Content uploaded by Cansu Beşel Hatipoğlu
Author content
All content in this area was uploaded by Cansu Beşel Hatipoğlu on Aug 03, 2022
Content may be subject to copyright.
Harita Dergisi, Temmuz 2022; 168: 1-12 ARAŞTIRMA MAKALESİ / RESEARCH ARTICLE
Atıf/To cite this article: Beşel, C. ve Tanır Kayıkçı, E.(2022). Karadeniz Kıyısında TUDES Ortak Yerleşkeli GNSS İstasyonu
Deniz Seviyesi Gözlemlerinden GNSS-IR Tekniği ile Gelgit Bileşenlerinin Belirlenmesi. Harita Dergisi, 168, 1-12.
1
Karadeniz Kıyısında TUDES Ortak Yerleşkeli GNSS İstasyonu Deniz Seviyesi
Gözlemlerinden GNSS-IR Tekniği ile Gelgit Bileşenlerinin Belirlenmesi
(Determination of Tidal Constituents from Sea Level Observations at the TUDES Co-Located
GNSS Stations in the Black Sea Coast Using GNSS-IR Technique)
Cansu BEŞEL1, Emine TANIR KAYIKÇI1
1Karadeniz Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Harita Mühendisliği Bölümü, Trabzon
*Sorumlu yazar : cansubesel@ktu.edu.tr
Geliş Tarihi (Received): 14.02.2022 Kabul Tarihi (Accepted): 27.07.2022
ÖZ
Küresel Navigasyon Uydu Sistemleri İnterferometrik
Reflektometri (GNSS-IR), yansıyan sinyalleri
kullanarak deniz seviyesinin belirlenmesine olanak
sağlamaktadır. Bu nedenle, geleneksel mareograf
ölçümlerine alternatif bir teknik olarak düşünülmektedir.
Bu çalışmada; GNSS-IR tekniğinin gelgit bileşenlerinin
belirlenmesine katkısı araştırılmıştır. Çalışma
kapsamında, Türkiye Ulusal Deniz Seviyesi İzleme
Sistemi’ne (TUDES) bağlı mareograf istasyonu ile
ortak yerleşkeli TRBZ sabit GNSS istasyonuna ait
Sinyal Gürültü Oranı verileri kullanılmıştır. SNR
verilerine dayalı olarak GNSS-IR tekniği ile deniz
seviyesi gözlemleri hesaplanmıştır. Ardından, GNSS-
IR tabanlı deniz seviyesi gözlemleri ve mareograf
kayıtları için yarı-günlük (M2, S2) ve günlük (K1, O1,
P1) gelgitlerin genlikleri tahmin edilmiştir. Elde edilen
genlikler karşılaştırıldığında, maksimum ve minimum
fark sırasıyla 4.16 cm ve 0.09 cm olarak bulunmuştur.
Son olarak, mareograf kayıtlarından ve GNSS-IR
tabanlı deniz seviyesi gözlemlerinden hesaplanan
gelgit bileşenleri EOT20 küresel okyanus gelgit modeli
ile karşılaştırılmıştır. GNSS-IR ve EOT20 küresel
okyanus gelgit modeli arasındaki maksimum ve
minimum genlik farkları sırasıyla 4.65 cm ve 0.35 cm
olarak bulunmuştur. Çalışma sonucunda, yapılacak
iyileştirmelerle beraber ülkemizde GNSS-IR tekniğinin
de gelgit bileşenlerinin belirlenmesinde bir potansiyel
olabileceği öngörülmüştür.
Anahtar Kelimeler: Deniz Seviyesi, GNSS
İnterferometrik Reflektometri, Gelgit Bileşenleri,
Küresel Okyanus Modelleri
ABSTRACT
Global Navigation Satellite System Interferometric
Reflectometry (GNSS-IR) enables to retrieve sea
surface heights using the reflected signal. Moreover,
GNSS-IR is considered a promising alternative to
conventional tide gauges. This study investigates the
contribution of the GNSS-IR technique to the
determination of tidal constituents. Within the scope of
the study, we used Signal-to-Noise Ratio data from the
TRBZ co-located GNSS station operated by the
Turkish National Sea Level Monitoring System
(TUDES). Moreover, sea level variations were
calculated using GNSS-IR SNR data to examine the
tidal variability and to investigate the contribution of the
GNSS-IR technique to the determination of tidal
constituents. Then, semi-diurnal (M2, S2) and diurnal
(K1, O1, P1) amplitudes of tidal constituents were
computed from GNSS-IR-based sea level observations
and tide gauge records. The comparison of amplitudes
demonstrated that the maximum and minimum
differences were 4.16 cm and 0.09 cm, respectively.
Finally, estimated the tidal constituents from tide
gauge records and GNSS-IR-based sea level
observations were compared with global ocean tide
models such as EOT20. The maximum and minimum
differences in amplitude obtained from GNSS-IR and
the EOT20 model were 4.65 cm and 0.35 cm,
respectively. As a result of the study, it is considered
that the improving GNSS-IR technique may also have
the potential in estimating the tidal constituents.
Keywords: Sea Level, GNSS Interferometric
Reflectometry, Tidal Constituents, Global Ocean
Models
1. GİRİŞ
Artan deniz seviyesinin özellikle kıyı
alanlarında çevresel, ekonomik ve sosyal açıdan
önemli bir etkiye sahip olduğu bilinmektedir. Bu
nedenle, deniz seviyesinde zaman içerisinde
meydana gelen değişimin etkili ve doğru bir
şekilde gözlemlenmesi ve değişime neden olan
faktörlerin belirlenmesi özellikle kıyı alanları için
önemlidir. Deniz seviyesi, iklim değişikliği
çalışmalarının yanı sıra sosyal, ekonomik ve
çevresel alanda birçok uygulamaya katkı
sağlayan bir bilim dalı olan jeodezi için de
önemlidir. Geleneksel jeodezik yaklaşımda uzun
dönemli ortalama deniz seviyesinin değişmediği
kabul edilmiş ve düşey kontrol ağlarının datumu
olarak kullanılmıştır. Ancak zaman içerisinde
global deniz ve okyanus seviyesindeki gözlenen
yüksek artış hızları, deniz seviyesinin beklenildiği
gibi değişmeyen bir yüzey olmadığını ortaya
çıkarmıştır. Bu anlamda deniz seviyesi
değişimlerinin izlenmesi ve yorumlanması
jeodezik düşey datum tanımlanması ve jeoidin
belirlenmesi açısından büyük önem taşımaktadır.
