Bu araştırma, ortam sismik gürültüsünü kullanarak iki sensör veya çoklu sensör çifti üzerinden Rayleigh yüzey dalgalarının faz ve grup hız dağılım eğrilerini çıkarmaya yarayan SWAPS adlı MATLAB tabanlı bir yazılımı incelemektedir. Yöntem, frekans alanında SPAC temelli faz hızı kestirimi ile zaman alanında FTAN temelli grup hızı kestirimini birlikte kullanır; böylece iki-istasyonlu yaklaşımların temel problemi olan faz belirsizliğini, ek bir referans model veya ön bilgiye zorunlu olarak ihtiyaç duymadan azaltmayı hedefler. Makaledeki örneklerde yaklaşık 1 saatlik kayıtlar, 4.5 Hz doğal frekanslı düşey jeofonlar ve 256 örnek/saniye örnekleme hızı kullanılmış; 20 m, 40 m ve 80 m istasyon aralıklarında elde edilen eğriler MASW ile, çoklu çiftlerde elde edilen otomatik seçimler ise ESAC ile uyumlu bulunmuştur. En önemli yorum sınırı, çalışmanın bir yazılım odaklı preprint olması ve performansın örnek saha uygulamaları üzerinden gösterilmesidir; bu nedenle sonuçlar, yöntemin uygulanabilirliğini güçlü biçimde desteklese de her jeolojik bağlam için sınırsız genelleme kanıtı anlamına gelmez.

MATLAB açısından çalışma önemlidir; çünkü SWAPS yalnızca bir algoritma açıklaması sunmaz, aynı zamanda kullanıcıya grafik arayüz üzerinden veri içe aktarma, sensör seçimi, pencereleme, faz ve grup hız spektrumlarının hesaplanması, manuel veya otomatik picking ve sonuçların dışa aktarılması gibi tamamlanmış bir analiz iş akışı sağlar. Kaynakta bu altyapının MATLAB R2023b+ ve dört ayrı araç kutusu ile çalıştığı belirtilmektedir.

Araştırmanın temel problemi nedir?

Yakın yüzey jeofiziğinde yüzey dalgalarının dağılım davranışı, yeraltı ortamının özellikle düşey yöndeki kayma dalgası hızı yapısı hakkında bilgi verir. Bu nedenle faz ve grup hızına dayalı dağılım eğrileri, sismik saha karakterizasyonunda kritik girdilerden biridir. Geleneksel olarak bu eğriler aktif kaynaklardan veya çok sayıda sensörden oluşan yoğun dizilerden türetilir. Ancak iki istasyonlu yaklaşım daha az ekipman gerektirdiği hâlde, aynı veriden birden fazla olası faz eğrisi çıkabilmesi nedeniyle yorum açısından daha zordur. Çalışmanın merkezi problemi tam olarak budur: yalnız iki sensörle güvenilir faz dağılım eğrisi nasıl seçilir?

SWAPS’in katkısı, yeni bir temel fizik yasası önermek değil; hâlihazırda bilinen iki ayrı bilgi kanalını — faz hızı ve grup hızı — aynı yazılım akışı içinde birlikte kullanarak, iki-istasyonlu yöntemin doğasında bulunan faz belirsizliğini daha pratik biçimde yönetmektir.

SWAPS neden MATLAB bağlamında dikkat çekicidir?

Çalışma, MATLAB’ı yalnızca sayısal hesaplama aracı olarak değil, aynı zamanda etkileşimli bilimsel yazılım geliştirme ortamı olarak kullanmaktadır. Yazılım bir grafik kullanıcı arayüzü (GUI) ile çalışır ve SWAPS_main.m dosyasının çalıştırılmasıyla başlatılır. MATLAB’ın burada üstlendiği rol üç yönlüdür:

• Veri işleme: ASCII metin dosyalarından sismik izlerin ve alıcı koordinatlarının okunması, pencereleme ve korelasyon işlemleri.
• Sayısal analiz: frekans alanında SPAC tabanlı yaklaşım, zaman alanında FTAN tabanlı yaklaşım ve bunların birlikte yorumlanması.
• Kullanıcı etkileşimi: iki sensörlü modda parametrelerin değiştirilip sonuçların anında gözlenebilmesi; çoklu çiftlerde ise aynı parametre kümesiyle otomatik seri işleme.

Bu nedenle makale, MATLAB öğrenmek isteyen bir okur için yalnız “bir fonksiyon ne yapar?” düzeyinde değil; MATLAB ile gerçek bir alan uygulama yazılımı nasıl kurgulanır? sorusuna da örnek teşkil eder.

