie (lagere signal-to-noise ratio), de lagere resolutie wegens de beperkte bandbreedte en de ongewenste ringing (Koppejan, 2009). Ringing treedt op wanneer energie tussen een reflector en een oppervlak blijft terugkaatsen. Het doet zich voor als (bijna) horizontale en periodische evenementen en wanneer deze coherente ruis niet verwijderd wordt, kunnen onderliggende structuren volledig gemaskeerd worden (Kim, 2007). Radarsystemen die data verwerven in het frequentiedomein en continu straling uitzenden staan gekend als CW radarsystemen. De zendantenne is bij dit type van radar de hele tijd werkzaam. De gereflecteerde straling wordt ontvangen als functie van de frequentie en geeft de amplitude van de gereflecteerde straling weer. Het ontvangen signaal wordt gemixt met een gedeelte van het rechtstreeks uitgezonden signaal. Het gedigitaliseerde golffront kan vervolgens getransformeerd worden naar het tijdsdomein. Er wordt verder nog onderscheid gemaakt tussen de swept frequency-modulated continous wave (swept FM-CW) en de stepped frequency-modulated continous wave (stepped FMCW) systemen. Bij het eerste type wordt straling aan een bepaalde frequentie uitgezonden gaande van een bepaalde start- tot een bepaalde stopfrequentie. Het tweede type waartoe de 3d-radar, gebruikt in deze thesis, behoort, verschilt hierin aangezien de frequentie stapsgewijs verhoogd wordt over een vooropgestelde bandbreedte. Voordelen van dit type radar zijn de in te stellen uitgezonden frequenties, de efficiëntie van de aangewende energie en de efficiënte bemonstering over heel het

14

frequentiebereik. Een belangrijk nadeel is dan weer de complexe elektronica wat een hoge kost met zich meebrengt (Koppejan, 2009).

2.2.8 Ground- versus air coupled systems 2.2.8.1

Ground coupled systems

Bij grondgekoppelde GPR-systemen blijven de antennes (theoretisch gezien) steeds in contact met het bodemoppervlak of hangen ze er net boven. Indien ze niet in contact staan met de bodem, moet de afstand tot het bodemoppervlak constant gehouden worden. Het voordeel van de grondgekoppelde systemen zijn de betere verticale resolutie en de sterkere penetratie van het EM signaal in vergelijking met de luchtgekoppelde systemen. Ondanks deze voordelen treden problemen met betrekking tot ringing en veranderende antennekoppeling op, bij wijziging van de eigenschappen van het bodemoppervlak, wat het zeer moeilijk maakt om kwantitatieve informatie te bekomen zonder verdere verwerking (Jol, 2009). 2.2.8.2

Air coupled systems

In het geval van luchtgekoppelde systemen hangen de antennes, meestal tussen de 0,3 en 0,5 m, boven de grond. Het grote voordeel is dat de antennekoppeling niet wijzigt met veranderende bodemeigenschappen. Een ander pluspunt is dat het meten vereenvoudigt in het geval van een proefveld met een ruwe topografie. Nadeel is dan weer dat er een groter deel van het EM signaal in de lucht wordt uitgezonden, waardoor de antenne-efficiëntie gereduceerd wordt en het signaal reeds op geringere diepte zal uitdoven (Morey, 1998).

15

3. Materiaal & Methodes 3.1

Inleiding

Aan de hand van luchtfotografische prospectie werden op 21 juli 1996 twee halfcirkelvormige crop marks aangetroffen op een weide behorende bij de hoeve ‘Vrenhof’ gelegen in de Kloosterstraat te Assenede (figuur 3.1) Deze bodemsporen worden veroorzaakt door een verschil in vochtgehalte in vergelijking met de omgevende bodem, welke verklaard zou kunnen worden door de aanwezigheid van voormalige grachten, aanleiding gevende tot een verschil in plantenstress. Onderzoek door dr. Lieven Verdonck van 9 tot 16 juni 2009 bestond erin (1) te verifiëren of de sporen die de crop marks veroorzaken door middel van geofysische methoden konden worden gedetecteerd en (2) de plaats verder te onderzoeken om te bepalen of eventueel bijkomende sporen konden worden aangetroffen die bijdragen aan de archeologische interpretatie van de luchtfoto’s (Verdonck, 2009). In het kader van deze thesis werd de motte opnieuw onderzocht aan de hand van een GeoScope™ GS3F GPR en aan de hand van een Dualem-21S EMI sensor. Een eerste doelstelling van dit onderzoek bestaat erin te controleren of er aan de hand van de GeoscopeTM GS3F ground penetrating radar duidelijkere dan wel nieuwe bodemsporen gevonden kunnen worden in vergelijking met het oorspronkelijke onderzoek. Ten tweede wordt de meerwaarde van GPR ten opzichte van EMI onderzocht. De derde doelstelling tenslotte betreft een analyse van de maximale penetratiediepte van de gebruikte grondradar in deze bodem. De metingen werden uitgevoerd op vrijdag 24 augustus 2012. De weersomstandigheden waren zonnig en droog, evenals voorgaande dagen, zodat de weersomstandigheden optimaal waren voor geofysische prospectie aan de hand van GPR.

Figuur 3.1: Luchtfoto van de site op 21 juli 1996 (J. Semey) (nr. 115310, archief Universiteit Gent: CD 232-82) 16

3.2

Studiegebied

De survey werd uitgevoerd op een weide behorende tot de hoeve ‘Vrenhof’ en is eigendom van de Heer en Mevrouw Perneel-Schepens. De weide wordt begraasd door rundvee en is naast de hoevegebouwen gelegen (zie figuur 3.1). Ten noorden wordt de weide begrensd door een voormalige spoorweg, thans fietspad. Verder wordt het proefveld omsloten door de huidige hoevegebouwen (ten oosten), de oprit naar de hoeve (ten zuiden) en lintbebouwing uit de jaren ’70’80 in het westen. Bodemkundige informatie over de omgeving werd bekomen uit de Databank Ondergrond Vlaanderen (DOV). DOV is een samenwerkingsverband tussen het departement Leefmilieu, Natuur en Energie, de Vlaamse Milieumaatschappij (VMM) en het departement Mobiliteit en Openbare Werken en heeft als doelstelling het verder structureren, beheren en (digitaal) ter beschikking stellen van alle ondergrondgerelateerde gegevens (DOV, 2013). Binnen een straal van 600 m rondom het onderzoeksveld werden 3 boringen in de databank aangetroffen (zie figuur 3.2). De rapporten van de drie boringen worden weergegeven in appendix A en kunnen eenvoudig gedownload worden van de website (https://dov.vlaanderen.be/). Enkele eigenschappen van de boringen zijn samengevat in tabel 3.1. Uit boringen 1 en 3 valt af te leiden dat de quartaire afzetting aanwezig zijn tot op een diepte van om en bij de 15 m. Daar het onderzoeksveld zich op de rand van de Vlaamse zandstreek bevindt, gaat het hier om vrij dikke zandige afzettingen uit het Weichseliaan (ca. 100 000 – 10 000 jaar geleden (http://www.geologievannederland.nl/), de laatste etage van het Pleistoceen. Hieronder bevindt zich donkergrijsgroen glauconiethoudend fijn zand, behorende tot het Lid van Bassevelde (Formatie van Zelzate) tot op een diepte van circa 24 m. Op deze diepte gaat de bodem over in een groengrijze klei behorende tot het Lid van Onderdijke (Formatie van Maldegem).

3

1

2

Figuur 3.2: Boringen beschikbaar in ‘Databank Ondergrond Vlaanderen’ aangeduid op een topografische kaart. 17

Tabel 3.1: Samenvattende eigenschappen van de DOV-boringen.

Afstand tot onderzoeksveld (m) Boormethode Kwaliteit Diepte Tertiair (m) Diepte boring (m)

3.3

Boring 1 +/- 110

Boring 2 +/- 490

Boring 3 +/- 580

Spoelboring Matig 14,25 16,00

Droge boring Goed Ongekend 2,60

Spoelboring Matig 12,30 28,00

EMI

Elektromagnetische inductie (EMI) sensoren worden gebruikt voor tal van landbouwkundige en archeologische doeleinden waarbij de natuurlijke bodemvariabliliteit en begraven objecten in kaart worden gebracht (Saey, 2010). Teneinde de meerwaarde van radarbeelden te onderzoeken, werd het proefveld eveneens opgemeten met een EMI sensor. In het kader van deze thesis werd gewerkt met een Dualem-21S sensor (Dualem, Canada), betreffende een low induction number, frequentiedomein EMI sensor. De DUALEM-21S sensor voorziet vier simultane metingen van de schijnbare elektrische geleidbaarheid (ECa) waardoor over een groter bodemvolume gemeten kan worden in vergelijking met de klassieke 2-spoel sensoren (Dualem Inc, 2007). De sensor bestaat uit één zenden vier ontvangstspoelen (zie figuur 3.3). De zendspoel is gelokaliseerd aan één uiteinde van de sensor (namelijk links op figuur 3.3), de ontvangstspoelen zijn op 1, 1.1, 2, 2.1 m van de bronspoel ingebouwd (Dualem, 2007). De spoelen op 1 en 2 m vormen elk een paar met de zendspoel in een horizontaal coplanaire (HCP) vlak. De spoelen op 1,1 en 2,1 m afstand bevinden zich in een perpendicular loop oriëntatie (PRP) met de zendspoel (Simpson et al, 2009).

Figuur 3.3: Voorstelling van de Dualem-21S sensor. De cumulatieve respons voor elk koppel kan bekomen worden door vergelijkingen 3 en 4 in te vullen voor verschillende dieptes. Het resultaat staat weergegeven in figuur 3.4. De depth of exploration (DOE) wordt gedefinieerd als de diepte waarbij 70% van de respons bekomen wordt van het bodemvolume boven deze diepte (Saey et al., 2009). Voor de Dualemsensor varieert de DOE tussen circa 0,5 en 1 m voor de perpendicular PRP-spoelconfiguraties en van circa 1,5 tot 3,8 m voor de horizontale HCP-spoelconfiguraties. Dit laat toe om de ECa-variaties in functie van de diepte te detecteren door integratie van meerdere signalen. De EMI-sensor wordt in een polyethyleen buis gemonteerd en verder getrokken door een terreinvoertuig waardoor op korte tijd een groot aantal metingen verworven kan worden. Een Trimble AgGPS332 (Trimble Inc, Colorado, USA) met OmniSTAR differential correction (OmniSTAR INC., Texas, USA) werd gebruikt om de ECa-metingen te georefereren (alsook de hoogtemetingen). Een veldcomputer registreert de EMI-metingen en GPS-coördinaten en slaat ze op in één bestand. 18

Metingen werden genomen door om de 0,8 m door parallelle lijnen te rijden in de lengterichting van het onderzoeksveld. 0 0.5 1 1.5

z (m)

2 2.5 3 3.5 4

DOE 4.5 5

0

0.1

0.2

0.3

0.4 0.5 0.6 Cumulatieve respons

0.7

0.8

0.9

1

Figuur 3.4: Cumulatieve respons in functie van de diepte voor de verschillende spoelen. De EMI-data worden eerst gegeorefereerd aan de hand van een lineaire interpolatie, alvorens gecorrigeerd te worden voor de afstand tussen de GPS-antenne en het middelpunt tussen de zenden ontvangstantenne (afstandscorrectie, zie figuur 3.5). Daarnaast werd ook een driftcorrectie, nodig omwille van temperatuursvariaties tijdens het meten, en een GPS-correctie uitgevoerd. De data werden opgezuiverd om onrealistische waarden, bijvoorbeeld door het omkantelen van de slede, te verwijderen. Vervolgens werd ordinary point kriging uitgevoerd om een gebiedsdekkende kaart te bekomen. Hierna werden verschillende kleurenschalen toegepast en werd het contrast van de kaarten aangepast in functie van het visualiseren van patronen en structuren in de data. De resultaten voor de twee horizontale coplanaire (HCP) en de twee loodrechte (PRP) spoelen staan weergegeven in deel 4 ‘Resultaten’.

Afstand tussen GPS en EMI-sensor

Figuur 3.5: Opstelling Dualem 21S sensor aan de terreinwagen. [Aangepast uit: De Smedt et al., 2012]

19

3.4

GPR

3.4.1

Instellingen

In het kader van deze thesis werd de motte opnieuw onderzocht aan de hand van een GeoScope™ GS3F ground penetrating radar system. De belangrijkste discrepantie tussen de GPR gebruikt in deze masterproef en de pulseEKKO PRO georadar, aangewend door dr. Lieven Verdonck, is dat in dit onderzoek gebruik gemaakt werd van een radar met een frequentiebereik, ingesteld van 50 tot 1500 MHz met een frequentiestap van 2MHz, waar in de oorspronkelijke survey gewerkt werd met een radar met een centrale frequentie van 500 MHz. Voor de specifieke kenmerken van de radar gebruikt in het onderzoek uitgevoerd door dr. Lieven Verdonck wordt verwezen naar appendix B . De GeoScope™ GS3F GPR is ontworpen als een luchtgekoppeld systeem (3d-Radar, 2009). Voorgaande experimenten hebben echter uitgewezen dat de beste resultaten bekomen worden indien de antennegroep contact maakt met het bodemoppervlak (De Pue, 2012). Bijgevolg werd gekozen voor het sledesysteem in plaats van de klassieke constructie op wielen. De geoscope (zie figuur 3.6) is het onderdeel van de GPR dat gezien kan worden als de centrale eenheid van de radar van waaruit alles vertrekt. De elektromagnetische golven worden uitgezonden en opgevangen door de antennenest (zie figuur 3.6). Aan de hand van bijhorende software worden via een draagbare PC de instellingen bepaald. De belangrijkste zijn het frequentiebereik, de frequentiestap, de dwell time, de scanconfiguratie en het meetinterval, dewelke geïllustreerd zijn in figuur 3.7. De instellingen van de radar werden in tabel 3.2 samengevat. In wat volgt wordt de betekenis van elk van deze instellingen bondig uitgelegd. Tabel 3.2: Instellingen van de GPR tijdens het onderzoek te Assenede (2012/08/24). Dwell time Scanconfiguratie Domein Minimum frequentie Maximum frequentie Frequentiestap

2,00 μs Standaard (zero-offset recording) Frequentie 50 MHz 1500 MHz 2 MHz

Figuur 3.6: GPR-opstelling tijdens een meting [Uit: De Pue, 2012]

20

3.4.1.1

Frequentiebereik

Het frequentiebereik beslaat, zoals te zien is in figuur 3.7, de zone tussen de minimale en de maximale frequentie. Het is met andere woorden de frequentiezone waarbinnen gemeten wordt (De Pue, 2012). Het frequentiebereik van de gebruikte radar loopt van 50Mhz tot 3GHz, maar uiteindelijk kan voor een beperkter frequentiebereik geopteerd worden al naar gelang de bodemcondities en de doelstelling van de veldmetingen (3d-Radar AS, 2009). Zo zullen in een kleibodem de hoge frequentiegolven zeer snel uitdoven en dus geen nuttige informatie opleveren. Indien dan weer enkel informatie gewenst is over de bovenste bodemlagen leveren lage frequentiegolven geen bijdrage aan het onderzoek (De Pue, 2012). Enerzijds moet het frequentiebereik zo nauw mogelijk zijn om de signal-to-noise ratio (S/N) zo hoog mogelijk te houden, maar anderzijds dient men het frequentiebereik breed te houden om informatie over bepaalde bodemlagen te bekomen (Davis, 1989). Zoals reeds vermeld werd het frequentiebereik tijdens de metingen ingeperkt van 50 tot 1500MHz, daar de hogere frequenties reeds uitgedoofd zijn vooraleer de grachten bereikt worden.

frequentiebereik

Figuur 3.7: Step-frequency golffront. Komt overeen met één volledige meting. [Aangepast uit: 3d-Radar AS, 2009] 3.4.1.2

Meetinterval

Figuur 3.8 toont de spatiale resolutie waarmee de GPR meet. Het interval in de x-richting kan ingesteld worden in de software en bepaalt het interval tussen twee opeenvolgende metingen. Het distance measurement instrument (DMI), geïnstalleerd op een wiel, meet de afgelegde afstand en zendt een signaal naar de geoscope wanneer een nieuwe meting gestart moet worden. Hoe groter het x-interval, hoe sneller de dataverwerving kan gebeuren en hoe minder opslaggeheugen vereist is, maar des te kleiner de resolutie zal zijn (3d-Radar AS, 2012). Aangezien een grote resolutie vereist was tijdens dit onderzoek werd het x-interval ingesteld op 5cm. De afstand tussen de antennes bepaalt op zijn beurt het interval in de y-richting (zie figuur 3.8). In de standaardconfiguratie (zie deel 3.4.1.5 ‘Scanconfiguratie’), gebruikt tijdens deze metingen, is de onderlinge afstand tussen zenden ontvangstantennes minimaal en bedraagt ze 7,5cm.

