ARKEOJEOFiziK GORUNTULEMEDE BiR HUZME OLU�TURMA YAKLA�IMI

A BEAMFORMING APPROACH IN ARCHAEOGEOPHYSICAL IMAGING

Nihan Arlit, Can Karavul Mlihendislik Fakliltesi

Jeofizik Mlihendisligi B6llimli Sakarya Oniversitesi

{narig,karavul}@sakarya.edu.tr

OZETC;E

Bu r;altifmada jeojizik yontemlerden rezistivite ile radar hiizme oluifturmamn arkeojeojizik iizerine katklsl ele almmlljtlr. Jeojizik olarak rezistivite ve manyetik yontemlerle arkeojeojizik alamnda goriintiileme yapllabilmektedir. C;altifmada uygunlugundan dolaYI " elektrik " olarak bilinen " rezistivite " yaklaif1m1 goz oniine almmllj, bu yontemin radar hiizme oluljturma yaklaljlmma adaptasyonu ve arkeojeojizik goriintiilemeye katklsl araljtlnlmlljtlr. Yeraltmda gomiilii oldugu diiljiiniilen arkeolojik yapdarm, jeojizik yontemler gibi, hiizme oluljturma yontemiyle de goriintiilenebilecegi tespit edilmiljtir. Uygulama olarak, Baltkesir-Burhaniye-Dren Mahallesinde gomiilii oldugu diiifiiniilen Adremytteion antik kentindeki gomiilii bir arkeolojik yapmm rezisitivite yaklaljlmlyla goriintiilenmesi yaplltrken, mevcut yaklaif1mm radar hiizme oluljturma ile arkeojeojizik araljtlrmamn etkinligine katkl yapabilecegi gozlemlenmiiftir.

ABSTRACT

In this study, the contribution of the geophysics method as resistivity and beamforming approach to the archaeogeophysics were investigated. Recently, the resistivity and magnetic have been used to image the archaeological structures. In this work, the modified case of the resistivity to the beamforming was studied for imaging. It was believed that, the buried archaeological structures could be imaged using the beamforming approach as well as the present geophysic methods. Once an implementation of the resistivity was made in Adremytteion ancient city in the Baltkesir, it was observed that the use of the beamforming would be capable of making a meaningful contribution to the analysis of the structures in the area.

1. GiRi�

Bu cah�mada radar hilzme olu�turma yakla�lmmm arkejeofizige genel bir uyarlanmasl ele ahnml�tlr. Arkeojeofizik, Jeofizik prensiplerle yer altmdaki arkeolojik yapdarm gorilntillenmesi ilzerine geli�tirilen ve son Ylllarda etkin kullallilan bir disiplin olarak ortaya Clkml�tJr. Jeofizik olarak rezistivite ve manyetik yontemlerle arkeojeofizik alallinda gorilntilleme yapdabilmektedir. Bu cah�mada uygun olmasmdan dolaYl ozellikle elektrik olarak bilinen -rezistivite yakla�lml- goz onilne ahnml�, bu yontemin radar hilzme

Bu cah�ma Burhaniye-6ren Belediyesi ve Bahkesir Belediyesi tarafmdan desteklenmi�tir. 978-1-4673-0056-8112/$26.00 ©2012 IEEE

A$km Demirkol Mlihendislik Fakliltesi

Elektrik ve Elektronik Mlihendisligi B6llimli Sakarya Oniversitesi

askind@sakarya.edu.tr

olu�turma yakla�lmma uygunlugu ve bu yolla arkeojeofizik gorilntillemeye katklsl ara�tlfllml�tJr. Yeraltmda gomillil oldugu dil�ilnillen arkeolojik yapllann, jeofizik yontemler gibi, hilzme olu�turma yontemiyle de gorilntillenebilecegi tespit edilmi�tir. Uygulama olarak, Bahkesir-Burhaniye-6ren Mahallesinde gomillil oldugu dil�ilnillen Adremytteion antik kentindeki gomillil bir arkeolojik yapmm rezisitivite yakla�lmlyla gorilntillenmesi yaplhrken, mevcut yakla�lmm radar hilzme olu�turma ile birlikte dil�ilnillmesinin, arkeojeofizik ara�tlrmalara katklsl gozlemlenmeye cah�llml�tJr.

