COĞRAFĐ BĐLGĐ SĐTEMLERĐNĐN ÇEVRESEL UYGULAMALARDA KULLANIMI: ArcGIS UYGULAMASI

Transkript

1 COĞRAFĐ BĐLGĐ SĐTEMLERĐNĐN ÇEVRESEL UYGULAMALARDA KULLANIMI: ArcGIS UYGULAMASI THE USAGE OF GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM IN ENVIRONMENTAL APPLICATIONS: ArcGIS APPLICATION ÖZGE KAYA, BURAK DEMĐRHAN, BEYTULLAH ÖZ, ERDAL KARADURMUŞ ÖZET Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS), coğrafi verilerin toplanması, bilgisayar ortamına aktarılması, depolanması, işlenmesi, analiz edilmesi ve sunulması amacıyla geliştirilmiş bileşenlerden oluşan bir bütündür. CBS teknolojisi sayısal akıllı haritalar yardımıyla sorgulama amaçlı veri tabanlarını ve istatistiksel analizi kullanarak bilgilerin sınıflandırılmasını sağlar. Çalışmanın amacı MATLAB yazılımı ile 11 adet kirlenme değişkeni (organik azot, amonyak, nitrit azotu, nitrat azotu, organik fosfor, çözünmüş fosfor, çözünmüş oksijen (DO), biyolojik oksijen ihtiyacı (BOD), toplam koliform, klorür, alg) takibini yapabilen, akarsuya bırakılan bir kirlilik yükünün akarsu boyunca değişimini grafiksel olarak verebilen akarsu benzetim programının, daha kullanıcı dostu bir ara yüze sahip hale getirilmesi ve CBS ile bütünleştirilmesidir. AKAB akarsu sistemi benzetim yazılımı, VISUAL BASIC ile yeniden yazılmış ve programın CBS ile bütünleştirilmesi ise ArcGIS Engine yazılım geliştirme paketi kullanılarak yapılmıştır. Çalışma dört aşamadan oluşmaktadır: AKAB yazılımının AKABVB ye çevrilmesi, yöresel uydu fotoğraflarının sayısallaştırılması, sayısal harita program bütünlüğünün sağlanması ve sayısal haritada bulunan akarsulara ait veri tabanının oluşturulması. Çalışma tamamlandığında her hangi bir akarsuya bırakılan bir kirleticinin gelecekte akarsuyu nasıl etkileyeceği ve akarsuyun gelecekte karşılaşabileceği tehlikeler öngörülerek akarsuyun geleceği garanti altına alınabilecektir. Çalışma ile Yeşilırmak nehri üzerindeki kirlilik yükü belirlenecek, başta Yeşilırmak olmak üzere bu kirliliğin çevreye olan etkisi en aza indirilecektir. Anahtar Kelimeler: CBS, AKAB, AKABVB, çevresel etkiler, kirlilik parametreleri, Yeşilırmak, ArcGIS, akarsu modellemesi ABSTRACT Geographical information systems (GIS) are a complete pack consists of acquiring geographical data, transferring and storing in computer media, processing, analyzing and presenting components. GIS technology provides classification of data with statistical analysis and inquiry databases with assistance of digital maps. The objective of this study is to make the stream modeling software which can trace 11 pollution parameters (organic nitrogen, ammonia nitrogen, nitrite nitrogen, nitrate nitrogen, organic phosphate, dissolved phosphate, dissolved oxygen (DO), biological oxygen demand (BOD), total coliform, chloride, algae) with assistance of MATLAB more user-friendly interface and integrate with GIS. AKAB stream modeling software is rewritten with VISUAL BASIC and integration with GIS done with ArcGIS Engine software development kit. The study formed by four steps: converting and rewriting AKAB software to form AKABVB, digitalization of regional satellite images, achieving digital map-software integrity and building databases of streams in digital maps. The future of stream can be guarantied by the foreseen of future effects of pollutant left in any stream and risks that the stream may face in the future when the work completed. Hitit Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü19100/ÇORUM Tel: (364) E-Posta: erdalk@gazi.edu.tr

