Horseshoe adası Antarktika'da İHA-GPR gözlemlerine dayalı buzul izleme ve 3D modelleme
Glacier monitoring and 3D modeling based on UAV-GPR observations on horseshoe island, antarctica
Yazar: MEHMET ARKALI
Danışman: DOÇ. DR. MAHMUT OĞUZ SELBESOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Antarktika = Antarctica ; Buzul = Glacial ; Küresel ısınma = Global warming ; Yer altı radarı = Ground penetrating radar ; İklim değişikliği = Climate change ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
Küresel ısınma, sera gazlarının güneş ısısını atmosferde hapsederek Dünya'nın ortalama yüzey sıcaklığını artırmasıyla oluşur. Bu artış, küresel iklim değişikliğine yol açar ve iklim koşullarının dağılımını değiştirir. İnsan faaliyetleri nedeniyle sera gazlarının seviyeleri artmış ve atmosferin ısınmasına neden olmuştur. İklim değişikliğini ve etkilerini takip edebilmek için çeşitli gözlemler yapılmakta ve bu gözlemler kullanılarak çeşitli modelleme çalışmaları gerçekleştirilmektedir. Küresel ısınma, kriyosfer ve termohalin döngü gibi önemli olguları etkiler. Kriyosfer, kar ve buz alanlarını kapsar ve Dünya'nın en büyük tatlı su rezervini oluşturur. Kar ve buz, güneş ışığını yansıtarak gezegenin sıcaklığını düzenler ve kriyosferin bazı kısımları binlerce yıldır çözünmemiştir. Termohalin döngü, okyanus sularının sıcaklık ve tuzluluğun etkileşimiyle oluşturduğu küresel bir akıntı sistemidir. Bu sistem, rüzgarların yüzey akıntılarını ve su yoğunluğu farklılıklarının derin su akıntılarını yönlendirdiği bir "taşıyıcı bant" işlevi görür. Termohalin döngü, okyanus sularını karıştırır, kutuplara ısı taşır ve deniz buzu oluşumunu etkiler. Bu da iklim üzerinde önemli etkilere sahiptir. 
Kutup bölgeleri, iklim değişikliğinin geçmişten günümüze kadar yaşanan sürecin anlaşılması için ideal araştırma ortamıdır. Çünkü buzullar, atmosferin bileşimini barındıran önemli tarihî kaynaklardır. Buzulların izlenmesi ve takibi; iklim değişikliğinin etkisiyle artan buzul erime hızı, deniz seviyesinin yükselmesi, tatlı su kaynaklarının sürdürülebilir yönetiminin sağlaması, yerel ekosistemlerin korunması, jeolojik ve jeomorfolojik gibi çalışmalara katkı sağlanması açısından önemlidir. Buzullar, küresel ısınmanın doğrudan göstergesidir. Yapılan araştırmalar sonucu ortaya konan bulgular doğrultusunda iklim değişikliğinin trendi hakkına bilgiler sağlar. Yapılan değerlendirmeler buzulların erimesinin mevcut haliyle devam ettiği durumda özellikle kıyı ekosistemleri olumsuz etkilenecektir. Bu tez çalışması kapsamında Türkiye Cumhuriyeti Cumhurbaşkanlığı himayelerinde, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı uhdesinde ve Tübitak Marmara Araştırma Merkezi (MAM) Kutup Araştırmaları Enstitüsü (KARE) koordinasyonunda gerçekleştirilen Türkiye Ulusal Antarktika Bilim Seferleri (TAE -Turkish Antarctic Expedition) kapsamında yer radarı kullanılarak buzul derinliğinin belirlenmesi amaçlanmıştır.
Yer radarı (Ground Penetrating Radar-GPR), tahribatsız ya da yıkıcı olmayan özelliği sayesinde yeraltının incelenmesi ve haritalanmasında geniş bir kullanım alanına sahiptir. Yöntem, elektromanyetik (EM) dalgaları kullanarak yeraltındaki yapıları dielektirik özelliklerine göre tespit eder. Bu yöntem, ortama gönderilen elektromanyetik dalgalarının farklı malzemelerden yansımasını ve iletilmesini ölçer. Yeraltındaki malzemeler, su içeriği, yoğunluk ve elektrik iletkenliği gibi dielektrik özelliklerine bağlı olarak bu dalgalara farklı tepkiler verir. Yer radarı, gönderdiği sinyallerin yeraltındaki farklı katmanlardan geri dönüş süresini ve gücünü analiz ederek, yeraltı yapılarını ve anormalliklerini haritalar. Yer radarı, verilerinin analizi ve yorumlanması, yer altı yapılarının ve özelliklerinin incelenmesinde önemli bir adımdır. Öncesinde verilerinin toplanması süreci, uygun ekipman seçimi, arazi hazırlığı adımlarına bağlıdır. Veri işlenmesi için ön işleme adımı gereklidir. Verinin tasnif edilmesi, profillere ayrılması ve isimlendirilmesi gibi düzenleme işlemleri yapılır. Ardından ham verilerdeki gürültüleri ve hataları azaltmak için çeşitli filtreler uygulanır. Literatürde kabul görmüş sistematik bir veri işleme akışı bulunmamaktadır. Uygulanan filtreleme teknikleriyle veriler analiz edilip sayısallaştırılır. Ham veriden yorumlanabilir görüntüye kadar bu süreç uygulanır. İşlem uygulanırken araştırmacının tecrübesi de yorumu etkileyen bir faktördür. Bu haliyle ortama herhangi bir zarar vermeden yer radarı uygulaması tamamlanır. Yer radarı yöntemi başta jeofizik çalışmalar olmak üzere arkeoloji, jeoloji, hidroloji, inşaat ve madencilik gibi birçok alanda kullanılmaktadır. 
