Effect of digital elevation model accuracy on the geolocation accuracy of orthorectified sentinel-1 imagery

Abstract

This thesis investigates the impact of Digital Elevation Model (DEM) accuracy on the horizontal geolocation performance of orthorectified Sentinel-1 Synthetic Aperture Radar imagery. Given the critical role of elevation data in geometric correction processes, the study aims to assess how variations in vertical accuracy on horizontal positional errors in different DEM configurations. The scope includes a comparative evaluation of global, national and interferometrically derived DEMs over a low-relief study area in Turkey. The vertical accuracy of seven different DEMs was first assessed using ICESat-2 ATL08 elevation data as the reference. These models include global datasets such as SRTM 1 arc-second, SRTM 3 arc-second, and ALOS AW3D30; a national high-resolution DEM (HGM-YükPAF); and two InSAR-derived DEMs generated from Sentinel-1 SLC pairs, using Copernicus and SRTM 3 arc-second DEMs as reference surfaces during interferometric flow. The vertical Root Mean Square Error values varied significantly among the models, ranging from 2 to 3 meters (HGM-YükPAF, Copernicus) to over 12 meters for the InSAR-based products. In the next phase, the influence of DEM quality on horizontal accuracy was evaluated through the orthorectification of a Sentinel-1 GRD image. Range-Doppler Terrain Correction was applied using ESA's SNAP software, with only the DEM input varied. Ground Control Points were manually extracted from the HGM Küre reference system to quantify horizontal positional errors. The results showed that high-accuracy DEMs resulted in shorter and more consistent error vectors, while DEMs with poorer vertical performance produced more dispersed deviations. Nevertheless, the differences in horizontal RMSE values remained modest, generally below 15 meters across all configurations. To visualize the spatial distribution of geolocation errors, error vectors were plotted at each GCP location. These plots illustrated that high-quality DEMs tend to cluster closer to their true positions, while low-accuracy models introduced broader positional shifts. However, the absence of significant outliers or systematic bias in any configuration suggests that the orthorectification process was generally robust, likely due to the use of precise satellite orbit ephemerides and the topographic homogeneity of the study area. The findings confirm that, although DEM accuracy is important for SAR geolocation, its effect on horizontal positioning is moderated by terrain relief, imaging geometry and the accuracy of additional data. Consequently, even when less accurate DEMs were employed, the overall positioning accuracy remained within acceptable limits for many practical applications. The study emphasises the importance of selecting DEMs based on their vertical accuracy and the geometric context of the application area. While high-accuracy elevation models yield measurable improvements in flat terrain, their added benefit is more significant in areas with complex relief or where sub-pixel geolocation precision is required. These insights provide practical guidance on selecting DEMs for use in SAR processing workflows, particularly for time-series monitoring, land deformation studies and operational mapping tasks that require consistent geolocation reliability.