Arkeolojik ara�tlrmalarda, Jeofizigin kullalllmmm yaygmla�masmda en onemli ozellik, genellikle bilgilere milmkiln olan en klsa silrede ula�masl ve soz konusu arkeolojik kahntllara herhangi bir zarar vermiyor olmasldlr. Arkeolojik cah�malarda, jeofizik ara�tJrmalarm kullanlml, son yirmi yddan beri yaygm hale gelmi�tir [1,2].

Jeofizik alanmdaki gorilntillemede yaygm olarak kullallilan gorilntilleme sistemi Jeo Radarlar olarak bilinen, aylll zamanda yer altl radarl olarak da allilan GPR sistemidir (GPR, Ground Penatrating Radar) [3]. GPR sistemi, gerek jeofizik gerekse maden ara�tlrmalarmda yararlallilan aktif radar sistemidir. Ancak bu cah�mada arkeolojik yapmm ozelliginden dolaYl ozdirenc yontemi tercih edilmi�tir

Jeofizik yakla�lmlardan rezistivite yontemi, arkeolojik alanlardaki gomillil yapl ve cevresindeki toprak arasmda belirgin bir ozdirenc farkl var ise kullalllhr. Elektrik (rezistivite) tomografisi (ERM), arkeolojik cah�malarda en cok kullallilan yontemdir. <;:ilnkil bu uygulama duvarlarm, yapl temellerinin ve magaralann tespit edilmesinde oldukca ba�arill bir yontemdir. Gilncel olarak rezistivite gorilntilleme teknigi Slg arkeolojik yapilarm tespitinde cokCa kullallilan metot olarak yerini alml�tlr. Bu teknikteki amac, secilen elektrot dizilimi (wenner, schlumberger, dipol-dipol, pole­pole vb.) sayesinde cah�ma alanmda devamh olarak yeraltml gorilntillemektir [4,5,6]. Ters cozilm teknikleri kullanarak elde edilen elektrik ozdirenc verilerinin yorumlanmasl son Ylllarda oldukca kullallilan bir yontem halini alml�tJr. Gorilntilleme cah�malarmda 2D ve 3D ters cozilm teknikleri kullanlhr [6,7,8,9].

2. REZisTiviTE YONTEMi

Rezistivite manyetik yontemle birlikte arkeojeofizikte gorilntilleme amaclyla kullallilan onemli bir yakla�lmdlr. Bu cah�mada hem arkeolojik yapmm ozelliginden dolaYl hem de radar hilzme yakla�lmma uygunlugundan dolaYl rezistivite ilzerinde durulmu�tur.

Rezistivite olarak bilinen ozdiren9 5l9ilmlerinin teorisinde yer tamamen homojen ve izotrop olarak kabul edilir. Boyle bir ortamda aklm kaynagmm tek bir nokta aklm kaynagmm tek bir nokta civarmdaki potansiyel denklemi Ohm Kanununa gore geli�tirilebilir.

Ohm Kanunu bir devreden dogru aklm ge9irilmesiyle ortaya 91kanlml�tlr. Pasif bir devre elemanmm ilzerinde meydana gelen potansiyel dil�mesinin bu elemandan gegen aklma oram sabittir. Bu oranm kantitesi rezistans olarak a91klanlr:

R = ,1V I (1)

Bu pasif devre elemanl il9 boyutlu, homojen ve izotop olursa potansiyel gradiyent (E) ve aklm yogunlugu (.1) aym yonde olur bu durumda Ohm Kanununun potansiyel �ekli;

E = pJ (2)

Burada (p) ortamm ozdirencidir. Ortamm iletkenligi, oz direncin tersidir ve

I (J=-P

(3)

M.K.S. sisteminde birimi ohm/m'dir. Burada (cr), yilklerin hareketi ve yogunlugu ile ilgilidir.

