Sayısal zenit kamera sisteminin modernizasyonu ve otomasyonu
Modernization and automatization of the digital zenit camera system
Yazar: BURAK BAŞOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA TEVFİK ÖZLÜDEMİR ; DR. KEREM HALICIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry

Özet:
Türkiye'de ve Dünya'da süregelen yükseklik sistemlerinin modernizasyonu çalışmaları, ilerleyen teknoloji kapsamında gelişmekte ve güncellenmektedir. Çok çeşitli ölçme tekniklerinin birlikte değerlendirilmesiyle yürütülen bu çalışmalarda en önemli verilerden birini de astro-jeodezik çekül sapmaları oluşturmaktadır. Özellikle kıyı bölgelerinde gravite verisi yeterli olacak şekilde ölçümler yapılsa dahi, gravite verilerine dayalı geoid modelinin belirlenmesinde, denizlerde kıyılardaki gibi gravite ölçümleri yapılamadığından ekstrapolasyona dayalı bir zayıflık söz konusudur. Astro-jeodezik yöntemlerin dağlık ve kıyı bölgelerde güçlü yöntemler olması bu yöntemlerin önemini artırmaktadır.

2015 yılında tamamlanan ve Türkiye'de gerçekleştirilen ilk Sayısal Zenit Kamera Sistemi çalışmasının ardından, bu sistemin iyileştirilmesi, ve otomatize edilmesi gündeme alınmıştır. Sayısal Zenit Kamera Sisteminin taşınabilir, kolay kullanılabilir bir sisteme dönüştürülmesi ve daha yüksek doğruluklu gözlemler yapılabilmesi, modernize edilmesi, bu amaçla gerekli test ve kalibrasyon gözlemlerinin gerçekleştirilmesi, modernizasyon sürecinde sistemin kontrolü ve verilerin değerlendirilmesi ile ilgili yazılımın üretilmesi  bu tezin konusunu oluşturmaktadır.

Dünya'nın şeklinin küre olduğu fikrinin kabul edilmeye başlanmasının ardından Arşimet ile birlikte Dünya'nın büyüklüğünün de ölçülmesi çalışmaları da başlamıştır. Astronomik gözlemlere dayalı ilk ölçüm ise Eratosthenes tarafından gerçekleştirilmiştir. Huygens ve Newton'un çalışmaları sonucunda ise Dünya'nın şeklinin elipsoit olması gerektiği ortaya konmuştur. İlk jeodezik ağ ise Snellius tarafından kurulmuş ve bu ağda meridyen yayı ölçümleri başlamıştır. Gauss , jeodezik gözlemler ile astronomik gözlemler arasındaki farklılıkları çekül sapması olarak isimlendirmiş ve geoit kavramını ortaya koymuştur. Geoit belirleme çalışmaları günümüzde de güncelliğini korumaktadır. Astro-jeodezik geoit belirleme yöntemi, çekül sapmalarının bilindiği bir jeodezik ağda, herhangi bir doğrultuda geoit yüksekliğindeki değişimin hesaplanmasına dayanır. Son yıllarda yükseklik sistemlerinin modernizasyonu çalışmaları kapsamında astro-jeodezik geoit belirleme yönteminin önemi vurgulanmaktadır. Analog algılayıcılar ve geleneksel zaman belirleme donanımlarıyla geliştirilen ilk sayılsal zenit kamera sistemler ile başarılı gözlemler gerçekleştirilse bile görüntülerin değerlendirilmesinde zorluklar yaşanmıştır. CCD aygıtlarının icadı sayılsal zenit kamera sistemleri için devrim niteliğinde yeniliklere neden olmuştur. Almanya ve İsviçre'deki çalışmaların ardından Avrupa'da Polonya, Sırbistan ve Letonya'da da sayısal zenit kamera sistemleri geliştirilmiştir. Türkiye'de ilk sayısal zenit kamera sistemine ilişkin çalışma 2015'te tamamlanmıştır.

Türkiye'de geliştirilen ilk sayısal zenit kamera sisteminin geliştirilmesinin ardından, bu sistemin yeni donanım ve yazılımlar ile güncellenerek otomasyonu gündeme gelmiştir. Kullanılan eğim sensörlerine ek olarak daha yüksek presizyona sahip bir eğim sensörü temin edilerek sisteme entegre edilmiştir. Gözlemler sırasında görüntü netliğinin, gözlem süresince değişen meteorolojik koşullardan etkilenmemesi amacıyla, daha önce kullanılan focuser cihazı, sıcaklığa duyarlı başka bir cihazla değiştirilmiştir. Sistem için taşıyıcı bir altyapı tasarlanmış, lineer motorlar ve bu motorları kontrol edecek bir elektronik kart bu altyapıya entegre edilerek taşıma kolaylığının yanı sıra sistemin otomasyonu için gerekli donanım altyapısı oluşturulmuştur. Rüzgar, toz, nem gibi arazi koşullarından etkilenmeyecek bir endüstriyel bilgisayar temin edilmiştir. 

