Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 887674
  2. Yazar: ONUR KARACA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. BİHTER EROL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Jeodezi ve Fotogrametri, Geodesy and Photogrammetry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  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: Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 139

Özet

Günümüzde birçok ülke, yükseklik sistemlerinin modernizasyonu kapsamında uydu tabanlı konumlandırma teknikleri aracılığıyla ortometrik yükseklikleri elde etmeye odaklanmaktadır. Bu kapsamda, GNSS ve benzeri sistemlerden elde edilen elipsoidal yüksekliklerden, geoit modelleri aracılığıyla türetilen geoit yükseklikleri çıkarılarak ortometrik yüksekliklere ulaşılmaktadır. Geleneksel nivelman yöntemiyle yüksek prezisyonlu ortometrik yükseklik elde edilebilmesine rağmen yöntemin doğası gereği yüksek maliyet ve yoğun işgücü gereksinimi mevcuttur. Oldukça zaman alıcı bu geleneksel yönteme karşılık, uydu tabanlı konumlama sistemleri (GNSS) ile yükseklikler gerçek zamanlı, hızlı ve daha ekonomik bir şekilde elde edilmektedir. Ayrıca geoit modellerinin yer kabuğu değişimlerinden daha az etkilenmesi de bu modern ölçüm yönteminin avantajlarından biridir. Şehirleşme, yol genişletme çalışmaları, insan kaynaklı tahribat, yer kabuğu hareketlerinin sebep olduğu deprem gibi afetler sebebiyle düşey kontrol ağlarının %80'inden fazlasının tahrip olduğu Türkiye, Kanada'nın 2013 yılında gerçekleştirdiği gibi geoide dayalı bir düşey referans sistemine geçme çabasındadır. Bu çabanın sonucunda“Türkiye Yükseklik Sisteminin Modernizasyonu ve Gravite Altyapısının İyileştirilmesi Projesi”ile Türkiye Geoidi–2020 (TG-20) üretilmiştir. Bahse konu proje ile, halihazırda santimetre duyarlılığında ve gerçek zamanlı olarak erişilebilen yatay konum bilgisine ek olarak, TG-20 geoidini kullanarak TUSAGA-AKTİF sistemi üzerinden yüksek duyarlılıkta düşey konum bilgisinin elde edilebilmesi amaçlanmıştır. Uydu tabanlı konumlama sistemleri ile yüksek doğrulukta elipsoidal yükseklik elde etme imkanı göz önüne alındığında, bölgesel geoit modellerinin doğruluğu, ortometrik yüksekliklerin belirlenmesini doğrudan etkilemektedir. Geoit modellerinden yükseklik bilgisinin hesabı Stokes fonksiyonu ile gerçekleştirilebilmektedir. Ancak klasik Stokes fonksiyonu, geoidin dışında topografik kitlelerin olmadığı ve tüm yerküre boyunca yersel gravite verisi olduğu varsayımına dayanmaktadır. Pratik olarak bu varsayımların gerçekleştirilmesi mümkün olmadığı için, klasik Stokes fonksiyonu modifiye edilmekte ve yersel gravite verileri ile uydu gravite verileri birlikte kullanılmaktadır. Hesaplamalarda gravite verileri çalışma alanıyla sınırlandırıldığından dolayı, küresel jeopotansiyel model katsayıları ile minimize edilmeye çalışılan kesme hatası meydana gelmektedir. Gravimetrik geoitlerin hesabında, Stokes fonksiyonunun dışında Hotine gibi integraller de yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada kullanılan ek düzeltmeler içeren Stokes'un en küçük karelerle modifikasyonu (LSMSA) tekniğinde olduğu gibi, pek çok gravimetrik geoit belirleme yaklaşımında girdi verisi olarak gridlenmiş serbest hava anomalileri kullanılmaktadır. Topografya üzerinde gözlemlenen gravite değerleri, topoğrafik kütleler nedeniyle dünyanın yerçekim alanından önemli ölçüde etkilenmekte ve bu nedenle doğrudan gridleme sürecinde kullanılamamaktadır. Yeryüzünde gözlemlenen gravite verileri önce gravite anomalilerine dönüştürülür ve ardından topografyanın Bouguer levhası (ya da kabuğu) ile temsil edildiği Bouguer indirgemesi ile geoide indirgenirler. Bu şekilde elde edilen Bouguer anomalileri gridleme işlemi için uygundur ve düzgün bir yüzey oluştururlar. Basit ya da tamamlanmış Bouguer anomalilerinden hangisinin kullanılacağı, çalışma alanının topografyası göz önüne alınarak belirlenir. Topografik değişimlerin az olduğu düz alanlarda basit Bouguer anomaliler kullanılabilir. Ancak, engebeli alanlarda gerçekleştirilen uygulamalarda her ne kadar matematiksel işlem yükü artsa da arazi düzeltmesini hesaba katan tamamlanmış Bouguer anomalilerinin kullanılması gerekmektedir. Bu tezin ilk bölümünde, Fransa'nın Auvergne bölgesindeki çalışma alanında gridleme işlemi için kullanılacak en uygun Bouguer anomalisinin belirlenmesine yönelik sayısal testler gerçekleştirilmiştir. Yapılan incelemeler sonucunda, iki anomali grid arasında 55,6 mGal'i bulan farklar olduğu tespit edilmiştir. Bu gridlerden elde edilen geoit modelleri arasındaki farklar da 27 santimetreyi bulmaktadır. Sonuç olarak, Auvergne gibi karmaşık topografyaya sahip bölgelerde arazi düzeltme etkilerini de içeren tam Bouguer anomalilerinin kullanılması, yüksek prezisyonlu gravimetrik geoitlerin elde edilmesi için kritik öneme sahiptir. Çalışmada gerçekleştirilen ikinci sayısal uygulamada, gravimetrik geoitlerin hesaplama yöntemi olarak seçilen LSMSA'da kullanılacak en uygun parametrelerin belirlenmesi adına bir dizi test gerçekleştirilmiştir. Bu testler sonucunda elde edilen parametreler, çalışma boyunca hesaplanan tüm geoitler için temel parametreler olarak benimsenmiştir. Bu tezin ana odaklarından birini oluşturan üçüncü sayısal uygulamada ise, interpolasyon yöntemlerinin gravimetrik geoit hesaplamalarına etkisi araştırılmıştır. Gerçekleştirilen testler sonucunda elde edilen alansal fark haritaları ve mutlak validasyon sonuçları, halihazırda uzun yıllardır jeodezi ve jeofizikte gravite gridlemesinde kullanılan en yakın komşuluk, ters mesafe ağırlıklandırma (IDP) ve Kriging gibi klasik interpolasyon yöntemlerinin güvenilir ve birbirlerine benzer sonuçlar sağladığını göstermektedir. Diğer taraftan, birçok alanda etkinliği kanıtlanmış karmaşık ve optimizasyona dayalı esnek hesaplama yöntemi olan yapay sinir ağları (ANN) ile gerçekleştirilen gridlemede, bu üç yöntemde elde edilen doğruluklara ulaşılamamıştır. Bu bölümde gerçekleştirilen testlere ilişkin görsel ve istatistikler incelendiğinde, interpolasyon algoritmasının grid sonuçlarına etkisi olduğu ve dolayısıyla geoit modellerinin belirlenmesinde önemli rol oynadığı anlaşılmaktadır. Yüksek ve engebeli arazilerde GPS/Nivelman noktalarının tesis edilmeleri zor olduğundan, bu noktalar genellikle düz alanlarda ölçülmektedir. Gerçekleştirilen dördüncü sayısal test ile mutlak doğrulama işlemleri hem düz hem de engebeli arazide gerçekleştirilmiş olup, bu iki farklı arazi tipinde elde edilen doğrulama sonuçları arasında iki katına varan farklar olduğu ortaya konulmuştur. Bu fark, düz alanlardaki noktaların daha yoğun ve homojen dağılım göstermeleri ve dolayısıyla topografyayı daha iyi temsil etmelerinden kaynaklanmaktadır. Tez çalışması kapsamında gerçekleştirilen son sayısal uygulamada, yapay sinir ağı algoritmasının gravite gridlemesindeki uygulanabilirliği araştırılmıştır. Gerçekleştirilen deneyler, yapay sinir ağı yaklaşımı kullanılarak gridlenen tamamlanmış Bouguer anomalilerinin, hesaplamada kullanılan parametrelerden (nöron-epok) bağımsız olarak her seferinde farklı sonuçlar ürettiğini göstermiştir. Bir başka deyişle, aynı parametrelerle gerçekleştirilen testlerde farklı grid değerlerine ulaşılmıştır. Bu deneyim, yapay sinir ağları ile gravite gridlemesinde tek anlamlı ve standart sonuçlar elde edilememesine neden olmaktadır. Özetle; gerçekleştirilen sayısal testler sonucunda, gridlemede kullanılan interpolasyon algoritmasının yüksek prezisyonlu geoidin belirlenmesinde kritik rol oynadığı ortaya çıkarılmıştır. Yapay sinir ağları yönteminin bu tez çalışmasında gravite verilerinin gridlenmesinde iyi sonuç vermediği görülmüştür. Ayrıca, gridlemede kullanılan Bouguer anomali tipinin seçiminde çalışma alanının topografyasının göz önüne alınması gerektiği sonucuna varılmıştır. Bunlara ek olarak, mutlak doğrulamada kullanılan GPS/Nivelman noktalarının dağılımının doğrulama sonuçlarını etkilediği tespit edilmiştir.

Özet (Çeviri)

In contemporary times, many countries have focused on obtaining orthometric heights through satellite-based positioning techniques, utilizing ellipsoidal heights and geoid heights derived from geoid models, as part of height system modernization efforts. This shift is primarily driven by several factors: the inherent limitations of traditional leveling, which is a costly, labor-intensive, and time-consuming process; the economic advantages of employing geoid models in conjunction with satellite-based positioning systems; the ability to obtain real-time physical height information; and the diminished susceptibility to the deformative effects of the Earth's crust. Given the ability to obtain highly accurate ellipsoidal heights using GNSS, the accuracy of regional geoid models directly impacts the determination of orthometric heights. In many methods used for the computation of gravimetric geoids, similar to the least squares modification of Stokes formula with additive corrections (LSMSA) technique utilized in this thesis, gridded free-air anomaly data are employed as input. Observed gravity data from the Earth's surface is heavily influenced by the gravitational field of the Earth due to topographic masses and cannot be directly utilized in the gridding process. Consequently, observed gravity data are first transformed into anomalies and then reduced to the geoid using Bouguer reduction, where the topography is represented by a Bouguer plate (or shell). The resulting Bouguer anomalies obtained in this manner are suitable for the gridding process and create a smooth surface. The selection of the Bouguer anomaly type (simple or complete) is performed considering the topography of the study area. Simple Bouguer anomalies can be used in studies conducted in plain areas with minimal topographic variations. However, complete Bouguer anomalies, which also incorporate the terrain correction (TC) effect, are essential for applications carried out in rough topography despite their higher computational burden. The determination of the most suitable Bouguer anomaly to be used in the gridding process in the study area of Auvergne, France, is conducted through numerical tests in the first part of this thesis. The investigations reveal differences exceeding 55.6 mGal between the two anomaly grids and 27 cm between the geoids generated from these grids. Therefore, in areas with complex topography such as Auvergne, the use of complete Bouguer anomalies incorporating terrain correction effects is crucial for obtaining precise gravimetric geoids. In the second numerical application of the study, a series of tests are conducted to determine the optimal parameters to be used in LSMSA, selected as the computation method for gravimetric geoids. The parameters identified here are adopted as the fundamental parameters for the geoids computed throughout the entire study. The third numerical application, constituting the main focus of this thesis, investigates the impact of interpolation methods on gravimetric geoid computation. Both the areal difference maps and absolute validation results obtained in this section demonstrate that the conventional methods such as Inverse Distance to a Power (IDP), Nearest Neighbor, and Kriging, which have been widely used for gridding gravity data in geodesy and geophysics for a long time, provide similar and reliable results. On the other hand, the Artificial Neural Network (ANN), a complex, optimization-based soft computing method with proven effectiveness in many fields, does not yield superior results compared to these three methods. As a conclusion, it is inferred that the interpolation algorithms have an impact on the gravity gridding outcomes and, consequently, the determination of the geoid model. GPS/Leveling points are typically measured in plain terrain rather than rugged areas due to the inherent challenges of their establishment in such environments. Absolute validation processes are conducted in both plain and rugged terrain during the 4th numerical test, revealing differences of up to two-times of magnitude between the validation results obtained in these two different terrains. This disparity stems from the denser and more homogenous distribution of points in plain areas, which more accurately captures the topography. As the final numerical application, the applicability of the ANN algorithm for gravity gridding is investigated. The conducted experiments demonstrated that the complete Bouguer anomalies gridded using the ANN approach yield distinct results each time, regardless of the employed parameters (neurons - epochs). Consequently, it is concluded that the ANN technique has not produced satisfactory results in the gravity gridding process, which is an important part of gravimetric geoid computation, in this thesis study. In summary of the conducted studies, the findings highlight the crucial role of the interpolation algorithm employed in high-precision geoid undulation calculations. Additionally, it has been concluded that the ANN method does not perform as well in the gridding process compared to traditional interpolation methods such as Kriging, IDP, and Nearest Neighbor. Furthermore, the type of Bouguer anomaly used in gridding is crucial, especially for rugged study areas. Lastly, it is noted that the distribution of GPS/leveling points used in absolute validation affects the validation results.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    877017

    Katmanlı imalat süreçlerinde plastik malzemelerin ısı altındaki davranışı ve üretime etkisi

    Thermal behavior of plastics during additive manufacturing process and impact of production parameters

    BÜRYAN TURAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KADİR KIRKKÖPRÜ

  2. Tez No

    467156

    Investigation into the effects of nano-materials and nano-polymers on clays

    Nano malzeme ve nano polimerlerin kil zeminler üzerindeki etkilerinin incelenmesi

    AMIN YEGANEH RIKHTEHGAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. BERRAK TEYMÜR

  3. Tez No

    676562

    İklimlendirme sisteminde farklı çalışma parametrelerinin ürün performansı üzerindeki etkilerinin incelenmesi

    Investigation of the effects of different operational parameters in air conditioning system on product performance

    ATILCAN ŞİMŞEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT ÇAKAN

  4. Tez No

    493863

    Triboelektrostatik ayırıcı tasarım parametrelerinin mineral ayırmada etkilerinin incelenmesi

    The investigation of the effects of design parameters of triboelectrostatic separator on mineral separation

    TAHSİN ONUR DİZDAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Maden Mühendisliği ve MadencilikHacettepe Üniversitesi

    Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZCAN YILDIRIM GÜLSOY

  5. Tez No

    828514

    Bıyokütle-kömür karısımlarının yanmasının incelenmesi

    Investigation of co-firing coal and biomass blends

    CANSU DENİZ CANAL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YAKUP ERHAN BÖKE

    PROF. DR. ALİ CEMAL BENİM

Geri Dön