Yer radarı buzul bilimi için de oldukça önemli bir araçtır. Çünkü buzulların altındaki yapıları, kalınlıklarını ve iç özelliklerini belirlemek için kullanılır. Buzul kalınlığının ölçülmesiyle buzul hacmi ve potansiyel su kaynağı hakkında bilgi sağlar. Buzulların iç yapısıyla alakalı olarak katmanlar, çatlaklar ve diğer yapılar radar verileriyle incelenebilir. Bu yapılar buzul dinamikleri ve geçmiş iklim olayları hakkında bilgi verir. Bunların yanında buzul hareketlerinin izlenmesine de olanak sağlar.
Yer radarının buzul bilimi açısından bahsedilen avantajları göz önünde bulundurularak Türk Bilim Üssü yakınında seçilen çalışma alanında yersel ve insansız hava aracı (İHA) tabanlı yer radarı ölçümleri gerçekleştirilmiştir. TAE-7 seferinde yer radarı atım değeri 400 nanosaniye (ns) iken TAE-8 seferinde 800 nanosaniye olarak seçilmiştir. 400 ns için düşey hassasiyet 6-7 santimetre (cm) iken 800 ns için 13-14 cm'dir.  Yapılan her iki uygulamada taramalar birbirine dik olacak şekilde bir grid ağı oluşturulmuştur. Grid ağı sayesinde verinin tutarlığını kontrol etmeye yarayan crossover analiziyle uygulanmıştır. Yersel GPR yöntemi doğru kabul edilerek İHA-GPR yöntemiyle olan farkları bulunarak bir karşılaştırma yapılmıştır. Elde edilen fark değerleri %99.72'lik güven aralığına göre analiz edilmiştir. TAE-7 seferi için ortalama değerin 2.84 cm ve RMSE değeri 8.88 cm olarak hesaplanmıştır. TAE-8 seferinde ise ortalama değer -0.07 cm, RMSE değeri 8.32 cm olarak hesaplanmıştır. Yersel GPR ve İHA-GPR yöntemleri arasındaki farklar yardımıyla çalışma alanında üç boyutlu modeller yapılmıştır. Böylece her iki seferde de yöntemlerin karşılaştırılması sağlanmıştır. Üç boyutlu bu modellerde metre altında değerler görülmektedir. Modellemelerde seçilen enterpolasyon modelinin grid ağının sınır değerlerde iyi çalışmadığı görülmüştür. Buzul derinliğinin tespiti ve modellenmesine yönelik yersel ve İHA bazlı GPR uygulamasının umut verici bir yöntem olduğu görülmüştür. İHA-GPR, yersel GPR yöntemine göre birim zamanda 16 kata kadar daha hızlı tarama yapabildiği saptanmıştır. Ulaşılması zor olan alanlarda İHA-GPR yönteminin kullanılabilir olduğu görülmektedir.

Abstract:
Global warming is a complex phenomenon characterized by the gradual increase in the Earth's average surface temperature due to the accumulation of greenhouse gases in the atmosphere. These gases, such as carbon dioxide and methane, trap solar heat, leading to a rise in temperature. Human activities, including the burning of fossil fuels and deforestation, are the primary contributors to the increased levels of greenhouse gases.The consequences of global warming are extensive and impact various natural processes. One significant effect is observed in the cryosphere, which encompasses regions covered by snow and ice. The cryosphere is a critical component of the Earth's freshwater reserves and plays a crucial role in regulating the planet's temperature by reflecting sunlight. However, the ongoing rise in global temperatures is causing profound changes in the cryosphere, leading to the melting of ice caps and glaciers. Some areas within the cryosphere have remained frozen for millennia, and the alterations in temperature are disrupting these ancient ice formations.