21

Figuur 3.8: Meetinterval van de GPR. [Uit: 3d-Radar AS, 2009] 3.4.1.3

Frequentiestap

De frequentiestap is een maat voor het verschil in frequenties waarop gemeten wordt. De frequentie wordt na een meting stapsgewijs verhoogt met de frequentiestap om vervolgens nieuwe metingen uit te voeren. Dit proces herhaalt zich tot het moment waarop het hele frequentiebereik overlopen is (De Pue, 2012). In dit geval is één volledige scan bekomen. Een te kleine frequentiestap zorgt voor een te trage data-acquisitie en vereist een grote opslagcapaciteit. Een te grote frequentiestap leidt dan weer tot een te lage (verticale) resolutie (3d-Radar AS, 2012). Er werd gewerkt met een frequentiestap van 2 MHz tijdens de metingen voor deze thesis. 3.4.1.4

Dwell time

Zoals te zien is in figuur 3.7 wordt gedurende een bepaalde periode een signaal met een zekere frequentie de bodem ingestuurd alvorens naar een volgende frequentie wordt over te gaan. Deze periode wordt aangeduid als de dwell time. Een goede instelling van de dwell time is van belang: aan de hand van een grote dwell time wordt een goede S/N bekomen, maar dit brengt een trage dataacquisitie met zich mee. Een te grote dwell time leidt slechts tot een beperkte verbetering van het signaal en kan de verhoogde acquisitietijd niet verantwoorden (Linford et al., 2010). In het kader van deze thesis werd gemeten met een dwell time van 2 μs. 3.4.1.5

Scanconfiguratie

Zero-offsetrecording De antennes van de Geoscope GS3F GPR zijn gerangschikt in een lineaire reeks met de zendantennes aan één zijde en de ontvangstantennes aan de andere zijde van de antennegroep (zie figuur 3.9). De standaardconfiguratie, gebruikt tijdens de metingen voor deze thesis, is deze waarbij de ontvangstantennes EM straling opvangen afkomstig van de zendantenne er net tegenover en waarbij alle antennekoppels paarsgewijs gebruikt worden. De gebruikte radar beschikt over 7 zenden 7 ontvangstantennes, zodat in de standaardconfiguratie 13 parallelle metingen uitgevoerd worden (3dRadar AS, 2009). Om aan hogere snelheden te kunnen meten kunnen antennekoppels uitgeschakeld 22

worden zodat minder parallelle metingen bekomen worden. Dit gaat uiteraard ten koste van de resolutie (De Pue, 2012).

Figuur 3.9: Antenne lay-out. [Uit: 3d-Radar AS, 2009] Multi-offset recording Bij deze configuratie worden de antennekoppels niet langer paarsgewijs gebruikt. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om straling uitgezonden door de eerste zendantenne op te vangen met de zevende en laatste ontvangstantenne. Een speciaal geval is de common midpoint (CMP) methode. In dit geval is de antenneconfiguratie zodanig ingesteld dat 7 metingen worden uitgevoerd met elk een andere afstand tussen de antennes, maar op zo’n manier dat de metingen gecentraliseerd worden over één punt. Deze methode kan gebruikt worden voor de bepaling van de voortplantingssnelheid van de EM golf (3d-Radar AS, 2009).

3.4.2 Opstelling antennegroep De antennegroep bestaat uit 14 air-coupled bow-tie monopole antennes. De 7 zendantennes zitten aan één kant van de antennenest, de 7 ontvangstantennes, geschrankt t.o.v. de zendantennes, aan de andere kant. In de standaard zero-offset configuratie, waarbij de ontvangstantenne EM signalen opvangt van de naburige zendantennes, beschikt de GPR dus over 13 parallelle metingen. De onderlinge afstand tussen de metingen bedraagt in dat geval 7,5 cm. Bij het voorttrekken van de antennegroep over het terrein zijn er verschillende configuraties mogelijk zoals een opstelling op wielen (waarbij de antennegroep opgehangen wordt d.m.v. vier wielen en de hoogte van de antennes boven het oppervlak regelbaar is) of een slede voorzien van een polyethyleenplaat waarin de antenne over de bodem gesleept wordt. De gebruikte opstelling heeft een invloed op de metingen en de kwaliteit van de data. Naargelang het terrein kan geselecteerd worden welke opstelling de voorkeur geniet. Bij vlakke terreinen geniet het gebruik van de slede de voorkeur omdat er minder interferentie waargenomen wordt in de data (De Pue, 2012). Bij verharde terreinen geniet de constructie op wielen de voorkeur, aangezien de antennenest dan geen contact maakt met het oppervlak en slijtage vermeden wordt. De antennes zijn afgeschermd om interferentie zoveel mogelijk in te perken en ze te beschermen tegen vuil en vocht (3d-Radar AS, 2009).

23

3.4.3 Dataverwerking Om goed interpreteerbare beelden te bekomen, is verwerking van ruwe data vaak onontbeerlijk. Nochtans zijn dataverwerking en –analyse de stappen die het meest controverse veroorzaken bij GPR gebruikers wereldwijd. Hoe ver een gebruiker mag gaan in het processen van de data is een kwestie van persoonlijke opinie, ervaring en is bovendien afhankelijk van de dataset zelf. Wat echter werkelijk van belang is, is dat de uiteindelijke interpretatie geldig is. De bedoeling van dataverwerking is om de kwaliteit van de data te verhogen, meer bepaald om de S/N te vergroten en als dusdanig de interpretatie te vereenvoudigen. Door dataverwerking kunnen gemaskeerde structuren, te wijten aan een te hoog ruisgehalte, zichtbaar gemaakt worden door de ruis eruit te filteren. Iets wat echter niet in de data aanwezig is, zal nooit zichtbaar gemaakt kunnen worden door data processing. Dit duidt op het belang van een goede data-acquisitie. Verder dient men altijd in het achterhoofd te houden dat hoe gesofisticeerder de verwerking wordt, hoe groter de kans op potentiële artefacten en bias in de data (Cassidy, 2009b). Dit hoofdstuk heeft als doelstelling de gebruikte en/of uitgeprobeerde verwerkingstappen kort toe te lichten. De basisverwerking van de data gebeurde in 3d Examiner, een softwarepakket van 3D Radar AS. Gezien de beperkte mogelijkheden in dit programma werd een deel van de verwerking echter ook in Matlab gedaan. 3.4.3.1

Data editing

Gedurende de dataverwerving kunnen fouten optreden zoals het crashen van de software, het loskomen materiaal van de GPR, onnauwkeurige lokalisatie door de GPS,… (Dojack, 2012). Indien de fouten reeds op het veld gekend zijn, is het de bedoeling dat de onderzoeker ze registreert zodat ze nadien makkelijk geïdentificeerd kunnen worden. Data editing heeft als doelstelling de fouten die voorkwamen tijdens een survey te corrigeren en omvat daarnaast nog zaken zoals datareorganisatie, achtergrondinformatie updates, opnemen van hoogtegegevens in de data,… (Cassidy, 2009b). 3.4.3.2

Time-ground correction

Wijzigingen in hoogte tussen de antennes en het bodemoppervlak te wijten aan de ruwheid van het terrein, elektrische instabiliteit, thermische variaties, e.d. kunnen variaties in de reistijd van het lucht/bodem signaal veroorzaken met gevolgen voor de positionering van het bodemoppervlak en de mate van overeenkomst tussen aangrenzende secties (Olhoeft, 2000). Alvorens verdere verwerkingen kunnen worden toegepast, dient dan ook een time-ground correction uitgevoerd te worden (Leucci, 2012). De time-ground correctie is gebaseerd op het bepalen van de time ground: de tijd die de straling nodig heeft om de bodem te bereiken. Dit gebeurt meestal door een specifiek criterium in acht te nemen (bijvoorbeeld de eerste negatieve piek van het ontvangstsignaal) en wordt meestal automatisch uitgevoerd door de verwerkingssoftware. Er wordt aangeraden eerst een antennekalibratie (zie verder) uit te voeren om de direct coupling (interne reflecties) te verwijderen. Op deze manier zijn de eerste sterke reflecties nagenoeg zeker afkomstig van het bodemoppervlak. Anderzijds dient de time-ground correctie vóór de background noise removal (zie verder) uitgevoerd te worden daar deze filter de horizontale componenten uit de data verwijdert en dus het bodemoppervlak minder duidelijk tot zelfs onduidelijk zou worden. Doorgaans worden goede resultaten bekomen. Dit is echter niet zo wanneer veel ruis in de data voorkomt, aangezien dan niet eenduidig te bepalen is wanneer bijvoorbeeld de eerste piek juist start (Cassidy, 2009b). 24

Nadeel aan deze verwerking is dat het microreliëf van het terrein verloren gaat en horizontale lagen zoals de grondwatertafel verstoord kunnen raken. Er moet dus overwogen worden of deze correctie een meerwaarde biedt dan wel meer schade berokkent (De Pue, 2012). 3.4.3.3

Dewow filtering

De velden nabij de transmitter bevatten lage-frequentie energie geassocieerd met elektrostatische en inductieve velden, dewelke snel afnemen met de afstand. Deze energie doet het base level van het ontvangstsignaal naar omhoog of omlaag buigen. Dit fenomeen staat gekend als wow. (Annan, 2009). Dewow filtering is een temporele filter om de zeer lage frequentie componenten uit de data te verwijderen en de data op een gemiddeld nulniveau te brengen (Cassidy, 2009b). De techniek kent zijn oorsprong in de seismische toepassingen, maar leidt als GPR dataverwerking zelden tot bevredigende resultaten (De Pue, 2012) en werd in het kader van deze thesis dan ook niet toegepast. 3.4.3.4

Interference removal

De GeoScope™ GS3F GPR zendt EM straling in de bodem binnen een in te stellen frequentiedomein. Er is echter ook externe straling aanwezig onder de vorm van radio- (FM en AM), GSM- en televisiegolven. De antennes worden hiervoor afgeschermd, maar zullen steeds een bepaalde mate van interferentie ondervinden. Het is aan te raden interferentie zoveel mogelijk te beperken en bijvoorbeeld GSM toestellen uit te schakelen tijdens de metingen. Zo vereisen hoge resolutiemetingen dat de ongewenste straling een factor van 1 miljoen keer kleiner is dan de straling afkomstig van de radar (Feigin et al., 2009). Interferentie van externe bronnen dient verwijderd te worden aangezien ze ervoor kan zorgen dat onderliggende informatie bedekt wordt. Dit staat gekend als interference removal. Er wordt een algoritme aangewend welke relatief smalle anomaliën in het frequentiedomein kan detecteren. Tussen de grenzen van deze anomaliën wordt vervolgens een interpolatie uitgevoerd. Met een relatief beperkt verlies aan data kan op deze manier toch een realistisch beeld bekomen worden van het oorspronkelijk signaal (Daniels, 2007). Anderzijds kunnen ook kabels die de geoscope met de antennegroep, de voeding en de GPS verbinden zorgen voor interferentie. Doorheen deze kabels loopt namelijk een elektrische stroom, welke ervoor kan zorgen dat zich op het uiteinde van de kabels reflecties kunnen manifesteren en waardoor er energieverliezen kunnen optreden. Deze interferentie is veel moeilijker te detecteren en dus weg te filteren dan bovenvermelde interferentie van externe bronnen en goede installatie van de opstelling is dus noodzakelijk om dit probleem zo veel mogelijk in te perken. 3.4.3.5

Antennekalibratie

Om interne reflecties en ruis van de antennegroep te elimineren kan een antennekalibratie worden uitgevoerd. Hiertoe wordt een skyshot met identieke instellingen als bij de veldmetingen genomen. Een skyshot is een meting waarbij de antennes naar boven worden gericht en gebeurt het best in het midden van het proefveld of daar waar er geen objecten in het bereik van de antennes voorkomen. In theorie is, na toepassing van de filter, het enige signaal bijgevolg het rechtstreekse signaal van de zend- naar ontvangstantenne. In praktijk zal natuurlijk ook ruis het signaal beïnvloeden, aangezien de antennes omgekeerd gehouden worden en als dus gevoeliger wordt voor externe straling uit de omgeving. Het gemeten signaal wordt van de eigenlijke data afgetrokken om interne reflecties en ruis te verwijderen.

25

3.4.3.6

Transformatie naar tijdsdomein

Aangezien de gebruikte GPR een continuous wave GPR is en dus meet in het frequentiedomein, dienen de bekomen resultaten getransformeerd te worden naar het tijdsdomein om verdere verwerking en interpretatie mogelijk te maken. Dit maakt deze stap één van de meest belangrijke binnen de dataverwerking. Er wordt gebruik gemaakt van een inverse Fourier transformatie, waarvan twee types beschikbaar zijn in 3d Examiner. Een Fourier transformatie sommeert alle frequenties in de tijd door de frequentiecomponenten te integreren over het tijdsdomein. De inverse Fourier transformatie is niets anders het omgekeerde van dit proces en voert dus een omzetting van het frequentie- naar het tijdsdomein uit (Motoyuki, 2001). De resultante is een signaal bestaande uit een reële en een imaginaire component. De functie die deze twee componenten omsluit/omhult, wordt aangeduid als de magnitude (Shao, 2010). Inverse Fast Fourier Transformation De data in het frequentiedomein is discrete data waardoor een snellere transformatie uitgevoerd kan worden die gebruik maakt van een sommatie in plaats van een integratie. Dergelijke transformatie staat gekend als de invers fast Fourier transformation (IFFT). Bijkomstig nadeel bij deze methode is het lekken van energie veroorzaakt door de discontinuïteiten aan de grenzen van het spectrum. Hierdoor wordt de energie uitgesmeerd over de grenzen van de sidelobes van de reflector. Tengevolge hiervan zullen dicht bij elkaar liggende objecten niet meer identificeerbaar zijn en zal de resolutie sterk afnemen. Dit probleem kan grotendeels opgelost worden door gebruik te maken van een vensterfunctie waarover de transformatie wordt uitgevoerd. In 3d Examiner zijn enkele vensterfuncties beschikbaar waarvan Kaiser en Tuckey de meest gebruikte zijn (Rodet, 1992). ISDFT De invers selective discrete Fourier tranfsorm (ISDFT) is een speciaal geval van de IFFT waarbij de hoge frequenties op grote diepte onderdrukt worden. Deze frequenties leveren toch geen extra informatie over de diepere lagen en leiden enkel tot introductie van ruis op deze dieptes. Er wordt rekening gehouden met de frequentieafhankelijkheid van de attenuatie en dit type van transformatie vereist dus een goeie inschatting van de attenuatiecoëfficiënt, wat vaak problematisch is (De Pue, 2012). 3.4.3.7

Filters

Filters worden doorgaans gebruikt voor het verwijderen van antropogene of systeemgerelateerde ruis en helpen de visuele kwaliteit van de data te verbeteren (Cassidy, 2009b). Er is een hele set aan filters, gaande van de simpele band-pass filters tot zeer gesofisticeerde filters (Lehmann et al., 1996; Pipan et al., 1999; Young and Sun, 1999). Simpele filters zijn het meest effectief in het verwijderen van hoge of lage frequentieruis en volstaan in het merendeel van de gevallen (Basile et al., 2000). Gesofisticeerde filters worden aangewend voor specifieke problemen, maar aangezien ze een subjectieve bias introduceren is voorzichtigheid omtrent hun gebruik geboden (Malagodi et al., 1996; Annan, 1993). In de praktijk is nagenoeg steeds enige vorm van filtering vereist en zijn de simpelste methodes dikwijls de meest effectieve (Annan, 1993). Filters kunnen toegepast worden voor of na de gain (zie verder). Indien post-gain filters gebruikt worden, moet het effect van de gain op de amplitude en spectrale inhoud van de data volledig begrepen zijn. Filters kunnen onderverdeeld worden in twee groepen: de spatiale, welke werken over de afstand, en de temporele, welke werken 26

langsheen de tijdas (of de diepte). Vaak worden gecombineerde filters gebruikt die zowel in tijd als ruimte opereren. Eenvoudig gesteld wijzigt een filter de data door signalen van bepaalde frequenties te verwijderen, te onderdrukken of te versterken (Cassidy, 2009b). Median en mean filters Achtergrondruis en horizontale ringing worden gereduceerd door gebruik te maken van deze filter. Voor elke antenne wordt op elke diepte de gemiddelde (mean) of mediaan (median) berekend in de rijrichting en vervolgens van de data afgetrokken. De min of meer constante ringing wordt op deze manier verwijderd, terwijl de reflecties van bodemobjecten behouden blijven. Nadeel is wel dat horizontale structuren afgezwakt of zelfs volledig verwijderd kunnen worden. Een goede afweging bij het gebruik van deze filters is noodzakelijk in relatief lossy dielectrics, zoals een vochtige bodem, wegens het voorkomen van een sterke ground-antenna coupling en potentieel ondiepe lagen, dewelke een sterke ringing kunnen veroorzaken zodat ze signalen afkomstig uit diepere bodemlagen kunnen maskeren (Sensors and Software, 1999). Low- en high pass filter De low-pass filter is geschikt voor het verwijderen van hoge frequentieruis. Deze filter versterkt de vlakke structuren en zwakt de dipping responses af. De high-pass filter laat de hoge frequentiecomponenten door en filtert de lage frequenties (Leucci, 2012). Op deze manier worden de dipping events versterkt en vlakke structuren onderdrukt (Cassidy, 2009b). Band-pass filter Een band-pass filter is een combinatie van een high en een low-pas filter en laat dus een specifiek bereik aan frequenties door (Leucci, 2012). Band-pass filters worden vaak gebruikt en er is een heel gamma ontwikkeld met elk hun eigen vorm van band-pass region. Ze worden gebruikt om ruis gerelateerd aan bepaalde frequenties te verwijderen (Cassidy, 2009b). 3.4.3.8

Deconvolutie

Deconvolutie is een proces waarbij het signaal afkomstig van de bron verwijderd wordt, zodat alleen de respons ten gevolge van de ondergrondse objecten/lagen overblijft (Neves et al., 1996). Binnen de seismische wereld heeft de techniek al vele diensten bewezen, waar ze aangewend wordt om de resolutie van de data te vergroten. Voor GPR data worden echter zelden bevredigende resultaten bekomen. Reden hiervoor is dat benodigde assumpties zoals stationariteit meestal niet geldig zijn voor GPR (Leucci, 2012). Dit maakt dat deconvolutiealgoritmes slechts sporadisch gebruikt kunnen worden en dit enkel in goed gedefinieerde en niet complexe bodems. In deze gevallen dient men vooraf de signalen uit de diepere bodemlagen te versterken en als dus eerst een gain algoritme toe te passen (Annan, 2001). 3.4.3.9

Migration

Reflecties afkomstig van ondergrondse objecten/structuren komen vaak voor als hyperbolen tijdens de visualisatie. Dit is te wijten aan de mobiele meetconfiguratie van de GPR. De doelstelling van migratie is om de gereflecteerde signalen opnieuw op hun ware locatie en in hun ware vorm af te beelden (Scheers). Op deze manier wordt een grotere resolutie en een realistischer beeld van de ondergrond bekomen. Een overzicht van een aantal migratietechnieken kan gevonden worden in Yilmaz (2000). Net zoals bij deconvolutie werden migratietechnieken oorspronkelijk ontworpen in de seismische industrie. Maar ook hier blijkt het gebruik voor GPR data veel minder geschikt. Reden 27

hiervoor is dat enkele aannames, zoals een gekend snelheidsprofiel en constante snelheden binnen elke bodemlaag, vereist zijn. In homogene bodems is dit min of meer geldig. Voor complexe bodems is de voorwaarde echter nooit voldaan en er zal slechts zeer zelden een verbetering in visualisatie waar te nemen zijn. 3.4.3.10 Gain functions Een gain function, verder aangeduid als gain, tracht de interpreteerbaarheid van GPR-beelden te verbeteren door de signalen op grote dieptes te versterken. De data wordt op een bepaalde manier gewijzigd, waardoor het belangrijk is de plaats binnen de dataverwerking goed te overwegen (Annan, 1999). Zonder gain functions worden de signalen op grotere dieptes zeer klein of onzichtbaar in vergelijking met signalen van de bovenste bodemlagen. Dit is te zien in figuur 3.10, waarin voor elke diepte het gemiddelde van de reële en imaginaire component is uitgezet. De afname in signaalsterkte is te wijten aan de toenemende attenuatie en radiale dispersie met de diepte. Daarom is er nood aan een algoritme dat de amplitudes van de signalen van verschillende dieptes gelijkstelt en tracht te compenseren voor het verlies aan energie met toenemende diepte (Sensors and Software, 1999). Spherical and exponential gain Het concept van de spherical and exponential compensation (SEC) bestaat erin een lineaire en exponentiële gain te combineren tot één versterkingsfunctie (De Pue, 2012). Een goede inschatting van de snelheid en de attenuatiecoëfficiënt zijn noodzakelijk om zo goed mogelijk te kunnen compenseren voor de sferische spreading losses en exponentiële conductiviteitsverliezen (Sensors and Software, 1999). De gain wordt zeer sterk op grote diepte en bijgevolg wordt de ruis daar sterk vergroot. Om aan dit probleem tegemoet te komen wordt de gainfunctie meestal constant gesteld vanaf een bepaalde diepte. Onderstaande vergelijking geeft de algemene vorm van de SEC weer. Hoe groter de attenuatie hoe sterker de gain bij geringe dieptes. Dit is geïllustreerd in figuur 3.11.

(27)

met:

de gainfunctie Gc een constante t de reistijd van het GPR signaal (s) t0 begintijd (s) l een lineaire parameter α de attenuatiecoëfficiënt (dB/m) v de voortplantingsnelheid van de elektromagnetische straling (m/s)

28

-7

0

x 10

Real Imaginary

0.1

0.2

Two Way Traveltime (s)

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1 -1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 -5

x 10

Figuur 3.10: Gemiddelde van de reële en imaginaire component in functie van de diepte zonder gain.

Figuur 3.11: Voorbeeld van twee spherical and exponential gains.

29

Automatic gain control Bij de automatic gain control (AGC) wordt een versterkingsfactor berekend op basis van het verschil tussen de gemiddelde amplitude binnen een vooraf gedefinieerd tijdsvenster (overeen komende met een zekere diepte) en de maximale amplitude (Cassidy, 2009b). Zoals te zien is in figuur 3.12 neemt de gain eerst exponentieel toe, bereikt ze een maximum en neemt ze nadien quasi lineair af. Vanaf deze diepte wordt het verschil tussen de gemiddelde amplitude en de maximale amplitude zodanig groot dat besloten kan worden dat ruis dominant wordt. Bijgevolg neemt de gain opnieuw af om te vermijden dat de aanwezige ruis versterkt wordt (De Pue, 2012). Het instellen van de juiste vensterbreedte is van cruciaal belang. Een (te) kleine vensterbreedte (minder dan 3% van de totale sample length of minder dan 25% van de golflengte van de propagerende EM straling) zorgt ervoor dat de ruis en het signaal in dezelfde mate worden aangepast en resulteert bijgevolg in een zeer wazig beeld. Als de vensterbreedte daarentegen te groot is (groter dan 10% van de totale sample length of meer dan tweemaal de golflengte van de EM straling) domineert de achterkant van de high-amplitude pulses in de berekening van de gain (Horstmeyer, 1996).

Figuur 3.12: Automatic gain control. [Uit: De Pue, 2012]

Manual gain control In 3d Examiner bestaat tevens de mogelijkheid om handmatig een gainfunctie in te stellen. Op zelfgekozen dieptes kan een waarde voor de gain ingesteld worden. De gainfunctie wordt dan bekomen door deze punten via een rechte met elkaar te verbinden. Nadeel van deze gain is natuurlijk het arbitraire karakter. Het voordeel is dan weer dat een accurate inschatting van de attenuatie niet vereist is. Door de gain zo aan te passen dat het gereflecteerde signaal over de diepte min of meer constant blijft, met een lichte afzwakking op grotere dieptes, kan op eenvoudige wijze het signaal van diepere lagen versterkt worden zonder de ruis op te blazen.

30

3.5

Staalnames

Teneinde de aard van de GPR-reflecties te kunnen verklaren en de GPR- en EMI-beelden aan te vullen, werden boringen aan de hand van een Edelmanboor genomen op verschillende plaatsen in het onderzoeksveld. Een eerste reeks van drie boringen werd uitgevoerd op 24 augustus 2012, samen met de GPR- en EMI-metingen. De distributie van de boringen is weergegeven op één van de EMI-kaarten in figuur 3.13. Ze werden gepositioneerd aan de hand van de resultaten van Verdonck (2009). Een eerste boring werd uitgevoerd ten zuiden van de binnenste concentrische gracht, een tweede in het midden van de binnenste concentrische gracht en een derde in de ‘middenzone’. Er werd een bodemstaal genomen om de 20 cm, waarop het organische koolstofgehalte (OC), het CaCO3-gehalte en de textuur bepaald werd.

(mS m-1)

Figuur 3.13: Distributie van de eerste reeks boringen (24 augustus 2012) aangeduid op de ECaHCP,1m-kaart van het onderzoeksveld. Op dinsdag 31 april 2013 werden bijkomende boringen uitgevoerd met als doelstelling de oorsprong van de opvallende reflectie in het midden van de buitenste concentrische gracht (zie later) te achterhalen. Aan de hand van een boring kan namelijk een beeld van het materiaal in de ondergrond met toenemende diepte bekomen worden. De weersomstandigheden waren bewolkt, maar droog. Figuur 3.14 duidt de punten aan waarop de bijkomende boringen werden uitgezet. Punt A en B liggen respectievelijk aan de buitenkant en in het midden van de binnenste concentrische gracht. Punt C ligt in het midden van de tweede gracht. Puntenrij D tot en met H vormen een transect doorheen deze 31

gracht met een tussenafstand van één meter. Er werd bijzondere aandacht geschonken aan het in kaart brengen van het bodemprofiel en geverifieerd of aanwezige artefacten, zoals bijvoorbeeld een drainagebuis, aanleiding geven tot de sterke reflectie in het midden van de buitenste concentrische gracht. De analyse gebeurde op zintuiglijke wijze, aangezien er geen nieuwe textuur- en OM-analyses werden uitgevoerd. Er moet dus rekening mee gehouden worden dat de vermelde beschrijvingen (zie deel 4.1.2: ‘Resultaten: Beschrijving boringen’) als dus enige onnauwkeurigheid bevatten.

(mS m-1)

Figuur 3.14: Aanduiding van de bijkomende Edelmanboringen op de ECaHCP,1m-kaart van het onderzoeksveld.

3.6

Fysico-chemische analyses

De analyse van de textuur is gebaseerd op de referentiemethode ISO 11277 (1998): « Soil quality – Determination of particle size distribution in mineral soil material – Method by sieving and sedimentation » en op het compendium voor de monsterneming, meting en analyse in het kader van bodembescherming (BOC) Versie 1.2 (25 juli 2011). Het betreft een granulometrische textuurbepaling aan de hand van de pipetmethode van Robinson-Köhn. Het OC-gehalte werd bepaald volgens de methode van Walkey & Black (1934). Een nauwkeurig gekende hoeveelheid grond wordt in contact gebracht met een oxyderend mengsel, waardoor een deel van dit toegevoegde reagens gereduceerd wordt en het organisch materiaal geoxydeerd wordt. Door terugtitratie wordt de resterende hoeveelheid oxidans bepaald, waaruit vervolgens het OCgehalte berekend kan worden.

32

3.7

Visualisatie

De georadargegevens werden ingevoerd in 3d Examiner voor verdere verwerking en visualisatie. Gezien de beperkte mogelijkheden van dit programma werden de gegevens ook ingelezen in Matlab, waarin verdere verwerking mogelijk is door algoritmes geschreven aan de vakgroep ‘Bodembeheer’ binnen de Onderzoeksgroep ‘Ruimtelijke Bodeminventarisatietechnieken’ (ORBit). Dit gebeurde onder meer in het kader van de thesis van ir. De Pue (2012). In 3d Examiner konden de aanwezige structuren goed gevisualiseerd worden aan de hand van volgende verwerkingen:   

  

3.8

Aan de hand van een antennekalibratie werd een skyshot van de data afgetrokken om interne reflecties van de antennes te verwijderen. Interference removal verwijdert de interferenties afkomstig van externe bronnen. Een invers fast Fourier transformation werd uitgevoerd om de data van het frequentiedomein naar het tijdsdomein te om te zetten. Hierbij werd een Kaiservensterfunctie gebruikt (Kaiser beta-waarde = 6). De maximale frequentie werd verlaagd naar 800MHz, aangezien hogere frequenties reeds op zeer geringe diepte verdwijnen en dus enkel bijdragen aan het vergroten van de ruisterm. Een BGR High pass filter met een filterlength van 3 m filtert de lage frequentiecomponenten van de data. Een spherical and exponential gain (met α = 0.005) zorgt voor het versterken van de diepere signalen zodat deze ook op grotere diepte zichtbaar blijven. Autoscale.

Diepteanalyse

In de literatuur zijn verschillende technieken voorhanden om de maximale penetratiediepte van een GPR-signaal te bepalen (zie deel 2.2.6 ‘Maximale penetratiediepte’). De Nyquist voorwaarde stelt dat een object in de ambiguous range, dient te liggen ten einde detecteerbaar te blijven voor de gebruikte georadar (zie deel 2.2.6.1 ‘Nyquist voorwaarde’). In een medium met een relatieve permittiviteit van 20, bijvoorbeeld in een verzadigde zandbodem (Van Hippel, 1954b), kan aan de hand van vergelijking 25 de snelheid van de propagerende golf bepaald worden. Invullen geeft een snelheid van voor dit type bodem, zodat via vergelijking 26 een ambiguous range van bekomen wordt. Veldexperimenten leren echter dat het georadarsignaal reeds (lang) is uitgedoofd vooraleer deze diepte bereikt wordt. Zodoende kan dus besloten worden dat de ambiguous range geen limiterende factor vormt voor de maximale penetratiediepte. De RRE (zie deel 2.2.6.2 ‘Radar Range Equation’) vereist de kennis van heel wat bodemparameters, waardoor het resultaat vaak slechts een grove benadering is van de werkelijke diepte waarop een signaal afkomstig van een object niet meer te onderscheiden is van de omgeving. Een puur visuele inschatting van de maximale penetratiediepte behoort ook tot mogelijkheden, maar bevat enige subjectiviteit. Het grootste probleem bij een visuele inschatting met betrekking tot dit onderzoek is echter dat het verdwijnen van de grachten op een bepaalde diepte enerzijds het gevolg kan zijn van signaalattenuatie en dus kan wijzen op het bereiken van de maximale penetratiediepte, maar er anderzijds ook op kan duiden dat de onderkant van de grachten wel degelijk bereikt is.

