RADAR İNTERFEROMETRİ TEKNİĞİ İLE KIYI YAPILARINDAKİ DEFORMASYONLARIN İZLENMESİ

Transkript

1 RADAR İNTERFEROMETRİ TEKNİĞİ İLE KIYI YAPILARINDAKİ DEFORMASYONLARIN İZLENMESİ Prof. Dr. Şenol Hakan KUTOĞLU 1, Doç. Dr. İsmail Hakkı ÖZÖLÇER 2, Yrd. Doç. Dr. Hüseyin KEMALDERE 1 1 Bülent Ecevit Üniversitesi, Geomatik Müh. Bölümü, Zonguldak 2 İnşaat Mühendisliği Bölümü, Zonguldak kutohluh@hotmail.com, ozolcer@hotmail.com, kemaldere@hotmail.com Tel ve Fax : Özet Liman, balıkçı barınağı ve benzeri kıyı yapılarının gerek yapım aşamasında gerekse tamamlandıktan sonra güvenlikleri bakımından stabilitelerinin zamansal takibi büyük önem taşımaktadır. Günümüzde uzay bazlı radar interferometri, kıyı yapılarındaki yer değiştirmeleri bütüncül olarak izlememize olanak sağlayan güvenilir bir araç olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu çalışmada, Zonguldak İl Merkezi nde yer alan kıyı yapıları bir çift TerraSAR-X radar verisi ile izlenmiştir. Verilerin değerlendirilmesi sonucunda, bir balıkçı barınağının karada gelişen yer hareketine bağlı olarak deformasyona uğradığı, yeni tamamlanmış bir diğer limanınsa karadan bağımsız bir oturmaya maruz kaldığı belirlenmiştir. Elde edilen bu sonuçlar X-bant radar verilerinin kıyı yapılarının yüksek hassasiyetle izlenmesine olanak sağlayan çözünürlük kapasitesine sahip olduğunu ortaya koymuştur. Anahtar kelimeler: InSAR, Kıyı Yapıları, Deformasyon. Abstract MONITORING COASTAL STRUCTURES THROUGH RADAR INTERFEROMETRY TECHNIQUE Temporal monitoring coastal structures during construction and after completion is very important in terms of their stability. Today, space based radar interferometry offers us a remarkable opportunity to massively monitor the displacements of the coastal structures. In this study, a pair of TerraSAR-X data is used for monitoring the coastal structures in Zonguldak Metropolitan Area. The analysis of the data is resulted in significant displacements on two harbor in the region. Movement in one accompanies the ground motion in the land surrounding it; and other one is seen as its own settlement. Consequently, the obtained results shows that X-bant radar data has the capacity of resolution for monitoring the coastal structures with high precision. Keywords: InSAR, Coastal Structures, Deformation 919

