Joint gravimetric and geometric survey of geophysical signals

198 Pages·2011·28.58 MB·German

by  S. Tuttas

Joint gravimetric and geometric survey of
geophysical signals - Feasibility study for
the TERENO alpine and prealpine Ammer
observatory
S. Tuttas
IAPG / FESG No. 31
Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie
Forschungseinrichtung Satellitengeodäsie
München 2011
Joint gravimetric and geometric survey of
geophysical signals - Feasibility study for
the TERENO alpine and prealpine Ammer
observatory
S. Tuttas
IAPG / FESG No. 31
Mu¨nchen 2011
ISSN 1437-8280
ISBN-13: 978-3-934205-30-7
Hinweis: Eine PDF-Version dieser Arbeit mit farbigen Abbildungen ist erh¨altlich unter
http://www.iapg.bv.tum.de/Schriftenreihe/
Adressen:
Institut fu¨r Astronomische und Physikalische Geod¨asie
Technische Universit¨at Mu¨nchen
Arcisstrasse 21
D-80290 Mu¨nchen
Germany
Telefon: [phone]
Telefax: [phone]
http://www.iapg.bv.tum.de/
Forschungseinrichtung Satellitengeod¨asie
Technische Universit¨at Mu¨nchen
Arcisstrasse 21
D-80290 Mu¨nchen
Germany
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Institut für Astronomische Institut für Methodik der Fernerkundung
und Physikalische Geodäsie SAR-Signalverarbeitung

Joint gravimetric and geometric survey of
geophysical signals - Feasibility study for the
TERENO alpine and prealpine Ammer observatory

Master’s Thesis

by

Sebastian Tuttas

Supervisors: Univ.-Prof. Dr.techn. Mag.rer.nat. Roland Pail (IAPG)
Dr.-Ing. Thomas Gruber (IAPG)
Dr.rer.nat. Michael Eineder (IMF)

November 2010

Abstract

This master’s thesis deals with a feasibility study for a joint gravimetric and geometric
survey of geophysical signals. As test area the TERENO alpine and prealpine Ammer
observatory is chosen since this initiative is associated with the installation of instruments
for measuring meteorological and hydrological quantities. Gravimetric and geometric
signals, which occur in the TERENO area, are estimated from available measured data.
At the beginning the theory of signals from solid Earth tide, ocean loading, pole tides,
atmosphere and hydrology is outlined. The magnitudes of the expected signals are
compared. It is distinguished between direct effects due to Newtonian attraction and
indirect effects due to mass loading variations. Therefore the basics of mass loading
calculations using Green’s functions are described. Hydrologic and atmospheric signals
shall be measured with different measurement techniques; the other mentioned effects can
be reduced by models.
As gravimetric measurement techniques different gravimeter types and the GRACE
mission are introduced. For measuring geometric signals spaceborne SAR (TerraSAR-X
and TanDEM-X) and GNSS are presented.
The Scintrex CG-3M gravimeter, owned by the IAPG, was used for test measurements.
First it was utilized as stationary instrument to investigate the influence of air pressure and
drift. A field campaign was performed as a second experiment. It was measured above a
storm water basin to simulate a groundwater change.
A further test measurement was performed to validate ranges and azimuths measured in
SAR-images against ranges and azimuths derived from corner reflector coordinates,
determined by GPS measurements. This method is used to evaluate the accuracy level of
absolute SAR measurements.
Starting from the estimated signals and the experiences from the test measurements,
different approaches are introduced for measuring atmospheric and hydrological signals
using gravimetric and geometric techniques. For every approach the measurement
configuration and the required instrumentation is described.

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Messung geophysikalischer Signale, die
sowohl gravimetrisch als auch geometrisch erfasst werden sollen. Als Testgebiet ist das
„TERENO alpine and prealpine Ammer observatory“ ausgewählt worden. Das TERENO
Projekt umfasst die Bereitstellung einer umfangreichen Anzahl von Instrumenten zur
Erfassung meteorologischer und hydrologischer Parameter. Anhand verfügbarer Messdaten
erfolgt eine Abschätzung, welche gravimetrischen und geometrischen Signale im
Testgebiet vorkommen und welche Größenordnung sie haben.
Zu Beginn der Arbeit werden die Effekte von festen Erdgezeiten, ozeanischen
Auflasteffekten, Polgezeiten, Atmosphäre und Hydrologie unter theoretischen
Gesichtspunkten vorgestellt und ihre Größenordungen verglichen. Es wird zwischen
direkten Effekten aufgrund der Massenanziehung und indirekten Effekten aufgrund von
Auflasteffekten unterschieden. Deshalb werden die Grundlagen der Berechnung von
Auflasteffekten dargestellt.
Die Arbeit zielt darauf ab, die hydrologischen und atmosphärischen Signale unter
Verwendung verschiedener Messtechniken zu erfassen. Die anderen genannten Effekte
sollen mit Hilfe von Modellen in den Messdaten reduziert werden.
Als gravimetrische Messsysteme werden unterschiedliche Gravimetertypen sowie die
Satellitenmission GRACE vorgestellt. Satellitengestütztes SAR (TerraSAR-X, TanDEM-
X) sowie Satellitennavigationssysteme sind die verwendeten geometrischen Mess-
verfahren.
Für praktische Testmessungen ist das Scintrex CG-3M Gravimeter des IAPG verwendet
worden. In einem ersten Versuch wurden in einer stationären Messung die Auswirkungen
von Luftdruck-Variationen und des Instrumentendrifts untersucht. Der zweite Versuch war
eine Feldkampagne, bei der oberhalb eines Regenüberlaufbeckens gemessen wurde, um
Grundwasserschwankungen zu simulieren.
In einer dritten Messkampagne wurden Koordinaten von Corner Reflektoren mit GPS
bestimmt, um damit theoretische SAR Ranges und Azimute zu berechnen. Diese werden
zur Bewertung der Genauigkeit von in SAR-Bildern gemessenen Ranges und Azimuten
verwendet.
Ausgehend von den abgeschätzten Signalen und den Erfahrungen aus den Testmessungen
werden unterschiedliche Verfahren für die Erfassung von atmosphärischen und
hydrologischen Signalen mit gravimetrischen und geometrischen Messverfahren
vorgeschlagen. Dazu werden die jeweilige Messkonfigurationen und die benötigten
Instrumente beschrieben.

