ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DOKTORA TEZİ Mehmet ŞAHİN YER YÜZEY SICAKLIĞI, ATMOSFERİK NEM AÇIKLIĞI VE YAĞIŞ MİKTARININ UYDU VERİLERİ KULLANILARAK BELİRLENMESİ FİZİK ANABİLİM DALI ADANA, 2008

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YER YÜZEY SICAKLIĞI, ATMOSFERİK NEM AÇIKLIĞI VE YAĞIŞ MİKTARININ UYDU VERİLERİ KULLANILARAK BELİRLENMESİ Mehmet ŞAHİN DOKTORA TEZİ FİZİK ANABİLİMDALI Bu tez./ /2008 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu İle Kabul Edilmiştir. İmza İmza... İmza..... Yrd.Doç.Dr.H.Mustafa KANDIRMAZ Prof.Dr.Vedat PEŞTEMALCI Prof.Dr.Fikret ANLI DANIŞMAN ÜYE ÜYE İmza Yrd.Doç.Dr.Veysel POLAT ÜYE İmza..... Yrd.Doç.Dr. Ozan ŞENKAL ÜYE Bu tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr.Aziz ERTUNÇ Enstitü Müdürü İmza ve Mühür Bu Çalışma Ç.Ü. Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: FEF-2005D5 Not:Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

3 ÖZ DOKTORA TEZİ YER YÜZEY SICAKLIĞI, ATMOSFERİK NEM AÇIKLIĞI VE YAĞIŞ MİKTARININ UYDU VERİLERİ KULLANILARAK BELİRLENMESİ Mehmet ŞAHİN ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI Danışman:Yrd.Doç.Dr.H. Mustafa KANDIRMAZ Yıl:2008, Sayfa: 153 Jüri:Yrd.Doç.Dr.H. Mustafa KANDIRMAZ Prof.Dr. Vedat PEŞTEMALCI Prof.Dr. Fikret ANLI Yrd. Doç. Dr. Veysel POLAT Yrd. Doç.Dr. Ozan ŞENKAL Bu çalışmada, 2002 yılına ait NOAA 12, NOAA 14 ve NOAA 15 uydularının AVHRR verileri kullanılarak Türkiye için yer yüzey sıcaklığı, atmosferik nem açıklığı ve yağış miktarı aylık ortalama olarak hesaplanmış ve haritaları oluşturulmuştur. İlk olarak, yayınırlığa bağlı hesaplamalar yapan altı farklı Split- Window Algoritması [Price(1984), Becker ve Li(1990), Prata ve Platt(1991), Vidal(1991), Ulivieri ve arkadaşları(1992), Sobrino ve arkadaşları(1994)] kullanılarak Türkiye nin yer yüzey sıcaklık değerleri aylık ortalama olarak hesaplanmıştır. Daha sonra en iyi algoritmadan faydalanılarak, aylık ortalama atmosferik nem açıklığı değerleri tüm Türkiye için elde edilmiştir. Son olarak Normalize Edilmiş Bitki İndeksi(NDVI) yardımıyla yüzeye düşen aylık yağış miktarı, Nisan ayı için hesaplanmıştır. Yer yüzey sıcaklığı, atmosferik nem açıklığı ve yağış miktarı için elde edilen sonuçlar yer ölçümleri ile kıyaslanmıştır. RMSE değerleri ve korelasyon katsayıları sırasıyla yer yüzey sıcaklığı için o K ve r=0.978, atmosferik nem açıklığı için mb ve r=0.982, yağış miktarı için mm ve r=0.819 dur. Bu sonuçlar, NOAA uydu görüntüleri kullanılarak geniş alanlara ait yer yüzey sıcaklığı, atmosferik nem açıklığı ve yağış miktarı haritalarının düşük hata oranları ile oluşturabilmenin mümkün olduğunu göstermektedir. Anahtar Kelimeler: Yer Yüzey Sıcaklığı, Split-Window Algoritmaları, Yayınırlık, Atmosferik Nem Açıklığı, Yağış Miktarı I

4 ABSTRACT PhD. THESIS ESTIMATION OF LAND SURFACE TEMPERATURE, ATMOSPHERIC MOISTURE DEFICIT AND RAINFALL WITH USING SATELLITE DATA Mehmet ŞAHİN DEPARMANT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF ÇUKUROVA Supervısor:Yrd.Doç.Dr.H. Mustafa KANDIRMAZ Year:2008, Pages:153 Jury:Yrd.Doç.Dr.H. Mustafa KANDIRMAZ Prof.Dr. Vedat PEŞTEMALCI Prof.Dr. Fikret ANLI Yrd. Doç. Dr. Veysel POLAT Yrd. Doç.Dr. Ozan ŞENKAL In this study, land surface temperature, atmospheric moisture deficit and rainfall were calculated as monthly average and maps were drawn by using AVHRR data of NOAA-12, NOAA-14 and NOAA-15 satellites for First of all, Turkey s land surface temperature values were calculated with monthly average by using six different Split Window Algorithms which do calculations related to emissivity [Price (1984), Becker and Li (1990), Prata and Platt (1991), Vidal (1991), Ulivieri et al. (1992), Sobrino et al. (1994)]. Then, monthly average atmospheric moisture deficit values were obtained for whole Turkey by using the best algorithm. Finally, monthly dropped average rainfall per surface was calculated for April via Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). The results of land surface temperature, atmospheric moisture deficit and rainfall were compared with the ground measurements. RMSE values and correlation coefficients were o K and r=0.978 for land surface temperature, mb and r=0.982 for atmospheric moisture deficit, mm and r=0.819 for rainfall respectively. All these results show it is possible that land surface temperature, atmospheric moisture deficit and rainfall maps belonging wide areas can be obtained with the low error rates by using NOAA satellite images. Key Words: Land Surface Temperature, Split-Window Algorithms, Emissivity, Atmospheric Moisture Deficit, Rainfall II

5 TEŞEKKÜR Öncelikle olarak çalışmamın her aşamasında ve tamamlanmasında hiçbir desteğini esirgemeyen danışmanım, Yrd.Doç.Dr.H. Mustafa KANDIRMAZ a ve hocam Prof.Dr. Vedat PEŞTEMALCI ya sonsuz saygı ve teşekkürlerimi sunarım. Uydu verilerini temininde her türlü kolaylığı sağlayan ODTÜ Tübitak-Bilten Kurumu çalışanlarına ve meteorolojik verilerin elde edilmesinde yardımcı olan Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü çalışanlarına, yaptıkları yardımlardan dolayı teşekkür ederim. Tez çalışmaları sırasında her türlü yardımı esirgemeyen araştırma görevlisi Bekir Yiğit YIDIZ a ve değerli öneri ve yardımları için doktora öğrencisi Nazım AKSAKER e sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Çalışma süresi boyunca beni her konuda destekleyen, maddi ve manevi olarak yardımlarını esirgemeyen ailem ve sevgili eşim Gülay ŞAHİN e şükranlarımı sunarım. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ... I ABSTRACT... II TEŞEKKÜR... III İÇİNDEKİLER..... IV ÇİZELGELER DİZİNİ... VII ŞEKİLLER DİZİNİ... VIII SİMGELER VE KISALTMALAR... XI 1. GİRİŞ ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Yer Yüzey Sıcaklığının Hesaplanmasıyla İlgili Çalışmalar Atmosferik Nem Açıklığının Hesaplanmasıyla İlgili Çalışmalar Yağış Miktarının Hesaplanmasıyla İlgili Çalışmalar MATERYAL ve METOD Materyal Metod Uzaktan Algılamanın Gelişimi ve Uydular Uzaktan Algılamanın Temelleri Radyasyon Kaynağı (1).Güneşin Yapısı (2).Elektromanyetik Radyasyon Atmosferik Geçiş Koridoru (1).Rayleigh Saçılması (2).Mie Saçılması (3). Seçici Olmayan Saçılma (4).Işık Işınlarının Atmosferdeki Gazlar Tarafından Soğurulması Hedef ve Yeryüzü Objeleri (1).Kara Cisim Işıması (2). Kara Cisim Standartları IV