Sentetik Açıklıklı Radar (SAR), 1980'lerin başından itibaren uydu tabanlı yer gözlem uygulamalarında önemli bir rol üstlenmiş, afet yönetimi, çevresel izleme ve savunma gibi alanlarda yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. SAR sistemleri, aktif mikrodalga sensörler olarak çalışmakta, bulut örtüsü ve gün ışığı gibi atmosferik ve çevresel kısıtlamalardan bağımsız olarak görüntü elde edebilme yeteneğine sahiptir. Optik sistemlerin aksine, gece-gündüz farkı olmaksızın görüntü alabilmesi, bulut örtüsünün yoğun olduğu veya güneş açısının düşük olduğu bölgelerde kesintisiz veri akışı sağlamaktadır. SAR'ın süreklilik arz eden veri toplama yeteneğinin yanı sıra, görüntülerinde çift kaynaklı bilgi içermesi de önemlidir. Bunlardan ilki olan genlik bilgisi, arazi örtüsünün sınıflandırılması ve nesnelerin tespiti için kullanılmakta, ikinci bilgi olan faz ise yüzey yüksekliklerinin hassas ölçümü ve yeryüzündeki deformasyonların belirlenmesi için interferometrik SAR (InSAR) ve diferansiyel InSAR (DInSAR) gibi tekniklerin uygulanmasını mümkün kılmaktadır. Son 20 yılda, RADARSAT-1/2, TerraSAR-X, Cosmo-SkyMed ve Sentinel-1 gibi uydu misyonları, SAR görüntülerinin erişilebilirliğini ve güvenilirliğini artırmış, birçok farklı uygulamada geniş kullanım alanı bulmuştur. SAR sistemlerinin sağladığı bu avantajların anlaşılabilmesi için, görüntülerin çözünürlüğünü ve geometrik özelliklerini belirleyen görüntüleme prensiplerinin bilinmesi gereklidir. SAR sistemlerinin geometrisi, görüntülerin elde edilme şekline ve yeryüzündeki özelliklerin temsiline doğrudan etki eder. Dikey (nadir vb.) olarak görüntü alan optik sistemlerin aksine, SAR sistemleri yan bakış geometrisine sahiptir ve görüntülerini eğik menzil olarak adlandırılan, sensör ve hedef arasındaki doğrudan görüş hattı mesafesinde elde eder. Bu eğik görüntüleme geometrisi, SAR'a özgü geometrik bozulmalara yol açar. SAR görüntülerinde yan bakıştan kaynaklanan en yaygın geometrik bozulmalar; perspektif kısalması (foreshortening), üst üste binme (layover) ve gölgeleme (shadowing) olarak bilinmektedir. Perspektif kısalması, sensöre dönük eğimli alanların sıkışmış şekilde görünmesine; üst üste binme, yüksekteki alanların tabanlarından daha yakın mesafede görüntülenmesine; gölgeleme ise radar ışınının yeryüzü şekilleri tarafından engellenmesi nedeniyle görüntünün karanlık (verisiz) bölgeler oluşturmasına neden olur. Bu bozulmalar, SAR görüntülerinin diğer mekânsal verilerle entegrasyonunu ve yorumlanmasını zorlaştırmakta, konumsal doğruluğu ciddi ölçüde etkileyebilmektedir. SAR görüntüleme geometrisinin anlaşılması ve veri işleme süreçlerinin doğru uygulanması, bu sorunların giderilmesinde kritik öneme sahiptir. Bu bozulmaların giderilmesi ve konum doğruluğunun artırılması için ise ortorektifikasyon işlemi gerçekleştirilir. Ortorektifikasyon işleminde Sayısal Yükseklik Modeli (DEM), Yer Kontrol Noktaları (YKN) (varsa) ve uydu yörünge parametreleri kullanılarak her piksel gerçek coğrafi koordinatına taşınır. DEM verisi, SAR görüntülerinin ortorektifikasyon sürecinde coğrafi konumlandırmanın doğruluğunu belirleyen en kritik girdidir. Modern SAR uydularının yörünge doğruluğu oldukça yüksek olmasına rağmen, DEM kaynaklı yükseklik hataları yatay konumlandırmada önemli kaymalara neden olabilir. Düşük doğruluklu ya da eski tarihli DEM'lerin kullanımı, radar görüntüsünün yerleştirilmesinde birkaç metreye kadar sapmalara neden olabilir. Özellikle dik bakış açılarında küçük yükseklik hataları bile büyük yatay sapmalara yol açabilir. Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) gibi global ölçekte kullanılan DEM'ler erişilebilir ve standart veri kaynakları olarak yaygın kullanılsa da, karmaşık topoğrafyaya sahip bölgelerde yüksek hassasiyet gerektiren uygulamalar için yeterli doğrulukta olmayabilir. Son yıllarda SAR verilerinden doğrudan DEM üretimi, geometrik tutarlılık açısından avantaj sağlaması sebebiyle alternatif bir yaklaşım olarak öne çıkmaktadır. Bu nedenle çalışmada, yaygın kullanılan global DEM'lerin yanı sıra Sentinel-1 verilerinden interferometrik yöntemlerle elde edilmiş özgün DEM'ler de üretilmiş ve ortorektifikasyondaki performansları değerlendirilmiştir. DEM kalitesinin SAR görüntülerinin ortorektifikasyonu üzerindeki kritik etkisi göz önüne alındığında, farklı DEM'lerin son ürün üzerindeki etkisini değerlendirmek bu çalışmanın temel amacını oluşturmuştur. Bu bağlamda, Ankara ili Yenimahalle bölgesinde Sentinel-1 SAR görüntülerinin ortorektifikasyonu için toplam yedi farklı DEM kullanılmıştır. Bunlar arasında küresel modeller olan SRTM 1 arc-second (30 m), SRTM 3 arc-second (90 m), ALOS World 3D (30 m) ve Copernicus DEM (30 m) yer almakta; ayrıca Türkiye Harita Genel Müdürlüğü tarafından üretilen HGM-YükPAF DEM'i (5 m) ulusal düzeyde yüksek doğruluk sağlayan bir model olarak kullanılmıştır. Bunun yanı sıra, Sentinel-1 verilerinden interferometrik yöntemle üretilen iki farklı DEM de değerlendirmeye dahil edilmiştir. Bu interferometrik DEM'lerden biri interferometrik işlemler sırasında Copernicus DEM, diğeri ise SRTM 3 arc-second DEM'i referans olarak alacak şekilde oluşturulmuştur. Böylece, sadece hazır ürünlerin değil, işlenmiş verilerden elde edilen modellerin de performansı test edilmiştir. Analizlerde, raster tabanlı DEM'lerin geometrik doğruluğu, ICESat-2 ATL08 ürünü kullanılarak değerlendirilmiştir. ATL08, lazer altimetre teknolojisiyle üretilmiş olup, yüksek dikey çözünürlüğü sayesinde referans yüzey yüksekliği sağlamaktadır. Çalışma alanı içerisinde 495 adet ATL08 noktasına ait veriler filtrelenmiş; eğimi yüksek, bulut kontaminasyonuna açık veya zemin yansıması zayıf ölçümler dışarıda bırakılmıştır. Dikey doğruluk analizi, her DEM ile ICESat-2 verileri arasındaki yükseklik farklarının hesaplanması ve bu farkların RMSE, ortalama hata, standart sapma, LE90 gibi istatistiksel ölçütlerle değerlendirilmesi esasına dayanmaktadır. Bu bağlamda, DEM'lerin sahip olduğu dikey doğruluk seviyelerinin, SAR görüntülerinin geometrik düzeltme süreçlerine olan etkisi hem teorik hem de uygulamalı olarak analiz edilmiştir. Çalışmanın temel amacı, farklı çözünürlükte ve üretim yönteminde olan DEM'lerin önce dikey doğruluğunu ortaya koymak, ardından bu farkların yatay konum doğruluğuna nasıl yansıdığını sistematik biçimde değerlendirmektir. Yapılan dikey doğruluk analizleri sonucunda, en düşük hata değerleri Copernicus ve HGM-YükPAF DEM'lerinde gözlemlenmiştir. Bu modellerin RMSE değerleri sırasıyla 2.2 metre ve 3.2 metre seviyesindedir. AW3D30 yaklaşık 