Modern Jeodezik Yöntemlerle Heyelanların İzlenmesi: Konya Taşkent Heyelanı

Transkript

1 Modern Jeodezik Yöntemlerle Heyelanların İzlenmesi: Konya Taşkent Heyelanı Mustafa Zeybek 1*, İsmail Şanlıoğlu 1, Adnan Özdemir 2 1 Selçuk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Harita Mühendisliği Bölümü, Selçuklu, Konya/TÜRKİYE 2 Necmettin Erbakan Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Meram, Konya/TÜRKİYE *mzeybek@selcuk.edu.tr ÖZET Heyelanların tespiti, izlenmesi, tehlikesi ve riskinin belirlenmesi, olası zararlarından korunulması ile afet durumunda atlatılması-yönetilmesi pek çok karmaşık işlem adımlarını barındırmaktadır. Bu işlem adımları genellikle heyelan envanterinin oluşturulması, duyarlılık tehlike ve risk haritalarının yapılması ile gerekli analizlerin yapılması günümüzde heyelanla ilgili çalışmaların önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Heyelanların oluşmasında etkili olan faktörlerin çok çeşitli olması onların belirlenmesi ile izlenmesinde çeşitliliğe neden olmaktadır. Heyelan alanının topoğrafyası, jeolojisi, hidrolojisi ile bu alana dışarıdan yapılan müdahaleler bu faktörlerin en önemlileri arasında yer almaktadır. Heyelan alanlarının morfolojik yapısının belirlenmesi, günümüzde ilerleyen teknolojik yazılım ve donanımlar sayesinde çeşitlenmiş, haritalama çalışmalarına yeni bakış açıları kazandırmış ve bu çalışmaları kolaylaştırmıştır. Bu çalışmada, ilerleyen teknolojiyle birlikte gelişen haritalama ve deformasyon ölçmelerinin heyelanlarda uygulanması konusu üzerinde durulmuştur. Bu çalışmada Taşkent (Konya) ilçe merkezinin güneyinde oluşan heyelan üzerinde Yersel lazer tarama (YLT) sistemleri, Küresel konumlama sistemleri (GNSS) yöntemleri, İnsansız hava aracı (İHA) ve Mobil lazer tarama (MLT) teknikleri ile yapılan çalışmalar değerlendirilmiştir. Heyelan hareketi 2010 yılından bu yana yapılan gözlem, ölçüm, analiz ve değerlendirmelerle izlenmiştir. Bu çalışmada hacimsel karşılaştırma analizleri ile izleme yapılmış ve sonuçları sunulmuştur. Aktif sensör sistemleri sayesinde (Lidar, yersel lazer tarama, mobil lidar vb.) heyelan alanlarında farklı zamanlarda elde edilen verilerin karşılaştırılması ile hareket eden kütlenin yer değiştirme miktarları ve hızları belirlenebilmektedir. Bunun yanında yersel, klasik haritalama teknikleriyle yapılan kontrol ölçmeleri sayesinde üretilen bilgilerin doğruluğu denetlenebilmektedir. Yüksek çözünürlükte, hassas, doğru, güvenirliği yüksek ve özelliklede düşük maliyetle elde edilmiş verilerle heyelan bölgelerinin haritalarının üretilmesi kısa zamanda yapılabilmektedir. Ulaşımın kolay olduğu alanlarda ise klasik haritalama teknikleri geometrik nivelman, GNSS ölçmeleri, EDM ölçmeleri yeterli bilgiyi sağlayabilmektedir. Anahtar Kelimeler: Heyelan izleme, modern jeodezi, lazer tarama, GNSS, İnsansız hava aracı. 1

