Multibeam batimetri ve insansız hava aracı tabanlı sayısal yükseklik modelinin karşılaştırmalı analizi ve bentik habitat haritalandırılması

Abstract

Batimetrik ölçmeler; navigasyon, mekansal planlama, kıyı mühendisliği ve denizel ekosistem analizi dahil olmak üzere bir çok deniz ve kıyı uygulaması için gerekli olan üç boyutlu (3B) deniz tabanı modellerinin doğru bir şekilde oluşturulması için son derece önemlidir. Ayrıca, global ölçekte etkisini giderek arttıran iklim değişikliği ve antropojenik faaliyetler, yüksek çözünürlüklü ve güncel batimetrik verilere olan ihtiyacı arttırmaktatır. Bu durum ise kapsamlı deniz tabanı haritalarının üretilmesi için gelişmiş teknolojilerin kullanımını gerekli kılmaktadır. 3B deniz tabanı modelleri oluşturmak için çeşitli yöntemler mevcut olsa da günümüzde akustik teknikler standart bir yöntem haline gelmiştir. Bu tez çalışması kapsamında, İnsansız Hava Aracı (İHA) kullanılarak üretilen Sayısal Yükseklik Modeli (SYM)'nin batimetrik ölçme amacıyla kullanılabilirliği ve doğruluk performansı multibeam batimetri ile karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Ayrıca, Multibeam Echosounder (MBES) sistemleri ile eş zamanlı olarak elde edilebilen batimetri ve geri saçılım (backscatter) verilerinin habitat haritalama alanında kullanım potansiyeli araştırılmıştır. Bu amaç doğrultusunda, Ege Denizi ve Marmara Denizi'nde yer alan iki farklı çalışma alanında multibeam akustik iskandil ölçmeleri gerçekleştirilmiştir. Tezin ilk kısmında, İHA tabanlı SYM performansının değerlendirilmesi için hem kara hem de su kütlelerini kapsayacak şekilde önceden tasarlanan uçuş planı doğrultusunda İHA uçuşları gerçekleştirilmiştir. Üretilen SYM, aynı çalışma alanında multibeam akustik iskandil ölçmelerinden elde edilen yüksek çözünürlüklü, üç boyutlu batimetrik model ile karşılaştırılmıştır. Ancak, İHA tabanlı yöntemler, su altı topografyasının gerçek derinliğinden daha sığ algılanmasına neden olan ışığın kırılma etkisinden önemli ölçüde etkilenmektedir. Bu durum, üretilecek batimetrik modellerin doğruluğunu azaltmakta olup, bu etkiyi elimine etmek amacıyla SYM'ye ilk olarak bir düzeltme algoritması uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar, 5 metreye kadar nispeten sığ sularda 1.2 metre (RMSE) doğruluk elde edilebileceğini, yaklaşık 15 metre derinliklerde ise 2.0 metre (RMSE) doğruluk elde edilebileceğini göstermiştir. Bulgular, SYM doğruluğu ile su derinliği arasında ters korelasyon olduğunu ortaya koyarken güneş parıltısı etkisinin ölçme doğruluğu üzerindeki olumsuz etkisini de vurgulamaktadır. Elde edilen sonuçlar, akustik iskandil sistemlerinin uygulamasının güç veya maliyetinin yüksek olduğu alanlarda İHA teknolojisinin önemli bir alternatif sunabileceğini göstermektedir. Tezin ikinci kısmında, multibeam akustik iskandil ölçmeleri ile eş zamanlı olarak toplanan batimetri ve backscatter verileri kullanılarak bentik habitat haritalandırılması için denetimsiz bir sınıflandırma yaklaşımı sunulmaktadır. Bu kapsamda, toplanan akustik veriler ilk olarak çeşitli ön işleme adımlarından geçirilmiştir. Batimetrik veriler, Ters Mesafe Ağırlıklı Enterpolasyon (Inverse Distance Weighting - IDW) yöntemi ile enterpole edilerek sürekli bir yüzey modeli haline getirilmiş, backscatter mozaiğine ise veri kalitesini attırmak ve gürültüyü azaltmak amacıyla low-pass filtresi uygulanmıştır. Batimetri verisinden eğim ve bakı katmanları, bacskcatter mozaiğinden ise Gri Seviye Eş Oluşum Matrisi (Gray Level Co-occurrence Matrix - GLCM) kullanılarak doku özellikleri türetilmiştir. Bu çok boyutlu veri kümesinin boyutu, Temel Bileşenler Analizi (Principal Component Analysis - PCA) yöntemiyle en bilgilendirici bileşenler korunarak azaltılmıştır. Ardından, çalışma alanını dört sınıfa ayırmak için K-Means Kümeleme (K - Means Clustering) yöntemi kullanılmıştır. Sonuçlar, önerilen yöntemin zemin doğrulama verilerinin mevcut olmadığı durumlarda hızlı ve kolay bir biçimde habitat sınıflandırmasına olanak sağladığını göstermektedir. Multibeam akustik sistemlerin hem batimetri hem de backscatter verilerini eş zamanlı olarak toplayabilme yeteneği bu teknolojiyi deniz tabanı habitat haritalama açısından güçlü ve bütüncül bir araç haline getirmektedir.