Küresel Navigasyon Uydu Sistemleri (GNSS)
gözlemleri konum belirleme çalışmalarının
yanında jeodinamik aktiviteler, iklim değişikliği ve
meteoroloji gibi çeşitli alanlarda da
kullanılmaktadır. GNSS İnterferometrik
Reflektometri (GNSS-IR), GNSS sinyal yansıma
Harita Dergisi, Temmuz 2022; 168: 1-12 Karadeniz Kıyısında TUDES Ortak Yerleşkeli GNSS İstasyonu Deniz
Seviyesi Gözlemlerinden GNSS-IR Tekniği ile Gelgit Bileşenlerinin Belirlenmesi
2
etkisinden yararlanarak pek çok alanda
kullanılabilen yenilikçi bir tekniktir. Sinyal
yansıma etkisi, konum belirleme amaçlı kullanılan
GNSS gözlemleri için istenmeyen hata
kaynaklarından biridir. Ancak zaman içerisinde
yapılan çeşitli çalışmalarla yansıyan sinyalin farklı
çalışmalarda kullanılabilir olduğu görülmüştür.
GNSS-IR tekniği; başlıca deniz seviyesi
(Geremia-Nievinski ve diğerleri, 2020; Larson,
Löfgren ve Haas, 2013; Larson, Ray, Nievinski ve
Freymueller, 2013; Larson, Ray ve Williams,
2017; Tabibi, Sauveur, Guerrier, Metayer ve
Francis, 2021; Wang, Zhang ve Zhang, 2018),
kar kalınlığı (Larson ve Nievinski, 2013; Zhang ve
diğerleri, 2021), toprak nemi (Larson ve diğerleri,
2008; Vey, Güntner, Wickert, Blume ve
Ramatschi, 2016), buz kalınlığı (Ghiasi ve
diğerleri, 2020; Selbesoğlu ve diğerleri, 2021) ve
ekstrem hava olaylarının belirlenmesi (Karegar,
Larson, Kusche ve Dixon, 2020; Larson ve
diğerleri, 2021) gibi çeşitli alanlarda
kullanılmaktadır. Hassas konum belirleme için
istenmeyen bu hata kaynağının deniz seviyesinin
gözlemlenmesinde kullanılması, GNSS
elektromanyetik dalgalarındaki doğrudan gelen
ve dolaylı sinyal girişimlerinin yansıma
yüzeylerinin özelliklerinin kestirilmesi ile
gerçekleştirilmiştir (Martin-Neira, 1993). Daha
sonra, Anderson (2000) okyanuslarda doğrudan
gelen ve yansıyan sinyaller arasındaki Sinyal
Gürültü Oranı (Signal to Noise Ratio, SNR)
girişim desenlerini belirlemiştir. GNSS tabanlı
mareograf ise ilk olarak Larson ve diğerleri
(2013) tarafından SNR gözlemlerini kullanarak
rölatif deniz seviyesi değişimini ölçmek için
sunulmuştur. GNSS-IR tabanlı deniz seviyesinin
belirlenmesine temel oluşturan bu önemli
çalışmaların ardından tekniğin kullanılabilirliği ve
geliştirilmesine yönelik birçok çalışma
gerçekleştirilmiştir. Wang vd. (2018), SNR
verilerine dalgacık dönüşümünden sonra Lomb-
Scargle periodogram (LSP) yöntemini uygulamış
ve geliştirilen yöntemin kısa dönemli SNR verileri
için daha uygun olduğu görülmüştür. Geremia-
Nievinski vd. (2020), Uluslararası Jeodezi Birliği
(IAG) çalışma grubu 4.3.9 kapsamında
gerçekleştirilen, bağımsız araştırma gruplarının
yapmış olduğu SNR verilerine dayalı GNSS-IR
tekniği ile hesaplanan deniz seviyesi sonuçlarını
karşılaştırmıştır. Tüm gruplar GNSS-IR tabanlı
deniz seviyesi ve yerinde gözlem verileri
arasında yüksek oranda korelasyon elde etmiştir.
Zheng vd. (2021), SNR verilerinden yararlanarak
çoklu-GNSS için ters çözüm ile Doğu Afrika
kıyılarında iki yıllık zaman aralığında deniz
seviyesi değişimini belirleyerek tersine çözümün
doğruluğunu araştırmıştır. Beşel ve Tanır
Kayıkçı (2021a), Türkiye’nin Akdeniz kıyısında
bulunan MERS IGS istasyonu GPS L1 ve L5
SNR verilerini kullanarak hem LSP analizi hem
de LSP ile Hareketli Ortalamalar (LSP-MA)
bütünleşik bir yaklaşımla deniz seviyesi
değişimini belirlemiştir. LSP-MA yöntemi
sonucunda GNSS-IR tabanlı deniz seviyesi
belirleme performansının arttığı görülmüştür.
Beşel ve Tanır Kayıkçı (2021b), Türkiye
kıyılarında bulunan denize yakın GNSS
istasyonlarını kullanarak GNSS-IR tekniği ile
deniz seviyesi belirlenebilirliğini araştırmıştır.
Çalışma sonucunda, MERS ve TEKR istasyonları
GNSS-IR ile deniz seviyesi belirlenmesine
elverişli istasyonlar olarak bulunmuştur. GNSS-IR
tekniği halen devam etmekte olan iyileştirme
çalışmaları ile birlikte deniz seviyesinin
belirlenmesine alternatif bir teknik olarak
gösterilmektedir. Dolayısıyla bilim dünyasında
oldukça ilgi görmektedir.
Deniz seviyesi gözlemlerini etkileyen çeşitli
faktörler bulunmaktadır. Sıcaklık, rüzgar hızı,
atmosferik basınç gibi meteorolojik parametreler
ve gelgit etkisi başlıca faktörlerdir. Deniz
seviyesinde gelgit değişimine bağlı olarak zaman
içerisinde artma veya azalma meydana
gelmektedir. Bunun sonucunda deniz seviyesi
sabit kalmamaktadır. Artma veya azalma
eğilimleri konuma göre değişiklik göstermektedir.
