Köprü ayağı modeli etrafındaki oyulma ve birikme desenlerinin fotogrametri ve yersel lazer tarama yöntemleri ile incelenmesi
The investigation of scour and deposition pattern around pier model with photogrammetry and terrestrial lasser scanning
Yazar: MEHMET FURKAN ÇELİK
Danışman: DOÇ. DR. ZAİDE DURAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Geometrik doğruluk = Geometric accuracy ; Lazer tarayıcısı = Laser scanner ; Sayısal yükseklik modelleri = Digital elevation models ; Yakın resim fotogrametri yöntemi = Close range photogrammetry method

Özet:
Köprü ayakları akarsular içine inşa edildiklerinde akım çevresinde, akımın izlediği yola bağlı olarak köprü ayağının yerleştirildiği akarsu yatağında ve kum yüzeyinde çeşitli oyulma ve birikme bölgeleri oluştururlar. Bu bağlamda İstanbul Teknik Üniversitesi Hidrolik Laboratuvarı'nda köprü ayağı modeli etrafında oluşan oyulma ve birikme desenlerinin incelenmesi için deneyler yapılmıştır. Deney öncesinde düz bir yüzey haline getirilen kum, deney sırasında geçen su akımı ile birlikte akım-yapı etkileşimine bağlı olarak bir desen oluşturmuştur. Bu desen; köprü ayağı modeli önünde düz bir yüzey, model etrafında oyulma konisi, oyulma konisi ilerisinde birikme ve son bölümde de dalgalı bir kum yüzeyi olarak meydana gelmektedir. Bu desenlerin modelleri çıkarılarak oyulma konisinin derinliğinin, genişliğinin, akım doğrultusunda her iki yöndeki eğiminin, birikmenin şeklinin, hacminin, yüksekliğinin, ve son bölümde oluşan dalgalı yapının incelenmesi, modelin boşluklu yapısının akım ve yapay taban üzerindeki etkisinin anlaşılması açısından önemlidir. 
Yukarıda bahsedilen deneylere ait yüzey modellerinin incelenmesi için yapılan çalışmada yersel lazer tarayıcı ile elde edilen düşük, orta ve yüksek çözünürlükteki nokta bulutları ve fotogrametrik modelden üretilen düşük, orta ve yüksek çözünürlükteki nokta bulutları; kriging, doğal komşuluk, lineer ve ters mesafe ağırlıklı enterpolasyon yöntemleri ile enterpole edilerek yüzey modelleri oluşturulmuştur. 
Öncelikle veri çözünürlüğün yüzey modeli oluşturulmasına etkisinin analizi için her iki yöntemle elde edilen her bir çözünürlükteki nokta bulutları yukarıda açıklanan yöntemler ile enterpole edilmiştir. Bu enterpolasyon sırasında gridlerin başlangıç koordinatları (X, Y, Z)  ve grid aralıkları (1 mm) sabit alınmıştır. Üretilen grid noktaları kullanılarak Z eksenindeki farklardan karesel ortalama hata (KOH) hesabı yapılmıştır. Hesaplanan KOH değerleri çözünürlüğe ve enterpolasyon yöntemine bağlı olarak 0.1 mm ile 0.8 mm arasında değişim göstermektedir. 
Daha sonra enterpolasyon yöntemlerinin, veri türünün ve farklı çözünürlüklerin hacim hesabına etkisinin araştırılması için, iki veri türünde de, her bir enterpolayon yöntemi kullanılarak her bir çözünürlükte sayısal yükseklik modelleri (SYM) üretilmiştir. Veri türü ve enterpolasyon yöntemleri sabit tutularak referans düzleme (9.000 m) göre hesaplanan hacimlerde çözünürlüğün hacim hesabında anlamlı bir farka neden olmadığı görülmüştür. Enterpolasyon yönteminin; çalışma alanında bulunan dört farklı bölgedeki performansını gözlemlemek amacıyla her bir bölgenin SYM'ler oluşturulmuş ve referans düzleme göre hacimleri hesaplanmış ve bölgeler toplamından gelen hacim değerleri, tüm yüzey kullanılarak yapılan hacim ile karşılaştırılmıştır. Doğal komşuluk ve lineer enterpolasyon yöntemleri çalışmada kullanılan diğer iki yönteme göre farklılıklar göstermiştir. Çalışmada kullanılan veri elde etme yöntemleri kendi içinde çözünürlüğe ve enterpolasyon yöntemine göre hesaplanan hacme bağlı olarak kıyaslanmıştır. Her iki veri türü için de doğal komşuluk yönteminde hata miktarınının en yüksek olduğu belirlenmiştir. Enterpolasyon yöntemlerinin farklılığı her iki veri türü için de kum yüzeyinin en yüksek ve en düşük kotları arasında en fazla 1 mm'lik bir farka sebep olmaktadır. Veri türleri kıyaslandığında ise fotogrametri yöntemi en yüksek kotu, yersel lazer tarama yöntemine göre 5 mm düşük, en yüksek kotu ise 4 mm yüksek olarak göstermektedir. Oyulma konisinin hacmi fotogrametri ve yersel lazer tarama yöntemleri arasında ortalama olarak 450 cm3 (%4) farklı çıkmıştır. Oyulma genişliği ise her iki yönteme göre 0.3 mm farklılık göstermiştir. Oyulma konisinin akım yönünde oluşan eğimi ise veri elde etme yöntemlerine yaklaşık olarak %2'lik farklılık göstermiştir. Veri türleri kendi içinde kıyaslandığında enterpolasyon yöntemlerinin eğim hesabına etkisinin olmadığı görülmüştür. Yapılan deneylerde laboratuvar koşulları, su akımındaki değişiklikler, kum özellikleri, deney öncesi kum yüzeyinin düzlemsel farklılıkları gibi etkenlerden kaynaklanan hatalar göz önüne alındığında hem fotogrametri hem yersel lazer tarama ölçmelerinden ve enterpolasyon yöntemlerinden kaynaklanan hataların göz ardı edilecek seviyede olduğu düşünülmektedir.