5.5 metre ile orta seviyede doğruluk sağlamıştır. SRTM DEM'leri ise 5 ila 6 metre arasında bir hata aralığında kalmıştır. İnterferometrik olarak üretilen DEM'lerde ise 12–13 metreye varan dikey hatalar tespit edilmiştir. Bu durum, referans olarak kullanılan DEM'in kalitesinin InSAR tabanlı üretimlerin başarısını doğrudan etkilediğini göstermektedir. Özellikle SRTM 3 arc-second gibi düşük çözünürlüklü modellerle yapılan interferometri işlemleri, yetersiz yükseklik bilgisi nedeniyle ciddi sapmalara neden olmuştur. Bu bulgular, yalnızca DEM doğruluğunu değil, aynı zamanda interferogram işleme sürecindeki hassas adımların da doğruluk açısından ne denli belirleyici olduğunu ortaya koymaktadır. Tezin ikinci bölümünde, dikey doğruluk farklılıklarının yatay konum doğruluğu üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Her DEM için ortorektifiye edilen Sentinel-1 görüntüsünün yatay konum doğruluğu, Harita Genel Müdürlüğü tarafından sunulan çevrimiçi HGM Küre uygulaması üzerinden manuel olarak seçilen referans noktaları ile karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Bu referans noktaları, %90 güven aralığında ±2.5 m konum doğruluğuna sahip ve yapı köşeleri, yol kesişimleri ve sınır belirginliği yer kontrol noktası niteliğinde yüksek güvenilirlik taşıyan sabit yapılar üzerinden seçilmiştir. Sentinel-1 orto görüntüsünde bu referanslara karşılık gelen noktalar elle eşlenmiş, ardından her nokta için hata vektörü hesaplanarak yatay konumsal sapmalar belirlenmiştir. Fark vektörleri temel alınarak RMSE ve CE-90 gibi yatay doğruluk metrikleri hesaplanmış ve her bir DEM'in konumsal performansı sayısal olarak ortaya konmuştur. Bu yöntem sayesinde, klasik GCP ölçümüne ihtiyaç duyulmadan güvenilir ve tekrarlanabilir bir yatay doğruluk analizi gerçekleştirilmiştir. Çalışmada kullanılan diğer veri seti, 1 Ağustos 2024 tarihinde elde edilmiş bir Sentinel-1 GRD görüntüsüdür. Görüntü, Interferometric Wide (IW) modunda ve alçalan yörüngede alınmış olup, yaklaşık 10 metrelik mekansal çözünürlük sunmaktadır. Ortorektifikasyon işlemleri ESA tarafından geliştirilen SNAP yazılımı ile gerçekleştirilmiş ve yalnızca DEM girdisi değiştirilerek tüm diğer iş akışı sabit tutulmuştur. Bu şekilde, farklı DEM'lerin etkileri izole edilerek karşılaştırmalı analiz yapılması mümkün hale gelmiştir. Sentinel-1 GRD görüntüsü Range-Doppler Terrain Correction (RDTC) yöntemi kullanılarak ortorektifiye edilmiştir. Analizler, kullanılan DEM'in doğruluğu arttıkça elde edilen ortorektifiye görüntünün yatay konum doğruluğunun da iyileştiğini açık biçimde göstermektedir. YÜKPAF DEM ile yapılan ortorektifikasyonda yatay RMSe değeri 8.2 m olarak ölçülmüş, CE90 değeri ise yaklaşık 12.0 m bulunmuştur. AW3D30 ile yapılan ortorektifikasyonda bu değer 9.5 m RMSE ve 15.0 m CE90 iken, InSAR tabanlı üretilmiş DEMler ile ortorektifiye edilen görüntüde RMSE değeri 15.0 m'ye, CE90 ise 19.3 m'ye kadar yükselmiştir. Bu farklar, DEM doğruluğunun yatay konum performansı üzerindeki belirleyici rolünü vurgulamaktadır. Yatay doğruluk analizleri, dikey doğruluğu yüksek DEM'lerle yapılan ortorektifikasyonların daha kısa ve yönsel olarak daha tutarlı hata vektörleri oluşturduğunu göstermiştir. Copernicus ve HGM-YükPAF DEM'leri ile üretilen sonuçlarda, hata sapmaları hem daha düşük seviyede hem de daha homojen dağılmıştır. Buna karşılık, interferometrik DEM'lerle elde edilen görüntülerde yatay hataların daha dağınık olduğu, özellikle referans DEM'in düşük çözünürlüklü olduğu senaryolarda hata büyüklüğünün ve yönünün daha değişken hale geldiği görülmüştür. Ancak tüm modellerde yatay RMSE değerlerinin 15 metre seviyesinin altında kalması, çalışma alanının topoğrafik özelliklerinin bu farkları sınırladığını düşündürmektedir. Çalışma alanının genel olarak düz ve düşük eğimli yapısı, yükseklik hatalarının yatay konuma olan etkisini sınırlayan bir faktör olmuştur. SAR geometrisi gereği, yükseklik hataları radar bakış açısına bağlı olarak yatay konuma projekte edilir ve bu ilişki yaklaşık olarak Δx ≈ Δh / tan(θ) formülüyle ifade edilir. Stratejik biçimde seçilen ve bağlamına uygun kullanılan DEM'ler, yüksek mekânsal ya da zamansal doğruluk gerektiren uygulamalarda konum doğruluğunu anlamlı düzeyde iyileştirebilir. Çalışmada ortalama radar bakış açısının 43 derece olması, bu projeksiyon etkisini sınırlı düzeyde tutmuştur. Örneğin 5 metrelik bir yükseklik hatası, bu açı altında yaklaşık 5.3 metrelik yatay bir sapmaya neden olur. Bu nedenle, DEM'ler arası dikey doğruluk farklarının yatay doğruluğa birebir yansıdığı; geri kalan sapmaların ise yörünge modelleme hataları, atmosferik sapmalar ve yazılımsal sınırlamalardan kaynaklanabileceği değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, bu çalışma DEM doğruluğunun SAR görüntü geometrisinde önemli bir bileşen olduğunu ortaya koymakta, ancak bu etkinin topoğrafya, radar geometrisi ve yardımcı verilerin kalitesiyle birlikte değerlendirilmesi gerektiğini göstermektedir. Düşük eğimli alanlarda, orta çözünürlüklü modeller bile yeterli doğruluk sunabilirken, yüksek eğimli bölgelerde yalnızca yüksek doğruluklu ve güvenilir DEM'lerin tercih edilmesi gerektiği açıktır. Aynı şekilde, InSAR tabanlı üretimlerde referans DEM seçiminin ve faz açma kalitesinin doğruluk üzerinde belirleyici olduğu bir kez daha kanıtlanmıştır. Ek olarak, ortorektifikasyon doğruluğunun yalnızca DEM kalitesiyle belirlenmediğini vurgulamaktadır. Arazi eğimi, radarın bakış açısı (incidence angle) ve yardımcı verilerin (örneğin POE – Hassas Yörünge Bilgisi ya da YKN – Yer Kontrol Noktaları) doğruluğu gibi bağlamsal etkenler de en az DEM kadar kritik rol oynamaktadır. Bu bulgular ışığında, SAR görüntülerinin doğru ortorektifikasyonu için DEM seçimi ve kullanımı konusunda bazı pratik öneriler sunulmaktadır: • Kentsel ya da düşük eğimli bölgelerde, Copernicus ve AW3D30 DEM'leri, doğruluk ve erişilebilirlik açısından dengeli bir seçenek sunmaktadır. • Dağlık ya da engebeli arazilerde, yüksek çözünürlüklü ve doğruluğu belgelenmiş DEM'lerin tercih edilmesi, ortorektifikasyon sırasında oluşabilecek geometrik bozulmaların önüne geçilmesi açısından güçlü bir gerekliliktir. • InSAR-tabanlı DEM'lerin kullanımında, uyum (coherence) maskesi oluşturma ve artık faz (residual phase) analizleri gibi ön işleme adımlarının dikkatle uygulanması, bu modellerin güvenilirliğini artırmak için önem taşımaktadır. İlerleyen çalışmalarda, yerel eğim değerlerine, radarın bakış açısı hassasiyetine ya da uyum eşiğine göre adaptif DEM seçimi stratejileri geliştirilmesi önerilmektedir.