Studying)aquifer)proper1es)in)the)Los)Angeles)
Basin)using)InSAR)1me;series)
Piyush)Agram))
Jet)Propulsion)Laboratory,)
California)Ins1tute)of)Technology)
)
Mark)Simons)(Caltech))
Romain)Jolivet)(Cambridge))
)
Copyright)2015.)All)rights)reserved.)
Mo1va1on)
• Exploit)long)InSAR)1me;series)to)establish)
baseline)for)the)seasonal)signal)in)Los)Angeles)
Basin)–)for)future)ground)water)studies)
• Infer)aquifer)conduc1vity)proper1es)using)InSAR)data)
• Explore)use)of)seasonal)phase)informa1on)in)
determining)aquifer)geometry)
• Try)and)understand)rela1onship)between)InSAR)observa1ons)and)in;situ)well)head)measurements)
for)hydrological)studies)
Baseline)plot)
• 18)years)of)SAR)data)
• 109)ERS)SAR)images,)523)interferograms)
• 56)Envisat)SAR)images,)358)interferograms)
)
Decoupling)the)seasonal)signal)
Observed)deforma1on)1me;series)
Long)term)deforma1on)
Seasonal)signal)
• Monthly)data)increases)the)reliability)of)our)seasonal)es1mates)
• We)es1mate)the)average)seasonal)cycle)over)18)years)
• Two)different)methods)–)sinusoids)and)periodic)splines)(5)per)
year).)
Sinusoids)vs)Periodic)splines)
• FFT)of)the)splines)allow)us)to)reproduce)the)same)amplitude)
and)phase)as)tradi1onal)sinusoids.)
Example)GPS)
1me;series)for)
Sta1on)ECFS)
Time)in)years)since)19920617)
Average)LOS)velocity)
Pomona,)CA)
Ground)water)
pumping)
Santa)Fe)
Springs,)CA)
Oil)wells)
Previous)work:)Bawden)et)al)(2001),)Watson)et)al)(2002),)Lanari)et)al)(2004))and)
Argus)et)al)(2005))
;ve)–)Subsidence)
+ve);)Upli`)
LOS)velocity)uncertain1es)
• Cross;valida1on)of)such)a)large)dataset)needs)to)be)op1mized.)
• Residual)–)Troposphere)+)Model)misfit)+)Unwrapping)errors)
Seasonal)Amplitude)
InSAR)1me;series)
Watson)et)al.,)(2002)))
SOPAC)GPS)
• Two)localized)regions)of)
deforma1on)are)clearly)iden1fied.))
• Iden1fied)by)Lanari)et)al)(2004))as)
well.)
Seasonal)amplitude)uncertainty)
• Reflects)distance)of)pixel)from)reference)point)in)Pasadena,)
CA)
Anima1on)
Seasonal)phase/)1me)lag)in)days)
Reference)
Sharp)phase)
boundaries)
• Phase)map)reflects)aquifer)
geometry)
• Barriers)are)clearly)iden1fied.)
• Lines)up)with)known)faults.)
• Extending)the)analysis)by)
Lanari)et)al)(2004))
)“Zero”)corresponds)to)mid;year)
Time)lag)uncertainty)
Basement)topography)
Figure)from)Yerkes)et)al.)(1965))
Time)lag)map)in)detail)
• Spa1al)variability)in)lateral)conduc1vity?)• Related)to)basin)topography)or)topography)slope?))
Reduced)dynamic)
range)to)highlight)
details.)
Time)lag)vs)Distance)
Zoom)of)the)northern)box)
(All)distances)w.r.t)*))
• Linear)rela1onship)• Roughly)0.27)Km/)day)
• Minima)of)basin)geometry)or)
maximum)slope?))
Time)lag)vs)Distance)
Zoom)of)the)southern)box)
(All)distances)w.r.t)*))• Direc1onal)dependence.)• Green)curves);>)exponen1al)rela1onship?)• Related)to)basin)geometry)slope?)
Verifica1on)with)GPS)data)
• 77)Con1nuous)GPS)sta1ons)
in)the)frame)
• 70)sta1ons)with)coherent)
InSAR)phase)observa1ons)
as)well)
• CGPS)solu1ons)from)NASA)
MEaSUREs)GPS)Explorer)
portal)
BLSA)(large)diamond))in)the)
middle)of)the)basin)used)as)a)
reference)for)comparisons.)
Example)comparison)plots)vs)GPS)
• Comparison)of)seasonal)signal)es1mated)from)InSAR)and)GPS)
• Long)term)deforma1on)rates)were)removed)and)periodic)splines)used)to)fit)
both)datasets.)
• Rigorous)uncertainty)es1ma1on)needed)to)interpret)rela1ve)phase)shi`s)
between)GPS)and)InSAR)
InSAR)vs)GPS)
Amplitude)RMS)=)1.75)mm) Time)lag)RMS)=)9.03)days)
• Points)color)coded)by)distance)from)reference)sta1on):)BLSA)
• Phase)es1mates)more)similar)than)amplitude)es1mates.)
Exploratory)analysis)–)Well)head)data)
• Sub;daily)well)head)pressure)measurements)
• Monitoring)wells)spanning)mul1ple)aquifers)at)different)
depths)
• 3)wells)over)the)Central)Basin)– Lakewood)1,)Compton)1,)Long)Beach)2)
• Same)analysis)techniques)as)long)term)climate)change)to)
determine)phase)shi`s)between)irregularly)sampled)1me;
series)(Rehfeld)et)al.,)2011))
Map)of)aquifers)
Compton1) Long)Beach2) Lakewood)1)
Using)the)amplitude)informa1on)
Deforma1on)
magnitude)
Skeletal)
Compressibility)
Change)in)
hydraulic)head)
• Reeves)(2013),)linear)rela1onship)for)confined)aquifers)• All)deforma1on)is)assumed)elas1c)
• Allows)direct)comparison)of)InSAR)and)GPS)observa1ons)with)
hydraulic)head)measurements)from)wells.)
• More)detailed)analysis)when)we)obtain)more)well)logs)
Es1ma1on)of)1me;lags)
Example:)Shi`)between)Lakewood1)and)LongBeach2)(Gage)aquifer)))
Gaussian)kernels)used)following)Rehfeld)et)al.,)2011)
Lakewood)1)vs)other)wells)
Well$name$
Aquifer$$name$
Lakewood1$Depth$$(in$9)$
Well$Depth$$(in$9)$
Delay$$(in$days)$
Long)Beach)2) Gage) 290) 170) 15.0)
Long)Beach)2) Lynwood) 460) 290) 19.75)
Long)Beach)2) InSAR)es1mated)1me)lag) 150.53)
Compton)1) Gage) 290) 315) 4.75)
Compton)1) InSAR)es1mated)1me)lag) 36.28)
• LongBeach2)lies)outside)the)mapped)aquifer)and)pressure)hardly)changes.)
• Compton1)and)Lakewood1)lie)within)the)mapped)aquifer.)
• Time)lags)in)aquifers)are)an)order)of)magnitude)shorter)than)those)es1mated)by)
InSAR.)
• InSAR)1me)lag)es1mates)appears)to)be)more)a)func1on)of)geometry)than)fluid)
pressure.)
Future)work)
• Comparison)of)phase)map)against)detailed)
hydrological)maps)
– Time)lag)map)vs)digi1zed)basin)geometry))
• Comparison)of)InSAR)phase)with)1me;lags)es1mated)
from)more)monitoring)wells)over)West)and)Central)
Basin)
• Rigorous)es1ma1on)of)uncertain1es)on)seasonal)
amplitude)and)phase)es1mated)using)InSAR)
• Look)for)systema1c)differences)between)dry/wet)
years))
Conclusion)
• InSAR)1me;series)techniques)can)provide)unique)
datasets)for)studying)aquifer)proper1es.)Spa1al)
papern)of)amplitude)and)phase)at)higher)resolu1on)
than)other)techniques.)
• 18)year)archives)of)SAR)data)over)California)and)other)parts)of)the)world,)available)for)analysis.)
• Possible)extension)of)C;band)1me;series)with)
Sen1nel)1A)data.)Shorter)repeat)cycle)may)enable)
more)reliable)monitoring)of)the)seasonal)cycle.)
