Heyelanların izlenmesinde esnek hesaplama yöntemleri
Investigation of landslides with soft computing methods
Yazar: MUSTAFA ACAR
Danışman: PROF. DR. TEVFİK AYAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Deformasyon analizi = Deformation analysis ; Koordinat dönüşümü = Coordinate transformation

Özet:
Global ve geniş bir zaman kesitinde gözlendiğinde depremler, heyelanlar, kaya düşmeleri, su baskınları, sunulan birer doğa olaylarıdır. Bu olaylar bizleri etkilemediği sürece dünyadaki dinamik sürecin basit birer parçası olarak kalmış; ekonomik, sosyal vb. zararlara yol açınca afet adını almıştır. Heyelan da insan hayatını tehdit eden bir jeolojik afettir ve ülkelerin ekonomilerini doğrudan ya da dolaylı olarak etkileyen en önemli doğa olaylarından biridir. Türkiye'de heyelanlar, mal ve can kayıpları açısından yarattıkları zararların büyüklüğüne göre depremlerden sonra gelen ikinci önemli doğa olayıdır. Ülkemizde, oluşma sıklığı ve verdiği zararlar açısından heyelandan en fazla etkilenen bölgeler Karadeniz ve Marmara'dır. Marmara bölgesinin bazı bölümleri, tortul jeolojisi ve yeraltı suyu koşulları nedeniyle heyelandan kaynaklı hareketlere uygun bir ortama sahiptir. Bu bölgede yamaç hareketleri en fazla Büyükçekmece Gölü kıyıları, İstanbul Boğazı ve Yalova çevresinde görülmektedir.İnsan hayatını da riske sürükleyen bu tür afetlerin etkilerinin azaltılması ve ortadan kaldırılabilmesi için heyelan ve benzeri afetlerin meydana gelebileceği bölgelerdeki zemin hareketlerinin izlenmesi bir gerekliliktir. Günümüzde, özellikle GPS tekniği başta olmak üzere uzay bazlı konum belirleme teknolojileri sağladıkları yüksek doğruluk, ölçme hızı ve konfor nedeniyle deformasyonların saptanması projelerinde etkin ve verimli bir şekilde kullanılmaktadır.Jeodezide en eski ve en yaygın kullanılmakta olan En Küçük Kareler (EKK) kestirimi, deformasyon analizinde de kullanılagelmektedir. 1980'li yıllarda, EKK kestirim yönteminin bir eksiğini gidermek üzere ortaya atılan ve Toplam En Küçük Kareler (TEKK) adı verilen kestirim yöntemi de deformasyon analizine uygulanabilir. EKK, bilinmeyen parametreler ve gözlemler arasındaki fonksiyonel ilişkiyi gösteren fonksiyonel model ve gözlemler arasındaki bağıl doğrulukları temsil eden stokastik modelden meydana gelmektedir. Bazı durumlarda, örneğin koordinat dönüşümünde, hem gözlem vektörü hem de dizayn matrisinin bazı elemanları stokastik özellikler taşır. Klasik EKK yaklaşımında bu genellikle göz ardı edilir ve bu durum çözüm sonuçları içinde bir belirsizlik olarak kalır. Diğer taraftan, TEKK yöntemi, ölçülerin yanında dizayn matrisi elemanlarının tümünün ya da bir bölümünün hata içerdiği problemlerin çözümü için önerilmiş yeni ve güçlü bir yöntemdir.Heyelanların izlenmesi araştırmalarının en önde gelen amacı, heyelanın önceden haber alınmasıdır. Bunu izleyen amaç ise önlem geliştirmektir. Bu iki amacında hem teker teker, hem de ikisinin birlikte gerçekleşmesi için, hareket edecek kitlenin büyüklüğü ile birlikte hareket yönünün saptanması gereklidir. Heyelan gerçekleşmeden, kontrol noktalarındaki kanıtlanmış küçük zemin hareketlerini gösteren deformasyon vektörleri bir ölçüde heyelan yönünü göstermektedir. Hareket edecek zemin kitlesinin (heyelan