Hidrografik mesaha planlama aşamasında uydu tabanlı batimetrik veri kullanımının araştırılması
Investigation of satellite derived bathymetry data usage in the hydrographic survey planning phase
Yazar: KORAY AÇAR
Danışman: PROF. DR. DURSUN ZAFER ŞEKER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Batimetri = Bathymetry ; Hidrografi = Hydrography ; Uzaktan algılama = Remote sensing

Özet:
Deniz tabanı topografyasının belirlenmesi ve haritalanması maksadıyla ihtiyaç duyulan batimetrik veri günümüzde gemi tabanlı SONAR gibi ses kaynaklı ve uçak tabanlı LiDAR gibi ışık kaynaklı yöntemler ile elde edilmektedir. Yüksek çözünürlük ve doğruluk sunan bu aktif ölçme yöntemleri donanım ve saha çalışması gerektirmesi nedeniyle pahalıdırlar ve göreceli olarak daha uzun zaman ayrılmasına ve tecrübeli personel yetiştirilmesine ihtiyaç duyarlar. Yüksek çözünürlüklü çok bandlı uydu görüntülerinin işlenmesiyle 30 metreden daha sığ sularda elde edilen Uydu Kaynaklı Batimetri (UKB), geleneksel yöntemlerin yerini hâlihazırda alamasa da pratik ve ekonomik bir uzaktan algılamalı hidrografik veri toplama yöntemi olarak potansiyelini artırmaktadır. Bu çalışmada UKB yöntemiyle elde edilen derinliklerin IHO S-44 standartları kapsamında seyir haritası üretiminde ve gemi ile icra edilecek akustik derinlik ölçüm çalışmaları öncesinde keşif amaçlı kullanılarak hat planlamasının sığlıklar, batıklar veya tehlikeli alanlar üzerinde yoğunlaştırılması kapsamında kullanılmasının araştırılması hedeflenmiştir. Bu kapsamda Coğrafi Kaynak Analiz Destekleme Sistemi (GRASS) yazılımı üzerinde farklı kernel pencereleri ile Coğrafi Ağırlıklandırmalı Regresyon (GWR) hesaplamaları yapan, kullanıma hazır UKB modülü ve Landsat 8 uydu görüntüleriyle Saros Körfezi, Kuşadası Körfezi ve Bayraklıdede önlerinde derinlik çıkarımları yapılmıştır. Hesaplamalarda ihtiyaç duyulan kalibrasyon derinlik noktaları ve karşılaştırmalarda kullanılan referans derinlik noktaları güncel seyir haritalarından el ile sayısallaştırılarak elde edilmiştir. Hesaplamalara uydu görüntülerinin kaydedildiği zaman dilimindeki gelgit seviyesi eklenmiştir. Hesaplamalar sırasıyla deniz alanlarının tespit edilmesi, gelgit, atmosfer, su kolonu düzeltmeleri ve GWR ile batimetri çıkarımı adımlarında gerçekleştirilmiştir. Saros Körfezinde 0.992, Kuşadası körfezinde 0.997 ve Bayraklıdede önlerinde 0.962 değerindeki determinasyon katsayıları (R2) ile tutarlı ve gerçeğe yakın derinlik çıkarımları elde edildiği icra edilen regresyon analizlerinde tespit edilmiştir. Fakat UKB yöntemi ile elde edilen derinlik değerlerinin gerçek derinliklerden yer yer 25 metreye kadar farklılıklara sahip olması nedeniyle UKB çıkarımlarının IHO S-44 standartlarının özel, 1a ve 1b derecelerinin düşeydeki gereksinimlerini karşılamadığı ve seyir haritası üretiminde kullanılamayacağı sonucuna varılmıştır. Elde edilen UKB çıkarımlarında bulunan özellikle noktasal piklerin tespit edildiği piksellerdeki hataların hidrografik veri işlem yazılımları ile ayıklanmasını müteakip akustik araştırma öncesi keşif amaçlı kullanılabileceği değerlendirilmiştir.

Abstract:
Bathymetric data, needed to determine sea floor topography is obtained by the ship based SONAR as sound sourced method and aircraft based LiDAR as light sourced method. Most efective and widely used bathymetric survey systems are the multibeam echosounder systems which collect bathymetry data with a swept area under the ship with a covarege up to the four times of the water depth. These active hydrographic survey methods present high resolution and accuracy but they are expensive and need relatively long survey time because they require costly survey hardware and software, experienced personel and logistics activities of field work. Satellite Derived Bathymetry (SDB), obtained in shallower waters than 30 m by processing high resolution multispectral satellite images, increases its potential as a fast and economical remote sensing hydrographic data collection method, although it does not replace the traditional survey methods at present. 
In this study, SDB data is evaluated in terms of International Hydrographic Organization (IHO) S-44 standarts, to be used in navigation chart production where the horizontal accuracy should be less than 7 m and vertical accuracy should be less then 56 cm for 30 m water depth. Besides SDB data is studied to use as a reconnaissance data in the acoustic survey planning phase while creating survey lines on shallow areas, ship wrecks or underwater obstacles. 
As input data Landsat 8 multispectral satellite images are used with open source coded Geographic Resoursec Analysis Support System (GRASS) software and ready to use i.image.bathymetry module for SDB inferences. The module uses adaptive and fixed Geographically Weighted Regression (GWR) methods with changeable bi-square and gaussian kernels. 
This study is performed on three areas in Aegean Sea coastal waters. First area is the east coast of Saros Gulf with the 167 square kilometers sea area and the water depths vary between 0 and 102 meters. Second area is Kuşadası Gulf with the 570 square kilometers sea area and the water depths vary between 0 and 200 meters. Third area is Bayraklıdede creek in Kuşadası Gulf with the 8 square kilometers sea area and the water depths vary between 0 and 53 meters.
Calibration depth points needed in calculations and reference depth points used in comparisons were obtained by manually digitizing from updated Turkish navigational charts.
The tide level in the time period which the satellite images were recorded was added to the calculations which was 7.5 cm above the mean sea level in Saros Gulf, 26.7 cm above the mean sea level in Kuşadası Gulf and bayraklıdede creek.
The calculations were performed in the steps of delineating the sea areas, tide correction, atmospheric correction, water column corrections and bathymetry extraction with GWR models. Four versions of GWR which are Adaptive-GWR with bisquare kernel, Adaptive-GWR with gaussian kernel, Fixed-GWR with bisquare kernel and Fixed-GWR with gaussian kernel models used for SDB. All of these four models were resulted very close to each other.
It was determined in the regression analysis that consistent and realistic depth inferences were obtained with determination coefficients (R2) of 0.992 in Saros Bay, 0.997 in Kuşadası Bay and 0.962 in Bayraklıdede creek.
However, due to the fact that the depth values obtained by the SDB method differ from the actual depths up to 25 m and each estimated depth values are from 30 m to 30 m  pixel frame, it was concluded that the SDB inferences do not meet the special, 1a and 1b orders requirements of IHO S-44 standards, both in vertical and horizontal. Therefore SDB data cannot be used in the production of navigational charts as long as they remain raw and low spatial resolution. 
It has been realized that most of the errors or residuals are concentrated around the islands, harbor piers and sea grass clumbs on sands. SDB data estimated deeper around islands and piers, shallower on sea grass clumbs. Like multibeam echosounders or LiDARs raw data SDB data should be post processed by experienced personel for elimination of spikes. 
It has been evaluated that the errors found in the obtained SDB inferences, especially on the pixels where the peaks are detected, can be smoothed if the spikes has no relationship with the adjacent pixels. After this debugging process, following hidrographic surveys can be planned to prove that the residuals are real or not. With this method only small areas which has differences or residuals with the updated navigational chart can be surveyed instead of the whole chart frame and this might cause considerable savings.
As a result SDB method can not take the place of conventional acustic field survey methods but can reduce the survey costs both in time and expenses as an auxiliary office based method.