Çok yüksek çözünürlüklü stereo uydu ve İHA görüntülerinden elde edilen sayısal yükseklik modellerinin doğruluğunun araştırılması
Investigation of the accuracy of digital elevation models obtained from very high resolution stereo satellite and UAV images
Yazar: MEHMET DOĞRULUK
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA YANALAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Geometrik doğruluk = Geometric accuracy ; Kültürel miras = Cultural heritage ; Sayısal görüntü = Digital image ; Sayısal görüntü işleme = Digital image processing ; Sayısal uydu verileri = Digital satellite data ; Sayısal yükseklik modelleri = Digital elevation models ; Stereoskopik görüntüleme = Stereoscopic imaging ; Uydu görüntüleme = Satellite imaging ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
Çok yüksek çözünürlüklü (ÇYÇ) uydu ve insansız hava aracı (İHA) görüntüleri, yeryüzünün fiziksel yapısını algılamak ve izlenmek için ayrıntılı mekânsal ve spektral bilgiler içermektedir. Özellikle farklı arazi örtülerine ve yüzey özelliklerine sahip bölgelerin mekânsal eğilimleri bu görüntülerden sağlanan bilgiler ile belirlenebilir. Ayrıca binalar, gemiler ve yollar gibi tekil nesnelerin fiziksel özellikleri bu görüntülerden sağlanan bilgiler kullanılarak oldukça yüksek bir doğruluk ile elde edilebilmektedir. ÇYÇ uydu ve İHA görüntülerinden elde edilen bu bilgiler, yeryüzü gözlemlerinin yanı sıra kültürel mirasın korunması ve yönetimi amacıyla da kullanılabilmektedir. Günümüzde bu görüntülerinin elde edilebilirliğinin artması, optik uzaktan algılama tabanlı arkeolojik araştırmaların düşük maliyetlerle gerçekleştirilmesini olanaklı hale getirmiştir. Son yıllarda bu görüntüler önemli sayıda arkeolojik araştırmada referans veri olarak kullanılmıştır. ÇYÇ uydu ve İHA görüntülerinden elde edilen bilgiler; arkeolojik yapıların belirlenmesi, dokümantasyonu ve bu yapılarda meydana gelen yağmalama olaylarının tespit edilmesi gibi farklı amaçlarla kullanılabilmektedir. 
ÇYÇ uydu ve İHA görüntülerinin sağladığı avantajlardan bir diğeri de yüksek duyarlıkta sayısal yükseklik modeli (SYM) üretimine imkân tanımasıdır. Aynı bölge için en az iki farklı görüntüleme açısından elde edilen (stereo) görüntüler kullanılarak SYM üretilebilir. SYM'ler, temsil ettikleri bölgenin fiziksel karakteristikleri hakkında detaylı bilgiler sağlamaktadır. Özellikle SYM'lerden elde edilen yükseklik ve konum bilgileri, yeryüzünün morfolojik yapısını anlamak ve analiz etmek için temel teşkil etmektedir. SYM'lerden sağlanan bu bilgiler doğal ve yapay objeleri bireysel olarak modellemek ve bu objelerde meydana gelebilecek fiziksel değişiklikleri tespit etmek için de kullanılabilir. Birçok arkeolojik manzara zeminden yükselen, tesviye edilmiş ya da toprağa gömülmüş arkeolojik yapılar içermektedir. Bu yapılar, SYM'ler üzerinde gerçekleştirilen üç boyutlu (3B) analizler ile belirlenebilir, haritalanabilir veya izlenebilir. Dahası, SYM'lerden sağlanan 3B konum bilgileri, arkeolojik yapıların fiziksel özelliklerine yönelik geometrik parametreleri obje tabanlı olarak elde etmeye ve bu parametreler kullanılarak arkeolojik yapılar arasındaki mekânsal ilişkileri analiz etmeye olanak sağlamaktadır. 
SYM'ler birçok farklı mekânsal uygulamada ihtiyaç duyulan ayrıntılı yüzey bilgisini sağlayabilmektedir. Bu nedenle farklı arazi örtülerine ve yüzey özelliklerine sahip bölgeler için üretilen SYM'lerin geometrik doğruluklarını belirlemeye yönelik araştırmalar uzun süredir devam etmektedir. Bu araştırmalarda ÇYÇ stereo uydu ve İHA görüntülerinden elde edilen SYM'lerin geometrik doğruluğunun; görüntülerinin özellikleri, seçilen görüntü eşleme yaklaşımı, yeryüzünün morfolojik yapısı, arazi örtüsü ve kullanılan enterpolasyon yöntemi gibi farklı etkenlere bağlı olarak değişebileceği ifade edilmektedir. Bu kapsamda yapılan birçok bilimsel çalışmada, 1-görüntü piksel düzeyinde geometrik doğruluğa sahip SYM'ler üretilebileceği ortaya koyulmuştur. 
Son yıllarda SYM'lerin sağladığı geometrik doğruluk obje tabanlı bir yaklaşımla incelenmeye başlamıştır. Bunun temel nedeni, objelerin fiziksel özelliklerinin ve bu objelerde meydana gelen geometrik değişimlerin ÇYÇ stereo uydu ve İHA görüntülerinden elde edilen SYM'ler yardımıyla belirlenmesidir. Ancak, hedef objelerdeki geometrik değişimleri belirlemek için, bu SYM'lerden elde edilen obje tabanlı geometrik doğruluğun bilinmesi gerekmektedir. Bu kapsamda özellikle arkeolojik alanların/yapıların modellenmesi için İHA görüntüleri kullanılarak çok sayıda araştırma yapılmış olmasına karşın ÇYÇ stereo uydu görüntüleri kullanılarak gerçekleştirilen bilimsel çalışmalar oldukça sınırlıdır. Dahası, arkeolojik alanların ÇYÇ stereo uydu görüntülerinden üretilen SYM'ler ile temsil edilmesine odaklanan çoğu çalışmada, arkeolojik yapılar SYM'ler üzerinde bir detay olarak ele alınmakta, bağımsız objeler olarak modellenmemektedir. Bu durumda, üretilen SYM'lerin geometrik doğruluğu sadece bölgesel olarak ölçülebilmektedir. Belirli bir bölge ya da arazi örtüsü için ölçülen bu doğruluk, hedef objelerde meydana gelen fiziksel değişimlerin bireysel olarak belirlenmesinde duyarlık kayıplarına neden olmaktadır. Bu nedenle, özellikle arkeolojik yapılardaki küçük ölçekli fiziksel değişimleri izleyebilmek için üretilen SYM'lerin geometrik doğruluğunun obje tabanlı bir yaklaşımla belirlenmesine ihtiyaç duyulmaktadır. 
Bu tez çalışmasında, arkeolojik yapılar içeren bir çalışma alanının modellenmesi ele alınmıştır. Bu kapsamda, tezin temel amacı, İHA ve ÇYÇ stereo uydu görüntüleri kullanılarak üretilen SYM'lerin sağladığı obje tabanlı geometrik doğruluğun araştırılmasıdır. Ayrıca bu SYM'lerin; arkeolojik yapıların bağımsız objeler olarak modellenmesinde, bu yapılarda meydana gelebilecek metre altı düzeydeki fiziksel değişikliklerin tespit edilmesinde ve arkeolojik yapılar arasındaki fiziksel benzerliklerin belirlenmesinde kullanımına yönelik bir metodoloji sunulmuştur. Bununla beraber, önerilen bu metodoloji Gordion arkeolojik alanı üzerinde test edilmiştir.
Gordion arkeolojik alanı 2012 yılından bu yana UNESCO Dünya Mirası Geçici Listesinde yer almaktadır. Gordion, yaklaşık üç asır boyunca Orta Anadolu'nun büyük bir bölümünde hüküm süren Frigya devletinin başkenti olarak ünlenmiştir. Ankara'nın güneybatısında yer alan Gordion, anıtsal mezarlar olarak bilinen ve tümülüs olarak adlandırılan çok sayıda arkeolojik yapıya ev sahipliği yapmaktadır. Gordion, günümüzde büyük ve kalabalık bir yerleşim yeri olmamakla beraber, bölgede gerçekleştirilen tarım, sulama ve kentleşme faaliyetleri tümülüslerin fiziksel bütünlüğüne zarar vermektedir. Ayrıca, Gordion tümülüsleri son yıllarda defalarca yağmacılar tarafından hedef alınmış ve fiziksel yapıları zarar görmüştür. Çalışma alanı olarak Gordion bölgesinin seçilmesinin arka planında yer alan en önemli motivasyon, Gordion tümülüslerin çeşitli nedenlerle tehlike altında olması ve bölgenin modellenmesinin tümülüslerin korunmasına katkı sağlayacağının düşünülmesidir. Bu nedenle seçilen çalışma alanı, Gordion bölgesinin merkezinde, tümülüslerin yoğun olarak kümelendiği ve olabildiğince geniş (yaklaşık 1600 hektar büyüklüğünde) bir alan olarak belirlenmiştir.
Tezde sunulan metodoloji kapsamda öncelikle 0.07m yer örnekleme aralığı (YÖA) değerine sahip 2566 adet İHA görüntüsü toplanmıştır. Bu görüntüler çalışma alanının tamamını kapsamaktadır. Sonraki aşamada İHA görüntüleri kullanılarak fotogrametrik yöntemler ile yoğun nokta bulutu veri setleri üretilmiştir. Diğer taraftan, 0.30m YÖA değerine sahip WorldView-3 ve 0.70m YÖA değerine sahip KOMPSAT-3 stereo uydu görüntülerinden nokta bulutu veri setleri üretilmiştir. Farklı sensörlerden üretilen bu nokta bulutu veri setleri, çalışma alanının tamamını ve tümülüsleri temsil eden SYM'ler üretmek amacıyla kullanılmıştır. Ayrıca, tümülüsleri bağımsız objeler olarak temsil eden bu SYM'lerin tümülüslerin yükseklik, alan ve eğim gibi geometrik parametrelerini belirleyebilme potansiyeli test edilmiştir. Son olarak farklı veri setleri üzerinde dijital ortamda gerçekleştirilen ölçümler sonucunda elde edilen bu parametreler yardımıyla, tümülüsler arasındaki fiziksel benzerlikler incelenmiştir.
Tez kapsamında İHA ve ÇYÇ stereo uydu görüntülerinden üretilen nokta bulutu ve SYM'lerin kalitesi, çok ölçütlü bir değerlendirme yaklaşımı ile ayrı ayrı incelenmiştir. Model, obje ve nokta tabanlı olarak gerçekleştirilen bu değerlendirmeler, üretilen nokta bulutu ve SYM'lerin geometrik doğruluğunu ölçmek için: bulut buluta karşılaştırma, düşey doğruluk analizi, hacim analizi ve düşey profil analizi gibi geometrik doğruluk belirleme yöntemlerini içermektedir. Model tabanlı değerlendirmeler, çalışma alanının tamamı için uydu görüntülerinden üretilen nokta bulutu ve SYM veri setlerinin referans (İHA) veri setleri ile karşılaştırılmasını içermektedir. Obje tabanlı değerlendirmeler, ÇYÇ uydu görüntülerinden üretilen veri setlerinin; tümülüslerin durumlarına (hasarlı ve hasarsız) ve arazi örtülerine (çıplak toprak, alçak bitki ve tarımsal) göre gruplandırılarak referans tümülüs veri setleri ile karşılaştırıldığı genel ve detaylı değerlendirmeleri içerir. Nokta tabanlı değerlendirmeler ise tüm çalışma alanı için üretilen İHA, WorldView-3 ve KOMPSAT-3 nokta bulutu veri setlerinin, saha çalışmaları ile elde edilen 164 kontrol noktası ile karşılaştırılmasını ifade etmektedir. 
Her iki ÇYÇ stereo uydu görüntüsünden üretilen nokta bulutları ve SYM'ler üzerinde gerçekleştirilen düşey doğruluk analizleri, model tabanlı karşılaştırmalar için 2-piksel düzeyinin altında bir karesel ortalama hata (KOH) değeri elde edildiğini göstermiştir. Tümülüsler üzerinde gerçekleştirilen obje tabanlı karşılaştırmalar sonucunda ise; hasarlı tümülüsler için 1-piksel düzeyinin altında, hasarsız tümülüsler için ise 1-piksel düzeyine karşılık gelen bir KOH değeri elde edilmiştir. Diğer taraftan, arazi örtüsüne göre gruplandırılan tümülüsler üzerinde gerçekleştirilen obje tabanlı karşılaştırmalar sonucunda; çıplak toprak arazi örtüsüne sahip tümülüsler için 0.5-piksel düzeyinde KOH değeri elde edilirken, alçak bitki ve tarım alanı arazi örtüsüne sahip tümülüsler için ise 1.5-piksel düzeyinde KOH değeri elde edilmiştir. Ayrıca, obje tabanlı değerlendirmeler kapsamında gerçekleştirilen hacim analizi sonucunda, referans tümülüs modelleri ile uydu verilerinden üretilen tümülüs modelleri arasında elde edilen hacimsel farkların %1 düzeyinde olduğu belirlenmiştir. Nokta tabanlı değerlendirmeler kapsamında gerçekleştirilen düşey doğruluk analizi sonuçlarına göre, İHA, WorldView-3 ve KOMPSAT-3 verileri için sırasıyla; 0.11m, 0.16m ve 0.50m KOH değerleri elde edilmiştir. Tümülüslerin fiziksel özelliklerinin karşılaştırılması sonucunda ise uydu verilerinden üretilen tümülüs modelleri ile referans tümülüs modelleri arasında, eğim ve yükseklik parametreleri bakımından %90'ın üzerinde bir korelasyon olduğu, ayrıca hasarsız tümülüslerin yükseklik, çevre ve alan parametreleri arasında matematiksel olarak formülize edilebilen büyük benzerlikler olduğu belirlenmiştir. 
Gordion arkeolojik alanı üzerinde gerçekleştirilen değerlendirmeler sonucunda elde edilen bütün bulgular, ÇYÇ stereo uydu ve İHA görüntülerinden üretilen nokta bulutu ve SYM veri setlerinin Gordion bölgesini ve tümülüsleri oldukça duyarlı temsil edebildiğini göstermektedir. Bunun yanı sıra, özellikle WorldView-3 verileri kullanılarak belirlenen tümülüs fiziksel parametrelerinin, İHA verilerine oldukça yakın bir duyarlıkta elde edilebildiği görülmüştür. Buna göre, Gordion tümülüslerinde meydana gelebilecek metre altı düzeydeki fiziksel değişikliklerin tespit edilmesinde ve izlenmesinde WorldView-3 görüntülerinin kullanılabileceği değerlendirilmektedir. Diğer taraftan, tümülüslere yönelik elde edilen bulgular, Gordion tümülüslerinin güncel durumlarını belirlemek ve tümülüslerdeki fiziksel değişimleri izlemek için bir başlangıç noktası oluşturmaktadır. Buna göre, çalışma alanımız içerisinde bulunan Gordion tümülüslerinin önemli bir bölümünün tehlike altında olduğunu açıkça ortaya koyulmuştur. Gordion arkeolojik alanının yeniden planlanması ve koruma altına alınması için tezde kullanılan çalışma alanın pilot bölge olarak seçilebileceği, burada elde edilen bulguların yeniden yapılanma sürecinde referans veri olarak kullanılabileceği ve türetilen tümülüs parametrelerinin yeni tümülüslerin keşfedilmesi için kullanılabileceği değerlendirilmektedir.

Abstract:
Very high resolution (VHR) satellite and unmanned aerial vehicle (UAV) images contain detailed spatial and spectral information to detect and monitor the physical structure of the earth. In particular, the spatial trends of regions with different land covers and surface features can be determined with the information obtained from these images. Besides, the physical properties of individual objects such as buildings, ships and roads can be obtained with very high accuracy using the information derived from these images. The information obtained from VHR satellite and UAV images can also be used for the protection and management of cultural heritage as well as earth observations. Today, the increasing availability of these images has made it possible to conduct archaeological research based on optical remote sensing at low cost. In recent years, these images have been used as reference data in a considerable number of archaeological studies. The information obtained from VHR satellite and UAV images can be used for different purposes in archaeological research, such as identifying and documenting archaeological structures and detecting looting events in these structures.
Another advantage of VHR satellite and UAV images is that they enable the generation of high precision digital elevation models (DEMs). DEMs can be generated using (stereo) images obtained from at least two different viewing angles for the same region. DEMs provide detailed information about the physical properties of the represented region. In particular, elevation and location information obtained from DEMs constitute the basis for analyzing and understanding the morphological structure of the earth. In addition, DEMs can be used to individually model natural and artificial objects and detect physical changes that may occur in these objects. Many archaeological landscapes contain archaeological structures that are raised, flattened, or buried in the ground. These structures can be identified, mapped or monitored with three-dimensional (3D) analysis performed on DEMs. Moreover, 3D position information obtained from DEMs allows to determine the geometric parameters of archaeological structures individually and to analyse spatial relationships between archaeological structures using these parameters.
DEMs can provide detailed surface information needed in many different spatial applications. For this reason, researches to determine the geometric accuracy of DEMs produced for regions with different land covers and surface properties have been continuing for a long time. In these studies, it is stated that the geometric accuracy of DEMs obtained from VHR stereo satellite and UAV images may vary depending on different factors such as the characteristics of the images, the selected image matching approach, the morphological structure of the earth, the land cover type and the chosen interpolation method. In many scientific studies conducted in this context, it has been revealed that the geometric accuracy of DEMs can reach up to 1-pixel level.
In recent years, the geometric accuracy provided by DEMs has begun to be examined with an object-based approach. This is because the physical properties of the objects and the geometric changes that occur in them can be determined using DEMs obtained from VHR stereo satellite and UAV images. However, in order to determine the geometric change in the target object, it is necessary to know the object-based geometric accuracy provided from these DEMs. In this context, although a large number of studies have been carried out using UAV images for the modeling of archaeological sites/structures, a very limited number of studies have been carried out using VHR stereo satellite images. Moreover, in most studies focusing on the representation of archaeological sites with DEMs produced from VHR stereo satellite images, archaeological structures are considered as a detail on DEMs and not modeled as single objects. In this case, the geometric accuracy of the produced DEMs can only be measured locally. This accuracy which is measured for a specific region or land cover, causes sensitivity losses in the individual determination of the physical changes occurring in the target objects. For this reason, there is a need to determine the geometric accuracy of DEMs with an object-based approach, especially in order to monitor small-scale physical changes in archaeological structures.
In this thesis, modeling of a study area containing archaeological structures is discussed. In this context, the main purpose of the thesis is to investigate the object-based geometric accuracy provided by DEMs produced using UAV and VHR stereo satellite images. In addition, a methodology was presented for the use of these DEMs in modeling archaeological structures as independent objects, detecting sub-meter physical changes that may occur in these structures, and determining the physical similarities between archaeological structures. Moreover, this proposed methodology was tested on the Gordion archaeological site.
Gordion archaeological site has been on the UNESCO World Heritage Tentative List since 2012. Gordion was famous as the capital of the Phrygian state, which ruled a large part of Central Anatolia for about three centuries. Gordion which located in the southwest of Ankara, is home to many archaeological structures known as monumental tombs and called tumulus. Although Gordion is not a large and crowded settlement today, agriculture, irrigation and urbanization activities damage the physical integrity of the tumuli. In addition, Gordion tumuli have been repeatedly targeted by looters in recent years and their physical structures have been damaged. The most important motivation behind the selection of the Gordion region as the study area is that the Gordion tumuli are in danger for various reasons and that modeling the region will contribute to the protection of the tumuli. For this reason, the selected study area was determined as an area as large as possible (approximately 1600 hectares) in the center of the Gordion region, where the tumuli are densely clustered.