Bu nedenle, deniz seviyesindeki değişime etki
eden faktörlerin belirlenmesi ve doğru olarak
tahmin edilmesi için gelgit etkisinin belirlenmesi
önemlidir. Gelgit etkisi temelde çeşitli harmonik
analizler veya küresel okyanus modelleri ile
belirlenmektedir. Kıyı alanlarındaki gelgit etkisini
belirlemek için çoğunlukla mareograf deniz
seviyesi kayıtlarından gelgit analizi yapılmaktadır.
Son zamanlarda GNSS-IR tekniğinin çeşitli
alanlardaki uygulamalarının yanında gelgit
bileşenlerinin belirlenmesine yönelik çalışmalarda
da kullanıldığı görülmektedir. Bu açıdan,
mareograf istasyonları ile deniz seviyesi
belirlemesine alternatif olarak gösterilen GNSS-
IR tekniğinin gelgit etkisi belirlenmeye katkısının
araştırılması önemlidir. Löfgren vd. (2014), beş
farklı GPS istasyonundan hesaplamış olduğu
GNSS-IR tabanlı deniz seviyesi ve mareograf
kayıtları için gelgit harmonik analizi yaparak
karşılaştırmış olup uzun periyotlu gelgitlerin daha
büyük farklara sahip olduğunu görmüştür.
Williams & Nievinski (2017), GNSS-IR ile tahmin
edilen tüm büyük gelgit harmoniklerini yakında
bulunan mareograf istasyonu ile tahmin edilen
harmoniklerden küçük olarak bulmuştur. Larson
vd. (2017), L1 SNR verilerinden GNSS-IR tekniği
ile tahmin etmiş olduğu deniz seviyesi ve
mareograf kayıtlarından hesapladığı gelgit
bileşenlerini karşılaştırmıştır. Sonuç olarak
Harita Dergisi, Temmuz 2022; 168: 1-12 Cansu BEŞEL, Emine Tanır KAYIKÇI
3
maksimum farkı K1 bileşeninde bulmuştur. Tabibi
vd. (2020), L1 SNR ve L2 SNR verilerinden
yararlanarak Antarktika ve Grönland bölgesinde
GNSS-IR tekniği ile günlük ve yarı-günlük gelgit
bileşenlerini hesaplamıştır. Ardından, gelgit
bileşenlerini mareograf, küresel ve bölgesel
okyanus modelleri ile karşılaştırarak bir saatin
altındaki GNSS-IR tabanlı deniz seviyesi
gözlemlerinin gelgit bileşenlerinin
hesaplanmasında kullanılabilir olduğunu
görmüştür. Ülkemizde ise kıyıya yakın GNSS
istasyonları kullanılarak GNSS-IR tekniğine
dayalı deniz seviyesi değişimi çeşitli çalışmalar
ile belirlenmiştir (Altuntaş ve Tunalıoğlu, 2022;
Beşel ve Tanır Kayıkçı, 2021b, 2021a). Ancak
GNSS-IR tekniği ile belirlenen deniz seviyesinden
gelgit analizi çalışmasına ise henüz
rastlanmamıştır.
Bu çalışmada, ülkemizde denize yakın GNSS
istasyonu kullanılarak GNSS-IR tekniği ile elde
edilen deniz seviyesi gözlemlerinin gelgit
bileşenlerinin belirlenmesine katkısının
araştırılması amaçlanmaktadır. Bunun için,
Türkiye Ulusal Deniz Seviyesi İzleme Sistemi
(TUDES) ortak yerleşkeli TRBZ GNSS istasyonu
kullanılarak GNSS-IR tabanlı deniz seviyesi
değişimi belirlenmiştir. Elde edilen deniz seviyesi
değişimlerinden harmonik analiz ile gelgit
bileşenleri hesaplanmıştır. Ardından GNSS-IR,
mareograf ve EOT20 küresel okyanus gelgit
modelinden hesaplanan her bir gelgit bileşeni
karşılaştırılmıştır.
2. YÖNTEM
a. GNSS İnterferometrik Reflektometri
Kıyı alanlarında bulunan GNSS
istasyonlarından yararlanan GNSS-IR tekniği
sağladığı önemli avantajlarla birlikte kıyısal deniz
seviyesinin izlenmesine olanak sağlamaktadır.
Başlıca avantajları şu şekilde sıralanabilir: (1)
mareografın aksine düşey yer hareketinden
etkilenmez; (2) geleneksel mareograf
istasyonuna nazaran kıyıdan daha geniş alandaki
deniz seviyesi değişikliklerini algılar; (3) kurulum
ve bakım maliyeti daha düşüktür; (4) sensörü
kalibre etme ihtiyacı yoktur; (5) Uluslararası
Yersel Referans Ağı’na (ITRF) göre deniz
seviyesinin ölçülmesine olanak sağlar.
GNSS-IR tekniği, anten faz merkezi ve deniz
seviyesi arasındaki düşey mesafenin ölçülmesi
ile deniz seviyesinin belirlenmesine olanak
sağlamaktadır. GNSS antenine gelen doğrudan
sinyal ile yansıyan sinyal anten faz merkezinde
birleşmekte olup burada bir girişim deseni
oluşturmaktadır (Şekil 1). Bu girişim deseni en
fazla SNR verilerinde gözlemlenmektedir.
Şekil 1. Deniz seviyesinin izlenmesinde GNSS-IR
( θ ; uydu yükseklik açısı)
Alıcıya gelen sinyalin SNR ile olan matematiksel
ilişkisi,
(1)
şeklinde ifade edilir. Burada, Ac ; girişim yapan
sinyalin genliği, Ad ; doğrudan gelen sinyalin
genliği, Ar ; yansıyan sinyalin genliği, ψ ise iki
sinyal arasındaki faz farkını ifade etmektedir.