Ohm Kanunu deneysel ve lineerdir. Bu sebeple uygulamalarda belirli ko�ullann ortaya konmasl gerekmektedir. Omegin, uygulama alanmda yilksek aklm yogunluklan oldugunda Ohm Kanununda baZl sapmalar gorillilr. Linerligin korunmasl 19m ozellikle elektrot civarlarmda al9ak aklm yogunluklan (1 Amp/m

2 gibi) tercih

edilmelidir. E elektrik alanmm konservatif olmasmdan,

E = - \IV (4)

burada (V) volt olarak ol9illilr [10].

2.1. Dizilim <;:e�itleri

Ozdiren9 ara�tlrmalarmda ara�tmna alam, hedeflenen ara�tlrma derinligi, ara�tlrmanm konusu gibi ge�itli degi�kenler goz onilnde tutularak, kullanllan elektrotlar bir90k fakh bi9imde dizilebilirler. Uzun silredir ara�tlrmacllar yontemin ba�ansml artlrabilmek i9in degi�ik elektrot dizilimleri geli�tirmi�lerdir. Ol9illen alanm, homojen ve izotrop oldugu varsaYlhrsa, ortamm ozdirenci;

P = k (/:::..V / I) (5)

olarak gosterilir. Burada, p (ohm.m) ortamm ozdirenci, k (m) geometrik faktOr, L1V (volt) potansiyel farkl, I (amper) aklml gostermektedir. Ancak yeryuzu homojen ve izotrop olmadlgmdan yani yanal yonde ve dil�ey yonde dilzensizlikler igerdiginden potansiyel farkl karma�lk bir ortamm aklma kar�l tepkisidir ve 5l9illen ozdiren9 degeri de gergek ozdiren9 olmaktan 91kar (L1 Va) ve gorilnilr ozdiren9 (Pa) olarak adlandmhr. Bu durumda bagmtl;

Pa = k (/),Va/I) (6)

olarak yazlhr. Bu bagmtl tilm dizilimler i9in gegerlidir. Elektrotlarm birbirlerine gore farkh yerle�tirilmesinden kaynaklanacak fark, k sabitinin dizilime gore farkhhk gostermesiyle a�lhr. Ozdiren9 yonteminde slkhkla kullamlan elektrot dizilimleri �unlardlr: Wenner Dizilimi, Schlumberger Dizilimi, Dipol Dizilimler, Yanm Wenner Dizilimi, Yarlm Schlumberger Dizilimi. C;:ah�ma " Wenner Dizilimi" ilzerine kuruldugundan, yontemin aynntllan a�aglda verilmi�tir.

2.2. Wenner Elektrot Dizilimi

Wenner elektrot dizilimine gore; iki aklm elektrotu (C] ve C2) ve iki potansiyel elektrotundan (p] ve P2) olu�an dort elektrot bir dogru boyunca e�it arahklarla (Sekil 1) dizilir. Bu dizilim ge�idinde k geometrik faktOril;

Zn k =�1----�1----71----�1- (7) -----------C1P1 CZP1 C1PZ CzPz

�eklinde yazlhr. Elektrotlar araSl uzakhk a olursa;

(8) a za za a

olarak yazllabilir. Bu durumda Wenner elektrot dizilimine gore gorilnilr ozdiren9 bagmtlsl bi9iminde yazllabilir.

Paw = 2 1[ a ( ,1�a) (9)

Wenner diziliminde elektrotlar C]P]P2C2 veya P]C]C2P2 dilzeninde slralamrsa, Alfa (a) Dizilimi, C]C2P]P2 dilzeninde slralanlrsa, Beta (�) Dizilimi, C]P]C2P2 veya P]C]P2C2 dilzeninde slralamrsa, Gama (y) Dizilimi olarak adlandmhr [11].

SeW]: Wenner (a) elektrot dizilimi.

Wenner elektrot dizilimi yanal silreksizliklerden etkilendigi i9in daha ziyade S]g ara�t]rmalarda (Arkeojeofizik gibi) tercih edilir.

2.3. Radar Hiizme Olu�turma

Hilzme olu�turma, gerek radar algilama gerekse radar gorilntilleme 9ah�malarmda yararlamlan onemli bir yakla�lmdlr [12]. Sinyalin geldigi yone dikkatin gekilmesi ozelligiyle olduk9a geni� kullan1ill alanma sahiptir. Bu 9ah�mada daha ziyade lineer fazlandmlml� radar dizisiyle hilzme olu�turma yakla�lml ilzerinde durulacaktlr. Yontemin esaSl a�agldaki model ilzerine kuruludur.

m yet) = L Dk x(t - to) + (t) (10)

k=o

Hedefien yanslyan sinyaller fazlanml� olarak lineer dizilmi� sensor ylkl�lanndan toplam sinyal/hiizme olarak elde edilmektedir. R kadar uzaktaki hedef ve x mesafesiyle dizilmi� lineer radar sistemindeki faz gecikmesi,

t = 2R + dk = 2R + Xk cos e o c c c c

(11)

Sekil 2'de verilen model den de fark edildigi gibi hiizme olu�turma (beamforming) aslmda bir tiir filtreleme prosesidir. Bu anlamda Dk filtre katsaYlsl, to ise sensor dizisi arasmdaki faz miktarl, nk(t)ise giiriiltii degi�kenidir. Buna gore radar hiizme olu�turucu filtre ozelligiyle giiriiltiiye ragmen hedefle ilgili bilgi saglayabilmektedir. Bu yali�ma iyin sinyalin yer altma gonderilme aylsl olarak e ve hedefe uzakligm R olarak kabul edildigi g(R, cos e) gibi bir hedef yogunluk fonksiyonu kabul edilerek, arkeolojik yapmm goriintiisiiniin hiizme olu�turma yakla�lmlyla elde edilmesi dii�iiniilmektedir. Bunun iyin sistemde hiizme olu�turma, yon tayininden ziyade goriintii i�leme amayli olarak goz oniine almml�tJr. Hedef hakkmdaki bilgi, hedefin goriintiisiiyle ilgili bilgi olarak dii�iiniildiigiinde, radar hiizme olu�turucunun goriintiileme amaclyla kullamlabilecegini dii�iinebiliriz. Verilen modele gore fazlandlfllml� radar hiizme olu�turucunun genel yaplsl a�agldaki �ekilde gosterilmi�tir.

Radar hiizme olu�turmanm arkeojeofizikte goriintiileme amayli kullamlacak rezisivite yontemine uyarlanml� biyimi 2.4' de ele almml�tlr.

Ref. R

Sekil 2: Fazlandlfllml� radar dizisiyle hiizme olu�turma.

2.4. Rezistivite YontemiyJe Hiizme OIu�turma

Rezistivite ve hiizme olu�turma yontemlerinin ardmdan, radar hiizme olu�turma yonteminin rezlstlvlte yakla�lmma uyarlamasl Sekil 3' de verilmi�tir. Radar yakla�lmmm aksine, hedef gomiilii durumdaki bir arkeolojik yapldlr. Soz konusu gomiiden gerekli bilgileri saglayacak rezisitivite yakla�lmmdaki Wenner elektrot diziliminin, radar hiizme olu�turma yakla�lmma benzer olarak goz oniine alindlgml gormekteyiz. Cl ve Cz elektrotlanndan gonderilen i�aretlerin yanslmasl, PI ve Pz potansiyelleri olarak okunmaktadlr.

C]CZp]PZ dizilimi yatay hat boyunca otelenerek, tiim hat boyunca gomiilii yapldan bilgi benzer biyimde yanslmalarla elde edilir. Bu bilgiler toplanarak arkeolojik yapl hakkmda nihai toplam sonuy elde edilir. Bu haliyle rezistivite yakla�lmmm, radar hiizme olu�turma yakla�lmma kar�llik geldigini gormekteyiz.

:44·�·�··4····�'·····4· d3 .. : ...... : ....... : ...... : ...... ! .................... : . .

Sekil 3: Fazlandlfllml� lineer radar dizisinden Wenner (a) elektrot dizilimi uyarlamasl.

Bu ayldan, (lO)'da verilen hiizme olu�turma yakla�lmmm, rezistivite yontemi iyinde kullamlabilecegini gozlemlemekteyiz. Bu yolla klasik rezisitivite yakla�lmmda toplanarak direkt olarak biraz da ampirik anlamda yazillm ortammda i�lenen bilgilerin, bu kez hiizme yakla�lmlyla yet) ile modellenerek elde edilebilecegini gormekteyiz. C;ali�ma ozdireny yakla�lmlyla geryekle�tirilmi� olup, hiizme olu�turmamn yontem olarak yoziime uyumu aylsmdan katkl saglayacagl gozlemlenmi�tir.

2.5. UyguJama

Balikesir-Burhaniye-Oren Mahallesinde gomiilii oldugu dii�iiniilen Adremytteion antik kenti, Lidya krali Alyattes'in (M.O. 610-560) oglu Adramys tarafmdan Mysialilara kar�l bir kale olarak kurulmu�tur. Bolge antik zaman iyinde yogun yerle�ime sahne oldugu klYI �eridinin arkasmdan gel en geni� ovada tanm yaplldlgl ve hemen arkasmdan ba�layan dag silsilesinden elde ettigi maden kaynaklanm da i�leyerek deniz ticaretinin yaplldlgl bir antik kenttir [13]. Burhaniye Oren Mahallesi iyinde yer alan inceleme alam 24-26 pafia, 229 ada, 8-9 parsellerde sit alanmda yer almaktadlr. Bu alanda gomiilii olarak bir antik yapmm bulunup bulunmadlgl ara�tlrmak amaclyla 5 profil iizerinde jeofizik yontemlerden 320 adet elektrik iilyiisii, wenner elektrot dizilimi kullamlarak alinml�tJr (Sekil 5). Daha soma verilere ters yoziim uygulanml� ve Sekil 5' de gosterilen kesit elde edildi.

Rezistivite tabanli hiizme olu�turma yakla�lmlyla yapllan yali�mada, arkeolojik yapl olarak beton bir duvarm goriintiilenmesi ba�anyla elde edilmi�tir. Yontemle elde edilen sonuylar RES2DINV programmda degerlendirilerek a�agldaki kesit goriintiiler elde edilmi�tir. Elde edilen verilere gore;

.......... ... "'., ... ". ...

I I I I

_____ . __ �. D-------... - ..

.,.10

....

G " ,::" .... . _ .... .. ' � .. .. 0-_ • ______ _

.....

.,.

G 0." ::--' __ .;.,

.... ,. ... -

-tJII_ .......... .

." ------

--�----

----- -�����-----

K

K

· 1 $ekil 4: Wenner dizilimi ile almml�, rezistivite Olciimlerinin

dii�ey kesitleri [13]

$ekil 5: <,:ah�ma alamnda jeofizik etiit sonuclanna gore yapilan arkeolojik goriintii kazilan [13]

M.S. 5-6. yy ait 4,50 m capmda 3m boyunda bir adet keramik pi�irme fmm bulunmu�tur. Fmnm etrafmda ozellikle kuzeyinde keramik molazlan oldukca yogundur. Bu fmn dii�ey kesitte goriilebilmektedir (Sekil 5). Fmnm 10 m kuzeyinde yer alan ve kahnhgl D-B dogrultusunda maksimum 14 m, uzunlugu K-G dogrultusunda maksimum 10,50 m olan bir yaplya ait duvar arkeolojik acma sonucunda goriilmektedir. Jeofizik model de bu duvannda icinde oldugu antik yapl 110 m2'lik alanl kaplamaktadlr. <,:ah�ma alanmm kuzey ucunda yer alan ve jeofizik yontemlerle tespit edilen yapmm, acma slmrlan icinde kalan klsml yine Sekil 5'de goriilmektedir. Bu da Jeofizik yontemlerle elde edilen modelde gosterilip de heniiz acilmaml� antik yapllann varhgmm ispatldlr [13]. Keramik fmnmm 4 m kuzeyinde ve 6 m giineyinde yer alan iist yiizey derinligi 2,50 m, alt yiizey derinligi 4,50 m, kalmhgl yakla�lk 1 m civarmda bulunan iki antik yapl daha belirlenmi�tir. Bu yapilar acma slmrlan icinde kalmasma ragmen acma icinde goziikmemesinin

sebebi acma derinliginin 2,11 cm'de kalmasldlr. Acma sonucunda, fmmn 1,45 m batJsmda kalmhgl 0,5 m olan, kuzey giiney dogrultulu olarak goriilen duvann, jeofizik OlCiimlerde goziikmeme sebebinin ondan cok daha yiiksek degerler gosteren bir yapllara cok yakm olmasmdan kaynaklandlgl dii�iiniilmektedir [13].