33

3.8.1 Variogrammen Een eerste manier om de maximale penetratiediepte te bepalen zonder kennis van de voornaamste bodemparameters betreft het opstellen van variogrammen van de horizontale timeslices om op een meer kwantitatieve wijze dan puur visueel een diepteanalyse te kunnen uitvoeren. De idee achter deze benadering is dat de variantie op de maximale penetratiediepte volledig random wordt en er geen spatiale structuren meer waargenomen kunnen worden als het signaal verdwijnt. Hiervoor wordt de driedimensionale matrix met de complexe waarden van de reflecties (vol-bestand) ingelezen in Matlab. Vooreerst wordt van elke waarde de magnitude bepaald, zodat verder gewerkt kan worden met reële data wat verdere verwerking en analyse aanzienlijk vereenvoudigd. Vervolgens wordt, zoals in onderstaand schema gezien kan worden, voor elke timeslice een tweedimensionale matrix opgesteld waarin per locatie een x-, een y-coördinaat en de magnitude van de reflectie wordt weergegeven. Deze matrices worden tenslotte als csv-bestanden uitgeschreven zodat invoer in Surfer mogelijk wordt.

1

2

3

x-coördinaat

1 2 y-coördinaat diepte

x-coördinaat 1 2 3 1 2 3

y-coördinaat 1 1 1 2 2 2

magnitude Magn(A) Magn(B) Magn(C) Magn(D) Magn(E) Magn(F)

Figuur 3.15: Schematische voorstelling van de omzetting naar csv-bestanden. In Surfer (Golden Software, Boulder, Colorado, USA) kan tenslotte op eenvoudige wijze een variogram van elke timeslice worden opgesteld. Een variogram laat toe om de spatiale variabiliteit onder voorwaarden van stationariteit te karakteriseren (Van Meirvenne, 2011). De variogramfunctie γ(h), of de semivariantie, wordt gegeven door volgende formule: (28)

met E[] de verwachtingswaarde, Z(x) een regionale variabele op positie x, h de afstandsvector tussen observatie Z(x) en Z(x+h), N(h) het aantal paren op een afstand (lag distance) h van elkaar. De regionale variabele Z(x) is in dit geval de magnitude van het gereflecteerde GPR-signaal en heeft een spatiaal karakter dat als volgt uitgedrukt kan worden: 34

(29) met het gemiddelde, ε’(h) een term die op stochastische wijze de structuur van de spatiale variantie weergeeft en ε’’ het overblijvende deel van de variantie dat als spatiaal ongecorreleerd beschouwd kan worden (random noise). In figuur 3.16 is schematisch weergegeven hoe een typisch variogram eruit ziet. De sill (C0 + C1) is de waarde waarnaar het variogram evolueert indien de afstand tussen twee observaties groter wordt. De afstand waarop de sill bereikt wordt, heet de range. De range is de maximale omvang van spatiale relatie tussen twee observaties van de onderzochte variabele. Twee observaties die op deze afstand van elkaar liggen zijn niet langer spatiaal gecorreleerd. Het nugget effect (C0) is het deel van de variantie dat niet spatiaal verklaard kan worden (ε’’). Het vertegenwoordigt de random noise die in de dataset aanwezig is.

C1

C0 =

Figuur 3.16: Schematische voorstelling van een typisch variogram.

Het Relative Nugget Effect (RNE) geeft weer wat het relatieve aandeel is van het nugget effect in het verklaren van de totale variantie (sill) en wordt doorgaans als een percentage uitgedrukt: (30) Hoe dichter het RNE tegen 100% aanligt, hoe lager de spatiale structuur van de regionale variabele (Van Meirvenne, 2011). Bij de maximale penetratiediepte is dus een maximalisatie van het RNE te verwachten. Om de 2,44ns werd een timeslice in een csv-bestand omgezet. Op eenvoudige wijze kan dan in Surfer het variogram van de overeenkomstige diepte berekend worden. De maximum lag distance werd op 14m ingesteld, daar dit iets minder dan de helft bedraagt van de kleinste zijde van de ingelezen zone. Er werd gekozen om een gereduceerde zone te gebruiken, aangezien het gebruik van heel de opgemeten ruimte tot een te grote rekentijd zou leiden (zie figuur 3.17).

35

Figuur 3.17: Gebruikte zone ter bepaling van de variogrammen. [luchtfoto: Google Earth]

Aan het experimentele variogram wordt vervolgens een model gefit om het relatieve nugget effect (RNE) op elke diepte te kunnen bepalen. Om een goede fit te bekomen is er nood aan een samengesteld model dat uit volgende componenten is opgebouwd:    

Een nugget effect (C0) verklaart de niet-spatiale variantie. De initieel sterke stijging van de variogramfunctie wordt het best benaderd aan de hand van een sferische component. Een exponentiële component benadert de geringere variogramtoename op iets grotere afstanden. In nagenoeg alle gevallen is er nood aan een lineaire component daar geen plateau bereikt wordt bij grote lag distances.

Voor elk variogram wordt bovenstaand samengesteld model gebruikt en worden enkel de parameters aangepast zodat de verschillende timeslices met elkaar vergeleken kunnen worden. Aangezien de semi-variantie blijft toenemen en gemodelleerd wordt door een lineaire trend is er geen echte sill waar te nemen. Om het relatieve aandeel van het nugget effect op elke diepte alsnog te kunnen inschatten, wordt als sill de variogramwaarde genomen waar de range van de exponentiële component bereikt wordt. In volgend voorbeeld wordt deze werkwijze geïllustreerd.

36

Voorbeeld 1

model component nugget effect spherical exponential linear

parameter error variance scale

waarde 9.00E-09

range (m)

0.4

scale

4.45E-08

range (m)

1.89

slope

8.20E-10

2.20E-08

De range van de exponentiële component bedraagt 1,89 m. De bijhorende waarde van de semivariantie bedraagt . Het nugget effect bedraagt , zodat het RNE als volgt berekend kan worden:

3.8.2 Variantiekaarten De veranderende spatiale correlatie met de diepte kan ook bestudeerd worden door het toepassen van een bepaald type filter in Surfer. De variantiefilter is een niet-lineaire filter die de variantie van de magnitudes binnen een vooraf gedefinieerd venster bepaald. De filter size, of de venstergrootte, werd ingesteld op 13, zodat de venstergrootte een vierkant van 13 op 13 meetpunten bedraagt. Aan elk van deze cellen wordt het gemiddelde van de variantie van de magnitudes binnen dit venster toegekend. Dit werd gedaan voor alle dieptes waarop ook een variogram berekend werd. Deze werkwijze laat toe om de veranderende spatiale correlatie op meer visuele wijze te benaderen en vult de variogramanalyse aan.

37

3.8.3 Omzetting diepte in tijd naar afstand In 3d Examiner kan de diepte zowel in tijd als in afstand weergegeven worden. Bij de omzettingen van de timeslices naar de csv-bestanden wordt echter enkel de diepte in de ns weerhouden. Om de diepte in afstand te kennen, wat de interpretatie bevordert, is dus een omzetting vereist. Via vergelijking 31 is zulke conversie mogelijk. Onderstaande figuur illustreert dat aan de hand van eenvoudige driehoeksmeetkunde tot vergelijking 31 gekomen werd.

zendantenne

x

Ontvangstantenne

Figuur 3.18 Omzetting diepte in tijd naar afstand. (31) waarbij: met de diepte in meter, t de afstand in sec, de snelheid van de elektromagnetische straling in de bodem (m/s), c de golfsnelheid in vacuüm ( ), εr de permittiviteit, μr de relatieve magnetische susceptibiliteit en de afstand tussen zenden ontvangstantenne (= 0.1138 m) (Sensors and Software, 2001). Dit laat toe om naast de diepte in tijd ook de diepte in afstand weer te geven bij de variogrammen en variantiekaarten. De relatieve magnetische susceptibiliteit μr wordt doorgaans gelijk gesteld aan 1, zodat ze weggelaten kan worden in bovenstaande vergelijking. De permittiviteit εr werd in het kader van deze thesis bepaald door de diepte waarop de eerste indicaties van de gracht duidelijk werden en de diepte waarop de gracht verdwijnt, bepaald aan de hand van de bijkomende boringen, om te zetten in diepte in tijd door εr iteratief aan te passen tot op het moment dat deze dieptes overeen komen met de dieptes (in tijd) waarop de grachten tevoorschijn komen en opnieuw verdwijnen op de GPRbeelden. Op deze manier werd een gemiddelde εr-waarde van circa 8,5 bekomen.

38

4. Resultaten 4.1

Staalnames

4.1.1 Textuuranalyse In onderstaande tabel zijn de resultaten van de textuuranalyse voor de drie locaties op figuur 3.13 weergegeven. Zoals reeds vermeld in deel 3 ‘Materiaal en methodes’ werd een bodemstaal om de 20 cm genomen waarop het OC-gehalte, het CaCO3-gehalte en de textuur bepaald werd. De analyses werden uitgevoerd in 2 reeksen (reeks 1: stalen van locatie 1 & 2, reeks 2: stalen van locatie 3). Tabel 4.1: Resultaten textuuranalyse voor de drie locaties. Locatie 1: ten zuiden van de binnenste concentrische gracht, locatie 2: in de binnenste gracht en locatie 3: in de ‘middenzone’. Locatie 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3

Diepte (cm) 0-20 20-40 40-60 60-80 80-100 100-120 120-140 140-160 160-180 0-20 20-40 40-60 60-80 80-100 100-120 120-140 140-160 160-180 0-20 20-40 40-60 60-80 80-100 100-120 120-140 140-160 160-180

% OC 1.9 1.8 0.8 0.5 0.4 0.1 0.1 0 0 1.9 1.2 0.6 0.5 0.4 0.6 0.7 0.9 1.2 1 0.3 0.2 0 0 0 0 0 0

% CaCO3 0 0.13 0.13 0.13 0 0.13 0.13 0.13 0 0.13 0 0 0.13 0.13 0.13 0 0 0.13 0.26 0.26 0 0 0.26 0 0 0.53 0.26

% Zand 90.4 91 92.9 94.3 94.2 97.8 98.1 97.8 97.5 88.3 90.1 91 88.9 91.4 91.8 90.8 92.9 89.9 90.8 94.7 96.2 96.8 97.9 98.3 98.3 98.1 97.4

% Leem 7 7.1 5.6 4.3 4.4 1.6 1.3 1.4 1.7 8.8 7.1 6.6 7.9 6.3 6 6.3 6.5 7.6 4.8 2.7 2.7 1.6 1.2 0.3 0.6 0.8 1.3

% Klei 2.5 1.9 1.5 1.3 1.4 0.6 0.6 0.9 0.9 2.9 2.9 2.4 3.2 2.2 2.3 2.9 0.6 2.4 4.4 2.6 1.2 1.6 0.9 1.5 1.1 1.2 1.3

Fout -0.4 -0.3 -0.5 -0.4 -0.6 0 0.2 0 0.2 0 -1 -0.8 -0.2 -0.4 -0.1 0.1 -2.3 0 -0.8 -1 -0.6 -0.9 -0.2 -0.6 -0.9 -0.1 -0.2

39

In figuren 4.1-4.3 worden voor de verschillende locaties respectievelijk het OC-gehalte, de zandfractie (>50 μm) en de leem- & keifractie (0-50 μm) weergegeven om de 20 cm, zodat een mooi beeld verkregen wordt van de evolutie in functie van de diepte en discrepanties tussen de drie locaties duidelijk worden.

OC-gehalte 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 diepte (cm)

0.5

1

1.5

2

2.5

%OC

OC-gehalte locatie 1 OC-gehalte positie 2 OC-gehalte positie 3

Figuur 4.1: Profiel van het OC-gehalte op de 3 verschillende locaties. Locatie 1: ten zuiden van de binnenste concentrische gracht, locatie 2: in de binnenste gracht en locatie 3: in de ‘middenzone’. Voor het OC-gehalte (figuur 4.1) wordt een afname met de diepte verwacht aangezien de aanvoer van OC van bovenaf gebeurt via mest en dood plantaardig materiaal. Dit is duidelijk het geval voor boorplaats 1 en 3, al is het OC-gehalte van locatie 1 systematisch hoger dan dit van locatie 3, waar op 60 cm diepte reeds geen organische koolstof meer gedetecteerd kon worden. Waar het OC-gehalte met de diepte blijft afnemen op locatie 1 en 3 (buiten de gracht), neemt het gehalte aan OC op locatie 2 (in de gracht) opnieuw toe vanaf een diepte van 80 cm tot op een diepte van 180 cm. Het OC-gehalte kon niet onderzocht worden onder deze diepte aangezien de grondwatertafel bereikt werd en de bodem niet meer naar boven gehaald kon worden. In figuren 4.2 en 4.3 staan respectievelijk de zandfractie (Fr > 50 µm) en de leem- en kleifractie (Fr 050 µm) in functie van de diepte weergegeven. Zoals te zien in figuur 4.2 bedraagt de zandfractie op boorplaats 1 en 3 meer dan 90% en neemt ze toe met de diepte om vervolgens lichtjes af te nemen vanaf een diepte van 1,20 m. Op locatie 3 (middenzone) is de zandfractie over het algemeen iets hoger in vergelijking met locatie 1 (zuiden binnenste concentrische gracht), dit is zeker het geval tussen 20 cm en 1 m. In de gracht (locatie 2) is het percentage zand systematisch lager dan buiten de gracht (locatie 1 en 3). Het verschil wordt het groter vanaf een diepte van ongeveer 60 cm. Voor de leem- en kleifractie geldt net het omgekeerde (zie figuur 4.3). Op locatie 2 is deze fractie beduidend groter dan op locatie 1 en 3. De algemene trend op boorplaats 2 is een lichte afname van deze fractie met de diepte, al valt vooral de grote fluctuatie over de verschillende dieptes op. Initieel is een sterke afname te bemerken op locaties 1 en 3. Vanaf een diepte van 1,20 m neemt de fijne fractie echter opnieuw (lichtjes) toe.

40

% zand 86 88 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 diepte (cm)

90

92

94

96

98

100 Fr >50 µm (%)

%zand locatie 1 %zand locatie 2 % zand locatie 3

Figuur 4.2: Profiel van de zandfractie op de 3 verschillende locaties.

0

5

% leem en klei

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 diepte (cm)

10

15

Fr 0-50 µm (%)

%leem en klei locatie 1 %leem en klei locatie 2 % leem en klei locatie 3

Figuur 4.3: Profiel van het leem & klei-gehalte op de 3 verschillende locaties.

4.1.2 Beschrijvingen boringen De bijkomende edelmanboringen van 31 april 2013 werden uitgevoerd om de aanwezige structuren op de GPR- en EMI-beelden te helpen verklaren en dienen dan ook om een beeld te krijgen van het bodemprofiel op de verschillende locaties in figuur 3.14. Foto’s van de bodemprofielen zijn weergegeven in de figuren 4.4-4.9. In de bijhorende tabellen zijn de beschrijvingen van de bodemprofielen samengevat.

41

Figuur 4.4: Bodemprofiel boring A. Tabel 4.2: Beschrijving bodemprofiel boring A. Boring (fig 3.14) A

Coördinaten Lambert X: 107854.477 Lambert Y: 212233.818

Zone Foto 1 2

5

0-80 cm: Lichtbruin zand 80-100 cm: Lichtbruin zand met OMmottles 100-170 cm: Donker lemig zand rijk aan OM 170-200 cm: Donker lemig zand met veeninclusies 200-220 cm: Onverteerd OM (veen)

6

>220 cm: Grijs zand

3 4

Hoogte: Ca. 2,1m TAW

Boorbeschrijving

Figuur 4.5: Bodemprofiel boring B.