Doğrudan gelen sinyalin etkisini kaldırarak
sadece yansıyan sinyali kullanmak için tüm
veriye düşük dereceli polinom uygulanarak trend
veri setinden çıkarılmaktadır. Böylece, doğrudan
gelen sinyalin etkisinin kaldırıldığı trendden
arındırılmış SNR verileri (SNR) elde
edilmektedir. Trendden arındırılmış SNR verisi
için sinyal yansıma etkisi salınımları,
(2)
olarak ifade edilir. Burada, A; genlik, h; anten faz
merkezi ile yansıma yüzeyi arasındaki düşey
mesafe (reflektör yüksekliği), λ ; GNSS taşıyıcı
dalga boyu, θ; uydu yükseklik açısını, ; faz
ofsetini ifade etmektedir. SNR salınımlarındaki
baskın frekans LSP yöntemi ile
belirlenebilmektedir. Baskın frekans en yüksek
spektral güce karşılık gelmekte olup
kullanılarak reflektör yüksekliğine
dönüştürülmektedir (Larson, Ray, ve diğerleri,
2013).
b. Gelgit Bileşenlerinin Belirlenmesi
Ay ve Güneş’in çekim kuvvetiyle meydana
gelen gelgitler, deniz seviyesi değişimine etki
eden en önemli faktörlerden biridir. Deniz
seviyesi üzerinde harmonik ve düzenli etkiye
sahiptir. Gelgit sinyalleri çok sayıda farklı genlik
ve frekansa sahip harmonik bileşenler tarafından
Harita Dergisi, Temmuz 2022; 168: 1-12 Karadeniz Kıyısında TUDES Ortak Yerleşkeli GNSS İstasyonu Deniz
Seviyesi Gözlemlerinden GNSS-IR Tekniği ile Gelgit Bileşenlerinin Belirlenmesi
4
ifade edilebilmektedir. Bir harmonik model,
(3)
şeklindedir. Burada; tj zaman, H0; ortalama deniz
seviyesi, A ve B; gelgit bileşenleri genlikleri, ve
; başlangıç faz açıları, wa ve wb gelgit
bileşenlerinin açısal hızlarını ifade etmektedir
(Schureman, 2001). Bu çalışmada, gelgit
bileşenlerinin genliklerini belirlemek için
Pawlowicz vd. (2002) tarafından geliştirilen
MATLAB programlama dilinde yazılan T_Tide
klasik gelgit harmonik analiz yazılımı
kullanılmıştır. Gelgit türleri yarı-günlük, günlük ve
karışık olmak üzere üç temel türe ayrılmaktadır.
Tablo 1’de günlük ve yarı-günlük olmak üzere
beş temel gelgit bileşenine ait bilgiler
verilmektedir.
Tablo 1. Temel gelgit bileşenleri
c. Performans Değerlendirmesi
GNSS-IR tabanlı deniz seviyesi ile mareograf
kayıtları karşılaştırılarak tekniğin performansı
değerlendirilmiştir. Bunun için, Pearson
korelasyon katsayısı ve Karesel Ortalama Hata
(KOH) metrikleri kullanılmıştır. Pearson
korelasyonu (rGNSSIRMAR) ve KOH,
(4)
(5)
şeklindedir. Burada; mGNSSIR ve mMAR
değişkenlerin ortalama hatalarını, mGNSSIRMAR
(GNSSIRi,MARi) değişken çiftinin kovaryansını,
n; veri sayısını, SGNSSIR; GNSS-IR tekniği ile
hesaplanan deniz seviyesi gözlemlerini, SMAR;
mareograf istasyonu deniz seviyesi kayıtlarını
ifade etmektedir.
3. UYGULAMA
a. Çalışma Alanı ve Veri
Çalışma kapsamında, TUDES bünyesinde
bulunan mareograf ortak yerleşkeli TRBZ GNSS
istasyonu kullanılmıştır. TRBZ istasyonu Doğu
Karadeniz kıyısında, Trabzon ilinde
bulunmaktadır. İstasyon Trimble alıcı ve
TRM39105.00 anten donanımına sahiptir.
Çalışmada GPS L1 frekansı SNR verileri
kullanılmıştır. Veri zaman aralığı yaklaşık iki yıl
(Temmuz 2019-Ağustos 2020) olup veri kayıt
aralığı ise 30 saniyedir. GNSS tabanlı deniz
seviyesi değişimlerini karşılaştırarak doğrulama
yapmak için istasyona ortak yerleşkeli Trabzon
mareograf istasyonu kayıtlarından
yararlanılmıştır. Trabzon mareograf istasyonu
radar sensörlü sisteme sahip ve veri kayıt aralığı
15 dakikadır (Şekil 2). Tablo 2’de TRBZ GNSS
istasyonu ve Trabzon mareograf istasyonuna ait
bilgiler verilmiştir.
(a)
(b)
Şekil 2. (a) GNSS istasyonu konumu; (b) TRBZ
mareograf ortak yerleşkeli GNSS istasyonu
Bileşen
Açıklama
Periyot
(Saat)
K1
Lunar Solar, Günlük
23.93
P1
Main Solar, Günlük
24.06
O1
Main Lunar, Günlük
25.81
M2
Main Lunar, Yarı-
günlük
12.42
S2
Main Solar, Yarı-
günlük
12.00
Harita Dergisi, Temmuz 2022; 168: 1-12 Cansu BEŞEL, Emine Tanır KAYIKÇI
5
Tablo 2. Çalışmada kullanılan istasyon bilgileri
b. Veri Analizi
Jeodezik GNSS-IR; GNSS alıcısı ve yansıtıcı
yüzey arasındaki mesafe ve GNSS uydu
pozisyonlarına bağlıdır. Bu nedenle, öncelikle
istasyonun bulunduğu bölgede deniz alanlarını
kapsayacak şekilde uydu yükseklik açısı ve
azimut aralıklarının belirlenmesi gerekmektedir.
Şekil 3’te 5°, 10° ve 15° uydu yükseklik açısına
sahip uydu izleri için hesaplanan Fresnel
bölgeleri Google Earth görüntüsü üzerinde
gösterilmiştir.
Şekil 3. TRBZ istasyonu Fresnel bölgesi
Uydu yükseklik açısı arttıkça yansıma
bölgeleri antene yaklaşmaktadır. Bu nedenle,
TRBZ istasyonunun bulunduğu bölgede 15°
üzerindeki uydu yükseklik açılarında Fresnel
bölgelerinin karasal alanları içerebileceği ve aynı
zamanda istasyonun liman içerisinde bulunması
sebebiyle gemilerin istasyon yakınında
olabileceği de göz önünde bulundurularak uydu
yükseklik açısı aralığı 5°-15°, azimut aralığı ise
85°-160° olarak seçilmiştir.Çalışmada kullanılan
azimut ve yükseklik açısı aralıkları Tablo 3’te
gösterilmiştir.
Tablo 3. Azimut ve uydu yükseklik açısı
aralıkları
TRBZ
Azimut (derece)
85-160
Yükseklik açısı (derece)
5-15
İlgili koşulları sağlayan tüm uydular yükselen
ve alçalan uydu geçişleri olarak iki gruba
ayrılmıştır. Gruplarda bulunan tüm uydulara ait
SNR verilerine 2. dereceden polinom
uygulanarak doğrudan gelen sinyalin etkisinden
arındırılmış SNR verileri elde edilmiştir.
Ardından, SNR salınımlarına uygulanan LSP
sonucunda en yüksek spektral güce karşılık
gelen baskın yansıma etkisi frekansı reflektör
yüksekliğine dönüştürülmüştür. Bu aşamada,
LSP sonucu hesaplanan pik değerlerinin anlamlı
olup olmadığına karar vermek için pik-gürültü
oranı testi uygulanmıştır (Larson, Löfgren, ve
diğerleri, 2013). Buna göre en yüksek reflektör
yüksekliği genliğinin gürültüye oranı 2.7 eşik
değerinden küçük olan yansımalar anlamsız
kabul edilip analizde kullanılmamıştır. Daha
sonra, belirlenen reflektör yüksekliklerinin GNSS
anteninin ortometrik yüksekliğinden farkı alınarak
deniz seviyesi belirlenmiştir. TRBZ istasyonunda
belirlenen deniz seviyesi aynı istasyonla ortak
yerleşkeli Trabzon mareograf kayıtları ile
karşılaştırılmıştır (Şekil 4, Şekil 5).
Şekil 4.GNSS-IR ile tahmin edilen ve Trabzon
mareograf kayıtlarından elde edilen deniz
seviyesi değişim grafiği
İstasyon
Enlem
(derece)
Boylam
(derece)
Boşluk Oranı (%)
Veri Kayıt Aralığı
TRBZ
41.0019
39.7445
0.22
30 sn
Trabzon
41.0019
39.7445
2.5
15 dk
Harita Dergisi, Temmuz 2022; 168: 1-12 Karadeniz Kıyısında TUDES Ortak Yerleşkeli GNSS İstasyonu Deniz
Seviyesi Gözlemlerinden GNSS-IR Tekniği ile Gelgit Bileşenlerinin Belirlenmesi
6
Şekil 5. GNSS-IR ve mareograf ile elde edilen deniz
seviyesi değişimi saçınım grafiği
Her iki deniz seviyesi değişimi zaman serisi
arasındaki Pearson korelasyonu 0.95, KOH
değeri ise 2.83 cm olarak bulunmuştur. GNSS-IR
ve mareograf deniz seviyesi gözlem değerleri
arasındaki eğim 0.84 m/m ve R2 katsayısı ise
0.90 olarak hesaplanmıştır. Çalışmada kullanılan
GNSS-IR tabanlı deniz seviyesi belirlenmesine
yönelik detaylı bilgiler (Beşel ve Tanır Kayıkçı,
2021b) çalışmasında bulunabilir. Şekil 6’da
çalışmaya ait iş akış şeması verilmiştir.
Şekil 6. GNSS-IR ile deniz seviyesi tahmini ve gelgit bileşenlerinin hesabı iş akış şeması
Harita Dergisi, Temmuz 2022; 168: 1-12 Cansu BEŞEL, Emine Tanır KAYIKÇI
7
Tablo 4. Mareograf kayıtları ve GNSS-IR tekniği ile elde edilen deniz seviyesi değişimlerinden
hesaplanan gelgit genlikleri, faz ve duyarlıkları
Bileşen
Mareograf
GNSS-IR
Farklar
Gen.
(cm)
Gen.
Duy.
(cm)
Faz
(°)
Faz
Duy.
(°)
Gen.
(cm)
Gen.
Duy.
(cm)
Faz
(°)
Faz
Duy.
(°)
Gen.
(cm)
Faz
(°)
P1
0.45
0.1
221.08
12.7
1.05
0.7
62.73
43.1
0.6
158.35
K1
0.83
0.1
256.3
5.72
4.99
0.6
231.7
7.49
4.16
24.6
O1
0.66
0.1
245.05
6.61
0.57
0.5
239.23
62.98
-0.09
5.82
M2
2.53
0.1
260.42
1.5
1.73
0.6
213.43
18.3
-0.8
46.99
S2
1.16
0.1
203.9
3
0.91
0.5
342.09
36.22
-0.25
-138.19
GNSS-IR tabanlı deniz seviyesi ve mareograf
kayıtları için harmonik analiz yöntemi ile günlük
(P1,K1,O1) ve yarı-günlük (M2,S2) temel gelgit
bileşenleri genlikleri ve fazları hesaplanmıştır.
Tablo 4’te yaklaşık 2 yıllık zaman aralığına sahip
GNSS-IR ve mareograf deniz seviyesi
değişimlerinden hesaplanan gelgit genlikleri,
fazları ve %95 istatistik güven ile duyarlıkları
verilmiştir. GNSS-IR ve mareograf deniz seviyesi
değişimlerinden hesaplanan gelgit bileşenleri
genlikleri karşılaştırıldığında; maksimum farkın
4.16 ± 0.5 cm ile K1 bileşeninde, minimum farkın
ise -0.09 ± 0.4 cm ile O1 bileşeninde olduğu
görülmüştür. Yarı-günlük (M2,S2) bileşenler
mareograf ile kıyasladığında GNSS-IR ile daha
küçük sonuçlar elde edilmiştir. GNSS-IR tekniği
ve mareograf kayıtları ile elde edilen deniz
seviyesi değişimlerinden hesaplanan gelgit
genliklerinin farklarının ortalaması ve standart
sapması sırasıyla 0.72 cm ve 1.98 cm olarak
hesaplanmıştır. Burada, GNSS-IR genlik
bileşenleri mareograf genlik bileşenlerine göre
daha düşük hassasiyete sahip olarak
bulunmuştur. Mareograf ile hesaplanan gelgit
genliklerinin tamamı istastistiksel olarak
anlamlıdır. GNSS-IR ve mareograf ile elde edilen
gelgit genlikleri farklarının büyük çoğunluğu ise
istatistiksel olarak anlamsızdır. Tabibi vd. (2020)
çalışmasında mareograf ile hesaplanan gelgit
bileşenlerini GNSS-IR tekniğine göre daha
hassas bulmuştur. Aynı çalışmada mareograf ve
GNSS-IR gelgit bileşenleri farklarının
çoğunluğunun istatistiksel anlamsız olduğu
görülmüştür. GNSS-IR tekniği ile elde edilen
gelgit genlikleri, tekniğin deniz seviyesi kestirim
doğruluğuna bağlı olarak değişecektir. Bu
aşamada GNSS-IR tekniğine dayalı deniz
seviyesi belirlemeye ilişkin geliştirme ve
iyileştirme çalışmaları ile gelgit belirleme
duyarlığının da artırılması mümkündür.
Çalışmada aynı zamanda GNSS-IR ve
mareograf ile hesaplanan gelgit bileşenleri
EOT20 küresel okyanus gelgit modelinden
hesaplanan günlük ve yarı-günlük gelgit
bileşenleri ile karşılaştırılmıştır. EOT20, Münih
Teknik Üniversitesi, Alman Jeodezik Araştırma
Enstitüsünde (DGFI-TUM) geliştirilen küresel
okyanus gelgit modelidir. Okyanus gelgitlerinin
artık sinyallerini tahmin etmek için FES2014
referans gelgit modeline göre gelgit analizi
yapmaktadır. Çeşitli uydu altimetre misyonlarını
kullanarak 17 gelgit bileşenine ait genlik ve faz
değerlerini hesaplamaktadır. EOT 20 modelinin
özellikle kıyı alanlarında iyi sonuçlar verdiği
belirtilmektedir (Hart-Davis ve diğerleri, 2021).
Tablo 5’te modele ilişkin bilgiler sunulmuştur.
Şekil 7’de EOT20 küresel okyanus gelgit
modeline göre hesaplanan O1, P1,K1,M2 ve S2
gelgit bileşenleri genlikleri gösterilmiştir. Bu
model üzerinden de ülkemiz Karadeniz kıyılarının
düşük gelgit genliklerine sahip olduğu
görülmüştür.
Tablo 5. EOT20 küresel okyanus gelgit modeline ilişkin bilgiler
Model
Girdi
Çözünürlük
Gelgit Bileşenleri
EOT20
Topex/Poseidon,
Jason-1/2/3,
ERS-1/2, Envisat,
ALES retracker
0.125° x 0.125°
17 bileşen (2N2, J1, K1, K2, M2, M4,
MF, MM, N2, O1, P1, Q1, S1, S2, SA,
SSA ve T2)
Harita Dergisi, Temmuz 2022; 168: 1-12 Karadeniz Kıyısında TUDES Ortak Yerleşkeli GNSS İstasyonu Deniz
Seviyesi Gözlemlerinden GNSS-IR Tekniği ile Gelgit Bileşenlerinin Belirlenmesi
8
Şekil 7. EOT20 küresel okyanus gelgit modeli ile tahmin edilen günlük ve yarı-günlük gelgit bileşenleri
genlikleri (cm)
Tablo 6. Mareograf, GNSS-IR ve EOT20 küresel okyanus gelgit modeli gelgit genlikleri karşılaştırması
BİLEŞEN
MAREOGRAF
GNSS-IR
EOT20
Genlik (cm)
Genlik (cm)
Genlik (cm)
P1
0.45
1.05
0.11
K1
0.83
4.99
0.34
O1
0.66
0.57
0.22
M2
2.53
1.73
0.3
S2
1.16
0.91
0.097
Harita Dergisi, Temmuz 2022; 168: 1-12 Cansu BEŞEL, Emine Tanır KAYIKÇI
9
Şekil 8. Gelgit bileşenleri genlikleri
Tablo 7. GNSS-IR ve mareograf gelgit genlikleri ile EOT20 küresel okyanus gelgit modeli gelgit
genlikleri arası farklar
İstasyon
Model
P1
K1
O1
M2
S2
TRBZ
EOT20
0.94
4.65
0.35
1.43
0.813
Trabzon
0.34
0.49
0.44
2.23
1.063
Tablo 6’da ve Şekil 8’de mareograf, GNSS-IR
ve EOT20 ile hesaplanan gelgit bileşenleri
genlikleri verilmiştir. Tüm gelgitlerde, GNSS-IR ile
mareograf arasındaki uyumun GNSS-IR ile
EOT20 modeli arasındaki uyumdan daha iyi
olduğu görülmüştür. GNSS-IR tekniği hem
mareograf hem de EOT20 küresel okyanus gelgit
modeli ile en iyi uyumu O1 bileşeninde
sağlamıştır. En kötü uyum ise K1 bileşenindedir.
EOT20 modelinin hem mareograf hem de GNSS-
IR ile az uyumlu olduğu görülmüştür. Bu durumun
EOT20 model hataları kaynaklı olabileceği
düşünülebilir (Özel, 2020).Tablo 7’de TRBZ
GNSS istasyonu SNR verilerinden hesaplanan
deniz seviyesi gözlemlerine ait gelgit genlikleri ve
mareograf kayıtları gelgit genliklerinin EOT20
küresel okyanus gelgit modeline göre farkları
sunulmuştur. Buna göre, GNSS-IR ve mareograf
ile hesaplanan gelgit bileşenlerinin EOT20
küresel okyanus gelgit modeli ile karşılaştırılması
sonucunda maksimum farkın 4.65 cm değeriyle
GNSS-IR ve EOT20 küresel okyanus gelgit
modeli arasında K1 bileşeninde, minimum farkın
ise 0.34 cm değeriyle mareograf ve EOT20
küresel okyanus gelgit modeli arasında P1
bileşeninde olduğu görülmüştür.Çalışmada
GNSS-IR, mareograf ve EOT20 küresel okyanus
gelgit modelinden tahmin edilen gelgit genlikleri
arasındaki maksimum fark K1 bileşeninde
bulunmuştur. Larson vd. (2017)’e göre, en büyük
gelgit genliği farkının K1 bileşeninde olması GPS
uydu geometrisinden kaynaklı olabilmektedir.
Burada, uydu geometrisi sinyal yansıma etkisi ile
ilişkili olduğundan benzer şekilde GNSS yansıma
verileri de geometrik hatalarla
ilişkilendirilebilmektedir. Aynı zamanda
troposferik gecikme etkisinin de göz önünde
bulundurulması gerektiği belirtilmektedir.
4. SONUÇ VE ÖNERİLER
Bu çalışmada, ülkemizde GNSS-IR tekniğinin
gelgit bileşenlerinin belirlenmesine katkısı
araştırılmıştır. Bunun için, Karadeniz kıyısında
bulunan TRBZ GNSS istasyonu SNR verilerinden
GNSS-IR tabanlı elde edilen deniz seviyesi
değişimleri ile gelgit harmonik analizi yapılıp
gelgit bileşenleri hesaplanmıştır. Elde edilen
gelgit bileşenleri mareograf kayıtlarından ve
EOT20 küresel okyanus gelgit modelinden
hesaplanan gelgit bileşenleri ile karşılaştırılmıştır.
Harita Dergisi, Temmuz 2022; 168: 1-12 Karadeniz Kıyısında TUDES Ortak Yerleşkeli GNSS İstasyonu Deniz
Seviyesi Gözlemlerinden GNSS-IR Tekniği ile Gelgit Bileşenlerinin Belirlenmesi
10
Çalışma sonucunda tüm gelgit bileşenleri cm
mertebesinde hesaplanmış olup en tutarsız
sonuç K1 günlük bileşeninde bulunmuştur.
GNSS-IR tekniğinin mareograf ve EOT20 küresel
okyanus gelgit modeli ile en iyi uyumun O1
bileşeninde olduğu görülmüştür. GNSS-IR ve
mareograf deniz seviyesi değişimlerinden
hesaplanan gelgit bileşenleri karşılaştırıldığında,
maksimum fark 4.16 cm ve minimum fark ise -
0.09 cm olarak bulunmuştur.
GNSS istasyonunun bulunduğu bölgedeki
gelgit olaylarının, hesaplanan reflektör
yüksekliğine etki ettiği bilinmektedir. Bu anlamda,
GNSS-IR tekniği ile hesaplanan deniz seviyesi
değişimlerinde gelgit genliklerinin belirlenmesi
önemli olmaktadır. Bununla birlikte, Türkiye’nin
Karadeniz kıyılarının düşük gelgit genliklerine
sahip olması sebebiyle gerçekleşen gelgitlerin
reflektör yükseklikleri üzerinde bir etkiye sahip
olmayacağı değerlendirilmektedir. Diğer yandan,
akustik sensöre sahip mareograf
istasyonlarındaki termal duyarlılık genlik
bileşenlerini etkilemektedir. Bu açıdan GNSS
istasyonlarının kullanılması termal duyarlılığa
karşı üstünlük sağlayabilir. Yine ülkemizdeki
mareograf istasyonlarında radar sensör
bulunması bir avantaj olarak değerlendirilebilir.
Sonuç olarak; GNSS-IR tekniğinin ülkemizde
deniz seviyesinin izlenmesi açısından önemli bir
potansiyel olabileceği gerçektir. Bu çalışma ile
ülkemiz Karadeniz kıyılarında GNSS-IR
tekniğinin de gelgit bileşenlerinin belirlenmesinde
uygulanabilirliği araştırılmış ve ilk analiz sonuçları
sunulmuştur. Elde edilen sonuçların, GNSS-IR
tekniğinin deniz seviyesi belirleme performansı
üzerine yapılan iyileştirme çalışmaları ile birlikte
geliştirilmesi mümkündür. Ayrıca daha uzun
zaman aralığına sahip GNSS-IR deniz seviyesi
değişimi zaman serilerinden hesaplanan gelgit
bileşenleri, bu tekniğin gelgit çalışmalarında
kullanılabilirliğinin değerlendirilmesinde alternatif
bir çözüm sunacaktır.
TEŞEKKÜR
Bu çalışmada kullanılan veriler Karadeniz Teknik
Üniversitesi ve Harita Genel Müdürlüğü arasında
yürütülen “Karadeniz Kıyılarındaki Deniz Seviyesi
Değişiminin GNSS-IR Tekniği İle Araştırılması”
başlıklı ortak araştırma projesi kapsamında temin
edilmiştir. Harita Genel Müdürlüğü, Jeodezi
Dairesine ve Türkiye Ulusal Deniz Seviyesi
İzleme Sistemi’ne teşekkür ederiz.
Şekil 2(b), TUDES tarafından
(https://tudes.harita.gov.tr/Portal/) sağlanmıştır.
ORCID
Cansu BEŞEL https://orcid.org/0000-0003-
3434-6483
Emine TANIR KAYIKÇI https://orcid.org/0000-
0001-8259-5543
KAYNAKLAR
Altuntaş, C. ve Tunalıoğlu, N. (2022). Deniz
seviyesi değişimlerinin belirlenmesinde
GNSS-IR yönteminin kullanımı ve doğruluk
analizi üzerine bir araştırma. Geomatik, 7(3).
doi:10.29128/geomatik.946594
Anderson, K. D. (2000). Determination of water
level and tides using interferometric
observations of GPS signals. Journal of
Atmospheric and Oceanic Technology, 17(8),
1118–1127. doi:10.1175/1520-
0426(2000)017<1118:DOWLAT>2.0.CO;2
Beşel, C. ve Tanır Kayıkçı, E. (2021a).
Determination of Sea Level Variations in
Turkish Mediterranean Coast Using GNSS
Reflectometry. Survey Review.
doi:10.1080/00396265.2021.1939589
Beşel, C. ve Tanır Kayıkçı, E. (2021b). Türkiye
denizlerinde GNSS reflektometre tekniği ile
deniz seviyesi değişiminin araştırılması.
Journal of Geodesy and Geoinformation, 8(1),
1–17. doi:10.9733/jgg.2021r0001.t
Geremia-Nievinski, F., Hobiger, T., Haas, R., Liu,
W., Strandberg, J., Tabibi, S., … Williams, S.
(2020). SNR-based GNSS reflectometry for
coastal sea-level altimetry: results from the
first IAG inter-comparison campaign. Journal
of Geodesy, 94(8), 1–15. doi:10.1007/s00190-
020-01387-3
Ghiasi, Y., Duguay, C. R., Murfitt, J., van der
Sanden, J. J., Thompson, A., Drouin, H. ve
Prévost, C. (2020). Application of GNSS
interferometric reflectometry for the estimation
of lake ice thickness. Remote Sensing,
12(17), 1–9. doi:10.3390/RS12172721
Hart-Davis, M. G., Piccioni, G., Dettmering, D.,
Schwatke, C., Passaro, M. ve Seitz, F. (2021).
