Türkiye ulusal düşey kontrol ağı (TUDKA99) datumuna ilişkin jeopotansiyel hesabı ve yükseklik sistemlerinin birleştirilmesinde yer gravite alanı uydu misyonlarının katkıları
Estimation of the zero-height geopotential value for the turkey local vertical datum (TUDKA99) and contribution of gravity satellite missions to local vertical datum unification
Yazar: MERAL ARSLAN
Danışman: DOÇ. BİHTER EROL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry

Özet:
Noktalara ilişkin yükseklik bilgisinin tek anlamlı ve fiziksel gerçekliğe uygun olarak ifade edilmesi, topografik harita üretimi, su sistemlerinin inşası ve yönetimi, kıyı bölgelere ilişkin modelleme ve planlama çalışmaları, büyük yapıların aplikasyonu, mühendislik yapılarının inşası, taşkın izleme ve yönetimi, doğal afetlerle mücadele ve burada örneklendiremediğimiz bir çok mühendislik ve bilim alanına ilişkin çalışmalarda önem arz etmektedir. Uydu teknolojilerindeki gelişmeler neticesinde uydulara dayalı konum belirleme sistemleri (Global Navigation Satellite Systems-GNSS) farklı doğrulukta üç boyutlu (3B) nokta konum verisinin gerçek zamanlı ya da ölçme zamanı sonrasında elde edilmesinde yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. 
Pratikte ortalama deniz yüzeyi eş potansiyel bir yüzey kabul edilir. Bu yüzeyin kıyılarda geoide yakınsadığı varsayılmaktadır. Ortalama deniz seviyesine dayalı olarak bölgesel yükseklik datumunun teşkil edilmesi ve gerçekleştirilmesinde kıyılarda tesis edilmiş bir (veya birden fazla) mareograf  istasyonunda belirli bir zaman aralığında (genellikle en az 19 yıllık) gözlemlere dayalı olarak gerçekleştirilen deniz seviyesi gözlemleri değerlendirilmekte ve bu gözlemlere ilişkin zaman serilerinden filtreleme teknikleri ile ortalama deniz seviyesi hesaplanmaktadır 
Mareograf istasyonlarında belirlenen ortalama deniz seviyesi gelgit, atmosfer basıncı, rüzgar gibi geçici nedenlerle, kısa süreli iklim etkisi gibi kalıcı nedenlerden dolayı değişiklik göstermektedir. Bu gibi kalıcı ve tekrarlayan nedenlerden dolayı ortalama deniz seviyesi başlangıç kabul edilerek bölgesel olarak oluşturulan düşey datumlar bölgeden bölgeye, ülkeden ülkeye farklılık gösterir. Günümüzde ortalama deniz yüzeyi sıfır kabul edilerek oluşturulan yüzlerce bölgesel düşey datum bulunmaktadır. Bu datumları birbiriyle ilişkilendirmek için sıfır kabul edilen referans noktaları arsındaki farkların bilinmesi gereklidir.  
Bölgesel düşey datum birleştirme özellikle yeryuvarı gravite alanı uyduları ve altimetre uydularının katkıları neticesinde son yıllarda hassas bir biçimde uygulanmaktadır. Bu yüzden Fiziksel Jeodezi ve Yer Gravite Alanının hesaplanması alanındaki bilimsel araştırmaların odaklandığı önemli bir çalışma konusu haline gelmiştir.
Bölgesel yükseklik referans yüzeylerinin (düşey datum) global bir Geoit modeli aracılığıyla ilişkilendirilmesi, düşey datum birleştirme çalışmalarında temel yaklaşımdır. Bu bakımdan değerlendirilecek olursa bölgesel yükseklik datumlarının birleştirilmesinde referans alınacak global Geoit modelinin doğruluğu kritik öneme sahiptir.
Yer gravite alanı belirleme amaçlı uydularının (CHAMP, GRACE, GOCE) katkısı ile hesaplanan global jeopotansiyel modellerin (Global Geopotential Models-GGM) kullanılmasıyla birkaç santimetre doğruluklu Geoit modeli belirlemek söz konusudur. Özellikle Avrupa Uzay Ajansının (European Space Agency-ESA) projesi yer gravite alanı uydusu olan GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) yeryuvarının gravite alanının yüksek doğruluk ve çözünürlükle belirlenmesine imkan vermiştir. GOCE uydusu ile amaçlanan yüksek çözünürlüklü (100 km) ve doğruluklu (gravite anomalisi: ±1 mGal, geoit yüksekliği: ±1 cm) gravite alanı belirlemektir. GOCE uydusu ile cm doğruluklu geoit modeli oluşturularak bu modelin jeopotansiyelini (Wo) elde etme imkanı doğmuştur. GOCE uydusunun sağladığı avantajlardan dolayı bölgesel düşey datum birleştirmede bu uydu cm doğrulukla bir birleştirme sağlayacağı düşünülmüştür. Fakat cm doğruluklu bir geoit modeli oluşturulabilmesi için geoit modeli oluşturulurken göz önünde bulundurulması gereken bazı parametreler bulunmaktadır. Bu parametreler, gel-git sitemi, sıfır dereceli terim ve birinci dereceli terimdir. 
Bu çalışma kapsamında Türkiye Ulusal Düşey Kontrol Ağına ilşkin Jeopotansiyel hesabı yapılmış ve Düşey datum birleştirmede yer gravite alanı belirleme amaçlı uyduların katkıları araştırılmıştır. Ayrıca global jeopotansiyel modellerin doğrulukları irdelenmiş ve bu modellere etkiyen bazı parametreler üzerinde durulmuştur.

