Geri Dön

Multibeam batimetri ve insansız hava aracı tabanlı sayısal yükseklik modelinin karşılaştırmalı analizi ve bentik habitat haritalandırılması

Comparative analysis of multibeam bathymetry and unmanned aerial vehicle based digital elevation model and benthic habitat mapping

  1. Tez No: 957824
  2. Yazar: TUĞBA KILIÇ KAYA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. REHA METİN ALKAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Jeodezi ve Fotogrametri, Geodesy and Photogrammetry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  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: 89

Özet

Batimetrik ölçmeler; navigasyon, mekansal planlama, kıyı mühendisliği ve denizel ekosistem analizi dahil olmak üzere bir çok deniz ve kıyı uygulaması için gerekli olan üç boyutlu (3B) deniz tabanı modellerinin doğru bir şekilde oluşturulması için son derece önemlidir. Ayrıca, global ölçekte etkisini giderek arttıran iklim değişikliği ve antropojenik faaliyetler, yüksek çözünürlüklü ve güncel batimetrik verilere olan ihtiyacı arttırmaktatır. Bu durum ise kapsamlı deniz tabanı haritalarının üretilmesi için gelişmiş teknolojilerin kullanımını gerekli kılmaktadır. 3B deniz tabanı modelleri oluşturmak için çeşitli yöntemler mevcut olsa da günümüzde akustik teknikler standart bir yöntem haline gelmiştir. Bu tez çalışması kapsamında, İnsansız Hava Aracı (İHA) kullanılarak üretilen Sayısal Yükseklik Modeli (SYM)'nin batimetrik ölçme amacıyla kullanılabilirliği ve doğruluk performansı multibeam batimetri ile karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Ayrıca, Multibeam Echosounder (MBES) sistemleri ile eş zamanlı olarak elde edilebilen batimetri ve geri saçılım (backscatter) verilerinin habitat haritalama alanında kullanım potansiyeli araştırılmıştır. Bu amaç doğrultusunda, Ege Denizi ve Marmara Denizi'nde yer alan iki farklı çalışma alanında multibeam akustik iskandil ölçmeleri gerçekleştirilmiştir. Tezin ilk kısmında, İHA tabanlı SYM performansının değerlendirilmesi için hem kara hem de su kütlelerini kapsayacak şekilde önceden tasarlanan uçuş planı doğrultusunda İHA uçuşları gerçekleştirilmiştir. Üretilen SYM, aynı çalışma alanında multibeam akustik iskandil ölçmelerinden elde edilen yüksek çözünürlüklü, üç boyutlu batimetrik model ile karşılaştırılmıştır. Ancak, İHA tabanlı yöntemler, su altı topografyasının gerçek derinliğinden daha sığ algılanmasına neden olan ışığın kırılma etkisinden önemli ölçüde etkilenmektedir. Bu durum, üretilecek batimetrik modellerin doğruluğunu azaltmakta olup, bu etkiyi elimine etmek amacıyla SYM'ye ilk olarak bir düzeltme algoritması uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar, 5 metreye kadar nispeten sığ sularda 1.2 metre (RMSE) doğruluk elde edilebileceğini, yaklaşık 15 metre derinliklerde ise 2.0 metre (RMSE) doğruluk elde edilebileceğini göstermiştir. Bulgular, SYM doğruluğu ile su derinliği arasında ters korelasyon olduğunu ortaya koyarken güneş parıltısı etkisinin ölçme doğruluğu üzerindeki olumsuz etkisini de vurgulamaktadır. Elde edilen sonuçlar, akustik iskandil sistemlerinin uygulamasının güç veya maliyetinin yüksek olduğu alanlarda İHA teknolojisinin önemli bir alternatif sunabileceğini göstermektedir. Tezin ikinci kısmında, multibeam akustik iskandil ölçmeleri ile eş zamanlı olarak toplanan batimetri ve backscatter verileri kullanılarak bentik habitat haritalandırılması için denetimsiz bir sınıflandırma yaklaşımı sunulmaktadır. Bu kapsamda, toplanan akustik veriler ilk olarak çeşitli ön işleme adımlarından geçirilmiştir. Batimetrik veriler, Ters Mesafe Ağırlıklı Enterpolasyon (Inverse Distance Weighting - IDW) yöntemi ile enterpole edilerek sürekli bir yüzey modeli haline getirilmiş, backscatter mozaiğine ise veri kalitesini attırmak ve gürültüyü azaltmak amacıyla low-pass filtresi uygulanmıştır. Batimetri verisinden eğim ve bakı katmanları, bacskcatter mozaiğinden ise Gri Seviye Eş Oluşum Matrisi (Gray Level Co-occurrence Matrix - GLCM) kullanılarak doku özellikleri türetilmiştir. Bu çok boyutlu veri kümesinin boyutu, Temel Bileşenler Analizi (Principal Component Analysis - PCA) yöntemiyle en bilgilendirici bileşenler korunarak azaltılmıştır. Ardından, çalışma alanını dört sınıfa ayırmak için K-Means Kümeleme (K - Means Clustering) yöntemi kullanılmıştır. Sonuçlar, önerilen yöntemin zemin doğrulama verilerinin mevcut olmadığı durumlarda hızlı ve kolay bir biçimde habitat sınıflandırmasına olanak sağladığını göstermektedir. Multibeam akustik sistemlerin hem batimetri hem de backscatter verilerini eş zamanlı olarak toplayabilme yeteneği bu teknolojiyi deniz tabanı habitat haritalama açısından güçlü ve bütüncül bir araç haline getirmektedir.