2 With this study, contaminant load on Yeşilırmak River will be detected and the effects of this pollution will be minimized. Keywords: GIS, AKAB, AKABVB, environmental effects, pollution parameters, Yeşilırmak, ArcGIS, river stream modeling 1.GĐRĐŞ Çevresel bilgilerin coğrafi olarak işlenmesi gün geçtikçe gelişmekte ve her geçen gün çok sayıda ve farklı amaçlara hizmet eden Coğrafi Bilgi Sistemi (CBS) yazılımları kullanıma sunulmaktadır. Haritalarla görsel veri elde etmek mümkün olduğundan coğrafi bilgi sistemleri özellikle karar verme aşamasında önemli kolaylıklar sağlamaktadır. Veriler sürekli güncellenebilir ve internet ortamında diğer kuruluşlarla paylaşılabilir. Bu nedenle hem kuruluşlar arasında aynı işlemin tekrar yapılması olasılığı önlenir hem de şeffaflık artırılabilir. Bu şekilde hareket ederek personel sayısının azaltılmasıyla maliyetler düşürülmekte ve üretim hızı artmaktadır. Bunlara ilave olarak en önemlisi yapılan işin kalitesi artmaktadır. Çok fazla sayıda senaryo üreterek, önemli olan faktörler belirlenebilir. Ülkemizde de son yıllarda bu sistemin kullanımı artmış ve sistem farklı alanlarda uygulanmaya başlamıştır. Bu sistemin uzaktan algılama sistemi olarak kullanılması ise daha fazla önem kazanmıştır. Türkiye de son 10 yılda su kaynakları yönetiminde özellikle de akarsu havzası modellerinde bazı önemli coğrafi bilgi sistemleri çalışmaları yapılmıştır. Bu çalışmalar sonunda yayınlanan raporlarda Türkiye akarsu havzalarında gözleme ve izleme istasyonları kurularak gerçek zamanlı verilerin toplanması önerilmiş ve bu verilerin konumsal veri tabanlarıyla desteklenerek coğrafi bilgi sistemleri konusunda da işlenmesi önerilmiştir. Devlet Su Đşleri tarafından 2003 yılında Seyhan Akarsu havzası için yapılan model çalışmalarında konumsal veriler üzerine bazı modeller geliştirilmiştir. Ayrıca üniversiteler ve araştırma kurumları tarafından su kaynaklarının geliştirilmesi ve iyileştirilmesi konusunda coğrafi bilgi sistemi çalışmaları işlenmiştir fakat bu çalışmalarda izlenen format Avrupa Birliği üye ülkelerinin izlemiş olduğu coğrafi bilgi sistemindeki veri modelleme veri analiz formatlarına uymamaktadır. Türkiye de yapılan coğrafi bilgi sistemleri çalışmaları akarsu havzaları boyutundan daha çok küçük alanlarda yapılan çalışmaları içermektedir. 2.MATERYAL VE YÖNTEM 2.1. AKAB (Akarsu Benzetimi) Akarsu benzetimi konusunda dünyada en çok kullanılan yazılımlar da dâhil olmak üzere bilinen modellerin çoğunda dinamik benzetim özelliği yoktur ve model parametreleri deneme yanılma yoluyla belirlenir. Bu iki özelliğe sahip yazılım bulmak neredeyse mümkün gözükmemektedir. Buradan yola çıkarak model parametrelerini en iyileştirerek dinamik benzetimi, uzman desteği olmaksızın gerçekleştirme kolaylığını sağlamak üzere AKAB geliştirilmiştir. Kullanıcı etkileşimli bir ara yüzü (GUI) sayesinde akarsuya ve karışan kirlilik yüküne ait bilgiler beş ana adımda yazılıma tanıtılmaktadır. Arka planda programlanmış olan gelişmiş modelleme ve benzetim teknikleri sayesinde akarsuyun akışı ve bu arada içinde gerçekleşen doğal biyolojik ve kimyasal tepkimeler gerçeğe en yakın şekilde benzetilmektedir. AKAB ın takibini yaptığı kirlenme değişkenleri, organik azot, amonyak azotu, nitrit azotu, nitrat azotu, organik fosfor, çözünmüş fosfor, çözünmüş oksijen (DO), biyolojik oksijen ihtiyacı (BOD), toplam koliform, klorür ve alg dir.

