GNSS ölçüleri ile deformasyon analizi amaçlı yazılım geliştirme

Abstract

Yerkabuğu ve yapılardaki deformasyonların belirlenmesi mühendislik ölçmelerinin önemli konularından biridir. Jeodezik yöntemlerle deformasyon belirleme çalışmalarında genellikle jeodezik ağ yöntemi kullanılmaktadır. Günümüzde deformasyon amaçlı jeodezik ağların ölçülmesinde kısa ölçü süresi ve yüksek doğruluk sağlaması nedeniyle GNSS teknikleri de tercih edilmektedir. GNSS ölçülerinin değerlendirilmesinde kullanılan pek çok bilimsel ve ticari yazılım mevcut olup, deformasyon analizi gerçekleştirmek için açık kaynak kodlu bir yazılım bulunmamaktadır. Deformasyonların yol açabileceği olası zararlar düşünüldüğünde analizler mümkün olduğunca kısa sürede tamamlanmalıdır. Deformasyon analizinde hesap yükünün fazla olması analizleri kısa sürede tamamlamayı güçleştirmektedir. Analiz sonuçlarına kısa sürede ve doğru olarak ulaşmak için deformasyon analiz yazılımlarına ihtiyaç duyulmaktadır. İteratif Ağırlıklı Benzerlik Dönüşümü (IWST) yöntemi deformasyon analizinde kullanılan robust bir yöntemdir. Yöntemin 1D, 2D, 3D ağlarda uygulanabilmesi ve ağda hareketli noktalar hakkında ön bilgiye ihtiyaç duymaması üstün yanıdır. Ayrıca, bu yöntemle elde edilen sonuçlar gerçek deformasyon modelini yansıtmakta ve fark vektörü üzerinde en az bozulma etkisine sahip olduğundan en iyi datumun belirlenmesini sağlamaktadır. Yöntem, GNSS ağlarında deformasyon analizi gerçekleştirmek için kullanışlı ve programlamaya uygundur. Günümüzde fen ve mühendislik alanında kullanılan açık kaynak kodlu teknolojik programlama dilleri bulunmaktadır. R programlama dilinin ücretsiz ve hazır kütüphanelerinin olması programlama dilleri arasında öne çıkmasını sağlamaktadır. Bu çalışmada, R dilinde, statik GNSS tekniği ile periyotlar şeklinde gerçekleştirilen ölçülerin değerlendirilmesiyle elde edilen sonuç ürünleri kullanılarak, IWST yöntemi ile deformasyon analizi için DefAn-for-GNSS-networks isimli bir program geliştirilmiştir. Hazırlanan programda, girdi verisi olarak kullanılacak ölçü periyotlarının sayısında bir sınırlama yoktur. Girdi verisi olarak Bernese v5.2 yazılımından elde edilen ve içerisinde jeodezik ağdaki noktaların koordinatları ile bilinmeyenlere ilişkin kovaryans matrisi elemanlarının bulunduğu çözümden bağımsız veri değişim formatı (SINEX) dosyaları ile sonuç (OUT) dosyaları direkt olarak kullanılabilmektedir. Farklı GNSS değerlendirme yazılımlarından elde edilen bu veriler programın tanıdığı formata göre düzenlenerek de deformasyon analizi gerçekleştirilebilmektedir. Geliştirilen program, işletim sistemlerinden bağımsız olarak çalışabilmekte ve bir GNSS ağında deformasyona uğrayan noktaları robust olarak belirleyebilmektedir. Sonuçlar HTML ve PDF olmak üzere iki farklı formatta kullanıcıya sağlanmakta ve hareket büyüklükleri grafik olarak sunulmaktadır. Ayrıca, GNSS ölçülerinin değerlendirilmesi sonucu elde edilen sonuç ürünler ile deformasyon analizi için geliştirilen ilk açık kaynak kodlu yazılım olduğundan bu alanda gerçekleştirilecek yeni çalışmalara öncü olmaktadır. Geliştirilen programı test etmek için, Selçuk Üniversitesi kampüs alanında mikro jeodezik bir GNSS ağı oluşturulmuş ve tasarlanan ölçü düzeneği üzerinde kuzey, doğu ve yukarı yönlerde 1 cm büyüklüğünde sanal deformasyonlar oluşturularak GNSS ölçüleri yapılmıştır. Yapılan ölçüler Bernese v5.2 yazılımında sadece GPS (G) ve GPS+GLONASS (G+R) uydu kombinasyonları ile değerlendirilmiş, hazırlanan programda jeodezik deformasyon analizleri gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen 44 adet statik deformasyon analizi (22 adet G, 22 adet G+R) sonucunda obje noktasındaki 1 cm'lik sanal deformasyonlar belirlenmeye çalışılmıştır. Ancak, deformasyon ağında bazı baz vektörlerinde faz başlangıç belirsizliği çözüm oranları %20'nin altına düştüğünde veya ölçülerdeki gözlem sayıları azaldığında belirlenen deformasyon miktarlarının sanal deformasyon miktarından uzaklaştığı görülmüştür. Bunun sonucunda 1 cm'lik deformasyonlar 0.7 cm - 1.8 cm arasında belirlenmiştir. Vektörel deformasyon büyüklüklerinin sanal deformasyon değeriyle genel anlamda uyuşumlu olduğu tespit edilmiştir. Analizler sonucunda hesaplanan yer değiştirmeler, hazırlanan program sayesinde lokal jeodezik koordinat sistemine dönüştürülerek ilgili eksen yönünde de ortaya konulmuştur. Hazırlanan programla deformasyonların geometrik boyutları ve istatistiksel olarak anlamlı nokta hareketleri uygulamada kullanılan mikro jeodezik ağda pratik bir şekilde tespit edilebilmiştir. Bu nedenle, deformasyonların geometrik boyutlarını tespit etmede, hazırlanan programın büyük ölçüde kolaylık sağladığı görülmüştür. Her ne kadar hazırlanan programla deformasyonlar büyük oranda belirlense de, GNSS ölçülerinin değerlendirme sonuçları üzerinde etkili olan faz başlangıç belirsizliği çözümleme oranlarının ve gözlem sayılarının analizden önce kontrol edilmesi ve uygun şartlar elde edildikten sonra analize geçilmesi önem arz etmektedir.

Determination of deformations in the earth's crust and structures is one of the important subjects of engineering surveys. Geodetic network method is generally used in deformation determination studies with geodetic methods. Today, GNSS techniques are also preferred in the measurement of deformation-purpose geodetic networks due to their short measurement time and high accuracy. There are many scientific and commercial software used to process GNSS measurements, and there is no open source software to perform deformation analysis. Considering the possible damages caused by deformations, analyzes should be completed as soon as possible. The high calculation load in the deformation analysis makes it difficult to complete the analysis in a short time. In order to reach the analysis results in a short time and accurately, deformation analysis software is needed. Iteratively Weighted Similarity Transformation (IWST) is a robust method used in deformation analysis. The advantage of the method is that it can be applied in 1D, 2D, 3D networks and does not require prior knowledge about unstable points in the network. In addition, the results obtained with this method reflect the actual deformation model and provide the best datum to be determined since it has the least distortion effect on the displacement vector. The method is useful and programmable for performing deformation analysis in GNSS networks. Today, there are open-source technological programming languages used in the field of science and engineering. The fact that the R-programming language has free and ready libraries makes it stand out among programming languages. In this study, a program called DefAn-for-GNSS-networks has been developed for deformation analysis with IWST method in R-language, using the result products obtained by processing the measurements performed in periods with the static GNSS technique. In the prepared program, there is no limit on the number of measurement periods to be used as input data. Solution-independent data exchange format (SINEX) files and result (OUT) files, which are obtained from Bernese v5.2 software as input data and contain the coordinates of the points in the geodetic network and the covariance matrix elements related to the unknowns, can be used directly. Deformation analysis can also be performed by arranging these data obtained from different GNSS processing software according to the format recognized by the program. The developed program can work independently of operating systems and can detect deformation points in a GNSS network as robust. The results are provided to the user in two different formats, HTML and PDF, and the motion sizes are presented graphically. In addition, since it is the first open-source software developed for deformation analysis with the result products obtained as a result of the processing of GNSS measurements, it is a pioneer for new studies to be carried out in this field. In order to test the developed program, a micro geodetic GNSS network was established in the Selçuk University campus and GNSS measurements were made by creating 1 cm virtual deformations in the north, east and upward directions on the designed measurement mechanism. The measurements were processed with GPS only (G) and GPS+GLONASS (G+R) satellite combinations in Bernese v5.2 software, and geodetic deformation analyses were carried out in the prepared program. As a result of 44 static deformation analyses (22 G, 22 G+R), 1 cm virtual deformations at the object point were tried to be determined. However, in some baseline vectors in the deformation network, when the ambiguity resolution (AR) rates decreased below 20% or the number of observations in the measurements decreased, it was observed that the determined deformation amounts moved away from the virtual deformation amount. As a result, deformations of 1 cm were determined between 0.7 cm and 1.8 cm. It has been determined that the vectorial deformation magnitudes are generally in agreement with the virtual deformation value. The displacements calculated as a result of the analyses have been converted into the local geodetic coordinate system and revealed in the relevant axis direction, thanks to the prepared program. With the prepared program, the geometric dimensions of the deformations and statistically significant point movements could be detected practically in the micro geodetic network used in the application. For this reason, it has been seen that the prepared program provides a great deal of convenience in determining the geometric dimensions of the deformations. Although the deformations are determined to a large extent with the prepared program, it is important to check the AR rates and the number of observations, which affect the processing results of the GNSS measurements, before the analysis and to proceed to the analysis after the appropriate conditions are obtained.