Özet (Çeviri)

Bathymetric surveys are crucial for the accurate generation of three-dimensional (3D) seafloor models, which are indispensable for numerous marine and coastal applications, including navigation, morphological analysis, maritime spatial planning, and coastal engineering. Because of the rising global impacts of climate change and anthropogenic activities, the increasing need for high-resolution and up-to-date bathymetric data necessitates comprehensive mapping techniques. Although various methods exist for generating 3D sea bottom models, acoustic techniques have become the standard tool for depth measurement today. Generally recognized as the most traditional and low-risk form of seafloor data collection, Singlebeam Echosounder (SBES) technology provides relatively inexpensive and practical depth measurements. However, SBES is not designed for complete and continuous seafloor coverage, leaving gaps between survey lines. Depth measurements with multibeam systems, which eliminate this disadvantage by providing 100% coverage and are faster, have become widespread. Moreover, the MBES system allows for the simultaneous acquisition of bathymetry and backscatter data. While bathymetric data provides information about the water depth, backscatter data can be used as a proxy for seabed hardness. Backscatter data can also provide insights into sediment grain size and seafloor roughness. Such measurements can be used to characterize the habitat in which marine fauna live and thus explain spatial patterns of seafloor biology and biodiversity. The integration of bathymetry and backscatter data collected by a multibeam echosounder system allows for the creation of very detailed 3D seafloor maps and the habitats found there. Within the scope of the thesis, the comparative analysis of multibeam bathymetry and Digital Elevation Model (DEM) generated using Unmanned Aerial Vehicle (UAV) and the use of backscatter data obtained simultaneously using multibeam systems for benthic habitat mapping were investigated. The study was conducted in two distinct regions in the Aegean and Marmara Seas, each selected for its unique morphological and environmental characteristics. For the first study, the selected area was Ali Bostan Bay in İzmir. Located on the coast of the Aegean Sea, Ali Bostan Bay is a natural bay known for its clear waters, which provide suitable conditions for research on UAV-based bathymetric surveys. The focus area for the second study was Avşa Island in Balıkesir. Avşa Island, located in the Sea of Marmara, covers an area of approximately 21 square kilometers and has a coastline of about 28 km. In the first stage of the thesis, UAV-based DEM was compared with the 3D bathymetric model derived from the multibeam acoustic survey to investigate the usability of UAV-based systems in bathymetric measurements. In the second stage, the focus was on using bathymetry and backscatter data obtained simultaneously with a multibeam acoustic survey within the scope of benthic habitat mapping. The first part of the thesis evaluated the performance of UAV-based Digital Elevation Model (DEM) for bathymetric surveying. For this evaluation, DEM was produced as a result of UAV flights carried out in accordance with the flight plan designed in advance to cover both land and water masses, which was compared with the highly accurate multibeam acoustic measurements carried out in the same study area. However, the refraction significantly affects UAV-based methods, causing submerged features to appear shallower than their actual depth, thereby reducing the accuracy of the bathymetric model. A correction algorithm was used to overcome this refraction limitation, which the geometry describes as Snell's Law. This correction relies on the refractive index of clear water, which is defined as 1.34, with variations of less than 1% (\pm0.007) observed across a broad range of salinity and temperature conditions. The obtained results demonstrated that an accuracy of 1.2 meters (RMSE) can be achieved in relatively shallow waters up to 5 meters, and an accuracy of 2.0 meters (RMSE) can be achieved at depths of approximately 15 meters. The findings showed a negative correlation between depth and UAV-based DEM accuracy, along with the influence of sun glint on UAV-based DEM accuracy. The study's results highlight the potential of UAV technology to advance bathymetric surveying capacity, particularly for MBES systems, which are either impractical, logistically limited, or economically unfeasible. Thus, this technology is becoming a valuable tool for coastal studies and comprehensive mapping. As a second part of the thesis, an unsupervised classification approach is presented for benthic habitat mapping using bathymetry and backscatter data simultaneously collected from the multibeam acoustic survey. In this context, acoustic data were first subjected to various pre-processing steps. Following this, the Inverse Distance Weighting (IDW) interpolation method was used to form a continuous seafloor model, and a low-pass filter was applied to the backscatter mosaic to minimize noise. Derivatives of bathymetric data, including slope, aspect as northness and eastness, were computed to capture seafloor topographic variability, while backscatter mosaic was analyzed using texture-based approaches using Gray Level Co-occurrence Matrix (GLCM). First-order statistics, such as the variance, mean, skewness, and kurtosis, are the most straightforward and commonly used descriptors of image features for most image analysis applications. These statistics are calculated from histograms of gray-level values in images, which reflect the values of individual pixels, without considering the spatial relationship between pixels. Consequently, histogram-based features do not represent patterns or objects in the image; they only describe gray-level distribution. To overcome this limitation, many texture analysis techniques rely on higher-order statistics, which simultaneously examine the relationship among two or more pixels. One widely used technique is the GLCM, which captures the spatial relationships between neighboring pixels in an image. From the GLCM, Haralick texture features are extracted, which offer clarity and straightforward interpretation, making them valuable in various applications. In this study, Haralick texture features are computed from the GLCM calculated using a rectangular window of 7x7 pixels. Although larger window sizes such as 17x17 and 21x21 were tested in the study, the 7x7 window size was preferred as it more effectively discriminates minor seafloor variations while minimizing noise in the GLCM layers. Six Haralick texture layers are derived from the 32-bit backscatter mosaic: mean, contrast, dissimilarity, entropy, homogeneity, and angular second moment. Subsequently, Principal Component Analysis (PCA) was carried out to reduce dimensionality while preserving the most informative components. After identifying the essential layers, the K-Means clustering algorithm was applied as an unsupervised learning method for data clustering to segment the study area into four potential habitat types. The results revealed that the proposed method enables rapid and effective habitat classification in the absence of ground truth data. Multibeam echosounders are widely preferred systems for marine habitat mapping studies due to their ability to acquire both bathymetry and backscatter data simultaneously, providing high-resolution and full-coverage information over large areas in a relatively short survey time. However, despite the increasing application of the MBES dataset in marine habitat mapping studies, standardized data acquisition, processing, and classification approaches are still being developed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    814298

    Sapanca Gölü'nde Kuzey Anadolu Fayı nedeniyle gelişen pockmarkların yarı-otomatik sistemle tespit edilmesi ve morfolojik analizleri

    Detection and morphological analysis of pockmarks developed due to North Anatolia Fault in Sapanca Lake with semi-automatic system

    ENES SÖNMEZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜLYA KURT

  2. Tez No

    343073

    Güney Marmara (Karabiga-Gemlik arası) yakın kıyı alanları pliyo-kuvaterner yapılarının sismik yansıma verileriyle incelenmesi

    Examining the plio-quaternary structures of Southern Marmara (Betweeen Karabiga and Gemlik) shoreface area with seismic reflection data

    DENİZHAN VARDAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Deniz Bilimleriİstanbul Üniversitesi

    Deniz Jeolojisi ve Jeofiziği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KURULTAY ÖZTÜRK

    DOÇ. DR. CENK YALTIRAK

  3. Tez No

    490184

    Güney Karadeniz şelfinde Cide-Sinop açıklarının batimetri ve sismik yansıma verileri ile araştırılması

    Investigation of Cide-Sinop offshore, Southern Black Sea shelf by bathymetry and seismic reflection data

    YELİZ İŞCAN ALP

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ASIM OĞUZ ÖZEL

    DOÇ. DR. NESLİHAN OCAKOĞLU GÖKAŞAN

  4. Tez No

    643766

    Sapanca Gölü'ne ait yüksek çözünürlüklü sismik verilerin işlenmesi, gölün yapısal ve stratigrafik yorumlanması

    Processing and interpretation of high-resolution marine seismic reflection profiles for recognition of faulting and sediment classification: Lake of Sapanca Turkey

    ESRA GÖNÜL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜLYA KURT

  5. Tez No

    244021

    İzmir körfezinin çok ışınlı üç boyutlu batimetri haritası ve sığ sedimanter yapısının incelenmesi

    3-D multibeam bathymetry map and shallow sedimentary structure of the İzmir gulf

    SÜLEYMAN COŞKUN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    Deniz BilimleriDokuz Eylül Üniversitesi

    Deniz Bilimleri ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DERMAN DONDURUR

Geri Dön