Opmerkingen

Geen zwavelgeur, weinig waterhoudend Gestopt met boren op ongeveer 2,70m

42

Tabel 4.3: Beschrijving bodemprofiel boring B. Boring (fig 3.14) B

Coördinaten Lambert X: 107853.717 Lambert Y: 212217.882 Hoogte: Ca. 2,15m TAW

Zone Foto 1 2

Boorbeschrijving

4

0-90 cm: Lichtbruin zand 90-100 cm: Lichtbruin zand met OMmottles 100-180 cm: Donker lemig zand rijk aan OM 180-220 cm: Onverteerd OM ( veen)

5 6

220-250 cm: Kleiige silt >250 cm: Grijs zand

3

Opmerkingen

Geen zwavelgeur, weinig waterhoudend Grijs, kneedbaar Gestopt met boren op ongeveer 3m

Tabel 4.4: Beschrijving bodemprofiel boring C. Boring (fig 3.14) C


Zone Foto 1

Boorbeschrijving

Opmerkingen

0-70 cm: Lichtbruin zand

2

70-160 cm: Lichtbruin lemig zand met OM-mottles

3

>160 cm: Grijs zand

Figuur 4.6: Bodemprofiel boring D.

Gestopt met boren op ongeveer 2,80m

Figuur 4.7: Bodemprofiel boring E.

43

Tabel 4.5: Beschrijving bodemprofiel boring D. Boring D


Zone Foto Boorbeschrijving 1 0-170 cm: Lichtbruin zand

2

>170 cm: Grijs zand

Opmerkingen

Gestopt met boren op ongeveer 2m

Tabel 4.6: Beschrijving bodemprofiel boring E. Boring E


Zone Foto 1 2 3 4

Figuur 4.8: Bodemprofiel boring F.

Boorbeschrijving 0-110 cm: Lichtbruin zand 110-160 cm: Lichtbruin zand met OM-mottles 160-210 cm: Donker lemig zand rijk aan OM >210 cm: Grijs zand

Opmerkingen


Figuur 4.9: Bodemprofiel boring G.

44

Tabel 4.7: Beschrijving bodemprofiel boring F. Boring (fig 3.14) F


Zone Foto 1

Boorbeschrijving

Opmerkingen


2

120-230 cm: Donker lemig zand rijk aan OM

3

>230 cm: Grijs zand


Tabel 4.8: Beschrijving bodemprofiel boring G. Boring (fig 3.14) G


Zone Foto 1

Boorbeschrijving

Opmerkingen


2

90-200 cm: Donker lemig zand rijk aan OM

3

>200 cm: Grijs zand


Tabel 4.9: Beschrijving bodemprofiel boring H. Boring D


Zone Foto Boorbeschrijving 1 0-150 cm: Geelbruinig zand

2

>150 cm: Grijs zand

E

F


G 90cm

110cm

Opmerkingen

Lichtbruin zand

120cm Bovenzijde gracht

Diepte (cm)

200cm

210cm

Lemig zand rijk aan OM

230cm Onderzijde gracht Grijs zand

Figuur 4.10: Diepteprofiel van het transect doorheen de buitenste gracht.

45

In figuur 4.10 is het diepteprofiel van het transect (boringen E, F, G) doorheen de buitenste concentrische gracht weergegeven. Zoals gezien kan worden is de dikte van de donkere lemige zandlaag rijk aan OM ongeveer overal gelijk en bedraagt ze rond de 1,10 m. Verder valt op dat de laag U-vormig is. Onder deze laag gaat de bodem over in een grijze weinig leemhoudende zandlaag.

4.2

EMI

Tabel 4.10 toont de samenvattende statistieken van de opgekuiste ECa-metingen voor de vier verschillende ontvangstspoelen. Het gemiddelde van de ECa-waarden neemt toe met toenemende depth of exploration (DOE), dus hoe groter het gemeten bodemvolume, des te hoger de geleidbaarheid wordt (Saey et al., 2009). Dit zou verklaard kunnen worden door de toename in vochtgehalte met groter wordende diepte. De standaardafwijking blijft min of meer constant, ondanks de soms grote verschillen in het ECa-waardebereik. Tabel 4.10: Statistieken (DOE: depth of exploration, m: gemiddelde, variantie, σ: standaardafwijking, min: minimum en max: maximum) van de EC’s gemeten d.m.v. de vier spoelen. Spoel PP1,1m PP2,1m HCP1m HCP2m

DOE (m) 0,54 1,03 1,55 3,8

m (mS m-1) 3,6115 5,8620 8,5854 10,3753

Variantie (mS m-1)2 15,7701 12,4084 13,2015 10,8584

σ (mS m-1)

min (mS m-1)

3,9712 3,5226 3,6334 3,2982

0,0044 0,0307 0,0045 1,0499

max (mS m-1) 92,4426 54,8651 82,7038 82,4738

Nadat de nodige correcties werden uitgevoerd en de data werden opgezuiverd (zie deel 3.3 ‘Materiaal en methodes: EMI’), werd aan de hand van een ordinary point kriging een gebiedsdekkende kaart bekomen voor de 4 ontvangstspoelen. De resultaten in figuren 4.11 tot en met 4.14 zijn weergegeven in mS m-1.

46

(mS m-1)

Figuur 4.11: ECa met de 1,1m PRP spoel (mS m-1).

(mS m-1)

Figuur 4.13: ECa met de 1m HCP spoel (mS m-1).

(mS m-1)

Figuur 4.12: ECa met de 2,1m PRP spoel (mS m-1).

(mS m-1)

Figuur 4.14: ECa met de 2m HCP spoel (mS m-1). 47

4.3

Ground penetrating radar

De verwerkte GPR-gegevens (zie deel 3.3.7 ‘Visualisatie’) worden gevisualiseerd als horizontale timeslices en verticale profielen. In appendix C wordt om de 20 cm een timeslice afgebeeld. De donkere zones op de timeslices zijn negatieve anomaliën. Het zijn zones die gekenmerkt worden door lage reflecties in vergelijking met de omgevende bodem. De witte zones op de timeslices zijn positieve anomaliën. In deze zones worden de georadargolven sterk weerkaatst. In onderstaande figuur is een verticaal profiel weergegeven van een transect doorheen de twee grachten. Wat opvalt is dat de negatieve anomaliën zich over dezelfde breedte verder zetten met de diepte. Dit is aangeduid door de verticale rode lijnen op figuur 4.15. Verder is een zeer sterke reflectie waar te nemen onderaan de buitenste concentrische gracht (zie gele aanduiding op figuur 4.15).

Breedte (m)

Binnenste concentrische gracht Diepte (m)

Buitenste concentrische gracht

Sterke reflectie in buitenste gracht (hyperbool) .

Figuur 4.15: Verticaal profiel van een transect doorheen de twee concentrische grachten.

4.4

Diepteanalyse

4.4.1 Variogrammen Overeenkomstig met de methode besproken in deel 3.8.1 (‘Materiaal & methodes: Variogrammen’) werd het RNE voor elke timeslice berekend. Dit gebeurde zowel voor de data versterkt met een spherical and exponential gain (α = 0.005) als voor de onversterkte data. In appendix D zijn de experimentele variogrammen samen met de gefitte modellen weergegeven voor de verschillende timeslices, eerst met en nadien zonder gain. Voor elke timeslice zijn het nugget effect, de sill en het RNE weergegeven in onderstaande tabellen. Tabel 4.11 bevat bovenvermelde parameters na toepassing van een spherical and exponential gain, tabel 4.12 bevat deze parameters zonder toepassing van een gainfunctie. Vervolgens kan de evolutie van het RNE uitgezet worden in functie van de diepte. In figuur 4.16 is de evolutie van het RNE in functie van de diepte uitgezet voor de data versterkt met een SEC gain. Figuur 4.17 geeft de evolutie weer van het RNE doch zonder toepassing 48

van een gainfunctie. De groene en de rode lijn op de figuren stellen respectievelijk de dieptes voor waarop de grachten tevoorschijn komen en waarop de grachten niet langer zichtbaar zijn op de horizontale timeslices.

Tabel 4.11: Nugget effect, sill en RNE voor de verschillende timeslices met SEC gain. diepte (ns) Nugget Sill RNE (%) diepte (ns) Nugget Sill RNE (%) 2.1973 1.5E-08 1.3E-07 11.54 43.702 3.5E-08 8.55E-08 40.94 4.6387 1.3E-08 9.45E-08 13.76 46.143 4.6E-08 1.03E-07 44.66 7.0801 1.6E-08 1.23E-07 13.01 48.584 5.5E-08 1.24E-07 44.35 9.5215 1.2E-08 1.21E-07 9.92 51.025 6.5E-08 1.26E-07 51.59 11.963 1.2E-08 1.04E-07 11.54 53.467 1.1E-07 1.78E-07 61.80 14.044 9E-09 7.5E-08 12.00 55.908 9E-08 1.53E-07 58.82 16.846 6E-09 5.6E-08 10.71 58.35 1.35E-07 2.25E-07 60.00 21.729 4.5E-09 3.32E-08 13.55 60.791 1.5E-07 2.58E-07 58.14 26.611 4E-09 4.25E-08 9.41 65.674 1.7E-07 2.847E-07 59.71 29.053 8E-09 3.93E-08 20.36 70.557 2.8E-07 5.3E-07 52.83 31.494 1E-08 4.1E-08 24.39 75.439 3.2E-07 5.5E-07 58.18 36.377 2E-08 7E-08 28.57 80.322 4E-07 6.95E-07 57.55 38.818 2.6E-08 7.5E-08 34.67 85.205 5.5E-07 9.65E-07 56.99 41.26 2.9E-08 8.4E-08 34.52 87.646 6.5E-07 1.14E-06 57.02

Tabel 4.12: Nugget effect, sill en RNE voor de verschillende timeslices zonder gain. diepte (ns) Nugget Sill RNE (%) diepte (ns) Nugget Sill RNE (%) 2.1973 2.5E-07 2.55E-06 9.80 43.702 9E-10 2.09E-09 43.06 4.6387 4E-08 2.95E-07 13.56 46.143 1E-09 2.25E-09 44.44 7.0801 2E-08 1.55E-07 12.90 48.584 1.1E-09 2.45E-09 44.90 9.5215 7E-09 7.06E-08 9.92 51.025 1.1E-09 2.24E-09 49.11 11.963 5E-09 4.02E-08 12.44 53.467 1.7E-09 2.82E-09 60.28 14.044 2E-09 2E-08 10.00 55.908 1.3E-09 2.15E-09 60.47 16.846 1E-09 1.02E-08 9.80 58.35 1.6E-09 2.95E-09 54.24 21.729 5E-10 3.62E-09 13.81 60.791 1.7E-09 3.12E-09 54.49 26.611 5E-10 3.01E-09 16.62 65.674 1.65E-09 2.85E-09 57.89 29.053 4.5E-10 2.3E-09 19.57 70.557 2.75E-09 4.55E-09 60.44 31.494 5E-10 2.08E-09 24.10 75.439 2.3E-09 4.05E-09 56.79 36.377 6E-10 2.43E-09 24.69 80.322 2.5E-09 4.45E-09 56.18 38.818 8E-10 2.33E-09 34.33 85.205 3.2E-09 5.42E-09 59.04 41.26 8E-10 2.4E-09 33.33 87.646 3.5E-09 6E-09 58.33

49

relative nugget effect (%)

Spherical and exponential gain

70 60 50 40 RNE

30

Bovenzijde grachten Onderzijde grachten

20 10 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Diepte (ns)

Figuur 4.16: Evolutie van het RNE i.f.v. de diepte voor de data met spherical and exponential gain.

Zonder gain

relative nugget effect (%) 70 60 50 40

RNE

30

Bovenzijde grachten Onderzijde grachten

20 10

Diepte (ns)

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Figuur 4.17: Evolutie van het RNE i.f.v. de diepte voor de data zonder gain.

50

4.4.2 Variantiekaarten Zoals reeds vermeld kan de veranderende spatiale correlatie met de diepte gevisualiseerd worden door het toepassen van een variantiefilter in Surfer. De resultaten van de variantiekaarten staat weergegeven in appendix E. Voor elke diepte/tijdstip waarvoor een variogram opgesteld en gemodelleerd werd, is een variantiekaart bepaald. De schaal naast de figuren geeft de variantie weer. De contrasten werden handmatig ingesteld om goed interpreteerbare beelden te bekomen.

51

5. Discussie Ground penetrating radar Wat onmiddellijk opvalt op de horizontale timeslices (zie figuren C.1-C.16, appendix C) zijn drie donkere zones (negatieve anomaliën), tegen een achtergrond van sterke reflecties (positieve anomaliën). Het zijn zones die gekenmerkt worden door lage reflecties in vergelijking met de omgeving, te wijten aan een grote homogeniteit van de betreffende bodem. Ze vallen samen met de crop marks die aangetroffen kunnen worden op de luchtfoto (zie figuur 3.1) en rekening houdende met de concentrische vorm van twee van de drie structuren en de aanwezigheid van grachten rondom de huidige hoeve gaat het hier hoogstwaarschijnlijk om dichtgeslibde grachten uit het verleden. De grachten worden zichtbaar vanaf een diepte van 9 ns wat, overeenkomstige met vergelijking 31 (en rekening houdende met een gemiddelde permittiviteit van 8,5), overeen komt met een diepte van ongeveer 45 cm. De diepste sporen blijven zichtbaar tot op een diepte van 48 ns of ongeveer 2,5 m (zie figuur C.12, appendix C). De lage intensiteit van reflecties in de grachten, met uitzondering van de smalle maar sterke reflectie in de onderste lagen van de buitenste concentrische gracht, duidt erop dat de vulling relatief homogeen is. Contrasten in bodemsamenstelling en vochtgehalte geven aanleiding tot positieve anomaliën die zichtbaar zijn als witte zones op de timeslices. In deze zones worden de georadargolven sterk weerkaatst. Zij lijken dus vooral in de omgevende bodem naast de grachten aanwezig te zijn. De binnenste concentrische gracht (zie figuur 5.1, structuur 1) beschrijft ongeveer een halfcirkelvormige structuur. Vermoedelijk beschreef de gracht een volledige cirkel, maar de huizenrij naast het onderzoeksveld verhindert verder onderzoek in westelijke richting. De gracht heeft een vrij constante breedte van ongeveer 14 m en de buitenzijde beschrijft een cirkel met een doorsnede van ongeveer 56 m. Deze gracht omringt een halfcirkelvormige zone met een diameter van ongeveer 28 m. Hier bevond zich naar alle waarschijnlijkheid de hoeve, al dan niet op een kunstmatige heuvel (motte). Vermoedelijks deden grachten dienst als een soort van verdedigingsstructuur ter bescherming van de hoeve. Ook de tweede gracht (zie figuur 5.1, structuur 2) is concentrisch, al lijkt de vorm minder regelmatig dan bij de eerste gracht. Zo varieert de afstand tussen deze twee grachten van een achttal meter in het noorden tot een 15 m in het zuiden. Ten zuiden van de binnenste concentrische gracht is gracht 2 veel moeilijker te detecteren. Op de luchtfoto was dit zuidelijke deel dan ook niet waarneembaar onder de vorm van crop marks (zie figuur 3.1). Enkel van 33 tot 45 ns (circa 1,70 tot 2,30 m) is een sterke reflectie zichtbaar die vermoedelijk een overblijfsel is van het zuidelijke deel van deze gracht (zie figuur 5.3, structuur 9). De waarneembaarheid is echter laag en de reflecties zetten zich ook niet door tot aan de westelijke perceelgrens, zodat hieromtrent geen sluitende conclusie kan getrokken worden. Een derde gracht (zie figuur 5.1, structuur 3) vertrekt vanuit de buitenste concentrische gracht en zet zich verder in noordoostelijke richting. Mogelijks was dit een soort van aanvoerkanaal voor de concentrische grachten. De breedte bedraagt een vijftal meter.

52

Magnitude (reflectie)

Figuur 5.1: Timeslice (12ns) met aanduidingen.




