PSI yöntemi ile Heyelan İzleme ve Deformasyon Haritalama

Tez çalışması kapsamında PSI analizi ile heyelan izleme ve deformasyon haritalama uygulaması hem Zonguldak ili Devrek ilçesi Karşıyaka mahallesinde meydana gelen heyelan alanı üzerinde çok uzun dönemli dönem için (1992-2015 yılları arasında) ERS- 1, ERS-2, Envisat ASAR ve Sentinel-1A uydu SAR görüntüleri kullanılarak, hem de Bolu ili Göynük ili Himmetoğlu köyünde meydana gelen heyelan alanı üzerinde 2017 yılının 9 aylık dönemde Sentinel-1A uydu SAR görüntüleri uygulanarak gerçekleştirilmiştir. ENVI Sarscape modülü kullanılarak gerçekleştirilen PSI analizi uygulamasında temel olarak aşağıdaki işlem adımları uygulanmaktadır [378]:

1. Bağlantı Grafik Oluşturma (Connection Graph Generation)

2. İlgi Alanının Belirtilmesi (Area of Interest Definition) (Opsiyonel) 3. Interferometrik İş akışı (Interferometric Workflow)

3.1. Eş Kayıt etme (Co-registration)

3.2. Interferogramların üretilmesi ve dünyanın düz olduğu kabul edilerek hesaplanan referans fazın silinmesi (Interferogram generation and Flattening)

3.3. Ortalama güç görüntüsü ve genlik dağılım indeksinin oluşturulması (Mean power image and amplitude dispersion index generation) (MuSigma)

4. Inversion: İlk Adım (Inversion: First Step)

4.1. Koherens, hız ve artık topoğrafya hesaplama (Coherence, velocity and residual topography estimation)

5. Inversion: İkinci Adım (Inversion: Second Step)

5.1. Atmosfer deseni yok etme (Atmosphere pattern removal)

5.2. Koherens, hız ve artık topoğrafya hesaplama (Coherence, velocity and residual topography estimation)

5.3. Yerdeğiştirme bileşen hesaplama (Displacement component estimation) 6. Coğrafi Kodlama (Geocoding)

6.1. Hız ve hassas sonuçların geo kodlanması (Velocity and precision results geocoding)

6.2. Yerdeğiştirme geo kodlanması (Displacement geocoding)

PSI analizinin yukarıda belirtilen işlem adımlarına başlamadan önce ENVI ve Sarscape modülünün ayarları kullanılacak veri tipine bağlı olarak ayarlanmalıdır. Tez kapsamında gerçekleştirilen uygulamalarda belirlenen alanlar öncelikle radyometrik ve interferometrik faz açısından zaman serileri boyunca stabil kalacak saçıcıların mevcut olduğu (orman örtüsünün olmadığı veya kentsel alanlar gibi) alanlar olduğu için seçilmiştir. Bu hepsinden önce PSI analizinin uygulanabilmesi için oldukça önemli bir kriterdir. Ayrıca seçilen alan üzerinde PSI analizi için önemli olan yeter sayıda girdi SAR görüntüsünün mevcut olması da gerekmektedir. Çünkü kullanılan görüntü sayısı piksel koherens hesaplaması için ve yeterli doğrulukta kalıcı saçıcıların belirlenebilmesi için önem arz etmektedir. Yeterli sayıda görüntü kullanılarak analiz yapılmaması durumunda bütün alan üzerinde gereğinden fazla sayıdsa PS elde edilmesi yanı sıra yanlış yerdeğiştirme hesaplamaları yapılmasına sebep olacaktır. Genel olarak PSI analizleri için kullanılması gereken SAR görüntülerinin en az 20 tane olması gerektiği ifade edilmektedir [378].

