Düşey Yönlü Deformasyon Belirleme Çalışmalarında Tekrarlanabilirliklerin İncelenmesi

Transkript

1 TUJK 2011 Sabit GNSS İstasyonları Ağı ve Analizi Kasım 2011, İstanbul Düşey Yönlü Deformasyon Belirleme Çalışmalarında Tekrarlanabilirliklerin İncelenmesi Sefa Yalvaç 1*, Aydın Üstün 1, Ekrem Tuşat 2, Serkan Doğanalp 1, R. Alpay Abbak 1 1 S.Ü, Selçuk Üniversitesi, Harita Mühendisliği Bölümü, Kampüs, Konya, sefayalvac@gmail.com 2 S.Ü, Selçuk Üniversitesi, Çumra Meslek Yüksek Okulu, Çumra, Konya, etusat@gmail.com Günümüzde jeodezik yöntemlere dayalı üç boyutlu noktasal deformasyon belirleme çalışmalarında, değişik zaman aralıklarında gerçekleştirilen tekrarlı GPS ölçülerinden yararlanılmaktadır. Yatay ve düşey gradient bileşenler cinsinden atmosferik parametrelerin farklılığı, değişik marka alıcı ve anten türleri, gözlem istasyonlarındaki çevresel koşullar, baz uzunlukları, uydu dağılımı ve konum doğrulukları, gözlem noktasında merkezleme ve anten yüksekliği ölçüm hataları gibi birbirinden oldukça bağımsız etkenler, tekrarlı kampanya sonuçlarında farklılıklar görülmesine neden olur. Bütün hata kaynakları, kestirilmek istenen yer değiştirme (deformasyon) büyüklüklerine etki eder. Söz konusu hata kaynaklarından en az birinin göz ardı edilmesi deformasyon büyüklüklerinde anlamlı sapmaların ortaya çıkmasına neden olur. Deformasyon büyüklüklerinden bağımsız olarak hata büyüklüklerinin incelenmesinde en etkili yöntem, sürekli deformasyon etkilerinin neredeyse yok kabul edilebileceği ardışık günler arasındaki tekrarlılık analizleridir. Bu çalışmada düşey yönlü deformasyon izlemenin amaçlandığı bir jeodezik ağda GPS konum tekrarlanabilirliklerinin incelenmesi, özellikle ölçü süresi ve baz uzunluklarının tekrarlanabilirlik değerleri üzerindeki etkilerinin araştırılması amaçlanmıştır. Yukarıda sınırları çizilen çerçevede, farklı ölçü kampanyalarından ve ardışık günlerde toplanmış GPS gözlem verileri GAMIT/GLOBK V10.4 programı yardımıyla günlük bazda analiz edilmiştir. Günlük bazda yapılan çözümler tekrarlanabilirliklerin elde edilmesi için, GLRED modülü yardımıyla birleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, ağırlıklandırılmış karesel ortalama (WRMS) değerlerine göre incelendiğinde, 24 saatlik oturumlar için yatayda 1-3 mm, düşeyde ise 5 mm tekrarlanabilirlik değerlerine ulaşılmıştır. Bu değerler 4 saatlik oturumların gerçekleştiği istasyonlar için yatayda 5-6 mm düşeyde ise mm seviyelerine kadar çıkabilmektedir. Referans koordinat sistemi belirleme amacıyla kullanılan uzun bazlar analizden çıkarıldığında, tekrarlanabilirlik değerlerinin daha düşük seviyelere indiği gözlenmiştir. Anahtar Sözcükler: Düşey yönlü deformasyon, Tekrarlanabilirlik analizi, WRMS, Yatay ve düşey konum doğruluğu 1. GİRİŞ GNSS (Global Navigation Satellite System) yöntemi, yeterli ölçü süresi ve doğru analiz stratejisi yardımıyla yatayda birkaç milimetre, düşeyde ise santimetre doğruluğunda nokta konum bilgisi vermektedir (Kaplan ve Hegarty, 2006). Peryodik olarak yapılan GNSS gözlemleri yardımıyla yer kabuğundaki tektonik hareketlerin yönü, hızı ve büyüklüğü yeterli doğrulukta belirlenebilir. GNSS gözlemleri çeşitli atmosferik koşullardan, sinyal yansıması, merkezlendirme, anten yüksekliği gibi noktaya özgü hatalardan ve sinyal izleme ile ilişkili gürültülerden etkilenebilmektedir (Teunissen, 1998). Bu hata kaynakları özellikle yüksek doğruluk gerektiren yerkabuğu hareketlerini izleme çalışmalarında beklenen sonuçlara ulaşmayı engelleyebilir. Bu nedenle, kabuk deformasyonu izleme çalışmalarında genellikle ardışık günlere yayılan birden çok ölçüm kampanyası düzenlenir. Analiz aşamasında ardışık günlerdeki dengelenmiş koordinatların tekrarlanabilirlikleri analiz edilerek ölçüm sonuçlarının tutarlı olup olmadığı incelenir. Bunlara ek olarak, oturum sürelerinin de nokta konum hassasiyetini doğrudan etkilediği bilinmektedir (Aydın vd., 2006). Bu nedenle oturum sürelerinin, istasyondan beklenen konum inceliğini karşılayıp karşılamadığının da kontrol edilmesi büyük önem arz etmektedir. Bu çalışmada Konya Kapalı Havzası'nda *Sunumu yapacak yazar