Tabel 5.1: Duiding van de aangeduide structuren op figuur 5.1 – 5.3. Nummer 1 2 3 4 5 6 7 8 9


Structuur Binnenste concentrische gracht Buitenste concentrische gracht Recht aanvoerkanaal Vermoelijks drainagebuizen Wigvormige kuil Drainagebuizen Voormalige gracht (parallel met 8) Voormalige gracht (parallel met 7) Sterke reflectie in het midden van structuur 2

53

Op het verticale profiel (zie figuur 4.15) is duidelijk te zien dat de negatieve anomaliën zich over dezelfde breedte verder zetten in de diepte, wat aangeduid is door middel van rode verticale lijnen. Dit is zeer duidelijk waarneembaar voor de binnenste concentrische gracht en wijst erop dat de wanden van de grachten loodrecht zijn uitgegraven en niet in een V- of U-vorm. Variaties binnen de grachten zijn moeilijker waar te nemen op basis van de verticale profielen, al valt de sterke reflectie onderaan de buitenste concentrische gracht op als een zeer duidelijke hyperbool. De timeslices illustreren dat er ook binnen de grachten zwak tot zeer sterk variërende reflecties voorkomen. Vooral de sterke reflectie in het midden van de buitenste concentrische gracht, die overeenkomt met de hyperbool op figuur 4.15, springt hierbij in het oog (zie figuur 5.3, structuur 9). Mede om hieromtrent meer te weten te komen werd beslist bijkomende Edelmanboringen uit te voeren. Net zoals de opvallende reflectie in gracht 2 zijn ook structuren 7 en 8 (zie figuur 5.3) enkel waarneembaar door de sterke reflecties die ermee gepaard gaan. Ze zijn zichtbaar van een diepte van 33 tot 43ns (circa 1,70-2,20 m). Vermoedelijk gaat het ook hier om grachten. Of er een eventuele link geweest is met de concentrische grachten is moeilijk te achterhalen. De bodem buiten de grachten vertoont over het algemeen een sterkere reflectie dan deze in de grachten. Enkele kenmerkende structuren springen hierbij in het oog. Een reeks van parallelle lineaire structuren (zie figuur 5.2, structuur 6) op een diepte rond 19 ns (circa 1 m) kan aangetroffen worden ter hoogte van de noordzijde van de binnenste concentrische gracht. Gelet op de diepte gaat het hier naar alle waarschijnlijkheid om restanten van een recent drainagesysteem. Ten zuiden van de binnenste concentrische gracht kunnen twee structuren onderscheiden worden (figuur 5.1, structuur 4) op een diepte van 12 ns (circa 0,60 m). Ook hier gaat het vermoedelijk om drainagebuizen. Wat verder ook nog opvalt is een zone met sterke reflecties in het gebied omgeven door de binnenste concentrische gracht (figuur 5.1, structuur 5). De reflecties lopen naar elkaar toe met toenemende diepte. Zo zijn op een diepte van 12 ns (zie figuur C.3, appendix C) 2 aparte zones met sterke reflectie te onderscheiden, terwijl deze op een diepte van 16 ns (circa 0,80 m) naar elkaar toe zijn geëvolueerd (zie figuur C.4, appendix C). Dit wijst op een wigvormige structuur in de bodem die mogelijk in verband kan gebracht worden met een grote kuil, eerder dan met de restanten van aanwezige gebouwen. De zones met lage reflecties, veroorzaakt door beide concentrische grachten, konden op de horizontale timeslices tot op een diepte van 48 ns (circa 2,50 m) gedetecteerd worden (zie figuur C.12, appendix C). Mogelijks worden de onderste sporen van de grachten op deze diepte bereikt, al is het ook mogelijk dat de grondradar zijn maximale penetratiediepte bereikt heeft en de grachten in werkelijkheid nog dieper doorlopen doch simpelweg niet meer te visualiseren zijn vanwege een te sterke attenuatie van het georadarsignaal. De smaller wordende reflecties op grotere dieptes, in het midden van de buitenste concentrische gracht, zouden echter een aanwijzing kunnen zijn dat de werkelijke diepte van de grachten bereikt werd. Om uitsluitsel te kunnen geven werden de timeslices omgezet naar csv-bestanden om invoer in Surfer mogelijk te maken (zie deel 3.8 ’Materiaal & Methodes: Variogrammen’) en op geostatistische wijze de veranderingen in de diepte te onderzoeken. Diepteanalyse Op figuren 4.16 en 4.17 is te zien dat het RNE initieel rond de 10% schommelt. Kleine variaties van enkele percenten kunnen verklaard worden door de aanwezige bodemvariatie over de verschillende 54

dieptes. Zo is het logisch dat geen twee dieptes dezelfde spatiale structuur kennen. Een diepte waarop bijvoorbeeld veel puin aanwezig is, zal aanleiding geven tot een ander variogram dan een diepte waarop geen puin aanwezig is. Anderzijds kunnen de kleine fluctuaties van het RNE op geringe dieptes ook deels toegeschreven worden aan een imperfecte fitting van het model aan het experimentele variogram, dewelke door de steile helling van de variogramfunctie bij kleine lag distances bemoeilijkt wordt. Daarenboven is een model steeds een benadering van de realiteit en kan de fit aan het experimentele variogram nooit perfect zijn. Vanaf een diepte van 25 ns begint het RNE gestaag toe te nemen tot een diepte van zo’n 53 ns. Ondanks de kleine afnames, die zich sporadisch in het dieptebereik van 25 tot 53 ns voordoen en opnieuw te verklaren zijn door een imperfecte fitting van het model en de aanwezige bodemvariabiliteit met de diepte, is de algemene trend duidelijk stijgend. De toename van het RNE met de diepte betekent dat term ε’(h) uit vergelijking (29) aan belang verliest en de pure random noise, ε’’, de dominante factor wordt (Van Meirvenne, 2011). Anders gesteld betekent dit dat de random ruisterm toeneemt en het steeds moeilijker wordt om de al dan niet aanwezige spatiale structuren bloot te leggen. De toename van het RNE vanaf een diepte van 25 ns komt overeen met de bevindingen van voorgaande GPR-surveys aan de vakgroep ‘Bodembeheer’. Bij voorgaande metingen waar de visualisatie van ondergrondse structuren vrij moeizaam verliep, konden vanaf een diepte van zo’n 30 ns nauwelijks nog ondergrondse objecten gedetecteerd worden. Het toenemende belang van de ruisterm zorgt naar alle waarschijnlijkheid voor het maskeren van de onderliggende structuren bij kwalitatief mindere data. Vanaf een diepte van 53 ns blijft het RNE fluctueren rond een gemiddelde waarde van 58%. Dat het RNE niet naar 100% evolueert, moet gezocht worden in het feit dat er enige correlatie aanwezig blijft over korte afstanden. De diepte waarop de grachten niet langer zichtbaar zijn op de horizontale timeslices bedraagt ongeveer 49 ns. Aangezien dit een kleinere waarde is dan de diepte waarop het RNE zijn maximale waarde bereikt, namelijk op 53 ns, is dit een indicatie dat de onderkant van de grachten wel degelijk op 49 ns bereikt wordt en het verdwijnen van de grachten dus niet veroorzaakt wordt door het verdwijnen van het georadarsignaal. In de timeslices waarin de variantie binnen een opgegeven venster bepaald werd, is te zien dat de variantie initieel vrij random verdeeld is. Op variantiekaart E.1 (appendix E) wisselen zones met grote lokale variantie (witte zones) zones met kleine lokale variantie (zwarte zones) af. Aan de westelijke zijde van het gebied is echter een zone van zo’n 10 op 5 m waar te nemen waar systematisch een hoge variantie waar te nemen is. Op de overeenkomstige horizontale timeslice is te zien dat deze zone gekenmerkt wordt door iets meer positieve anomaliën in vergelijking met de omgevende bodem. Desalniettemin zijn enkele donkere ‘vlekjes’ (negatieve anomaliën) waar te nemen die duiden op een minder sterke reflectie. Het is net deze afwisseling van sterke en minder sterke reflectanties die zorgt voor grote variantiewaarden op deze plaats. Een onmiddellijke verklaring ligt echter niet voor de hand, maar moet gezocht worden in een licht verschillende bodemsamenstelling in vergelijking met de omringende bodem. In tegenstelling tot variantiekaart E.1 (appendix E) is de variantie van timeslices E.2 tot E.15 (appendix E) niet langer random. Vanaf een diepte van 7,08 ns worden de eerste gestructureerde zones met hoge en lage variantie duidelijk. De zones met lage variantie vallen duidelijk samen met de begraven grachten, terwijl de zones met hoge variantie samenvallen met de tussenliggende bodem (zie figuren 5.1 tot 5.3). Vooral de binnenste concentrische gracht is als een zeer donkere zone op de timeslices 55

te herkennen. De zwakke reflectie over heel de gracht zorgt voor een lage variantie op deze plaatsen. Ook de buitenzijdes van de buitenste concentrische gracht zijn te herkennen als krommen met een lage variantie (zie figuur 5.4, nummer 1). In het midden van de gracht daarentegen ligt een witte strook met grote variantie (zie figuur 5.4, nummer 2). De sterke reflecties in het midden van de buitenste concentrische gracht, omgeven door de wanden die gekenmerkt worden als reflectiearme zones, zorgen voor een sterke expressie van de aanwezige structuren.

Lokale variantie

De bodem tussen de twee concentrische grachten heeft over het algemeen een sterkere reflectie dan de bodem in de grachten (zie figuren C.2 – C.12, appendix C). De grote heterogeniteit, gekenmerkt door afwisselende zones van sterke en zwakke reflectie, zorgt voor een hoge lokale variantie in de zone tussen de twee concentrische grachten en geeft aanleiding tot de bleke zones op figuur 5.4. Net zoals in de horizontale timeslices van de georadardata zijn ook in de variantiekaartjes enkele kenmerkende structuren waar te nemen. Aanduiding nummer 3 op figuur 5.4 is een zone met grote variantie die te wijten is aan de sterke reflecties ten gevolge van de aanwezige drainagebuizen tegen een achtergrond van zwakke signaalreflecties. Aanduiding nummer 4 (figuur 5.4) is afkomstig van de sterke reflectie in de middenzone tegen een achtergrond van minder sterke reflecties, die waarschijnlijk te wijten is aan het voorkomen van een kuilvormige structuur in de bodem.

Figuur 5.4: Lokale variantie (14,404ns) met aanduidingen van zones met hoge en zones met lage variantie. Spatiale structuur Zoals reeds vermeld, is er een lineaire trend in de variogrammen waar te nemen waardoor geen echte sill bereikt wordt. Als oplossing voor dit probleem werd de variogramwaarde genomen bij de range van de exponentiële component (zie voorbeeld 1). In figuur 5.5 is de evolutie van range van de exponentiële component in functie van de diepte uitgezet. Op onderstaande grafiek is vooreerst een sterke fluctuatie van de range met de diepte waar te nemen. De range varieert van 0,54 tot 4,35 m. De sterke fluctuatie is grotendeels het gevolg van de verschillende bodemvariabiliteit met de diepte. De ietwat subjectieve modellering van het experimentele variogram, namelijk dat elkeen de variogrammen op een andere manier modelleert 56

en bij herhaling de variogrammen waarschijnlijk niet twee keer na elkaar op dezelfde manier gefit worden, leidt ook tot enige fluctuatie van de range, maar kan nooit de sterke fluctuatie in range in onderstaande figuur verklaren. De voornaamste reden lijkt dus zondermeer gezocht te moeten worden in de verschillende spatiale structuur met de diepte.

Evolutie van de range ifv de diepte

Range (m) 5

Zone 1

4.5

Zone 2

4 3.5

Zone 3

3 2.5

range

2 1.5 1 0.5 Diepte (ns)

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Figuur 5.5: Evolutie van de exponentiële range i.f.v. de diepte. Ondanks de sterke fluctuaties in range kan toch gezien worden dat er tussen 8 en 46 ns (zone 2) over het algemeen een hogere range voorkomt dan in de eerste 8 nanoseconden (zone 1), maar al zeker in vergelijking met de zone 3 (> 46 ns). Dit kan als volgt verklaard worden. Een grote range komt overeen met een spatiale correlatie over grote afstand. Op de dieptes waarin de aanwezige grachten voorkomen is de range groter omdat er over grotere afstanden een spatiale correlatie in de bodem aanwezig is. De grachten komen in de horizontale timeslices tot uitdrukking vanaf een diepte van 9 ns en bereiken hun diepste punt rond 47 ns. Vandaar de toename in range rond een diepte van 9 ns en de afname van de range op de diepte waarop de grachten verdwijnen. Interpretatie boringen De bijkomstige edelmanboringen laten toe de interpretatie van de horizontale timeslices aan te vullen en de sterke reflectie onderaan de buitenste concentrische gracht te verklaren. Boringen A en B tonen zeer gelijkaardige resultaten. Vanaf een diepte van om en bij de 80 cm kon visueel een toename in OM-gehalte waargenomen worden. Initieel kwam dit tot expressie als kleine mottles van OM onder de vorm van kleine donker gekleurde vlekjes. Vanaf een diepte van 1 m duidt de steeds donkerder wordende kleur op een duidelijke toename in OM-gehalte van de bodem. Deze bevindingen komen ongeveer overeen met de resultaten van de OM-bepalingen aan de hand van de Walkey and Black Methode (zie deel 4.1.1 ‘Resultaten: Textuuranalyses’), waar in de gracht een toename in OM vanaf 1 m gedetecteerd kon worden. Op een diepte van 1,80 m is nagenoeg zuiver veen aanwezig. Hoogstwaarschijnlijk gaat het hier om plantaardig materiaal dat naar de bodem van 57

de gracht is gezonken. Restanten van fijne stengels zijn op sommige plaatsen nog herkenbaar. Naar alle waarschijnlijkheid gaat het hier om stukjes onverteerd materiaal van een waterminnende plant, zoals riet (Phragmites communis). Het enige maar belangrijke verschil tussen beide boringen is de aanwezigheid van een kleiachtige silt laag op een diepte van 2,20 tot 2,50 m bij boring B. Deze laag is gevormd door sedimentatie van (zeer) fijne partikels die als suspensie in het water van de gracht aanwezig waren en vormt naar alle waarschijnlijkheid de onderkant van de eerste gracht. Op deze kleiige laag ondergaat het GPR-signaal een zeer sterke attenuatie (Chang, 2004) en verdwijnt het signaal. Dit is mogelijks de verklaring voor de sterke toename van het RNE rond 49 ns (zie figuren 4.16-4.17). Boring C is gesitueerd nabij het midden van de buitenste concentrische gracht. De toplaag (bovenste 70 cm) is duidelijk zandig. Vanaf een diepte van 70 cm wordt de textuur meer lemig en neemt het OM-gehalte toe. De lemige zandlaag gaat op 1,60 m over in lichtgrijs gekleurd zand. Dit duidt erop dat de gracht op deze plaats gesitueerd is tussen een diepte van 70 cm en 1,60 m. In het bodemprofiel van boring D en H kon geen toename in OM-gehalte met de diepte waargenomen worden. Dit wijst erop dat de boringen naast de buitenste concentrische gracht plaatsvonden wat overeen stemt met de geofysische metingen met de GPR- en EMI-sensoren. Boring E, F en G vertonen of meer hetzelfde bodemprofiel. Rond de 1 m neemt het OM visueel toe voor iets meer dan een meter. Hieronder stijgt het zandgehalte en duidt de lichte kleur op een plotselinge afname in OM-gehalte. Het licht gekleurde grove zand op deze dieptes is op de foto’s weliswaar minder goed waarneembaar door het invallen van grond uit de bovenliggende lagen, maar kon in het veld vrij duidelijk onderscheiden worden. De verschillen in dieptes waarop de fijne korrelfractie en het OM-gehalte toenemen en de gracht lijkt te beginnen, zouden het gevolg kunnen zijn van de topografische verschillen die ook visueel in het landschap zichtbaar zijn. Daarom werd in figuur 4.10 het diepteprofiel van het transect aan boringen doorheen de buitenste concentrische gracht weergegeven. In figuur 5.6 is bovendien een hoogtemodel opgesteld waarin het gemiddelde van de hoogtes binnen een vooraf gedefinieerd zoekvenster werd toegekend aan het centrale punt (moving average gridding method) om een mooi en smooth beeld te bekomen. De waarden zijn weergegeven in meter TAW (Tweede Algemene Waterpassing). Ter hoogte van boring D is in oostelijke richting een toename in hoogte waar te nemen. De buitenste concentrische gracht moet, zoals in figuur 4.10 gezien kan worden, een U-vormig dwarsprofiel bezitten. Het diepste punt lag in het midden, nabij boring F. De randen van de gracht moeten vrij verticaal uitgegraven geweest zijn, zoals afgeleid kon worden uit het verticale profiel (figuur 4.15). Opvallend is dat de bovenzijde van de gracht niet mooi horizontaal is. Dit is waarschijnlijk te wijten aan compactie van het vochtige materiaal onderaan het midden van de gracht dat er na het dichtsmijten/-slibben van de gracht beland is. Men zou kunnen verwachten dat de lichtbruine zandige toplaag dikker wordt in oostelijke richting, aangezien de hoogte toeneemt in deze richting. Het tegendeel is echter waar voor boring G. Een eenduidige verklaring ligt niet voor de hand, al moet ook rekening gehouden worden met een zekere onnauwkeurigheid tijdens de boringen. Er werd namelijk niet met verbuizingen gewerkt, zodat inval van de wanden, zeker in de verzadigde zone, niet vermeden kan worden. Daarenboven is de grens tussen verschillende horizonten soms vrij diffuus wat de analyse bemoeilijkt. 58

