Geri Dön

Assessment of the land and sea interaction by using different types of satellite data

Farklı özellikteki uydu verileri ile kara-deniz etkileşiminin belirlenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 876309
  2. Yazar: AYLİN TUZCU KOKAL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NEBİYE MUSAOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Jeodezi ve Fotogrametri, Geodesy and Photogrammetry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Seas are crucial for regulating climate conditions and supporting biodiversity, thereby sustaining environment, which is essential for life. Earth observation satellite images provide rich data sources, enabling long-term monitoring in a cost-effective and time-efficient manner. The Sea of Marmara (Türkiye), a semi-enclosed basin, stands out with its unique hydrodynamic and biogeochemical characteristics, having a significant role in the marine ecosystem. As the Sea of Marmara in Türkiye is surrounded by the densely populated provinces, the sea's water quality has increasingly become significant for both scientific scientific and public communities over the years. In the Sea of Marmara, marine mucilage, a viscous organic substance, has been observed in 2021. The presence of thick, different colored mucilage blankets raised public concern due to their potential toxicity and the pathogens, which can accumulate with prolonged mucilage presence. The outbreak of marine mucilage significantly impacted the marine ecosystem. Consequently, the presence of marine mucilage is a one of the indicators of water quality. While remote sensing data was used to identify mucilage-covered areas in the Sea of Marmara in other case studies previously, there is lack of study about determining the areal extents and spectral characteristics of the different colored mucilage types while examining the probable reasons by using remote sensing data and technologies. This study focuses on the mucilage phenomenon and its possible causes, such as increases in Sea Surface Temperature (SST) and changes in Land Use / Land Cover (LU/LC) in coastal cities along the sea. It aims to achieve three main objectives: (1) identifying different types of mucilage, (2) detecting SST trend and anomalies, and (3) observing changes in LU/LC by using different types of satellite data. Mucilage, which varies in type and form, includes three different types detected in İzmit Bay (the Sea of Marmara) using Sentinel-2 and Worldview-3 satellite images. These mucilage types are white mucilage, yellow mucilage, and brown mucilage. White mucilage, characterized by smaller aggregates and a high reflectance spectrum, especially between 600-900 nm, represents dispersed patterns. Yellow mucilage results from aged aggregates, influenced by wind and currents, representing accumulated mucilage. Brown mucilage, distinguished by a high organic matter concentration, represents densely accumulated ageing mucilage. The study leveraged the high spatial resolution of these satellites to analyze the areal extents and characteristics of these mucilage types, with Sentinel-2 providing an overview and Worldview-3 offering detailed information. Spectral analysis using GLCM method and the SVM classification method differentiated these types, revealing that yellow mucilage often surrounds white mucilage, showing dispersed patterns, while brown mucilage, mostly found along coastlines, is more accurately detected with Worldview-3 due to its higher spatial resolution. The ANOVA analysis revealed significant differences (P-value <0.05) among these three mucilage types. The accuracy assessment analysis of the classifications showed the detailed detection capabilities of the high-resolution Worldview-3 (Overall accuracy = 0.93) compared to Sentinel-2 (Overall accuracy = 0.86) for distinguishing mucilage distributions. Continuously monitoring SST and detecting anomalies play a critical role in assessing the water quality of the sea. One probable cause of the mucilage phenomenon is related to the increase in SST. Therefore, investigation of temporal and spatial variations in SST and detection of SST anomalies were conducted. The spatial variations of the Sea of Marmara's SST were examined in detail using Sentinel-3 and Landsat-8 satellite imagery. Sentinel-3's ability to capture the entire area in a single frame provides a significant advantage for recent year monitoring. Validation with Landsat-8 images provided consistent results, highlighting the detection of cold water influx from the Black Sea through the Istanbul Strait. However, the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) OISST V2 satellite's coarser resolution limited its effectiveness in distinguishing these spatial SST variations. To assess accuracy, SSTs derived from satellite data were compared against in-situ measurements, which were that were derived from Turkish State Meteorological Service, with RMSE and bias calculated for each dataset, confirming the suitability of all three satellite sources for SST monitoring in the Sea of Marmara. Additionally, a time-series analysis from 1990 to 2021, utilizing the NOAA CDR OISST v02r01 dataset on the GEE platform and applying the STL method, detected SST trend and anomalies, including an increase in SSTs, particularly in 2020, and approximately 2°C variations over 32 years. Anomalies, especially in recent years, were compared with the NOAA OISST V2 anomaly band, highlighting the critical role of STL method in eliminating trend effect from the residual component. Due to the dynamism of the highly urbanized coastal cities along the Sea of Marmara, especially the LU/LC changes between 2018 and 2021 are of great significance. This study evaluates the extent of LU/LC changes in coastal cities along the sea in the periods of 1990-2000, 2000-2006, 2006-2012, 2012-2018, 2018-2021 by using Coordination of Information on the Environment (CORINE) data and the overall inspection period of 1990-2021 by utilizing CORINE-based methodology and Sentinel-2 images. An increase of 95.21% is observed in the artificial surfaces. Water covered areas expanded by 14%, primarily driven by the construction of new surface water collection systems. Agricultural areas and orchards were successfully conserved. There has been a prominent increase of 4% in forest areas. However, there was a decline of 25% in open spaces, and 7% decrease in pastures and complex cultivation patterns. Furthermore, the findings provide a clear evidence of a 1762 ha expansion in the aforementioned cities' area between 1990 and 2021 was due to the construction of land reclamation areas along the Sea of Marmara coast. This research study highlights a practical methodology for monitoring land resources across extensive regions over a prolonged period. In conclusion, this dissertation provides a practical methodology for detecting, monitoring, and paying special attention to the areas that need more urgent mucilage cleaning. Furthermore, the factors that can cause the mucilage phenomenon were researched. A comprehensive SST analysis showed that there is an increasing SST trend between 1990 – 2021. Besides, the temporal LU/LC change in the coastal cities along the sea was also examined in the scope of the land/sea interaction and the increase in artificial surfaces was seen. In this study, the capabilities of different types of satellite data were leveraged to monitor the land and sea interaction, demonstrating its indispensable role of remote sensing data in providing accurate data for environmental sustainability.

Özet (Çeviri)

Denizler, iklim koşullarının düzenlenmesi, biyolojik çeşitliliğin desteklenmesi ve dolayısıyla yaşam için gerekli olan çevrenin sürdürülebilirliği açısından hayati öneme sahiptir. Yer gözlem uydu görüntüleri, zengin veri kaynakları sağlayarak, zaman ve maaliyet etkin uzun süreli izleme olanağı sağlamaktadırlar. Yarı kapalı bir havza olan Marmara Denizi, benzersiz hidrodinamik ve biyojeokimyasal özellikleriyle öne çıkmakta ve deniz ekosisteminde önemli bir role sahip olmaktadır. Marmara Denizi'nin etrafındaki şehirlerde nüfus yoğunluğu yüksek olduğu için denizdeki su kalitesinin önemi hem bilim camiası hem de kamu için yıllar geçtikçe giderek artmaktadır. Marmara Denizi'nde 2021 yılında viskoz bir organik madde olan deniz müsilajı gözlemlenmiştir. Müsilajın potasiyel zehir etkisi ve uzun süreli müsilaj varlığı sonucu birikebilen patojenler nedeniyle kalın, farklı renkli müsilaj türlerinin varlığı kamuoyunda endişe yarattı. Deniz müsilajının ortaya çıkması deniz ekosistemini önemli ölçüde etkilemiştir. Sonuç olarak, deniz müsilajının varlığı su kalitesinin göstergelerinden biridir. Literatürdeki çalışmalar incelendiğinde, Marmara Denizi'ndeki müsilaj ile kaplı alanların uzaktan algılama verileri kullanılarak tespit edildiği örnek çalışmalar mevcut olmasına rağmen, Marmara Denizi'nde kara-deniz etkileşimlerini bütüncül bir yaklaşımla değerlendirmeye odaklanan çalışmaların eksikliği görülmektedir. Özellikle de Marmara Denizi'nde yakın zamanda gözlemlenen müsilaj olgusu göz önüne alındığında müsilajın spektral karakteristiğinin, müsilaj oluşumunun olası sebeplerinin ve kara-deniz etkileşimlerinin uzaktan algılama veri ve teknolojileri kullanılarak değerlendirilmesi gerektiği görülmektedir. Müsilaj oluşumunun olası nedenlerinin belirlenmesi etkili önlemlerin alınması açısından gereklidir. Müsilaj oluşumuna olası katkıda bulunan parameterler arasında su yüzey sıcaklığındaki uzun dönemli artış ve zamansal arazi örtüsü / arazi kullanımı (AÖ / AK) değişimleri yer almaktadır. Su yüzey sıcaklığındaki artış ve zamansal AÖ / AK değişimleri bölgenin ekolojik dengesinin müsilaj oluşumunu kolaylaştıracak şekilde değiştirmektedir. Belirtilen olası sebeplerin kapsamlı bir yaklaşımla belirlenebilmesi için çeşitli uydu görüntülerinin avantajlarından faydalanmak gereklidir. Denizdeki müsilaj olgusunu incelemek için farklı renklerde bulunan müsilajın detaylı spektral analizini ve müsilajın oluşumuna sebep olan çevresel değişimlerin irdelenmesini içeren entegre bir araştırma yöntemi gereklidir. Bu çalışmanın farklı çeşitte uydu verileri kullanarak (1) farklı müsilaj türlerinin belirlenmesi, (2) deniz suyu sıcaklığındaki eğilimin ve anomalilerin belirlenmesi, (3) AÖ / AK değişimlerin belirlenmesi olmak üzere üç ana hedefi vardır. İlk amaç kapsamında, Marmara Denizi'nin İzmit Körfezi'nde bulunan farklı renkteki müsilaj türlerininin spektral analizi ve alansal büyüklüklerinin tespiti orta mekansal çözünürlüğe sahip Sentinel-2 ve yüksek mekansal çözünürlüğe sahip Worldview-3 uydu görüntüleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. İzmit Körfezi'nde tür ve şekil bakımından farklılık gösteren üç farklı tür müsilaj bulunmaktadır. Bu müsilaj türleri beyaz, sarı ve kahverengi müsilajdır. Beyaz müsilaj, küçük topluluklar halinde ve özellikle 600-900 nm arasında yüksek yansıma gösteren dağınık desenler şeklinde görülmektedir. Müsilaj topluluklarının yaşlanması sonucu oluşan sarı müsilaj ise rüzgar ve akıntılardan etkilenmektedir. Yüksek organik madde konsantrasyonuyla ayırt edilen kahverengi müsilaj, yoğun bir şekilde birikmiş yaşlanan müsilajı temsil eder. Çalışma, bu müsilaj türlerinin alansal kapsamlarını ve özelliklerini analiz etmek için bu uyduların yüksek mekansal çözünürlüğü özelliğinden yararlanmıştır. Belirtilen uydu görüntüleri kullanılarak farklı müsilaj türlerine ait spektral yansıtım eğrileri üretilmiştir. Müsilaj türlerine ait spektral yansıtımlardaki farklılığı incelemek için iki yönlü varyans analizi uygulanmıştır. Varyans analizi ile belirtilen üç müsilaj türü arasında anlamlı farklılıklar (P değeri <0.05) olduğu görülmüştür. Farklı türdeki müsilajla kaplı alanların farklı dokusal yapıya sahip olduğu görülmüştür. Bu sebeple öncelikle Sentinel-2 ve Worldview-3 uydu görüntülerine çoklu çözünürlük segmentasyonu uygulanmıştır. Segmentasyon işleminden sonra Gri Seviye Eş Oluşum Matrisi (GLCM) yöntemi uygulanarak kontrast, farklılık ve açısal ikinci moment olmak üzere üç tür dokusal öznitelikler belirlenmiştir. Farklı müsilaj türlerine ait alanların belirlenmesi amacıyla uydu görüntülerine obje tabanlı sınıflandırma uygulanmış ve girdi olarak spektral ve dokusal öznitelikler tanımlanmıştır. Kontrollü bir makine öğrenmesi yöntemi olan Destek Vektör Makineleri (SVM) sınıflandırma yöntemi ve radyal tabanlı linear olmayan çekirdek fonksiyonu kullanılarak belirtilen müsilaj türleri ayırt edilmiştir. Worldview-3 uydu görüntüsünün mekansal çözünürlüğü Sentinel-2 uydu görüntünün mekansal çözünürlüğünden daha yüksek olduğu için, Sentinel-2 uydu görüntüsü kullanılarak genel bir bilgi elde edilmişken Worldview-3 uydu görüntüsü kullanılarak ayrıntılı bilgi elde edilmiştir. Sentinel-2 uydu görüntüsünün mekansal çözünürlüğü beyaz ve sarı müsilaj olmak üzere sadece iki tür müsilajın tespitini yapabilirken, Worldview-3 uydu görüntüsünün çözünürlüğü beyaz, sarı ve kahverengi olmak üzere üç farklı müsilaj türünün tespitini yapabilme kapasitesine sahiptir. Analiz sonuçlarında, sarı müsilajın genellikle dağınık halde bulunan beyaz müsilajı çevrelediği ve kahverengi müsilajın ise çoğunlukla kıyı şeridinde bulunduğu görülmüştür ve kahverengi müsilaj yüksek mekansal çözünürlüğe sahip Worldview-3 uydu görünütüsü kullanılarak doğruluğu yüksek bir şekilde tespit edilmiştir. Doğruluk analizi sonuçları incenlendiğine yüksek mekansal çözünürlüklü Worldview-3 (Genel doğruluk = 0.93) uydu görüntüsünün Sentinel-2 (Genel doğruluk = 0.86) uydu görüntüsüyle karşılaştırıldığında müsilaj türlerini ayrıntılı ayırt etme yeteneğinin daha yüksek olduğu görülmüştür. İkinci amaç kapsamında, Marmara Denizi'nin yüzey sıcaklığı zamansal ve mekansal olarak farklı çeşitte uydu verileri kullanılarak incelenmiştir. Deniz yüzeyi sıcaklığının sürekli izlenmesi ve anomalilerin tespit edilmesi, denizin su kalitesinin değerlendirilmesinde kritik bir rol oynamaktadır. Müsilaj fenomeninin olası bir nedeni deniz yüzeyi sıcaklığında artışla ilgilidir. Bundan dolayı, çalışma kapsamında Marmara Denizi'nin deniz yüzeyi sıcaklığındaki zamansal ve mekansal değişiklikler ve deniz yüzeyi sıcaklığındaki anomaliler incelenmiştir. Bu kapsamda, Sentinel-3 Sea and Land Surface Temperature Radiometer (SLSTR), Landsat-8 ve National Oceanic and Atmospheric Administration Optimum Interpolation 1/4° Daily SST Version 2 (NOAA OISST V2) olmak üzere üç farklı uydu verisi kullanılmıştır. Marmara Denizi'ndeki yüzey sıcaklığının mekansal değişimi Sentinel-3 ve Landsat-8 uydu görüntüleri kullanılarak detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu amaç doğrultusunda 2018 – 2021 yılları arasında algılanan Sentinel-3 ve Landsat-8 uydu görüntüleri kullanılmıştır. Sentinel-3 uydu verisi sahip olduğu 1 km mekansal çözünürlük ile tüm denizi tek bir çerçeve ile görüntüleyebilmesi özelliği son yıllara ait gözlem yapılabilmesi için önemli bir avantajdır. Sentinel-3 uydu verisi 2016 yılının mayıs ayından itibaren veri sağladığı için Sentinel-3 uydu verisiyle uzun dönemli zaman analizi yapmak mümkün olmamaktadır. Landsat-8 uydu görüntüsü termal bantlara sahip ve 100 m mekansal çözünürlüğe sahip olmakla birlikte sahip olduğu çerçeve genişliği sebebiyle Marmara Denizi'nin tamamını tek bir görüntü ile izlemek mümkün değildir. Aynı tarihlerde algılanan dokuz adet bulutsuz Sentinel-3 ve Landsat-8 uydu görüntüsü kullanılarak deniz yüzeyi sıcaklığı haritaları üretilmiş ve sonuçlar karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Üretilen haritalarda, Karadeniz'den İstanbul Boğazı'na soğuk su girişi gözlemlenerek tutarlı sonuçlar sağlanmıştır. Ek olarak, NOAA OISST V2 verisi kullanılarak deniz yüzeyi sıcaklığı haritaları üretilmiştir fakat NOAA OISST V2 verisinin sahip olduğu düşük mekansal çözünürlük sebebiyle belirtilen mekansal değişimler ayırt edilememiştir. Üretilen haritaların doğruluk analizinin yapılması amacıyla uydu görüntülerinden elde edilen deniz yüzeyi sıcaklıkları Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nden temin edilen yersel ölçmeler ile karşılaştırılarak karesel ortalama hatası (RMSE) ve yanlılık (bias) metrikleri hesaplanmıştır. Doğruluk analizi sonuçları incelendiğinde NOAA OISST V2 (RMSE = 1.2°C, yanlılık = 0.3°C), Sentinel-3 (RMSE = 1.19°C, yanlılık = -0.25°C) ve Landsat-8 (RMSE = 1.68°C, yanlılık = 0.89°C) setinin de Marmara Denizi'nin su yüzey sıcaklığının izlenmesi için uygun veri kaynakları olduğu görülmüştür. Ek olarak, Google Earth Engine (GEE) platformu ve NOAA CDR OISST v02r01 veri seti kullanılarak 1990 – 2021 yılları arasında su yüzey sıcaklığına ait zaman serisi oluşturulmuştur. Oluşturulan zaman serisi verisine Seasonal-Trend decomposition using LOESS (STL) yöntemi uygulanarak deniz yüzeyi sıcaklığı eğilimi ve anomalileri tespit edilmiştir. Deniz yüzeyi sıcaklığında özellikle de 2020 yılında artış görülmüştür. 32 yıllık zaman serindeki su yüzey sıcaklıkları incelendiğinde 2°C değişim gözlemlenmiştir. Marmara Denizi'nin etrafındaki kentleşmenin yoğun olduğu kıyı şehirlerinin dinamizmi nedeniyle, özellikle 2018-2021 yılları arasındaki AÖ/AK değişimleri büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, CORINE verileri ve Sentinel-2 görüntülerini kullanılarak 1990-2000, 2000-2006, 2006-2012, 2012-2018, 2018-2021 dönemlerinde ve CORINE tabanlı metodoloji ve Sentinel-2 kullanılarak 1990-2021 yılları arasındaki deniz kıyısındaki şehirlerin AÖ/AK değişiklikleri tespit edilmiştir. Yapay yüzeylerde %95.21 oranında artış gözlemlenmiştir. Suyla kaplı alanların, özellikle yeni yüzey suyu toplama sistemlerinin inşası sayesinde %14 oranında arttığı gözlemlenmiştir. Tarım alanları ve meyve bahçeleri sınıfı alanlarının korunduğu gözlemlenmiştir. Orman sınıflarında %4 oranında artış görülmüştür. Açık alanlar sınıfında ve mera ve karışık tarımsal alanlar sınıfında sırasıyla %25 ve %7 düşüş gözlemlenmiştir. Bunun yanısıra, Marmara Denizi kıyısı boyunca dolgu alanlarının inşa edilmesinden kaynaklı olarak 1990 ve 2021 yılları arasında belirtilen kıyı şehirlerin alanında 1762 ha genişleme tespit edilmiştir. Bu çalışmada, geniş bölgelerdeki arazi kaynaklarının uzun bir süre boyunca izlenmesine yönelik bir metodoloji uygulanmıştır. Sonuç olarak, bu tezde acil müsilaj temizliğine ihtiyaç duyan alanların tespit edilmesi, izlenmesi ve özel dikkat gösterilmesine yönelik bir metodoloji önerilmiştir. Müsilaja neden olan faktörler araştırılmıştır. Yapılan kapsamlı deniz yüzeyi sıcaklığı analizi soncunda 1990-2021 yılları arasında sıcaklığın artış eğiliminde olduğu ortaya çıkmıştır. Ayrıca, kara/deniz etkileşiminin tespiti kapsamında kıyı şehirlerindeki zamansal AÖ/AK değişiklikleri incelenmiş ve yapay yüzeylerde artış olduğu görülmüştür. Bu tezde, farklı özellikteki uydu verilerinin avantajlarından yararlanılarak kara/deniz etkileşimi incelenmiştir. Çalışmada uzaktan algılama verilerinin yüksek doğruluğa sahip veri sağlaması sebebiyle çevresel sürdürülebilirlik için vazgeçilmez olduğu vurgulanmaktadır.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    75551

    Sayısal arazi modeli ve batimetrik verilerin kıyı bilgi sistemine entegrasyonu

    Başlık çevirisi yok

    CİHANGİR AYDÖNER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uzaktan Algılama Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DERYA MAKTAV

  2. Tez No

    166663

    Deprem sonrasında uydu verileri ve yersel veri entegrasyonu ile arazi örtüsü/arazi kullanımı analizi

    Land cover/land use analysis after an earthquake through integration of satellite and ground data

    CİHANGİR AYDÖNER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2005

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. DERYA MAKTAV

  3. Tez No

    467092

    Orman köyleri ve orman sanayi ilişkisi: 2007 – 2013 yılları bölgesel ekonomik performans ölçümü

    Relationship of forest villages and forest industry: Measurement of regional economic performance years between 2007 to 2013

    SIDIKA ÖZGE KOCATÜRK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Şehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİYE AHU AKGÜN

  4. Tez No

    495275

    Yapay sinir ağları ve rastgele orman yöntemleri ile LANDSAT 8 görüntülerinden otomatik kıyı çizgisi çıkartılması

    Automatic shoreline extraction from LANDSAT 8 imageries with artificial neural networks and random forest methods

    ABDULKADİR İNCE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Jeodezi ve FotogrametriYıldız Teknik Üniversitesi

    Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BÜLENT BAYRAM

  5. Tez No

    538966

    Sosyal bilgiler dersi öğretim programları ve ders kitaplarında çok kültürlülük: 1998 – 2017 sosyal bilgiler ders kitaplarının karşılaştırılması

    Multiculturalism in social studies courses and curriculum: A comparison of social studies books 1998 –2017

    CİHAN TAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Eğitim ve ÖğretimSakarya Üniversitesi

    Sosyal Bilimler ve Türkçe Eğitimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YUSUF KESKİN

  6. Tez No

    803863

    Present and future humid heat extremes and population exposure in Türkiye

    Türkiye'de mevcut dönem ve gelecekteki nemli aşırı sıcaklıklar ve nüfus maruziyeti

    BERKAY DÖNMEZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Meteorolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YURDANUR ÜNAL

Geri Dön