Murat Karabulut Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi, Coğrafya Bölümü

Transkript

1 YAKIN MESAFE UZAKTAN ALGILAMA TEKNİKLERİNİN KULLANILARAK YÜZEY SULARININ İNCELENMESİ INVESTIGATION OF SURFACE WATER USING REMOTE SENSING NEIGHBORHOOD DISTANCE TECHNIQUES Murat Karabulut Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi, Coğrafya Bölümü ÖZET Göl, gölet ve barajların akarsular tarafından taşınan sedimentler tarafından doldurulması Türkiye de ve dünyada en önemli çevre sorunlarından birini oluşturmaktadır. Bu sedimentler zaman içerisinde baraj ve göletlerin kullanılabilme sürelerinin kısalmasına sebep olurlar. Bir çok araştırıcı laboratuar teknikleri gibi geleneksel yöntemleri kullanarak su içerisinde asılı bulunan sedimentler üzerinde araştırmalar yapmıştır. Ancak bu geleneksel metotlar çok pahalı olup, çok zaman ve yoğun iş gücünü gerektirirler. Diğer taraftan son yıllarda yüzey sularının kaliteleri ile ilgili çalışmalarda uzaktan algılama (Remote Sensing) yoluyla toplanan veriler önemli veri kaynakları haline gelmiştir. Çünkü uzaktan algılama yolu ile sürekli ve geniş alanlara ait bilgileri daha kısa sürede elde etmek mümkündür. Bu araştırmada yakın mesafe uzaktan algılama teknikleri kullanılarak su içerisinde asılı bulunan sediment incelenmiştir. Bu araştırmanın ana objektifleri: a) farklı miktarlardaki sedimentlerin uzaktan algılama yolu ile ayırt edilebilirliğinin belirlenmesi, b) en uygun ışık dalga boylarının tespit edilmesi, c) yakın mesafe uzaktan algılama yöntemiyle, uzak mesafe uzaktan algılama çalışmaları için yer gerçekleri hazırlanmasıdır. Sonuçlar yoğunluğu fazla sedimentlerin az olanlardan kolayca ayrıldığını ve uzaktan algılama tekniklerinin farklı karakterdeki sedimentlerin tanınmasında çok önemli ipuçları verdiğini göstermiştir. Bu çalışma ayrıca uzaktan algılama verilerinin yüzey sularının kalitelerinin belirlenmesinde yüksek bir potansiyele sahip olduğunu ortaya koymuştur. Anahtar Kelimeler: Uzaktan Algılama, Su kalitesi, Yakın Mesafe, Asılı Sediment, Spectroradyometre ABSTRACT Remote sensing data are becoming an important source of information for assessment of surface water quality. Traditional methods are time consuming, expensive and labor intensive. The objectives of this research are to use close range remote sensing to a) determine if three different colored sediment in water can be separately identified, b) determine what wavelengths are best for my purpose, and c) use close range multi-spectral remote sensing to provide ground truth for large scale remote sensing studies. Three different colored soils were used in the experiment, one light soil, other red and the last one dark. The results indicate that white colored sediment shows significant differences from red and dark soils. The low reflectivity of dark soil (less than per cent) and relatively high reflectance of red soil occurred in the visible portion of the EMS. The results proved that remotely sensed data have potential to research surface water quality. Key words: Remote Sensing, Water Quality, Close Range, Suspended Sediment, Spectroradiometer GİRİŞ Göl, gölet ve barajların akarsular tarafından taşınan sedimentlerle doldurulması Türkiye de ve dünyada en önemli çevre sorunlarından birini oluşturur. Bu sedimentler zaman içerisinde baraj ve göletlerin kullanılabilme sürelerinin kısalmasına sebep olurlar. Yine yüksek yoğunluktaki sediment içeriği bu alanlardaki biyolojik hayatı olumsuz yönde etkiler. Örneğin, yoğun sediment içeriği, güneş ışınlarının su içerisindeki hareketini sınırlandırmak suretiyle güneş ışığına muhtaç olan bitki ve hayvanların yaşam şartlarını olumsuz yönde etkiler. Ayrıca su içerisinde yoğunlaşan sedimentler içme ve sanayi sularının kalitelerini düşürürler. Özellikle