(m TAW)

Figuur 5.6: Hoogtemodel van het onderzoeksveld met aanduiding van de bijkomende edelmanboringen. Aangezien geen artefacten, zoals drainagebuizen, gedetecteerd konden worden tijdens de bijkomstige edelmanboringen, kunnen de reflecties in het midden van de buitenste concentrische gracht niet te wijten zijn aan het voorkomen van kunstmatige structuren. Hoogstwaarschijnlijk moeten de sterke reflecties dus het gevolg zijn van de aanwezige bodemsamenstelling. De plotselinge overgang van de OM-rijke condities in de gracht naar de OM-arme en grover getextureerde bodem onder de gracht zou de oorzaak kunnen zijn voor de opvallende reflecties in de gracht. Op andere plaatsen in Vlaanderen werd namelijk aangetoond dat in een zandige bodem, met een kleine attenuatie van het georadarsignaal, subtiele overgangen tussen de bodemlagen sterke reflecties kunnen veroorzaken (Verdonck, 2009). De straling zou hier uitgesmeerd kunnen worden waardoor de sterke reflectie over een vrij groot dieptebereik (28-40 ns) zichtbaar is. Daar de sterke reflecties zich in een smalle band van ongeveer 50 cm voordoen en tussen boringen E, F en G (met een tussenafstand van 1 m) geen noemenswaardige verschillen gedetecteerd konden worden tussen de overgang naar de grijze zandfractie, lijkt dit evenwel niet de meest plausibele verklaring te zijn. De sterke reflecties lijken dus niet het gevolg van de overgang tussen de gracht en de diepere bodemlagen, maar zouden verklaard kunnen worden door de manier waarop de gracht is dichtgeslibd. Een aanneembare verklaring, die reeds door Verdonck (2009) werd geopperd, lijkt de 59

volgende: in een eerste fase werd relatief homogeen materiaal afgezet tegen onderkant en de randen van de gracht, wat het rechthoekige dwarsprofiel herleidde tot een V-vorm. In een volgende fase is de gracht dichtgeslibd met meer heterogeen materiaal dat aanleiding geeft tot inwendige reflecties binnen de gracht. Dit verklaard tevens waarom de reflecties lijken te versmallen met de diepte. De lichtbruine en geelbruine zandige toplaag, beschreven in boringen D en H (zie tabellen 4.5 en 4.8), komt ongetwijfeld overeen met de ‘het geelbruine, weinig leemhoudende, fijn zand’ beschreven in de rapporten van boring 1 en 3 (zie appendix A). Deze quartaire afzetting is afkomstig uit het Weichseliaan (ca. 100 000 – 10 000 jaar geleden) (http://www.geologievannederland.nl/), de laatste etage van Pleistoceen. De diepte van de ondergrens van deze laag komt in het onderzoeksveld ongeveer overeen met de bevindingen bij boring 3, namelijk rond de 1,50 m. Onder deze diepte gaat de bodem over in grijs gekleurd zand (zie tabellen 4.5 en 4.8). Ook dit komt min of meer overeen met de bevindingen in de DOV-rapporten waar gesproken wordt van een ‘grijs, leemhoudend, fijn zand’ en ‘(donker)grijze leem, met veel fijn zand’. De toename in leem werd in het veld niet waargenomen. De textuurbepalingen op de locaties naast de binnenste concentrische gracht tonen echter wel een lichte stijging in de leem- en kleifractie (zie deel 4.1.1 ‘Resultaten: Textuuranalyses’), wat doet vermoeden dat ook op boorplaatsen D en H een stijging in fijne fractie (< 50 μm) aanwezig is. Ook hier gaat het om continentale quartaire afzettingen uit het Weichseliaan. De textuurbepalingen werden uitgevoerd op de boringen in en rond de binnenste concentrische gracht (zie deel 3.5 ‘Staalnames’). Voor boringen 1 en 3 (locaties buiten de gracht) is een afname van het OC-gehalte met de diepte waar te nemen (zie figuur 4.1). Deze trend is te verklaren doordat de aanvoer van mest en dood plantaardig materiaal vanaf het bodemoppervlak gebeurt. Op locatie 1 (ten zuiden van de gracht) ligt het OC-gehalte echter systematisch hoger dan op locatie 3 (middenzone). Een eenduidige verklaring voor de toch wel grote verschillen in OC-gehalte tussen deze twee locaties ligt niet voor de hand. Belangrijker is dan ook te kijken naar de evolutie van het OC-gehalte met de diepte. Waar het OC-gehalte met de diepte blijft afnemen op locatie 1 en 3 (buiten de gracht), neemt het gehalte aan OC op locatie 2 (in de gracht) opnieuw toe vanaf een diepte van 1 m. De toename in OC wijst erop dat de gracht moet dichtgeslibd zijn met een organisch rijk slib. Onder een diepte van 180 cm kon het OC-gehalte niet verder onderzocht worden. Naar alle waarschijnlijkheid neemt het OC-gehalte in de praktijk nog toe tot de onderkant van de gracht. Hier kon een nagenoeg pure veenlaag onderscheiden worden, zodat het OC-gehalte hier zijn maximum bereikt. Onder deze veenlaag zal het OC-gehalte vermoedelijks zeer snel afnemen en nagenoeg direct nul worden. Ook qua evolutie van de zandfractie (figuur 4.2) valt er een grote gelijkenis te detecteren tussen locatie 1 en 3. De zandfractie neemt toe tot een diepte van 1 m om vervolgens lichtjes te reduceren. Op locatie 3 (middenzone) is de zandfractie over het algemeen wel iets hoger dan op locatie 1 (zuiden binnenste concentrische gracht), dit is zeker het geval tussen 20 cm en 1 m. Dit zou een mogelijke verklaring kunnen zijn voor het lagere OC-gehalte op deze locatie. In de gracht (locatie 2) is het percentage zand systematisch lager dan buiten de gracht (locatie 1 en 3), zeker vanaf een diepte van 60 cm. Voor de leem- en kleifractie geldt net het omgekeerde (zie figuur 4.3). Dit alles duidt erop dat de gracht gevuld is met een ander, minder grof, materiaal in vergelijking met de omgevende bodem. In overeenstemming met de Belgische textuurdriehoek wordt de textuur van de drie de locaties op elke diepte als zand (Z) geclassificeerd. Dit type bodem kan slechts een beperkte hoeveelheid water 60

vasthouden bij veldcapaciteit omwille van de grote poriën die reeds bij geringe druk water verliezen (Cornelis, 2010). Hierdoor is de plantbeschikbare hoeveelheid water zeer beperkt en zullen de planten snel waterstress ondergaan (zie figuur 5.7). Door de iets fijnere vulling (meer leem en klei) en het hogere OM-gehalte is de waterretentiecapaciteit van de bodem in de gracht groter dan deze van de omgevende bodem. Daardoor kan de bodem in de gracht meer water vasthouden in vergelijking met de omringende bodem. Dit verklaart waarom het gras op deze plaatsen beter groeide en crop marks zichtbaar waren in de droge zomer van 1996.

Figuur 5.7: Bodemvochtgehaltes voor verschillende bodemtexturen. [Uit: ‘Understanding the Hydrologic Cycle’, 2013] EMI Op de EMI-metingen (figuren 4.11-4.14) valt de binnenste concentrische gracht op als een halfcirkelvormige zone met een relatief hoge geleidbaarheid (zie figuur 5.8, structuur 1). Gezien de zandige textuur wordt de elektrische geleidbaarheid in deze bodem over het algemeen nooit echt hoog (zie tabel 4.10) (Saey, 2011). De hogere elektrische geleidbaarheid in deze zone kan verklaard worden door het hogere OM-gehalte en de beter vertegenwoordigde fijne fractie (<50 μm). Enerzijds bevat de bodem daardoor een grotere uitwisselbare lading en anderzijds houdt een fijnere bodem met een hoog gehalte aan OM meer bodemvocht vast, wat beiden de toename in ECa-waarden verklaart. De buitenste concentrische gracht (zie figuur 5.8, structuur 2) is veel moeilijker te detecteren, aangezien de toename in elektrische geleidbaarheid veel beperkter is. Tijdens de bijkomstige boringen werd dan ook visueel vastgesteld dat de OM-toename in de buitenste gracht veel beperkter was. Tevens kon er in tegenstelling tot in de binnenste gracht geen veenlaag gedetecteerd worden. De rechte gracht in het noorden (zie figuur 5.8, structuur 3) kon nog moeilijker vastgesteld worden. Zonder de GPR-beelden zou het waarschijnlijk zelfs onmogelijk zijn de gracht te identificeren. De rode vlek in het oosten van het veld kan in verband gebracht worden met een recentelijk

61

dichtgesmeten gracht rond de huidige hoeve. Samen met de beduidend lagere ligging van deze zone (zie figuur 5.6) zorgt dit voor een vochtige plek op de weide, wat ook in het veld waarneembaar was. Structuren 5 en 6 (figuur 5.8) zijn plaatselijke verhogingen in elektrische geleidbaarheid die in verband kunnen gebracht worden met de drainagebuizen die op de GPR-beelden onderscheiden konden worden op een diepte van respectievelijk 12 en 17 ns. De EMI-metingen duiden op een artefact in de bodem, maar ook hier zou het zonder de GPR-beelden onduidelijk zijn over welke objecten zich hier in de bodem bevinden. Vergelijking tussen de GPR-beelden en de EMI-data tonen aan dat begraven objecten en structuren in dit geval beter te visualiseren zijn met radargebaseerde technieken dan met EMI-sensoren. EMIbeelden laten in de meeste gevallen wel zien dat er zich bepaalde structuren en objecten in de bodem bevinden, maar laten maar moeilijk toe om een indicatie van de vorm van begraven objecten te krijgen. Tevens is het inschatten van de diepte des te ingewikkelder, terwijl dit bij georadars veel minder een probleem vormt.

Tabel 5.2: Duiding bij figuur 5.8. Nummer Structuur 1 Binnenste concentrische gracht 2

Buitenste concentrische gracht

3

Recht aanvoerkanaal

4

Recentelijk dichtgesmeten gracht rond de huidige hoeve

5

Drainagebuizen

6

Drainagebuizen

Figuur 5.8: Aanduiding van de meest opvallende structuren op de ECap1,1m-kaart.

62

6. Algemene conclusie Vergelijking met de pulseEKKO radar In vergelijking met de pulseEKKO radar met centrale frequentie van 500 MHz, gebruikt in het onderzoek van dr. Lieven Verdonck (2009), werden zeer gelijkaardige resultaten bekomen. Alle structuren die blootgelegd konden werden tijdens dit onderzoek konden ook aan de hand van de GeoScope™ GS3F GPR gedetecteerd worden en vice versa. Aangezien in het kader van deze thesis het frequentiebereik gereduceerd werd van 50 tot 800 MHz, komt men in het bereik van de pulseEKKO radar en mag dit evenwel geen verrassing zijn. Het voordeel van de GeoScope™ GS3F GPR is echter de veel snellere en minder arbeidsintensieve dataverwering. Reeds in enkele uren werd het proefveld opgemeten, terwijl dit bij het onderzoek van dr. Lieven Verdonck nog vier dagen in beslag nam. Verder biedt de GeoScope™ GS3F GPR veel meer vrijheid, qua gewenste configuratie en al zeker qua gebruikte frequenties. In dit onderzoek werden de grootste frequenties uitgeschakeld aangezien de grachten pas op enkele decimeters diepte aanwezig zijn, maar zo kan het in het kader van ander onderzoek, waarbij veel meer gefocust wordt op de toplaag van de bodem, nuttig zijn ook of zelfs enkel de grotere frequenties aan te wenden. De licht verschillende dieptes/afstanden die in het rapport van Verdonck (2009) zijn weergegeven, vallen toe te schrijven aan een verschillende omzetting van diepte in tijd naar diepte in afstand. Vergelijking GPR met EMI Zoals reeds besproken in de discussie konden de grachten en andere aanwezige structuren moeilijker gedetecteerd worden aan de hand van de EMI sensor (Dualem-21 S) dan aan de hand van de GPR. Zo was de buitenste concentrische gracht en vooral de noordelijk gracht en de drainagebuizen veel moeilijker tot zelfs niet te identificeren in vergelijking met de GPR-beelden. Reden hiervoor is dat EMI een bodemvolume opmeet. Bijgevolg valt op de EMI-beelden vaak wel af te leiden dat er in de bodem contrasterende sporen aanwezig zijn, maar een eigenlijke interpretatie van de aanwezige structuren/objecten is op basis van EMI zeer moeilijk . Hieruit kan besloten worden dat in het kader van dit onderzoek GPR zonder meer geschikter is dan EMI. Door de hoge haalbare resolutie en de (vrij) accurate diepte-inschatting lijkt GPR dan ook meer toekomst te hebben voor archeologische doeleinden, al hangt dit natuurlijk af van de uiteindelijke doelstelling van de survey. Bovendien lieten zowel de weersomstandigheden als de bodemkenmerken toe om kwalitatief zeer goede GPR-data te bekomen, wat in andere surveys soms problematisch blijkt te zijn, zeker wanneer er zich veel obstakels rondom het proefveld bevinden. Diepteanalyse De voorgestelde methode voor diepteanalyse, namelijk het uitzetten van het RNE in functie van de diepte en het opstellen van variantiekaarten over de verschillende dieptes, laat toe de evolutie van de spatiale correlatie met de diepte waar te nemen en zo een inschatting van de maximale penetratiediepte op een objectieve wijze te maken. Het blijft echter een inschatting van de maximale penetratiediepte, aangezien niet met 100% zekerheid gesteld kan worden dat aanwezige bodemstructuren zichtbaar blijven tot net boven de diepte waar het RNE maximaliseert. Indien een exactere inschatting van de maximale penetratiediepte vereist is, dienen een aantal bodemparameters zoals bijvoorbeeld de attenuatie opgemeten te worden. Rekening houdende met het feit dat geen bodemparameters gekwantificeerd dienen te zijn, kan besloten worden dat de 63

voorgestelde methode ter bepaling van de maximale penetratiediepte wel degelijk een goed alternatief is voor de reeds bestaande technieken.