blokları) belirlenmesi bunun için, sezginin ötesinde matematik modellerin geliştirilmesi gereklidir. Bu amacının gerçekleştirilmesi için Bulanık Çıkarım Sistemleri (BÇS) elverişli bir yöntem olarak öne çıkmaktadır.Bulanık küme teorisine dayalı BÇS, presizyon düşüklüğü, anlaşılmazlık, eksik bilgi vb. belirsizliklerin bulunduğu problemlerin çözümü için alternatif bir yöntemdir. BÇS genel olarak, mevcut verilerden seçilen girdi değişkenlerinden çıktı değişkenlerinin elde edilmesini sağlamak amacıyla bulanık küme ilkelerini kullanan sistemlerdir. Bulanık sistemlerin en büyük avantajı insan deneyimlerinin ve sözel verilerin modele katılması ile çözüme ulaşılmasıdır. BÇS yaklaşımı heyelan bloklarının sistematik bir şekilde ve objektif olarak belirlenmesi için de uygulanabilir. Jeologlar için heyelan mekanizmasının çözümü için önemli bir veri olan bu bilgi, heyelanların daha erken önceden kestirimi ve önleyici önlemlerin alınması açısından da çok değerlidir.Bu tezin amaçları ve jeodezik deformasyon analizine sağlayacağı katkı çerçevesinde, Büyükçekmece-Gürpınar heyelan bölgesinde 1996-1998 yılları arasında dört periyot olarak gerçekleştirilen GPS gözlemleri nümerik uygulama bölümünde kullanılmıştır. Bu uygulamanın adımlarına GPS ölçülerinin değerlendirilmesi, zemin hareketlerinin 3 Boyutlu (3D) deformasyon analizi ile saptanması, deformasyon analizinde, zemin hareketlerinin EKK ve TEKK kestirimleri kullanılarak bulunması ve sonuçların karşılaştırılması, heyelan bloklarının BÇS ile belirlenmesi ve heyelan tipinin saptanmasıdır.Bu tez çalışmasının içeriği aşağıdaki şekilde düzenlenmiştir:Bölüm 1'de, afetler, EKK ve TEKK yöntemleri ile deformasyon analizi, heyelan bloklarının ve tipinin belirlenmesi ile BÇS hakkında kısa bilgiler verilmiştir.Bölüm2'de, 3D deformasyon analiz çalışmaları için EKK, TEKK kestirim yöntemleri 3D benzerlik dönüşüm modeli, heyelan bloklarının belirlenmesi çalışmaları için Delaunay üçgenlemesi, afin dönümü, gerilme analizi, BÇS ait ayrıntılı bilgiler ve matematiksel temeller anlatılmıştır.Bölüm 3'te, deformasyon analizi hakkında genel bilgilerin verilmesinden sonra EKK ve TEKK yöntemleri ile 3D deformasyon analizi matematiksel temelleri ile birlikte anlatılmıştır.Bölüm 4'te, uygulamanın gerçekleştirildiği bölge, bölgenin jeolojisi ve bölgedeki deformasyon ölçmeleri hakkında bilgiler verilmiştir. Sonra, EKK ve TEKK yöntemleri ile ardışık kampanyalar arasında 3D deformasyon analizleri yapılmış ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Daha sonra, bölgede oluşan heyelan blokları BÇS ile hem 2D (yatay) hem de (Quasi) 3D olarak belirlenmiştir. Son olarak, bölgedeki heyelanın tipi jeodezik veriler yardımıyla belirlenmiştir.Bölüm 5'te, kullanılan yöntemlerin ve hesaplamalardan elde edilen sonuçların yorumları, ülkemizde afet konusunda dile getirilen sorun ve öneriler ile tezde elde edilen sonuçlar doğrultusunda uygulayıcılara öneriler ayrıntılı olarak verilmiştir. Ekler bölümünde sayısal uygulamalara ait sonuçlar verilmiştir.Sayısal uygulama sonuçları, TEKK yönteminin deformasyon analiz çalışmalarında kullanılabilirliğini, BÇS'nin heyelan bloklarının belirlenmesi özellikle heyelanlara önlem geliştirilmesi çalışmalarında kullanılabilir bir yöntem olduğunu göstermiştir.