2 1. Giriş Kıyı yapıları, gerek etkisi altında oldukları dalgalar, gerek deprem kuvvetleri, gerekse sıvılaşma vb. nedenlerle hasara uğrarlar (Sorensen, 2006). Kıyı yapılarının en önemlilerinden olan Limanlar ve Balıkçı Barınakları çeşitli etkenlerle hasar görürler. Bir liman mendireğinde oluşabilecek hasar çeşitleri en basit durumda Şekil 1 de gösterildiği gibi olabilir. Bu hasarlar bir anda oluşabilecekleri gibi zamana yayılacak şekilde de gerçekleşebilirler (Yüksel, 2006). Liman, balıkçı barınağı ve benzeri diğer kıyı yapılarının gerek yapım aşamasında gerekse tamamlandıktan sonra güvenlik bakımından stabilitelerinin zamansal olarak izlenmesi de büyük önem taşımaktadır. Bu tür yapılarda zamana bağlı meydana gelen küçük hareketler, gelecekte önemli yapısal sorunların habercisi de olabilirler. Yapılar üzerinde kurulacak jeodezik kontrol noktalarını nivelman, küresel konumlama sistemi ve triangülasyon teknikleriyle izleyerek bu tür hareketleri tespit etmek mümkündür. Ancak elde edilen sonuçlar noktasal bazlı olacağından, yapının tamamı hakkında fikir ileri sürmek belirli varsayımları yapmayı da gerektirecektir. Günümüzde gelişen teknoloji, kıyı yapılarındaki yer değiştirmeleri bütüncül olarak izlememizi olanak sağlayan eşsiz bir araç sağlamaktadır. Bu araç Uzay Bazlı Radar İnterferometri dir. Radar interferometri nin İnterferometrik SAR (INSAR) uygulaması ile kıyı yapılarındaki milimetrik hareketler bağlandıkları kıyı bölgesiyle beraber izlenebilmektedir. Böylece yapı hareketlerinin karadan bağımsız bir oturmaya mı bağlı olduğu yoksa yapının etrafındaki zeminle birlikte mi hareketlendiğini ortaya konulabilmektedir. Buna bağlı olarak da gelişen sorunlarla ilgili çözümler geliştirmek mümkün olabilmektedir. Uzay bazlı radar interferometri tekniğiyle yüzey deformasyonlarının izlenmesinde 3 ayrı yaklaşım söz konusudur. Gelişim sırasına göre bunlar Diferansiyel InSAR (DInSAR), PS InSAR ve Small Baseline InSAR olarak adlandırılmaktadırlar. PS InSAR ve Small Baseline InSAR teknikleri daha gelişmiş teknikler olmasına karşın, inceleme bölgesine ait 10 un üzerinde InSAR verisine ihtiyaç bulunmaktadır. DInSAR yaklaşımında ise uygun zamanlarda alınmış bir görüntü çifti ile sonuca gidilebilmektedir. Bu nedenle, ekonomik kısıtların bulunduğu çalışmalarda çoğunlukla DInSAR yaklaşımına başvurulmaktadır. 1) Koruyucu tabaka su üstü seviyesi hasarı 2) Koruyucu tabaka su altı seviyesi hasarı 3) Kronman duvarı hasarı 4) Liman tarafı koruyucu tabaka hasarı (dalga aşması sonucu) 5) Topuk oyulması 6) Gövdenin toptan göçmesi 7) Çekirdek malzemesi kaybı 8) Çekirdek tabakası oturması (boşluk su basıncı) 9) Deniz tabanı oyulması 10) Zeminin toptan göçmesi Şekil 1. Bir mendirekte oluşabilecek hasar çeşitleri 920

3 2. Yöntem 2.1. Yapay Açıklıklı Radar İnterferometrisi (InSAR) İnterferometri terimi, interferans kelimesinden türemiş bir kelimedir. İnterferans, iki dalganın (ses, ışık, okyanus, elektromanyetik, sismik gibi) bir araya gelmesiyle oluşmaktadır. InSAR, interferansın yapay açıklıklı radarla birleşmesiyle oluşan bir metottur. InSAR tekniği ile, aynı bölgeye ait iki yapay açıklıklı radar (Synthetic Aperture Radar, SAR) görüntüsünün, birbirlerine denk düşen piksellerinin faz farkları hesaplanarak yeni bir görüntü elde edilir ve bu yeni görüntüye interferogram adı verilir. İnterferogram, faz farkından dolayı frinçlerin interferans dokusudur. Diğer bir ifadeyle, radardan yeryüzüne olan uzaklık değişimlerinin eş yükseklik haritasıdır. Fazın ya da frincin interferogramdaki her bir döngüsü, dalga boyunun yarısı kadar uydu yeryüzü uzaklığındaki değişimlere karşılık gelir (Çakır,2003). Bir radar interferometre, ya tek bir platforma monte edilmiş iki antenle (tek geçiş interferometri) (Şekil 2) ya da bir uydudaki tek bir anten kullanılarak, neredeyse tam tekrarlanan yörünge üzerinden geçerken, aynı bölgenin iki görüntüsü alınarak oluşturulur (tekrar-çift geçiş interferometri). Tekrar geçiş metodu, daha stabil olduğunda ve yörüngeleri hava araçlarına göre çok daha hassas hesaplandığından uydular için daha uygundur (Çakır, 2003; Deguchi, 2006). Tekrar geçiş interferometrisinde uydu, bir önceki geçişine göre bire bir aynı yörüngede hareket etmediği için yeryüzündeki hedef, Şekil 1 de de görüldüğü gibi iki farklı noktadan görüntülenecek, böylece bir çift radar görüntüsü elde edilecek ve oluşacak faz farkı; 4 R (1) olacaktır. Burada δr, range farkıdır. Yukarıdaki eşitlik, görüntülenen alan ve atmosferik etkiler iki veri alımı arasında aynı kaldığı kabul edildiğinde geçerlidir. Atmosferik etkiler değişmez ancak iki görüntü alımı arasında deprem, tasman vb. kaynaklanan δd kadarlık bir yükseklik değişimi oluşursa faz farkı; d 4 R 2 (2) şeklinde olur. Bu δd kadarlık yükseklik değişimini belirlemek için diferansiyel interferometri ya da sabit/sürekli saçılım interferometrisi olarak adlandırılan InSAR tekniğinden yararlanılır (Çakır, 2003). 921

