Bilgisayar ve Yazılım

Veri Bilimi Nedir Ve Uygulamaları Nelerdir?

Uluslararası bir müzik firması oldukça kapsamlı bir kayıt cihazına yatırım yapar. Bu yeni kayıt cihazı ile Beethoven’ın senfonisinin yeni kaydını yapmak için sabırsızlanır. Bu yeni kayıt için Berlin Filarmoni Orkestrası ile anlaşır ve orkestra kayıt stüdyosunda yerini alır. Kayıt için ses mühendisleri stüdyoya yüksek kaliteli mikrofonlar yerleştirmiştir. Orkestra senfoniyi çalmaya başlar ve stüdyodaki her bir mikrofon bir müzik eseri oluşturur. Fakat her bir kayıtta orkestranın sadece bir kısmı net bir şekilde duyulabilmektedir. Bazı kayıtlarda ise cihazdaki geçici sorunlardan kaynaklı boşluklar oluşmuştur.

veri, veri bilimi

Bu durumda sizce müzik firması her bir farklı kayıt için bir CD yapıp tüm CD’leri bir set olarak satışa sunsa kim ilgilenir?Muhtemelen birçok insan harmoni halinde yüksek kaliteli tek bir CD den bu eseri dinlemeyi tercih edecektir. İşte tam da bu kayıt stüdyosu gibi Dünya’mız da şu anda uydular üzerinde yer alan gözlem cihazlarıyla çevrelenmiştir. Bu gözlem cihazları farklı frekanslardaki elektromanyetik sinyalleri sayısal olarak kaydetmektedirler. Bu cihazlarından oluşan ağ oldukça kompleks olan atmosfer, okyanus ve yeryüzünde oluşan fiziksel, kimyasal ve biyolojik oluşumlarla ilgili eşsiz bilgiler sağlamaktadır. Bu verileri bir arada işlediğimiz değerlendirdiğimiz takdirde Dünya’mızla ilgili sürekliliği olan bütünsel bilgiye ulaşabileceğiz.

Veri asimilasyonu nedir ve nasıl gerçekleştirilir ?

Bu kadar farklı bazen kafa karıştırıcı, karmaşık tüm bu gözlem verilerinden yer sistemlerinin durumu ile ilgili nasıl en iyi tahminlerde bulunabiliyoruz? Nasıl belli bir zaman içerisinde tahmin ettiğimiz bu değerlerin sistemin gelişimini modelleyen denklemlerle tutarlı olabileceğinden emin olabiliyoruz? Günümüzde yaygın olarak kullanılan “veri asimilasyonu” adı ile bilinen matematiksel yöntem sayesinde!

“Asimilasyon” terimi bilgisayar programlarına verilerin gelişigüzel bir şekilde aktarılması olarak algılanmaması gerekiyor. Aksine bu yöntem uydu verilerinin elde edilmesi aşamasındaki tüm bilinen hataları, bilgisayar ortamına aktarılan  matematiksel modelleri ve bu modellerdeki hataları hesaba katarak oldukça özenli bir şekilde geliştirilmiş yöntemdir.

Veri asimilasyonu yöntemi, bilimin ve mühendisliğin “durum tahmini (state estimation)” gerektiren bir çok farklı alanında kullanılıyor olup çok uzun bir tarihçeye sahiptir. Bazı uygulama alanları şu şekilde sıralanabilir: gezegenlerin, uyduların yörünge tahmini, küresel değişimin izlenmesi, meteorolojik hava tahmini, uçakların zor hava şartlarında otomatik iniş yapması…

Aslında veri asimilasyonunu günlük hayatımızda içgüdüsel olarak kullandığımız bir teknik. Örneğin, otoyolda araba kullanıyorsunuz ve aracı siz kullanırken hapşırdınız. Gözlerinizin istemsiz olarak kapandığı süreçte önünüzdeki yol ve yakınınızdaki trafikle ilgili görüntüyü (ön bilgi) aklınızda tutuyorsunuz. Aynı zamanda zihniniz arabanın bu kısa süre zarfında nasıl davranacağını (matematiksel model) da biliyor.