EOT20: A global ocean tide model from multi-
mission satellite altimetry. Earth System
Science Data, 13(8), 3869–3884.
doi:10.5194/essd-13-3869-2021
Harita Dergisi, Temmuz 2022; 168: 1-12 Cansu BEŞEL, Emine Tanır KAYIKÇI
11
Karegar, M. A., Larson, K. M., Kusche, J. ve
Dixon, T. H. (2020). Novel Quantification of
Shallow Sediment Compaction by GPS
Interferometric Reflectometry and Implications
for Flood Susceptibility. Geophysical
Research Letters, 47(14), 0–3.
doi:10.1029/2020GL087807
Larson, K. M., Lay, T., Yamazaki, Y., Cheung, K.
F., Ye, L., Williams, S. D. P. ve Davis, J. L.
(2021). Dynamic Sea Level Variation From
GNSS: 2020 Shumagin Earthquake Tsunami
Resonance and Hurricane Laura. Geophysical
Research Letters, 48(4).
doi:10.1029/2020GL091378
Larson, K. M., Löfgren, J. S. ve Haas, R. (2013).
Coastal sea level measurements using a
single geodetic GPS receiver. Advances in
Space Research, 51(8), 1301–1310.
doi:10.1016/j.asr.2012.04.017
Larson, K. M. ve Nievinski, F. G. (2013). GPS
snow sensing: Results from the EarthScope
Plate Boundary Observatory. GPS Solutions,
17(1), 41–52. doi:10.1007/s10291-012-0259-7
Larson, K. M., Ray, R. D., Nievinski, F. G. ve
Freymueller, J. T. (2013). The accidental tide
gauge: A GPS reflection case study from
kachemak bay, Alaska. IEEE Geoscience and
Remote Sensing Letters, 10(5), 1200–1204.
doi:10.1109/LGRS.2012.2236075
Larson, K. M., Ray, R. D. ve Williams, S. D. P.
(2017). A 10-year comparison of water levels
measured with a geodetic GPS receiver
versus a conventional tide gauge. Journal of
Atmospheric and Oceanic Technology, 34(2),
295–307. doi:10.1175/JTECH-D-16-0101.1
Larson, K. M., Small, E. E., Gutmann, E. D.,
Bilich, A. L., Braun, J. J. ve Zavorotny, V. U.
(2008). Use of GPS receivers as a soil
moisture network for water cycle studies.
Geophysical Research Letters, 35(24), 1–5.
doi:10.1029/2008GL036013
Löfgren, J. S., Haas, R. ve Scherneck, H. G.
(2014). Sea level time series and ocean tide
analysis from multipath signals at five GPS
sites in different parts of the world. Journal of
Geodynamics, 80, 66–80.
doi:10.1016/j.jog.2014.02.012
Martin-Neira, M. (1993). A passive reflectometry
and interferometry system (PARIS):
application to ocean altimetry. ESA Journal,
17(4), 331–355.
Özel Ö.(2020). Okyanus Gelgit Yüklemesi
Konum Değişimlerinin VLBI Ölçülerinden
Kestirimi ve Global Okyanus Gelgit Modelleri
İle Doğrulanması (Yüksek Lisans Tezi),
Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri
Enstitüsü, Ankara.
Pawlowicz, R., Pawlowicz, R., Beardsley, R. C.,
Beardsley, R., Lentz, S. ve Lentz, S. (2002).
Classical tidal harmonic analysis including
error estimates. in MATLAB using T TIDE.
Computers & Geosciences, 28(8), 929–937.
http://www.ocgy.ubc.ca/~rich. adresinden
erişildi.
Schureman, P. (2001). Manual of Harmonic
Analysis and Prediction of Tides. Washington:
U.S. Department of Commerce Coastal and
Geodetic Survey.
Selbesoğlı, M. O., Yavaşoğlu, H. H., Karabulut,
M. F., Yavaşoğlu, H. A., Özcan, H. G., Oktar,
Ö., … Gülal, V. E. (2021). Antarktika’da
Küresel İklim Değişikliği İzleme için GNSS
İstasyon Tasarımı: TUR1 ve TUR2 GNSS
İstasyonlarının 4. Ulusal Antarktika Bilim
Seferi’nde Antarktika Horseshoe Adası’na
Kurulumu. Afyon Kocatepe University Journal
of Sciences and Engineering, 21(6), 1353–
1365. doi:10.35414/akufemubid.946282
Tabibi, S., Geremia-Nievinski, F., Francis, O. ve
van Dam, T. (2020). Tidal analysis of GNSS
reflectometry applied for coastal sea level
sensing in Antarctica and Greenland. Remote
Sensing of Environment, 248.
doi:10.1016/j.rse.2020.111959
Tabibi, S., Sauveur, R., Guerrier, K., Metayer, G.
ve Francis, O. (2021). SNR-Based GNSS-R
for Coastal Sea-Level Altimetry.
Vey, S., Güntner, A., Wickert, J., Blume, T. ve
Ramatschi, M. (2016). Long-term soil
moisture dynamics derived from GNSS
interferometric reflectometry: a case study for
Sutherland, South Africa. GPS Solutions,
20(4), 641–654. doi:10.1007/s10291-015-
0474-0
Wang, X., Zhang, Q. ve Zhang, S. (2018). Water
levels measured with SNR using wavelet
decomposition and Lomb–Scargle
periodogram. GPS Solutions, 22(1).
doi:10.1007/s10291-017-0684-8
Harita Dergisi, Temmuz 2022; 168: 1-12 Karadeniz Kıyısında TUDES Ortak Yerleşkeli GNSS İstasyonu Deniz
Seviyesi Gözlemlerinden GNSS-IR Tekniği ile Gelgit Bileşenlerinin Belirlenmesi
12
Williams, S. D. P. ve Nievinski, F. G. (2017).
Tropospheric delays in ground-based GNSS
multipath reflectometry—Experimental
evidence from coastal sites. Journal of
Geophysical Research: Solid Earth, 122(3),
2310–2327. doi:10.1002/2016JB013612
Zhang, S., Peng, J., Zhang, C., Zhang, J., Wang,
L., Wang, T. ve Liu, Q. (2021). GiRsnow: an
open-source software for snow depth
retrievals using GNSS interferometric
reflectometry. GPS Solutions, 25(2), 1–8.
doi:10.1007/s10291-021-01096-0
Zheng, N., Chen, P. ve Li, Z. (2021). Accuracy
analysis of ground-based GNSS-R sea level
monitoring based on multi GNSS and multi
SNR. Advances in Space Research, 68(4),
1789–1801. doi:10.1016/j.asr.2021.04.024