Geri Dön

High-resolution gravimetric geoid modeling in the era of satellite and airborne gravimetry

Uydu ve hava gravimetrisi çağında yüksek çözünürlüklü gravimetrik geoit modelleme

PDF İndir

  1. Tez No: 788340
  2. Yazar: MUSTAFA SERKAN IŞIK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. BİHTER EROL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Jeodezi ve Fotogrametri, Geodesy and Photogrammetry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 177

Özet

Topoğrafik kütlelerin düzensiz yapısı gravite alanının modellenip geoidin yüksek doğrulukta hesaplanması için gereken gravite ölçmelerinin yeterli doğruluğa ve dağılıma sahip olmasını zorlaştırmaktadır. Dağlık alanlarda yersel verinin yeterli sıklıkta elde edilmesi çok büyük bir maliyet ve zaman gerektirmektedir. Denizlerde yapılan ölçmelerde ise özellikle açık denizler ve okyanuslarda istenilen homojenlikte ölçmelerin elde edilmesi mümkün değildir. Bu kapsamda uydu gravimetre yöntemi önemli bir veri kaynağıdır. Ancak yörünge yüksekliği sebebiyle uydudan elde edilen gravite verileri uzun dalga boylu sinyalleri modellemeye yardımcı olmaktadır. Orta ve kısa dalga boylu bileşenler denizlerde altimetre uydularından ve karalarda ise yersel ölçmelerden sağlanmak zorundadır. Bununla birlikte, kıyılara yaklaştıkça altimetre uydularının sinyallerinin geri saçılımlarındaki gürültü oranının artması, geoidin kıyı kesimlerde doğruluğunun önemli ölçüde kötüleşmesine sebep olmaktadır. Konum belirleme ve ataletsel navigasyon sistemlerindeki teknolojik gelişmeler ile birlikte uçak/hava gravimetre yönteminden elde edilen doğruluk çok önemli seviyelere gelmiştir. Bu yöntem, hem dağlık alanlarda yersel verideki eksiklikleri tamamlamada hem de kıyı kesimlerde kara-deniz geçişlerindeki veri eksikliğinin kapatılmasında önemli bir yere sahiptir. Ancak, hava gravimetre yöntemiyle elde edilen veriler, türbülanslı fiziksel bir ortamda gürültülü GNSS konum vektörünün türevleri ile gürültülü ataletsel sensör (ivmeölçer, dönüölçer) verileriyle elde edilebildiğinden yüksek frekansli gürültüye sahiptir. Verinin uygun yöntemler kullanılarak filtrelenmesi ve gürültüsünün azaltılması gerekmektedir. Bunun yanı sıra, uçuş yüksekliğinde elde edilen bu verilerin geoit modellemede kullanılabilmesi için aşağı uzanım (downward continuation) yöntemleri kullanılarak yeryüzüne veya geoit yüzeyine indirgenmesi gerekmektedir. Bu tez kapsamında, hava gravimetri yönteminden elde edilen gravite verilerinin işlenmesi ve dağlık alanda geoit modeli doğruluğuna katkısının incelenmesi amacıyla Amerika Birleşik Devletleri Colorado eyaletinde gravimetrik geoit modelleme çalışması yapılmıştır. Colorado geoit deneyi, 2017 yılında Uluslararası Jeodezi Birliği'nin (IAG) Ortak Çalışma Grubu (JWG) 2.2.2 (1 cm geoit deneyi) tarafından ortak bir çalışma olarak başlatılarak organize edilmiş ve farklı kurum ve araştırma grupları katkıda bulunmuştur. Yapılan ilk çalışmanın amacı, aynı girdi veri seti ile hesaplanan farklı geoid belirleme yaklaşımlarından elde edilen gravite potansiyellerinin Uluslararası Yükseklik Referans Sistemi (IHRS) kapsamında tekrarlanabilirliğini görmek ve farklı yaklaşımlarda elde edilen gravimetrik geoitlerin performanslarının kıyaslanmasıdır. Veri seti, Colorado, ABD'de yaklaşık 550 km x 730 km'lık bir dağlık alana ait yersel gravimetri ve hava gravimetri ölçmelerini, sayısal arazi modelini, XGM2016 global jeopotansiyel modelini ve model doğrulamaları için GPS/nivelman verilerini içermektedir. Veri seti Ulusal Jeodezi Araştırması (NGS) departmanı