2 tarımsal içerikli, fosfor, nitrojen ve diğer kirleticilerin su içerisinde tutulmasına sebep olarak kirliliğe sebep olurlar. Bir çok araştırıcı laboratuar teknikleri gibi geleneksel yöntemleri kullanarak su içerisinde asılı bulunan sedimentler üzerinde araştırmalar yapmıştır. Ancak geleneksel metotlar çok pahalı olup, çok zaman ve yoğun iş gücünü gerektirirler. Bu teknikler diğer taraftan, seçilmiş noktalardan veri toplamaya elverişli oldukları için çalışılan alanın tamamı hakkında fikir vermezler. Buna karşılık uzaktan algılama teknikleri, geniş alanlarda kısa ve tekrarlanabilen zaman aralıklarında, bilgi ve veri toplanmasına elverişli ve kullanışlı bir metot olarak ortaya çıkmıştır. Bu verilerin sürekli ve kesintisiz güncelleştirilmesi hem çok kolay hem de çok ucuzdur. Bu yüzden son yıllarda bir çok bilim adamı uzaktan algılama tekniklerini kullanarak su içerisindeki sedimentlerin izlenmesi ve incelenmesi konusunda araştırmalar yapmıştır (Han ve diğerleri, 99; Lodhi ve diğerleri, 99; Bhargava ve diğerleri 99). Bütün bu çalışmalar uzaktan algılama tekniklerinin su kalitesi çalışmalarında çok uygun bir teknik olduğunu ortaya koymuştur. Sonuçlar güneş ışınlarının su yüzeyinden sediment yoğunluğuna bağlı olarak daha fazla yansıdığını ortaya çıkarmıştır. Bu ilişkiden yararlanarak su kalitesi üzerinde analizler yapmak mümkün olmuştur. Bilim adamları araştırmalarında sediment tipleri ile güneş ışınlarının yansıma oranları arasındaki ilişkileri incelemiş ve sediment partikül boyutları, organik madde miktarı, renk ve mineralojik yapıları ile ışınların yansıma miktarları arasında anlamlı ilişkiler olduğunu belirlemişlerdir. Özellikle partikül boyutu küçüldükçe yansıma miktarının arttığı görülmüştür (Han ve diğerleri, 99). Ancak uzaktan algılama yoluyla yapılan su kalitesi çalışmaları reflektans değerlerinin bir çok etkenin kontrolünde olması nedeniyle çok kompleks ve zordur. Bu faktörleri şu şekilde sıralayabiliriz: ) Su içerisinde asılı bulunan sedimentlerin yoğunluk düzeyleri, ) tane boyutu ve şekli, ) partiküllerin mineralojik yapıları, ) alg varlığı veya yokluğu ve ) sedimentlerin dikey ve temporal değişikliği (Novo ve diğerleri, 99). Buradan da açıkça anlaşılıyor ki yukarıdaki durumların bir veya bir kaçının sayısal ölçümlerinin reflektans değerlerine bağlı olarak yapılabilmesi uzaktan algılamanın su kalitesi çalışmalarında kullanımının önemini daha da artırmaktadır. Bu çalışmanın amacı yakın mesafe uzaktan algılama tekniklerini kullanarak aşağıdaki hedeflere ulaşmaktır. a) Su içerisinde asılı bulunan farklı sedimentlerin ayırt edilebilirliklerinin belirlenmesi, b) amaca en uygun dalga boyunun tespit edilmesi ve c) yakın mesafe multispektral uzaktan algılama teknikleri yoluyla geniş alanlı çalışmalar için yer gerçeklerinin hazırlanmasıdır. Bunların neticesinde deneyimizin genel hedefi, su içerisindeki sediment yoğunluğunun artışına bağlı olarak yansıma değerlerinde belirgin artışın var olup olmadığının tespitinin yapılmasıdır. Burada test edilen hipotez: Sediment içeriği arttıkça yansıma düzeyi değişecek ve farklı renk özellikleri toplam reflektans miktarı üzerinde etkili olacaktır.

