YÜKSEKLİSANS

TEZ SAVUNMASI

 GLOBAL VE BÖLGESEL OLARAK

GRACE L2 VERİLERİNİN PCA İLE ANALİZİ

Ceren Altunal Podlech

Tez Danışmanı: Doç. Dr. H. Hakan Denli

Geomatik Mühendisliği Programı

İÇİNDEKİLER

• Tezin amacı
• GRACE
• GRACE & Hidroloji
• Veriseti, yöntem, Çalışma Bölgesi
• Verinin hazırlanması
• GRACE verisinin PCA ile analizi
• Maske tanımlanması
• Farklı versiyon GRACE verilerinin PCA yardımı ile bölgesel olarak karşılaştırılması
• GRACE Verilerindeki boşlukların PCA sonuçlarına etkisinin incelenmesi
• Ölçme verileri ile PCA sonuçlarının karşılaştırılması
• WGHM ve GRACE verilerinin PCA sonuçlarının karşılaştırılması
• Sonuçlar
• Referanslar

TEZİN AMACI

Farklı versiyon GRACE verilerindeki gürültünün, sinyal sızıntısının, sinyal kaybının global ve bölgesel olarak incelenemesi.

 GRACE verinin kendi arasında ve hidroloji verilerinin (WGHM modeli ve ölçme verisi) ile karşılaştırılması.

GRACE

• Alman & ABD işbirliği ile 2002 Mart ayında fırlatıldı
• GRACE uydu sistemi birbirinden yaklaşık 220+- 50 km uzaklıkta ikiz (GRACE-1 & GRACE-2) uyduları
• Yörünge düzlemi ekvatorla 89.5° lik açı 
• Yerden yüksekliği 485 km 
• Uydular arasındaki mesafe değişimlerini ölçmek için K bantlarda (24GHz-32GHz) çalısan mesafe ölçer (KBR)
• Zaman ve uydu konumunu belirlemek amacı ile GPS alıcı & Satellite Laser Ranging  (SLR)

Yerçekiminde gözlenen aylık değişimler bu süreçdeki kütle değişiminden kaynaklanmaktadır.

Kütle değişimleri yeryüzeyine yakın su kalınlığı değişimlerinden kaynaklandığı kabul edilebilir.

Gerçekte; okyanus hareketleri, atmosferik ve kara buz kütleleri ve bu bileşenler arasındaki kütle değişimleri  hidrolojik rezervuarlar ve su depolarındaki değişimlere yol açar.

GRACE & Hidroloji

Kıtasal hidroloji döngüsünün izlenmesi

Global su dengesi
Depo değişimi= Giren su (yagış ) - Çıkan su (buharlaşma+yüzeysel akış) 

Veriseti, Yöntem & Çalışma bölgesi

TWS değişimlerinin Jeopotansiyel katsayılardan elde edilmesi

Yüzey kütlelerinin yer değiştirmesi ve yeniden dağılımı yerkabuğunun yüklemeye maruz kalmasına ve deforme olmasına neden olur. Yüklemeden kaynaklanan potensiyel ve jeoit değişimlerinin
modellenmesi için Love sayıları kullanılmaktadır (kn). 

->Normalleştirilmiş Legendre Fonksiyonu

-> Enlem, Boylam

Dünyanın ortalama yoğunluğu

R-> Dünya referans yarıçapı

Filitreleme

Amaç: Veri-setindeki istenmeyen gürültünün giderilmesi

Gauss Filter:

Etkili yumuşatma yarı çapı belirlenebilmesi için;
Gercek sinyalin konumsal büyüklüğü (etkilediği alan)
ve tecrübe gereklidir.
çok küçük yarıcap -> kütle sinyali çok gürültülü,
çok büyük yarıcap -> sinyal çok yumusatılmış bölge, dışına sinyal sızmaktadır.

Gauss Filter->Küresel katsayılar arasındaki korelasyonlu hataların giderilmesinde  yetersiz

Çözüm->dekoralasyon filtresi
korelasyonlu serilere yüksek derecede bir fonksiyon uydurmak ve bu polinomun çıkartılması

Filtrelenmemiş

250 km

500 km

1000 km

Veriseti: 2010 Mart-Eylül GRACE L2

PCA

GRACE  verileri genellikle zaman serilerinin mekansal haritaları  şeklinde (TWS, deniz seviyesi anomalisi vb.) ifade edilir.

Bu ürünlerden,

Baskın mekansal patern

Bu paternlerin fiziksel yorumlama yardımı ile tanımlanması

Farklı veri setlerinin karşılaştırılması

Küçük ölçekli sinyallerin ve gürültünün giderilmesi

[1]

bir zaman diliminin grid verisi

bir pozisyonun grid verisi

(n,p)

Kovaryans matrisi

Kovaryans matrisinin Eigendeğerlerine ayrılması

Eigenvektörler

Eigendeğerler

PC'lerin projecte edilmesi

Maske Tanımlanması

Bölge sınırlarına  göre tanımlanmış-> genişletilmiş

Sinyal değerlerine göre tanımlanmış

Amaç: Bölgeyi en iyi tanımlayan fonksiyonun bulunması

Su depoları tahmini

 ilgili alan

Veri setleri

Koordinat Bazlı Maskeler

Grönland bölgesindeki sızıntı 

Mekong bölgesindeki sinyal kaybı

Amazon bölgesindeki sinyal kaybı

Sinyal Bazlı Maskeler

Genişletilmiş Maskeler

Farklı Maskelerlerin Sinyal Kayıbı Yüzdeleri

Tigris bölgesine

sızan sinyal gözlenmektedir

Amazon bölgesinde genişletilmiş maskeler sonuçları geliştirmemiştir

Mekong bölgesinde genişletilmiş maskeler sonuçları geliştirmemiştir

Grönland bölgesinde genişletilmiş maskeler sonuçları geliştirmiştir.

Sinyal Bazlı Maskeler ve Sınır Bazlı Maskelerin PCA Sonuçlarının karşılaştırılması

Amazon bölgesi  sonuçlarında belirgin gelişme gözlenmistir.

Veri Setleri

• CS6-GRACE Level-2 GFZ Release 04 Kusche 2 filtereli 500 km çözünürlüklü 2003-2012.
• CS2 & CS3 are GRACE Level-2 GFZ Release 05 data (L-2, RL-05)
• CS2 filtresiz (WGHM ile yenginleştirilmiş) 250 km.
• CS3 Kusche-3 filterli 350 km .

Amazon

Bölgenin özelliği:

Yıllık ve yarıyıllık periyodik su seviyesi değişimi

Grönland

Bölgenin özelliği:

Buz kütlesinin erimesi

Mekong

Türkiye

Bölgenin özelliği: 2007 yılındaki kuraklık ile daha da belirginleşen özellikle Güney Anadolu bölgesindeki su seviyesindeki azalma

Fırat 

& Dicle

Bölgenin özelliği:

Yeraltı sularındaki azalma

GRACE`in eksik ayları

Boşluk oluşturulan aylar

Sonuçlar: 1.54 %, 0.71 % ve 0.22 % sinyal kaybı 
sırasıyla Grönland, Amazon ve Mekong bölgeleri için

Ocak 2009

Haziran 2009

Mayıs 2010

 Ekim 2010

Kullanılan veri -> CS3 veriseti (2003-2010)

CS3 verisinin PCA ilk mode sonuclarının in-sıtu verisi ile karşılaştırılması

Sonuçlar arasında bir aylık sistematik bir kayma tespit edildi

CS2 & CS3 verisetlerinin aynı sonuçları verdiği gözlendi

GRACE & WGHM verilerinin karşılaştırılma amacı

WaterGAP Global Hydrology Model->kıtasal su döngüsünü simule eder (toprak, kar, yeraltı ve yüzey suları)

Yapılan önceki çalışmalar, WGHM ve GRACE verileri arasında özellikle sezonluk  TWSV genliklerinde belirgin faklılıklar gözlenmistir. 

GRACE verileri Global anlamada TWSV hakkında kapsamlı bilgi sağlar. Be sebepten GRACE, büyük ölçekli hidroloji verilerinin teyhid edilmesi ve kalibre edilmesi için kullanılmaktadır. 

GLOBAL

Kullanılan veriseti: WGHM & GRACE Gauss filtrelenmiş (400 km) 2005-2008

BÖLGESEL

İncelenen Bölgeler

Amazon

Orinoco

Türkiye

Fırat & Dicle

Amazon

Kullanılan veriseti: WGHM & GRACE Gauss filtrelenmiş (400 km) 2005.2008

Orinnoco

Kullanılan veriseti: WGHM & GRACE Gauss filtrelenmiş (400 km) 2005-2008

Türkiye

Kullanılan veriseti: WGHM & GRACE Gauss filtrelenmiş (400 km) 2005-2008

Fırat & Dicle

Kullanılan veriseti: WGHM & GRACE Gauss filtrelenmiş (400 km) 2005-2008

SONUÇLAR

Tanımlanan sinyal değerlerine dayanan maskeler Amazon bölgesi için (max: 50 d/o th: 0.15) en iyi sonucu vermiştir.

Greenland bölgesinde genişletilmiş maskeler analiz sonuçlarını geliştirmiştir.

 Dicle/Fırat bölgesinde bölge içine sızıntı oldugu olduğu görülmüştür.

Farklı GRACE verilerin PCA sonuçlarının uyumunun ilgili bölgeye bağlı olduğu görülmüştür.

PCA birbirine dik bileşenler oluşturmasının bazı durumlarda anlamsız sonuçlar oluşturmaktadır.

Öneriler

Önerilen tekniklerin farklı bölgeler için de test edilmesi

Bölgelerin temel bileşenler yönteminin yanı sıra, bağımsız elemanlar (ICA) yöntemi ile de analiz edilip sonuçların karşılaştırılması

Tigris bölgesinin toplam su seviyesinine etkiyen toprak nemi, buharlaşma vb. etmenleri içeren ek modeller ile birlikte (örneğin, Data Assimilation System-GLDAS ) değerlendirilip, yer altı sularının analiz edilmesi.

REFERANSLAR

• [1] Scholz, M., 2015, PCA - Principal Component Analysis, http://www.nlpca.org/pca_principal_component_analysis.html, accessed: 2015-03-05.