ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ NOAA-AVHRR UYDU VERİLERİ KULLANILARAK ÇUKUROVA BÖLGESİNİN YAYINIRLIK DEĞERLERİNİN BULUNMASI

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Nurcan TAYMUŞ NOAA-AVHRR UYDU VERİLERİ KULLANILARAK ÇUKUROVA BÖLGESİNİN YAYINIRLIK DEĞERLERİNİN BULUNMASI FİZİK ANABİLİM DALI ADANA, 2009

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ NOAA-AVHRR UYDU VERİLERİ KULLANILARAK ÇUKUROVA BÖLGESİNİN YAYINIRLIK DEĞERLERİNİN BULUNMASI Nurcan TAYMUŞ YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK ANABİLİMDALI Bu tez 13/05/2009 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu İle Kabul Edilmiştir. İmza... Prof.Dr. Vedat PEŞTEMALCI DANIŞMAN İmza... Doç.Dr. H.Mustafa KANDIRMAZ 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 Proje Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: FBE 2008YL17 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 YÜKSEK LİSANS TEZİ NOAA-AVHRR UYDU VERİLERİ KULLANILARAK ÇUKUROVA BÖLGESİNİN YAYINIRLIK DEĞERLERİNİN BULUNMASI Nurcan TAYMUŞ ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI Danışman : Prof. Dr. Vedat PEŞTEMALCI Yıl : 2009, Sayfa:101 Jüri : Prof. Dr. Vedat PEŞTEMALCI Doç.Dr. H.Mustafa KANDIRMAZ Yrd.Doç.Dr. Ozan ŞENKAL Bu çalışmada NOAA-AVHRR uydu verileri kullanılarak Çukurova bölgesi için yer yüzeyi yayınırlğı ve NDVI değerleri hesaplanmıştır. Hesaplamalar için 2000 yılının Nisan, Mayıs, Haziran, Temmuz, Ağustos, Eylül, Ekim aylarının görüntüleri kullanılmıştır. Çukurova bölgesinde genelde ekili alanlar bulunduğu için, yüzey yayınırlığı, bu alanların çoğunda yaklaşık olarak aynıdır. Anahtar Kelimeler: NOAA, AVHRR verisi, NDVI, Yüzey yayınırlığı II

4 ABSTRACT MSc THESIS DETERMINATION OF LAND SURFACE EMISSIVITY IN CUKUROVA REGION USING BY NOAA-AVHRR SATELLİTE DATAS Nurcan TAYMUŞ DEPARTMENT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF ÇUKUROVA Supervisor: Prof.Dr.Vedat PEŞTEMALCI Year : 2003, Pages:109 Jury : Prof. Dr. Vedat PEŞTEMALCI Doç.Dr. H.Mustafa KANDIRMAZ Yrd.Doç.Dr. Ozan ŞENKAL In this study, the area in Çukurova Region land surface emissivity and NDVI has been found by using NOAA-AVHRR satellite datas. For the measurements, the images of the months April, May, June, July, August, September and October in 2000 have been used. There are generally sown areas in Çukurova Region. Therefore, the land surface emissivities are approximately same in the most of these areas. Key Words: NOAA, AVHRR, NDVI, Land Surface Emissivity III

5 TEŞEKKÜR Bu çalışmanın en başından itibaren ilgi ve desteğini esirgemeyen danışmanım Sayın Prof.Dr.Vedat PEŞTEMALCI ya teşekkürlerimi sunarım. Çalışmalarımın çeşitli aşamalarında destek veren ve yönlendiren değerli hocalarım Doç.Dr.H.Mustafa KANDIRMAZ a, Öğr.Gör.Ozan ŞENKAL a ve Arş.Gör.Yiğit YILDIZ a şükranlarımı sunarım.. Çalışmalarım sırasında büyük özveri gösterip bana her yönüyle destek olan sevgili aileme sonsuz teşekkürlerimi sunarım. IV

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ... II ABSTRACT.. III TEŞEKKÜR.. IV İÇİNDEKİLER. V ÇİZELGELER DİZİNİ.. VIII ŞEKİLLER DİZİNİ... IX KISALTMALAR... XI SİMGELER. XIII 1.GİRİŞ ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR MATERYAL VE METOT Materyal Metot Çok Yüksek Çözünürlüklü Gelişmiş Radyometre(AVHRR ) AVHRR Algılayıcısının Görünür Kanallarının Kalibrasyonu Uzaktan Algılamada NOAA-AVHRR Verisini Kullanarak Yer Yüzeyi Yayınırlığının ve Yer Yüzeyi Sıcaklığının Bulunması Yer Yüzeyi Sıcaklığının Belirlenmesi Termal Kızıl Ötesi Geniş Bant Yayınırlığı Dar Bant Yayınırlığı Doğal Yüzeyler İçin Normalize Edilmiş Bitki İndeksi Farkı (NDVI ) ve Termal Yayınırlık Arasındaki İlişki Uzun Dalga Işınımı ve Termal Yayınırlık Termal Yayınırlık ve NDVI Yer Yüzeyi Sıcaklığını Hesaplamada Yayınırlığın Etkisi Temel Yeryüzü Nesnelerinin Yayınırlığı Pasif Algılayıcı Verisinden Kara Yüzeyi Sıcaklığı ve Yayınırlığı Tahmini: Teorik ve Pratik Güncel Eğilimler LST Yorumu İçin Elektromanyetik Spektrumun Uygun Bölgesi Üst Atmosfer (TOA ) Sensörleriyle Parlaklık Ölçümleri Yüzey Parlaklıklarını Elde Etmek Amacıyla Yapılması Gereken Atmosferik Düzeltmeler. 32 V