4 Diferansiyel Yapay Açıklıklı Radar İnterferometrisi (DInSAR) Diferansiyel interferometri sonucunda elde edilen interferogram görüntüsündeki örgeler, kullanılan dalga boyuna bağlı olarak uydu bakış doğrultusunda yeryüzündeki deformasyon miktarını belirtir. Burada sinyalin uydudan noktaya ve noktadan uyduya olan iki yönlü hareketinden dolayı görünen deformasyon, gerçek deformasyonun iki katıdır. Bu nedenle dalga boyunun biriminde olan deformasyonun ikiye bölünmesi gerekir. Diferansiyel interferometri, iki geçiş, üç geçiş ve dört geçiş olmak üzere üç yolla yapılabilir. Yörünge 2 Yörünge 1 Anten 2 Anten 1 Yörünge 2 Yörünge 1 α = Baz yöneltme açısı θ = Bakış açısı B = Baz B h = Yatay baz B v = Düşey baz B = Dik baz B = Paralel baz Şekil 2. Tekrar geçiş interferometri geometrisi Çakır (2003) 922

5 İki Geçiş ve Sayısal Yükseklik Modeli (DEM) Yöntemi İle Diferansiyel İnterferometri İki geçiş DInSAR da farklı zamanlarda alınmış iki adet SAR görüntüsü kullanılır ve tek bir interferogram üretilir. Farkın alınacağı ikinci interferogram ise, DEM ve görüntünün alındığı anda hassas olarak hesaplanmış uydu konum bilgisi kullanılarak yapay olarak üretilir. Üretilen bu interferogramın, SAR görüntülerinden üretilen interferogramdan çıkarılması ile oluşan interferogram görüntüsünden deformasyon bilgisine ulaşılır (Hanssen, 2001). Bu yöntemde kullanılan iki SAR görüntüsünden biri ana (master), diğeri ikincil (slave) olarak adlandırılır. Ana görüntü fazı ile ikincil görüntü fazı arasındaki fark; orbit topo atm def noise (3) şeklindedir. Burada; orbit iki gözlemden elde edilen baz uzunluğundan kaynaklanan yörünge örgesi, topotopografyadan kaynaklanan topografik örgedir Deguchi vd. (2006). Bunlar; orbit topo 4 B (4) 4hB (5) Rsin e eşitlikleriyle ifade edilir. Burada B [ B δr (Eşitlik 1)] ve B baz uzunluğunun paralel ve dik bileşenleri; h, λ, R ve e ise sırasıyla yükseklik, dalga boyu, menzil ve eğim açısıdır. atm, su buharı tabakası nedeniyle mikrodalganın yansımasından kaynaklanan faz gecikmesini ifade ederken noise termal gürültü ya da baz uzunluğu veya saçılma karakteristiğindeki değişimden kaynaklanan zamansal ve konumsal dekorelasyondur. def ise iki gözlem arasındaki zaman diliminde meydana gelen yüzey deformasyonu büyüklüğüdür ve Şekil 3 de görülen ve aşağıda özetlenen işlem adımlarıyla hesaplanır. İkincil görüntünün ana görüntüye çakıştırılması (coregistration), Baz mesafesinin kestirimi, İkincil görüntünün yeniden örneklenmesi, İnterferogramın üretilmesi, Düz yeryüzü fazının hesaplanması ve çıkarımı, Referans DEM in hesaplanması ve çıkarımı, Uyumluluk (coherence) kestirimi, Faz filtrelemesi, Faz açılımı, Yüksekliklerin hesaplanması, Harita projeksiyonuna indirgeme (Oyen, 2009). 923

6 Şekil 3. Yüzey deformasyonlarının belirlenebilmesi için uygulanması gereken en önemli işlem adımları (Kemaldere, 2011) Üç Geçiş Yöntemi İle Diferansiyel İnterferometri Bu yöntemde farklı zamanlarda alınmış üç SAR görüntüsü kullanılır. Birinci ve ikinci görüntü kullanılarak elde edilen ve anlamlı bir yüzey değişimi içermeyen interferogram görüntüsünün, üçüncü ve birinci veya ikinci görüntü kullanılarak üretilen ve yüzey değişimi içeren interferogram görüntüsünden çıkarılmasıyla gerçekleştirilir. Elde edilen sonuç görüntüye çifte fark interferogram adı verilir (Hanssen, 2001) Dört Geçiş Yöntemi İle Diferansiyel İnterferometri Dört geçiş yöntemi ile DInSAR da aynı bölgenin farklı zamanlarda alınmış dört adet görüntüsü kullanılır. DEM oluşturmak için kullanılan görüntü çifti ile deformasyon görüntüsünün oluşturulacağı görüntü çifti birbirlerinden bağımsızdır. Bu yöntemde, ayrı ayrı oluşturulan topografik çift ile deformasyon çiftinin birbirine çakıştırılması gerekmektedir. Zebker e (1994) göre, tüm görüntülerin aynı gridde olması sağlandıktan sonra topografik çiftin faz açılımı yapılmalı ve bunlar iki interferogramın baz oranına göre ölçeklendirilmelidir. Bu işlemlerden sonra, deformasyon çiftinin oluşturduğu interferogramdan faz açılımı ve ölçeklendirilmesi yapılmış topografik interferogram (DEM) çıkartılarak sadece deformasyon sinyali içeren görüntü elde edilir (Hanssen, 2001). 924

7 2.2. Zonguldak İlinde Bazı Kıyı Yapılarının DInSAR Tekniği İle İzlenmesi Zonguldak taki bazı kıyı yapılarının DInSAR tekniği ile izlenmesinde, periyodik olarak alınan ve Tablo 1 de alım tarihleri verilen TerraSAR-X radar uydu verileri kullanılmıştır. Haziran 2007 de, yeryüzünden 514 km yüksekliğindeki yörüngesine yerleştirilen TerraSAR-X uydusu, dalga boyu 3.1 cm olan X bant dalga kullanmaktadır. Oluşacak bir tam örgenin, uydu bakış doğrultusunda 1.55 cm lik bir deformasyona karşılık geleceği DInSAR analizleri, Delft Teknoloji Üniversitesi, Yeryüzü Gözlemleri ve Uzay Sistemleri Enstitüsü tarafından geliştirilen DORIS yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Tablo 1. Değerlendirmede kullanılan görüntülerin alım tarihleri Görüntü No Alım Tarihi Gerçekleştirilen analizler sonucunda, Şekil 4 de verilen ve Kozlu balıkçı barınağında meydana gelen deformasyon oluşumlarının açıkça görülebildiği interferogramlar elde edilmiştir. a) b) Şekil 4. Kozlu balıkçı barınağının deformasyon görüntüleri 925

8 Meydana gelen deformasyonun büyüklüğünün ne kadar olduğunun belirlenebilmesi için oluşan frinç sayısının belirlenmesi gerekmektedir. Öyle ki, oluşan bir tam frinç, X bant dalga boyunun yarısı olan 1.55 cm ye karşılık gelecektir. Şekil 4a incelendiğinde, renk skalasının bir tam devir yaptığı, diğer bir ifadeyle barınakta bir tam örüntü oluştuğu, bunun da 1.55 cm lik çökme şeklinde bir deformasyona karşılık geldiği görülmektedir. Aynı şekilde, Şekil 4b de de bir tam örüntü oluştuğu ve bunun da 1.55 cm lik çökmeyi temsil ettiği anlaşılmaktadır. Bu durumda, 12 Aralık Ocak 2014 tarihleri arasında geçen 396 günde, Kozlu balıkçı barınağında 3.1 cm lik boyutunda bir çökmenin varlığı tespit edilmiştir. Bunun haricinde, Eren Enerji tarafından yakın tarihte Çatalağzı Beldesi nde inşa edilen limanda, olası deformasyonların analizi için gerçekleştirilen DInSAR değerlendirme sonucu Şekil 5 de verilmiştir. Şekil 5. Eren Enerji Limanı DInSAR görüntüsü ( ) Şekil 5 incelendiğinde, sağ tarafta bulunan Eren Enerji Limanı nda renk değişimlerinin çok düzenli olmadığı, renk skalasının bir tam devri tamamlayamadığı anlaşılmaktadır. Bu görünüm, inşası yeni tamamlanmış olan limanda, kara ile herhangi bir bağı olmayan oturmaların gerçekleştiğini göstermektedir. Sol tarafta görünen ve yıllar önce ÇATES tarafından inşa edilen limanda ise düşey yönlü herhangi bir hareket tespit edilmemiştir. 926