64

7. Suggesties voor verder onderzoek De voorgestelde methode in deze thesis, namelijk het uitzetten van het RNE in functie van de diepte, lijkt een goed alternatief ter bepaling van de maximale penetratiediepte indien de voornaamste bodemparameters ongekend zijn. Om de performantie van de methode verder te testen zou het opmeten van een tweede proefveld met andere fysische eigenschappen gewenst zijn. Het gebruik van geostatistiek is in de GPR-wereld nog niet echt ingeburgerd, maar biedt zeker mogelijkheden met betrekking tot signaalanalyse. Teneinde te weten te komen uit welke periode de motte te Assende dateert, zou een C14-datering op het veen onderaan de binnenste concentrische gracht uitgevoerd kunnen worden.

65

8. Referenties 3d-Radar AS, (2009). GeoscopeTM User’s Manual Model GS3F. Annan, A.P., (1993). Practical processing of GPR data. Proceedings of the Second Governement Workshop on Ground-Penetrating Radar, Colombus, Ohio. Annan, A.P., (1999). Practical processing of GPR data. Sensors and Software Inc., Mississauga, Canada. Annan, A.P., (2001). Ground Penetrating Radar Workshop Notes. s.n., s.l., 192 pagina’s. Annan, A.P., (2005). Ground penetrating radar in near surface geophysics. In: Butler, D.K. (ed.), Society of Exploration Geophysicists, Tulsa, OK, USA, Investigation in Geophysics No.13, p 357-437. Annan, A.P., (2009). Electromagnetic Principles of Ground Penetrating Radar. In: Jol, H.M., Ground Penetrating Radar. Part1 Ground Penetrating Radar (GPR) Principles. Elsevier, Amsterdam, 524 pagina’s. Arcone, S.A., et. al., (1998). Ground-penetrating Radar reflection profiling of groundwater and bedrock in an area of discontinuous permafrost. Geophysics, Vol.63, No.5, p 1573-1584. Arcone, S.A., Prentice, M.L. & Delaney, A.J., (2002). Stratigraphic profiling with ground penetrating radar in permafrost: A review of possible analogues for Mars. Journal of Geophysical Research, Vol. 107, p E11, Article no. 5108. Arcone, S.A., Prentice, M.L., Delaney, A.J., (2002). Stratigraphic profiling with ground penetrating radar in permafrost: A review of possible analogues for Mars. Journal of Geophysical Research, Vol. 107, p E11, Article no. 5108. Basile, V., et al., (2000). A ground penetrating radar survey for archaeological investigations in urban area (Lecce, Italy). Journal of Applied Geophysics, Vol. 44, p15-32. Born, M. en Wolf, E., (1980). Principles of Optics, 6th edition. Pergamon Press, Oxford, UK. Bristow, C.S., Jol, H.M., (2003). Ground Penetrating Radar in sediments. s.n., Londen. Callegary, J.B., T.P.A. Ferre, and R.W. Groom. (2007). Vertical spatial sensitivity and exploration depth of low-induction-number electromagneticinduction instruments. Vadose Zone J., 6:158–167. Cassidy, N.J., (2009a). Electrical and Magnetic properties of Rocks, Soils and Fluids. In: Jol, H.M., Ground Penetrating Radar. Part1 Ground Penetrating Radar (GPR) Principles. Elsevier, Amsterdam, 524 pagina’s. Cassidy, N.J., (2009b). Ground Penetrating Radar Data Processing, Modelling and Analysis. In: Jol, H.M., Ground Penetrating Radar. Part1 Ground Penetrating Radar (GPR) Principles. Elsevier, Amsterdam, 524 pagina’s.

66

Chang P., et al., The application of ground penetrating radar attenuation tomography in a vadose zone infiltration experiment. Journal of Contaminant Hydrology, Vol.71, p67-87. Cockx, L., (2010), High resolution soil inventory using a dual signal electromagnetic induction sensor, Gent, 202 pagina’s. Conyers, L.B. and Goodman, D., (1997). Ground-penetrating radar: An introduction for archaeologists. Altamira Press, Sage Publications, California, USA. Corwin, D.L., Lesch, S.M., (2003). Application of soil electrical conductivity to precision agriculture: theory, principles and guidelines. Agronomy Journal, 95: 455-470. Cornelis, W., (2010). Toegepaste Bodemfysica [cursustekst]. Universiteit Gent. Daniels, D., (1996). Surface Penetrating Radar, Radar, Sonar, Navigation and Avionic Series 6. The Institute of Electrical Engineers, London, UK. Daniels, D., (2000). Ground Penetrating Radar Fundamentals. s.n., s.l., 21 pagina’s. Daniels, D., (2004). Ground Penetrating Radar, Radar, Sonar, Navigation and Aionics Series 6, The Institute of Eelectrical Engineers, Londen, UK. Daniels, D., (2007). Ground Penetratind Radar, 2nd edition. Radar, The Institute of Engineering and Technology, Londen, UK. Daniels, D., (2008). Ground Penetrating Radar. In: Skolnik, M.I., Radar Handbook. Mc Graw Hill, New York. ‘Databank Bodemonderzoek Vlaanderen’, (dov.vlaanderen.be.) (16/04/2013)

internet,

DOV

Vlaanderen,

Zwijnaarde

Davis, J.L., (1989). Geophysical prospecting. Wiley Online Library. Debeye, P., (1929). Polar Molecules, Chemical Catalog Co, New York, USA. De Pue, J., (2012), Detectie vqn bodemvreemde objecten met een grondradar. Niet gepubliceerde masterthesis, Universiteit Gent, 62 pagina’s. De Smedt, P., et al., (2011). Reconstructing palaeochannel morphology with a mobile multicoil electromagnetic induction sensor. Geomorphology, 130: 136-141, 6 pagina’s. DE Smedt, P., (2012), Exploring the potential of multi-receiver EMI survey for archaeological prospection: A 90ha dataset. Geoderma, Vol. 199, p 30-36. Dojack, L., et al., (2012). Ground Penetrating Radar Theory, Data Collection, Processing, and Interpretation: A guide for Archaeologists, s.l., 89 pagina’s. DUALEM Inc., (2007), Dualem-21S user’s manual, Dualem Inc., Milton, Canada. Feigin, J., et al., (s.d). Noise and Interference Removal in Air-Launched Antennas used for GPR Evaluation of Roads and Bridges. s.n., s.l., 8 pagina’s. 67

‘Geologie van Nederland’, internet, (http://www.geologievannederland.nl/). (2013-04-17) Hendrickx, J.M.H. & Kachanoski, R.G., (2002). Indirect measurement of solute concentration: Nonintrusive electromagnetic induction. In: J.H. Dane & G.C. Topp (Editors), Methods of soil analysis. Part 4. SSSA Book Ser. 5. SSSA, Madison, WI. Horstmeyer, H., et al., (1996). Processing 2-D and 3-D georadar data: Some special requirements. Proceedings of the Second Meeting of the environmental and Engineerig Geophysical Society, European Section, Nantes, Frankrijk. ‘How Deep Can GPR See?’, internet, (http://www.georentals.co.uk/gprsee.htm). (2013-04-12) Jackson, J.D., (1962). Classical Electrodynamics. Joh Wiley and Sons, New York, USA. Jol, H.M., (ed.) (2009). Ground Penetrating Radar: Theory and Applications (first edition). Elsevier, Amsterdam, 524 pagina’s Kim, J.H., Cho, S.J., Yi, M.Y., (2007). Removal of ringing noise in GPR data by signal processing. Geosciences Journal, Vol.11, No. 1, p 75-81. King, R.W.P. & Smith, G.S., (1981). Antennas in Matter. MIY Press, Cambrigde, MA, USA. Koppejan, S, (2009), Ground penetrating Radar Systems. In: Jol, H.M., Ground Penetrating Radar. Part1 Ground Penetrating Radar (GPR) Principles. Elsevier, Amsterdam, 524 pagina’s. Lehmann, F., et al., (1996). Georadar data rom the northern Sahara Desert: Problems and processing strategies. Proceedings of the 6th International Conference on Ground Penetrating Radar (GPR ’96), Japan, p 51-56. Leucci, G., (2008). Ground Penetrating Radar: The Electrical Signal Attenuation and Maximum Penetration Depth. Lecce, Italië, 7 pagina’s. Leucci, G., (2012). Ground Penetrating Radar: A useful Tool for Shallow SubsurfaceStratigraphy Characterization, Stratigraphic Analysis of Layered Depostis. Beschikbaar van: http:// www.intechopen.com/books/stratigraphic-analysis-of-layered-deposits/groundpenetrating-radar-auseful-tool-for-shallow-subsurface-stratigraphy-characterization (2012-12-15) Linford, N., et al., (2010). Stepped frequency ground-penetrating radar survey with a multi-element array antenna: Results from field application on archaeological sites. Archaeological Prospection, 17(3): 187-198. Malagodi, S., Orlando, L. & Piro, S., (1996). Approaches to increase resolution of radar signal. Proceedings of the 6th International Conference on Ground Penetrating Radar (GPR ’98), USA, p 225231. McNeill, J. D., (1980). Electromagnetic terrain conductivity measurement at low induction numbers. Technical Note TN-6, Geonics Limited, Missisauge, ON, Canada. Monteiro Santos, F.A, et al. (s.d.), Inversion of Multiconfiguration Electromagnetic (Dualem-421) Profiling Data Using a One-DimensionalLaterally Constrained Algorithm. Vadose Zone Journal, Vol. 9 No. 1, p117-125. 68

Morey, M., (1998). Ground Penetrating Radar for Evaluating Subsurface Conditions for Transportation Facilities. A synthesis of Highway Practice. National Academy Press, USA. Motoyuki, S., (2001). Fundamentals of GPR Data Interpreattion. s.n., s.l., 14 pagina’s. Neves, F.A, Miller & J.A., Roulston, M.S., (1996). Source signature deconvolution of ground penetrating radar data. Proceedings of the 6th International Conference on Ground Penetrating Radar (GPR ’96), Japan, p 573-578. Noon, D.A., Longstaff, I.D. & Yelf, R.J., 1994. Advances in the development of step frequency ground penetrating radar. Proceedings of the 5th International Conference on Ground Penetrating Radar (GPR ’94), Kitchener, Ontario, Canada, p 117-132. Olhoeft, G.R., (2000). Maximizing the information return from groud penetrating radar. Journal of Applied Geophysics, Vol. 43, p175-187. Pipan, M., et al., (1999). 2-D and 3-D processing and interpretation of multi-fold ground penetrating data: A case history from an archaeological site. Journal of Applied Geophysics, VOl.41, p271-292. Reynolds, J.M., (1997). An introduction to applied and environmental geophysics. John Wiley & Sons Ltd., Chichester, England. Rhoades, J.D., Manteghi, N.A., Shouse, P.J. & Alves, W.J., (1989). Soil electrical conductivity and soil salinity: new formulations and calibrations. Soil Science Society of America Journal, 53: 433-439. Rodet, X., (1992). Spectral Envelopes and inverse FFT synthesis. Icram, Parijs, Frankrijk, 11 pagina’ Romero, R., ‘How does an earth dipole work?’, internet, (http://www.vlf.it/ed/earthprobes.html). (2012-11-10) ‘Rayleigh scattering’, internet, Encyclopaedia Britannica, (http://www.britannica.com/EBchecked /topic/492483/Rayleigh-scattering). (2012-11-15) Saey, T., Simpson, D., Vermeersch, H., Cockx, L. & Van Meirvenne, M., (2009). Comparing the EM38DD and Dualem-21 S sensors for depth-to-clay mapping. Soil Science Society of America Journal 73, 7–12. Saey, T., et al., (2009), Comparing the EM38DD and DUALEM-21S Sensors for Depth-to-Clay Mapping. Soil Science Society of America Journal, 73:7-12. Saey, T., et al., (2010), Combining multiple signals of an electromagnetic induction sensor to prospect land for metal objects, Near Surface Geophysics, Vol. 9, p309-317. Saey, T., (2011). Fusing multiple signals of an electromagnetic induction sensor to characterize contrasting soil layers and buried features. PhD thesis, Universiteit Gent. Sensors and Software, (1999), Practical Processing of GPR Data. Sensors and Software Inc., Canada, 18 pagina’s. Shao, W., et al., (2010). Automatic classification of GPR signals. 13th International Conference on Ground Penetrating Radar (GPR), USA, p1-6. 69

Simpson, D., Van Meirvenne, M., Saey, T., Vermeersch, H., Bourgeois, J., Lehouck, A., Cockx, L., Vitharana, U.W.A., 2009. Evaluating the multiple coil conﬁgurations of the M38DD and DUALEM-21 S sensors to detect archaeological anomalies. Archaeological Prospection 16, 91–102. Slavich, P.G. & Petterson, G.H., 1990, Estimating average rootzone salinity for electromagnetic (EM38) measurements. Australian Journal of Soil Research, 28: 453-463. ‘Understanding the Hydrologic Cycle’, internet, (http://stream2.cma.gov.cn/pub/comet/ HydrologyFlooding/UnderstandingtheHydrologicCycleInternationalEdition/comet/hydro/basic_int/hy drologic_cycle/navmenu.php_tab_1_page_4.4.0.htm) (2013/03/25) Van Meirvenne, M., (2011). Geostatistics [cursustekst]. Universiteit Gent. Verdonck, L., (2009), Geofysische prospectie van een verdwenen motte te Assenede, Gent, 32 pagina’s. Von Hippel, A.R., (1954a). Dielectrics and Waves (second edition). Artech House, Boston, USA. Von Hippel, A.R., (1954b). Dielectric Materials and Applications. M.I.T. Press, Cambridge, MA. Walkey, A. &. Black, I.A., (1934). An examination of the Degtjareff method for determining organic carbon in soils: Effect of variations in digestion conditions and of inorganic soil constituents. Soil Sci. 63:251-263. Yelf, R., (2004), Where is true time zero?. Proceedings of the 10th International Conference on Ground Penetrating Radar, Delft, p 158-163. Yilmaz, O., (2000). Seismic Data Processing – Processin, Inversion, and Interpretation of Seismic Data, Society of Exploration Geophysicsts, s.n., s.l., 2027 pagina’s Young, R.A. en Sun, J., (1999). Revealing stratigraphy in ground-penetrating radar data using domain filtering. Geophysics, Vol. 64, No. 2, p435-442.

70

Appendix

71

Appendix A: Rapporten DOV Boorplaats 1

72

Boorplaats 2

73

Boorplaats 3

74

Appendix B: Gegevens survey Lieven Verdonck

75

76

Appendix C: Horizontale timeslices

Figuur C.1: Timeslice 4ns (10-30cm)


77



78



79



80



81


Figuur C.12: Timeslice 48 ns (230-250cm)

82



83



84

Appendix D: Variogrammen Spherical and exponential gain (α=0,005)

Figuur D.1: Variogram op 2,20ns (0,10m)



Figuur D.4: Variogram op 11,963ns (0.61m)

85





86





87




Figuur D.16: Variogram op 48.58ns (2,50m)

88





89





90



91

Zonder gain




Figuur D.30: Variogram op 11,963ns (0.61m)

92





93





94





95





96





97



98

Appendix C: Variantiekaarten Lokale variantie

Figuur E.1: Variantie op 2,20ns (0,10m)

Lokale variantie

Lokale variantie

Figuur E.2: Variantie 7,08ns (0,36m)

Lokale variantie

99


Lokale variantie

Figuur E.5: Variantie op 14,40 (0,74m)

Lokale variantie


Lokale variantie


Lokale variantie

100


Lokale variantie


Lokale variantie

Figuur E.8: Variantie 26,61ns (1,37m) Lokale variantie


101


Lokale variantie


Lokale variantie


Lokale variantie


Lokale variantie

102


Lokale variantie


Lokale variantie



Lokale variantie

103


Lokale variantie


Lokale variantie


Lokale variantie


Lokale variantie

104


Lokale variantie




105

Detectie van contrasterende bodemsporen met een grondradar

Recommend Documents