7 Atmosferik Bilgi Olmadan Yüksek Spektral Kararlılık Verisinin Doğrulanması Çeşitli Atmosferik Modeller İçin Atmosferik Etkilerin Analizi Bilinen Yayınırlık Değeriyle Sıcaklık Ölçümü Yüzey Sıcaklığının Single-Channel Metot u Kullanarak Ölçülmesi Split-Window Tekniği ( SWT ) (1) Split-Window Algoritmaları İçin Yayınırlık Doğrulaması Çok Açılı (Multi-Angle) Metot Yayınırlık Metotlarının Yorumu AVHRR İçin Kanal Yayınırlığı Homojen Olmayan Kara Yüzeylerindeki Yayınırlığın ve Sıcaklığın Etkisinin Belirlenmesi Termal Kızıl Ötesi Spektral İndisleri ( TISI ) Metodu İki Kanalda Gündüz-Gece Verilerinden Yönsel Yayınırlığın Elde Edilmesi AVHRR İçin TISI Metodunun Katsayıları Özel Kanal Değişkeni (C k ) Yeryüzündeki Solar Spektral Parlaklığın Belirlenmesi AVHRR İçin İki Kanallı TISI Metodunun Optimize Edilmesi AVHRR Kanalları (Kanal-4 ve Kanal-5) İçindeki Yönsel Yayınırlık ve Yayınırlığın Sıcaklıktan Bağımsız Spektral İndisinin Haritalandırılması Heterojen, İzotermal Olmayan Yüzeyler İçin Yayınırlığın ve Radyometrik Yüzey Sıcaklığının Belirlenmesi Radyometrik Yer Yüzeyi Sıcaklığının Tanımı Vejetasyon ve Spektral Metot Arasındaki Karşılaştırma µm Dalga Boyu Aralığında Yayınırlık Ölçümü İçin Metoda Dayanan Bir Vejetasyon İndeksi Sayısal Görüntü ve İşleme Yöntemleri Sayısal Görüntü (1).Geometrik Çözünürlük VI

8 (2).Radyometrik Çözünürlük (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 BULGULAR VE TARTIŞMA Yer Yüzeyi Yayınırlığı ve NDVI Bulguları SONUÇ VE ÖNERİLER.. 88 KAYNAKLAR. 90 ÖZGEÇMİŞ VII

9 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge3.1. AVHRR algılayıcısının spektral karakteristikleri. 12 Çizelge3.2. AVHRR algılayıcısının 1.ve 2. kanalı için eğim ve durdurma katsayıları.. 14 Çizelge-3.3. Termal bantta bazı materyallerin yayınırlık değerler 27 Çizelge 3.4. Farklı görüş açılarına göre AVHRR çok açılı algoritmanın katsayıları 40 Çizelge 3.5. Farklı görüş açılarına göre AVHRR çok açılı algoritmanın katsayıları ve ortalama yayınırlık. 40 Çizelge 3.6. Çeşitli yüzeyler için NOAA (12-16 ) AVHRR kanallarının (3, 4 ve 5) salım gücü değerleri. 44 Çizelge 3.7. NOAA AVHRR window kanalları, bu kanalların sıcaklık farkları ve Planck ın lineer dönüşümle elde edilen güç yasası yaklaşımına göre kanala özel katsayıları 52 VIII

10 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 3.1.NOAA-12 AVHRR 1. kanal spektral duyarlılık eğrisi 15 Şekil 3.2. NOAA-12 AVHRR 2. kanal spektral duyarlılık eğrisi 15 Şekil 3.3. NOAA-14 AVHRR 1. kanal spektral duyarlılık eğrisi 16 Şekil 3.4. NOAA-14 AVHRR 2. kanal spektral duyarlılık eğrisi 16 Şekil 3.5. NOAA-15 AVHRR 1. kanal spektral duyarlılık eğrisi 17 Şekil 3.6. NOAA-15 AVHRR 2. kanal spektral duyarlılık eğrisi 17 Şekil µm dalga boyu aralığında siyah cismin ve gerçek cismin yayınım ve yayınım gücü değerleri.. 22 Şekil 3.8. Yeryüzünden yansıyan solar parlaklık ( kesik çizgi ), B( λ, 6000 o K) ve yeryüzüne yayılan parlaklık.. 29 Şekil o K sıcaklığındaki siyah bir cismin λ dalga boyuna bağlı olarak B/ T ye karşı B(λ,T ) nin karşılaştırması 30 Şekil Uydu algılayıcılarıyla ölçülen TOA(Top of the atmosphere) parlaklıklarının bileşenleri 31 Şekil Yer yüzeyi sıcaklığını ve yayınırlığını belirlemenin farklı metotları ve mantıksal akışı Şekil NOAA AVHRR kanal- 4 ve kanal- 5 için, MLW ve MLS için LST nin fonksiyonu olarak yüzey sıcaklığı ve TOA sfc TOA parlaklık sıcaklığı farkları ( TB TB ) Şekil Kanal parlaklığı için Planck ın güç yasası yaklaşımının regresyon çizgisi Şekil NOAA-12, 14, 15, 16 için AVHRR kanal-3 te ki TOA Güneş parlaklığın yıllık değişimi. 55 Şekil a) En yakın komşuluk, b) bilineer enterpolason, c) kübik eğri 66 Şekil a)orijinal görüntü, b) radyometrik düzeltme uygulanmış görüntü 67 Şekil 4.1. Yer yüzeyi yayınırlığı ve NDVI hesaplama yönteminin akış şeması Şekil /07/2000 gününe ait N14H bant ham görüntüsü 72 Şekil /07/2000 gününe ait N14H bant ham görüntüsü 72 Şekil /07/2000 gününe ait N14H bant görüntüsünün level-1b formatına dönüştürülmüş hali 74 Şekil /07/2000 gününe ait N14H bant görüntüsünün level-1b formatında histogramı. 74 Şekil /07/2000 gününe ait N14H bant görüntüsünün IX

