Tez Arşivi

Hakkımızda

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Anabilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı

An investigation on the contribution of GOCE satellite mission to regional geoid modelling in Turkey

GOCE uydu misyonunun Türkiye'de bölgesel geoit modellemeye katkısı üzerine bir inceleme

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 439603 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

The Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer (GOCE) satellite was launched on March 2009 and it completed its mission in November 2013. Over 30 Global Geopotential Models (GGM) have been published using data collected by GOCE with various combinations of data sets. With the contribution of dedicated gravity field satellite missions and improved methodologies, computation of precise geoid model that can replace the existing vertical datum is possible. Some countries, such as Canada, adopted geoid-based vertical datum which facilitates the use of GNSS technologies to derive orthometric heights from ellipsoidal heights precisely. Currently, there are ongoing height modernization efforts to re-define the vertical datum in Turkey. Through this modernization, methodological developments and new approaches are needed to be investigated as well as acquiring the optimum data set to determine a centimeter accuracy geoid model. In the first part of this study, the evaluation of the performance of the recent GOCE-only and GOCE-GRACE models using four different GPS/Levelling data sets in Turkey are presented. Direct (DIR), Time-wise (TIM), Space-wise (SPW), GOCO and GOGRA models are evaluated. In order to make the models comparable with the observation dataset, spectral enhancement method is applied. In the calculation of geoid heights, high-frequency components of the gravity field are computed from EGM2008 and Residual Terrain Model (RTM). The standard deviations of the evaluated models are compared with the combined model EGM2008. As a result of the assessment of global geopotential models, the contribution of GOCE in the medium wavelength is obvious. There are significant improvements in the releases of the models. In the second part of the study, the models DIR R5, TIM R5 and GOCO05S, which shows superior agreement with the GPS/Leveling data sets, are used in the computation of regional geoid via the classical Remove-Compute-Restore (RCR) and KTH approach, also known as the Least Squares Modification of Stokes' formula (LSMS), to clarify the contribution of GOCE mission to the gravimetric geoid modeling in Turkey. The theoretical differences of the two geoid modelling methods are provided with their performance comparisons based on numerical results. The geoid models are tested using 30 GPS/Levelling benchmarks distributed through the whole Turkey, besides the local validation is carried out in the Marmara region using 81 GPS/Levelling benchmarks. In RCR method, the standard deviations of the geoid models that are computed with GOCE models show the same performance compared to that of EGM2008 at the same degree. The best results are achieved when the optimum degree of global geopotential model is used. In KTH method, the best results are achieved when the cap size is 0.1o and EGM2008 is used up to 360 degree and order. Additionally, GOCE models performed better in the geoid modelling compared to EGM2008 at the same degree. The standard deviation of the geoid computed with the maximum degree of the model is smaller than that of the optimum degree of the model. So it can be said that KTH method minimizes the effect of the low quality terrestrial gravity data using the high-frequency information of the global geopotential model. The best standard deviations are found as 22.4 cm and 17.6 cm (before fitting the geoid models to regional vertical datum) using RCR and KTH methods at 30 GPS/Levelling points, respectively. After the corrector surface fitting is applied at GPS/Levelling data sets using different parametric models, the performance of the models are compared to each other and Turkey Geoid (TG03). At 30 TUTGA points, 4-parameter Helmert similarity transformation model shows better results and the standard deviations are 21.2 and 16.6 cm for RCR and KTH methods respectively. The standard deviation of TG03 is 16.1 cm for the same data set. At 81 TUTGA points, the performance of RCR model is better than KTH model. However, both model cannot reach the accuracy of TG03 which is 6.3 cm. The best standard deviation is achieved when the 5t h degree polynomial model is used, but the cross-validation results revealed that the optimal model is the 3rd degree polynomial model. At IGNA points, the performance of KTH model is slightly better than RCR model. There is no significant difference in terms of standard deviations for 3rd , 4t h and 5t h degree polynomial models. Thus, 3rd degree polynomial model is preferred as optimal. The validations at the test points confirms this result as well. the Both models outperform the TG03 in that region about 4 cm. The validations at Izmir points shows that the best model is 5t h degree polynomial model for RCR and KTH. The standard deviations for RCR and KTH are 6.9 cm and 7.2 cm at the test points. TG03 performs better than both models. In conclusion, the computed geoid models are not accurate enough to be used for transforming ellipsoidal heights to orthometric heights because of the low accuracy of the terrestrial gravity data. Additionally, in order to make more clear statements about the performance of the RCR and KTH methods in Turkey, a better set of GPS/Levelling points whose distribution represents the changes of the topography must be used.