9 3. Sonuç ve Öneriler Bu çalışmada, Zonguldak kentindeki liman ve barınaklardaki deformasyonların varlığı Uzay Radar İnterferometri tekniği ile incelenmiştir. Veri olarak TerraSAR-X bant verisi tercih edilmiştir. X bant, 3.1 cm dalga boyu ile radar uydularında kullanılan en küçük dalga boylu elektromanyetik dalgadır. Bu nedenle en yüksek hassasiyet ve çözünürlüğe sahiptir. Gerçekleştirilen çalışmada, Kozlu bölgesinde kurulu balıkçı barınağında 3.1 cm boyutunda blok halinde bir yer değiştirme saptanmıştır. Söz konusu bölgede gerek karanın gerekse denizin altında madencilik faaliyetleri yürütülmektedir. Bu nedenle, bölgede yoğun tasman oluşumları gözlenmektedir. Elde edilen görüntüde, barınaktaki deformasyonun karada gözlenen deformasyonun bir devamı olduğu açıkça görülmektedir. Bu bağlamda, Kozlu barınağındaki deformasyonun Şekil 1 de 10 numara ile temsil edilen toptan zemin göçmesi hasar grubuna girdiği söylenebilir. Çatalağzı beldesinde yan yana bulunan iki özel limandan yaklaşık 30 yıl önce inşa edilen ÇATES limanında belirgin bir deformasyon gözlenememiştir. Bu limanın oturma sürecini tamamlamış ve en azından bu çalışmanın zaman aralığında herhangi bir hasara maruz kalmamış olduğu söylenebilir. Ancak hemen yanı başındaki Eren Enerji limanının dalgakıranlarında birkaç cm lik deformasyonlar görülmektedir. Bu deformasyonlar Kozlu dakinden farklı olarak boyuna deformasyonlar şeklindedir. Ayrıca limanın karasal çevresinde söz konusu deformasyonların devamı niteliğinde bir hareketlenme de gözükmektedir. Bu bağlamda, limandaki hareket karadan bağımsız olarak gelişen ve 2010 yılında tamamlanmış olan limanın özelikle yukarıda Şekil 1 de verilen hasar sınıflarından 1 ve 2 nolu hasarlara maruz kalmış olabileceğini göstermektedir. Sonuç olarak bu çalışma, X-bant radar uydu verisi ile liman ve balıkçı barınaklarının yüksek hassasiyetle izlenebileceğini ve hasar durumlarının sınıflandırılabilmesine katkı verebileceğini göstermektedir. Bu bağlamda, söz konusu tekniğin kıyı-liman yapılarının gözlenmesinde daha etkin bir şekilde kullanılmasının yararlı olacağı değerlendirilmektedir. 4. Kaynaklar Çakır Z., (2003), Analysis of the Crustal Deformation Caused by the 1999 Marmara Earthquake Sequence Using Synthetic Aperture Radar İnterferometry, Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye. Deguchi T., Kato M., Akçın H., Kutoğlu Ş.H., (2006), Automatic Processing of Interferometric SAR and Accuracy of Surface Deformation Measurement, Proceedings SPIE 6363, SAR Image Anaysis, Modelling and Techniques VIII in İçinde, (Notarnicola C., Axelsson S.R.J., Posa F., Ed.), Stockholm, Sweden. Hanssen R.F., (2001), Radar Interferometry Data Interpretation and Error Analysis, Kluwer Academic Publisher, Dordrecht, The Netherlands, 327ss. 927

10 Kemaldere H., (2011), Şehiraltı Madenciliği ve Tasman Etkilerinin Diferansiyel İnsar Tekniği ile Belirlenmesi: Zonguldak Metropolitan Alanı Örneği, Doktora Tezi, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Zonguldak, Türkiye. Oyen A.M., (2009), The Unraveling of the 2007 Continental Rifting Event in Northern Tanzania Towards a Multi-Acquisition İnsar Approach, Yüksek Lisans Tezi, Delft University of Technology, Delft, The Netherlands. Sorensen, R.M., (2006), Basic Coastal Engineering, Third Edition, Springer. Yüksel, Y., Çevik, E.Ö., (2006), Liman Mühendisliği, Arıkan Basım Yayım Dağıtım, İstanbul. Zebker H.A., Rosen P.A., Goldstein R.M., Gabriel A., Werner C.L., (1994), On the Derivation of Coseismic Displacement Fields Using Differential Radar İnterferometry: the Landers Earthquake, Journal of Geophysical Research, 99 (B10),