11 level-1b formatına dönüştürülmüş hali 75 Şekil /07/2000 gününe ait N14H bant görüntüsünün level-1b formatında histogramı Şekil /07/2000 gününe ait N14H bantta kalibrasyonu Yapılmış görüntü Şekil /07/2000 gününe ait N14H bantta kalibrasyonu yapılmış görüntü Şekil 4.10.Çukurova bölgesinin 03/07/2000 gününe ait N14H1304 NDVI görüntüsü Şekil 4.11.Çukurova bölgesinin 03/07/2000 gününe ait N14H1304 NDVgörüntüsünün histogramı. 79 Şekil Çukurova bölgesinin 03/07/2000 gününe ait N14H1304 yayınırlık görüntüsü. 81 Şekil Çukurova bölgesinin 03/07/2000 gününe ait N14H1304 yayınırlık görüntüsünün histogramı. 81 Şekil Çukurova bölgesinin 20/04/2000 gününe ait N12H1411 yayınırlık haritası. 82 Şekil Çukurova bölgesinin 20/04/2000 gününe ait N12H1411 yayınırlık haritasının histogramı Şekil Çukurova bölgesinin 25/05/2000 gününe ait N12H1418 yayınırlık görüntüsü. 83 Şekil Çukurova bölgesinin 25/05/2000 gününe ait N12H1418 yayınırlık görüntüsünün histogramı. 83 Şekil Çukurova bölgesinin 09/06/2000 gününe ait N14H1241 yayınırlık görüntüsü. 84 Şekil Çukurova bölgesinin 09/06/2000 gününe ait N14H1241 yayınırlık görüntüsünün histogramı. 84 Şekil Çukurova bölgesinin 08/08/2000 gününe ait N14H1247 yayınırlık görüntüsü. 85 Şekil Çukurova bölgesinin 08/08/2000 gününe ait N14H1247 yayınırlık görüntüsünün histogramı. 85 Şekil Çukurova bölgesinin 20/09/2000 gününe ait N14H1247 yayınırlık haritası. 86 Şekil Çukurova bölgesinin 20/09/2000 gününe ait N14H1247 yayınırlık haritasının histogramı.. 86 Şekil Çukurova bölgesinin 01/10/2000 gününe ait N12H1343 yayınırlık haritası. 87 Şekil Çukurova bölgesinin 01/10/2000 gününe ait N12H1343 yayınırlık haritasının histogramı. 87 X

12 KISALTMALAR AAC Autonomous Atmospheric Compensation ASTER Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer AVHRR Advanced Very High Resolution Radiometer BRDF Bi-directional Reflection Distribution Function BT Brightness Temperature GAC Global Area Coverage IR Infrared LAC Local Area Coverage LSE Land Surface Emissivity LST Land Surface Temperature MIR Mid-Infrared MLS Mid-Latitude Summer (model atmosphere) MLW Mid-Latitude Winter (model atmosphere) MODTRAN Moderate Resolution Transmittance (radiative transfer calculation code) MSA Meteorological Satellite Applications (group) MSG Meteosat Second Generation NDVI Normalized Difference Vegetation Index NEM Normalized Emissivity Method NIR Near-Infrared NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration NWP Numerical Weather Prediction RTC Radiative Transfer Calculation RTE Radiative Transfer Equation RTM Radiative Transfer Model SAS Sub-Arctic Summer (model atmosphere) SAW Sub-Arctic Winter (model atmosphere) SEVIRI Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager SST Sea Surface Temperature XI

13 SWT TES TIR TIROS TISI TISIE TOA TOVS TROP UTC WDB Split-Window Technique Temperature-Emissivity Separation Terrestrial Infrared Television and Infrared Observation Satellite Thermal Infrared Spectral Indices TISI for Emissivity Top Of the Atmosphere TIROS Operational Vertical Sounder Tropical (model atmosphere) Coordinated Universal Time or Universel Temps Coordonné World Data Bank XII

14 SİMGELER Değişken Açıklama Birim B(λ,T ) bir siyah cisimden yayılan parlaklık (monokromatik) Wm 2 μm 1 sr 1 λ, T dalgaboyu, sıcaklık μm, K Bk(T) k kanalındaki fk ile B(λ,T ) nin spektral entegrasyonu mwm 2 fk normalize kanal tepki fonksiyonu --- ε(λ), ε k spektral yayınırlık, kanal yayınırlığı --- sr 1 R(λ,T) spektral parlaklık Wm 2 μm 1 sr 1 Rk kanal parlaklığı mwm 2 C 1 Planck Fonksiyonu ndaki sabit= 2πhc2 ( ) Wm 2 C 2 Planck Fonksiyonu ndaki sabit = hc/k ( ) mk h Planck sabiti ( ) Js c ışık hızı ms 1 k Boltzmann sabiti ( ) JK 1 Ta, TB temel atmosferik sıcaklık, parlaklık sıcaklığı L k (θ) θ ve k için yukarı yönlü atmosferik parlaklık mwm 2 K sr 1 sr 1 cm cm cm L k aşağı yönlü atmosferik kanal parlaklığı mwm 2 sr 1 cm τ k kanal iletimi (atmosfer boyunca) --- Fr(θ,θSun,φ) açısal biçim faktörü --- θ,θ sun uydu zenit açısı, solar zenit açı derecesi φ uydu ve Güneş azimut açı dereceleri arasındaki fark E TOA TOA solar spectral irradiance (for a channel) mwm 2 sun E yer yüzeyindeki solar spektral parlaklık mwm 2 cm sun cm E S saçılan solar parlaklık mwmc 2 m XIII

15 ρ r (θ,θsun,φ) çift yönlü yansıma --- α, n k k güç yasası için özel kanal ve sensör sabitleri mwm 2 sr 1 cm 1 K 1 XIV

16 1.GİRİŞ Nurcan TAYMUŞ 1.GİRİŞ Yer yüzeyi sıcaklığı (Land Surface Temperature, LST) ve yer yüzeyi yayınırlığı (Land Surface Emissivity, LSE), Dünya yüzeyi ve atmosfer arasındaki enerji ve maddenin değişimini belirleyen anahtar faktörler oldukları için önemlidir. Yer yüzeyi sıcaklığı yeryüzünün fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçlerin kontrolünde önemli bir faktördür. LST bilgisi, birçok çevresel çalışma ve yeryüzü kaynaklarının yönetim aktiviteleri için gereklidir. Uzaktan algılama biliminin gelişmesi ile LST ve LSE uzaktan algılamasına göre çeşitli algoritmalar önerilmiştir. Farklı algoritmalar ve metotlar, farklı düşüncelere dayandırılır ve farklı koşullar için uygundur. Dünya nın her yerinde çeşitli bilimler tarafından yayımlanan çalışmalardan birine göre hem teorik algoritma hem de uygulama açısından yüzey sıcaklığının ve yüzey yayınırlığının uzaktan algılanmasındaki gelişmeler izlenebilir. Termal kızıl ötesi (Infrared, IR) yüzey sıcaklığı verilen bir sıcaklıkta yayınlanmış ışınımın aynı sıcaklıkta olan yer yüzeyindeki cisim ışımasına oranı olarak belirlenen yüzeyin termal yayınırlığına büyük ölçüde bağlıdır. Sıcaklık, gelen Güneş ışığı ve uzun dalga ışınla, giden kızıl ötesi ışınla, hassas ve gizli ısı akısıyla ve yer ısısı akısıyla korunur. Bu yüzden, kara yüzeyi sıcaklığı yeryüzünde iyi bir enerji denge göstergesidir. Bu ışınımsal denge, su buharının, bulutların, diğer izleme bileşenlerinin kızıl ötesi iletim özelliklerine bağlıdır. Örneğin, CO 2 vs. gazlar. Bu gazlardan bazılarının konsantrasyonu, örneğin iklim değişikliğinde rolü olan fosil yakıtlarının yanmasıyla ortaya çıkan CO 2, artış gösterir. Ortalama küresel hava-yüzey sıcaklığı, kısmen antropolojik sebeplere bağlı olarak son yüzyılda 0,6 o C, son 40 yılda 0,2 o C- 0,3 o C artış göstermiştir. Doğal süreçlerin müdahalesi olmaksızın 2100 yılına kadar umulan bir diğer sıcaklık artışı 1,6 o C- 3,1 o C dir. Küresel bir ölçek üzerinde devam eden yer yüzeyi sıcaklığı ölçümleri, böyle iklimsel değişimleri karakterize etmek için bir zorunluluk olarak ele alınır. Bilimsel hedefler yalnızca gözlemi değil, aynı zamanda bu olağanüstü durumun sebebinin ve etkilerinin belirlenmesini de içerir. Dolayısıyla, işlevsel ve 1

17 1.GİRİŞ Nurcan TAYMUŞ uzun vadeli kara yüzeyi sıcaklığı tayinine bilimsel ilginin artışını sağlar. Geniş alanlar için birçok küresel dolaşım modellerinin uzaysal ölçeğinde sıcaklık, yalnızca yeryüzünün kuşbakışını gerçekleştiren uydu algılayıcılarından elde edilebilir. Bundan başka, yüksek geçici çözünürlükle kara yüzeyi sıcaklığı ölçümü ve pek uygun olmayan alana ulaşım yalnızca uzay ve hava cihazları kullanarak mümkün hale gelir. Yeryüzünün veya atmosferin termal özellikleriyle doğrudan ilişkili olan uygun uzaktan ölçümler şunlardır: yayılma, yansıma, saçılma veya elektromanyetik ışın iletme ölçümleri. Yüzey sıcaklığının makro ölçek uzaysal değişikliklerini takip etmek amacı ile yeryüzü kaynaklarının uzaktan algılanması için platformlar üzerine yerleştirilmiş, termal bantlardaki algılamayı sağlayan tarayıcılar tasarlanmıştır. Pasif algılayıcılar (örneğin, radyometreler) hedeften ışın yayınımına duyarlıdır ve bu cihazlar uygun dalga boyu menzillerinde ölçülen parlaklıklardan sıcaklığı bulmak için kullanılabilir. Kara yüzeyi sıcaklığı tahmini konusunda, bilimsel topluluk tarafından henüz, beklenen doğruluğa ve genellemeye varılamamıştır, fakat son 20 yılı aşkın bir süredir önemli gelişmeler olmuştur. Yıllardır, uzaydan yüzey sıcaklığını ölçüm teknikleri, metotta kullanılan hesaplamada olduğu gibi kullanılan aygıt açısından da gelişme göstermiştir. Yer yüzeyi sıcaklığı ile ilgili temel problem üç kısımdan oluşur: a) Yüzeyden yayılan parlaklık, üst atmosfer (TOA, Top-Of-The-Atmosphere) algılayıcılarına ulaşmadan önce atmosfer tarafından değiştirilir. b) Algılayıcılarla parlaklık ölçümleri üst yarım küreye göre gerekli olmayan bir durum olarak, bir yönde yapılır. Dolayısıyla, yayınırlığın açısal olarak belirlenmesi, anizotropiden dolayı zordur. c) Atmosferik etkilerin ortadan kalktığı durumda bile N spektral kanallı bir algılayıcı için N ölçüm vardır, fakat N+1 bilinmeyen (örneğin, N spektral yayınırlık ve sıcaklık) olmasından dolayı yüzey parlaklıklarından sıcaklığın doğrudan bir ayrımının yapılması uygun değildir. Bu nedenle, ilgili denklemlerin sistemi, tek çözümlü değildir. Atmosferik perturbasyonların birleşik etkisi ve yayınırlığın çeşitlenmesi, zorluk derecesini artırır. 2

18 1.GİRİŞ Nurcan TAYMUŞ Doğal yüzeylerdeki yayınırlık, toprak yapısındaki, toprak bileşimindeki, organik maddedeki, nem içeriğindeki farklılıklardan, bitki örtüsü özelliklerinden dolayı önemli ölçüde değişebilir. Bu çalışmadaki amaç, son 20 yıl boyunca LST uzaktan algılaması üzerine yapılan araştırmadaki gelişmeyi incelemektir. Biz, sıcaklık ve ışın transfer prensipleri arasındaki ilişkinin teorik bakış açısına göre inceleme yoluyla başlayacağız. Daha sonra, uzaktan algılama verisinden yüzey sıcaklığı hesaplaması için ve yer yayınırlığı ile kalibrasyon hesaplaması için önerilen çeşitli algoritmaları ele alacağız. 3

19 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Nurcan TAYMUŞ 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Fucss ve Tanner (1968), doğal yüzeylerin yayınırlığı üzerindeki su içeriğinin etkisini termal bölgedeki suyun yüksek soğurum ile geniş çapta açıklamışlardır. Toprak yayınırlığı üzerindeki su içeriğinin etkisini, yüzey nemi azalırken aynı zamanda kumun azalan yayınırlığını ölçüp rapor etmişlerdir. Onlar, yüzeyde %8,4 ten %0,7 ye kadar değişen toprağın nem içeriğindeki azalmaya karşı, yayınırlıkta 0,94 ten 0,88 e kadar değişen eşdeğer bir azalma olduğunu bulmuşlardır. Bir kısmı veya tamamı bitki örtüsüyle kaplı yüzeyler, genellikle 0,97-0,98 arasında bir termal yayınırlığa sahip olacaktır. Gates ve arkadaşları (1965), Myers (1983), 0,73-1,1 µ m Near Infrared (NIR) bölgesinde yeşil yaprakların gerçekleştirdiği soğurumun oldukça düşük olduğunu gözlemişlerdir. Sutherland ve Bartholic (1977), Idso ve ark., (1969) 0,938 gibi düşük bir değerde birbirinden farklı yaprak yayınırlıklarını rapor etmesine rağmen, birçok bitki örtüsü yayınırlığının 0,98 ile 1,0 arasında değişmesi gerektiğini teorik olarak ispatlamışlardır. Fuchs ve Tanner (1996), birbirinden farklı yapraklar için yayınırlık (ε ) değerinin 0,95 ten 0,98 e kadar olan değerlerini bulmuşlardır. Aynı zamanda, yoğun bitki örtüsüyle kaplı alandaki ε nin değerinin bitki örtüsü geometrisinden ileri gelen katlı iç yansımalardan dolayı tek bir yaprağa ait ε nin değerinden daha yüksek olması gerektiğini ifade etmişlerdir. Sabins (1986), yüzey sıcaklığının makro skala uzaysal değişikliklerini takip etmek amacı ile yeryüzü kaynaklarının uzaktan algılanması için platformlar üzerine yerleştirilmiş termal bantlardaki algılamayı sağlayan tarayıcılar tasarlamışlardır. Taylor (1979), yayınırlığın, aynı zamanda dalga bandı genişliğinin bir fonksiyonu olduğunu gözlemlemiştir. Geniş bant aralığında termal yayınırlığın, aynı yüzey için dar aralıktaki bant değerinden farklı olması için göstermiştir. Taylor a göre, özellikle 8 14 µm. bölgesinde geniş bant aralığı, aynı zamanda atmosferik su buharının etkilerine duyarlıdır. Üstelik, kontrast yüzeyler için yayınırlıkların dinamik değişkeni, geniş bant aralığında, dar bant aralığındakinden daha büyüktür ve yüzey 4

20 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Nurcan TAYMUŞ sıcaklığı hesaplamalarında bulunan hata için daha büyük bir potansiyelle sonuçlanabilir. Becker ve Li (1990), Termal Infrared Spectral Indices (TISI) metodunu ve kara yüzeyi yayınırlığı oranları ile ilgili ışın oranlarını hesaplamışlardır. Slater (1980), TISI metodunu, Planck fonksiyonunun güç yasası yaklaşımına dayandırmıştır. Price (1983); Susskind ve arkadaşları (1984), tek kanallı metot ile yaptıkları çalışmalarda, bir window-channel da genellikle 8-13 μm aralığındaki atmosferik pencereler (W2) de doğru atmosferik ölçümlerin olması gerektiğini ifade etmişlerdir. Van de Griend ve arkadaşları (1991), bir piksel ölçeğinde doğal yüzeylerin, hem yüzey sıcaklığının piksel içindeki uzaysal dağılımı koşullarında hem de yayınırlığın piksel içindeki değişkenliği koşullarında homojen olmadığını, homojen olduğu kabul edilen alanlarda ise yayınırlık değerinin çok kısa mesafelerde çıplak toprak için 0,9 dan daha küçük değerlere doğru, yeşil bitki örtüsünün dikkate alındığı alanlarda 0,98 den daha büyük değerlere doğru çok az miktarda değiştiğini gözlemlemişlerdir. Label ve Stoll (1991), deneysel ölçümler için alan kullanarak termal kızıl ötesi banttaki kara yüzey yayınırlığının değişkenliği ve sıcaklık üzerindeki yüzey yayınırlığının etkisi üzerinde çalışmışlardır. Fuchs ve Tanner (1966); Marlatt (1967); Kornfield ve Susskind (1977), yayınırlıktaki değişimlerin, uydu termal kızıl ötesi (IR) radyometreleriyle ölçülmüş olan ışınımın, yüzey sıcaklığını etkilediğini, önemli bir hata kaynağını şekillendirebildiğini ve yayınırlıktaki %1 lik göreceli bir hatanın fiziksel yüzey sıcaklığında 0,75 o K kadar mutlak bir hataya yol açabileceğini bulmuşlardır. Li ve Becker, (1993), yüzey yayınırlık etkisini hesaba katarak yer yüzeyi sıcaklığının (Land Surface Temperature, LST) olası hata değerini, 110δ ( δt -52ε - ε ) olarak hesaplamışlardır. Onlar, yer yüzeyi sıcaklığının yeryüzünün fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçlerinin kontrolünde önemli bir faktör olduğunu, LST bilgisinin, birçok çevresel çalışma ve yeryüzü kaynaklarının yönetim aktiviteleri için gerekli olduğunu öne sürmüşlerdir. 5