Summary:

GOCE uydu gravite misyonu Kasım 2013'de görevini tamamladı. GOCE verileri kullanılarak yaklaşık 30 un üstünde global jeopotansiyel model yayımlandı. Gravite uydu misyonlarının katkılarıyla ve gelişen teorik araştırmalarla birlikte, geleneksel düşey datumun yerini alabilecek yüksek doğruklu geoidin hesaplanabilmesi günümüzde mümkündür. Bazı ülkeler, örneğin Kanada, düşey datumlarını geoide dayandırarak elipsoidal yüksekliklerin ortometrik yüksekliklere dönüştürülmesinde GNSS teknolojilerinin kullanımına olanak sağlamışlardır. Türkiye'de 1970'den beri farklı geoit modelleri hesaplanmıştır ve güncel geoit modellerinin doğrulukları yaklaşık 8 cm olarak rapor edilmiştir. Ancak, pratik uygulamalarda yükseklik dönüşümü için bu doğruluk ne yazık ki gereksinimi karşılamamaktadır. Türkiye'de yükseklik sistemi modernizasyonu çalışmaları son yıllarda hız kazanmıştır. Bu modernizasyon sürecinde yeni veri setlerinin, özellikle gravite verisinin, elde edilmesi için yapılan çalıs¸maların yanında metodolojik gelişmeler ve yeni teorilerin araştırılması ve Türkiye için en uygun bölgesel geoit belirleme yönteminin ortaya konulması büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, Türkiye'de "Kaldır-hesapla-yerine koy (RCR)" yöntemi ve "Stokes integralinin en küçük kareler modifikasyonu (KTH)" yöntemleri kullanılarak bölgesel geoit modelleri hesaplanmıştır. Bu kapsamda, en uygun veri setinin kullanılabilmesi için uzun dalga boylu bileşenin hesaplanmasında kullanılan farklı global jeopotansiyel modeller test edilmiştir. Test edilen modeller GOCE uydu misyonu verisi kullanılarak hesaplanan Direct (DIR), Time-wise (TIM), Space-wise (SPW), GOCO ve GOGRA modellerinin yayınlanan tüm sürümlerini içermektedir. Böylelikle GOCE uydu misyonunun Türkiye'de geoit belirlemeye olan katkısı ortaya konulmuştur. Modeller, dört farklı GPS nivelman veri seti ile Spektral İyiles¸tirme Yöntemi (Spectral Enhancement Method - SEM) kullanılarak mutlak anlamda karşılaştırılmıştır. Modellerin iyileştirilmesinde 2190 derece/mertebe açılıma sahip EGM2008 modeli ve SRTM sayısal yükseklik modeli ile hesaplanan Artık Arazi Modeli (Residual Terrain Model - RTM) kullanılmıştır. Karşılaştırmada kullanılan GPS nivelman verilerinden 30 adet TUTGA noktaları Türkiye genelinde dağılıma sahiptir. 81 TUTGA noktası Marmara bölgesinde 3^ox4^o alanda homojen dağılıma sahiptir. 1204 adet IGNA ve 301 adet IzJRS-2001 noktaları sırasıyla Istanbul ve Izmir'de sıklaştırma ağı amacıyla elde edilen lokal ağlara aitlerdir ve yayıldıkları alanlar Türkiye'nin tamamı ele alındıg˘ ında çok küçük kalmaktadır. 30 GPS nivelman noktasında yapılan kıyaslamalar sonucunda modellerde orta dalga boyunda EGM2008'e göre iyileşme gözlenmiştir ancak iyileşmenin miktarı en fazla TIM R5 modelinde 2 cm olarak bulunmuştur. Modellerin son sürümlerinde optimum dereceler 205-235 derece arasında çıkmaktadır. 81 noktada ise orta dalga boyunda EGM2008'e göre iyileşme miktarı tüm modeller için ortalama 4 cm'i bulmaktadır ve optimum derece 155 olarak gözlenmis¸tir. Istanbul ve Izmir'de yapılan kıyaslamalarda da büyük miktarda iyileşmeler görülse de sayısal sonuçlar modellerin lokal özelliklerini göstermis¸ olup modellerin sürümlerindeki iyiles¸me 30 ve 81 TUTGA noktasında açıkça görüldüğü gibi gözlenememiştir. Genel olarak DIR R5, TIM R5 ve GOCO05S modelleri GPS nivelman verisi ile en iyi uyum gösteren modeller olmus¸tur. Bu modeller, RCR ve KTH geoit belirleme yöntemlerinde kullanılarak EGM2008 ile hesaplanan geoit modellerine göre yaptıkları iyileştirmeler incelenmiştir. RCR yönteminde yapılan sayısal validasyonlarda Stokes integralinin hesaplanmasında integrasyon alanında kısıtlama yapılmadığında, yani integrasyon yarıçapı kullanılmadığında en iyi sonuç elde edilmiştir. Bunun temel sebebi, klasik anlamda RCR yönteminde kullanılan Stokes integrali modifiye edilmemis olup orjinal kerneli kullanır. Bu durum, integrasyon yarıçapı kullanıldığında büyük miktarda kesme hatasının oluşmasına sebep olmaktadır. GOCE modelleriyle yapılan hesaplamalarda ise elde edilen geoit doğrulukları EGM2008 ile elde edilen doğruluklarla benzer sonuçlar vermektedir ve modellerin optimum dereceleri maksimum derecelerinden daha iyi sonuç vermektedir. 