sabit gps koordinat zaman serilerinden deneysel mod ayrıştırma...

Sabit GPS koordinat zaman serilerindenDeneysel Mod Ayrıştırma (DMA)

Yöntemi ile Deprem Sinyalinin Ayrıştırılması

Hasan Yıldız1, Ayça Çırmık2, Oya Pamukçu2, Tolga Gönenç2, Muzaffer Kahveci3

1 Harita Genel Komutanlığı, Jeodezi Dairesi Başkanlığı, Cebeci, Ankara2 Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Jeofizik Mühendisliği Bölümü

Tınaztepe Kampüsü, Buca-İzmir3 Selçuk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Harita Mühendisliği Bölümü, Konya

Sentetik Zaman Serileri ile Test

12 Haziran 2017 Depremi ve SGPS İstasyonlarının dağılımı

SGPS İstasyonları günlük koordinat saman serilerinin (AYVL, CESM, IZMT-DEÜ) DMA Yöntemi ile analizi

Sunuş Planı

Motivasyon

Sonuç ve Öneriler

Deneysel Mod Ayrıştırma Yöntemi

Sonuçların Kuvvetli Yer hareketi istasyonları (AYVL, CESM, BUCA-DEÜ) saniyelik zaman serileri ile karşılaştırılması

2

Motivasyon

• Fourier Dönüşümü tabanlı teknikler sinyali kayıt uzunluğu boyunca ‘zamanla değişmeyen’ karakterde olduğunu varsaymaktadır.

• Sabit GPS günlük koordinat zaman serileri zaman bağlı değişimler (periyodik etkiler, depremler nedeniyle atımlar vb.) göstermektedir. Sabit GPS günlük koordinat zaman serilerindeki ‘gürültü’ de ‘zamana bağlı veya zamanla değişken’ olabilmektedir.

• ‘Zamana değişken’ zaman serilerini belirli sayıda tek bileşenli sinyallere ayırmak amacıyla Deneysel Mod Ayrıştırma (DMA) yöntemi geliştirilmiştir (Huang vd., 1998).

• DMA’nın deprem etkilerini de içeren SGPS istasyonları koordinat zaman serilerini (saniyelik veya günlük) tek bileşenli sinyallere ayırmak için uygun bir yöntem olduğu düşünülmektedir.

3

DMA Uygulama Alanları

• Atmosfer, İklim, Oşinografi zaman serisi analizi (Huang ve Wu, 2008).

• Sismik zaman serileri analizi (Huang vd., 2001).

• Saniyelik Deprem İvmeölçer zaman serileri analizi (Raghukanth ve Sangeetha, 2012).

• Biyomedikal sinyal analizi (Rato ve Ortigueria, 2005).

4

DMA (Huang vd., 1998).

• Kübik spline ile kestirim.

• Ekstrem (Maksimum, minimum) noktaların tespiti

• Eleme algoritması : En düşük frekanslı sinyal tespit ediliyor ve veriden çıkarılıyor (iteratif).

• Tek Bileşenli sinyaller yüksek frekanstan düşük frekansa sıralanıyor. Bu yüzden aynı zamanda bir filtreleme yöntemi.

• Yöntemin bazı eksiklikleri mevcut :

- Örneğin bir sinüsoidal sinyali EMD ile modlarına ayırsak tek bir mod çıkması gerekirken çıkmıyor.

- Ekstrem noktalar doğru olarak tespit edilemiyor.

- Modlar birbirine karışıyor.

5

DMA (Rato vd.,2008)

• Ekstrem (Maksimum, minimum) noktaların tespitinde parobolikyaklaşım

• Anlık genlik ve frekans hesabı ve birinci derece Otoregresif (AR) yaklaşımı.

• DMA yöntemi :

•Ekstrem noktaların konumu

•Ekstrem noktaların enterpolasyonu

•Eleme işlemini durdurma kriteri açısından iyileştirilmiştir.