2 Düşey Yönlü Deformasyon Belirleme Çalışmalarında Tekrarlanabilirliklerin İncelenmesi düşey yönlü deformasyon izlemek amacıyla kurulmuş ağa ilişkin tekrarlanabilirlik analizleri gerçekleştirilmiştir. Tekrarlanabilirlik değerlerinin oturum süresi, baz uzunlukları ve koordinat bileşenlerine göre nasıl değişiklik gösterdiği araştırılmıştır. Bu çalışmanın ikinci bölümünde tekrarlanabilirlik analizleri hakkında temel kavramlardan bahsedilerek GAMIT/GLOBK yazılımında bu işlemin nasıl gerçekleştirdiği hakkında bilgi verilecektir. Üçüncü bölümde yukarıda bahsedilen yerel deformasyon ağı için sayısal uygulamaya yer verilecektir. Son bölümde ise sonuçlar tartışılmakta ve çözüm önerileri sunulmaktadır. 2. TEKRARLANABİLİRLİK ANALİZİ Bir kampanya süresince ardışık günlerde toplanmış GPS verileri, standart bir değerlendirme stratejisi altında günlük çözümler halinde analiz edilirler. Günlük çözümler, zaman serilerinin oluşturulması için birleştirilirler. GAMIT/GLOBK değerlendirme yazılımında yer alan GLRED modülü bu işlemi yerine getirmektedir. GLRED modülü analiz sonrası oluşturulan günlük çözümlere ait dengelenmiş koordinatları ve varyans-kovaryans matrisini içeren h-dosyasını ayrı ayrı analiz ederek tekrarlanabilirliklerin oluşturulmasını sağlar (Herring et al., 2009). Günlük koordinat tekrarlanabilirliklerin incelenmesinde WRMS (Weighted Root Mean Square) ve NRMS (Normalized Root Mean Square) değerlerine bakılmaktadır. Standartlaştırılmış koordinat tekrarlanabilirliklerinin Gauss dağılımlı ve adından da anlaşılacağı üzere NRMS değerlerinin yaklaşık 1 olması beklenir. WRMS değerlerinin ise 24 saatlik oturumlar için yatayda 1-2 mm, düşeyde 3-5 mm seviyelerinde olmalıdır. Bu değerler 8 saatlik oturumlar için ise yatayda 2-4 mm, düşey de ise mm seviyelerinde olmalıdır (Herring et al., 2009).. Buna karşın tekrarlanabilirlik değerlerinin daha yüksek seviyelere çıkması oturum süresinin eksikliği, sinyal yansıması etkisi veya kötü meteorolojik etkilerin olduğu anlamına gelir. 3. SAYISAL UYGULAMA Uygulamaya için Konya Kapalı Havzası'nda (KKH) düşey yönlü deformasyonların izlenmesi amacıyla kurulan 28 noktalı yerel deformasyon ağı kullanılmıştır. Ağın genel yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir. Ağ noktalarını üç farklı grupta toplamak mümkündür: 1. Zemin çökmelerinin beklenmediği dağlık alanlar (siyah renk ile gösterilen), 2. Zemin çökmelerinin beklenmediği ancak havza çukuru (ovalık kesim) içinde kalan noktalar (mavi renk ile gösterilen) 3. Zemin çökmelerinin beklendiği (obje) noktaları (yeşil renk ile gösterilen) Ağdaki istasyon sayısının fazla oluşu kampanya ölçülerinin gerçekleştirilmesi aşamasında, GNSS alıcısı temininde zorluklarla karşılaşılmasına neden olmaktadır. Nokta sayısına karşılık var olan alıcı sayısı, en uygun ölçü planı araştırmasının yapılmasını gerektirmektedir. Öte yandan noktalardaki oturum sürelerinin de deformasyon analizindeki doğruluk beklentilerini karşılayacak nitelikte olması gerektiği açıktır. Ağın tasarım aşamasında en az 8 saatlik veriye sahip olması öngörülen sabit nokta yerlerinin obje noktalarına olabildiğince yakın seçilmesine özen gösterilmiştir. Bu durumda, obje noktalarındaki ölçü sürelerinin en az 4 saat olması sağlanmıştır. Öte yandan, oturum sürelerinin 4 saate kadar düşürülmesinden dolayı, ardışık günlerdeki tekrarlanabilirliklerin dikkatle incelenmesi ve oluşabilecek doğruluk-duyarlık kayıplarına karşı gerekli tedbirlerin alınmasının uygun olacağı değerlendirilmiştir. Uygulamada yerel jeodezik ağda 2011 yılının 97., 98. ve 99. günlerinde yapılan GNSS kampanyasına ait ölçüler kullanılmıştır. Bu 28 noktaya ek olarak çalışma bölgesini kuşatan 7 TUSAGA-Aktif istasyonu (AKSR, BEYS, CIHA, KAMN, KAPN, KNYA ve YUNK) da GNSS ağına dahil edilmiştir. Ayrıca yerel deformasyon ağının, bir referans sisteme bağlanması amacıyla, Türkiye çevresinde bulunan ve IGS'e (International GNSS Sevice) ait 8 istasyon (ALON, ELRO, GILB, POLV, RAMO, RIGA, VLNS, MATE) da analize dahil edilmiştir. Böylece ağdaki toplam istasyon sayısı 43'e ulaşmıştır (Şekil-2).

