Cosmo-skymed uydu verilerinden 3 boyutlu yeryüzü modellerinin üretilmesi ve değerlendirilmesi
Generation and evaluation of 3d surface models from cosmo-skymed satellite data
Yazar: SİNAN GÖRGÜLÜ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. UMUT GÜNEŞ SEFERCİK
Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Uzaktan algılama = Remote sensing ; İnterferometri = Interferometry

Özet:
Cosmo-SkyMed İtalyan Uzay Ajansı tarafından hazırlanmış bir uydu sistemi olup, yapay açıklıklı radar görüntülerinin interferometrik özellikte 3m çözünürlüğe kadar değerlendirilmesini sağlar.
Bu çalışmanın ana hedefi, interferometrik SAR (InSAR) teknolojisini kullanarak Cosmo-SkyMed uydu verilerinden 3 boyutlu (3B) yeryüzü modelleri üretmek, bu modellerin farklı arazi sınıfları üzerinde kalite değerlendirmesini yapmak ve literatürde uydunun 3B veri kalitesi ile ilgili boşluğu doldurarak gelecekte yapılacak çalışmalara referans niteliğinde sonuçlar ortaya koymaktır. Bu hususta seçilen çalışma alanı Istanbul Tarihi Yarımada bölgesidir ve Cosmo-SkyMed distribütöründen bu bölgeyi kapsayan, ayrıca interferometrik işlemlere uygun olan bir görüntü çifti temin edilmiştir.
Uzaktan algılama, önceden belirlenen bir test alanındaki objeler hakkında doğrudan bir temas kurmaksızın bilgi edinme amacıyla geliştirilmiş bir teknolojidir. Bu teknoloji haritacılık disiplininde hava ve uzay kaynaklı olmak üzere iki ana kısımda ele alınmaktadır. Hava ve uzay araçları (uçak, helikopter, balon, zeplin, mekik, uydu vb.), taşıyıcı platform vazifesini üstlenerek algılayıcıların görevlerini rahatlıkla yerine getirmesini sağlamaktadırlar. Algılayıcılar, optik ve radar olmak üzere ana iki sistem kullanmaktadır. Bu iki sistemde enerjiye dayalı çalışmakla beraber algılama prensiplerine göre birbirlerinden ayrılırlar. Optik sistemler pasif algılama mantığı ile çalışan, enerjisini güneşten alan, güneşe bağımlı sistemlerdir. Bu sistemler, tıpkı bir fotoğraf makinesi gibi kimyasal prensiple fotoğraf ve görüntü alımı yapmaktadırlar. Bu nedenle, yalnızca günün aydınlık saatlerinde yani gündüz çalışmakta gece ise veri sağlayamamaktadırlar. Ayrıca, mevsimsel etkiler nedeniyle özellikle kış şartlarında, başta bulutluluk oranının artması, yağmur ve kar nedeniyle büyük veri kaybı yaşandığından yalnızca yılın bazı periyotlarında (Türkiye şartlarında Nisan- Ekim ayları ve arasını kapsayan dönem) fonksiyoneldirler. Radar sistemler ise aktif algılama mantığı ile çalışmakta ve kendi enerjisini, ışığını kendileri üretmektedirler. Bu nedenle gece-gündüz, yirmi dört saat algılama yapabilmektedirler. Ayrıca, kullandıkları antenler vasıtasıyla objelere sinyal gönderip yansıyan sinyali kaydetme ve bu sayede mesafe tayini yapma şeklindeki fiziksel prensiple çalıştıklarından ve gönderilen sinyallerin hava koşullarından etkilenmemesinden dolayı yılın her döneminde görüntü alımı yapabilmektedirler. Özet olarak, aktif algılama prensibi ile çalışan radar sistemlerin optik sistemlere göre birçok avantajı bulunmaktadır. Ancak, radar sistemlerinin optik sistemlere göre bu avantajlarının yanı sıra dezavantajları bulunmaktadır. Örneğin, optik sistemlerin obje çıkarım başarısı radardan daha iyidir. Yani optik sistemle elde edilmiş bir görüntüden radara göre çok daha fazla obje çıkarımı yapılabilir.
Bu durumun ana sebeplerinden biri optik sistemlerin günümüze dek radara göre yer örnekleme aralığı (çözünürlük) açısından çok daha hızlı gelişim göstermesidir. 1999 yılında yörüngesine oturtulan ilk ticari amaçlı optik uydu olan IKONOS, kullanıcıları yüksek çözünürlük kavramıyla tanıştırmış (0.82m) ve optik sistemler için yeni bir çağın başlangıcına imza atmıştır. Sonrasında bu uyduyu Quickbird, Orbview, Worldview, Geoeye gibi uydu serileri takip etmiş ve optik sistemlerin çözünürlüğü 25cm?ler seviyesine ulaşmıştır. 