Yine de bu veri sonuçlarına rağmen aracınızın yönünü çok ufak da olsa saptırma ihtimaliniz var. Böyle bir durumda gözünüzü açtığınız anda topladığınız verileri (gözlemleri) kullanarak aracınızı doğru yola tekrar yönlendiriyorsunuz. Saniyeler içinde tüm bu verileri ve modeli kullanarak yaptığınız analiz, hesaplama ve gerekli düzeltmeler “veri asimilasyonu” yönteminin çok temel bir uygulanış örneği. Veri asimilasyonu gözlemleri ve belli bir zaman içerisinde matematiksel modellerle üretilmiş tahminleri birleştirip bu bilgilerden gelişen sistemin durumunun en iyi tahminini bulmayı hedefler.

Bilgisayar ortamında kullanılan numerik model gerçek hayattaki fiziksel modelin bir yaklaşımıdır. Bu nedenle bilgisayarda yapılan simülasyonlar gerçek hayattaki fiziksel oluşumla birebir örtüşmez. Bu farklılıklardan kaynaklanan yörünge sapmaları gözlem verileri ile düzeltilir. Ayni araba örneğinde olduğu gibi gözünüzü açtığınızda topladığınız bilgiler sizin doğru yolda ilerlemenizi sağlar. Tüm bu bilgilerin “optimum” fiziksel bir bilgiye ulaşmak için kullanıldığından bahsettik. Peki optimum derken tam olarak neyi kastediyoruz?

Optimum Tahmin Ne Anlama Geliyor?

“Optimum” tahmin, numerik model tahminlerinin ve gözlemlerin ağırlıklı ortalaması alınarak sistem hakkında bilgi çıkarımıdır. Ağırlıklar ise ünlü matematikçi Gauss’un 18. yüzyılda belirttiği üzere verilerin hata payları ile ters orantılı bir şekilde hesaplanır. Örneğin, gözlemlerinizdeki hata daha fazlaysa yapacağınız tahmin daha çok numerik modelinizin tahminine yakın olacaktır. Bu durumda okyanus, atmosfer, kara ve buzullardan oluşan yer sistemleri milyarlarca model ve gözlem hata tahminlerinin belirlenmesini gerektirir.

İşte bu noktada temelde bu yöntemler oldukça basit olsa da verinin boyutları arttıkça tüm bu bilgilere ulaşmak ve onları zamanında  asimile edebilmek (örneğin ertesi günün hava tahmini bir aylık simülasyonların sonucu almak istemiyoruz)  oldukça zor bir problem haline gelir. Bu problemin çözümü ise ancak disiplinlerarası bir çalışma ile mümkün olabiliyor.

Veri asimilasyonu teknikleri sayesinde uydu verilerinden elde edilen bilgiler çok daha doğru bir şekilde kullanılabilir. Bu teknikler sayesinde 5 günlük hava tahminleri 1970lerde yapılan tahminlerin iki/üç katı daha iyi. Veri asimilasyonu teknikleri o kadar pahalı  bütçelerle gönderilen uydulardan alınan verilerin doğru bir şekilde işlenmesine matematiğin katkısının sadece bir örneği!!

Selime Gürol

Kaynak: Making the Most of Earth Observation with Data Assimilation; http://www.esa.int/

Matematiksel

Selime Gürol Senoner

Ankara Üniversitesi Matematik Bölümü’nden mezun olduktan sonra ODTU Uygulamalı Matematik Enstitüsü’nde yüksek lisans ve Fransa’da bulunan Institut National Polytechnique de Toulouse’da uygulamalı matematik alanında doktoramı yaptım. Doktora öncesi TUBITAK Uzay’da 4 yıl araştırmacı olarak çalıştım. Su anda ise matematikçi olarak Fransa’da bulunan CERFACS adındaki bir araştırma enstitüsünde çalışmaktayım. Eğitim sisteminden kaynaklı matematik denilince genelde aklımıza oldukça soyut olan ezberlenecek formüller gelir. Aslında matematiği hayata dair olan her şeyde görebiliriz. Sadece farklı gözlüklere ihtiyacımız var. Bu web sitesinde de bu gözlükleri sizlere sağlayabilmek, matematiğe olan merakı arttırmak ve en önemlisi araştırmacı ruhunu açığa çıkarabilmek dileğiyle...

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu