TÜRKİYE ULUSAL TEMEL GPS AĞI-1999

(TUTGA-99)

ÖNSÖZ 

Harita Genel Komutanlığı, 203 ve 2895 sayılı Kanunlar ile değişik 657 sayılı Kuruluş Kanununun 4 ncü  maddesinde belirtilen haritaların üretimini sağlamak amacıyla Ulusal Temel Jeodezik Ağların (Yatay Kontrol (Nirengi), Düşey Kontrol(Nivelman), Gravite ve Manyetik ) kurulması çalışmalarını 1930’lu yılların başında başlatmış ve 1960 lı yılların sonlarında tamamlamıştır. Bu dönemde, ülkenin ihtiyacı olan savunma ve kalkınma amaçlı 1/25000 ölçekli haritaların üretimi bitirilmiş ve ihtiyaç olan bölgelerde daha büyük ölçekli haritaların üretim çalışmaları, diğer Kamu Kurum ve Kuruluşları ile birlikte yürütülmüştür. Temel jeodezik ağların geliştirilmesi, iyileştirilmesi ve yaşatılması için ölçme ve değerlendirme çalışmalarına ise 1970 li yıllardan itibaren başlanılmıştır. 31 Ağustos 1994 tarih ve 22037 sayılı Resmi Gazete’de yayımlanarak yürürlüğe giren “Harita ve Harita Bilgilerinin Temin ve Kullanma Yönetmeliği“ nin 5.a) maddesi “Ülke Temel Ağlarının (nirengi, nivelman, gravite ve manyetik ) kurulması ve yaşatılması ile 1/5000 (hariç)’den daha küçük, 1/250000 (dahil)’den daha büyük ölçekli harita ve harita bilgilerinin üretilmesi, çoğaltılması ve arşivlenmesi, Harita Genel Komutanlığının yetki ve sorumluluğundadır“ hükümlerini taşımaktadır.

Uzay jeodezisi kapsamında özellikle Global Konumlama Sistemi (GPS) yöntemlerinde ulaşılan yüksek doğruluk ve jeodezi uygulamasını tümüyle değiştiren gelişmeler ile yerkabuğu hareketleri nedeniyle ülkemizde jeodezik ölçme doğruluğunun çok üzerinde yatay ve düşey konum değişikliklerinin oluşması, mevcut Ulusal Temel Yatay Kontrol Ağını yaşatmak yerine üç boyutlu, zaman değişkenli, GPS teknolojine dayalı, yüksek duyarlıklı, uygun dağılımda ulaşımı kolay noktalardan oluşan yeni ve çağdaş bir Ulusal Temel Jeodezik Ağın kurulmasının daha uygun olacağı sonucunu gündeme getirmiştir.

Hızlı nüfus artışı ile birlikte gelen kentleşme ve alt yapı sorunları ile bilişim teknolojisindeki gelişmeler; birçok değişik alanda ihtiyaç duyulan, her seviyede yönetimlerin hızlı ve doğru karar vermesine yardımcı olacak, sayısal ortamda ve sorgulama düzenlerine sahip uydu görüntü ve yükseklik verileriyle destekli üç boyutlu uzaysal bilgi sistemlerine geçişi zorunlu hale getirmiştir. Bilgi sistemleri, fiziksel yeryüzünde üç boyutlu konumları yüksek duyarlıkla bilinen, ülke düzeyinde uygun sıklık ve dağılımda, bir sıklaştırma(yüzey) ağına ihtiyaç göstermektedir. Sıklaştırma(Yüzey) Ağları, uydu tekniklerine dayalı, iç ve dış duyarlıkları yüksek, homojen nokta dağılımına sahip, global referans sistemlerinde tanımlı, ülkenin jeodinamik yapısına göre nokta koordinatlarının zamana bağlı  değişimleri bilinen ve mevcut yerel koordinat sistemi(datum) ile ilişkili olma özelliklerine sahip olmalıdır.

