Development of algorithms for the 3D inversion of electrical resistivity data collected from archaeological sites

 
see the original item page
in the repository's web site and access all digital files if the item*
share



PhD thesis (EN)

2007 (EN)
Ανάπτυξη αλγόριθμων για την τρισδιάστατη αντιστροφή γεωηλεκτρικών δεδομένων που προέρχονται από αρχαιολογικούς χώρους
Development of algorithms for the 3D inversion of electrical resistivity data collected from archaeological sites

Παπαδόπουλος, Νίκος Γ.

Το βασικό αντικείμενο τις διατριβής αποτελεί η τρισδιάστατη χαρτογράφηση των αρχαιολογικών δομών μέσω της τρισδιάστατης αντιστροφής επιφανειακών μετρήσεων της φαινόμενης ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης. Στόχος της διατριβής είναι ο καθορισμός μίας πρακτικής διαδικασίας που θα συνδυάζει την συλλογή και την επεξεργασία τρισδιάστατων γεωηλεκτρικών δεδομένων σε σύντομο σχετικά χρονικό διάστημα. Αρχικά πραγματοποιείται μία εισαγωγή για την βασική θεωρία και τις αρχές που διέπουν την μέθοδο της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης. Τεκμηριώνεται η πρακτική της καταγραφής της τρισδιάστατης μεταβολής της φαινόμενης αντίστασης μέσω της πραγματοποίησης παράλληλων ή/και ορθογώνιων δισδιάστατων τομογραφιών. Προτείνεται μία τροποποιημένη τεχνική για την διεξαγωγή παράλληλων ή/και ορθογώνιων δισδιάστατων γεωηλεκτρικών τομογραφιών. Η τεχνική αυτή στηρίζεται στην κατάλληλη τροποποίηση ενός υπάρχοντος γεωφυσικού οργάνου και εφαρμόστηκε στην πράξη για την συλλογή πραγματικών δεδομένων από διαφορετικές αρχαιολογικές θέσεις του ελληνικού χώρου. Η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων επιλέχτηκε για την επίλυση του ευθέος γεωηλεκτρικού προβλήματος και τον υπολογισμό της απόκρισης γεωηλεκτρικών μοντέλων που προσομοιώνουν τυπικές αρχαιολογικές δομές. Η τεχνική της συζυγούς εξίσωσης ενσωματώθηκε στην μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων για τον υπολογισμό του πίνακα ευαισθησίας. Παρουσιάζονται οι βασικές αρχές της θεωρίας της αντιστροφής και αναλύεται η τεχνική της αντιστροφής με περιορισμούς εξομάλυνσης που χρησιμοποιήθηκε για την ανακατασκευή των τρισδιάστατων γεωηλεκτρικών μοντέλων του υπεδάφους. Μελετάται η χωρική διακριτική ικανότητα των παράλληλων και ορθογώνιων τομογραφιών, όσον αφορά την τρισδιάστατη χαρτογράφηση των αρχαιολογικών δομών. Το πρόβλημα αυτό προσεγγίστηκε μέσω της μελέτης των τιμών του πίνακα ευαισθησίας και της τρισδιάστατης αντιστροφής συνθετικών και πραγματικών δεδομένων. Αναλύεται ο βέλτιστος τρόπος συλλογής, επεξεργασίας και ερμηνείας των παράλληλων τομογραφικών δεδομένων που συλλέγονται από τους αρχαιολογικούς χώρους. Καθορίζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των ψευδο-τρισδιάστατων. και των πραγματικά τρισδιάστατων γεωηλεκτρικών μοντέλων αντιστροφής χρησιμοποιώντας τόσο συνθετικά όσο και πραγματικά δεδομένα. Τέλος, παρουσιάζονται τα βασικά στάδια ενός βελτιωμένου επαναληπτικού τρισδιάστατου αλγορίθμου για την γρήγορη αντιστροφή των πυκνών παράλληλων ή/και ορθογώνιων δισδιάστατων τομογραφιών. Η βασική του ιδέα στηρίζεται στην αποφυγή υπολογισμού συγκεκριμένων στοιχείων του Ιακωβιανού πίνακα με πολύ μικρή απόλυτη τιμή. Η αξιοπιστία του προτεινόμενου αλγορίθμου εξετάζεται με εκτεταμένες δοκιμές τόσο σε συνθετικά όσο και σε πραγματικά δεδομένα τα οποία συλλέχθηκαν από διάφορες αρχαιολογικές θέσεις του Ελληνικού χώρου χρησιοποιώντας διαφορετικές διατάξεις ηλεκτροδίων
This thesis deals with the three-dimensional mapping of archaeological structures through the 3D inversion of surface apparent resistivity measurements. The main goal of the thesis is the assessment of a practical process that will combine the collection and the processing of 3D resistivity data from archaeological sites, in a relatively swift manner. An introduction to the basic theory and the principles of the electrical resistivity method is initially presented. The choice of recording the three dimensional variation of the apparent resistivity through the conduct of parallel and/or orthogonal tomographies is justified. A modified technique for the collection of parallel and/or orthogonal 2D geoelectrical tomographic data is presented. The technique is based on a suitable modification of an existing geophysical instrument. It was applied in practice for the collection of real data from different archaeological places in Greece. The Finite Element Method was selected for calculating the electrical responses of models that simulate common archaeological structures. The adjoint equation technique was incorporated into the FEM framework in order to calculate the elements of the Jacobian matrix. The basic principles of the inversion theory are presented while a smoothness constrained inversion technique for reconstructing the true geoelectrical structure in archaeological sites is described. The information context and the resolution of the parallel and orthogonal tomographies, regarding their ability to map the three-dimensional variation of the archaeological structures, was studied through the sensitivity analysis and the 3D inversion of synthetic and real data. The optimum way of collecting, processing and interpretating the parallel tomographic data gathered from archaeological sites is fully analyzed. The advantages and the disadvantages of the quasi-3D and the real-3D inversion models are determined by analyzing synthetic as well as real data. Finally the basic steps of an improved algorithm for the fast 3D inversion of the dense parallel and/or orthogonal 2D tomographies are presented in detail. The basic idea of the algorithm is based in avoiding the calculation of specific Jacobian matrix elements with very small absolute values. The reliability of the proposed algorithm is examined with extensive tests on synthetic and on real data which were collected from various archaeological sites of Greece, using different electrode configurations

PhD Thesis / Διδακτορική Διατριβή
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis

Αρχαιολογία, Μεθοδολογία
Γεωηλεκτρικά δεδομένα
Γεωηλεκτρική μέθοδος διασκόπησης
Archaeology, Methodology
Electrical resistivity method
Geophysics in archaeology
3D resistivity inversion
Γεωφυσική στην αρχαιολογία

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης (EL)
Aristotle University of Thessaloniki (EN)

2007
2009-06-21T21:00:00Z


Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Σχολή Θετικών Επιστημών, Τμήμα Γεωλογίας

This record is part of 'IKEE', the Institutional Repository of Aristotle University of Thessaloniki's Library and Information Centre found at http://ikee.lib.auth.gr. Unless otherwise stated above, the record metadata were created by and belong to Aristotle University of Thessaloniki Library, Greece and are made available to the public under Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International license (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Unless otherwise stated in the record, the content and copyright of files and fulltext documents belong to their respective authors. Out-of-copyright content that was digitized, converted, processed, modified, etc by AUTh Library, is made available to the public under Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International license (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). You are kindly requested to make a reference to AUTh Library and the URL of the record containing the resource whenever you make use of this material.
info:eu-repo/semantics/openAccess



*Institutions are responsible for keeping their URLs functional (digital file, item page in repository site)