GEOMETRİK DOĞRULUĞUNUN GPS VE HARİTA KOORDİNATLARI KULLANILARAK ANALİZİ

Transkript

1 Selçuk Üniversitesi Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Öğretiminde 30. Yõl Sempozyumu,16-18 Ekim 2002, Konya SUNULMUŞ BİLDİRİ UYDU GÖRÜNTÜLERİNİN ÇÖZÜNÜRLÜĞE BAĞLI GEOMETRİK DOĞRULUĞUNUN GPS VE HARİTA KOORDİNATLARI KULLANILARAK ANALİZİ Şinasi KAYA, Cankut D.İNCE, Muhammed ŞAHİN İTÜ, Jeodezi ve Fotogrametri Müh. Böl, Uzaktan Algõlama Anabilim Dalõ,80626 Maslak İSTANBUL, Özet: Büyük metropol alanlarda arazi kullanõmõndaki hõzlõ değişimler nedeniyle haritalarõn güncelliği sürekli değişmektedir. Bu nedenle uydu görüntülerinin rektifikasyonunda kullanõlan topografik haritalardan güncel yer kontrol noktasõ üretmek ve bu noktalarõn görüntü yüzeyine homojen dağõlmasõnõ sağlamak oldukça zor olmaktadõr. Bu yöntemde istenilen doğruluğa ulaşabilmek için, uydu görüntüsü üzerinde daha fazla nokta seçilmesi ve bu noktalarõn dengelenmesi yoluna gidilmektedir. Çoğu zaman haritalarõn güncel olmamasõ, harita altlõğõnõn deformasyonu, ölçeğe bağlõ grafik doğruluğunun yetersizliği veya uydu görüntülerinin çözünürlüğü ile kullanõlan haritanõn ölçek uyumsuzluğu vb. nedenlerle istenilen doğruluğa ulaşmada bu yöntem yetersiz kalmaktadõr. Son yõllarda yapõlan çalõşmalarda GPS noktalarõ kullanõlarak bu tür problemlerin nasõl çözüleceği araştõrõlmaktadõr. Bu çalõşmada, yaklaşõk 2230 km 2 lik bir alan kaplayan İstanbul-Avrupa yakasõ, test bölgesi olarak seçilmiştir. Bu amaçla üretilen 15 GPS noktasõnda Statik GPS ve (yalnõz 1 epoch) çözümleriyle, bunlardan 12 sinde de El GPS i ile UTM koordinatlarõ üretilmiştir. Bu koordinatlar ve 1/ ölçekli haritalardan elde edilen koordinatlar kullanõlarak 30 m. çözünürlüklü Landsat 5 TM, 10 m. çözünürlüklü Spot Pankromatik ve 5 m. çözünürlüklü IRS Pankromatik uydu görüntülerinin geometrik dönüşümleri yapõlmõştõr.çalõşma sonucunda statik GPS, (1 epoch), EL GPS i ve harita koordinatlarõ ile geometrik dönüşümü yapõlan uydu görüntülerinin, çözünürlüğüne bağlõ doğruluklarõ verilecektir. Ayrõca bu yöntemlerin hangi çözünürlükte kullanõlabileceği gösterilecektir. 1. GİRİŞ Orijinal uydu görüntüleri, genelde geometrik distorsiyonlarõ içerdiğinden ve bir projeksiyon düzleminde kaydedilemediğinden dolayõ harita amaçlõ kullanõlamazlar. Bu distorsiyonlar algõlayõcõnõn yüksekliğindeki, konumundaki ve algõlayõcõ platformun hõzõndaki değişimler ile, yeryüzü eğikliği ve atmosferdeki kõrõlma gibi bir çok etmenden kaynaklanmaktadõr. Amaç, haritanõn geometrik özelliklerine sahip uydu verilerini bir projeksiyon sisteminde elde etmektir [Sunar ve Kaya,1996]. Geometrik düzeltme işleminde iki yaklaşõm söz konusudur. Birinci yaklaşõmda, sistematik olan distorsiyonlarõn hata kaynaklarõ matematiksel olarak modellenerek düzeltme işlemi uygulanõr. Sistematik olmayan (gelişigüzel) distorsiyonlar ile bilinmeyen sistematik distorsiyonlarõn giderilmesini amaçlayan ikinci yaklaşõmda ise, görüntüde homojen dağõlmõş, konumu belirgin (Ör. yol kesişmeleri, farklõ kõyõ çizgisel özellikleri, keskin görünen detaylar gibi.) yer kontrol noktalarõ (GCP ler) ile bu noktalarõn harita karşõlõklarõ arasõndaki matematiksel bağõntõ kurularak giderilir [Richards,1993]. Görüntü koordinat sisteminde piksel koordinatlarõ x ve y, referans koordinat sisteminde harita koordinatlarõ X ve Y ile tanõmlanõr. Bu koordinat sistemleri polinom denklemleri kullanõlarak ilişkilendirilebilir. Polinomun derecesi 443

2 Uyd. Gör. Çöz. Bağ. Geom. Doğ. Gps ve Har. Koor. Kullanõlarak Analizi veya kompleksliği görüntünün geometrisine ve harita projeksiyonu tipine bağlõdõr [Kaya, 1999]. Yer kontrol noktalarõnõn doğru tanõmlanmasõ, konum doğruluğu ve Karesel Ortalama Hatanõn istenilen doğrulukta elde edilmesi için bir koşuldur [Şahin ve diğ., 2001, Kaya ve diğ., 2002]. Yüksek doğruluğa sahip yer kontrol noktalarõ GPS (Global Positioning System) teknikleriyle üretilebilir [Gibbons,1992, Kardoulas ve diğ.,1996]. Ancak iyi bir tanõmlama için bu tekniğin maksimum yaklaşõmõ uydu görüntüsünden tanõmlanabilen yer kontrol noktalarõ ile sõnõrlanmõştõr [Smith ve Atkinson, 2001]. Bu da uydu verilerinin uzaysal çözünürlüğüne bağlõdõr [Jansen ve Vander Wel,1994]. Genellikle dünya yüzeyinde küçük alanlarda çalõşõldõğõ göz önünde tutulduğunda, uydu verilerinin geometrik düzeltilmesi için birinci derece afin transformasyonu yaygõn olarak kullanõlmakta ve yeterli sonuç vermektedir [Welch ve Usery,1984]. Polinom en küçük kareler yöntemine göre hesaplanmaktadõr [Lillesand ve Kiefer,1987]. 2. UZAKTAN ALGILAMA VERİLERİNİN GEOMETRİK DOĞRULUĞU Geometrik olarak düzeltme getirilmemiş uzaktan algõlama verilerinin üzerinde yeryüzü koordinatlarõ bulunmaz. Bu nedenle yer yüzeyinde konuma dayalõ üretilen bilgilerle veri entegrasyonunun sağlanmasõ için bu verilerin yeryüzünü tanõmlayan bir projeksiyon sisteminde bu verilerin koordinatlandõrõlmasõ gereklidir. Şu amaçlar için geometrik doğruluk önemlidir. Uzaktan algõlama verilerinin harita amaçlõ kullanõmõnda Raster-vektör verilerinin entegrasyonunda Faklõ uydu verilerinin birleştirilmesinde Coğrafi konumun önem taşõdõğõ çalõşmalarda Coğrafi Bilgi Sistemleri için veri tabanõ hazõrlanacak ise Doğru uzunluk ve alan ölçmelerinin belirlenmesinde Sõnõflandõrmada harita koordinatlarõna göre test alanlarõnõn belirlenmesinde vs. Çalõşmada farklõ çözünürlüklere sahip Landsat 5 TM verileri, Spot Pankromatik ve IRS 1C Pankromatik uydu görüntü verileri, 1/25000 ölçekli standart topografik haritalar üzerinden grafik olarak elde edilen yer kontrol noktalarõ, GPS,, El GPS i ile üretilen koordinatlar kullanõlarak jeoreferanslandõrõlmõştõr. Yer kontrol noktalarõ görüntü üzerinde keskin görünen ve topografik harita üzerinde karşõlõğõ olan noktalardõr. Bu noktalar, deniz ile karanõn birleştiği kõyõda, yol kavşaklarõnda, akarsu kenarlarõnda vb. gibi çizgisel özellik taşõyan objelerin kesim noktalarõnda seçilmiştir. 