Başbakanlık Tapu ve Kadastro Genel Müdürlüğü, Kuruluş Kanununda yer alan haritacılık faaliyetlerinin vazgeçilmez bir parçası olan bilgi sistemleri için, Ulusal Temel Jeodezik Ağın ülke boyutunda sıklaştırılması ile oluşturulacak bir Ulusal Jeodezik Sıklaştırma Kontrol Ağına ihtiyaç duymuştur. Bu ağın kurulması ise öncelikle Ulusal Temel Jeodezik Kontrol Ağının oluşturulmasını gerektirmektedir.

Harita Genel Komutanlığı ve Tapu ve Kadastro Genel Müdürlüğü; kuruluş kanunlarında belirtilen haritacılık faaliyetleri çerçevesinde, aynı faaliyet alanlarında yaptıkları çalışmaları ortaklaşa yürüterek, ülke ekonomisine katkıda bulunmak amacıyla; “Milli Savunma Bakanlığı Harita Genel Komutanlığı ile Başbakanlık Tapu ve Kadastro Genel Müdürlüğü arasında Ulusal Temel GPS Ağının Kurulması Konusunda İşbirliğine Dair Protokol“ 6 Aralık 1996 tarihinde İmzalanmış ve Türkiye Ulusal Temel GPS Ağı (TUTGA)‘nın oluşturulması  çalışmalarına başlanmıştır.

TUTGA kapsamında nokta tesisi ve ölçme çalışmaları 1997, 1998 ve 1999 yıllarında bitirilmiş, değerlendirme ve dökümantasyon çalışmalarının 2000 yılı içinde tamamlanması planlanmıştır. Ancak 17 Ağustos 1999 İzmit, 12 Kasım 1999 Düzce ve 6 Haziran 2000 Çankırı depremlerinin neden olduğu yatay ve düşey yöndeki nokta konum değişikliklerini belirlemek amacıyla; 2000 yılı içinde ek GPS ve Hassas Nivelman ölçüleri yapılmış olup değerlendirme çalışmaları halen devam etmektedir. Bununla birlikte uygulamada duyulan ihtiyacı karşılamak amacıyla, bu depremlerden  önce GPS ölçüleri yapılarak değerlendirilmesi tamamlanan  Türkiye Ulusal Temel GPS Ağı–1999 (TUTGA-99) (Epoch=1998.0 ) kullanıma hazır duruma getirilmiş olup bu raporda sunulmaktadır. 2000 yılı GPS ve nivelman ölçülerinin değerlendirilmesi sonucu oluşturulacak yeni TUTGA‘nın en kısa zamanda kullanıma sunulması planlanmaktadır.

1. GİRİŞ

Ülkemizde temel jeodezik ağların ilk kuruluş çalışmaları, I nci Derece Yatay Kontrol Ağı kapsamında nokta tesisi, yatay ve düşey açı, baz ve astronomik ölçüler ile 1934 yılından itibaren başlatılmış ve sonrasında düşey datumu belirlemek amacıyla 1936 yılında Antalya mareograf istasyonu kurulmuştur. 1950 li yılların başlarına kadar yapılan çalışmalarla oluşturulan I nci Derece Yatay Kontrol Ağı, 1954 yılında Meşedağ noktası başlangıç alınarak dengelenmiş ve Türkiye Ulusal Datumu-1954 (TUD-54) oluşturulmuştur. 786 noktadan oluşan TUD-54'ün hesabında, çekül sapması ve jeoidin bilinmemesi, gravite ağının henüz oluşturulmaması ve düşey datum tanımındaki belirsizlik nedenleriyle, açı, baz ve astronomik ölçülere tam olarak getirilemeyen düzeltmeler ağda bozulmalara neden olmuştur. Yapılan konum hatası irdelemesinde, yersel ölçülerle oluşturulan klasik jeodezik temel yatay kontrol ağlarından beklenen 1-2 ppm doğruluğun sağlandığı belirlenmiştir (HGK, 1988; Nakiboğlu vd., 1998). TUD-54'ün Avrupa Datumu-1950 (ED-50)'ye dönüşümü, Bulgaristan ve Yunanistan'da yer alan, ED-50 sisteminde koordinatları bilinen 8 ortak noktanın, bağlantı ölçüleri ile hesaplanan TUD-54 koordinatlarından yararla gerçekleştirilmiş olup dönüşümden kaynaklanan sistematik bozulmalar beklenmelidir (AMS, 1954; Sarbanoğlu vd. 1979).