3. SONU<;LAR

<,:ah�mada arkejeofizikte goriintiileme amach olarak oldukca onemli bir yeri olan rezisitivite yonteminin, radar hilzme olu�turma temelli yakla�lmlyla daha etkin olabilecegi goriilmii�tiir. Uygulamada her ne kadar pratik olmasl aClsmdan giiriiltii dikkate ahnmaml�sa da, ozellikle giiriiltiilii ortamdaki bozuk bilginin filtrasyonunun hiizme yontemiyle daha etkin olabilecegi, hiizme mode linin dogasmdan kaynaklanan bir avantaj olarak goriilmektedir. Bu nedenle ozellikle veri miktanmn fazla ve giiriiltiilii oldugu durumda rezisitivite iCin modifiye edilmi� hiizme yakl�lml daha rasyonel olabilecektir.

4. KA YNAK<;A

[1]Scollar,I.,Weitner, B.,Segeth, K., Display Of Archaeological Magnetic Data., Geophysics, 1986, Vo1.51, p.623-633. [2]Hesse, A., Jolivet,A., Tabbagh, A., New Prospects in Shallow Depth Electrical Surveying For Archaeological and Pedological Applications., Geophysics, 1986, Vol. 51, p.585-594. [3]Ground-Penetrating Radar: An Introduction for Archaeologists. Conyers, L.B, Goodman, D, 1997 [4]Barker, R.D., Offset System of Electrical Resistivity Sou nding and its use with Multicore Cables. Geophysical Prospecting ,1981, Vol. 29(1), p. 128-143. [5]Griffiths, D.H., Turnbull, J., Olayinka, A.I., Two­Dimensional Mapping with a Computer-Controlled Array. First Break, 1990, Vol. 8(4), p. 121-129. [6] Drahor, M.G., Integrated Geophysical Studies in the Upper Part of Sardis Site, Turkey. Journal of Applied Geophysics, 2006, Vol. 59, 1.3 [7] Sasaki, Y., Two Dimensional Joint Inversion of Magnetotelluric and Dipole-Dipole Resistivity Data. Geophysics, 1989, Vol. 54, p. 254-262. [8]Loke, M.H., Barker, R.D., Rapid Least Squares Inversion of Apparent Resistivity Pseudo sections by a Quasi Newton Method, Geophysical Prospecting, 1996, Vol. 44,p.131-152 [9]Loke, M.H., Tutorial: 2-D and 3-D Electrical Imaging Surveys. www. geoelectrical.com [IO]Candansayar, C.E., Ulugergerli, E.U., Batumunkh,B., Tosun, S., Giindogdu, B., Dogru Aklm Ozdirenc Verilerinin 2B Ters <':oziimii ve iki Yonlii Gradyen Donii�iimii ile Arkeolojik Yapllann AranmasI: Mogolistan'daki Tiirk Amtlan Etrafmda Yapilan Jeofizik <,:ah�malar, Jeofizik Dergisi, C. 15, S. 2, TMMOB, IFMO Ankara, Eyliil 2001 [l1]Bhattacharya, P.K. and Patra, H.P., Direct current geoelectric sounding principles and interpretation. Elsevier Publishing Company, 1968, Amsterdam, London New York. [12]Veen, B. D. V., Buckley, K. M. Buckley., Beamforming : A versatile approach to spatial filtering. IEEE ASSP Magazine, pages 4-24, Apr. 1988. [13]Karavul, C., Magnetic and electrical resistivity image survey in a buried Adramytteion ancient city in Western Anatolia, Turkey. Journal of the Physical Sciences, 2010, Vol. 5(6), pp. 876-883.