30 noktada yapılan kıyaslamada sistematik hata giderilmemiş halde bulunan en iyi standart sapma 22.0 cm'dir.KTH yönteminde, optimum parametrelerin belirlenmesi amacyla EGM2008 modeli kullanılarak farklı integrasyon yarıçapları, global jeopotansiyel model derecesi ve yersel gravite verisi varyans değeri denenmiştir. Yersel gravite verisinin varyans değerindeki değişim geoit doğruluğunda anlamlı bir farka sebep olmamıştır. Integrasyon yarıçapı 0.1o ve EGM2008 modeli 360 dereceye kadar kullanıldığında en iyi standard sapma elde edilmis¸tir. Integrasyon yarıçapı azaldıkça ve model derecesi arttıkça görülen iyileşme, yersel verideki hatanın geoide etkisinin global jeopotansiyel modelden gelen yüksek frekanslı bileşen ile dengelenebildiğini göstermektedir. GOCE modelleri KTH yöntemi ile geoit hesabında EGM2008 ile aynı açılım derecesi kullanıldığında daha iyi sonuç vermektedir ve modellerin maksimum dereceleri optimum derecelerinden daha düşük standart sapmaya sahiptir. 30 noktada yapılan kıyaslamada (fit öncesi) bulunan en iyi standart sapma RCR için 22.4 cm ve KTH için 17.3 cm'dir. Sonuç olarak Türkiye'de KTH yöntemi RCR yönteminden daha iyi sonuç vermektedir. GPS/Nivelman verisi ile hesaplanan geoit yükseklikleri ile hesaplanan artik geoit yüksekliklerindeki rastlantısal ve sistematik hataların etkilerinin modellenebilmesi için farklı parametrik modeller ile regresyon analizi yapılmıs¸ ve geoit modelleri üzerine düzeltmeler getirilerek tekrar doğrulukları hesaplanmıştır. 30 TUTGA noktasında yapılan analizlerde nokta sayısının yetersizliği sebebiyle en düşük parametreli modellerden 4 parametreli benzerlik dönüşümü ve 1. derece polinom kullanılmıs¸tır. Analizin sonucunda, 4-parametreli benzerlik dönüs¸ümü daha iyi sonuç vermis¸ olup RCR modelinin doğruluğu 21.2 cm ve KTH modelinin doğruluğu 16.6 cm olarak bulunmuştur. Aynı veri seti ile Türkiye Geoidi 2003 (TG03) 16.1 cm uyuşum göstermiştir. 81 TUTGA veri setinde yapılan analizlerde 5. derece polinom modeli en iyi standart sapmayı verse de, çapraz doğrulama sonuçları 3. derece polinom modelinin optimum olduğunu göstermiştir. Istanbulda IGNA veri setinde yapılan analizlerde RCR ve KTH modelleri TG03 modelinden yaklaşık 4 cm daha iyi sonuç vermis¸tir. KTH modelinin performansı RCR modelinden daha iyi bulunmuş olsada aradaki fark 3 mm'yi geçmemektedir. 3., 4. ve 5. derece polinom modellerinin standart sapmaları arasındaki fark çok küçüktür ve test noktalarında yapılan sonuçlarla 3. derece polinom modeli yine optimum bulunmuştur. Izmir bölgesinde yapılan analizler sonucunda, IGNA veri setinde olduğu gibi, RCR ve KTH yöntemi arasında anlamlı bir performans farkı görülmemiştir. 5. derece polinom modelini her iki geoit modeli için en iyi sonuç vermiştir. Ancak elde edilen standart sapmalar TG03 modelinden daha kötü bulunmuştur. Sonuç olarak, hesaplanan geoit modellerinin doğrulukları, kullanılan yersel verinin düs¸ük doğruluğu sebebiyle elipsoidal yüksekliklerden doğrudan ortometrik yükseklik türetmek için yetersizdir. Ayrıca, RCR ve KTH yöntemlerinin Türkiye'deki performansları hakkında kesin yargılarda bulunabilmesi için topoğrafyanın değişimini temsil eden, yeterli sıklıkta tüm Türkiye'ye homojen bir s¸ekilde dağılmış GPS/nivelman veya astro-jeodezik çekül sapması veri setlerine ihtiyaç vardır.