7 Algılayıcı Platformlar (1).Yer Gözlem Platformları (1).(a).Laboratuvar Çalışmaları (1).(b).Alan Ölçümleri (2).Hava Gözlem Platformları (2).(a).Kameralar ve Filmler (2).(b)Mikrodalga Tarayıcılar (2).(c).Radar Sistemleri (2).(d).Çok Bandlı Tarayıcı Sistemler (3).Uzay Gözlem Platformları (3).(a).Sabit Yörüngeli Uydular (3).(b).Kutupsal Yörüngeli Uydular METEOSAT Uyduları Serisi NOAA Uyduları Serisi AVHRR Algılayıcısının Görünür Kanallarının Kalibrasyonu AVHRR Algılayıcısının Termal Kanallarının Kalibrasyonu Normalize Edilmiş Bitki İndeksinin(NDVI) Hesaplanması Yüzey Yayınırlığının Hesaplanması Yer Yüzey Sıcaklığının Hesaplanması Atmosferik Nem Açıklığının Hesaplanması Atmosferik Nem Açıklığının Yer Verileriyle Hesaplanması Atmosferik Nem Açıklığının Uydu Verileriyle Hesaplanması Yağış Miktarının Hesaplanması Sayısal Görüntü ve İşleme Yöntemleri Sayısal Görüntü (1).Geometrik Çözünürlük (2).Radyometrik Çözünürlük V

8 (3). Spektral Çözünürlük (4).Zamansal Çözünürlük Görüntü İşleme Yöntemleri (1).Geometrik Düzeltme (2).Radyometrik Düzeltme (3).Görüntü Zenginleştirme (4).Yoğunluk Kesimi(Density Slicing)) (5).Doğrusal Kontrast Artırma (6).Aritmetik İşlemler (7).Renk Zenginleştirme Uydu Verilerini Değerlendirme Çalışmaları BULGULAR ve TARTIŞMALAR Yer Yüzey Sıcaklığı Bulguları Atmosferik Nem Açıklığı Bulguları Yağış Miktarı Bulguları SONUÇ ve ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMIŞ VI

9 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 3.1. Elektromanyetik spektrumun dalgaboyu, frekans ve enerjileri Çizelge 3.2. AVHRR algılayıcısının spektral karakteristikleri Çizelge 3.3. AVHRR algılayıcısının 1.ve 2. kanalı için eğim ve durdurma katsayıları Çizelge 3.4. NOAA/AVHRR algılayıcılarının 1.ve 2. kanalı için W ve F değeri. 79 Çizelge 3.5. NOAA-12/AVHRR algılayıcısının termal kanallarının merkezi dalgaboyu 81 Çizelge3.6. NOAA-14/AVHRR algılayıcısının termal kanallarının merkezi dalgaboyu. 81 Çizelge 3.7. NOAA-14/AVHRR algılayıcısının 4. ve 5. bantları için radyans düzeltme katsayıları. 81 Çizelge 3.8. NOAA-15 AVHRR uydusu için sıcaklık düzeltme ve merkezi dalgaboyu katsayıları Çizelge 3.9. Bazı maddelerin yayınırlık değeri. 87 Çizelge 4.1. Split-Window algoritmalarından ve yer verilerinden elde edilen yer yüzey sıcaklığının aylık ortalama değerleri. 116 Çizelge 4.2. Split-Window algoritmalarının korelasyon katsayıları Çizelge 4.3. Split-Window algoritmalarının RMSE değerleri Çizelge 4.4. VPD nin aylık ortalama bazda yer ve uydu değerleri 127 Çizelge.4.5. NDVI ile yağış miktarı ilişkisi Çizelge 4.6. Uydu verileri ile elde edilen yağış miktarının yer değerleri ile karşılaştırılması VII

10 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 3.1. Eski bir Nilometre Şekil 3.2. İlk fotoğraf Şekil 3.3. Gaspard F. Tournachon un resmi 24 Şekil 3.4. Boston Şehri Şekil depreminden sonra San Francisco 26 Şekil 3.6. Uçaktan çekilen ilk hava fotoğrafı Şekil Temmuz 1916 tarihinde 610m yükseklikten çekilmiş bir hava fotoğrafı Şekil 3.8. Güneşin yapısı Şekil 3.9. Elektromanyetik dalgalar Şekil Elektromanyetik spektrum diyagramı Şekil Samanyolu galaksisindeki karbonmonoksit (CO) gazının görüntüsü Şekil Galaksimizin infrared haritası.. 44 Şekil Dünyanın ultraviyole ışınlarıyla görüntüsü Şekil Güneşin X-ışınlarıyla alınan görüntüsü Şekil Güneş ışınımının dağılımı ve atmosferde soğrulması Şekil Atmosferin dalgaboyuna göre geçirgenliği Şekil Kara cisim modeli Şekil Kara cisim ışımasının sıcaklığa göre tayfsal dağılımı Şekil Kara cisimden yayınan enerjinin dalgaboyuna karşılık grafiği Şekil Uzaktan algılama platformları Şekil Spektrofotometre şeması Şekil Spektroradyometre şeması Şekil Radarın çalışma prensibi Şekil Meteosat uydusu Şekil NOAA-18 uydusu. 68 Şekil NOAA uydusu ve üzerinde yer alan algılayıcı sistemler.. 69 VIII

11 Şekil NOAA-12 AVHRR 1. kanal spektral duyarlılık eğrisi. 75 Şekil NOAA-12 AVHRR 2. kanal spektral duyarlılık eğrisi. 76 Şekil NOAA-14 AVHRR 1. kanal spektral duyarlılık eğrisi. 76 Şekil NOAA-14 AVHRR 2. kanal spektral duyarlılık eğrisi Şekil NOAA-15 AVHRR 1. kanal spektral duyarlılık eğrisi Şekil NOAA-15 AVHRR 2. kanal spektral duyarlılık eğrisi. 78 Şekil Yayınırlık ile NDVI değerleri arasındaki bağıntı Şekil a) En yakın komşuluk, b) bilineer enterpolason, c) kübik eğri Şekil a)orjinal görüntü, b) radyometrik düzeltme uygulanmış görüntü Şekil 4.1. Yer yüzey sıcaklığı hesaplama yönteminin akış şeması 105 Şekil 4.2. Şekil 4.3. a)noaa-12/avhrr verisinin 4.kanalı için parlaklık sıcaklığı haritası b)harita histogramı. 107 a)noaa-12/avhrr verisinin 5.kanalı için parlaklık sıcaklığı haritası b)harita histogram. 108 Şekil 4.4. a) T Pr ice 1984 algoritması için yer yüzeyi sıcaklık haritası b)harita histogramı Şekil 4.5. a) T Becker Li 1990 algoritması için yer yüzeyi sıcaklık haritası b)harita histogramı Şekil 4.6. a) T Pr ata Platt 1991 algoritması için yer yüzeyi sıcaklık haritası Şekil 4.7. a) TVidal 1991 b)harita histogramı algoritması için yer yüzeyi sıcaklık haritası b)harita histogramı 113 Şekil 4.8. a) TUlivieri ark 1992 algoritması için yer yüzeyi sıcaklık haritası b)harita histogramı Şekil 4.9. a) TSobrino ark 1994 algoritması için yer yüzeyi sıcaklık haritası b)harita histogramı 115 Şekil Yer verileri ve algoritmik metotlarla elde edilen yer yüzey sıcaklığı değerlerinin aylık ortalama bazda değişimi 117 Şekil Yer değeri ile Price(1984) algoritması arasındaki ilişki 118 IX

12 Şekil Yer değeri ile Becker ve Li(1990) algoritması arasındaki ilişki Şekil Yer değeri ile Vidal(1991) algoritması arasındaki ilişki Şekil Yer değeri ile Prata ve Platt(1991) algoritması arasındaki ilişki Şekil Yer değeri ile Ulivieri ve arkadaşlarının(1992) geliştirdiği algoritma arasındaki ilişki. 119 Şekil Yer değeri ile Sobrino ve arkadaşlarının(1994) geliştirdiği algoritma arasındaki ilişki Şekil VPD değerinin hesaplanmasındaki akış şeması 123 Şekil a) Atmosferik sütunda toplam yağışa dönüşebilen su miktarı b)harita histogramı 124 Şekil a) Çiğ noktası sıcaklığı b) harita histogramı. 125 Şekil a) VPD haritası b) harita histogramı. 126 Şekil VPD değerinin aylara göre değişimi. 127 Şekil Atmosferik nem açıklığının uydu ve yer değerlerine bağlı değişimi. 128 Şekil Yağış miktarı hesaplamasındaki akış şeması 130 Şekil a) tarihli ve saat deki NDVI görüntüsü b) harita histogramı Şekil NDVI ile yağış miktarı ilişkisi Şekil a)yağış haritası b)harita histogramı Şekil Yağış miktarının uydu ve yer ilişkisi 138 X