2 1. GİRİŞ Heyelanlar farklı etkiler ve nedenlerle ülkemizde can ve mal kayıplarına sebep olan doğal afetlerin en önemlilerinden birisidir. Kütle hareketleri genel olarak düşme, kayma akma, çökme ile bunların karışımı olan karmaşık hareket olmak üzere farklı şekillerde sınıflandırmaları yapılabilmektedir. Tüm dünyada olduğu gibi Ülkemizde de iklim değişimine bağlı olarak yağış rejiminin değişmesi ile yağışın çok fazla etkili olduğu kütle hareketleri afete dönüşebilmektedir. 1: ölçekli heyelan envanter çalışmalarına göre ülkemizde en fazla heyelanlı bölge Zonguldak ilinin bulunduğu 18 pafta %6.8 lik oranla ilk sırada yer almaktadır. Çalışma alanının yer aldığı Konya ili ise %1 in altında olduğu pafta içerisinde yer almaktadır (Çan vd., 2013). İnceleme alanının Google Earth üzerine işlenmiş Web kartografik haritası MTA Genel Müdürlüğü sayfasından alınmış ( ve Şekil 1 de verilmiştir. Heyelan araştırmalarında genel olarak aşağıdaki işlemler veya yöntemler uygulanmaktadır: Temel heyelan araştırmaları, dinamik mekanizma çözümlenmesi, jeoteknik, jeofiziksel inceleme ile sayısal metotlarla işlemlerin yapılması, Uzaktan algılama ve jeodezik yöntemlerle heyelan haritalamaları, Heyelan envanterlerine dayalı olarak heyelanların konumsal ve zamansal dağılım analizlerinin yapılması, Heyelan duyarlılık analizleri, afet ve risk değerlendirmeleri ile afet-risk yönetim çalışmalarının yapılması, Heyelan izleme, erken uyarı, tahmin ve tahliye işlemlerinin yapılması Heyelanların ikincil tehlikeleri, barajların yıkılması, akmalar, tsunami ve diğer heyelanların tetiklenmesi çalışmaları, Depremlerin veya yoğun yağışların tetiklediği hareketler ile akmaların belirlenmesi vb. Bu araştırmalardan heyelan öncesi ve sonrası izleme, yer değiştirme vektörlerinin zaman içinde değişimi ile heyelan haritalama gibi çalışmalara bu incelemede yer verilmiştir. 2

3 Şekil 1. Çalışma bölgesi yer bulduru haritası. (Türkiye haritası üzerinde Taşkent ilçesinin konumu ve Heyelan sahaları, kırmızı renkli alanlar aktif heyelan alanlarını, Turuncu renkli alanlar ise eski heyelan alanlarını göstermektedir). Heyelanların ulaşımı zor yamaçlarda oluşması halinde bu alanların haritalaması ile izlenmesindeki zorluklar nedeniyle heyelan haritalama teknikleri çok fazla külfetli olabilmekte ve çok fazla insan gücü gerektirmektedir. Modern tekniklerin gelişmesi, özellikle uzaktan algılama teknoloji ve metotların geliştirilmesi hiç şüphesiz haritalama tekniklerine büyük katkılar sağlamıştır. İletişim ve görüntü işleme ve sensörlerin gelişmesiyle, resim, nokta bulutu, sayısal arazi modeli gibi konumsal bilgilerin elde edilmesi, haritalama çalışmalarında büyük kolaylıklar sağlamış ve heyelanların etkilerinin azaltılmasında etkin rol almıştır. Bu çalışma ile günümüzde kullanılan modern teknikler hakkında bilgi verilmeye çalışılmış ve 2010 yılından günümüze kadar izlenmekte olan Konya ili Taşkent ilçesi Balcılar yolu km ve km de yol üzerinde meydana gelen heyelan üzerinde yapılan inceleme ile ilgili sonuçlar ve analizler verilmiştir. 3