Within the scope of the methodology presented in the thesis, first of all, 2566 UAV images with a 0.07m ground sampling distance (GSD) value were collected. These images cover the entire study area. In the next step, dense point cloud datasets were produced by photogrammetric methods using these UAV images. On the other hand, point cloud datasets were generated from WorldView-3 and KOMPSAT-3 stereo satellite images with GSD values of 0.30m and 0.70m, respectively. These point cloud datasets produced from different sensors were used to generate DEMs representing the entire study area and tumuli. In addition, the potential of these DEMs, which represent tumuli as independent objects, to determine geometric parameters such as height, area and slope of the tumuli was tested. Finally, with the help of these parameters obtained as a result of the measurements performed in digital environment on different datasets, the physical similarities between the tumuli were examined.

Within the scope of the thesis, the quality of the point cloud and DEMs produced from UAV and VHR stereo satellite images were examined separately with a multi-criteria evaluation approach. These model, object and point-based evaluations include many accuracy determination methods to measure the geometric accuracy of the generated point clouds and DEMs. These are: cloud to cloud comparison, vertical accuracy analysis, volume analysis and vertical profile analysis. Model-based evaluations include comparison of the point cloud and DEM datasets produced for the entire study area with the reference (UAV) datasets. Object-based evaluations include general and detailed evaluations in which datasets generated from VHR stereo satellite images are grouped according to the status (damaged and undamaged) and land cover type (bare soil, low vegetation and agricultural) of the tumuli and compared with reference tumulus datasets. Point-based evaluations refer to the comparison of UAV, WorldView-3 and KOMPSAT-3 point cloud datasets produced for the entire study area with 164 control points obtained by land surveys. 
Vertical accuracy analyses performed on point clouds and DEMs generated from both VHR stereo satellite images showed that, a root mean square error (RMSE) value below the 2-pixel level was obtained for model-based comparisons. As a result of the object-based comparisons performed on the tumuli, an RMSE value below 1-pixel level was obtained for damaged tumuli, while an RMSE value corresponding to 1-pixel level was obtained for undamaged tumuli. On the other hand, as a result of the object-based comparisons carried out on the tumuli grouped according to the land cover type; 0.5-pixel RMSE value was obtained for tumuli with bare soil land cover, while 1.5-pixel RMSE values were obtained for tumuli with low vegetation and agricultural land cover. In addition, as a result of the volume analysis performed within the scope of object-based evaluations, it was determined that there is a volumetric difference of approximately 1% between the reference tumulus models and the satellite-derived tumulus models. According to the results of the vertical accuracy analysis performed within the scope of point-based evaluations, 0.11m, 0.16m and 0.50m RMSE values were obtained for the UAV, WorldView-3 and KOMPSAT-3 point cloud datasets, respectively. As a result of the comparison of the physical properties of the tumuli, it was determined that there is a correlation of over 90% between the tumulus models produced from the satellite data and the reference tumulus models in terms of slope and height values, and there are great similarities that can be formulated mathematically between the physical parameters of the undamaged tumuli. 
All the findings obtained as a result of the evaluations carried out on the Gordion archaeological site show that the point cloud and DEM datasets generated from VHR stereo satellite and UAV images can represent the Gordion region and tumuli very sensitively. In addition, it has been observed that the physical parameters of the tumuli, which are determined especially by using WorldView-3 data, can be obtained with a sensitivity quite close to the UAV data. Accordingly, it is evaluated that WorldView-3 images can be used to detect and monitor sub-meter physical changes that may occur in Gordion tumuli. However, it has been observed that the data gaps in the satellite data negatively affect the DEM production and the analyzes performed on these DEMs. On the other hand, the findings obtained for the tumuli constitute a starting point to determine the current status of the Gordian tumuli and to monitor the physical changes in the tumuli. According to this, it has been clearly demonstrated that a significant part of the Gordion tumuli in our study area are endangered. It is considered that the study area used in the thesis can be chosen as a pilot region for the replanning and protection of the Gordion archaeological site, the findings obtained here can be used as reference data in the reconstruction process and the derived tumuli parameters can be used for the discovery of new tumuli.