3 Yalvaç ve diğ. Şekil-1: KKH'da düşey yönlü deformasyonların incelenmesi amacıyla kurulan GNSS ağı Şekil-2: KKH GNSS ağı analizlerinde kullanılan IGS istasyonları

4 Düşey Yönlü Deformasyon Belirleme Çalışmalarında Tekrarlanabilirliklerin İncelenmesi Analizler GAMIT/GLOBK V10.4 yazılımı yardımıyla, 2011 yılının 97., 98. ve 99. günleri için minimum zorlama esasına göre günlük bazda dengelenmiştir. Analiz sonrası elde edilen dengelenmiş koordinatlar ve varyans-kovaryans matrislerini içeren h-dosyaları GLOBK (GLObal Kalman) yazılımı yardımıyla birleştirilerek, nokta koordinatları, hızları, yörünge ve yer dönme parametreleri belirlenmektedir (Herring et al., 2009). Yerel deformasyon ağının stabilizasyonu iki farklı şekilde yapılmıştır. İlk analizde deformasyon ağı ve TUSAGA-Aktif istasyonları, ITRF'e (International Terrestial Referance Frame) bağlanmıştır. Bunun için yerel ağ ile yaklaşık 1000 ila 2000 km arasında değişiklik gösteren baz uzunlukları oluşturan, 8 IGS (International GNSS Service) noktası seçilerek ağın stabilizasyonu sağlanmıştır. İkinci analiz tipinde ise stabilizasyon için ağın yaklaşık 100 km çevresinde bulunan 7 TUSAGA-Aktif istasyonu kullanılmıştır. Stabilizasyon için iki farklı ağ oluşturulmasının temel sebebi, baz uzunluklarının tekrarlanabilirlik değerleri üzerindeki etkisini araştırmaktır. İki farklı analizden elde edilen tekrarlanabilirlik (WRMS) sonuçları Şekil-3, Şekil-4 ve Şekil -5 de gösterilmiştir. Şekillerde belirtilen kuzey, doğu ve yukarı bileşenleri, KONY istasyonuna göredir. Stabil biz zeminde konumlandırılmış KONY istasyonu yerel ağ noktaları arasında bulunmaktadır. Şekil-3: Kuzey yönündeki tekrarlanabilirlik değerleri (Açık gri sütun TUSAGA-Aktif e göre, koyu gri sütun IGS noktalarına göre analiz sonuçlarıdır) Şekil-4: Doğu yönündeki tekrarlanabilirlik değerleri (Açık gri sütun TUSAGA-Aktif e göre, koyu gri sütun IGS noktalarına göre analiz sonuçlarıdır)

5 Yalvaç ve diğ. Şekil-5: Yukarı yönündeki tekrarlanabilirlik değerleri (Açık gri sütun TUSAGA-Aktif e göre, koyu gri sütun IGS noktalarına göre analiz sonuçlarıdır) GNSS yöntemi ile düşey yönlü konum bileşeni belirleme duyarlığının, yataya göre yaklaşık 2-3 kat daha düşük olduğu bilinmektedir. Yukarıdaki sonuçlardan da görüldüğü üzere, kuzey ve doğu yönündeki WRMS değerleri düşeye göre yaklaşık 3 kat daha düşük seviyededir. Bununla birlikte ölçü sürelerinin özellikle düşey konum yönünde duyarlık değerleri üzerinde çok belirgin bir etkiye sahip olduğu açıkça görülmektedir. 24 saatlik gözlemlerle 5-6 mm seviyesindeki düşey konum ölçme duyarlığı, 8 saatlik ölçülerde mm seviyesine, 4 saatlik ölçü sürelerinde ise mm seviyelerine düşmüştür. Referans sistem oluşturmak amacıyla izlenen iki farklı strateji değişik baz uzunluklarını ortaya çıkarmaktadır. Ağın TUSAGA Aktif noktalarına bağlanmasıyla ortaya çıkan baz uzunlukları, IGS istasyonları ile gerçekleştirilen bazlara göre anlamlı ölçüde kısadır. Buna karşılık sonuçlar üzerindeki etkisi beklenenden az olduğu düşünülmektedir. ağın bağlandığı noktalar baz uzunluklarının da etkisi şekillerde açıkça görülmüştür. Yerel ağı referans sisteme bağlarken daha kısa baz uzunluklarının kullanılması, tekrarlanabilirlik değerlerini olumlu yönde etkilemiştir. 4. SONUÇ ve ÖNERİLER Bu çalışmada Konya Kapalı Havzasın'da düşey yönlü deformasyonların incelenmesi amacı ile kurulan bir deformasyon ağına ait tekrarlı GNSS gözlemlerinin, değişik değerlendirme stratejilerinden elde edilen kuzey, doğu ve yükseklik bileşenleri yönündeki tekrarlanabilirlik değerleri verilmiştir. Analiz sonuçları, oturum süreleri ile tekrarlanabilirlik değerleri arasındaki bilinen ilişkiyi açıkça göstermektedir. Bu nedenle, baz uzunluklarının km arasında değiştiği ve yükseklik bileşeni için yaklaşık 1 cm'lik doğruluğun hedeflendiği ağlarda oturum sürelerinin en az 8 saat olması gerektiği anlaşılmaktadır. Yatay konum bileşeni açısından da benzer ilişkinin varlığından söz edilebilir. Ancak yatay konum doğruluğunun düşey bileşene göre 3-4 kat daha yüksek olduğu uygulama sonuçlarından görülmüştür. Özellikle düşey yönlü tekrarlanabilirlik değerlerinde, oturum süresi aynı olan noktalar arasında bazı istasyonların (CMTO, PNRB gibi) sıçramalar yaptığı Şekil-5'de görülmektedir. Bu tip hataların temel nedeninin anten yüksekliğinin yeterli hassasiyette ölçülmemesinden kaynaklandığı değerlendirilmektedir. Bu sonuçlar, GNSS yöntemiyle özellikle düşey yönlü deformasyon izleme çalışmalarında, anten yükseklik değerinin dikkatli ölçülmesi gerektiğini ortaya koymaktadır. Diğer yandan baz uzunluklarının tekrarlanabilirlik üzerindeki etkisi ele alındığında, deformasyon ağının TUSAGA-Aktif istasyonlarına bağlanması sonucunda (özellikle 24 saatlik oturumlarda) önemli seviyelerde iyileşme olduğu gözlenmiştir. Bu nedenle, global plaka hareketlerinin izlenmeyeceği, sadece lokal deformasyon belirleme amacı ile kurulan ağların, uzun bazlar üretmek yerine, lokal deformasyon ağı ile daha kısa bazlar oluşturabilecek stabil istasyonlara bağlanmasında büyük yarar olduğu düşünülmektedir.

6 Düşey Yönlü Deformasyon Belirleme Çalışmalarında Tekrarlanabilirliklerin İncelenmesi KAYNAKLAR Aydın, C., Doğan, U., Demirel H., (2006) GPS Deformasyon Ağlarında Gözlem Süresi ile Ağ Duyarlılığı Arasındaki İlişki, Harita Dergisi, Sayı:135 Herring, T. A., King, R. W., ve McClusky, S. (2009). GPS Processing Program Suites: GAMIT/GLOBK V10.4. Kaplan, E., Hegarty, C., (2006), Understanding GPS: Principles and Applications, Second Edition, Artech House Teunissen, P. J. ve Kleusberg, A. (1998). GPS for Godesy. Springer, New York.