21 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Nurcan TAYMUŞ Becker, (1987); Holbo ve Luvall, (1989); Cooper ve Asrar (1989); Vidal (1991), Seguin ve ark., (1994), Choudhury ve arkadaşları (1995), Schultz ve Halpert (1995), Cracknell ve Xue (1996); Caselles ve ark., (1997), LST ile ilgili birçok çalışma gerçekleştirmişlerdir ve LST konusunu, hem teknolojik bakış açısından hem de özel alana uygulanmasından dolayı, yüzey yayınırlığı ile ilişkilendirmişlerdir. Bu çalışmalarla ilgili çok başarı elde edilmiştir. Kara yüzeyi sıcaklığı üzerine oldukça çok yayım vardır. Price(1984) ile Coll ve arkadaşları (1994) karşılaştırıldığında, yer yayınırlığı etkisi yalnızca, algoritmalarının B katsayısı içinde hesaba katılmıştır. Diğer algoritmalar, örneğin Sabrino ve arkadaşları (1991) ve Franca ve Cracknell (1994), doğrudan doğruya yer yayınırlığının etkisi hem A hem de B katsayısının belirlenmesi ile ilişkilidir. Becker, Li (1990); Wan ve Doizer (1996) tarafından ileri sürülen algoritmada yer yayınırlığı, aynı zamanda gerekli katsayıları belirlemek için ana faktördür. Bu yüzden yer yayınırlığı, Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) verisinden LST araştırmasının doğruluğunu kanıtlamak için çok önemlidir. Nerry ve ark., (1988); Salisbury ve D Aria, (1992), yüzey emisyonunun, yüzey yayınırlığı ve yüzey sıcaklığı gibi yüzey parametrelerine bağlı olduğunu, okyanuslardan farklı olarak kara yüzeylerinin yayınırlıklarının bitki örtüsüyle, yüzey nemiyle, yüzey pürüzlülüğüyle ve bileşimlerle önemli ölçüde düzensizlik gösterdiğini bulmuşlardır. Vogt (1996), LST nin, genel olarak yerin yüzey sıcaklığı olduğunu belirtir. Bitki örtüsü olmayan toprak yüzeyi için LST, toprağın yüzey sıcaklığıdır. Ancak, Dünya nın yüzeyi iki boyutlu homojen yüzeylerden uzaktır. Barducci ve Pipi (1996), LST için birçok algoritmanın elde edilmesini, yayınırlık değeri (ε ) 1 olan bir siyah cisim gibi hareket eden yeryüzü varsayımına dayandırmışlardır. Aslında, Dünya yüzeyi, yayınırlık değeri 1 den az olduğu için bir siyah cisim değildir. Tüm saf materyaller aynı sıcaklıktaki bir siyah cisim tarafından yayınlanmış enerjinin yalnızca bir kısmını yayınlar. Bu yüzden uydudaki sensörler tarafından alınan termal ışınımı, aynı zamanda yüzey yayınırlığıyla belirlemişlerdir. 6

22 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Nurcan TAYMUŞ Becker (1987), Split-Window Tekniği (SWT) ne göre kara yüzeyi sıcaklığında oluşan hata değeri üzerindeki yayınırlık etkisinin önemli olduğunu ve bu değerin yaklaşık olarak, göstermiştir. T 50. ( 1-ε ) / ort ε ε / ort ε olduğunu ort François ve Ottle (1996); Coll ve Caselles, (1997), güçlü bir şekilde değişen yayınırlık değerlerinde ve su buharından dolayı kara yüzeyi yayınırlıklarının elde edilmesinde büyük hatalar oluşabileceğini belirtmişlerdir. SWT, bir yayınırlık değerinin örneğin, ölçüm yapılan yerin radyometre ölçümlerinden varsayılabildiği veya ölçülebildiği okyanuslar üzerinde kolaylıkla uygulanabilir. Fakat kara yüzeyleri üzerinde daha karmaşıktır. Daha sonraki çalışmalar, kuadratik fonksiyonların lineer formülasyonlardan daha etkili olduğunu kanıtlamıştır. François ve Ottle (1996), Scott ve Ch e din (1981), (TOVS Initial Guess Retrieval=TIGR) verisinin 1761 profillerini kullanarak 4ARTM ile RTC leri ortaya koymuşlardır ve iki kanal içindeki sabit T α varsayımının doğru olmadığını göstermişlerdir. Onlar, klasik lineer SWT nin daha geniş skala ve kuadratik formülasyonlar üzerinde geçersiz olduğunu, hem yayınırlığı hem de su buharını katarak daha iyi sonuçlara ulaştıklarını göstermişlerdir. Prata (1993); Becker ve Li (1995); Coll ve Coselles, (1997), SWT lerin geçerli olması için uydu sensörü uzaysal kararlılığında global olarak kara yüzeyi sıcaklığını elde etmenin mümkün olmaması sebebiyle split-window formülasyonlarının performansını, genel olarak karşılaştırmasız çalışmalarla değerlendirmişlerdir. Bu araştırmada kara yüzey sıcaklığını, direkt olarak iki kanallı TISI metodunu kullanarak ölçülmüş olan yayınırlık değerlerinden ve atmosferik olarak doğrulanmış yüzey ışınımlarından elde etmişlerdir. Doalyısıyla, varolan çeşitli SWT leri ayrıntılı olarak ele almamışlardır. SWT leri, RTM leri kullanarak atmosferik etkileri hesaplayarak kolaylıkla elde etmişlerdir. Sobrino, Coll ve Caselles (1991), belirledikleri katsayıların atmosferin ölçüm yapıldığı andaki durumuna bağlı olduğunu göstermişlerdir. Kerr, Lagouarade ve Imbernon (1992), toprak ve bitki örtüsünün bir karışımı olarak pikselleri ele alan NDVI dan elde ettikleri vejetasyon oranını temel alan bir 7

23 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Nurcan TAYMUŞ metot önermişlerdir. Önerilen metot, her pikseli ya bitki örtüsü olmayan bir toprak ya da bir bitki örtüsü kombinasyonu olarak sınıflandırılır ve daha sonra kara yüzey sıcaklığını elde etmek için onların birbirinden ayrı etkilerini kombine eder. Coll, Caselles, Sobrino ve Valor (1994), SWT nin aynı zamanda görüş açısının etkilerini ortaya koyduğunu belirtmişlerdir. François ve Ottle (1996); Coll ve Caselles, (1997), bazı formülasyonlarda, kuadratik ilişkilerin kullanıldığını, bunun yanı sıra su buharı ve yayınırlığı açıklamışlardır. Katsayılar, tarama açısını ve atmosferi kullanan arama tablosundan seçilir. SWT genel olarak geliştirilmesine rağmen kara yüzeyi yayınırlığı kritik bir konu olarak kalmaya devam eder ve tüm SWT ler öncelikle pixel-wise yayınırlığına ihtiyaç duyar. Price (1984), P n in, sıcaklık boyutlu bir parametre olduğunu ve Planck fonksiyonuna uygun hale getirilerek kullanıldığını ortaya koymuşlardır. Sobrino, Li, Stoll ve Becker (1996), SWT nin, 0,23 o K den küçük bir hatayla su yüzeyi sıcaklığını (Sea Surface Temperature=SST) ölçtüğünü göstermişlerdir. Onlar aynı zamanda, açısal kara yüzeyi yayınırlığına ek olarak spektral kara yüzeyi yayınırlığı bilindiği takdirde, Multi-Angle Tekniği nin (MAT) SWT den üstün olacağını ifade etmişlerdir. Prata, (1993), uzaysal olarak kararlılık gösteren uyduda kolaylıkla elde edilemeyen yüzey yayınırlığının açısal dönüşüm bilgisinin ve yapısının sebep olduğu yüzeyden ayrılan ışığın anizotropisinin gerekli olduğunu belirtmiştir. Becker ve Li, (1990), karasal bir sıcaklık değişiminde kara yüzeyi yayınırlığının kara yüzeyi sıcaklığından hemen hemen bağımsız olduğunu bulmuşlardır. Wan ve Dozier (1996 ), iri taneli kum için AVHRR kanal- 3 yayınırlığının, o K aralığındaki tüm değerlerde sadece 0,004 kadar değiştiğini bulmuşlardır. Vogt (1996), Landsat Thematic Mapper 6 (TM6) kadar iyi olan Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) kanalları ( kanal- 4 ve kanal- 5 ) gibi 8

24 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Nurcan TAYMUŞ termal algılamanın mevcudiyeti altında, LST çalışmasının son yıllarda uzaktan algılamanın en önemli konularından biri olduğunu ortaya koymuştur. Clarmann ve arkadaşları (1998), Dünya nın yüzeyinin ve km yukarısındaki atmosferin termodinamik kararlılık altında olduğu varsayımını kullanmışlardır. Palluconi ve arkadaşları, (2000), amosferik bilgi olmadan atmosferik düzeltme amaçlı kullanılan birkaç metot olduğunu belirtmişlerdir. Örneğin, the autonomous atmospheric compensation (AAC ) metodu. Yogesh ve Badarinath (2000), heterojen alanlar üzerindeki sensörün spektral kanallarında yüzey yayınırlığının hesaplanmasında kullanılan uydunun tanımını yapmışlardır. Schaedlich ve ark., (2001), yayınırlık değeri azalırken kara yüzeyi sıcaklığındaki hata değerinin artış gösterdiğini bulmuşlardır. Onlar yalnızca homojen alanlar için sabit bir yayınırlık değerinde makul doğrulukla varsayım yapılabildiğini bulmuşlardır. Bitki örtüsüyle kaplı orta enlemli alanlar için, örneğin, yayınırlık (ε ), 0,975 ve hata payı, ± 0,025 varsayımı için bir karasal yüzeyin sıcaklığı için ± 2 o K büyüklüğünde hata verdiğini göstermişlerdir. Dash ve ark., (2002), geniş alanlar için kara yüzey sıcaklığının ve yayınırlığının, uydu sensörleri tarafından yüzeyden ayrılan radyasyonun ölçülmesiyle elde edilebileceğini göstermişlerdir. Bu ölçümler, Dünya nın radyasyon stoku ve iklim değişikliği buluşunda zemin üzerindeki en üst noktaların ölçümleri ve birçok uygulamada yüzeyin karma etkisini temsil eder. Petitcolin (2002); Nerry ve Stoll, (1998) bu çalışmada, genişletilmiş bölgeler üzerindeki görüntülerin zaman serilerinden AVHRR kanal-4 (CH4) ve kanal-5 (CH5) yayınırlıkları araştırmasını ortaya koymuşlardır. 9