4 2. MATERYAL VE YÖNTEM Modern jeodezik teknikler, genellikle uydu ve hava platformları, insansız hava araçları, hava LiDARı, Mobil Lazer (LiDAR) tarama sistemleri, yersel lazer tarama sistemleri (YLT), yer temelli yapay açıklıklı radar (GBSAR), küresel konumlandırma sistemleri (GNSS) gibi ölçüm metotları olarak sıralanmaktadır. Geçmişten bugüne kullanılan klasik jeodezik teknikler; elektronik uzaklıkölçer (total station), geometrik-trigonometrik nivelman vb. tekniklerin yüksek doğrulukta olmasına rağmen ölçüm maliyetlerinin yüksek ve uzun zaman alması, alternatif teknik arayışına ve güncel teknoloji gelişmelerinin haritalama tekniklerinde aktif katkı sağlamasına yol açmıştır. 2.1 LiDAR Ölçme Teknikleri ve Prensipleri Aniden oluşan ve hızlı hareket eden afete neden olan büyük heyelanlarda kısa zamanda can ve mal kaybını önleyici veya azaltıcı etkili çözümlerin elde edilmesi gerekir. Bu gibi durumlarda hava platformlarından elde edilen hava LiDAR ları ile etkili çözümler üretilebilmektedir. Lazer teknolojisinin ölçüm teknikleri için kullanılan en son teknolojisi LiDAR dır. Aktif sensör sistemlerine dayanan lazer sinyalinin havada ilerlediği zamanın hesaplanması prensibine dayalı farklı marka ve cihazlar kullanıcılara sunulmuştur.. Yeni teknoloji olması sebebiyle küçük projeler ve yüksek doğruluk bekleyen projelerde kullanılması uygun olmamaktadır. Fakat hava LiDAR ı yerine küçük alanlar için yersel lazer tarayıcıların kullanılması daha isabetli olmaktadır. Ayrıca yersel lazer tarayıcılardan elde edilen veriler, daha yüksek çözünürlükte topoğrafik verilerin elde edilmesini sağlamaktadır. Bu nedenle Taşkent heyelanı için hem maliyetin düşük olması hem de küçük alanda çalışılması nedeniyle yersel lazer tarama sistemleri kullanılmıştır. Yersel lazer tarama tekniği hava LiDAR tekniğiyle aynı prensiple çalışmaktadır. Yalnızca farklı noktalara kurularak farklı görüntü ve nokta bulutlarının alınması sayısal yükseklik modeli için gerekli nokta bulutlarının bütünlüğünü sağlaması gerekmektedir. Aksi takdirde geniş boşluk ve alanlar oluşmaktadır. Heyelan hareketlerinin izlenmesi için ILRIS 3D Optech firmasının YLT cihazı kullanılmıştır. Yersel lazer tarayıcının donanım bileşenleri; lazer tarayıcı, kontrol ünitesi ve güç kaynağıdır (Şekil 2). 12v luk enerjiye ihtiyaç duyan tarama cihazının sürekli ve yüksek çözünürlükteki verilerin üretiminde kesintisiz güce ihtiyaç duymaktadır, bu nedenle pil ve batarya yerine uzun süren çalışmada jeneratör kullanılmıştır. Fakat farklı model ve cihazlar uzun süre çalışan 4