tarafından sağlanmıştır. Bu çerçevede, yapılan ilk çalışma, İstanbul Teknik Üniversitesi - Gravite Araştırma Grubu (ITU-GRG) tarafından elde edilen deneysel sonuçlar üzerinden Colorado geoidinin modellemesi üzerine bir karşılaştırma sunmayı amaçlamaktadır. Bu çalışmada, Stokes ve Hotine integral formüllerinin en küçük kareler modifikasyonları yöntemlerini ITU-GRG tarafından yazılan yazılımı kullanarak Colorado geoidini modellemeye odaklanıldı. Her iki yöntem ile sadece yersel gravite, sadece hava gravite ve bütünleşik gravite veri setlerine dayalı gravimetrik geoit modeller hesaplandı. Daha sonra, hesaplanan deneysel geoit modelleri, tarihsel ve yakın zamanda profil şeklinde ölçülen GPS/nivelman veri setleri kullanılarak doğruluk analizi yapıldı ve ayrıca IAG JWG 2.2.2'nin“1 cm geoit deneyi”için farklı kurumlar tarafından sunulan çözümlerle karşılaştırıldı. Tüm doğrulama sonuçları için, Hotine ve Stokes integral formülleri, geoit doğruluğu açısından benzer performanslar verdi. Bununla birlikte, bütünleşik veri seti kullanılarak hesaplanan modeller, sadece yersel gravite ve sadece hava gravite tabanlı geoit çözümlerinden daha iyi doğruluğa sahip olduğu tespit edildi. Bütünleşik verileri kullanan geoid model çözümlerinin doğruluğu, GSVS17 (Geoid Slope Validation Survey 2017) profilinin GPS/nivelman verileri kullanılarak yapılan test sonuçlarında Hotine yöntemi için 2.69 cm ve Stokes yöntemi için 2.87 cm olarak raporlanmıştır. Amerikan Düşey Datumun Yeniden Tanımlanması için Gravite (GRAV-D) projesinden elde edilen havadan gravimetri verileri, özellikle bölgenin dağlık kısımlarında geoit modelinin geliştirilmesine önemli ölçüde katkıda bulunmuştur. İkinci çalışma, Stokes integralinin en küçük kareler modifikasyonu ve ek düzeltmeler (LSMSA) yöntemiyle sıklaştırılmış gravite anomalileri gridlerini kullanarak Türkiye'deki gravimetrik geoit modelinin doğruluğunun iyileştirmesini araştırmaktadır. Geoit modellerinin LSMSA hesaplamalarında, topografik kitlelerin ileri modellenmesiyle (forward modeling) tamamlanmış Bouguer anomali grid veri setinden elde edilen yüzey gravite anomalileri kullanılmıştır. Hesaplamalarda orijinal 5' yay dakikası (~9 km) çözünürlükteki Bouguer anomali veri setine ek olarak, 1' yay dakikası (~2 km) çözünürlüğe artırılmış versiyonları da kullanılmıştır. Gravite gridlerinin çözünürlüklerinin artırılmasında, hem düzlemsel (planar) hem de küresel (spherical) yaklaşımda tamamlanmış Bouguer anomalileri kullanılmıştır. Böylece gravite gridlemede hem gravite grid yoğunlaştırmasının hem de Bouguer indirgeme işlemi için uygulanan yaklaşımın geoit model doğrulukları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bouguer gravite indirgemeleri, düzlemsel yaklaşım için klasik formüller kullanılarak gerçekleştirilirken, sayısal testlerde küresel yaklaşım için yüksek çözünürlüklü SRTM2Gravity global modelinden elde edilen gravimetrik arazi düzeltmeleri kullanılmıştır. Hesaplanan geoit modelleri, ülke genelinde homojen olarak dağılmış 100 GPS/nivelman veri seti ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Ayrıca, modellerden elde edilen geoit yükseklikleri kıyı şeridi boyunca altı mareograf istasyonlarında karşılaştırılmıştır. Böylece, modellerin kıyılardaki uyuşumunun değerlendirilmesi için ek bir kontrol sağlanmıştır. Sonuç olarak, Türkiye'deki küresel tamamlanmış Bouguer anomalilerinden hesaplanan 1' yay dakikası çözünürlüklü yüzey gravite anomalileri kullanılarak elde edilen geoit modeli çözümünün doğruluğu GPS/nivelman noktalarındaki geoit yüksekliği farklarının standart sapmasıyla 8.6 cm olarak bulunmuştur. Üçüncü çalışma, Türkiye'de Hotine integrali yönteminin en küçük kareler modifikasyonu ve ek düzeltmelerini (LSMHA) kullanarak bölgesel gravimetrik geoit modelleme doğruluk performansını araştırmayı amaçlamaktadır. Gravimetrik geoit modeli, tamamlanmış Bouguer anomali gridinden hesaplanan 1'x1' çözünürlüklü gravite bozuklukları kullanılarak hesaplanmıştır. Ülke genelinde 100 adet homojen dağılımdaki GPS/nivelman veri seti ile yerel olarak homojen dağılıma sahip 301 adet hassas GNSS/nivelman veri seti kullanılarak mutlak ve göreceli olarak geoit doğruluğu belirlenmiştir. Gravimetrik geoit modeli ile bölgesel düşey datum arasındaki sistematik farklılıkların kaldırılmasından önce (before-fit) ve sonra (after-fit) için doğruluk istatistikleri ayrıca belirtilmiştir. LSMHA ile hesaplanan geoid modelinden elde edilen doğruluk, yaygın olarak kullanılan Stokes integralinin en küçük kareler modifikasyonu (LSMSA) yöntemi ile hesaplanan en uygun geoid modeli ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, Hotine çözümünün doğruluğunun, tüm ülkedeki Stokes muadilinden elde edilen 8.6 cm mutlak doğruluğu ile karşılaştırıldığında, 8.8 cm olduğunu ortaya koymaktadır. Türkiye'nin batısındaki yerel değerlendirmeye dayalı olarak, modeller yerel 301 GPS/nivelman kriterlerinde ülke çapındaki doğrulama sonuçlarından çok daha iyi uyum performansı göstermektedir. Hotine ve Stokes çözümlerinin yerel GPS/nivelman veri setindeki doğrulukları sırasıyla 4.4 ve 4.3 cm'dir. Sonuç olarak, gravite bozukluğu kullanarak bölgesel gravimetrik geoit modelleme yapan LSMHA yönteminin LSMSA yöntemine yakın ve kıyaslanabilir bir sonuç verdiği ortaya konmuştur. Dördüncü çalışmanın amacı, Türkiye'de homojen olarak dağıtılmış 100 adet GPS/nivelman istasyonları kulanılarak son yayınlanan GOCE tabanlı sadece uydu verilerine dayalı hesaplanmış global jeopotansiyel modellerin performansını değerlendirmektir. Doğrudan (Direct, DIR), zamana dayalı (time-wise, TIM), mekana dayalı (space-wise, SPW) ve GOCO model serileri, GPS/nivelman veri seti ile spektral olarak karşılaştırılabilir hale getirmek için spektral iyileştirme yöntemi (spectral enhancement method, SEM) kullanılarak doğrulukları analiz edilmiştir. Küresel harmonik açılımlar kullanılarak GOCE modellerinden geoit yüksekliklerinin hesaplanmasında, gravite alanı sinyalinin kısa dalga boylu bileşenleri, ultra yüksek çözünürlüklü global jeopotansiyel model EGM2008 ve artık arazi etkisinden tamamlanmıştır. GOCE modellerinin performansları, EGM2008 modelinin maksimum açınım derecesinde elde edilen doğruluğuna göre değerlendirilmiştir. En iyi performansı gösteren modeller, 9.3 cm standart sapma ile DIR, TIM ve GOCO modellerinin altıncı sürümü olarak bulunmuştur. Stokes integralinin en küçük kareler modifikasyonu ve ek düzeltmeleri yöntemi ile gravimetrik geoit modelinin hesaplanmasında 205 derece/mertebe açılıma kadar TIM-R6 modeli referans model olarak kullanılmıştır. Gravimetrik geoit için referans model, lineer birleştirme (linear blending) tekniği kullanılarak TIM-R6 ve EGM2008 modellerinin katsayılarının birleştirilmesiyle oluşturulmuştur. Spektral olarak birleştirilen global jeopotansiyel model ile hesaplanan gravimetrik geoit modeli EGM2008 modelinin 360 derece/mertebeye kadar açılımı ile hesaplanan gravimetrik geoit modeline göre ~%23 daha yüksek doğruluk sağlamıştır. Bu çalışma ile GOCE uydusunun Türkiye'de gravite alanı spektrumunun orta dalga boyundaki kısımlarına katkısı ortaya konmuştur.

Özet (Çeviri)

With the advances in positioning and inertial navigation systems, the accuracy obtained from the airborne gravimetry technique has reached very important levels that aid high-resolution gravity field modeling. The data obtained from the airborne gravimetry is of great importance in complementing the deficiencies of terrestrial data in mountainous areas and land-sea transitions in coastal areas where modeling the geoid are most troublesome. In this thesis, high-resolution regional gravimetric geoid modeling was investigated in light of the recent advancements in the field of gravimetry, more specifically satellite and airborne gravimetry. With recently developed GOCE-based global geopotential models and advanced stochastic techniques to model the regional gravity field as a solution of the geodetic boundary value problem, it is possible to achieve a high-resolution geoid model which can alter the traditional vertical reference system realization. In this regard, four studies are carried out in two test regions: Colorado, the USA, and Turkey. The first study focused on the contribution of airborne gravity measurements to gravimetric geoid modeling in a high topography, Colorado, USA, via the least squares modification of Stokes (LSMSA) and Hotine (LSMHA) integrals with additive corrections techniques. The study included filtering the high-frequency airborne gravimeter data with minimum loss of signal and downward continuing it to the Earth's surface by Least Squares Collocation method with a planar logarithmic covariance model. The reduced data was optimally combined with the satellite data from the global geopotential model and terrestrial gravity data to calculate a high-accuracy gravimetric geoid model. In this combination, the error variance of each data set was taken into account to stochastically determine the variance of input gravity anomaly/disturbance data set for Stokes and Hotine integrals. To clarify the importance of airborne gravity data to the study, three gravity data sets were created: terrestrial-only, airborne-only, and combined. The computed gravimetric geoid models were tested with highly accurate GPS/leveling benchmarks collected for the validation of models along a profile passing through the rough topography of the Colorado mountains. The results indicated the contribution of airborne gravity data over the mountainous regions, clearly. In conclusion, we obtained two gravimetric geoid models calculated using combined data set via LSMSA and LSMHA methodologies whose absolute accuracies are 2.69 cm and 2.87 cm, respectively. In the rest of the thesis, we focused on improving the accuracy of the gravimetric geoid model in Turkey. The first study that concerns the geoid model of Turkey dealt with the downscaling of low-resolution gravity anomaly data set, which originally has ~9 km resolution, to a spatial resolution of ~2 km. This task was achieved via the proper modeling of the topographic attraction on gravity using planar and spherical approaches for Bouguer gravity anomalies. While the planar approach was implemented for the computation of complete Bouguer gravity anomalies using classical terrain correction based on the mass-prism technique, the spherical approach was applied using a global model for the topographic attraction that is SRTM2Gravity. Based on these two approaches, the low-resolution complete Bouguer anomalies were enriched to higher-resolution data set, and consequently, surface gravity anomalies were calculated from planar and spherical complete Bouguer anomalies. Three gravimetric geoid models were calculated via the LSMSA technique, a low-resolution reference geoid with a planar approach, and two high-resolution geoids via planar and spherical approaches. Based on the accuracy assessment at 100 homogeneously distributed GPS/leveling benchmarks, the accuracy of the best-performing geoid was found as 8.6 cm using spherical approximation. The performance of gravimetric geoid models using the down-scaled surface gravity anomalies was significantly better compared to the low-resolution solution, the spherical approach being slightly better than the planar one. Hence, the success of the down-scaling was proven in terms of the accuracy achieved by the high-resolution gravimetric geoid models.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    887674

    An investigation into the effects of different parameters on high-resolution geoid modeling accuracy in the context of height system modernization

    Yükseklik sistemi modernizasyonu bakımından farklı parametrelerin yüksek çözünürlüklü geoit modelleme doğruluğu üzerindeki etkilerinin incelenmesi

    ONUR KARACA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BİHTER EROL

  2. Tez No

    513347

    Geoid modeling by the least squares modified hotine formula using voronoi cell structures

    Voronoi hücre yapıları aracılığıyla hotine integralinin en küçük kareler modifikasyonu ile geoit belirleme

    FATIMA FEYZA SAKİL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. SERDAR EROL

  3. Tez No

    222307

    Investigations on local geoids for geodetic applications

    Jeodezik uygulamalar için lokal geoitler üzerine araştırmalar

    BİHTER EROL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ.DR. RAHMİ NURHAN ÇELİK

    PROF.DR. MİCHAEL GEORGE SİDERİS

  4. Tez No

    499511

    SRTM1 ve aster sayısal yükseklik modellerinin gravimetrik jeoit belirlemeye katkısı

    Contribution of SRTM1 and aster digital elevation models to gravimetric geoid determination

    HATİCE TUĞBA ARLI İL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Jeodezi ve FotogrametriSelçuk Üniversitesi

    Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. RAMAZAN ALPAY ABBAK

  5. Tez No

    823517

    Gravimetrik jeoit belirlemede topoğrafik etkilerin araştırılması üzerine bir çalışma

    A study on investigation of terrain effects in gravimetric geoid determination

    SEVDA OLGUN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Jeodezi ve FotogrametriKocaeli Üniversitesi

    Jeodezi ve Jeoinformasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYDIN ÜSTÜN

    PROF. DR. ORHAN AKYILMAZ

Geri Dön