Abstract:
When engineers design a structure, they have to consider the potential negative effects of their design and take some precautions against them. Similar to other engineering structures bridges cause significant changes near the structure. When a bridge pier placed in a river significant changes may occur on the surface of the river bed, near the structure because of change in the flow. To investigate these changes, a set of experiments were conducted in an open flow channel in Istanbul Technical University Hydraulics Laboratory. 
The channel where the experiments were conducted is 26 m in length. In order to see the scour pattern, by using a false bottom, a 3.5 m long sand pool was placed in the middle of the channel. Before the experiments, the pier model was fixed to the channel bed and the sand bottom was smoothed out. While the flow passed around the pier model, a pattern on the sand bottom occurred because of the flow-body interaction. This pattern was shown as four areas around the model. These four areas are a smooth surface before the pier model, a conical scour hole around the pier model, a deposition area after the pier model and a rippled area at the end of the sand bottom. In order to understand the effect of porosity of the pier model on the flow characteristics and the sand bottom pattern, three dimensional models were created by using laser scanning and photogogrammetric method. From these models, scour volume and scour depth, scour width, slopes of the scour hole on both flow directions, shape and volume of the deposition were determined.
In the study, which was carried out for the analysis of surface models of the abovementioned experiments; first, point clouds in low, medium and high resolutions, which were produced through terrestrial laser scanning. Since the channel was 2.5 high from the ground and the area around the channel was not enough to set the terrestrial laser scanner, six different setup location were used as station points. These six point clouds that was obtained from the terrestrial laser scanner registered by using black and white targets, which were placed around the working area. Secondly, point clouds in low, medium and high resolutions were produced through photogrammetric models. In order to create photogrammetric models from images seventy-five images were taken by using digital camera, which has high resolution. Flight planning principal of aerial photogrammetry was used in order to calculate base and band length and then these parameters were used while obtaining images. The images of the working area were taken from 1.5 m height by using 50 mm lens. The data obtained from these two methods were interpoled through kriging, natural neighborhood, linear and inverse distance weighted interpolation methods so that surface models were created. 
Firstly, point clouds in each resolution, which were produced through both methods, have been interpoled through abovementioned methods for the analysis of the impact of data resolution on the creation of surface model. During this interpolation, initial coordinates of grids (X, Y, Z) and grid spaces (1 mm) have been fixed. Root-mean-square error (RMS) calculation has been made from the differences in Z axis by using the produced grid points. Calculated RMS values range between 0.1 mm and 0.8 mm based on resolution and interpolation method. 
Then, numeric height models were produced in each resolution by using each interpolation method in both data types in order to research the impact of interpolation methods, data type and different resolutions on the volume calculation. The data types were compared within themselves according to the volumes, which were obtained from terrestrial laser scanning and photogrammetric methods. The RMS of the average volume that was produced by photogrammetric method was 336 cm3. The RMS of the average volume that was produced by terrestrial laser scanning method was 329 cm3. Data type and interpolation methods were applied and it has been realized that resolution does not lead to any meaningful difference in volumes, which are calculated in accordance with the reference plane (9.000 m). 
In order to observe the performance of interpolation method in four different areas in the working area, SYMs have been created for each area and their volumes have been calculated in accordance with the reference plane; volume values obtained from total area have been compared to the volume of the whole surface. Natural neighborhood and linear interpolation methods have indicated differences compared to the other two methods which are used in the study. 
Data collection methods in the study have been compared within themselves based on the volume which is calculated in accordance with the resolution and interpolation method. It has been determined that error level is at the highest level in natural neighborhood method for both data types. Difference between interpolations methods lead to a difference of 1 mm at max. between the highest and the lowest grades of sand surface for both data types. 
When data types were compared, photogrammetric model shows the highest grade 5 mm lower and the lowest grade 4 mm higher in accordance with the terrestrial laser scanning method. Volume of the scouring cone has differed in average 450 cm3 (4%) between photogrammetric and terrestrial laser scanning methods. Scour width has differed as 0.3 mm compared to both methods. 
When data types were compared within themselves, it was realized that there is no impact of interpolation methods on the calculation of inclination. Inclination of scouring cone in flow direction has differed as approximately 2 % compared to data collection methods.
Profiles and cross-sections of the sand bottom according to the center of the cylindrical pier model were created. These profiles and cross-sections were analyzed according to both data type and interpolation method, then compared according to height. The comparison showed that there were no significant differences for the cross-sections while there were some differences between profiles between the two methods. The reason behind the differences in the profiles were considered as the difference of the heights, which were caused, by the method differences.
When errors in the experiments arising out of such factors as laboratory conditions, changes in water flow, sand characteristics and planar differences of the sand surface prior to experiments were taken into consideration, it was thought that errors arising out of both photogrammetric and terrestrial laser scanning measurements and interpolation methods can be ignored. 
Considering the results of the study, both photogrammetric and terrestrial laser-scanning methods can be used for this kind of applications. For different interpolation methods, photogrammetric and terrestrial laser-scanning methods showed some differences. Yet, these differences were considered negligible.