Yazılım mimarisi ve iş akışı

Kaynak çalışma, SWAPS mimarisini dört ana modül üzerinden anlatmaktadır: veri içe aktarma ve sensör seçimi, dağılım analizi, picking ve çıktıların kaydı. Ayrıca iki tamamlayıcı araç daha vardır: ESAC dizi analizi ve project viewer. Aşağıdaki Verianla Live süreci, bu akışı kaynak çalışmaya sadık biçimde özetlemektedir.

İki temel çalışma modu: etkileşimli çift sensör analizi ve otomatik batch analizi

SWAPS’in pratik değerini artıran nokta, aynı yazılım içinde iki farklı kullanım tarzı sunmasıdır. Tam olarak iki sensör seçildiğinde analiz etkileşimlidir; parametreler değiştirilir ve etkileri anında gözlenir. Üç veya daha fazla sensör seçildiğinde ise yazılım, seçili tüm olası çiftler veya içe aktarılan bir çift listesi üzerinden otomatik ve sıralı analiz yürütür.

Bu ayrım MATLAB öğretimi açısından da önemlidir; çünkü burada kullanıcı, aynı çekirdek analizin GUI düzeyinde iki farklı kullanıcı deneyimi hâline getirildiğini görür. Bir başka ifadeyle çalışma, MATLAB ile yalnız hesaplama değil, iş akışı tasarımı da yapıldığını açıkça göstermektedir.

Girdi ve çıktı yapısı

SWAPS’te giriş verileri sade tutulmuştur: kaynakta, sismik zaman serilerinin ve sensör koordinatlarının ASCII .txt dosyaları olarak içe aktarıldığı belirtilmektedir. Bu, araştırma yazılımında verinin taşınabilirliğini artıran bir tercihtir. Çıkış tarafında ise seçilen faz ve grup eğrileri iki ayrı dosya olarak kaydedilir; hız değerleri 0.5 Hz aralıklarla doğrusal enterpolasyonla düzenlenir. Ayrıca istenirse analiz parametreleri de ayrı bir dosyada saklanır. Bu yaklaşım yeniden üretilebilirlik açısından güçlüdür; çünkü aynı ayarlarla sonucun tekrar denenmesine olanak verir.

Türkiye bağlamı

Çalışma Türkiye’de yapılmamıştır; dolayısıyla makaledeki saha örneklerinden doğrudan Türkiye’ye ait nicel sonuç çıkarılamaz. Bununla birlikte yaklaşım, deprem mühendisliği ve saha karakterizasyonunun önemli olduğu Türkiye gibi ülkelerde kavramsal olarak anlamlıdır. Özellikle sınırlı erişimli kentsel alanlar, yoğun dizi kurmanın zor olduğu dar sahalar veya çok sayıda noktanın ön değerlendirmesinin gerektiği mikro-bölgeleme çalışmaları için düşük ekipmanlı iki-sensör yaklaşımının pratik değeri olabilir. Ancak yerel zemin koşulları, sensör yerleşimi, gürültü alanının niteliği ve saha lojistiği farklı olduğundan, yöntem Türkiye koşullarında ayrıca saha doğrulaması gerektirir.

Çalışmanın desteklediği ve desteklemediği sonuçlar

Çalışmanın desteklediği sonuçlar: SWAPS, faz ve grup hızını birlikte kullanarak iki-istasyonlu analizde faz belirsizliğini azaltmayı amaçlayan uygulanabilir bir MATLAB yazılımıdır; örnek saha uygulamalarında MASW ve ESAC ile uyumlu eğriler üretmiştir; çoklu çiftlerde otomatik seçim genel olarak tutarlı çalışmıştır; az ekipmanla yakın yüzey sismik karakterizasyon için pratik bir seçenek sunmaktadır.

Çalışmanın desteklemediği veya kanıtlamadığı sonuçlar: Yazılımın tüm jeolojik bağlamlarda her zaman en iyi çözümü verdiği, klasik yoğun dizi yaklaşımlarını her durumda tamamen ikame ettiği, ek doğrulama olmadan karmaşık tüm sahalarda kusursuz sonuç verdiği veya ticari ölçekte kapsamlı biçimde olgunlaştığı bu çalışmadan çıkarılamaz. Çalışma ayrıca yöntemin her otomatik seçimde hatasız olduğunu da söylememektedir; örneklerden birinde başarısız seçim istisnası açıkça not edilmiştir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Veri toplama ve ön işleme

Kaynakta örnek uygulamalarda kullanılan veri toplama düzeni net biçimde verilmiştir. Tüm SWAPS örneklerinde veriler, 4.5 Hz doğal frekanslı düşey jeofonlarla ve 256 örnek/saniye örnekleme hızıyla kaydedilmiştir. Yazılım, seçilen sensörlerin zaman serilerini bütün hâliyle kullanmaz; bunları ardışık zaman pencerelerine böler. Kullanıcı şu parametreleri ayarlayabilir:

• analize alınacak başlangıç ve bitiş zamanı,
• pencere genişliği,
• örtüşme oranı,
• yüksek genlikli geçici olayları dışlamak için genlik eşiği.

Bu adım önemlidir; çünkü ortam gürültüsü verisinin tamamı aynı kalitede değildir. Yakın gürültü kaynaklarının baskın olduğu pencerelerin elenmesi, daha temsilî çoklu gürültü gerçekleşmelerinin elde edilmesine yardımcı olur.

Faz ve grup hız spektrumlarının elde edilmesi

Her seçili sensör çifti için yazılım, eşzamanlı pencere çiftleri arasında çapraz-korelasyon uygular ve bu sonuçları tüm zaman serisi boyunca istifler. Bundan iki temel ara çıktı doğar:

• Frekans alanında SPAC işlevi
• Zaman alanında Green işlevi

Faz hızı kestirimi, SPAC işlevinin kuramsal bir sıfırıncı mertebe Bessel işlevi ile eşleştirilmesiyle elde edilir. Grup hızı kestirimi ise FTAN (Frequency-Time Analysis) kullanılarak Green işlevinin farklı frekans bileşenlerinin zaman alanındaki davranışından türetilir. Çalışmanın mantığı burada kritikleşir: faz spektrumunda bir frekansta birden fazla olası maksimum görülebilir; grup eğrisi ise daha güvenilir bir rehber gözlem olarak kullanılarak hangi faz dalının fiziksel olarak daha anlamlı olduğuna karar verilir.

Picking algoritmasının mantığı

SWAPS’in kalbi, deneysel grup eğrisi ile seçilen faz eğrisinden türetilen sentetik grup eğrisini karşılaştıran seçim mantığıdır. İki sensörlü modda kullanıcı, parametreleri değiştirerek faz ve grup spektrumları üzerindeki etkileri anında görür ve manuel picking yapar. Batch modunda ise başlangıçta birden fazla faz eğrisi dalı “olası” kabul edilir; algoritma bunlar arasından deneysel grup eğrisine en tutarlı olanı bırakır. Kaynakta ayrıca, istenirse bir referans faz eğrisi kullanılabileceği; bunun ESAC aracından elde edilebileceği de belirtilmektedir.

Örnek uygulama 1: MASW ile karşılaştırılan iki-istasyonlu analiz

İlk örnek uygulamada daha önce 16 jeofonlu MASW incelemesiyle karakterize edilmiş bir saha kullanılmıştır. SWAPS ile yaklaşık 1 saatlik kayıtlar üzerinden üç ayrı analiz yapılmış ve sensör çiftleri sırasıyla 20 m, 40 m ve 80 m aralıklarla seçilmiştir. Çalışmada bu üç SWAPS faz eğrisi, bağımsız MASW eğrisi ile karşılaştırılmış; sağ panellerde her eğri için belirsizlik bantları da verilmiştir.

Ana bulgu, üç mesafe düzeninde de SWAPS ile seçilen faz eğrilerinin MASW eğrisiyle uyumlu olmasıdır. Bu sonuç, iki-istasyonlu konfigürasyonun — hatta 80 m gibi daha büyük istasyon aralıklarında bile — ortamın dağılım davranışını yakalayabildiğini göstermektedir. Ancak bu bulgu, ilgili saha koşulları ve seçilen parametreler bağlamında yorumlanmalıdır; çalışma bunu tüm sahalara otomatik genellememektedir.

Örnek uygulama 2: Otomatik batch analizinin tekrarlanabilirliği

İkinci örnekte SWAPS, daha önce 24 jeofonlu ESAC incelemesiyle yaklaşık yanal homojen olduğu doğrulanmış bir sahada batch modunda uygulanmıştır. Yazılım, çeşitli sensör çiftleri için faz dağılım eğrilerini otomatik olarak seçmiştir. Figür açıklamasında 16 sensör çifti için çıkarılan eğrilerin gösterildiği anlaşılmaktadır.

Çalışmaya göre bu eğriler, farklı istasyon aralıkları ve yönlenmelerine rağmen kendi aralarında oldukça tutarlıdır ve bağımsız ESAC eğrisiyle de genel uyum içindedir. Yalnız bir başarısız seçim istisnası not edilmiştir. Bu ayrıntı önemlidir; çünkü yazılımın güçlü performansını gösterirken, otomasyonun kusursuz olduğu izlenimini yaratmaktan kaçınır. Yazarlar ayrıca doğru seçilmiş eğrilerin dağılımının, belirli frekans aralığında ampirik belirsizlik kestirimi sunabileceğini belirtmektedir.

Tamamlayıcı araçlar ve yeniden üretilebilirlik

SWAPS yalnız çekirdek faz-grup seçimiyle sınırlı değildir. Yazılımın iki tamamlayıcı aracı vardır:

• ESAC aracı: dizi analizi yaparak referans faz eğrisi sağlayabilir.
• Project Viewer: proje veya dizi içinde üretilmiş eğrilerin görselleştirilmesini ve karşılaştırılmasını destekler.

Sonuçların diske kaydedilmesi, analiz parametrelerinin isteğe bağlı biçimde saklanması ve faz/grup eğrilerinin düzenli bir örnekleme ile dışa aktarılması, SWAPS’i yalnız “gösterim yazılımı” olmaktan çıkarıp pratik araştırma aracına dönüştürmektedir.

Etki ve uygulama değeri

Çalışmanın etki bölümünde SWAPS’in başlıca avantajı, yoğun sismik dizilerin kurulumunun zor veya gereksiz olduğu koşullarda daha hafif ekipmanla güvenilir dağılım eğrileri üretebilmesidir. Basit ve yaklaşık 1B sahalarda sensör sayısının ciddi biçimde azaltılabileceği; daha heterojen ortamlarda ise aynı dizideki çoklu sensör çiftlerinin bağımsız analiziyle yanal değişkenliğin daha iyi örneklenebileceği belirtilmektedir.

Yazarlar ayrıca SWAPS’in Nirano çamur volkanları sisteminde kullanıldığını ve açıklığı 50 m’den küçük bir dizi ile alınan yaklaşık 1 saatlik ortam gürültüsü kayıtlarından, ana bacalardan birinin altında yüzeyden 30–40 m derinliğe uzanan bir düşük-hız anomalisiyle tutarlı 3B yeraltı yapısının yeniden kurulduğunu aktarmaktadır. Bu sonuç, yazılımın yalnız teorik değil, karmaşık saha bağlamlarında da işe yarar olabileceğini düşündürür; ancak çalışma bu uygulamayı geniş ölçekli ticari doğrulama yerine örnek bir araştırma kullanımı olarak sunmaktadır.

Kaynak ve Yöntem Notu

Bu makalenin bilimsel içeriği yalnızca yüklenen kaynak çalışmaya dayanmaktadır; dış kaynaklardan yeni deneysel bulgu, yeni performans sonucu veya kaynakta bulunmayan mekanizma eklenmemiştir. Bibliyografik kimlik doğrulaması için sınırlı dış kontrol yapılmıştır.

• Tam özgün çalışma adı: SWAPS (Surface Waves dispersion Analysis from Pairs of Sensors): A MATLAB tool for inter-station Rayleigh phase and group dispersion analysis from ambient noise
• Yazarlar: Nicolò Carfagna; Dario Albarello
• Yazar sırası: Kaynaktaki görünür sırayla korunmuştur
• Sorumlu yazar: Nicolò Carfagna
• Kurum: Department of Physics, Earth and Environmental Sciences, University of Siena, Via Laterino 8, 53100 Siena, Italy
• DOI: 10.2139/ssrn.7193118
• Platform: SSRN
• Resmî bağlantı: https://ssrn.com/abstract=7193118
• Kod deposu: https://github.com/ncarfagna/SWAPS
• Yazılım lisansı: MIT License
• Yazılım dili: MATLAB
• Gereksinimler: MATLAB R2023b veya sonrası; Signal Processing Toolbox, Curve Fitting Toolbox, Statistics and Machine Learning Toolbox, Image Processing Toolbox
• Kaynak türü: Yazılım odaklı araştırma/preprint makalesi
• Hakemlik durumu: Bu çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir preprinttir; sonuçları bu yayın aşaması dikkate alınarak değerlendirilmelidir.
• Dergi/yayınevi durumu: Kaynak PDF’nin görünür içeriğinde nihai hakemli dergi künyesi açık biçimde yer almamaktadır; belge yapısı bir yazılım dergisi taslağını andırmakla birlikte bu sürüm SSRN üzerinde preprint olarak görünmektedir.
• Finansman / veri erişilebilirliği / çıkar çatışması / yazar katkıları: Bu sürümde açık beyan görünmemektedir.

Temel yöntemsel sınırlılıklar: Çalışma bir yazılım sunumu ve örnek uygulamalar toplamıdır; örnekler gerçek veriye dayansa da, çok geniş saha çeşitliliğinde kapsamlı benchmark çalışması değildir. Batch modunda en az bir başarısız otomatik seçim not edilmiştir. Yöntemin başlıca geçerlilik alanı yakın yüzey ölçeğinde, ortam gürültüsü üzerinden Rayleigh yüzey dalgası analizi yapılan sahalardır.

Kaynak içi dikkat notu: PDF üstveri başlığı ile görünür makale başlığı arasında fark vardır; makale kimliğinde görünür başlık esas alınmıştır.