3 AKAB ile bu değişkenlerin akarsu uzunluğu boyunca değişimi grafiksel olarak gözlenebilmektedir. Dolayısıyla nehre karışacak bir kirletici yükün etkisinin ne kadar olacağını öngörmek kolaylaşmıştır. Şekil2.1 AKAB Ara Birim Görüntüsü AKAB; Akarsu havzalarında, tarımsal su kullanımı ve su ürünleri planlamasında, çevresel etki değerlendirmesinin (ÇED) kolay ve sağlıklı yapılmasında, kirlenmenin denetim altına alınarak doğanın korunmasında önemli katkı sağlayabilecek nitelikte bir yazılımdır. AKAB ve Coğrafi Bilgi Sistemleri birlikte kullanılarak bir akarsu için; istenen bir noktada su kalitesi önceden belirlenebilir ve su kalitesinin iyileştirilmesi çalışmaları ve kirlenme kontrolü için ihtiyaç noktaları en iyi şekilde saptanabilir ArcGIS Engine ArcGIS Engine standart bir CBS çalışma arabirimi sunarak dünyanın en çok kullanılan CBS yazılımlarının da (ArcVIEW, ArcEditor ve ArcInfo) geliştirildiği aynı nesne paketlerini içermektedir. ArcGIS Engine bilgisayar başına bir lisans anahtarı gerektirdiğinden lisans sahibi bir bilgisayarda birden fazla CBS uygulaması çalıştırılabilir. Đyi hazırlanmış program paketleri sunmayı kolaylaştıran ve herkesin alışık olduğu bir dizi geliştirici kontrolleri içerir. Bu sayede programa alışmak kısa zaman alır. ArcGIS Engine ve bileşenleri Windows, Solaris ve Linux gibi yaygın kullanımı bulunan işletim sistemleri ile uyumlu olduğundan hangi işletim sistemi için yazılım geliştirilmek isteniyorsa buna imkân sağlar. Programcının yeni bir dil öğrenmesine gerek kalmadan NET, Java, COM ve C++ gibi dillerde geliştirmesine olanak tanır Visual Basic Đle Yapılan Çalışmalar COM (Component Object Model: Bileşen Nesne Modeli) programlama dili olan VB (Visual BASIC) programcıya kendi bileşenlerini oluşturmayı sağlamaktadır. Ayrıca oluşturulmuş nesnelerin geliştirilen yazılım içerisinde kullanımına da imkân vermektedir. Standart Exe olarak hazırlanan projeye ArcGIS Engine bileşenleri, Proje/Bileşen menüsünden eklenir. Projeye eklenen ArcGIS bileşenleri; ESRI LicenseControl ESRI MapControl ESRI PageLayoutControl

4 ESRI TOCControl ESRI ToolbarControl ArcGIS bileşenlerini içeren proje tek formdan oluşmaktadır. Bu form içerisine yerleştirilen kontrollerle bir harita açılarak bu haritanın katmanlarını ve bu katmanların içerdiği verileri analizlemek veya değiştirmek mümkündür. Açılan harita üzerinde bulunan veriler projenin diğer bileşeni olan akarsu benzetimini gerçekleştiren modüle gönderilerek işleme sokulmaktadır. Bu modülün ihtiyaç duyduğu verilerin tamamı harita üzerinde bulunabileceği gibi program özelleştirilerek hangi verilerin harita üzerinden alınacağı belirlenerek program özelleştirilebilir. Programın model parametrelerinin ve modelin kullanacağı verilerin görülebileceği kısım ana ekranda bulunan Veri Girişi butonu ile ulaşılan Simülasyon Parametreleri penceresidir. Bu pencerede üç ana bölüm bulunmaktadır. Bunlardan ilki akarsu verilerinin girilebileceği kısımdır. Temel Parametreler olarak adlandırılan bu kısımda modelin çalışması için gerekli başlangıç değerleri bulunmaktadır. Bu değerler CBS programı sayesinde harita üzerinden alınabileceği gibi elle de girilebilir. Harita üzerinden bu verilerin alınabilmesi için verilerin, programın sorgulayacağı adreslerde ve önceden belirlenmiş format ve etiketlerle bulunması gerekir. Đkinci kısım olan Model Parametreleri ise adından da anlaşılacağı üzere benzetim modelinin kullandığı parametreleri içermektedir. Bu parametre değerleri elle girilebileceği gibi önceden kaydedilmiş bir veri tablosundan da elde edilebilir. Her bir parametrenin ne olduğu ve sınır değerleri açıklama kısmında görülebilmekte ve buda kullanıcıyı yanlışlık yapmaktan uzak tutmaktadır. Veri giriş penceresinin son kısmı ise Yan Kol Sayısı ve Değişkenleri dir. Burada akarsuya karışan yan kollar ve bu yan kollara ait başlangıç değerleri girilebilmektedir. Aynı şekilde bu değerler de harita üzerinde bulunduğu takdirde harita verileri kullanılabilmektedir. Şekil 2.2 AKABVB Ekran Görüntüsü Şekil 2.3 AKABVB Temel Simülasyon Parametreleri Model için gerekli tüm veriler elde edildiktin sonra an pencerede bulunan model komutları kullanılabilir. Bunlardan ilki olan Çalıştır komutu ile model değişkenleri işleme sokarak başlangıç değer problemini çözer. Bu işlemin süresi programın çalıştırıldığı donanımın özelliklerine bağlıdır. Pentium IV 2000 MHz işlemcili 256MB RAM ve Windows XP kurulu bir sistemde ortalama 1 dakika içinde işlem tamamlanabilmektedir.

5 Şekil 2.4 AKABVB Model Parametreleri Şekil2.5 AKABVB Yan Kol Sayısı ve Değişkenleri Model işlemleri bittiğinde ana pencerede bulunan grafik kısmından modelin benzetimini yaptığı 11 değişkenden biri grafiksel olarak nehrin konumuna bağlı olarak gözlenebilmektedir. Bu değişkenler için 11 adet diferansiyel eşitlik başlangıç değer problemi olarak Runge-Kutta (4,5) yöntemi ile çözümlenmiştir. Bunun içim matris formunda hazırlanan denklem sistemi alt programda çözülmüştür Coğrafi Bilgi Sistemi Örnek Çalışması Çalışmanın ilk aşamasında AKAB, MATLAB ortamından farklı bir ortam olan COM destekli VISUAL BASIC ortamında yeniden yazılmıştır ve çalıştırılmaya hazır hale getirilmiştir. Đkinci aşamada ise hazırlanan bu program altında çalışabilecek haritaların çizilmesi hedeflenmiştir. Bunun için Çorum ve Amasya illerinin uydu fotoğrafları ArcGIS ENGINE bir alt programı olan ArcVIEW ile sayısallaştırılmıştır. Öncelikle Çorum iline ait uydu fotoğrafı adresinden temin edilmiş ve ArcVIEW programına modifiye edilmiştir. Daha sonra bu uydu fotoğrafından yararlanılarak en geniş katman olan il sınırları çizilmiştir. Bundan sonraki aşama bu il sınırları dâhilinde bulunan katmanları Çorum il Sınırlar katmanın üzerine çizmektir. Bir üst katman olan Çorum Akarsular katmanı, Çorum il Sınırlar katmanının üzerine çizilmiştir. Burada dikkat edilmesi gereken husus, sol taraftaki katman penceresinde her iki katmanın da işaretli olduğudur. Duruma bağlı olarak istenen katman işaretlenerek görüntülenebilir, istenmeyen katmana ait işaret kaldırılarak bu katmanın görüntülenmesi engellenebilmektedir. Son aşamada ise yerleşim yerleri harita üzerine yerleştirilmiştir. Çorum a ait yerleşim yerlerinin de harita üzerine yerleştirilmesiyle bu ile ait olan uydu fotoğrafı bilgisayarın anlayabileceği sayısal bir harita haline dönüştürülmüş olmaktadır. Eğer istenirse çizilen harita, çalışmanın daha görsel olması için uydu fotoğrafı ile birlikte kullanılabilir. Yapılan çalışmalar Şekil 2.6-Şekil 2.11 arasında görülmektedir. Bu hali ile ArcVIEW ortamında sayısallaştırılan uydu fotoğrafı, daha önce VISUAL BASIC ortamında hazırlanmış olan program AKABVB ile birlikte çalıştırılmaya hazır hale getirilmiştir. Çorum iline ait çalışmalarda izlenen algoritma aynen Amasya ili için de izlenmiş ve Amasya iline ait uydu fotoğrafı sayısal bir harita haline getirilmiştir.

6 Şekil 2.6. Çorum Đl Sınırı Şekil 2.7. Çorum Đlçe Sınırları Şekil 2.8. Çorum Đli Uydu Görüntüsü Şekil 2.9. Çorum Đli Tavuk Çiftliği Örnek Çalışması Şekil Çorum Đli Akarsu Gösterimi Yerleşimleri Şekil Çorum Đli Akarsu ve 3.SONUÇLAR Coğrafi bilgi sistemleri akarsu benzetimi için kullanıldığında, akarsu boyunca kirlilik unsuru olan ve takip edilen parametrelerin öznitelik bilgileri ile koordinatlı ve ölçekli grafik bilgileri bir arada değerlendirilebilmektedir. Böylece akarsuyun durumu sayısal ortamda incelenebilmekte ve geleceğe dönük planlamalar sağlıklı bir şekilde yapılabilmektedir. Bu yöntemlerle projelerde varılmak istenen sonuç önceden görülebilmekte, olası problemler önceden değerlendirilerek akarsuyun istenilen uzaklıktaki kirlilik yükü belirlenebilmektedir.

7 Bu çalışmada coğrafi bilgi sistemleri kullanılarak Çorum yöresindeki akarsu havzalarının benzetiminin sayısal ortamda yapılıp yapılamayacağının ön araştırması yapılmış ve yapılabilirliğine karar kılınmıştır. Bunun için öncelikle, yöredeki akarsuların mevcut altyapısı ile tüm verilerin coğrafi bilgi sistemi ortamında bilgisayara aktarılması, veri tabanının oluşturulması ve verimli kullanım için sorgulamanın alt yapısının hazırlanması gerekmektedir. Bunun için aşağıdaki yöntemler uygulanmış ve şu aşamalar izlenmiştir: 1. Akarsuya ait her türlü faaliyet ve karar verici mekanizmalar için gerekli olan mevcut durumu yansıtan geçerli ve güvenilir akarsu bilgileri öncelikle sağlanmıştır 2. Akarsu içinde takip edilecek olan parametreler belirlenmiş ve bu parametrelere ait bilgiler toplanmıştır 3. Toplanan bu bilgiler sayısal ortama aktarılmıştır 4. Sayısal ortamdaki aktarılmış bilgiler haritalar ile ilişkilendirilmiştir. Yukarıda bahsi geçe 4 maddenin gerçekleştirilebilmesi için öncelikle benzetim işlemini yapacak olan fonksiyonlar bilgisayara çözdürülmeli ve GIS yazılımları ile bu fonksiyonlar bütünleştirilmelidir. Fonksiyonların bilgisayara çözdürülmesi işleminin VISUAL BASIC ile bu benzetimin haritalar ile bütünleştirilmesi işleminin ise ArcGIS Engine ile yapılması amaçlanmıştır. Çalışmanın ilk aşaması olan fonksiyonların VISUAL BASIC ortamında hazırlanmış olan AKABVB programı ile çözdürülmesi işlemi tamamlanmış ve bu çalışma ile ikinci aşamaya geçilmiştir. Đkinci aşamada yöredeki akarsulara ait verilerin daha sağlıklı bir biçimde işlenebilmesi ve Coğrafi Bilgi Sistemleri ile modifiye halde kullanılabilmesi için Çorum ve Amasya illerine ait temin edilen uydu fotoğrafları ArcGIS/ArcVIEW ortamında sayısallaştırılmıştır. Sayısallaştırma işlemi katmanlar halinde yapılmış ve uydu fotoğrafı ile birebir örtüşmesi sağlanmıştır. Şu ana kadar yapılan sayısallaştırma işleminde her bir il için 4 adet katman bulunmaktadır. Bu katmanlar il sınırları, il sınırları dâhilindeki akarsular, yine sınırlar dâhilindeki yerleşim birimleri ve tavuk çiftliklerinden oluşmaktadır. Sayısallaştırılan uydu fotoğraflarına çalışmanın ilerleyen aşamalarında bölgenin coğrafi ve sosyal yapısı ile ilgili yeni katmanlar eklenecektir. Bundan sonraki aşamada ise AKABVB ile sayısallaştırılan haritaların birbirleri ile anlaşabilmelerini sağlamak ve harita üzerinde herhangi bir nokta fare ile işaretlendiğinde programın (bilgisayarın) bu noktanın hangi katmana ait olduğunu anlayabilmesini sağlamak amaçlanmaktadır. Bu işlem tamamlandığında harita ile AKABVB uyumluluğu tam anlamıyla sağlanmış olacak ve belirli aralıklarla alınan örneklerin analizlenmesi ile temin edilen bilgiler akarsulara ait veri tabanını oluşturulacaktır ki bu son aşamadır. Böylece 4 aşama ile takip edilen parametrelere ait denklemler bilgisayara çözdürülmüş, sayısal haritalar ile konum program ilişkisi sağlanmış, veri tabanı oluşturularak akarsuya ait bilgiler işlenebilir hale getirilmiş olacaktır. Gelinen bu noktada çalışmanın büyük bir bölümü tamamlanmış bulunmaktadır. Çalışma tamamlandığında yöresel akarsulara ait kirlilik takibi daha kolay yapılabilecek ve akarsuyun geleceği öngörülebilecektir. Böylelikle önlemler daha çabuk alınabilecektir.

8 KAYNAKLAR 1. B. Demirhan, B. Öz, E. KARADURMUŞ, Coğrafi Bilgi Sistemlerinin Kimya Mühendisliği Problem Çözümünde Kullanılması: ArcGIS Uygulaması, /. Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi (UKMK 7) Anadolu Üniversitesi, 5 8 Eylül 2006, Eskişehir 2. / (CBS için genel bilgiler) 3. E.Cameron, C. Davies, R. Elkins, ArcGIS 9 ArcGIS Engine Developer Guide, GIS by ESRI, 2005, USA 4. E.Cameron, C. Davies, R. Elkins, ArcGIS 9 What is ArcGIS, GIS by ESRI, 2005, USA 5. E.Cameron, C. Davies, R. Elkins, ArcGIS 9 Getting Started with ArcGIS, GIS by ESRI, 2005, USA 6. Coğrafi Bilgi Sistemleri Bilişim Günleri Sonuç Raporu, Fatih Üniversitesi, 6-9 Ekim 2004, Đstanbul 7. / (Yeşilırmak Havzası Havza Gelişim Projesi) 8. Rıdvan BERBER, Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü Proses Sistem Mühendisliği Araştırma Grubu Prosim AKAB (Akarsu Benzetim Yazılımı