PSI analizi işlem adımlarından birincisi olan bağlantı grafik oluşturma aşamasında Sarscape modülünde girdi olarak tanımlanan SLC formatındaki SAR görüntülerinden çoklu interferogram çiftleri oluşturulmasında ana görüntü ile yardımcı görüntülerin belirlenerek bunlar arasındaki bağlantı ağının oluşturulması işlemleri gerçekleştirilmektedir. Bu adımda tanımlanan N adet görüntüden maksimum N-1 adet interferogram çifti oluşturulmaktadır. Bu aşamada ana görüntü tanımlanan girdi SAR görüntüler içerisinden otomatik olarak yazılım tarafından belirlenmektedir. Aynı zamanda kullanıcı tarafından da ana görüntü seçimi mümkün olabilmektedir. Ancak kullanıcı tarafından ana görüntü seçimi kesin surette gerekli bir durum değildir. Çünkü final sonuçlar, üzerinde bu seçimden etkilenmemektedir [382]. Hatta kullanıcı tarafından ana görüntü seçimi maksimum adette interferogram çifti elde edememe riski de içermektedir. Bu adımda belirlenen bağlantılar yazılım tercihlerinde tanımlanan konumsal ana hat mesafe değerleri içinde oluşturulmaktadır. Önceden tanımlı olarak yazılımda konumsal ana hat mesafesi kritik ana hat mesafesinin %500’ü olacak

şekildedir. Yani SAR görüntüleri arasındaki ana hat mesafesinin bu eşik değerini aşması durumunda interferogram çiftleri oluşturulamayarak PSI analizinden çıkarılacaktır.

Zonguldak ili Devrek ilçesi Karşıyaka mahallesinde meydana gelen heyelan alanı üzerinde kullanılan ERS-1 ve ERS-2 uydu görüntüleri ile ilk analiz gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda 29 adet görüntü analize dâhil edilmiştir. Bu görüntülerden 7 Ocak 2000 tarihli görüntü ana görüntü olarak yazılım tarafından seçilmiştir. Buna bağlı olarak elde edilen zaman-pozisyon grafiği (time-position plot) ve zaman-ana hat mesafesi grafiği (time-baseline plot) Şekil 2.16’da verilmektedir. Yazılım ayrıca tanımlanan bilgisayar konumunda veri işleme sonucu oluşturulan klasörleri saklamaktadır. Bu klasör içerisinde PSI analizi ile yapılan her bir işlem adımına ait bir alt klasör de oluşturmakta ve üretilen verileri buralarda saklamaktadır. ERS-1 ve ERS-2 görüntüleri ile gerçekleştirilen ilk işlem adımına ait klasör içerisinden belirlenen görüntü çiftlerine ait ortalama ana hat mesafesi bilgileri ile hız ve yükseklik hassasiyet bilgileri burada oluşturulan metin dosyasından öğrenilebilmektedir. Buna göre seçilen ana görüntü referans alınarak yardımcı görüntüler arasındaki ana hat mesafesi 1.122,22 m ile -994,05 m arasında değişen farklı değerler almaktadır (Şekil 2.16). Seçilen ana görüntü referans alındığında yardımcı görüntüler ile arasındaki maksimum zamansal fark ise 3.094 gün olarak elde edilmiştir. Aynı alan üzerinde ERS-1 ve ERS-2 uydularına ait SAR görüntülerinin devamı olarak temin edilen 40 adet Envisat ASAR uydu SAR görüntülerine aynı işlem uygulanmıştır. Envisat ASAR görüntüleri arasından 9 Mayıs 2008 tarihli görüntü ana görüntü olarak yazılım tarafından otomatik olarak seçilmiştir.

Buna bağlı olarak elde edilen zaman-pozisyon grafiği ve zaman-ana hat mesafesi grafiği Şekil 2.17’de verilmektedir. Seçilen ana görüntü referans alınarak belirlenen ana hat mesafe değerleri Envisat ASAR uydu SAR görüntüleri için 875,54 m ile -598,46 m arasında değişmektedir (Şekil 2.17). Seçilen ana görüntü referans alındığında yardımcı görüntüler ile arasındaki maksimum zamansal fark 1.610 gün olarak elde edilmiştir. Yine Zonguldak ili Devrek ilçesi Karşıyaka mahallesinde meydana gelen heyelan alanı üzerinde ERS-1, ERS-2 ve Envisat ASAR uydularına ait SAR görüntülerinin devamı olarak temin edilen 22 adet Sentinel-1A uydu SAR görüntülerine aynı işlem uygulanmıştır. Envisat ASAR uydusuna ait son görüntü 23 Temmuz 2010 tarihli olup Sentinel-1A uydusuna ait ilk görüntü 16 Ekim 2014 tarihlidir.