5 pillerle de kullanılmaktadır. 3B lu koordinatları 1000 km ye kadar yakın infrared dalgaboyu (1550 nm) ve ikinci sinyal (pulse) kullanarak hesaplamaktadır. Şekil 2. Yersel lazer tarayıcı bileşenleri Tekrarlı sinyal ölçme hızı 2.5 khz, sinyal yayılımı ise ο (0.17 mrad) ve lazer izdüşümü ο (0.02 mrad) dir. Ölçüm esnasında tarama cihazı tripod sehpa üzerine, sabit ve hareketsiz duracak şekilde konumlandırılmıştır. Ölçüm işlemi Taşkent bölgesinde ortalama m ortalama mesafede ve 100 m de 10 cm çözünürlükte veri toplanmıştır. Tarama açısı 40 ο ο x40 görüş açısındadır ve her bir istasyon taramasında bu görüş alanı içinde kalan bölgeler taranarak 3B lu koordinat verileri ile nokta bulutları oluşturulmuştur. Ortalama mesafe 150 m olduğu oturumlarda lazerin heyelan yüzeyine olan izdüşümü 3 mm dir. Ayrıca ham konumsal doğruluk 100 m de 8 mm olduğu lazer tarama üreticileri tarafından iddia edilmektedir. Farklı dönemlerde-periyotlarda datum birliğinin sağlanması bölgede sağlam alanların tespit edilmesi ve sabit noktaların tesis edilmesi gerekir. Ayrıca bu noktalarla birlikte lazer tarama açısına göre yerleştirilecek hedeflerin mesafe ve yer seçimleri tarama cihazının tarama çözünürlüğüne ve lazer sinyalinin özelliğine bağlıdır. 5

6 Şekil 3. Lazer tarama, hedefler ve uydu sistemleriyle konum belirleme Obje noktalarının farklı dönemlerde aynı yerde olmasına gerek yoktur. Eğer sabitliği bilinen noktalar varsa nokta bulutlarının birleştirilmesinde ve jeodezik koordinatlandırma esnasında büyük kolaylık sağlamaktadır. İteratif en yakın nokta algoritması ile (ICP) farklı tarama ve görüş içindeki alanlar eş noktalara gerek kalmadan birleştirilmektedir. Fakat ICP algoritması öncesinde iki farklı taramanın kabaca benzer noktalarla dönüşümünün yapılması ve ICP uygulamasına geçilmesi kaba hataların önüne geçmektedir. Bu projede Polyworks IMalign modülü ile ICP işlemleri gerçekleştirilmiştir (Şekil 4). Şekil 4. Ön birleştirme sonrası ICP algoritmasının uygulanması (sol şekil) ve standart sapmaların görüntülenmesi (-0.10m ile 0.10m aralığında) (sağ şekil) (Zeybek, 2013) Gerçekleştirilen birleştirme standart sapma hataları ±1 cm ve altındadır. Bu değerlerin büyük alanlarda farklı tarama çözünürlüklerinde ortaya çıktığı deneyimlerimizde görülmüştür. Yani tarama alanlarındaki çözünürlüklerin birbirine eş olmasına dikkat edilirse bu hatalar milimetre mertebesine düşmüştür. 6

7 2.2 Mobil LiDAR Tekniği Ölçme Prensibi Mobil lazer tarayıcılar, diğer bir deyişle dinamik lazer tarayıcılar en basit anlamda yersel lazer tarayıcıların GNSS destekli hareketlisine benzetilebilir. Bu ölçme yöntemi hareketli sistemlerin üzerlerine entegre edilerek, GNSS, Inertial measurement unit (IMU - sabit ölçüm ünitesi) ve Odometre gibi farklı sensörlerin karmaşık yapısal entegrasyonunun yüksek doğrulukta ürettiği 3B lu veri sağlayıcısıdır (Şekil 5). Şekil 5. Mobil lazer tarama sistemi donanım bileşenleri (soldaki şekil), uzun menzil uygulamasında (Riegl VMX 300 khz) Platform hızı ve nokta yoğunluğu(sağdaki şekil) Bu çalışmada Riegl VMX-450 Mobil lazer tarama sistemi kullanılmıştır. Farklı ölçme mesafesi için farklı sinyal gönderim işlemi yapılmıştır (Şekil 5). Nokta çözünürlükleri ve nokta yoğunluğu da hareketli platformun hızına göre değişmektedir (RIEGL, 2016). Şekil 6. Mobil lazer tarayıcıdan elde edilen nokta bulutu verileri, tarama açısının renk skalasında gösterimi 7