6

İyileştirilmiş Tam Toplu DMA (Colominas vd.,2014)

• Modların birbirine karışımını önlemek amacıyla orijinal sinyalin gürültülü kopyaları kullanılarak ayrışım (Toplu).

• Normal dağılımlı gürültü ekleniyor (Toplu).

• Gürültü eklenip çıkartılyor. (Tam)

• Modlar artık gürültü içeriyor. (İyileştirilmiş)

7

Sentetik Zaman Serisi ile Test

0 50 100 150 200 250-20

-10

0

10

20

30

40

Zaman (ay)

Ge

nlik

(m

m)

8

Sentetik Zaman Serisi ile Test

0 50 100 150 200 250-10

-5

0

5

10

Zaman (ay)

Ge

nlik (

mm

)

0 50 100 150 200 250-10

-5

0

5

10

Zaman (ay)

Ge

nlik (

mm

)

0 50 100 150 200 2500

5

10

15

20

Zaman (ay)

Ge

nlik (

mm

)

12 ay periyot

10 mm genlik

6 ay periyot

10 mm genlik

Merdiven

fonksiyonu.

t<=120, x=0;

t>120, x=20 mm

+

+

9

Sentetik Zaman Serisi - İyileştirilmiş Tam Toplu DMA (Colominas vd.,2014)

0 50 100 150 200 250-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Zaman (ay)

Ge

nlik (

mm

)

Mod 1

10


Mod 2

0 50 100 150 200 250-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Ge

nlik (

mm

)

Zaman (ay)

11

0 50 100 150 200 250-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Zaman (ay)

Ge

nlik

(m

m)


Mod 3

12


Mod 4

0 50 100 150 200 250-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Zaman (ay)

Ge

nlik

(m

m)

13


Mod 5

0 50 100 150 200 250-5

0

5

Zaman (ay)

Ge

nlik (

mm

)

14


Mod 6

0 50 100 150 200 250-6

-4

-2

0

2

4

6

Ge

nlik

(m

m)

Zaman (ay)

15


Mod 7

0 50 100 150 200 250-10

0

10

20

30

Zaman (ay)

Ge

nlik (

mm

)

16

0 50 100 150 200 250-5

0

5

10

15

20

25

Ge

nlik (

mm

)

Zaman (ay)


Mod 6+7

17


0 50 100 150 200 250-5

0

5

10

15

20

25

Zaman (ay)

Ge

nlik (

mm

)

Mod 5+6+7

18

0 50 100 150 200 250-5

0

5

10

15

20

25

Zaman (ay)

Ge

nlik (

mm

)


Mod 4+5+6+7

19

Sentetik Zaman Serisi - DMA (Rato vd.,2008)

0 50 100 150 200 250-15

-10

-5

0

5

10

15

Zaman (ay)

Ge

nlik (

mm

)

Mod 1

20


Mod 2

0 50 100 150 200 250-15

-10

-5

0

5

10

15

Zaman (ay)

Ge

nlik (

mm

)

21


Mod 3

0 50 100 150 200 250-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

Ge

nlik (

mm

)

Zaman (ay)

22


Mod 4

0 50 100 150 200 250-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Zaman (ay)

Ge

nlik (

mm

)

23


Mod 5

0 50 100 150 200 250-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Zaman (ay)

Ge

nlik (

mm

)

24


Mod 6

0 50 100 150 200 250-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

Ge

nlik (

mm

)

Zaman (ay)

25

0 50 100 150 200 250-5

0

5

10

15

20

25

30


Mod 5+6

26


Mod 4+5+6

0 50 100 150 200 250-5

0

5

10

15

20

25

Periyodik sinyalleri doğru (genlik ve periyot) ayrıştırması nedeniyle (Rato vd.,2008)

yaklaşımı uygulamada kullanılmıştır. Merdiven sinyali her iki yöntemde de son üç

moda yayılmıştır.

27

Midilli Adası’nın güney kenarını sınırlayan ve 12/06/2017 depreminin mekanizma

çözümüne gerek tür gerekse uzanım ve eğim yönü ile benzer birçok fay ve fay parçası Pavlides

vd. (2009) ile Chatzipetros vd. (2013) tarafından

haritalanmıştır.