Afrika ve Arap tektonik plakalarının Avrasya tektonik plakası ile çarpışma bölgesinde yer alan Türkiye'de güncel jeodezik ölçü doğruluğunun çok üzerinde büyüklüğe ulaşan yatay ve düşey yerkabuğu hareketleri meydana gelmektedir. Son yıllarda yapılan GPS ölçüleri ile tektonik plaka hareketlerinin 2-3 cm/yıl mertebesinde yatay yönde konum değişikliğine neden olduğu, hareketlerin büyüklük ve yönünün bölgeden bölgeye değiştiği belirlenmiştir (Reilinger vd., 1997; McClusky vd., 2000; Ayhan vd., 2001a). Bunun yanısıra, Kuzey Anadolu Fay Zonu (KAFZ), Doğu Anadolu Fay Zonu (DAFZ), Ege Graben Sistemi ve Doğu Anadolu başta olmak üzere ülkemizde ortalama 1-2 yılda bir büyüklüğü Mw ³ 6 olan büyük depremler olmakta, bu depremler ± 2-3 metre mertebesinde konum değişikliği (ko-sismik hareket) yaratmaktadır (Barka, 1996; Reilinger vd., 2000; Ayhan vd., 2001a). Ayrıca, depremlerin hemen sonrasındaki ilk üç ay boyunca etkili olan ardçı depremler sonucu ±5-10 cm mertebesinde deprem sonrası (post-sismik) konum değişikliği olmaktadır (Reilinger vd., 2000; Bürgmann vd., 2001).

Ulusal Temel Jeodezik Yatay Kontrol Ağının kurulması ve sıklaştırılması çalışmalarının 1934-1970 yılları arasında gerçekleştirildiği göz önünde tutulursa, inter-sismik tektonik plaka hareketleri nedeniyle, ülke genelinde, bölgeden bölgeye büyüklük ve yönü değişen toplam ±1-1.5 metre, depremler sırasında ko-sismik hareketler nedeniyle depremde oluşan kırığın yakın çevresinde en büyük, uzaklaştıkça azalan, kırığın her iki tarafında farklı yönde, toplam ±2-3 metre ve her deprem sonrasında ko-sismik hareketlere benzer nitelikte post-sismik ±10 santimetre konum değişikleri beklenmektedir. Bu değerlendirmeler sonucu, inter-sismik, ko-sismik ve post-sismik yerkabuğu hareketlerin, bölgeden bölgeye büyüklük ve yönü değişen, TUD-54 noktalarında toplam ±3-5 metre yerel yatay konum değişikliklerine neden olduğu düşünülmektedir. Düşey konum değişiklikleri daha çok deprem sırasındaki ko-sismik hareketlerden kaynaklanmakta olup deprem yüzey kırığı çevresinde 1-3 metre değerlerine ulaşmakta, yüzey kırığından uzaklaştıkça azalmaktadır (Emre vd., 1999; Herece, 1999; Ayhan vd., 2001a).

Yukarıda belirtilen nedenlerle halen kullanımda olan Ulusal Temel Jeodezik Yatay Kontrol Ağı; kuruluşundan bugüne kadar geçen zaman içinde yerel ve bölgesel nitelikli yatay konum bozulmalarına uğramış, KAFZ, DAFZ, Ege Bölgesi ve Doğu Anadolu Bölgesindeki yatay kontrol noktalarında yükseklik değişimi olmuş ve pratik kullanım ihtiyaçlarına cevap vermekten uzaklaşmıştır. Yatay kontrol ağındaki bölgesel ve yerel nitelikli bozulmaların etkisini gidermek amacıyla, Harita Genel Komutanlığı, 1970'li yıllarda başlayan ve 1980 yıllarda yoğunluk kazanan çalışmalar kapsamında açı, kenar, Doppler ve nivelman ölçüleri yapmıştır. Ancak bu çalışmalar daha çok tahrip olan noktaların yenilenmesi ile sınırlı kalmış, özellikle tektonik aktivitenin oluşturduğu karmaşık deformasyonlar nedeniyle tam olarak sonuçlandırılması olanaklı olmamıştır. 0.1-0.01 ppm doğruluk sağlayan uydu jeodezisine dayalı Global Konumlama Sistemi (GPS) 1980'li yılların sonlarından itibaren ülkemizdeki jeodezik uygulamalarda yaygın kullanılmaya başlanmıştır. GPS ile belirlenen Ulusal Jeodezik Temel Yatay Kontrol Ağındaki bölgesel ve yerel bozukluklar, ülkemizde yeni bir jeodezik temel ağ oluşturulması ihtiyacını doğurmuştur. Yeni kurulacak jeodezik temel ağın;