15 adet GPS noktasõnõn üretilmesinde, bunlarõn mümkün olduğu kadar görüntüye homojen dağõlmõş olmalarõna dikkat edilmiştir. Çalõşma bölgesi arazi kullanõmõ bakõmõndan dinamik bir yapõya sahip olduğundan, seçilen bazõ noktalarõn gerçek yeryüzü ile farklõ olduğu tespit edilmiştir. Uzaktan algõlama verilerinin geometrik dönüşümünde maxsimum hata piksel boyutunun yarõsõ olarak alõnõr [Welch ve Usery,1984]. Landsat 5 TM için bu değer ± 15 m.(0.5 piksel) ve Spot P için ± 5 m.(0.5 piksel) ve IRS 1C P ± 2.5 m.(0.5 piksel) alõnmõştõr. Bu çalõşmada 1/25000 ölçekli harita üzerinden 9 adet yer kontrol noktasõ seçilmiştir. Genellikle her üç görüntüde de aynõ noktalarõn alõnmasõna dikkat edilmiştir. 444

3 Kaya, İnce, Şahin Yer koordinat sistemleri ile görüntü koordinat sistemleri arasõndaki bağõntõyõ sağlayan transformasyon eşitlikleri 1.derece lineer transformasyon işlemi sonucunda bulunmuştur. Matematiksel gösterimde iki koordinat sistemi arasõndaki bağõntõ, x = f 1 (X,Y) (1) y = f 2 (X,Y) (2) ile ifade edilir. f 1, f 2 : Transformasyon fonksiyonlarõ, x,y : Görüntü koordinatlarõ ( satõr,sütun), X,Y: Yer koordinatlarõ (Referans sisteminde) Genel gösterimiyle t. dereceden bir polinom şöyle ifade edilir. X = a 0 + a 1 x + a 2 y + a 3 x 2 + a 4 xy a n y t (3) Y = b 0 + b 1 x + b 2 y + b 3 x 2 + b 4 xy b n y t (4) Dönüştürülen görüntü koordinatlarõ ve buna karşõlõk gelen referans koordinatlarõ arasõndaki dönüşümün doğruluğunu test etmek için aynõ noktanõn konumlarõ arasõndaki uzaklõk hesaplanõr [Erdas Field Guide,1991]. Bu uzaklõk Karesel Ortalama Hata (KOH) olarak adlandõrõlõr. R x = 1 n n i=1 X 2 Ri (5) R Y = 1 n n i=1 Y 2 Ri (6) RMSE = R 2 x 2 + R y (7) R X, R Y : x ve y yönlerindeki KOH. RMSE: Karesel ortalama hata. X Ri, Y Ri : i. yer kontrol noktasõnõn düzeltme değeri. n: yer kontrol noktasõ sayõsõ. 445

4 Uyd. Gör. Çöz. Bağ. Geom. Doğ. Gps ve Har. Koor. Kullanõlarak Analizi 3. UYGULAMA GPS noktalarõ üretilirken, nokta dağõlõmõnõn homojen olabilmesi için, görüntünün her bir köşesinde ve ortasõnda 3 er nokta belirlenmiştir. GPS ölçmelerinde çift frekanslõ Ashtech Zxtreme GPS alõcõlarõ ve Macellan el GPS i kullanõlmõştõr. GPS uydu verileri her noktada, 5 saniye aralõkla ve 30 dakikalõk ölçme süresince toplanmõştõr. Ayrõca noktalarõn 12 sinin Macellan el GPS i yardõmõyla navigasyon amaçlõ koordinatlarõ da elde edilmiştir. Ashtech alõcõlarõ ile toplanan veriler ise Ashtech Office Suit programõnda değerlendirilmiştir. İlk aşamada, her nokta için toplanan L1 ve L2 faz farkõ gözlemleri statik GPS yöntemine göre değerlendirilmiş ve her noktanõn WGS 84 elipsoidindeki yersel koordinatlarõ elde edilmiştir. İkinci aşamada aynõ noktalarõn, code ölçüleri yardõmõyla Differential GPS yöntemine göre her epoch için WGS 84 elipsoidindeki yersel koordinatlarõ elde edilmiştir. Rektifikasyon işleminde, her nokta için bulunan koordinatlarõndan yalnõzca 5. epoch lar için elde edilen sonuçlar kullanõlmõştõr. Bilindiği üzere yöntemi, statik yönteme göre doğruluğu oldukça düşük bir yöntem olmakla birlikte, çok kõsa ölçme sürelerinde sonuç verebilme avantajõna sahiptir [Astech Reference Manual, 2000]. Bu nedenle yönteminin ruhunu ifade edebilme açõsõndan, rastgele seçilmiş tek bir epoch tan elde edilen sonuçlar yardõmõyla görüntülerin rektifikasyonu yapõlmõştõr. Aynõ zamanda bu seçim, tek bir epoch luk verisinin rektifikasyondaki başarõsõnõ da irdeleme fõrsatõ vermektedir. Tüm bu değerlendirmeler sonucu elde edilen WGS 84 datumundaki yersel koordinatlar, bölge için daha önceden hassas olarak belirlenmiş datum dönüşüm parametreleri yardõmõyla UTM projeksiyon düzlemindeki koordinatlara dönüştürülmüştür. Kullanõlan bütün uydu görüntülerinde ortak olan 9 nokta belirlenmiş ve bu noktalarõn değişik yöntemlerle elde edilen UTM koordinatlarõna (Harita, EL GPS,, GPS) göre görüntülerin ayrõ ayrõ rektifikasyon işlemleri yapõlmõştõr. Uydu görüntülerinin rektifikasyonunda Erdas Image 8.2 version programlarõ kullanõlmõştõr. Kullanõlan uydu görüntü verilerinin görüntü koordinatlarõ aynõ alõnmõştõr (Landsat 5 TM için aynõ, Spot P için aynõ, IRS P için aynõ). Her uydu görüntüsünün referanslandõrõlmasõnda görüntü koordinatlarõ sabit alõnarak, Harita, EL GPS,, GPS koordinatlarõ değiştirilmiş ve iterasyon yapõlmõştõr. Karesel Ortalama Hata sõnõrõ olarak uluslararasõ standartlar olan 0.5 piksel alõnmõştõr. İtersyon sonunda görüntü köşelerinde en az bir noktanõn kalmasõna dikkat edilmiştir. Kullanõlan verilerin özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Uygulama alanõ olarak İstanbul-Avrupa yakasõ seçilmiştir (Şekil 1). Tablo 1: Kullanõlan verilerin özellikleri Kullanõlan Veriler Tarih Çözünürlük (m.) 1/25000 ölçekli haritalar 1996 revizyonu (fotogrametrik yöntemle) Genişlik (km) Landsat 5 TM Spot Pan IRS Pan

5 Kaya, İnce, Şahin KARADENİZ Şekil 1: Çalõşma bölgesi ve noktalarõn seçimi (Landsat 5 TM için) Şekil 3 de 109 ve 217 numaralõ yer kontrol noktalarõ için rektifikasyonlarda kullanõlan Statik GPS ve 5. epoch sonuçlarõ birer doğru olarak gösterilmiştir. Ayrõca her epoch için elde edilen sonuçlarõnõn eğrisi ve bu eğriden hesaplanan ortalama değerde bu grafiklerde gösterilmektedir. Grafikler incelendiğinde eğrisinin statik sonuçlardan maksimum ±1 m. civarõnda sapmalar yaptõğõ görülebilmektedir. Buna rağmen rektifikasyonda kullanõlan 5. epoch sonuçlarõnõn, gerçek değer olarak kabul edilebilecek Statik GPS sonuçlarõna göre sapmalarõ, rasgele olmaktadõr. Örneğin 109 numaralõ noktada bu sapma ±10cm. civarõndayken, 217 numaralõ noktada ±70 cm. civarõndadõr. Çarpõcõ olmalarõ bakõmõndan verilen bu iki örnekteki benzer durumlar, diğer yer kontrol noktalarõ içinde geçerlidir. ±1 m. doğrulukla belirlenen koordinatlarõ yardõmõyla yapõlan rektifikasyonlarõn da çalõşmada kullanõlan uydu görüntüleri için yeterli geometrik doğruluklu sağladõğõ belirlenmiştir. Tablo 2 de uydu görüntü çözünürlüğüne ve nokta sayõlarõna bağlõ KOH değerleri verilmiştir. Bu çalõşma için 5 m. çözünürlüklü IRS Pankromatik verilerinde 1/ ölçekli haritalarõn kullanõmõnõn geometrik doğruluk için uygun olmadõğõ, ancak nokta sayõsõnõn artmasõ halinde uygun olabileceği söylenebilir. Diğer yöntemlerin kullanõmõnõn her üç uydunun çözünürlüğüne bağlõ olarak kullanõlabileceği ve kabul edilen 0.5 piksel doğruluk için yeterli olduğu değerlendirmeler sonucunda belirlenmiştir. Çalõşmanõn sonuçlar kõsmõnda konu ile ilgili diğer değerlendirmeler yapõlacaktõr. 447

6 Uyd. Gör. Çöz. Bağ. Geom. Doğ. Gps ve Har. Koor. Kullanõlarak Analizi Şekil 2: Spot Pankromatik görüntüsünde noktalarõn dağõlõmlarõ ve iterasyon sonuçlarõ north (m) north (m) avarege used Statik avarege used Statik time avarege used Statik time east (m) time avarege used Statik time east (m) Şekil 3: Nokta 109 ve 217 deki Statik ve Sonuçlarõ 448

7 Kaya, İnce, Şahin Tablo 2: Uydu görüntü çözünürlüğüne bağlõ Karesel Ortalama Hata Sonuçlarõ. Uydu Görüntüleri Landsat 5 TM Landsat 5 TM Landsat 5 TM Landsat 5 TM Çözünürlük (Metre) Nokta No Harita KOH (Pixel) EL GPS KOH (1 epoch) KOH GPS KOH Spot Pan Spot Pan Spot Pan Spot Pan IRS Pan IRS Pan IRS Pan IRS Pan IRS Pan IRS Pan SONUÇLAR Uydu görüntülerinin geometrik doğruluğu uzaktan algõlama verilerinin kullanõlmasõ gerekli olan çalõşmalarda son derece önemlidir. Uydu görüntü verilerinin topografik ve planimetrik doğruluğu rektifikasyon doğruluğuna bağlõdõr. Bu doğruluğa etki eden faktörlerden biri de gerçek yeryüzüdür. Özellikle İstanbul gibi metropollerde yeryüzünün doğal yapõsõ hõzla değişmektedir. Bu nedenle kullanõlmasõ zorunlu olan eski zamanlara ait uydu görüntülerinin rektifikasyonu için istenilen bölgede, istenilen sayõda yer kontrol noktasõ bulmak oldukça zordur. Diğer önemli bir husus uydu görüntüleri kaydedilirken, bir piksele düşen karmaşõk yeryüzü özelliklerinden(obje) baskõn yeryüzü özelliğinin kaydedilmesidir. Bu da uydu görüntüsünde özellikle çizgisel verilerde veri kaybõna neden olur ve geometrik doğruluğu etkiler. Tablo 2 de çözünürlüğe bağlõ rektifikasyon doğruluklarõ verilmiştir. Buna göre 1/ ölçekli haritalar kullanõlarak rektifikasyon yapõlabileceği ancak geometrik doğruluğu artõrmak için çok nokta seçilmesi gerektiği ve uydu görüntülerinin çözünürlüğü arttõkça GPS verilerinin kullanõlmasõnõn bir zorunluluk olduğu söylenebilir. Çalõşmada, GPS yöntemi ile yeryüzü koordinatlarõ ne kadar hassas ölçülürse ölçülsün, noktalarõn uydu görüntüsü ile eşlenmesinde uydu görüntü çözünürlülüğünün önemli bir faktör olduğu belirlenmiştir. ve El GPS i verileri kullanõlarak yapõlan rektifikasyon doğruluğu bu çözünürlüklü veriler için yeterli olmuştur. Bu iki yöntemde kõsa zamanda sonuç alõnabilmektedir. Statik GPS e göre zaman kazandõrõr ve ekonomiktir. Hõzla değişen şehirlerde homojen dağõlmõş nokta üretmek kolaydõr ve kõsa zamanda çok nokta üretilebilir. Çok geniş alanlarda yöntemi kullanõlmasõ durumunda birkaç farklõ referans istasyonunun kullanõlmasõ doğruluğu artõracaktõr. Çalõşmada kullanõlan uydu görüntüleri için yukarõdaki açõklanan nedenlerden dolayõ ve El GPS yöntemi önerilir

8 Uyd. Gör. Çöz. Bağ. Geom. Doğ. Gps ve Har. Koor. Kullanõlarak Analizi 5. KAYNAKLAR Ashtech Zxtreme Technical Reference Manual, Magellan Corporation, United States of America, Erdas Field Guide, Second Edition V.7.5, Erdas Inc., Atlanta, USA, Gibbons, G., The Global Positioning System as a Complementary Tool for Remote Sensing and other Applications, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, Vol.58, No:8, pp , Janssen, L.V., Vander Wel, F.J.M., Accuracy Assessment of Satellite Derived Land-Cover Data: A Review, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, Vol.60, No: 4, , Kardoulas, N.G., Bird, A.C., Lawan, A.I., Geometric Correction of SPOT and Landsat Imagery: A Comparison of Map and GPS derived control points, Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, Vol.62, No: 10, pp , 1996 Kaya, Ş., İnce, C.D., Şahin, M., Geometric Correction of Satellite Images Using, 22. EARSeL Symposium, Geoinformation for Euopean-Wide Integration, 4-6 Haziran 2002, Prag, Çek Cumhuriyeti, (Baskõda), 2002, Kaya, Ş., Uydu Görüntüleri ve Sayõsal Arazi Modeli Kullanõlarak Kuzey Anadolu Fayõ Gelibolu-Işõklar Dağõ Kesiminin Jeomorfolojik-Jeolojik Özelliklerinin İncelenmesi, Doktora Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul,1999. Lillesand, T.M., Kiefer, R.W., Remote Sensing and Image Interpretation, John-Wiley and Sons., Canada, Richards, J.A., Remote Sensing Digital Image Analysis An Introduction, Second Revised and Enlarged Edition, Springer-Verlag, Berlin, Şahin, M., Kaya, Ş., İnce, C. D., Geometric Transformation of Satellite Images Using GPS & Multi-Temporal Analysis of Urban Areas in the Istanbul-İkitelli: , Proceedings of International Symposium and Exhibition Geodetic, Photogrammetric and Satellite Technologies Development and Integrated Application, pp , Sofia, Bulgaria, November 08-09, Smith, D.P., Atkinson, S.F., Accuracy of Rectification Using Topographic Map Versus GPS Ground Control Points, Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, Vol.67, No: 5, pp , Sunar, F., Kaya, Ţ., Uydu Görüntülerinin Rektifikasyonu ve Analizi, İnşaat Mühendisliğinde Bilgisayar Kullanõmõ V. Sempozyumu, Haziran 1996, İTÜ, İstanbul, Welch, R., Usery, L.E., Cartographic Accuracy of Landsat 4 MSS and TM Image Data, IEEE, Transaction on Geoscience and Remote Sensing, Vol. GE-22, No:3,