12/06/2017 Depremi

28

Üç istasyonun Deprem merkezine göre konumu

Deprem merkezi AYVL ve CESM istasyonlarına aynı uzaklıktadır.

AYVL , CESM ve IZMT istasyonlarının tektonik konumu incelendiğinde IZMT farklı fay

sisteminde olduğu görülmektedir.

29

Deprem sonrasında otomatik olarak hazırlanan tahmini şiddet haritası (Kandilli Rapordan değiştirilerek alınmıştır, 2017). AYVL ve CESM V şiddetinde hesaplanmışken

ve IZMT ve çevresi IV ün altında şiddet değerine sahiptir.

30

Kullanılan Veri İşlem Programı Gamit/Globk Versiyon 10.61

Ölçüm aralığı (Veri sıklığı) 30 saniye- 24 saatlik günlük veri

Ölçüm günleri 1 Nisan 2017-1 Eylül 2017 (91.-243. julyen günleri)

Kesme Açısı 10

Yörünge Bilgisi IGS final yörüngeleri ve IGS ERP dosyaları

Anten Faz Merkezi Bilgisi Yükseklik açısına bağlı ağırlıklandırmalı faz merkezi modeli (PCV-antmod.dat)

Troposfer Parametresi VMF1 (Vienna Mapping Function) modeli kullanıldı. Zenit gecikme parametreleri her 2 saatte bir hesaplandı.

Uluslararası Yersel Referans sistemi ITRF08

Sabit NoktalarAvrasya plakası sabit olarak kabul edildi ve çözümlerde,9 IGS Noktası (BUCU, GLSV, ISTA, MATE, MIKL, NICO, PENC,

TUBI, ZECK) kullanıldı.Sonuç koordinat hesabı 153 günlük çözümleri GLOBK ile birleştirilmiştir.

GNSS ölçü ve veri işlem stratejisi

AYVL istasyonun 25 haziran ve 21 temmuz günlerinin WRMSlerinin büyük olması

nedeniyle bu günlere ait veriler çözümden çıkarılmıştır. 31

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8Original zaman serisi ayvl dat1

Zaman (y)

Kuzey B

ileşeni (c

m)

AYVL KUZEY BİLEŞENİ

AYVL KUZEY BİLEŞENİ (Doğrusal Trend Çıkarılmış)

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6Doğrusal trend çıkarılmış ayvl dat1

Zaman (y)

Ku

ze

y B

ile

şe

ni (c

m)

Atım : 8 mm

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4AYVL Kuzey Mod 4+5+6+7

Ku

ze

y B

ile

şe

ni (c

m)

Zaman (y)

AYVL KUZEY BİLEŞENİ

AYVL DOĞU BİLEŞENİ

35

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6Orijinal Zaman Serisi ayvl dat2

Zaman (y)

Ku

ze

y B

ile

şe

ni (c

m)


80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5Doğrusal trend çıkarılmış zaman serisi CESM Kuzey

Zaman (y)

Ku

ze

y B

ile

şe

ni (c

m)

Atım : 4 mm

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25AYVL Doğu Mod 4+5+6+7

Do

ğu

Bile

şe

ni (c

m)

Zaman (y)


CESM KUZEY BİLEŞENİ

38

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1Orijinal zaman serisi CESM Kuzey

Zaman (y)

Ku

ze

y B

ile

şe

ni (c

m)

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6Doğrusal trend çıkarılmışl zaman serisi CESM Kuzey

Zaman (y)

Ku

ze

y B

ile

şe

ni (c

m)


Atım : 5 mm


40

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3CESM Kuzey Mod toplam 5+6+7

Zaman (y)

Ku

ze

y B

ile

şe

ni (c

m)

CESM DOĞU

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4Original zaman serisi CESM Doğu

Zaman (y)

Doğu B

ileşeni (c

m)

CESM DOĞU

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3Doğrusal trend çıkarılmış zaman serisi CESM Doğu

Zaman (y)

Do

ğu

Bile

şe

ni (c

m)

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04Mod toplam 7+8+9

Zaman (y)

Do

ğu

Bile

şe

ni (c

m)

Atım tespit

edilmemiştir.