Radar sistemler ise çözünürlük açısından seneler boyu optik sistemlerin çok gerisinde kalmış ve 2007 yılına kadar yüksek çözünürlük seviyelerine ulaşamamıştır. 2007 yılında Radar teknolojisi çözünürlük açısından büyük bir gelişime uğramış, 1m çözünürlük sunan ve devrim olarak kabul edilen ileri jenerasyon TerraSAR-X ve Cosmo-SkyMed yapay açıklıklı radar (SAR) uyduları yörüngelerine oturtulmuşlardır. Bu uydulardan elde edilecek verilerin yüksek çözünürlük sunan optik uydulardan elde edilen verilerle kıyaslandığında hangi seviyede olduğu, kullanılabilirlik düzeyleri ve alanları bilim dünyası ve diğer kullanıcılar tarafından merakla takip edilmektedir. Bu kapsamda, literatürde genellikle bu uyduların verilerini planimetrik olarak irdeleyen yayınlar bulunmakta ancak özellikle Cosmo-SkyMed uydusu tarafından elde edilen üç boyutlu verilerin kalite değerlendirmesi ile ilgili bir boşluk bulunmaktadır. Bu amaçla, İstanbul ilinde belirlenmiş bir test alanında bir adet interferometriye uygun Cosmo-SkyMed uydu görüntü çifti alınmış ve interferometrik işlem adımları ile sayısal yüzey modelleri üretilmiştir. Sonrasında, gerekli iyileştirme ve filtreleme işlemleri uygulanarak sayısal yükseklik modelleri (SYM) elde edilmiştir. Elde edilen SYM?nin, test alanı içindeki farklı arazi sınıfları üzerinde, daha yüksek doğruluklu bir teknikle (fotogrametri, hava kaynaklı lazer tarama vb.) üretilmiş referans bir model bazında karşılaştırmaya dayalı olarak kalite değerlendirmesi gerçekleştirilmiştir. Kalite değerlendirme işlemi, doğruluk ve görsellik olmak üzere iki temel kritere dayalı olarak yapılmıştır.

Abstract:
Cosmo-SkyMed is a constellation of satellites launched by the Italian Space Agency providing Synthetic Aperture Radar images in interferometric made in X band with a resolution of 3m and revisit time of a few days. The objective of this paper is to generate 3D digital surface models (DSM) from Cosmo-SkyMed satellite data using interferometric SAR (InSAR), perform quality assessment of these models on different land classes, filling the gap in the literature about 3D data quality and revealing the results that can be reference for further studies. The selected studying area is located in Istanbul Historical Peninsula. Over this area, 1 image pair which are suitable for interferometric process were acquired from Cosmo-SkyMed distrubition.
Remote sensing is a kind of technology which aims to gather information about objects on the test field without any physical contact. This technology is considered to be classified as airborne and space born in mapping discipline. 
Various air and space vehicles (aircraft, helicopter, balloon, satellite, zeppelin, shuttle etc.) undertake the duty of being carrier platform in order to help sensor to fulfill their jobs. Sensors use mainly tow systems; optical and radar systems. Even though these two systems are energy based systems, they are separated based on principle of sensing. Optical systems are sun dependent systems which operate on passive sensing principle working with the energy of the sun. These systems acquire images chemically just as a camera. Therefore, optical systems are only capable of acquiring data in day times. Also, they are functional for a limited period (the period between April and October in conditions of Turkey) during a year, because rain, snow and lack of cloud-free weather cause loss of data especially in winter. Radar systems operate on active sensing principle by producing their own energy for illumination. This fact makes radar systems capable of acquiring data both in day and night time. Moreover, they can transmit signals through ground objects, record reflected energy and measure distance by means of the antennas mounted on these systems. Since radar systems work with physical principle and weather independent nature of signals, they can acquire data any time of year. In summary, radar systems work with active sensing principle has many advantages over optical systems. However, in addition to advantages, disadvantages of radar systems available too. 
For example, the success of object recognition in optical systems is higher which means the number of objects extracted from an image acquired by optical systems is bigger with respect to images acquired with radar systems. One of the main reasons of this situation is rapid development of ground sample distance in optical systems with respect to radar systems. IKONOS, the first commercial optical satellite orbited in 1999 introduced the concept of high resolution (0,82m) to users and considered to be the beginning of a new era for optical systems. Afterwards, this satellite has been followed by new satellites such as Quickbird, Orbview, Worldview, Geoeye and resolution of optical systems has reached up to 25cm.On the other hand, radar systems lagged behind optical systems in terms of resolution for years. In 2007, radar technology made great progress in terms of resolution and reached to high resolution as a result of the revolutionary next generation Synthetic Aperture Radar (SAR) satellites TerraSAR-X and Cosmo-SkyMed which offer 1m resolution. Scientists and users are curiously following the ability to use and areas of high resolution radar data with respect to optical data. In this context, even though there are studies examining data quality of these satellites in two dimension, there is gap in terms of quality assessment of 3D data generated from Cosmo-SkyMed satellite. Towards this purpose, a Cosmo-SkyMed image pair will be purchased, which is suitable for interferometric process, for the test area determined in Istanbul. Next, by applying required enhancement and filtering processes DSM will be generated. Finally, quality assessment of the DSM will be performed on the basis of different land classes comparing a reference model that is generated by a higher accuracy method (photogrammetry, LIDAR etc.). The quality assessment process will be realized based on accuracy and visuality components.