13 SİMGELER VE KISALTMALAR k : Boltzman Sabiti LST: Yer yüzeyi Sıcaklığı AVHRR: Advanced Very High Resolution Radiometer MEPED: SW : LSW: AMSU HIRS: SEM: VP: TED: TM: ETM: S.S.U: NASA: NOAA: NDVI: TOVS: ESA: IR: NIR: VIS: kpa: TISI: RMSE: Orta Enerji Proton ve Elektron Dedektörü Split Window Local Split Window Gelişmiş Mikrodalga Çevirici Ünitesi Yüksek Çözünürlüklü Kızılötesi Işınım Algılayıcısı Çevresel Uzay Monitörü Buhar Basıncı Toplam Enerji Dedektörü Thematik Mapper Enhanced Thematik Mapper Stratospheric Saunding Unit The American National Areonautic and Space Administration Amerikan Ulusal Okyanus ve Atmosferik Araştırma Kurumu Normalize Edilmiş Bitki İndeksi Tiros işlemsel dikey algılayıcısı Europen Space Agency Kızılötesi Yakın Kızılötesi Görünür Işık Kilopascal Sıcaklıktan Bağımsız Termal Kızılötesi Spektral İndeks Kök Ortalama Kare Hatası RADAR: Radio Dedection and Ranging HRPT: Yüksek Çözünürlüklü Veri Transferi XI

14 UV: Ultraviyole 0 K: Kelvin Sıcaklığı mb: Milibar c: Işık hızı M λ: Tayfsal dağılım h: Planck sabiti ε: Yayınırlık λ: Dalgaboyu V: Merkezi Dalgaboyu SVP: SD: VPD : T d : PW: Doyma Buhar Basıncı Doyma Açıklığı Buhar Basınç Açıklığı Çiğ Nokta Sıcaklığı Atmosferde Yağışa Dönüşübilecek Su Miktarı XII

15 1.GİRİŞ Mehmet ŞAHİN 1.GİRİŞ İnsanoğlu yıllar boyu hem çevreyi kirletmiş, hem de doğal kaynakları tüketmiştir. Ormanları çeşitli nedenlerle yok ederek büyük kentler oluşturmuş ve enerji tüketimine dayalı toplumlar meydana getirmiştir. Fosil yakıtlarının kullanılması, sera gazı etkisi yaparak sıcaklık değişmesine neden olmuş ve yaşam alanlarında iklim dengesi bozulmuştur. İklim dengesinin bozulması bir çok sorunu beraberinde getirmiştir. Bu sorunları tarımsal alanlardaki bitki örtüsünün ve insanların yaşam alanlarının değişmesi, ormanlık alanların küçülmesi kısaca ekolojik denge olarak sıralanabilir. İklim değişiklikleri bütün bu özellikleri etkilediği gibi insan topluluklarının sağlıklarını da etkilemektedir. İklim, hava ve sağlık arasındaki ilişkiyi anlamamız, bu ilişkinin etkilerini tahmin edebilmemiz açısından büyük önem taşımaktadır. İklimin sağlık etkisi, maksimum ve minimum sıcaklık değerlerinin oluşması durumunda kolayca gözlenebilmektedir. Bazen bir bölgedeki sıcak veya soğuk hava dalgası o yörede yeni hastalıkların oluşmasına neden olmaktadır. Çünkü bazı hastalıklar ancak belli sıcaklık değerinde yaşamaktadır. Örneğin sıtma mikrobu belli sıcaklık değerinde yaşayabilir ve çoğalarak insan topluluklarında ciddi bir risk oluşturur(hay ve ark, 1998a). Aksi takdirde ortadan kaybolur. Diğer taraftan kuş gribi salgını, sıcaklık değerlerinin düşük olduğu aylarda ortaya çıkar, yaz aylarında böyle bir salgının olması mümkün değildir. Günümüzde meydana gelen salgın hastalıklar sıcaklık-nem dağılımına ve bölgede yaşayan insanların nüfus sayısına bağlı olarak incelenebilmekte ve salgınlar izlenebilmektedir(hay ve ark, 1998a, 1998b; Cornor ve ark,1999; Hay ve ark, 2000). Ayrıca ortalama iklim değerinde olabilecek en ufak bir sapma fırtına, sel, kuraklık olaylarının şiddetini ve sıklığını değiştirebilmektedir. Bu olaylar insanoğlunun yaşam düzeninde önemli etkiler yapmaktadır. Gezegen üzerinde yaşayan tüm canlılar, çevrenin bir parçası olup biyolojik açıdan iklime uyum sağlarlar. İklimin insan yaşamı ve aktivitesi üzerinde oldukça büyük etkisi vardır. Bir bölgede uzun süreli meydana gelen hava olayları iklimin özelliğini belirler. Günlük hava olayları iklimin küçük bir parçası olarak görülür. Hava durumu değişkendir, kontrol altına alınması veya kesin olarak bilinmesi de hemen hemen imkansızdır. Ancak, kaydedilen veriler yardımı ile hava tahmininde 1

16 1.GİRİŞ Mehmet ŞAHİN bulunulabilir. Hava tahmini yapabilmek için günümüzde yer meteoroloji istasyonlarının yanında uzaktan algılama yöntemlerinden de faydalanılmaktadır. Uzaktan algılama kavram olarak, yeryüzünün ve yer kaynaklarının araştırılmasında, araştırılan nesnelerle fiziksel bağlantı kurmadan veri elde etme ve inceleme tekniği olarak tanımlanabilir(curran, 1985). Uzaktan algılama çalışmaları uydular, uçaklar, balonlara takılan çok bandlı algılayıcılar, kameralar ve fotoğraf makinaları ile yapılmaktadır. Uzaktan algılamanın yapılabilmesi için enerji kaynağı, bu enerji kaynağından çıkan radyasonun ilerleyeceği atmosfer, hedef ve hedeften yansıyan veya yayınan enerjileri algılamaya yarayan sensörlerin bulunması gerekmektedir. Uzaktan algılama çalışmaları iki yolla yapılmaktadır. Aktif algılama denen birinci yolda hedef üzerine elektromanyetik dalga yollanır. Hedefe çarpıp geri gelen elektromanyetik dalga enerjisi kullanılarak hedefe ait görüntüler elde edilir. Aktif algılamada enerji kaynağı kullanıcı tarafından oluşturulduğu için çalışmanın gece veya gündüz yapılması sorun oluşturmaz. Pasif algılamada, enerjinin kaynağı güneş veya dış kaynaktır. Güneşten gelen radyason enerjisi hedefe çarpar, hedeften geri dönen kısmı alıcı sensörler tarafından kaydedilir.uyduların pasif algılamada enerji kaynağı genellikle güneş olduğu için algılayıcıların gündüz saatlerinde kaydettiği veriler önem kazanır. Uydu ile uzaktan algılama çalışmaları çok çeşitli alanlarda uygulanmaktadır. Haritacılık, hidroloji, jeoloji, ormancılık, ziraat, denizcilik ve kıyı yönetimi, uzaktan algılamanın en yaygın kullanıldığı alanlara örnek olarak verilebilir. Doğal çevrenin önemli bir bölümü dinamik nitelikte olmasından dolayı sürekli olarak izlenmesi gerekmektedir. Bunun içinde havacılık ve uzay teknolojisinden yaralanılır. Uzaktan algılamayla havadan veya uzaydan elde edilen veriler araştırmanın amacına göre yorumlanıp, bilgiye dönüştürülür. Benzer çalışmaları yerden insan gücü ile yapma olanağı da vardır. Fakat bu oldukça fazla insan gücü, zaman ve maliyet gerektirir. Zaman zaman yeryüzünün fiziki yapısı ve diğer koşullar bu tür çalışmaların yerden yapılmasına bile izin vermeyebilir. Bu ve buna benzer nedenlerden dolayı uzaktan algılama çalışmaları zorunlu hale gelmiştir. Günümüzde uzaktan algılama çalışmaları genellikle uydularla yapılmaktadır. 2

17 1.GİRİŞ Mehmet ŞAHİN Uydular çok geniş alanları, çok kısa aralıklarla elektromanyetik spektrumun farklı bölgelerinde tarama yapabilmektedir. Meteorolojik amaçlara yönelik uydular, kutupsal yörüngeli ve yer sabit görüngeli olarak iki kısma ayrılmaktadır. Sabit yörüngeli uydular, dünya ile aynı hızda dönerek belli bir konumdan algılama yapmaktadır. GMS, Meteosat, İnsat, Goes serisi uydular bu tür uydulardan bazılarıdır. Bu uydulardan elde edilen verilerden faydalanılarak bulutluluk ve bulutların sınıflandırılması, deniz yüzey sıcaklığı, atmosferik su buhar içeriği, bulut tepe sıcaklığı, karlı alanların tespiti, albedo, nem miktarı, kara yüzey sıcaklığı, yağış miktarı, güneşlenme süreleri, ozon miktarının belirlenmesi gibi çalışmalar yapılmaktadır. Kutupsal yörüngeli uydulara; NOAA serisi uyduları, Fengyung-1C ve D uyduları, Metop uydusu örnek olarak verilebilir. Kutupsal yörüngeli uyduların verileri kullanılarak rüzgar alanlarının belirlenmesi, bulutluluk, nisbi nem, kara ve deniz yüzey sıcaklıkları, sis ve don seviyelerinin belirlenmesi, buzul alanların tespiti, yağış miktarının ölçülmesi ve vejetasyon indeksi, yüzey basıncı, toplam ozon miktarının belirlenmesinde kullanılmaktadır. Kutupsal yörüngeli ve yer sabit yörüngeli uyduların birbirine göre avantaj ve dezavatajları vardır. Yer sabit yörüngeli uydular daha yüksekte olduklarından dolayı daha büyük alanları algılayabilir, buna karşın kutupsal görüngeli uydular daha küçük alanları algılayabilmektedir. Kutupsal yörüngeli uydular aynı bölgeyi 2 veya 3 defa görüntüleyebilirken yer uyumlu uydular aynı bölgeyi daha çok fazla sayıda görüntüleyebilmektedir. Böylece kısa zaman aralıkları içerisinde meydana gelen değişiklikleri kaydetme şansına sahiptir. Kutupsal görüngeli uydular istenilen bölgenin tam üstündeyken kaydetmelerine karşın, yer sabit yörüngeli uyduları sabit bir noktadan algılama yapma durumundadır. Bundan dolayı kutupsal görüngeli uyduların kaydettiği görüntülerde bozulma çok az olurken, yer sabit yörüngeli uyduların kaydettiği görüntülerde çok daha fazla bozulma olmaktadır. Ayrıca kutupsal yörüngeli uydular daha düşük yükseklikten veri kaydettikleri için daha fazla ayrıntı içermektedir. Yapılan çalışmada NOAA 12, NOAA 14 ve NOAA 15 uydu serilerine ait 2002 yılının 12 aylık verileri kullanılmıştır. İlk olarak Türkiye nin yer yüzey sıcaklık haritası, 6 farklı yayınırlığa bağlı Split-Window(SW) algoritmasından faydalanılarak 3

18 1.GİRİŞ Mehmet ŞAHİN oluşturulmuştur. Oluşturulan haritalar yer gerçekleriyle kıyaslanarak Türkiye ye en uygun yer yüzey sıcaklığı hesaplama algoritması tespit edilmiştir. İkinci aşamada, uyduların parlaklık sıcaklığı verileri kullanılarak, atmosferik nem açıklığının bir ölçüsü olan Buhar Basınç Açıklığı(VPD) hesaplanmıştır. Son aşamada ise Normalize Edilmiş Bitki İndeksi(NDVI) ile yerden ölçülen yağış miktarı değerleri arasında istatistiksel ilişki kurularak, tüm Türkiye nin yağış haritası oluşturulmuş, sonuçlar yer gerçekleriyle kıyaslanmıştır. Çalışma sonunda, yer yüzey sıcaklığı hesaplanmasındaki Kök Ortalama Kare Hata (RMSE) değeri K arasında değişirken, sırasıyla VPD için RMSE değeri 3.373mb ve yağış miktarı için RMSE değeri mm olarak bulunmuştur. 4

19 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Mehmet ŞAHİN 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Dünyamızı aydınlatan ve ısıtan enerjinin kaynağı güneştir. Güneşten gelen ışık ışınları, uzayda seyrini tamamladıktan sonra dünya atmosferine girer. Atmosferdeki bulut ve çeşitli partiküllerden dolayı ışık ışınlarının sadece belirli bir bölümü yer yüzeyine ulaşabilir. Yeryüzü, bu ışık ışınlarının (radyasyonun) bir kısmını soğururken bir kısmını da uzaya geri yansıtır. Uzaya geri yansıyan ışınlar, uydu radyometreleri tarafından algılanır. Algılanan verileri kullanarak yer yüzey sıcaklığı, atmosferik nem açıklığı ve yağış miktarı hesaplanabilmektedir. Bu konuda yapılan çalışmalar ve geliştirilen yöntemlerin bir kısmı kısaca aşağıda özetlenmiştir. 2.1.Yer Yüzey Sıcaklığının Hesaplanmasıyla İlgili Çalışmalar Gates ve arkadaşları(1965) yer yüzey sıcaklığının hesaplanmasında önemli faktörlerden birinin termal yayınırlık olduğunu göstermişlerdir. Termal yayınırlığı ise doğal yüzeylerden elde etmişlerdir. Doğal yüzeylerin yayınırlığının; toprağın yapısına, bileşimine, organik madde ve yapının içeriğine, bitki örtüsüne bağlı olduğunu göstermişlerdir. Price(1983), NOAA-AVHRR algılayıcısının termal kızılötesi kanallarını kullanarak elde ettiği yer yüzey sıcaklığı değerlerini, yer değerleri ile karşılaştırmıştır. Yapılan çalışmada, yer yüzey sıcaklığının hesaplanmasında yayınırlık ve atmosferik su buharı dikkate alınmıştır. Yayınırlık hesaplanmasında, yayınırlık değerinin mevcut hesaplamalara göre doğrulukla elde etmek için yer yüzey sıcaklığı hesaplanmasındaki hatanın 0.4 o K den az olması gerektiği ortaya çıkmıştır. Paccagnella ve arkadaşları(1985), NOAA uydusunun termal kızılötesi kanallarını kullanarak yer yüzey sıcaklığını hesaplamışlardır. Yapılan hesaplamaların doğruluğunu, atmosferdeki su buharı ve aerosol parçacıkları etkilemiştir. Sıcaklıktaki azalma uydudan hesaplanan parlaklık sıcaklığı ve gerçek yüzey sıcaklığının farkı olarak hesaplanmıştır. Yüzeyin yayınırlığı, ε =1 olarak kabul edilmiştir. Bu sıcaklık azalması farklı metotlarla hesaplanmıştır. Sonuçlar analiz edildiğinde sıcaklık 5

20 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Mehmet ŞAHİN azalmasının nedeni olarak nesnelerin durumu, atmosferik meteorolojik koşullar ve mevsimlik koşullar olarak sıralanmıştır. Becker(1987) yaptığı çalışmada, Split-Window (SW) yöntemini deniz yüzey sıcaklığının hesaplanmasında kullanmış ve oldukça doğru sonuçlar elde etmiştir. Deniz yüzey sıcaklığının hesaplanmasında, yüzey yayınırlığı ε =1 alınmaktadır. Fakat kara yüzeyi doğal yapı bakımından su yüzeyi gibi homojen yapıda değildir. Yayınırlık kara yüzeyi için ε =1 alındığında hatalı sonuç vermektedir. Yüzey sıcaklığının hesaplamasında hata yapmamak için yüzeysel yayınırlığının doğru hesaplanması gerektiği sonucuna varılmıştır. Ottle ve Vidal -Madjar(1992) yaptıkları çalışmada, yer yüzey sıcaklığının hesaplanmasının topraktan algılanan termal spektral radyasyona bağlı olduğunu belirtmişlerdir. Yüzeyin toprak sıcaklığı, yoğun bitki örtüsünün olduğu yerlerde bitkinin sıcaklığı olarak ele alınabilmektedir. Oysa ölçülmek istenen sıcaklık değeri, toprağın sıcaklık değeridir. Ayrıca verinin uzaysal çözünürlüğünün homojen olmaması, yer yüzey sıcaklığının kolay anlaşılabilir olmasını engelleyen faktörlerden biri olarak bakılmıştır. Li ve Becker (1993) yaptıkları çalışmada, Fransa'daki Lz Crau bölgesini test alanı olarak seçmişler ve NOAA uydusunun, AVHRR algılayıcısının 4. ve 5. kanallarını kullanılarak yer yüzey sıcaklığını hesaplamışlardır. Yer yüzey sıcaklığının hesaplanmasında Split-Window(SW) algoritmaları, yayınırlığa bağlı olarak kullanılmıştır. Algoritmalarda elde edilen veriler, yer veri değerleri ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma neticesinde, her ikisi arasında istatistiksel açıdan anlamlı bir uyum olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, AVHRR verilerinin tayfsal yayınırlık ve yer yüzey sıcaklığının hesaplanmasında kullanılabileceği kanısına ulaşılmıştır. Sobrino ve arkadaşları(1994) yaptıkları çalışmada, NOAA uydusunun AVHRR algılayıcısının termal kanallarını kullanarak, yer yüzey sıcaklığını hesaplamışlardır. Yer yüzey sıcaklığını hesaplarken önce termal kanal için yayınırlık katkısını bulmuşlardır. Termal kanal için yayınırlık katkısının kullanılması, algoritmaların 0.4 o K değerinde daha iyi sonuç vermesini sağlamıştır. 6

21 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Mehmet ŞAHİN Kustas ve arkadaşları(1994) yaptıkları çalışmada, NOAA/AVHRR algılayıcısının termal kanallarını SW algoritmalarında kullanarak, yer yüzey sıcaklığının hesaplanmasına olanak sağlamışlardır. Bu konuda birçok algoritma geliştirilmiştir. Algoritmalar geliştirilirken yüzeyin yayınırlığı, uydunun görüş açısı, su buharı ve bunların kombinasyonu dikkate alınmıştır. Ayrıca yüzeyin yayınırlığı NDVI bağlı olarak elde edilmiştir. Humes ve arkadaşları(1994), termal kızılötesi kanallardan faydalanarak yüzey yayınırlığını hesaplamaya çalışmışlardır. Bu amaçla farklı yüzeyler için çalışmalar yapılmıştır. Yapılan çalışma sonucunda ortalama yayınırlık değerinin; 1-Çıplak toprak için 0.959, 2-Kaya-toprak bitki örtüsü karışımı için 0.981, 3-Çalı ve biçimsiz bitki örtüsü için olduğu şeklindedir. Wan ve Dozier(1995) yaptıkları çalışmada, yer yüzey sıcaklığını elde etmek için Split-Window algoritmalarını kullanmışlardır. Bu algoritmalarda yüzeysel ve atmosferik faktörlere bağlı olarak bölgeden bölgeye değişen farklı katsayılar kullanılmaktadır. Katsayıların ortaya çıkarılması, farklı yöntemlerle uzun dönem yer araştırmaları yapılarak sağlanmıştır. Benzer sorunlardan dolayı genel bir SW algoritmasının geliştirilmesi zorunlu hale gelmiştir. AVHRR verileri kullanarak yer yüzey sıcaklığı hesaplanmıştır. Hesaplamalar sırasında SW algoritmalarında kullanılan katsayıların, uydunun görüş açısına bağlı olması gerektiği sonucuna ulaşılmıştır. Uydunun bakış açısının düşeyle ±50.3 o olması durumunda hesaplanan uydu sıcaklık değerleri, yer değerleri ile karşılaştırılmış ve aralarında 1 o K lik fark olduğu görülmüştür. Vogt(1996) yaptığı çalışmada, yer yüzeyindeki birçok materyal için yayınırlığın arasında değiştiğini belirtmiştir. François ve Ottle(1996) yaptıkları çalışmada, yer yüzey sıcaklığını elde etmek için, iki farklı Split-Window(SW) metodu kullanmışlardır. Bunlardan birincisi Global Kuadratik (QUAD) metottur. Bu metotta kullanılan katsayılarda ikinci dereceden değerler vardır ve evrensel değerleri içermektedir. İkinci metot ise Su Buharına Bağlı (WVD) algoritmadır. Yer yüzey sıcaklığını hesaplamada, NOAA- 7

22 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Mehmet ŞAHİN AVHRR ile ATSR-ERS1 uydu verileri kullanılmıştır. QUAD algoritmasındaki standart hata 0.2 o K ve kayma miktarı -0.1 o K ile 0.4 o K arasında değişmektedir. Ayrıca WVD algoritmasının daha doğru sonuç verdiği gözlenmiştir. Standart hatanın 0.1 o K den az olduğu gözlenirken, AVHRR den elde edilen yer yüzey sıcaklığı değerindeki kayma miktarı -0.2 o K ile 0.1 o K arasında değiştiği görülmüştür. Gupta ve arkadaşları(1997) yaptıkları çalışmada, NOAA-AVHRR algılayıcısının 4. ve 5. kanallarının yayınırlık değerleri arasındaki 0.01 lik fark, kuru atmosferik ortamlarda yer yüzey sıcaklığında 1 o C lük hataya yol açtığını belirtmişlerdir. Bu oran ıslak atmosferik ortamlar için de geçerlidir. Anlaşılacağı üzere, kış mevsimindeki bitki örtüsüne sahip yüzeylerde yayınırlık, yer yüzey sıcaklığı hesaplamalarında en önemli etkendir. Yer yüzey sıcaklığı, farklı atmosferik soğurma etkileri dikkate alınarak hesaplanmıştır. Buna bağlı olarak yer yüzey sıcaklığının dinamik durumu, büyümekte olan geniş buğday sahalarında, NDVI değerine bağlı olarak incelenmiştir. Uyduyla elde edilen yer yüzey sıcaklığı değerleri ile meteorolojiden elde edilen yer yüzey sıcaklığı değerleri arasında yapılan istatistiksel ilişkinin, üstel olarak uyumlu olduğu gözlenmiştir. Diğer taraftan uydudan elde edilen yüzey sıcaklığı ile NDVI arasında güçlü bir dinamik ilişki olduğu gözlenmiş ve yapılan çalışmalar sırasında yer yüzey sıcaklığı değeri artarken, NDVI değerinin düştüğü gözlenmiştir. Sonuç olarak, NDVI değerine bağlı olarak yer yüzey sıcaklığının hesaplanabileceği görülmüştür. Caselles(1997) yaptığı çalışmada, yer yüzey sıcaklığını elde etmek için geliştirilen metotların orta enlem atmosferinde ve tropikal bölgelerde kullanımının sınırlı olduğunu belirtmiştir. Bu amaçla evrensel bir SW algoritması geliştirilmiştir. Algoritma geliştirmek için Coll ve arkadaşlarının(1994) elde ettikleri algoritma baz alınmış ve kullanılan yayınırlık değerine bitki fonksiyonu eklenmiştir. Çalışma alanı olarak Sahel(13 o -14 o N;2 o -3 o E) bölgesi seçilmiştir. Elde edilen yer yüzey sıcaklığı değeri ile yer değeri arasında ±2 o K fark olduğu görülmüştür. Ayrıca Price(1984), Becker ve Li(1990a), Prata ve Platt(1991), Vidal(1991), Kerr ve arkadaşları(1992), Ottle ve Vidal-Major(1992), Ulivieri ve arkadaşları(1992), Becker ve Li(1995) algoritmalarında yayınırlık(ε) değeri ve spektral yayınırlık fark(δε) değeri kullanılarak karşılaştırma yapılmıştır. Birçok algoritmanın sıcaklık 8

23 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Mehmet ŞAHİN değerinin, ölçülen yer değerlerinden daha küçük değerde sonuçlar verdiği görülmüştür. Czajkowski ve arkadaşları(1998) yaptıkları çalışmada, NOAA-AVHRR algılayıcısından kaynaklanan hatayı ortadan kaldırmak amacıyla, Becker ve Li(1990a) yer yüzey sıcaklığı algoritmasına filtre fonksiyonu eklemişlerdir. Yapılan hesaplamalarda, Becker ve Li(1990a) yer yüzey sıcaklığı algoritmasına filtre fonksiyonun uygulanması, aynı algoritmaya bağlı olarak yapılan hesaplamalara 2.3 o K lik daha iyi sonuç vermesini sağlamıştır. Sobrino ve arkadaşları(1999) ortaya koydukları çalışmada, yer yüzey sıcaklığının hesaplanmasında atmosferik faktörlerin önemli bir etkisinin olduğunu ileri sürmüşlerdir. Çalışmada, toplam atmosferik su buharının hesaplanması Split- Window(SW) algoritmaları için önemlidir. NOAA-AVHRR algılayıcısının, 4. ve 5. termal kızılötesi kanallarından faydalanarak iki farklı metotla ve yedi yer ölçüm istasyonuna bağlı radiosonde verileri kullanarak, toplam atmosferik su buharının hesaplanması yoluna gidilmiştir. Hesaplama yapılırken yerden ölçülen radiosonde verileri baz alınmıştır. Çıkan sonuçlar aşağıdaki gibi sıralanmıştır: 1-Split-Window Kovaryans-Varyans Oranı(SWCVR) metodu ile hesaplanan toplam atmosferik su buharı, AVHRR verilerinin 4. ve 5. kanalların parlaklık sıcaklık değerleri ile aralarında ikinci dereceden korelasyon ilişkisinin olduğu görülmüştür. 2-Lineer Split-Window İlişkisi(LSWR) metodu ile hesaplanan toplam atmosferik su buharı ile parlaklık sıcaklık farkı(δt=t 4 -T 5 ) arasında lineer bir ilişkinin olduğu gözlenmiştir. Kerenyi ve Putsay(2000) yaptıkları çalışmada, önceden geliştirilmiş bazı SW algoritmalarına katkı yaparak, yer yüzey sıcaklığını NOAA/AVHRR verilerini kullanarak elde etme yoluna gitmişlerdir. Bu algoritmalar; Price(1984), Becker ve Li(1990a), Prata ve Platt(1991), Sobrino ve arkadaşları(1993), Ulivieri ve arkadaşları(1994) şeklinde sıralanmaktadır. Söz konusu algoritmaların kullanılması için yüzey yayınırlık değerlerine ihtiyaç vardır. Yüzey yayınırlık değeri iki yolla bulunmuştur. Birinci yolda Sıcaklıktan Bağımsız Termal Kızıl Ötesi Spektral İndeks(TISI) kullanılmıştır. İkinci yolda ise Normalize Edilmiş Bitki İndeksi(NDVI) 9

24 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Mehmet ŞAHİN ile yayınırlık arasında korelasyon ilişkisi aranmış ve NDVI değerine bağlı yayınırlık eşitliği elde edilmiştir. Yapılan hesaplamalarda TISI metoduna bağlı olarak elde edilen yayınırlık değerinin, NDVI ya bağlı elde edilen yayınırlık değerinden daha küçük olduğu gözlenmiştir. Yer yüzey sıcaklığı, yayınırlığı elde etmede kullanılan iki metoda bağlı olarak beş algoritma kullanılarak hesaplanmıştır. Hesaplamalar neticesinde Price(1984) algoritması hariç diğer algoritmalar benzer sonuçlar vermiştir. TISI metoduna bağlı olarak elde edilen SW algoritma değerlerinin yer değerlerine göre yüksek sonuç verdiği gözlenmiştir. NDVI değerine bağlı olarak elde edilen yayınırlık değerinin SW eşitliklerinde kullanılmasıyla yer yüzey sıcaklık değerleri hesaplanmıştır. Hesaplanan değerlerin, yer değeri ile kıyaslanması yapılmıştır ve hata miktarının 3 o C den az olduğu görülmüştür. Kant ve Badarinath(2000) yaptıkları çalışmada, yer yüzey sıcaklığını elde etmek için heterojen yüzeyler NOAA-AVHRR algılayıcısı ile taranarak, SW algoritmasında kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan yayınırlık değeri, piksel boyutundaki küçük bitkisel bölgeler incelenerek NDVI ya bağlı olarak elde edilmiştir. Becker ve Li(1990a) algoritması ile uydudan elde edilen yer yüzey sıcaklığı değerleri, yerden elde edilen değerler ile karşılaştırılmıştır ve aralarında 1.8 o C fark olduğu gözlenmiştir. Ouaidrari ve arkadaşlarının(2002) yaptıkları çalışmada, daha önce AVHRR Land Pathfinder II(ALP-II) projesi ile geliştirilen algoritmaların tekrar geliştirildiği görülmüştür. Bu projede AVHRR algılayıcısının görünür ve yakın-kızılötesi kanalları, yeni geliştirilmiş kalibrasyon ve veri formatı kullanılarak Rayleigh saçılması, ozon, hava sıcaklığı ve su buharına bağlı olarak atmosferik etki dikkate alınmış ve termal kanallar için yer yüzey sıcaklığı hesaplanmıştır. Yer yüzey sıcaklığı hesaplamaları yapılırken kalibrasyon ve filtre fonksiyonu elde edilmiş, elde edilen fonksiyonların kullanılması ile hesaplanan yer yüzey sıcaklığı değerindeki hata 2.3 o K azaltılmıştır. Atmosferdeki su buharının, yüksek ve düşük değerleri için iki farklı değeri kullanılmış ve buna bağlı olarak iki farklı SW eşitliği elde edilmiştir. Daha sonra elde edilen eşitlikler analiz edilmiştir. Analiz sonucunda SW eşitliklerinin, algoritma ve yer değerleri kıyaslanarak, lineer ve ikinci dereceden korelasyon ilişkisi elde edilmiştir. Yapılan değerlendirmede su buharının yüksek 10

25 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Mehmet ŞAHİN olduğu durumlarda, ikinci dereceden elde edilen formun, lineer forma göre daha doğru sonuç verdiği kanısına ulaşılmıştır. Kant ve Badarinath(2002) yaptıkları çalışmada, 8µm 14 µm aralığında değişik yüzeyler için yayınırlık değerleri elde etmişlerdir. Bulunan değerlerle, AVHRR algılayıcısının termal kanaları için elde edilen yayınırlık değerleri arasında korelasyon ilişkisi kurulmuştur. Bu ilişkiden faydalanılarak bir düzeltme faktörü, Sobrino ve arkadaşlarının(1991)geliştirdiği algoritma ile Becker-Li(1990a) algoritmasına eklenmiş ve yer yüzey sıcaklığı hesaplanmıştır. Sonuç olarak yer verileri ile uydu verileri arasında sırayla 1 C ile 1.5 C fark olduğu görülmüştür. Dash ve arkadaşları(2002) yaptıkları çalışmada, yüzeyden yayılan radyasyon miktarını uydu algılayıcıları yardımıyla ölçmüşlerdir. Ölçülen bu değerler daha sonra yayınırlık ve yer yüzey sıcaklığının hesaplanmasında kullanılmış ve ölçümler yüzey etkilerinin toplamı olarak ele alınmıştır. Bu nedenle yüzeyden yayılan radyasyon miktarının ölçümü önemlidir. Birçok uygulamada dünyanın radyasyon kapasitesi ve iklimsel değişimin algılanması gibi konularda en önemli nokta, yerdeki ölçü değeridir. Yıllardır süren araştırmalar, pasif algılayıcılarla elde edilen verilere bağlı olarak yer yüzey sıcaklığı ve yayınırlık hesaplama yollarının bulunmasında etkili olmuştur. Algılama çalışmaları görünür, kızılötesi ve mikrodalga aralıklarını içermektedir. Bu amaçla METEOSAT, NOAA-AVHRR, ERS-ATSR, MODIS, ASTER meteorolojik uyduları kullanılmıştır. Ayrıca ölçülen parlaklık sıcaklığı değerleri üzerindeki atmosferik etkiler ve radyoaktif iletimdeki atmosferik düzeltmelerin kalibrasyonu yapılmıştır. Yer yüzey sıcaklığının hesaplanmasındaki metotlar tekrar gözden geçirilmiştir. Bu metotları sıralamak gerekirse; tek kanal metodu, SW teknikleri, çok açı metodudur. Ayrıca yayınırlığın hesaplanması için normalize edilmiş yayınırlık metodu(nem), termal sıcaklıktan bağımsız spektral indeks(tisi) metodu, spektral oran metodu, NDVI temel metodu, sınıflandırılmış yayınırlık ve sıcaklık yayınırlık dağılımı(tes) algoritmaları tekrar gözden geçirilmiştir. Evrensel kullanımında tek kanal metodunun atmosferik düzeltmeleri dikkate alındığında, Price (1983) algoritmasının doğru sonuç verdiği ortaya çıkmıştır. Ayrıca SW tekniklerinin kullanımında, algoritmaların katsayıları belirlendiği takdirde kullanımı oldukça kolaydır. Algoritmaların kullanımında yüzey yayınırlığı 11

26 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Mehmet ŞAHİN ve su buharı dikkate alındığında sonuçların doğruluk derecesi artmaktadır. Algoritmadan elde edilen veriler ile yer değeri arasında kurulan korelasyon ilişkisinin lineerden ziyade ikinci derece denklem olduğu gözlenmiştir. SW algoritmalarının seçiminde daha ileri bir bilgiye ihtiyaç vardır. Şöyle ki Price(1984), Becker ve Li(1990a) algoritmaları sadece yüzey yayınırlığına; Sobrino ve arkadaşlarının(1991) geliştirdiği algoritma ile Becker ve Li(1995) algoritması atmosferin durumuna; Kerr ve arkadaşlarının(1992) geliştirdiği algoritma ise toprak çıplaklığına ve bitki miktarına bağlı olduklarından, farklı bölgeler ve farklı koşullar için algoritmaların performansları değişebilmektedir. Chrysoulakis ve Cartalis(2002) yaptıkları çalışmada, NOAA uydularının AVHRR algılayıcılarının termal kızılötesi kanallarından faydalanılarak, yer yüzey sıcaklığı değerlerini elde etmişlerdir. Yer yüzey sıcaklığının hesaplanmasında kullanılan SW algoritmaları geliştirilirken; atmosferde yağışa dönüşebilen su miktarının(pw) etkisi dikkate alındığında uydudan elde edilen yer yüzey sıcaklığı değeri daha doğru sonuç verecektir, düşüncesinden hareket edilmiştir. Bu amaçla PW değerini hesaplamak için 29 yıllık radiosonde verileri Yunanistan-Hellenikon meteorolojik istasyonuna bağlı olarak hesaplanmıştır. Bulunan PW değeri ile yer yüzey sıcaklık algoritması geliştirilmiştir. Geliştirilen algoritma kullanılarak güney ve orta Yunanistan için doğruluğu yer değerleri ile sınanmış ve aralarında güzel bir uyum olduğu gözlenmiştir. Yer ve uydudan hesaplanan sıcaklık değerleri arasındaki fark en fazla 2 o K olarak bulunmuştur. Sun ve arkadaşları(2002) yaptıkları çalışmada, yer yüzey sıcaklığını NOAA/AVHRR verileriyle elde etmek için daha önce Coll ve arkadaşlarının(1994) geliştirdikleri algoritmaya, atmosferik düzeltme faktörü eklemişlerdir. Yayınırlık değerini NDVI ya bağlı olarak bulmuşlar ve geliştirilen SW algoritması test edilmiştir. Test sonuncunda uydu değeri ile yer değerinin bitki bulunmayan çıplak topraklarda ve buğday ekili alanlarda uyum içinde olduğu gözlenmiştir. Dall olmo ve Karnieli(2002) çalışmalarında, NOAA-AVHRR verilerini kullanarak, yarı kurak bölgeleri incelemişlerdir. En yoğun çalışmada bölgesi, kendi aralarında birkaç kilometre uzaklıktaki İsrail ve Mısır politik sınırında yapılmıştır. Çalışmada NDVI ve yer yüzey sıcaklığı değerleri hesaplanmıştır. NDVI verileri 12

27 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Mehmet ŞAHİN yağış miktarına ulaşmak, yer yüzey sıcaklığı değerleri ise mevsimsel iklim değişimleri incelemek için elde edilmiştir. Son olarak, NDVI ile yer yüzey sıcaklığı değerlerinin kümeleme analizi yapılmıştır. Jang(2003) yaptığı çalışmada, yer yüzey sıcaklığını hesaplamak için daha önce geliştirilmiş olan algoritmaları kullanmıştır. Bu algoritmaları Price(1984), Becker ve Li(1990a), Prata ve Platt(1991), Ulivieri ve arkadaşları(1994), Coll ve arkadaşları(1994), Sobrino ve Raissouni(2000) şeklinde sıralamak mümkündür. Her algoritma ikili olarak karşılaştırılmıştır. Ulivieri ve Prata-Platt algoritmalarının kendi aralarındaki korelasyon ilişkisi diğerlerinden fazla olduğu gözlenmiştir. Korelasyon katsayıları genelde 0.97 den daha fazla değerde bulunmuştur. Ayrıca yer yüzey sıcaklığının sapma miktarını elde etmek için atmosferik etkilerin duyarlılığı test edilmiştir. Bu nedenle NOAA/AVHRR algılayıcısının 4. kanalının parlaklık sıcaklık değeri kullanılmıştır. Duyarlılık testi neticesinde, Coll ve arkadaşlarının geliştirdiği yer yüzey sıcaklığı algoritmasının atmosferik etkilerden daha az etkilendiği görülmüştür. Bu nedenle yer yüzey sıcaklığı hesaplamalarında Coll ve arkadaşlarının geliştirdiği algoritmayı kullanmak daha yerinde olacaktır. Bhattacharya ve Dadhwal(2003) yaptıkları çalışmada, Gujarat yerleşim bölgesinde 100km 100km lik alanın Mayıs ve Eylül aylarına ait yer yüzey sıcaklığını NOAA-14/AVHRR verileri kullanarak hesaplamışlardır. Yer yüzey sıcaklığı hesaplamak için gerekli olan yayınırlık değeri NDVI dan elde edilmiştir. NDVI değeri atmosferik etkilere bağlı olarak düzeltilmiştir. Elde edilen yer yüzey sıcaklık değeri, yer ve hava sıcaklık değerleri ile karşılaştırılmıştır. Eylül ayındaki yer yüzey sıcaklık değeri 302 o K o K arasında değişmekte iken Mayıs ayında ise o K o K değerleri arasında değiştiği görülmüştür. Becker ve Li(1990a) algoritması kullanılarak elde edilen yer yüzey sıcaklığı değeri, meteorolojik istasyonlardan elde edilen yer yüzey sıcaklık değerinden 7 o K, hava sıcaklığı değerinden 2.9 o K farklı bulunmuştur. Yer yüzey sıcaklığı değeri için toprağın 2.5cm altındaki sıcaklık değeri baz alınmıştır. Stathopoulou ve arkadaşları(2004) çalışmalarında, yer yüzey sıcaklığının küçük iklimsel değişikliğin belirlenmesinde ve uzaysal dağılımda, şehirsel çevre oluşumunda anlamlı bir parametre olduğunu ileri sürmüşlerdir. Yer yüzey sıcaklığını 13

28 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Mehmet ŞAHİN elde etmek için, NOAA uydusunun AVHRR algılayıcısının termal kızılötesi kanalları kullanılmıştır. Gece alınan görüntünün, termal kızılötesi kanalların radyometrik, geometrik, bulut maskelenmesi yapıldıktan sonra parlaklık sıcaklık değerleri SW algoritmasında kullanılmıştır. Yer yüzey sıcaklığı, Coll ve arkadaşlarının (1994) geliştirdiği algoritma ile hesaplanmıştır. Çalışmada kullanılan algoritmada, yayınırlık değerinin yanında atmosferik su buharını da dikkate alan, yağışa dönüşebilen su miktarı(pw) etkileri hesaba katılmıştır. Çalışmada hesaplanan uydu değerleri ile yer değerlerinin karşılaştırılması neticesinde, aralarında en fazla 3 o C fark olduğu görülmüştür. Qin ve arkadaşları(2004) çalışmalarında, NOAA-AVHRR verisini kullanarak yer yüzey sıcaklığını hesaplayan algoritmaların sayısının son yirmi yılda, on yediyi geçtiğini belirtmişlerdir. Bu algoritmaları kendi aralarında gruplayarak dört bölüme ayırmışlardır. Bunlar yayınırlığa bağlı modeller, iki faktörlü modeller, karışık modeller ve parlaklık modelleri şeklinde sıralanmıştır. Bu çalışmada algoritmalar kullanılmış ve doğruluğu karşılaştırılmıştır. Qin ve arkadaşlarının, Sobrino ve arkadaşlarının(1991) geliştirdiği algoritmalarda RMSE değerinin 0.3 o C den az olduğu tespit edilmiştir. França ve Cracknell(1994), Prata(1993), Ulivieri ve arkadaşlarının(1996) geliştirdiği algoritmalarda ise RMSE değeri 0.5 o C ile 0.7 o C arasında değiştiği görülmüştür. Atmosferik su buhar içeriği taşıdıklarında Qin ve Sobrino nun arkadaşları ile geliştirdikleri algoritmaların en iyi sonuç verdiği ortaya çıkmıştır. Dash ve arkadaşları(2005) yaptıkları çalışmada, sıcaklıktan bağımsız termal kızılötesi spektral indeks(tisi) metodunu, yayınırlık ve dolayısıyla yer yüzey sıcaklığı hesaplanmasında kullanmışlardır. Yüzey parlaklıklarının gece ve gündüz kullanılması ile elde edilen TISI oranları 3.8μm olarak bulunmuştur. TISI metodunun kullanılmasıyla, NOAA 9-16 AVHRR kanalları için katsayılar elde edilmiştir. Benzer sayısal analizler birçok yüzey çeşitleri üzerinde denenerek, yüzey parlaklığı için kullanılmış ve 5. kanalın yayınırlığı için ve yüzey sıcaklığı için 15 o K lik doğruluktaki yanılma yapı değerine ulaşılmıştır. Yer ve uydu değeri için iki farklı sezondaki veriler kullanılmıştır. Verilerden elde edilen yayınırlık değerleri aylık karma veri olarak incelenmiştir. Ayrıca bu çalışmalara ek olarak, aylık yayınırlık 14

29 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Mehmet ŞAHİN değerleri TISI ve NDVI değerlerine bağlı olarak elde edilmiş ve sonuçlar kıyaslanmıştır. NDVI metodu bitkisel bölgelerde kolayca uygulanmıştır. TISI sonuçlarına bağlı olarak NDVI metoduna bağlı yayınırlık değerindeki hata ile arasında değişmektedir. Fakat bitkisel bölgedeki hata değeri kadardır. TISI metodundan elde edilen yayınırlık değerinin doğruluğu yer verileri kullanılarak sınanmış ve elde edilen değerlerin istenilen düzeyde olduğu saptanmıştır. Chahboun ve arkadaşları(2005) yaptıkları çalışmada, dünyanın yüzey sıcaklığı değerleri ile ilgili bazı sonuçlara ulaşmışlardır. Yer yüzey sıcaklığı, Dünya Meteoroloji Organizasyonunun (WMO) kayda başladığı 1861 yılından beri sürekli artmaktadır. Yirminci yüz yılda artış 0.6 o C den fazladır. Kuzey yarımküre için yapılan analizlerde, yirminci yüzyılın en sıcak yılı olarak 1998 yılı bulunmuştur. Yüzey sıcaklığı, doğanın ekosistem değişim döngüsünde önemli rol oynamaktadır. Bu nedenle yüzeylerin fiziksel karakteristiklerinin ölçümünde bir göstergedir. Yer yüzey sıcaklığı, yüzey yayınırlığı ve atmosferik özellikler dikkate alınarak, uydu verileri yardımı ile hesaplanmaktadır. Aksi halde bu iki özellik dikkate alınmadan yüzey sıcaklığı hesaplandığında 12 o K kadar hata yapıldığı görülmüştür. Hesaplamalarda Kore Yarımadası na ait 1998 yılı NOAA-AVHRR verileri kullanılmıştır. Yer yüzey sıcaklığını doğru olarak elde etmek için 1.3 o K hata ile işlemsel bir algoritma oluşturulmuştur. Elde edilen yeni SW algoritması, uydu verileri haricinde ek bir veriye ihtiyaç duymamaktadır. Yang(2006) çalışmasında, yüzeyin çeşitliğine bağlı olarak yayınırlığın farklılaşması ve atmosferik emilme etkisinin yer yüzey sıcaklığının hesaplanmasını oldukça zorlaştırdığını ileri sürmüştür. Bu zorlukları ortadan kaldırmak için Becker ve Li(1990a) algoritması tekrar yenilenmiştir. Algoritmanın denenmesinde NOAA- 16/17 AVHRR verileri kullanılmıştır. Söz konusu algoritmanın geliştirilmesinde yüzey parametreleri ve atmosferik nicelikler dizini kullanarak model geliştiren, MODTRAN programı kullanılmıştır. Çalışmadaki veriler 10 günlük NOAA/AVHRR görüntülerinin 4. ve 5. kanallarındaki parlaklık sıcaklık değerleri kullanılarak, yer yüzey sıcaklık değerleri elde edilmiştir. Elde edilen yer yüzey sıcaklığı değerleri, aynı periyot ve bölgede MODIS uydusu tarafından elde edilen yer yüzey sıcaklığı değerleri ile kıyaslanmıştır. Kıyaslama neticesinde geliştirilen algoritmanın tutarlı 15

30 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Mehmet ŞAHİN olduğu gözlenmiştir. Ayrıca çoğu bölgede iki uydu değeri arasındaki farkın 2.5 o K kadar olduğu ortaya çıkmıştır. NOAA uydusundan elde edilen yer yüzey sıcaklığı değeri, Çin deki 257 meteorolojik istasyonun yer veri değerleri ile kıyaslanması yapılmıştır. Yer ve uydu değerleri arasındaki korelasyon ilişkisinin 0.90 dan büyük, RMSE değerinin ise 3.4 o K olduğu saptanmıştır. Pinheiro ve arkadaşları(2006) çalışmalarında, Afrika kıtasının yıllar arasındaki altı yıllık zaman dilimindeki, NOAA 14-AVHRR algılayıcısının verileri kullanarak yer yüzey sıcaklığı veri topluluğunu elde etmişlerdir. Çalışmada kullanılan veriler level-1b formatından alınarak radyometrik ve geometrik düzeltmesi yapılmış ve yer yüzey sıcaklığı, Ulivieri ve arkadaşlarının(1994) geliştirdiği algoritma kullanılarak elde edilmiştir. Çalışmada kullanılan algoritma ile işlem yapmak için AVHRR algılayıcısının 4. ve 5. kanalının yayınırlık değeri kullanılmıştır. Yer yüzey sıcaklığını hesaplamak için yayınırlık haritası yapılması gerektiği kanısına varılmıştır. Bu amaçla kıtasal yayınırlık haritası geliştirilmiştir. Algoritmadan elde edilen yer yüzey sıcaklık değeri ile yer değeri arasında uyumlu bir sonuç görülmüştür. Gündüz yapılan ölçümlerde 1.5 o K lik, gece yapılan ölçümlerde ise 2.5 o K lik hata yapıldığı tespit edilmiştir. 2.2.Atmosferik Nem Açıklığının Hesaplanmasıyla İlgili Çalışmalar Hay ve Lennon(1999) yaptıkları çalışmada, 1990 yılına ait NOAA/AVHRR verilerini kullanarak Afrika kıtası için aylık ortalama değerde atmosferik nem açıklığını hesaplamışlardır. Bulunan aylık ortalama değerler, meteorolojik istasyonlardan elde edilen verilerle karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak; RMSE değerinin, ortalama değerden % 12 farklı olduğu anlaşılmıştır. Green ve Hay(2002) yaptıkları çalışmada, yakın yüzey hava sıcaklığını(t a ) ve buhar basınç açıklığını(vpd), Avrupa ve Afrika kıtası üzerindeki meteorolojik istasyonları kullanarak hesaplamışlardır. Ayrıca NOAA uydu verilerini kullanarak yer yüzey sıcaklığını ve VPD değerini elde etmişlerdir. Her iki çalışmada elde edilen sonuçların aylık ortalama değerleri alınmıştır. Yapılan korelasyon çalışmalarında, aylık maksimum yer yüzey sıcaklığı değeri ile aylık T a değeri arasında 0.85 den daha büyük ilişki olduğu gözlenirken, VPD değerinin aylık yer ve uydu 16