Şekil 2.16. Zonguldak ili Devrek ilçesi Karşıyaka mahallesi heyelan alanında ERS-1 ve ERS-2 uydu SAR görüntülerinin birlikte kullanıldığı PSI analizinde elde edilen bağlantı ağı grafikleri Envisat ASAR uydusu ile Sentinel-1A uydusundan temin edilen SAR görüntüsü arasında 1.546 gün (yaklaşık 4,2 yıl) için veri temin edilememiştir. Çünkü ESA arşivlerinde Envisat ASAR uydusuna ait daha sonraki zamanlar için veri bulunmazken, Sentinel-1A ise 3 Nisan 2014 tarihinden itibaren misyonuna başlamıştır. Ancak yine de heyelan 16 Temmuz 2015 tarihinde tetiklendiği için heyelana yakın dönemler boyunca meydana gelen yerdeğiştirmelerin yakalanabilmesi için Sentinel-1A verisi de analize dâhil edilmiştir. Sentinel-1A görüntüleri arasından 8 Ocak 2015 tarihli görüntü ana görüntü olarak yazılım tarafından otomatik olarak seçilmiştir. Buna bağlı olarak elde edilen zaman-pozisyon grafiği ve zaman-ana hat mesafesi grafiği Şekil 2.18’de verilmektedir. Seçilen ana görüntü referans alınarak belirlenen ana hat mesafe değerleri Sentinel-1A uydu SAR görüntüleri için 115,60 m ile -77,05 m arasında değişmektedir (Şekil 2.18).

Şekil 2.17. Zonguldak ili Devrek ilçesi Karşıyaka mahallesi heyelan alanında Envisat ASAR uydu SAR görüntülerinin kullanıldığı PSI analizinde elde edilen bağlantı ağı grafikleri.

Seçilen ana görüntü referans alındığında yardımcı görüntüler ile arasındaki maksimum zamansal fark 204 gün olarak elde edilmiştir. Tez çalışması kapsamında PSI analizi daha önce de belirtildiği gibi Bolu ili Göynük ilçesi Himmetoğlu köyünde meydana gelen heyelan alanı üzerinde de Sentinel-1A uydu SAR görüntüleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda toplamda 26 adet SAR verisi 2017 yılının 9 aylık bir dönem için temin edilmiştir. Temin edilen görüntüler arasından 12 Eylül 2017 görüntü ana görüntü olarak yazılım tarafından otomatik olarak seçilmiştir. Buna bağlı olarak elde edilen zaman-pozisyon grafiği ve zaman-ana hat mesafesi grafiği Şekil 2.19’da verilmektedir. Seçilen ana görüntü referans alınarak belirlenen ana hat mesafe değerleri Sentinel-1A uydu SAR görüntüleri için 69,45 m ile -100,08 m arasında değişmektedir (Şekil 2.19).

Şekil 2.18. Zonguldak ili Devrek ilçesi Karşıyaka mahallesi heyelan alanında Sentinel-1A uydu SAR görüntülerinin kullanıldığı PSI analizinde elde edilen bağlantı ağı grafikleri

Seçilen ana görüntü referans alındığında yardımcı görüntüler ile arasındaki maksimum zamansal fark 192 gün olarak elde edilmiştir. Elde edilen veriler bir önceki bölümde de bahsedildiği gibi çalışma alanını kapsayacak şekilde görüntü kesme işlemi uygulandığı için PSI analizinin ikinci adımı olan ve zaten opsiyonel olan İlgi Alanının Belirtilmesi aşaması atlanmıştır. Dolayısıyla bundan sonra üçüncü adım “Interferometrik İş akışı” uygulanmıştır.

Şekil 2.19. Bolu ili Göynük ilçesi Himmetoğlu köyü heyelan alanında Sentinel-1A uydu SAR görüntülerinin kullanıldığı PSI analizinde elde edilen bağlantı ağı grafikleri

PSI analizinde zorunlu olan bu aşamada yazılım tarafından görüntü eş kayıt etme, interferogramların üretilmesi ve referans fazın silinmesi ile birlikte genlik dağılım indeksinin oluşturulması işlemleri gerçekleştirilmektedir. Görüntü eş kayıt etme aşamasında seçilen ana görüntü referans alınarak diğer bütün görüntülerin onun üzerine eş kayıt edilmesi işlemi gerçekleştirilmektedir. Standard InSAR işlemlerinden farklı olarak PSI analizi noktasal hedefleri belirlemeye çalıştığı için burada spektral kayma ve Doppler bant genişliği filtreleri uygulanmamaktadır [378]. Görüntü eş kayıt işlemi ile

başarılı şekilde eş kayıt edilen her bir yardımcı görüntü kullanılarak aynı ana görüntü ile interferogramlar üretilmektedir. Bu aşamanında tamamlanması ile yazılıma tanımlanan referans DEM verisi kullanılarak interferogramlara referans fazın silinmesi işlemi gerçekleştirilir. Bu aşamada Zonguldak ili Devrek ilçesi Karşıyaka mahallesi heyelan alanında 10 m yersel çözünürlüklü DEM verisi kullanılmıştır. Bolu ili Göynük ilçesi Himmetoğlu köyü heyelan alanında ise yazılım tarafından otomatik olarak indirilen 30 m yersel çözünürlüklü SRTM-3 V2 DEM verisi kullanılmıştır. Ancak DEM verisinin temin edilememesi durumunda bu işlem elipsoidal model kullanılarak da çalıştırılabilmektedir. Ayrıca bu aşamada yazılımda, ana görüntünün, topoğrafyanın yok edilmesinde daha iyi sonuçlar alınabilmesi için DEM verisi ile daha doğru örtüştürülmesi amacıyla YKN dosyası da tanımlanabilmektedir. Ancak yapılan uygulamalar için bu aşamada ana görüntü zaten yardımcı yörünge dosyaları ile düzeltme işlemine tabi tutulduğundan YKN dosyası tanımlanması gerekmemektedir. İnterferogramların üretilmesi ve dünyanın düz olduğu kabul edilerek hesaplanan referans fazın silinmesi işleminden sonra genlik dağılım indeksi oluşturulmuştur. Genlik dağılım indeksi (D) aşağıdaki formül ile hesaplanmaktadır [378]:

denklemde 𝜎 belirli bir piksel için genlik değerinin zamansal standard sapması ve 𝜇 belirli bir piksel için genlik değerinin zamansal ortalamasıdır. Burada bütün seri boyunca daimi olarak benzer, göreceli olarak büyük genlik değerine sahip olan bir pikselin küçük faz dağılımına sahip olduğu beklenmektedir. Bundan dolayı bu denklem ile belirlenen ilişki potansiyel olarak koherent noktaların tanımlanmasına imkân sağlamaktadır. Küçük indeks değerlerinin büyük faz standard sapmasına sahip olmaları beklenirken büyük indeks değerlerinin daha küçük faz standard sapmasına olmasına beklenmektedir. Burada D indeks değerine bir eşik değerinin uygulanması şeklindeki pratik bir yöntem ile en küçük faz dağılımına sahip noktaların seçimi gerçekleştirilmektedir [378]. Bu aşamada görüntüler yazılım tarafından otomatik şekilde radyometrik olarak kalibre edilmektedirler. Bu kalibrasyon ise 𝜎 ve 𝜇 değerlerinin daha hassas şekilde hesaplanmasına imkan vermektedir.