Sistemin otomasyonu için gerçekleştirilen yazılım çalışmalarına sistemin düzeçlenmesinin otomasyonu ile başlanmıştır. Sistemin düzeçlenmesinde kullanılan lineer motorların karakterinin belirlenmesi amacıyla motor testleri gerçekleştirilmiş ve üretilen yazılım arayüzü de kullanılarak motorlara uygun hareket komutlarının iletilmesi sağlanmıştır. Üretilen yazılım ile eğim sensörleri iletişimi sağlanmış, eğim sensörlerinden alınan veriler ile radyal simetri yöntemi hesaplamaları yazılıma dahil edilmiştir. Sistemin kullanımını kolaylaştırmak, tecrübe faktörünün etkisini azaltmak amacıyla bir arayüz tasarımı yapılmıştır. Gözlemlerin otomasyonu için sistemin tüm donanımları ile yazılım arasında iletişim kurulmuş, algoritmalar üretilmiştir. Görüntülerin değerlendirilmesinin otomasyonu içinse farklı bir yazılım üzerinde çalışılmış, farklı değerlendirme yöntemleri irdelenmiştir.

Abstract:
Continuing studies on modernization of height systems is being improved and updated in relation to developing technology. Astro-geodetic vertical deflections are one of the most significant data in these studies which are carried on by evaluation of various types of measurement techniques. Especially in coastal regions, since it is impossible to carry on gravity measurements on sea surface as it is carried on land, there is a weakness based on extrapolation technique in geoid determination predicated on gravity data even if there are enough gravity data. Astro-geodetic techniques are strong on coasts and highlands, so that these techniques became even more substantial.

After the study on the first Digital Zenit Camera System carried on in Turkey and accomplished in 2015, improvement and automatization of this system has been put on the agenda. Transforming the Digital Zenit Camera System into a transportable, easy-to-use and more precise system, modernization of it, carrying on test and calibration observations, producing a software on controlling and processing data are the subjects of this thesis.

After the acception of Earth's shape as a sphere, measurements on size of the Earth has been started to carried on with Archimedes. The first measurement based on astronomic observations were carried on by Eratosthenes. Conclusions of studies of Huygens and Newton revealed the idea of an ellipsoid as the shape of the Earth. The first geodetic network was established by Snellius, and measurements on meridian arcs has been started. Gauss named the difference between geodetic and astronomic observations as vertical deflections and revealed the term of geoid. Studies on determination of geoids are recent. Astro-geodetic geoid determination technique relies on calculation of geoid height difference during a direction on a geodetic network which the vertical deflection are known. Within the scope of recent studies on modernization of height systems, significance of astro-geodetic geoid determination techniques are underlined. Even though astro-geodetic measeurements were carried out successfully with the first digital zenit camera systems which were built up with analog sensors and time-detection equipments, there were difficulties in analyzing images. İnvention of CCD devices has brought revolutionary innovations for digital zenit camera systems. After the studies in Germany and Switzerland , digital zenit camera systems were improved in Poland, Serbia and Latvia. The first studies of digital zenit camera systems in Turkey were completed in 2015

Following the improvement of the first Digital Zenit Camera System developed in Turkey,
automatization of this new system through upgrading by new hardware and sofware became a
current issue.In addition to existing inclination sensors, a inclination sensor which has more higher precision was integrated to the system. In order that the clarity of vision during observations is not affected by erratic meteorological conditions, formerly used focuser appliance was replaced by another appliance which is sensitive to heat. A conveyor substructure was designed for the system, by means of integrating linear
engines and an electronic card which is able to control these engines to the substructure provided foundation for essential hardware for the automatization of the system alongside with carrying convenience. An industrial computer which will not be affected by field conditions such as wind, dust and humidity was obtained.

Software studies implemented for the automatization of the system were commenced with the automatization of levelling of the system. Engine tests were carried on for the purpose of determining the characteristics of linear engines which are used for levelling the system and it is provided to transmit proper commands to the engines via software interface. Communication with inclination sensors was provided by generated software, radial symmetry method using data obtained from inclination sensors and calculations were included into the
software. An interface was designed so as to simplify the application of the system and reduce the effect of experience factor. Communication was established between entire hardware and software of the system on account of the automatization of observations. For the automatization of image processing step, studies carried out on another software and different evaluation techniques were scrutinized.