Table of contents

1 Introduction.................................................................................................. 11
1.1 Test site for joint gravimetric and geometric surveys...........................................11
1.2 Benefits.................................................................................................................13
1.3 TERENO (Terrestrial Environmental Observatories)..........................................16
1.4 Structure of the work............................................................................................18
2 Gravimetric and geometric signals............................................................ 19
2.1 Theoretical background of loading effects...........................................................19
2.1.1 Elastic Earth and Love numbers....................................................................20
2.1.2 Green’s functions for point surface loads......................................................20
2.1.3 Gravity-to-height ratio...................................................................................25
2.1.4 Connections between mass fields and gravity coefficients...........................27
2.2 Solid Earth tides....................................................................................................29
2.2.1 Gravimetric effect..........................................................................................29
2.2.2 Geometric effect............................................................................................32
2.2.3 Handling of the permanent tides....................................................................33
2.2.4 ITRF and regularized positions.....................................................................35
2.3 Other effects..........................................................................................................35
2.3.1 Ocean tides....................................................................................................35
2.3.2 (Tidal) ocean loading.....................................................................................36
2.3.3 Non-tidal ocean loading.................................................................................38
2.3.4 Pole tide.........................................................................................................38
2.4 Tide models...........................................................................................................40
2.5 Atmosphere and hydrology...................................................................................49
2.5.1 Atmosphere....................................................................................................49
2.5.1.1 Gravimetric effect..................................................................................50
2.5.1.2 Geometric effect.....................................................................................52
2.5.2 Signal delays due to the atmosphere..............................................................53
2.5.2.1 Troposphere............................................................................................53
2.5.2.2 Ionosphere..............................................................................................55
2.5.3 Hydrology......................................................................................................56
2.5.3.1 Gravimetric effect..................................................................................57
2.5.3.2 Geometric effect.....................................................................................60
2.6 Overview...............................................................................................................61
Table of contents
3 TERENO Ammer observatory - signals and hydrological modelling......63
3.1 The Ammer catchment.........................................................................................63
3.2 Hydrology: basics and modelling.........................................................................64
3.2.1 Basic terms and relations...............................................................................64
3.2.2 Hydrological modelling (example WaSiM-ETH).........................................67
3.2.3 Converting modelling results to gravity changes..........................................70
3.3 Signals in the Ammer catchment..........................................................................73
3.3.1 Atmosphere...................................................................................................73
3.3.2 Hydrology......................................................................................................80
4 Measurement techniques............................................................................89
4.1 Meteorological / hydrological measurement stations...........................................89
4.2 Gravimeter............................................................................................................93
4.2.1 Relative gravimeter.......................................................................................93
4.2.1.1 Relative-spring gravimeter.....................................................................93
4.2.1.2 Superconducting gravimeter..................................................................96
4.2.2 Absolute gravimeter......................................................................................98
4.2.3 Overview.......................................................................................................98
4.3 GNSS....................................................................................................................99
4.4 GRACE...............................................................................................................100
4.5 SAR (TerraSAR-X, TanDEM-X).......................................................................101
4.5.1 Radar imaging geometry.............................................................................101
4.5.2 Interferometric and differential interferometric SAR.................................103
4.5.3 New approach: absolute SAR measurements..............................................107
5 Test measurements...................................................................................109
5.1 Gravimetric campaigns.......................................................................................109
5.1.1 Basement.....................................................................................................109
5.1.1.1 Data......................................................................................................110
5.1.1.2 Comparison of pressure data................................................................112
5.1.1.3 Analysis................................................................................................114
5.1.1.4 Problems encountered during the measurements.................................115
5.1.1.5 Results and discussion.........................................................................118
5.1.2 Storm water basin........................................................................................125
5.1.2.1 Measurement configuration and data acquisition................................126
5.1.2.2 Prediction of the gravity signal............................................................127
5.1.2.3 Corrections...........................................................................................127
5.1.2.4 Drift analysis........................................................................................129
5.1.2.5 Determination of the gravity signal.....................................................129
5.1.2.6 Drift, tilt and transport.........................................................................131