8 2.3 İnsansız Hava Aracı Ölçmeleri İnsansız hava aracı (İHA) ve platformları üzerinde taşıdıkları faydalı yük ile farklı sensörleri ve iletişim sistemlerinin entegrasyonu haritalama hizmetleri için son on yıllık dönemde etkili biçimde kullanılmaktadır. Otonom uçuş kabiliyetleri ile istenilen bölgede pilot müdahalesi olmadan tamamıyla otomatik iniş kalkış ve seyir işlemlerini tamamlamaktadır. Böylelikle haritalama işlemi yapılması istenen heyelan alanlarında farklı zamanlarda gerçekleştirilen uçuşlar ve elde edilen veriler değerlendirilmektedir. Görüntü işleme algoritmaları Sift, Surf ve korelasyon yöntemleri ile farklı stereoskopik görüntüler birleştirilerek 3B lu nokta bulutları elde edilmektedir. Nokta bulutlarının konumsal doğrulukları cm mertebesindedir. Doğruluk kriterlerinin değerlendirilmesinde farklı hata kaynaklarının ortaya çıkması üretilen haritaların (nokta bulutu veya ortomozaik) doğruluğunu doğrudan etkilemektedir. Bunlar arasında yer kontrol noktalarının (YKN) kalitesi, doğruluğu, dağılımı, işaretleme hassasiyeti, kamera ve LiDAR sensörünün çözünürlüğü, uçuş yüksekliği ve uçuş platformu türü önemli pek çok etkenden sadece birkaçıdır. Uçuş kalitesinin yüksek olmasını sağlamak ve çalışma yerinin vadi içi olması nedeniyle projedeki uçuş platformu çok motorlu-multikopter model olarak seçilmiştir. Tablo 1. İHA özellik ve donanımları Multikopter Model No Geo V1 Otopilot Platform Pixhawk Hexa Güç (Batarya) (Li-Po Lion Polymer) Boş Ağırlık (Kamera ve Batarya Hariç) 2.6 kg Taşıma Kapasitesi (Faydalı Yük) 1.5 kg Uçuş Süresi (Yüksüz) 25 dk Uçuş Modu Manuel / Otomatik Otomatik kalkış ve İniş Dikey Maksimum Yatay Hız 100 km/saat Maksimum Rüzgar Dayanım Hızı 45 km/saat Çalışma Sıcaklığı (Kamera hariç) -15 C / +45 C Kumanda Menzili : Maksimum / Güvenli ** 5 km / 4 km Telemetri Menzili ** 1.75 km Şekil 7. Heyelan araştırmasında kullanılan Hexacopter (Multikopter) 8

9 3. BULGULAR 3.1 Heyelan Bölgesinde Hareketli Yüzey Hacim Hesabı Heyelan bölgesinde hareket eden toprak kütlesinin hacmi, yüzey deformasyonlarına bağlı olarak hesaplanmaktadır. Şekil 8. Heyelan 2B lu kesit gösterimi Kayma yüzeyinin kesin olarak belirlenememesi dolayısıyla yalnızca yüzey deformasyonlarına bağlı sayısal yükseklik modellerinden elde edilen çoklu karşılaştırmalar ile hareket eden kütlenin hacmi belirlenmektedir. İlk arazi yüzeyini temsil eden sayısal yükseklik modeli yo = f( xy, ) ve heyelan sonrası yüzeyi temsil eden y= gxy (, ) fonksiyonlarının eş alanlarda (A) farklarının alınması pozitif ve negatif olarak deformasyona uğrayan yüzey hacimlerinin toplamını vermektedir. Bunun için aşağıdaki fonksiyon kullanılır, s [ g( x, y) f ( x, y)] dxdy (1) A Burada önemli husus hacimsel yüzeyin karşılaştırma yüzeyinin belirli bir yükseklikte eş düzleme göre yapılması ve alan sınırlarının aynı olması doğru sonuca götürecektir. Diğer bir yöntem ise yükseklik farklarının belirli sayısal yükseklik modeli çözünürlüğüne göre ilk model ve heyelan sonrası modelin farkının alınıp hücre alanı ile çarpılmasıyla elde edilir. Yersel lazer tarama verilerinden elde edilen üçgen modeller arasındaki karşılaştırma sonrasında 220, 319 ve 107 m lik ölçülerinde 39,112 m 2 lik alan belirlenmiştir. Belirli bir düzlem üzerinde hesaplanan hacimlerin farkı, toplam yüzeysel değişimin belirlenmesini sağlamıştır. Hacimdeki değişim toplamda 60,330 m 3 olarak belirlenmiştir. 9