Overall, global warming poses significant challenges to the environment and has far-reaching effects on natural systems, including the delicate balance within the cryosphere.Additionally, global warming has substantial effects on the thermohaline cycle, which is a global system of currents formed by the interaction of temperature and salinity in ocean waters. This intricate system acts as a kind of "conveyor belt," driven by winds that create surface currents and differences in water density that drive deep-water currents. The thermohaline cycle plays a crucial role in mixing ocean waters, transporting heat to the polar regions, and influencing the formation of sea ice. These processes have significant implications for global climate patterns.
The polar regions provide an ideal environment for studying climate change and its impact. Glaciers in these areas serve as historical archives, preserving valuable information about the composition of the atmosphere over time. Studying these glaciers can help scientists better understand the processes and effects of climate change.This thesis aims to determine the glacier depth using ground penetrating radar within the scope of the Turkish National Antarctic Science Expedition (TAE -Turkish Antarctic Expedition) carried out under the auspices of the Presidency of the Republic of Turkey, under the auspices of the Ministry of Industry and Technology and under the coordination of TÜBİTAK MAM Polar Research Institute (KARE).
Ground Penetrating Radar (GPR) is an invaluable tool with a diverse array of applications in subsurface exploration and mapping due to its non-destructive nature. This method utilizes electromagnetic (EM) waves to detect underground structures based on their dielectric properties. By measuring the reflection and transmission of electromagnetic waves from various materials, GPR can discern subsurface structures and anomalies. The dielectric properties of subsurface materials, such as water content, density, and electrical conductivity, influence their response to these waves.To map subsurface structures and anomalies, GPR analyzes the return time and strength of the signals it sends through different layers of the subsurface. The analysis and interpretation of ground-penetrating radar data are crucial in the study of subsurface structures and features. This process is preceded by data collection, the selection of appropriate equipment, and site preparation. A pre-processing step is essential for data processing, including sorting, profiling, naming, and organizing the data. Various filters are then applied to minimize noise and errors in the raw data. It's important to note that there is no universally accepted systematic data processing flow in the literature.
Once filtering techniques are applied, the data is analyzed and digitized, ultimately transforming the raw data into an interpretable image. The experience of the researcher also plays a significant role in the interpretation process. This approach allows for the completion of ground-penetrating radar applications without causing damage to the environment. GPR finds applications in a wide range of fields including geophysics, archaeology, geology, hydrology, construction, and mining.
Once filtering techniques are applied, the data is analyzed and digitized, ultimately transforming the raw data into an interpretable image. The experience of the researcher also plays a significant role in the interpretation process. This approach allows for the completion of ground-penetrating radar applications without causing damage to the environment. GPR finds applications in a wide range of fields including geophysics, archaeology, geology, hydrology, construction, and mining.Ground-penetrating radar (GPR) holds significant importance in the realm of glaciology due to its capability to provide detailed insights into the internal composition of glaciers. GPR is instrumental in determining not only the underlying structures and thickness of glaciers but also their internal characteristics. The data obtained from GPR measurements is invaluable for calculating glacier volume and assessing potential water resources. Furthermore, the radar data allows for a comprehensive examination of the layers, cracks, and various other structures within the glaciers, shedding light on the intricate dynamics of these icy formations and providing valuable information about historical climate events. Additionally, GPR facilitates continuous monitoring of glacier movements, contributing to our understanding of their behavior and response to environmental changes.
Considering the advantages of ground-penetrating radar for glaciology, ground-penetrating and unmanned aerial vehicle (UAV)-based ground-penetrating radar measurements were carried out in the selected study area near the Turkish Science Base. While the ground penetrating radar pulse rate was 400 nanoseconds (ns) during TAE-7, it was selected as 800 nanoseconds during TAE-8. For 400 ns, the vertical sensitivity is 6-7 centimeters (cm), while for 800 ns it is 13-14 cm.  A grid network was created with the help of the scanned profiles in both applications. Thus, the consistency of the data could be checked by crossover analysis. The differences between the results obtained from the UAV-GPR method and the results obtained from the UAV-GPR method were calculated, assuming that the ground-based GPR method was correct. The difference values obtained were analyzed according to the 99.72% confidence interval. For the TAE-7 expedition, the mean value was calculated as 2.84 cm and the RMSE value as 8.88 cm. For TAE-8, the mean value was -0.07 cm and the RMSE value was calculated as 8.32 cm. When the scatter plots and mean values are examined, it is seen that they are normally distributed. These two methods were also compared between each time with the surface models created. These three-dimensional models show sub-meter values. It was observed that the grid network of the interpolation model selected in the modeling did not work well at the boundary values. It has been seen that ground-based and UAV-based GPR application is a promising method for the detection and modeling of glacier depth. In addition, it can be said that UAV technology is at the forefront of future studies as it is more effective than ground-based measurements.