3 MATERYAL VE METOT Bu laboratuar deneyi Nebraska Üniversitesi arazi kullanım inceleme merkezi (CALMİT) spektroradyometre laboratuarında gerçekleştirilmiştir. Nebraska eyaleti Lancester ilçesi sınırları içerisinde toplanan üç farklı renkte (açık, kırmızı ve koyu) toprak kullanılmıştır. Toprakların tamamı Nebraska Üniversitesi Koruma ve İnceleme departmanından sağlanmıştır. Deneyde litrelik siyah renkli polietilen tank kullanılmıştır. Tank cm derinlikte olup cm ye kadar su ile doldurulmuştur (Şekil ). Dış yansımaları ortadan kaldırmak amacı ile tank siyah renge boyanmıştır. Deney istenmeyen çevresel yansımaları önlemek ve ışımayı kontrol etmek amacıyla siyah renge boyanmış küçük bir odada yapılmıştır. Toprak örnekleri havası alınıp ufalandıktan sonra ABD standartları olan - ölçüleri elde edilecek şekilde elekten geçirilerek elde edilen elenmiş materyaller daha sonra tartılarak hazırlanan şişeler içerisinde belli miktar su ile karıştırılmıştır. litrelik su tankı içerisinde her defasında mg/l sediment yoğunluğu elde etmek için her bir toprak türü için dörder şişe gram toprak ihtiva eden şişeler hazırlanmıştır. Böylece her bir toprak türü için tank içerisinde - mg/l yoğunluk elde edilecek şekilde örnekler hazır hale getirildi. Daha sonra bu şişeler içerisine belli miktar su ilave edilerek aynı boyutta sedimentler elde etmek amacıyla çalkalanmıştır. Bu işlemden sonra her bir toprak türü için birinci şişenin tank içersine boşaltılması ile mg/l sediment yoğunluğu, son şişenin ilavesi ile de mg/l sediment yoğunluğuna sahip su kütlesi elde edilmiş oldu. Reflektans değerlerini toplamak amacıyla Spectron Engineering SE- spektroradyometresi kullanıldı. Bu sensör o lik optik ile sediment içeren su üzerinde ölçüm yapmaktadır. Spektron,-, nm arasında değişen farklı dalga boyunda veri toplama kapasitesine sahiptir. Nadir noktası olarak tankın merkezi seçilmiş ve sensör, m yükseklikteki platforma yerleştirilmiştir (Şekil ). Spektronun taradığı alanın çapı yaklaşık olarak cm dir (IFOV cm). Spektroradyometre spektralon adı verilen bir panel vasıtası ile kalibre edilmiştir. Yansıma faktörü aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanmıştır (Han ve Rundquist, 99). R(λ) = L (λ) / S (λ) * Cal (λ) * Burada, L (λ) hedefin radyant dalga boyunu (su yüzeyinden ölçülen yansıma değeri), S (λ) kalibrasyon panelinden elde edilen yansıma değerlerini, Cal (λ) ise kalibrasyon faktör değerini göstermektedir. Birinci tarama kalibrasyon amaçlı olarak boş tank üzerinde yapıldı. İkinci tarama temiz su üzerinde yapıldıktan sonra tanka içerisinde orta derecede mavi yeşil alg bulunan litrelik su ilave edilmiş ve reflektans ölçümleri yapılmıştır. Bu aşamadan sonra farklı yoğunluk düzeyleri elde etmek amacıyla her bir toprak için gramlık şişeler sırasıyla tanka boşaltılmıştır. Sediment ilavesinden sonra tank içerisindeki su manual olarak - dakika karıştırılıp eşit yoğunlukta sediment içeriği sağlanarak daha homojen bir yüzey üzerinde ölçümler yapılmaya çalışılmıştır. Dalga etkisini ortadan kaldırmak amacıyla tank ivedi olarak taranmamış, ancak sedimentlerin tabana çökmesine fırsat verilmeden ölçüm işlemleri pratik bir şekilde tamamlanmıştır. BULGULAR VE TARTIŞMA Mavi-Yeşil Alg (MYA) ve temiz su spektral reflektans özellikleri bakımından önemli farklılıklar göstermemiştir. MYA ve temiz su reflektans değerleri en yüksek ölçüsüne %, ile mavi dalga boyunda en düşük değerlerine de %, ile yakın infrared bölgesinde sahip olmuştur (Şekil ). MYA varlığına rağmen düşük spekral değerlerin elde edilmesinin nedeni tank içerisindeki su miktarının çok fazla olması ve alg düzeyinin düşük kalması ile ilgilidir.