3 ay periyodu

olan bir sinyal

tespit

edilmiştir.

CESM DOĞU

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6Original zaman serisi izmt dat1

Zaman (y)

Ku

ze

y B

ile

şe

ni (c

m)

IZMT KUZEY BİLEŞENİ

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6Doğrusal trendi çıkarılmış zaman serisi izmt dat1

Zaman (y)

Ku

ze

y B

ile

şe

ni (c

m)


80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3Mod toplam 4+5+6+7

Zaman (y)

Ku

ze

y B

ile

şe

ni (c

m)


80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5Original zaman serisi izmt dat2

Zaman (y)

Do

ğu

Bile

şe

ni (c

m)

IZMT DOĞU BİLEŞENİ

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5Doğrusal trendi çıkarılmış zaman serisi izmt dat2

Zaman (y)

Do

ğu

Bile

şe

ni (c

m)


80 100 120 140 160 180 200 220 240 260-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25IZMT Doğu Mod toplam 9+10+11+12

Zaman (y)

Do

ğu

Bile

şe

ni (c

m)


İvmeölçer kayıtları (AYVALIK)

KAYIT ZAMANI : 12/06/2017 12:28:37.000000 (GMT)

0 20 40 60 80 100 120-40

-20

0

20

40

Kuzey-G

üney

AYVALIK İvme Ölçer (Gal)

0 20 40 60 80 100 120-40

-20

0

20

40

Doğu-B

atı

0 20 40 60 80 100 120-40

-20

0

20

40

Yukarı

-Aşağı

50

İvmeölçer kayıtları (CESME)

KAYIT ZAMANI : 12/06/2017 12:28:41.000000 (GMT)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-40

-20

0

20

40

Kuzey-G

üney

CESME İvme Ölçer (Gal)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-40

-20

0

20

40

Doğu-B

atı

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-40

-20

0

20

40

Yukarı

-Aşağı

51

İvmeölçer kayıtları (BUCA)

KAYIT ZAMANI : 12/06/2017 12:28:42.000000 (GMT)

0 20 40 60 80 100 120 140-10

-5

0

5

10

Kuzey-G

üney

BUCA DEÜ KAYNAKLAR KAMPÜSÜ İvme Ölçer (Gal)

0 20 40 60 80 100 120 140-10

-5

0

5

10

Doğu-B

atı

0 20 40 60 80 100 120 140-10

-5

0

5

10

Yukarı

-Aşağı

52

Üç ivmeölçer istasyonunun Yatay-düşey spektral oran yöntemi ile analizi

Nakamura 1989 yılında yaptığı çalışmada, yer içerisinde çeşitli nedenlerle oluşan

titreşimcikler ile (mikrotremor) yüzey dalgalarının arasında bir paralellik olduğu

varsayımı ile mikrotremor yöntemini ortaya koymuştur. Bu metod sismometreler

tarafından kaydedilen titreşimciklerden, yatay yönde olanların düşey yönde

olanlara bölümünden elde edilen yatay/düşey eğrilerinin zemin transfer fonksiyonu

olduğu kabulünü yapmaktadır ve 1989 yılından günümüze kadar geçen süreçte

mikrobölgeleme çalışmalarının vazgeçilmezlerinden biri olarak karşımıza

çıkmaktadır. Yöntemden elde edilen HVSR spektrumu aynı zamanda zemin

transfer spektrumu olarak tanımlanabilmektedir. Yönteme genel olarak bakış,

tarihi gelişimi ve çeşitli uygulamalar Mucciarelli ve Gallipoli 2001’de ayrıntılı

olarak verilmiştir. Aynı zamanda Mucciarelli ve Gallipoli 2004’te yapmış

oldukları çalışmada deprem kayıtlarından elde edilen HVSR spektrumları ile

gürültü kayırlarından elde edilen HVSR spektrumlarının benzerliklerini

göstermişlerdir.