·  · üç boyutlu jeosentrik koordinat sisteminde,

   · belirli bir zamanda (epok),

   · her noktasında üç koordinat [(x,y,z) veya (enlem, boylam, elipsoid yüksekliği)], hız [(vx,vy,vz ) veya      

(vj ,vl,vh )] , ortometrik yükseklik (H) ve jeoid yüksekliği (N) bilinen,

   · ülke yüzeyine olabildiğince homojen dağılmış, ulaşımı kolay ve birbirini görme zorunluğu olmayan noktalardan oluşan,

  · jeodezik nokta konumlama, navigasyon ve jeodinamik amaçlarla kullanıma uygun,

  · halen kullanımda olan ED-50 datumundaki Ulusal Temel Yatay Kontrol Ağı ile arasındaki dönüşümü sağlanan,

  · GPS teknolojisine dayalı,

olması öngörülmüştür. Bu özellikleri sağlayan jeodezik temel ağın kurulması ile ilgili ölçme ve değerlendirme çalışmaları fiilen 1997-1999 yıllarında tamamlanmış olup oluşturulan bu ağa Türkiye Ulusal Temel GPS Ağı - 1999 (TUTGA-99) ismi verilmiştir. TUTGA-99 yapı olarak dört ana elemandan oluşmaktadır;

a. Uluslararası Yersel Referans Sistemi-1996 (ITRF-96) ve 1998.0 epoklu koordinatları bilinen GPS noktaları ağı,

b. 1992-1999 yılları arasında gerçekleştirilen jeodinamik amaçlı projelerde, tekrarlı GPS ölçüleri ile hızları belirlenen hız (jeodinamik) noktaları ve bunlara dayalı olarak diğer TUTGA-99 noktalarında kestirilen hızlardan oluşan TUTGA-99 Hız Alanı,

c. 1988-1999 yılları arasında GPS noktalarına yapılan nivelman bağlantı ölçüleri ile bulunan 187 noktadaki GPS/Nivelman jeoid yükseklikleri ve 1985-1986 yıllarında hazırlanan Türkiye'nin sayısal arazi modeli ve 1956 yılından bugüne kadar süregelen çalışmalarla elde edilen 70000 gravite ölçüsü kullanılarak hesaplanan Türkiye Jeoidi-1991 (TG-91)'in birleştirilmesi ile elde edilen Türkiye Jeoidi-1999 (TG-99) ile 1936 yılından bu yana sürdürülen nivelman ölçülerinin değerlendirilmesi ile oluşturulan, her noktasında Helmert Ortometrik Yüksekliği bilinen Türkiye Ulusal Düşey Kontrol Ağı-1999 (TUDKA-99),

d. TUTGA-99 ile ED-50 arasında koordinat dönüşümü.

Bu dört ana eleman dikkate alındığında, TUTGA-99 her ne kadar 1997-1999 yılları arasındaki çalışmalarla oluşturuldu ise de, aslında, 70 yıllık bir birikimin sonucu olarak çok sayıda değerli Türk Jeodezicinin katkıları ile gerçekleştirildiği gerçeği, göz önünde bulundurulması gereken önemli bir husustur.

Bu raporun ikinci bölümünde TUTGA-99'un ana elemanlarından en önemlisi olan GPS ağının oluşturulması sırasında izlenen planlama, keşif, GPS ölçüsü, GPS değerlendirme yöntemleri açıklanmaktadır. Üçüncü bölümde 1992-1999 yılları arasında gerçekleştirilen GPS kampanyalarının birleştirilmesi ve TUTGA-99 koordinatlarının hesabı, dördüncü bölümde ise TUTGA-99 hız alanı ifade edilmektedir. Beş ve altıncı bölümde sırasıyla TG-99 ve TUTGA-99 ile ED-50 arasında koordinat dönüşümü konuları ele alınmaktadır. Uygulama açısından önemli olan TUTGA-99 noktalarına dayalı nokta sıklaştırmada izlenecek yöntemler yedinci bölümde verildikten sonra sekizinci bölümde TUTGA-99'un geleceği (geliştirilmesi, korunması, yaşatılması, uygulama alanları) ile ilgili öneriler açıklanmaktadır.