4 Üç farklı toprak türü için spektral özellikler şekil ve de gösterilmiştir. Reflektans değeri sediment yoğunluğunun artması ile bütün dalga boylarında artış göstermiştir. Ancak koyu renkli sediment ile yapılan ölçümler kırmızı ve açık renkli sediment ölçümlerine göre daha düşük değerler ortaya koymuştur. Şekillerden de anlaşıldığı gibi maksimum yansıma değerleri - nm lik bir alandaki dalga boylarında ölçülmüştür. Koyu ve ile açık renkli sediment arasında yaklaşık olarak % - civarında yansıma farkı tespit edilmiştir. Koyu renk için mg/l ile mg/l arasındaki reflektans farkı sadece % dir. Diğer taraftan açık renkli sediment mg/l de %, reflektans değerinden mg/l için %, yansıma değerine yükselmiştir. Yani yansıma değeri üç misli kadar artış göstermiştir (Şekil ). Kırmızı toprak ise %, ila, arasındaki yansıma değerleri ile orta derecede reflektans özelliği göstermiştir. Bu sonuçlar sediment miktarı ve fiziksel özelliklerin birlikte etkisi ile yansıma değerinin farklılaştığını ortaya koymaktadır. Özellikle renk başta olmak üzere boyut ve organik madde içerikleri de yansıma karakteri üzerinde etkili olmaktadır. Koyu renkli sediment için pik (maksimum) reflektans dalga boyu sediment ilavesi ile birlikte nm den 9 nm ye yükselmiştir. Halbuki kırmızı toprak için pik reflektans dalga boyu nm den nm ye ulaşmıştır ki buda en düşük değişimi ifade etmektedir. Diğer taraftan açık renkli toprak için maksimum reflektans dalga boyu nm den nm ye yükselerek kırmızı renkli sedimente benzer değişim sürecine sahip olmuştur (Şekil ). Sonuçlar açık renkli sediment içeriklerinin kısa dalga boyları, koyu renklilerin ise daha uzun dalga boyları aracılığıyla tespit edilebileceğini göstermiştir. Bu durum reflektans değişimin sadece sediment yoğunluğu ile ilgili olmayıp renkle de çok yakın bağlantısının olduğunu ifade etmektedir. Reflektans değerleri ile sediment yoğunluğu arasındaki ilişki su ile sediment üzerinde ışığın saçılması/azalması (kaybolması) oranına bağlıdır (Novo, ve diğerleri, 99). Bu nedenle sadece sedimentlere bağlı yansıma değerleri toplam reflektans miktarının temiz su yansıma miktarından çıkartılmak suretiyle kolayca hesap edilebilir. Bu amaca yönelik olarak bütün sediment türlerinin mg/l deki yansıma değerleri temiz su değerlerinden çıkartılarak şekil da gösterilmiştir. Yüksek yoğunlukta her bir sediment kolay ayırt edilebilecek değerler ortaya koymuştur. Şekilde de görüldüğü gibi açık renkli sediment ile koyu renkli arasında % lik bir fark bulunmaktadır. Ancak diğer taraftan koyu ve kırmızı renkli sedimentler arasındaki fark kırmızı renklerin infrared dalga boyunda hızla azalması ile belirsiz hale gelmiştir. Yani uzun dalga boyularında koyu ve kırmızı renk benzer davranışlar göstermektedir. Sediment yoğunluğu ile yansıma değerleri arasındaki ilişkinin gücünü tespit etmek amacı ile her bir sediment türü için Pearson korelasyon katsayısı hesap edilmiştir. Korelasyon katsayısı ilişkinin görünen ışık dalga boyunda, dan daha yüksek olduğunu göstermektedir. Açık tonlu toprak diğer iki tip toprağa göre daha güçlü bir ilişki meydana getirmektedir. Sediment yoğunluğu ve yansıma arasındaki ilişkileri daha belirgin bir şekilde ortaya koyabilmek için, ve, nm deki reflektans değerleri hesap edilerek şekil ve üzerine yerleştirilmiştir., nm de açık renkli toprak dalga boyları ile güçlü bir doğrusal ilişki oluştururken, koyu ve kırmızı renkli topraklar aynı dalga boyunda birbirlerine benzer şekilde orta veya düşük derecede ilişkiler üretmişlerdir. Diğer taraftan, nm de açık renkli sedimentler belirgin bir şekilde diğerlerinden ayırt edilebilirken koyu ve kırmızı renkler aynı yansıma değerleri ürettiklerinden birbirlerinden belirgin şekilde ayrılmamaktadırlar. Bu sonuçlar farklı renkteki sediment içeriklerinin nm dalga boyu civarında daha kolay ayırt edilebileceklerini ifade etmektedir.

5 SONUÇ Yüzey sularından elde edilen yansıma değerleri, su içerisinde asılı bulunan sedimentlerin miktar, renk ve boyut özellikleri ile yakından ilgilidir. Açık tonlu sedimentler spektral olarak koyu ve kırmızı tonlu olanlardan istatistiksel olarak belirgin şekilde farklılık gösterirler. En düşük yansıma değerleri % lik bir oranla koyu renkli sedimentlere ait iken kırmızı renkli sediment içerikleri elektromanyetik spektrumun görünen dalga boylarında relatif olarak daha yüksek yansıma değerleri üretmiştir. Özellikle ile nm arasındaki dalga boyları su içerisinde asılı bulunan sediment içerikleri hakkında önemli bilgiler sağlamaktadır. Neticede bu deney yakın mesafe uzaktan algılama teknikleri kullanmak suretiyle yüzey suları sediment içerikleri hakkında önemli bilgiler elde edebileceğimizi ispat etmiştir. Ancak yüksek potansiyeline rağmen çok yeni olan bu tekniğin yüzey sularının incelenmesinde yeteri derecede kullanılmadığını göstermekteyiz. Havzalardaki toprak erozyon nedeni ile akarsular tarafından taşınarak göl veya barajlarda biriktirilmektedir. Göl, gölet ve barajların uzaktan algılama yolu ile periyodik olarak izlenmesi, erozyona maruz kalan toprak miktarı ve tipi hakkında bize önemli bilgiler sağlayacak ve havza içerisinde kritik alanların tespiti kolaylaştıracaktır. Ayrıca canlı yaşamı için önem taşıyan zehirli maddelerin tespitinin yapılması bu yolla daha da kolaylaşacaktır. Kısaca bu çalışma uzaktan algılama tekniklerinin yüzey sularının kalitesinin incelenmesinde ucuz ve etkili bir yol olduğunu göstermiştir.. m Sensor Işık kaynağı. m IFOV= cm TANK Şekil : Deney düzeneği. Figure : Expermential design

6 Sediment Yoğunluğu ve Yansıma İlişkileri Yansıma (%) 9 9 Dalgaboyu(nm) Açık ( mg/l) Açık ( mg/l) Açık ( mg/l) Açık (mg/l) Kırmızı (mg/l) Kırmızı (mg/l) Kırmızı (mg/l) Kırmızı (mg/l) Temiz su % MYA Koyu (mg/l) Koyu (mg/l) Koyu (mg/l) Koyu (mg/l) Şekil : Sediment yoğunluğu ve yansıma ilişkileri. Figure : Relationship between SSC and reflectance mg/l sediment yoğunluk düzeyinde spektral farklılıklar Yansıma (%) 9 9 Dalga boyu (nm) Açık (mg/l) Kırmızı (mg/l) Temiz su MYA Koyu (mg/l) Şekil : mg/l sediment yoğunluk düzeyi. Figure : Spectral curves of different suspended sediment ( mg/l).

7 9 Açık renkli sediment, mavi-yeşil alg (MYA) ve temiz su için spektral özellikler Yansıma (%) 9 Dalgaboyu (nm) Açık ( mg/l) Açık ( mg/l) Açık ( mg/l) Açık (mg/l) Temiz MYA Şekil : Açık renkli sediment, mavi-yeşil alg (MYA) ve temiz su için spektral özellikler. Figure : Spectral curves of light sediment, BGA and clear water. Pik (maksimum) reflektanslarının spektral konumları Dalgaboyu nm 9 9 açık kırmızı koyu SSC mg/l Şekil : Pik (maksimum) reflektanslarının spektral konumları. Figure : Spectral positions of peak reflectances whit varying SSC.

8 Temiz su ve açık, kırmızı, koyu sediment ( mg/l) spektral farklılıkları Yansıma farklılıkları (%) 9 Dalga boyu (nm) Açık (mg/l) Kırmızı (mg/l) Koyu (mg/l) Şekil : Temiz su ve açık, kırmızı, koyu sediment ( mg/l) spektral farklılıkları. Figure : Difference reflectance spectra between SSC ( mg/l) and pure water for light, red and dark colored soils. Farklı sedimentler için, nm dalga boyunda yansıma değerleri Yansıma % açık kırmızı koyu SSC mg/l Şekil : Farklı sedimentler için, nm dalga boyunda yansıma değerleri Figure : Reflectance with varying SSC, nm

9 Farklı sedimentler için, nm dalga boyunda yansıma değerleri, Yansıma %,, açık kırmızı koyu, SSC mg/l Şekil : Farklı sedimentler için, nm dalga boyunda yansıma değerleri. Figure : Reflectance with varying SSC, nm KAYNAKLAR Bhargava, D. Ve D. W. Mariam, 99, Spectral relationships to tubidity generated by different clay materials, Photogrammetric Engineering and Remote Sensin, v., pp.-9. Han, L., D.C., Rundquist, 99, Spectral characterization of suspendede sediments generated from two texture classes of clay soil, Remote Sensing Letters, pp. -9. Lodhi, M.A., D.C., Rundquist, L. H an, ve M.S. Kuzila, 99, The potential for remote sensing of loess soils suspendede in surface waters, Journal of the American Water Resource, v., pp. -. Novo, E.M.M., J.D. Hamsom ve P.J. Curran, 99, The effect of sediment type on the relationship between reflectance and suspended sediment concentration, I. Journal of Remote Sensing, v., pp