Interferometrik iş akışı işlem aşamasında sonra yine PSI analizi için zorunlu olan “Inversiyon: birinci adım” işlemi gerçekleştirilmiştir. Bu adımda referans fazı silinmiş kompleks interferogramlar kullanılarak artık yükseklik (residual height) ve yerdeğiştirme hızları hesaplanmaktadır. İnterferogramlar oluşturulduktan sonra bütün 𝐷 =𝜇

interferogramlardaki kaymış faz ortadan kaldırılmaktadır. Oluşan bu kaymış fazın temizlenmesi için bir veya daha fazla piksel, genlik dağılım indeksi baz alınarak otomatik olarak seçilmektedir. Seçilen referans nokta sayısı alanın büyüklüğüne bağlı olarak belirlenmektedir. Yazılımda her 5 km2 _{alana bir referans nokta düşecek şekilde önceden}

tanımlı olan ayarlar kullanılmıştır. Yaklaşım belirli sayıda koherent radar sinyal reflektörü tanımlanmasına dayanmaktadır. Daha sonra tanımlanan bu noktaların faz geçmişi analiz edilmektedir. PSI analizinde PS seçiminde temel olarak iki kısıt söz konusudur: noktalar stabil olmalı (dalgalanmalar yılda bir milimetreden daha az olmalı) ve SAR anteni tarafından algılanabilir şekilde doğru konumlanmış olmalıdır. PSI analizinde alan içerisindeki bütün PS’leri etkileyen sabit yerdeğiştirmeler algılanamamaktadır. Ayrıca sistem doğrusal bir trend ile zaman içerisindeki yerdeğiştirmeleri hesaplayacak şekilde tasarlanmıştır. Zaman içerisinde oluşan yerdeğiştirme oranlarındaki değişimler bundan dolayı doğru şekilde gösterilememektedir. PSI analizinde PS olarak tespit edilebilen noktalar genellikle yerleşim alanlarında bulunan çatı, köprü ve direk gibi insan yapımı objeler veya doğal alanlardaki yüzeye çıkmış anakaya gibi doğal objelerdir. “Inversiyon: ikinci adım” aşamsına geçmeden önce birinci adımın sonuçlarının kontrol edilmesi farklı alt alanlardaki mozayikleme hatalarının tespit edilmesi gerekmektedir. Burada asıl olarak “Velocity_first” ve “Heigh_first” isimli çıktıların mozayiklenmesi esnasında üst üste gelen zonlardaki kayma belirlenmekte ve her bir alt alanda yeniden faz belirleme için kullanılmaktadır. Sonuçların kontrol edilmesinde çıktı “Velocity_first” ve “Heigh_first” dosyalar ENVI yazılımında “Subareas.shp” dosyası ile birlikte açılarak değerlendirilir. Hız ve yükseklik değerlerinde önemli sıçramalar olmaması gerekmektedir. Eğer farklı bloklar arasında bu değerlerde önemli sıçramalar mevcut ise ilk olarak koherens eşik değerinin ayarlanması gerekmektedir [378].

“Inversiyon: ikinci adım” işlem adımı ise bir önceki işlemden gelen ilk doğrusal model ürünlerini atmosferik faz bileşenlerini hesaplamak için kullanmaktadır. Doğrusal model hesaplandıktan sonra hız ve artık yükseklik değerlerini iyileştirmek için atmosfer hesaplama işleminden önce bütün fark interferogramlarından çıkarılmaktadır. Bu aşamada atmosferik filtre zamansal bir “High-Pass Filter” ve konumsal bir “Low-Pass Filter” kullanmaktadır. “Atmospheric Low Pass Filter” atmosferik değişimlerin konumsal dağılımlarını dikkate alırken, “Atmospheric High-Pass Filter” atmosferik değişimlerin zamansal değişimlerini dikkate almaktadır. Bu aşamalardan sonra ikinci inversiyon

aşaması tarihe göre yerdeğiştirmeleri elde etmek için uygulanarak final yerdeğiştirme hız modeli uydurulmaktadır. Daha sonra coğrafi kodlama işlem adımı uygulanarak PS ürünleri iki ayrı formatta “vektör” ve “hücre tabanlı” olarak elde edilir. Daha doğru yerdeğiştirme ölçümleri elde edilmesi için girdi olarak bir veya daha fazla noktadan oluşan yer kontrol noktası (YKN) ölçümü verisi kullanılabilmektedir. Bu bilgi yerdeğiştirme trend değerlendirmenin optimize edilmesi için kullanılmaktadır. Bu çalışmada bu aşamada bahsedilen amaç doğrultusunda bu işlem zorunlu olmadığı için ve araziden herhangi bir ölçüm verisi temin edilemediği için kullanılmamıştır.