Kaynak: Teknik Rapor,Harita Genel Komutanlığı, Jeodezi Dairesi,Ankara Şubat 2001

GPS ve Ülke Nirengi Ağı

WGS84 sistemi ülkemizde kullanılmayan bir koor­dinat sistemidir. Bununla beraber ülkemizde, WGS84 sistemine çakışık ve elipsoidi WGS84 sistemiyle aynı olan İTRF (Uluslararası Yersel Refe­rans Sistemi - İnternational Terrestrial Reference Frame) sistemi önceleri ülkemizde bulunan beş adet SLR (Satellite Laser Ranging) noktasıyla ve şimdi yeni kullanıma giren TUTGA (Türkiye Ulusal Temel GPS Ağı) ile kullanılmaktadır. 

Doç. Dr. Rahmi Nurhan ÇELİK

             Uydu teknolojilerinin geliş­mesi ve günlük kullanıma geçmesiyle jeodezik çalış­malarda da uydu teknolojileri kullanılmaya başlandı. Özellikle savunma amaçlı navigasyon uy­gulamalarında kullanılmak için geliştirilen uydu ölçme sistemi Global Konum Belirleme Sistemi (GPS - Global Positioning System) bilim adamlarının çabasıyla jeodezik bir çok problemin çözülmesinde kullanılmaya baş­landı. Klasik yöntemlerle ölçül­mesi oldukça zahmetli olan ülke jeodezik ağlarının ölçülmesi ve sıklaştırılması işleri GPS kullanıla­rak ele alınan ve ülkemizde yo­ğun olarak kullanılan başlıca uy­gulama alanlarındandır. Bununla beraber GPS, detay ölçmelerine, aplikasyon uygulamalarına, hid­rografi ve daha birçok ölçme ala­nına, Coğrafi Bilgi Sistemleri için veri toplamaya kolaylıklar sağla­yan ve çalışmalara hız ve ekono­mi getiren bir yöntem olarak mesleki uygulama alanımıza gir­miştir.

            Bu noktada önemli olan bu teknolojinin mesleğimize getirdiği katkıların yanında, ülkemiz ba­zında bu sistemin efektif ve doğru olarak kullanımını sağlamak için GPS ile ülke sistemi arasında­ki ilişkileri tanımlamak gerekliliği­dir. Her iki sistemin jeodezik alt­yapısı birbirinden farklıdır. Sis­temler farklı datumlara sahiptir ve farklı koordinat sistemleri ile ça­lışmaktadır. 0 halde GPS ile elde edilen bir koordinat bilgisinin ül­ke sistemi içinde kullanılabilmesi için her iki sistemin de altyapısını incelemek gerekmektedir.

Tablodan da görüldüğü gibi her iki sistemin datumları, elipsoidleri, ve koordinat yapıları birbi­rinden farklıdır. Ülke sisteminin jeodezik altyapısı iki boyutlu (2D) ED5O (Avrupa Datumu 1950- European Datum 1950) uluslararası Hayford elipsoidine dayalı TM (Transversal Merkator - 3° Gauss Kruger Projeksiyonu) projeksiyo­nunda (Sağa. Yukarı) olarak ta­nımladığımız yatay koordinatlar­dan ve Pratik yüksekliklerden (H-Ortometrik yükseklik) oluşmak­ta, bununla beraber GPS sistemi WGS84 (World Geodetic System 1984) datumuna ve bu datumun elipsoidi WGS84 elipsoidine da­yanmakta ve koordinatları üç boyutlu (3D) elipsoid merkezli Kar­tezyen, (X, Y, Z), elipsoidal (Φ,λ, h) veya WGS84 sisteminde (Sağa, Yukarı, h) olarak elde edilebil­mektedir.

            WGS84 sistemi ülkemizde kul­lanılmayan bir koordinat sistemi­dir. Bununla beraber ülkemizde, WGS84 sistemine çakışık ve elip­soidi WGS84 sistemiyle aynı olan ITRF (Uluslararası Yersel Referans Sistemi - İnternational Terrestrial Reference Frame) sistemi öncele­ri ülkemizde bulunan beş adet SLR (Satellite Laser Ranging) nok­tasıyla ve şimdi yeni kullanıma gi­ren TUTGA (Türkiye Ulusal Te­mel GPS Ağı) ile kullanılmaktadır. TUTGA ülkemizdeki GPS kullanı­mının alt yapısını oluşturmakta­dır. Büyük Ölçekli Haritaların Yapım Yönetmeliğine göre kla­sik yöntemlerle yapılan çalışmala­rın nasıl ülke sistemine bağlan­ması gerekiyorsa GPS ile yapılan gözlemlerde de ülkedeki koordi­nat bütünlüğünü sağlamak, yapılan çalışmaları ilişkilendire­bilmek ve ileriye dönük çalışabilmek için TUTGA ’ya bağlanmak gerek­mektedir. Ülkemizde, TUTGA, GPS ağlarının 1. Derece ağıdır. Bu ağ Tapu ve Kadastro Genel Müdür­lüğünün istemi üzerine ya­pılmasına karşın müdürlü­ğün gereksinimlerini bu haliyle karşılaması olası ol­mamakla birlikte, ülkemiz için değerli bir kazanımdır. TUTGA’ nın ülke sistemiy­le olan dönüşüm paramet­releri henüz açıklanmamış-tır. Bu nedenle GPS ile yapılan çalışmaların ülke sistemi ile olan ilişkisi transformasyon ile kurul­malıdır. Dönüşümde kullanılacak noktaların GPS ağı içindeki dağı­lımları iyi olmalıdır. Bununla be­raber ülke nirengilerinin kotları genellikle trigonometrik nivel­manla verildiğinden sağlıklı değil­dir. Bu nedenle GPS sisteminden ülke sistemine dönüşümün 2D ele alınması yararlı olacaktır. Eğer dönüşümde kullanılacak kotlar milimetre doğrulukta bilini­yorsa, GPS ağının kapsadığı alan büyük değilse ve yeterince kotu bilinen nokta varsa 3D dönüşüm yapılması sağlıklı bir çözüm oluş­masını sağlayacaktır. Özellikle büyük alanlarda çalışılması duru­munda ülke sistemi ile GPS arasındaki ilişkiler yatay konum içim ayrı düşey konum için ayrı ele alınmalı ve bölge için lokal bir santimetre doğruluklu geoid üre­tilmelidir.

            O  halde özet olarak,

            a) Ölçümü GPS ile yapılan je­odezik ağların ilk olarak TUTGA ’ya veya TUTGA’ dan koordinat almış bir jeodezik ağa bağlan­tısı yapılmalı ve datumunu buradan almalıdır.

            b) Ülke sistemiyle olan ilişkisi ağa iyi dağılmış noktalar kullanı­larak 2D transformasyonla kurul­malıdır. Yükseklikleri milimetre doğruluklu ağa iyi dağılmış nok­taların olması durumunda ancak 3D transformasyona başvurulma­lıdır.

            c)  Özellikle büyük alanlarda yükseklikler ayrıca ele alınmalı, bölgeye ait santimetre doğru­luklu  lokal bir Geoid oluşturulmalıdır.  

   Kaynaklar

                Güncel Gelişmeler Işığında Me­kansal Bilgi Sistemleri İçin Altya­pı ve Problemler, Konferans Kitapçığı — HKMO İstanbul Şubesi Eğitim Dizisi 2, 28 Mayıs 1999

                Ayan T. vd, İstanbul GPS Nirengi Ağı (İGNA) Teknik Raporu, İTU İnşaat Fakültesi Jeodezi Anabilim Dalı, Kasım 1999

                Ayan T ı4 GPS Tekniği İle İzmir Metro politen Nirengi Ağı Sıklaştır­ma ve iyileştirme Projesi; 17711 İn­şaat Fakültesi; Eylül 1996