25 3. MATERYAL VE METOT 3.1 Materyal Bu çalışmada Çukurova bölgesinin yer yüzey yayınırlığı ve NDVI değerleri 2000 yılı NOAA/AVHRR uydu verileri kullanılarak hesaplanmıştır. Çalışma için gerekli olan NOAA-12,14 uydu verileri, Tübitak-Bilten Kurumu ndan elde edilmiştir. Bu araştırmada kullanılan materyaller aşağıda maddeler halinde sıralanmıştır: a) 20 Nisan 2000 tarihli N12H1411 uydu görüntüsü b) 25 Mayıs 2000 tarihli N12H1418 uydu görüntüsü c) 9 Haziran 2000 tarihli N14H1241 uydu görüntüsü d) 3 Temmuz 2000 tarihli N14H1304 uydu görüntüsü e) 8 Ağustos 2000 tarihli N14H1247 uydu görüntüsü f) 20 Eylül 2000 tarihli N14H1247 uydu görüntüsü g) 1 Ekim 2000 tarihli N12H1343 uydu görüntüsü h) Bir adet kişisel bilgisayar i) Bir adet renkli mürekkep püskürtmeli yazıcı j) Quorum yazılımı k) Level 1b yazılımı l) Envi 4.3 yazılımı 10

26 3.2 Metot Çok Yüksek Çözünürlüklü Gelişmiş Radyometre(AVHRR ) AVHRR radyasyon dedektörü yüzey sıcaklığı ve bulut kaplı alanların tespitinde kullanılmaktadır. Yüzey sıcaklığından kasıt; deniz yüzeyi sıcaklığı, kara yüzeyi sıcaklığı, üs tabakadaki deniz yüzeyi sıcaklıklarıdır. AVHRR radyometresi 1978 yılında uzaya fırlatılan TIROS-N uydusuna yerleştirilmiştir. TIROS-N uydusuna yerleştirilen radyometrede dört kanal bulunmaktaydı. Daha sonra çalışmalara devam edilerek dört kanallı AVHRR/1 radyometresi ve beş kanallı AVHRR/2 radyometresi elde edildi. Elde edilen AVHRR/2 radyometresi ilk olarak 1981 yılında uzaya fırlatılan NOAA 7 uydusunda kullanıldı. AVHRR radyometresinin en son versiyonu, altı kanallı AVHRR/3 radyometresi, 1998 yılında NOAA 15 uydusuyla uzaya fırlatıldı. TIROS-N uydusuna ilk AVHRR radyometresi yerleştirildikten sonra NOAA 6,8,10 uydularına AVHRR/1 radyometresi, NOAA 7,9,11,12,13,14 uydularına AVHRR/2 radyometresi, NOAA 15,16,17,18 uydularına ise AVHRR/3 radyometresi yerleştirilmiştir. Sırasıyla beş ve altı kanallı tarama özelliğine sahip AVHRR/2 ve AVHRR/3 radyometrelerinin her kanalı, dünya üzerindeki tarama alanını aynı anda görmektedir. Tarayıcıdan elde edilen bilgiler, kullanıcılar tarafından yapılan çeşitli görüntü işleme teknikleri kullanılarak hidrolojik, orman, zirai, okyanus bilimleri, meteoroloji, arazi kullanımı ve çeşitli haritalama çalışmalarında kullanılmaktadır. AVHRR radyometresinin 1, 2 ve 3A kanallarından elde edilen veriler elektromanyetik spektrumun görünür ve yakın kızılötesi bölgesinde; 3B,4,5 kanallarından elde edilen veri ise parlaklık sıcaklığının hesaplanmasında kullanılmaktadır. Her ne kadar AVHRR/3 radyometresi altı kanallı olsa da ancak beş kanalı aynı anda aktif olarak yer istasyonlarına veri akışı sağlamaktadır. Çünkü 3A ve 3B kanalları aynı anda çalışmamaktadır. Biri gündüz veri aktarırken diğeri geceleyin veri aktarmaktadır. Çizelge 3.1 deki kanallar çeşitli amaçlar için kullanılmaktadır. Bu amaçlar şu şekilde sıralanabilir; a. 1.kanal gündüz vakti bulut ve yüzey haritalanmasında, b. 2. kanal yüzey su oluşumları, kar ve buz erimelerinde, 11

27 c. 3A kanalı kar-buz ayrımında, d. 3B kanalı deniz yüzey sıcaklığı ve geceleyin bulut haritalanmasında, e. 4. ve 5. kanal deniz ve yer yüzey sıcaklığı, gece ve gündüz bulut haritalanmasında kullanılmaktadır(rao ve ark, 1990). Çizelge3.1. AVHRR algılayıcısının spektral karakteristikleri ( Taranan alanların yönelimi uydu yörüngesine dik ve tarama aynasının dönme hızı, arka arkaya gelen tarama satırları sürekli uydunun nadir pozisyonuna bakacak şekilde ayarlanmıştır. Uydu 833 km yukarıda ve 55.4 derecelik bir nadir açısına sahiptir. AVHRR radyometresinden belirli zaman aralıklarında dünya yüzeyinin taranması ile elde edilen verileri, 10 bitlik veriler halinde uydudaki MIRP(Uzay Aracı Ayarlanmış Bilgi Oranı İşlemcisi) adlı ünitenin çıkışına sayısal veriler haline getirilerek, yeryüzüne gönderilir. AVHRR tek bir ünite içerisinde bir araya getirilmiş 5 modülden oluşur. Bu modülleri; tarama, elektronik, ısıl soğutma, optik alt sistem, ana gövde olarak adlandırılmaktadır. Bu modüller içinde bizim çalışmamız için en gerekli olanı, optik alt sistem modülüdür. Çünkü optik alt sistem modülündeki spektral kanal verileri kullanılarak oldukça geniş olan bilimsel sahada araştırma yapılmaktadır. Söz konusu spektral kanallar Çizelge3.2 de radyometrelere bağlı olarak gösterilmiştir. 12

28 AVHRR Algılayıcısının Görünür Kanallarının Kalibrasyonu Albedo kelime anlamı olarak yansıtabilirlik, yüzeylerin yansıtma gücü veya bir yüzeyin üzerine düşen elektromanyetik enerjiyi yansıtma kapasitesi olarak tarif edilir. