Global gravity field recovery from low-low satellite-to-satellite tracking with enhanced spatiotemporal resolution using deep learning paradigm
Global gravite alanının derin öğrenme paradigması kullanarak alçak uydudan alçak uyduya izleme ile iyileştirilmiş çözünürlükte belirlenmesi
- Tez No: 837239
- Danışmanlar: PROF. DR. ORHAN AKYILMAZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Jeodezi ve Fotogrametri, Geodesy and Photogrammetry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Geomatik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 191
Özet
Yeryuvarının iklim sisteminin, su kaynaklarının ve su döngüsündeki değişimlere bağlı olarak ortaya çıkan doğal afetlerinin izlenmesinin önemi giderek artmaktadır. Dolayısıyla su bütçelerinin izlenmesi kavramı, yeryuvarının küresel ikliminin ve doğal ekosisteminin mevcut durumunun takibi ve de geleceğe dönük sürdürülebilir planlamalarının sağlanması açısından çok önemlidir. Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) ve GRACE Follow-On (GFO) misyonlarından elde edilen ölçüler, yeryuvarına ait kitle varyasyonlarına ilişkin yeni bilgiler ortaya koymuştur. 2002 yılından başlamak üzere yaklaşık 15 yıllık süre boyunca yeryuvarının toplam su bütçelerinin (TSB) zaman serileri GRACE misyonuna ait olan bu ölçüler kullanılarak hesaplanmıştır. Haziran 2017 tarihinde GRACE misyonun sonlanmasından sonra 11 aylık bir veri boşluğunun ardından GFO misyonu Mayıs 2018 tarihinden günümüze bu görevi yerine getirmektedir. Böylece yaklaşık 20 yıldır, GRACE/GFO ölçülerinden hesaplanan TSB varyasyonları, yeryuvarının su döngüsü hakkında özellikle hidroloji, katı yer ve buzullar gibi bilim dallarına yönelik eşsiz bilgiler sağlamaktadır. Son yıllarda kuraklıklar daha sert ve seller daha yoğun şekilde yaşanmaktadır. GRACE ve GFO misyonuna ait gözlemler, kuraklık ve seller gibi hidrolojik etkilere bağlı felaketlerin yarattığı yıkıcı etkileri ortaya çıkarmada anlamlı sonuçlar sağlamıştır. Dolayısıyla önümüzdeki yıllara yönelik bu iki misyona benzer farklı uydu görevlerinin de hayata geçirilmesi planlanmaktadır. Avrupa Uzay Ajansı (European Space Agency – ESA) ve ortak kurumlar ile tasarlanan Mass change And Geosciences International Constellation (MAGIC) misyonu, uydu gravimetrisi açısından farklı türdeki gözlemleri bilimsel çalışmalara sunacaktır. Amerikan Ulusal Havacılık ve Uzay İdaresi̇ (National Aeronautics and Space Administration – NASA) ve ortakları tarafından geliştirilen ve yakın zamanda yörüngeye fırlatılan Surface Water and Ocean Topography (SWOT) misyonu da yüzey sularının irdelenmesi açısından bu çabayı destekler niteliktedir. Bu veriler ışığında günümüze kadar GRACE/GFO verileri kullanılarak çok sayıda bilimsel araştırma yürütülmüştür. Bu çalışmalardan bazıları ise uydu gravimetri teknikleri kullanılarak GRACE/GFO ölçülerinden yüksek doğrulukla zaman değişkenli gravite alanı modellerinin kestirilmesi veya TSB anomalilerinin (TSBA) zamansal ve mekânsal çözünürlüğünün artırılması üzerine gerçekleştirilen çalışmalardır. Bu tez çalışması kapsamında, yeryuvarının zaman-değişkenli gravite alanına ait küresel harmonik katsayıların (KHK) hesaplanması amacıyla enerji korunumu ilkelerine dayanan ve bir uydu gravimetri tekniği olan enerji dengesi yaklaşımı (EDY) kullanılmıştır. Ayrıca kestirilen KHK'lardan hesaplanan TSBA haritalarının zamansal ve mekânsal çözünürlüklerini artırmak amacıyla artık derin evrişimli otomatik kodlayıcılar (ResDCAE) ve süper çözünürlüklü artık derin evrişimli otomatik kodlayıcılar (SR-ResDCAE) olarak adlandırılan iki yeni hibrit derin öğrenme (DÖ) algoritması geliştirilip kullanılmıştır. EDY ile uydu konumunda tanımlı olan geopotansiyel farklar (GPF), KBR (K/Ka Band Ranging) hizalama yaklaşımından faydalanılarak hesaplanır ve menzil hızı (range-rate) veriyle doğrudan ilişkileri vardır. Dolayısıyla uydu konumunda tanımlı GPF ve bu farklardan hesaplanan KHK'lar, menzil hızı gözlemlerinde bulunan sistematik hatalara, yüksek frekanslı gürültülere ve de uyduların yörünge konfigürasyonuna karşı oldukça hassastır. Bu hataların ve gürültülerin varlığı ile hesaplanan gravite alanı modellerin yüksek derece katsayılarının korelasyonları fazla olup 20. dereceye kadar diğer kurumlara ait modeller ile karşılaştırılabilir seviyededir. Model hatalarının ve gürültü kaynaklarının etkilerini azaltmak için, kestirilen GPF'lere KBR ampirik parametre tahmini veya Bayes filtresi (BF) yaklaşımları uygulanabilir. Ampirik parametrelerin sayısı artırıldığında (devir başına bir döngüden üç döngüye (CPR)), Kuzey-Güney (K-G) yönlü bozulmaların (stripes) etkisi, özellikle yörünge konfigürasyonunun zayıf olduğu aylarda büyük ölçüde azalmıştır. Ancak bu uygulama, gravite alanına ait uzun dalga boylu sinyalinin yumuşatılmasına ve güç kaybına neden olmuştur. Öte yandan GPF değerlerine BF ile hem ileri filtreleme (IF) hem de geri yumuşatma (GY) adımları uygulandıktan sonra, uydunun sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan yüksek frekanslı gürültüler azaltılmış ve bu GPF'ler kullanılarak kestirilen modellerde sinyal kaybı yaşanmamıştır. Ancak bu yaklaşım yüksek dereceli KHK'lara ait korelasyonların azaltılmasında herhangi bir iyileşmeye yol açmamıştır. Hesaplanan GPF'ler kitle değişimlerini temsil etmek için yörünge konfigürasyonlarına da oldukça duyarlı olduğundan, sinyal kaybı olmadan yüksek dereceli KHK'lardaki korelasyonları ortadan kaldırarak K-G yönlü bozulmaları azaltmak için gravite inversiyonu adımında bir regülerizasyon işleminin gerekli olduğu sonucuna varılmıştır. İkinci adımda ise bir önceki adımda kestirilen KHK'lardan hesaplanan TSBA'ların, bu çalışma kapsamında geliştirilen DÖ algoritmaları, ResDCAE ve SR-ResDCAE, ile aylık ve 100 km çözünürlükten günlük ve 25 km çözünürlüğe yükseltilmesi ele alınmıştır. Simülasyonlar toplamda üç alt aşamada ardışık olarak hesaplanmıştır. Her bir aşamaya ait simülasyonların başarısı karesel ortalama hata (KOH) ve Nash-Sutcliffe verimliliği (NSE) gibi matematiksel ölçütlerin yanı sıra önceki çalışmalara ait model veya simülasyonlar ile karşılaştırılarak bir iç doğrulama işlemine tabii tutulmuştur. İç doğrulama işlemleri basit matematiksel/istatistiksel büyüklüklere bağlı olarak hesaplanan büyüklükler olup sonuçların başarısının test edilmesi için yeterli görülmemiştir. İç doğrulamanın aksine, simüle edilen TBSA'lar, GRACE ve GFO misyonları arasındaki boşluğu doldurma performansı, El Nino/La Nina SST endeksi ve küresel ortalama deniz seviyesi (KMDS) varyasyonları gibi GRACE verilerinden bağımsız olan veri setleriyle de karşılaştırılarak bir dış doğrulama işlemine de tabii tutulmuştur. Böylece hesaplanan simülasyonların başarısı fiziksel olarak da irdelenmiştir. Buna ek olarak, günlük simülasyonların Amerika Birleşik Devletleri sınırları içerisinde gerçekleşmiş olan 2011 ve 2019 Missouri Nehri Taşkınları, Harvey Kasırgası ve Kaliforniya'daki 2012-2017 kuraklığı gibi doğal afetlere bağlı TSB varyasyonlarını içerip içermediği araştırılmıştır. Ayrıca günlük simülasyonlar, 2007-2008 ve 2013-2014 yıllarında Türkiye'de yaşanan kuraklıkların Fırat Dicle Havzası (FDH) ve Konya Kapalı Havzası'nda (KKH) yarattığı etkiler neticesinde de dikkate alınarak değerlendirilmiştir. İklim değişime bağlı olarak ortaya çıkan bu doğal felaketlere bağlı TSBA değişimlerinin analizi ve DÖ algoritmalarının bu değişimleri simüle edebilme başarısı karşılaştırılmıştır. Hem TSBA veri boşluklarının doldurulması hem de ResDCAE algoritması kullanılarak günlük zaman serilerinin simülasyonu başarıyla tamamlanmıştır. Öte yandan, SR-ResDCAE algoritması ile mekansal çözünürlük artırma adımında girdi verilerinin oluşturulması ek bir fiziksel araştırma gerektirmektedir. Ayrıca, EDY yöntemi ile hesaplanan zaman değişkenli gravite alanı modellerindeki hataları gidermek için regülarizasyon yerine kullanılan post-proses standartlarındaki dekorelasyon ve yumuşatma filtreleri TSBA'nın gerçek sinyal gücünü azaltmış ve sızıntı etkilerini (leakage) ortaya çıkarmıştır. Dolayısıyla, filtreler nedeniyle TSBA'nın gerçek sinyal gücü azalmaktadır. Simüle edilen TSBA'ların zamansal ve mekansal örüntüsü diğer simülasyonlar veya modeller ile uyumlu iken sinyal gücü bakımından kaybın varlığı tespit edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Understanding climate system and ensuring survival of the planet require more attention to monitoring water resources and water-related natural disasters. Therefore, monitoring water storage is crucial for the global climate and natural ecosystems. Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) and GRACE Follow-On (GFO) missions have revealed new insights into mass transport within the Earth system. For the first 15 years, beginning in 2002, time series of terrestrial water storage (TWS) variations on the Earth were recovered from the measurements of the GRACE mission. After a gap of 11 successive months, the GFO mission has been performing this task since May 2018. Hence, over the last 20 years, TWS variations from GRACE/GFO measurements have provided an unique information on the Earth's water cycle to a wide range of hydrology, glaciology, and solid earth activities. Numerous scientific investigations have been conducted in the light of this data. Some of these efforts include estimating time-variable gravity field models with high accuracy from GRACE/GFO measurements using satellite gravimetry techniques and/or enhancing the temporal and spatial resolutions of TWS anomalies (TWSA). In this thesis, two major efforts have been investigated by applying the energy balance approach (EBA), which is a kind of satellite gravimetry technique based on the principles of energy conservation. The preliminary aim is to estimate spherical harmonic coefficients (SHC) of time-variable gravity field models of the Earth and new hybrid deep learning (DL) algorithms, namely residual deep convolutional autoencoders (ResDCAE) and super-resolution residual deep convolutional autoencoders (SR-ResDCAE). The next objective is to enhance temporal and spatial resolutions of TWSA maps that are derived from the SHCs. The SHCs are highly sensitive to the systematic errors and high-frequency noise sources in range-rate observations of GRACE/GFO K/Ka Band Ranging (KBR) as well as the orbit configurations. This is why the estimated geopotential differences (GPD) from EBA have direct relations to range rate dataset due to applied KBR alignment approach. Under these circumstances, the temporal models are estimated to have comparable accuracy with other institution models for up to degree/order (d/o) 20, but are less accurate for higher degrees of SHCs. In order to mitigate these error and noise sources, KBR empirical parameter estimation or the Bayesian filter (BF) is applied to estimated GPDs. When the number of empirical parameters are increased (from one to three cycle-per-revolution (CPR)), the heavier effect of North-South (N-S) stripes is drastically reduced, particularly in months with poor orbit configuration. However, this results in a loss of strength in the long-wavelength component of the gravitational signal. On the other hand applying both the forward filtering (FF) and backward smoothing (BS) steps of BF to the GPD residuals, high-frequency noises caused by the satellite's temperature changes are reduced and there is no signal loss in SHCs estimated by these filtered and smoothed GPDs. However, this result did not lead to any improvement in the mitigation of high-degree SHC correlations. Since the estimated GPDs are also highly sensitive to orbital configurations to represent mass variations, it is concluded that a regularization process is required in the gravity inversion step to eliminate correlations in higher-order SHCs and reduce N-S stripes in an unconstrained solution without signal loss. In the second step, the TWSA that are calculated from estimated SHCs are downscaled from monthly and 100 km resolutions to daily and 25 km resolutions using in-house developed DL, i.e., ResDCAE and SR-ResDCAE, applying step-by-step simulations from lower to higher resolutions. Internally, the performance of each GRACE-like TWSA simulation is validated using mathematical metrics such as root mean squared error (RMSE) and Nash-Sutcliffe efficiency (NSE), as well as comparisons to previous studies. Contrary to internal validation, the simulated TWSAs are also externally validated by comparison to the performance of filling the gap between GRACE and GFO missions and to non-GRACE datasets, such as the El Nino/La Nina sea surface temperature index and global mean sea level (GMSL) changes. In addition, the capability of the daily simulations to detect long- and short-term variations in the TWSA signal caused by natural disasters such as the 2011 and 2019 Missouri River Floods, Hurricane Harvey, and the 2012–2017 drought in California for Contiguous United States (CONUS) region is investigated. The droughts experienced in Türkiye during the GRACE/GFO time period, which occurred in 2007–2008 and 2013–2014, are also evaluated using daily simulations considering Fırat Dicle Basin (FDB) and Konya Close Basin (KCB), separately. Both the filling of TWSA data gaps and the simulation of daily time series using the ResDCAE algorithm have been successfully simulated. Nevertheless, the spatial downscaling step of the SR-ResDCAE algorithm requires additional physical investigation regarding the establishment of spatio-temporal correlations during training. In addition, leakage bias effects have emerged as a result of the post-processing filters used to eliminate errors in time-varying gravity field models obtained unconstrained by the EBA method. Due to post-processing filters, the true signal magnitude of TWSA is diminished. Therefore, the temporal and spatial pattern of the simulated TWSA time series is comparable to that of the other compared simulations and models, but signal power loss is readily apparent.
Benzer Tezler
- Karalarda su kütlesi değişimlerinin uydu gravimetrisi ile izlenmesi
Determining the continental surface water mass changes using satellite gravimetry
HÜSEYİN MERCAN
Doktora
Türkçe
2013
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ORHAN AKYILMAZ
- Yeryuvarı gravite alanının aylık GRACE çözümleri ile izlenmesi ve duyarlılığı üzerine bir inceleme
Investigation on monitoring of the earth's gravity field by monthly GRACE solutions and its sensitivity
E. SİMAY ATAYER
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Jeodezi ve FotogrametriYıldız Teknik ÜniversitesiHarita Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CÜNEYT AYDIN
- Characterization and beneficiation of Malatya / Kuluncak rare earth elements ore
Malatya/Kuluncak nadir toprak elementi cevherinin karakterizasyonu ve zenginleştirilmesi
BURAKHAN ERSOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiCevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FIRAT BURAT
- Analysis of GRACE L2 data globally and regionally with PCA
Global ve bölgesel olarak GRACE L2 verilerinin PCA ile analizi
CEREN ALTUNAL PODLECH
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAYRİ HAKAN DENLİ
- Hidroloji kaynaklı düşey yer değiştirmelerin GRACE çözümleriyle belirlenmesi: Türkiye örneği
Monitoring of hydrology-induced vertical displacements using GRACE solutions: A case study in Türkiye region
BEYZA GÜNEY
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Jeodezi ve FotogrametriYıldız Teknik ÜniversitesiHarita Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CÜNEYT AYDIN