Abstract:
When observed globally in a long time period, earthquakes, landslides, rock falls, floods etc. are natural phenomenon. Unless affecting the lives of human beings, these phenomenons become a simple part of the dynamic processes on the earth; and when causing economic and social losses they called as disaster. As one of the most important natural phenomenons having direct or indirect effects on countries? economies, landslides are also geological disasters threatening human lives. In terms of the amount of life and property losses, landslides rank the second among the natural disasters in Turkey. If happening frequency and resulting cost of landslides are considered, the most affected regions of Turkey are Black Sea and Marmara regions. Because of its sedimentation geology and conditions of underground water, some parts of Marmara region has a proper environment for landslides. In this region, slope movements are mostly seen in Büyükçekmece coast, Bosphorus and the vicinity of Yalova.In order to mitigate and end up the effects of such disasters threatening human lives, it is necessary to monitor ground movements in the possible disaster regions where landslides or other disasters may happen. Today, space-based positioning techniques, particularly GPS technique, provide high-precision positional information in a fast and comfortable way. Because of these advantages, these techniques are also used effectively and properly in deformation monitoring projects.In geodesy, the oldest and the most commonly applied parameter estimation technique is the least squares (LS) method. This method is also applied in deformation analysis applications. Total least squares (TLS) method, first introduced in the 1980?s to overcame some deficiencies of the LS method, can also be an applied in deformation analysis. TLS consists of functional model that forms the functional relationship between unknown parameters and observations, and stochastic model that represents the relative accuracies of observations. In some cases, for example in coordinate transformation, observations vector and some elements of design matrix have stochastic properties. In classical LS approach this fact is neglected resulting in uncertainty in solutions. On the other hand, TLS method is a new and powerful method suggested for the solution of problems where not only the observations but also some or all elements of design matrix contain errors.Primary objective of landslide monitoring investigations is to predict the happening of them. The following objective is then to find preventive measures against landslides. In order to achieve these objectives, the amount of the moving masses and the directions of the movements should be determined. To a certain extent, deformation vectors on the ground control points show small ground motions and give an idea about the directions of landslides. In order to determine the possibly moving ground masses (landslide blocks), mathematical models should be developed besides instinctive approaches. To achieve this goal, fuzzy logic systems are proper methodology to have suitable solutions.Fuzzy Inference Systems (FIS) is based on fuzzy set theory. FIS is an alternative method for the solution of problems when such cases as low precision, uncertainty, lack of information etc. exist. In FIS method fuzzy set rules are implemented and regarding these rules, output variables are obtained using the present input variables. The most important advantage of fuzzy systems is that the solution is obtained using human experiences and verbal information. FIS approach can also be applied for the determination of landslide blocks in a systematic and objective way. This information that is an important data for geologists to solve the landslide mechanisms is also quite valuable in terms of predicting landslides earlier and taking preventive measures against them.Regarding the objectives and the contribution of this dissertation to the geodetic deformation analysis applications, GPS data collected in Büyükçekmece-Gürpınar region in four periods between 1996 and 1998 was used for the numerical application part. The steps of the application part are the processing of GPS observations, determination of ground movements by 3D deformation analysis, comparison of solutions by LS and TLS approaches, FIS solution for the determination of landslide blocks and the determination of landslide type.The content of this dissertation is arranged as follows:In Chapter 1, fundamentals of disasters, deformation analysis by LS and TLS methods, determination of landslide blocks and types and FIS methodology are briefly explained.In Chapter 2, LS and TLS approaches in 3D deformation analysis, 3D similarity transformation model, Delaunay triangulation algorithm for the determination landslide blocks, affine transformation, strain analysis, detailed information about FIS and mathematical foundations are considered.In Chapter 3, following the general information about the deformation analysis, LS, TLS and 3D deformation analysis are explained with their mathematical background.In Chapter 4, initially information about the landslide region, where the evaluated data is collected, the geology of that region, and deformation observations are given. In the following parts of this chapter, the results 3D deformation analyses using LS and TLS methods and their comparisons are given. 2D (horizontal) and 3D (quasi) landslide block determination by FIS are also given in this chapter. In the final part of this chapter, determination of landslide type in the region using geodetic data is discussed.In Chapter 5, the introduced methods and obtained solutions were discussed in terms of pointed out problems and suggestions about disasters in Turkey. Regarding these evaluations some detailed remarks are made in this chapter.In the appendices, results of numerical applications are given. Numerical application results show that the TLS method can be employed in deformation analysis effectively, and FIS approach is a suitable way to determine landslide blocks especially in works to develop landslide prevention measures.