Şekil 1. Zemin hakim titreşim frekansı

hesaplanmasında zemin kalınlığı ve

kayma dalgası hızı (Nakamura 2001’den

revize edilmiştir.)

53

Midilli fayı normal fay olup bu

bölgede İzmir ‘in kuzeyinde

denizden karaya ilerlerken yanal

yönlü çalışan fay zonları

bulunmaktadır.

Bu da yapılan çalışmada yatay

yönlü hareketin daha baskın olma

nedenini açıklamaktadır.

Yandaki şekilde görüldüğü gibi

depremden sonra gerilimin

aktarıldığı alandaki sınırların

saptanması için atım miktarının

sönümlendiği lokasyona kadar

SGPS istasyon verilerine DMA

yönteminin uygulanması ve

SGPS istasyonlarındaki deprem

etkilerinin belirlenmesi

gerekmektedir.

54

Sonuçlar

DMA analizi ile depremden etkilenen GPS istasyonlarının özellikle AYVL’ninbulunduğu zeminin yatay yöndeki harekete duyarlı olduğu saptanmıştır.

• AYVL Kuzey bileşeninde 4+5+6+7 nci modların toplamında 8 mm

• AYVL Doğu bileşeninde 4+5+6+7 nci modların toplamında 4 mm büyüklüğündebir atım.

• CESM Kuzey bileşeninde 5+6+7 nci modların toplamında 5 mm büyüklüğündebir atım. CESM Doğu bileşende bir atım tespit edilmemiştir.

• IZMT Kuzey, Doğu ve 3 istasyon Düşey bileşen SGPS zaman serilerinde atımtespit edilmemiştir.

• İvmeölçer zaman serileri SGPS günlük koordinat zaman serileri ile tutarlı birgenlik değeri göstermektedir.

IZMT istasyonu AYVL, CESM istasyonlarından farklı davranış göstermektedir.Bununnedeni tektonik konumu incelendiğinde IZMT farklı fay sisteminde olmasıdır.Yatay-düşey spektral oran yöntemi de IZMT istasyonun AYVL ve CESMistasyonlarından farklı zemin davranış gösterdiği ve depremden farklı etkilendiğisaptanmıştır.

55

Öneriler• Günlük koordinat zaman serileri Jeodezik/jeofizik açıdan depremin yarattığı

deformasyonu verir. Günlük çözünürlük Jeofizik açıdan depremin karakteri(süresi vb) anlamak açısından yeterli olmadığı görülmektedir.

• Hız ölçer ve İvmeölçerler (Sismoloji istasyonları) in drift ve sınırlı band aralığınedeniyle yüksek frekanslı GPS verileri ile Kalman filtreleme birleştirildiğindesadece GPS çözümlerine göre daha doğru sonuçlar verdiği bilinmektedir(Crowell vd., 2011; Bock et al., 2011).

• Bu kapsamda GNSS istasyonları ve ve sismik istasyonlardaki saniye altı hız veivmeölçer verileri ile yer değiştirmeler hesaplanarak depremlerin nedenolduğu yer değiştirmeler anlık olarak hesaplanabilir.

• SGNSS ve Kuvvetli Yer hareketi istasyonları İvmeölçer istasyonları ve hızölçen sismik istasyonlarla bir arada tesis edilmesi özellikle “Deprem ErkenUyarı Sistemlerine Doğru” “Gerçek Zamanlı Deprem İzleme” açısından önemliolduğu değerlendirilmektedir. (Bock vd., 2009; Crowell vd., 2011) (Çoksensörlü istasyonlar).

• Bu çalışmada seçilen istasyonların dışındaki istasyonlar için DMA irdelemeleriyapılarak istasyonlardaki deprem etkisi araştırılmalıdır.

56

sabit gps koordinat zaman serilerinden deneysel mod ayrıştırma...

Documents