10 4. TARTIŞMA VE SONUÇ Hava LiDARı ölçme prensibine göre yüksek doğrulukta verilerin elde edilmesi mümkündür. Yatay düzlemde ±24 cm ve düşey eksende ±12 cm gibi yüksek doğruluk değerlerinde DGPS ve IMU entegre kayıt sistemleri doğrudan koordinatları yüksek ve yoğun verilerin elde edilmesini mümkün kılmaktadır (Margottini vd., 2013). Bu doğruluk değerleri belirli hızda (>24cm/yıl dan büyük) hareket eden heyelanların izlenmesinde özellikle de alanı geniş olan heyelanlarda daha hızlı sonuçların elde edilmesinde kullanılabilmektedir. Yersel lazer tarama verilerine göre yoğun yağışlar sonrasında meydana gelen yer değiştirme miktarları kar yağışlarının erimesi sonrası 4m lik akıntı heyelanını tetiklemiştir (Zeybek, 2013). Mobil lazer tarama ile heyelan analizleri için ilk periyot ölçüleri tamamlanmış olup ikinci ölçüler alındıktan sonra analizler tamamlanacaktır. Fakat daha önceki deneyimlerimize göre YLT sonuçlarına benzer sonuçların çıkacağı beklenmektedir. Çünkü konumsal doğrulukları yüksek iki farklı ölçüm metodunun yalnızca jeodezik konumlandırma için kullanılan yöntem farklıdır. İHA dan elde edilen sonuçlar 3 piksel (bu çalışma için 1piksel: 5 cm) ve üzerinde doğruluk sağlamıştır. Heyelan türüne bağlı olmakla beraber heyelan hareketlerinin tespit edilmesinde ki doğruluk derecesi oldukça yüksektir (Turner vd., 2015). Fakat bu sonuçlar yüksek uçuşlardan elde edilen analiz sonuçlarına göre türetilmiştir. Uçuş yükseklikleri düşürülerek veya daha yüksek çözünürlüklü kameralar kullanılarak yer örneklem çözünürlükleri arttırılabilir. Bunun sonucunda çözünürlüğü yüksek olan ortomozaik harita ve nokta bulutu verilerinden cm altında değerlerin elde edilmesi mümkündür. 5.KAYNAKLAR Çan, T., Duman, T. Y., Olgun, Ş., Çörekçioğlu, Ş., Gülmez, F. K., Elmacı, H., Hamzaçebi, S., Emre, Ö Türkiye Heyelan Veri Tabanı. TMMOB Coğrafi Bilgi Sistemleri Kongresi' in içinde, Ankara. Margottini, C., Canuti, P., Sassa, K Landslide Science and Practice Volume 2: Early Warning, Instrumentation and Monitoring. London: Springer Heidelberg RIEGL, Riegl VMX-450 Özellikleri, (21 Mart 2016), Turner, D., Lucieer, A., de Jong, S. M., Time Series Analysis of Landslide Dynamics Using an Unmanned Aerial Vehicle (UAV), Remote Sens, 7(2),ss , /rs Zeybek, M., Heyelanların İzlenmesinde Yersel Lazer Tarama ve GNSS Tekniklerinin Birlikte Kullanılması, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,Yüksek Lisans Tezi, Konya. 10