Abstract:
In engineering and scientific applications height measurements are one of the most crucial measurements. For instance, topographic mapping monitoring water systems, coastal investigations, contruction works, and so on can count for these applications.Global navigation Satellite sytems (GNSS), Very long baseline interferometry (VLBI), Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (dorıs), and satellite radar altimetry are some space-based technologies methods for determination of optionally choosen points heights on Earth's surface in a conveniently way.
Heights are measured referencing to the sea level (MSL) generally. In other words, referencing level for determining height is constant potential or equipotential level surface of the Earth's gravity field, that is known as the geoid. To determine MSL at a coastal tide gauge, it is necessary to make tidal observations over a sufficiently long period to take into account the full tidal signature. The major tidal effects (caused by the precession and nutation of the Moon and sun over an 18.6 year metonic cycle) result on diurnal (daily) or semi-diurnal (twice daily) tides. Therefore, to determine MSL independent of these effects, it is necessary to make regular (e.g hourly) observations over at least an 18.6 year period.
Spirit levelling and gravity measurements are methods for height observations for more than two hundred years. In the field, using two points, with relative height difference in a network is spirit levelling. In this method, it is needed to use zero refernce point or a zero refernce surface to determine absolute heights from spirit levelling. This zero refernce surface is knowns as vertical datum.. Regional and national vertical datums have traditionally been realized by fixing one or more tide gauge stations as the zero height reference point to which the levelling observations are constrained. This type of vertical datum will be referred to as a classical levelling-based vertical datum.
Currently, there exist hundreds of regional and national classical levelling-based vertical datums throughout the world. Since the MSL at a tide gauge varies both spatially and temporally, classical levelling-based vertical datums realized in various parts of the world will refer to different zero level points and surfaces.
 In order to relate height measurements between different vertical datums, the differences between the zero reference points and surfaces must be known. Thus, the need for a global height system arises when there is an attempt to connect geodetic data from two neighbouring countries or regions that have been using different definitions for the zero point for the vertical datum. Due to its practical importance, vertical datum unification has been one of the main topics of research in the field of geodesy over the past three decades. 
Classical levelling-based vertical datums that define their zero point or zero surfaces based on the MSL at a tide gauge do not necessarily coincide with the global geoid due to water salinity, temperature, tides, and waves, among others. The discrepancy between the reference surface of a classical levelling-based vertical datum and the geoid can reach up to 2 m due to changes in the sea surface. Therefore, the precise determination of the geoid is crucial for the unification of different height systems, as the reference surfaces of various classical levelling-based vertical datums can be compared or determined with respect to a globally consistent and accurate geoid model.
The use of Global Geopotential Models (GGM), calculated by the contribution of satellite missions (CHAMP, GRACE, GOCE) missions to determine the earth gravity field, is to determine a Geoit model with a few centimeter.
It is expected that the European Space Agency's (ESA) dedicated satellite gravity field mission GOCE (Gravity Field and Steady-state Ocean Circulation Explorer) will contribute to a cm-level accurate geoid model. The mission objectives include the determination of gravity anomalies with an accuracy of 1 mGal and the geoid with an accuracy of 1-2 cm while achieving a spatial resolution of 100 km.
the geopotential model, which utilizes observations from dedicated satellite gravity missions, is known to limit the accuracy of a world height system (WHS) or a global geoid model that represents the zero height surface of a global vertical datum, as well as the determination of the geoidal geopotential W0, the connection of local vertical datums to the global geoid-based vertical datum, the computation of geopotential values W, and the computations of heights. Thus, one of the scientific objectives of the GOCE mission is to assist in the unification of existing classical levelling-based vertical datums by providing a globally consistent and unbiased geoid.
At present there are more than 100 height systems realized globally. Most of them refer to a local mean sea level at a reference tide gauge. The current development of space geodetic techniques enables unification of local vertical datums into a single global vertical datum. In practice, this involves determination of the geopotential value   of the level surface which globally represents the ideal ocean surface or the so-called Gauss–Listing geoid. Here we define the local or regional datum by Wo of the surface which best fits the mean sea level in a defined region at a given epoch. In this case Wo  can be determined by constructing points on the geoid and estimating the geopotential values at these points using a high resolution global Earth gravitational model (GGM).
A main motivation for this study was the promise of improved geoid determination by use of the GGMs from the GOCE dedicated satellite gravity mission. The goal of GOCE mission was, upon completion, to determine the Earth's gravity field with an accuracy of 1 ppm and geoid heights with an accuracy of 1-2 cm at a spatial resolution of approximately 100 km. Thus, the GOCE geoid is of ultimate importance for the unification of LVDs.
The another main purpose of this paper is to estimate the zero-height geopotential value for the Turkey Local Vertical Datum (LVD). The methodology is based on the computation of the mean geopotential offset between the value  , selected as reference in this study, and the unknown geopotential value of the LVD (Wo). This estimation is based on the combination of ellipsoidal heights, levelled heights (referring to the LVD), and some physical parameters derived from the EGM2008 model (namely, geopotential values, gravity values, and geoid undulations). This combination is performed following two approaches: The first one compares levelled heights and geopotential values derived from the EGM2008 model using the Least Squares method to increase the robustness of the adjustment, while the second one analyses the differences between GPS/Levelling and EGM2008 geoid undulations.
This study investigated the contribution of satellite missions to the Turkish National Vertical Control Network and Satellite mission contributions have been researched for vertical datum unuification. In addition, the accuracy of global geopotential models is examined and some parameters affecting these models are discussed.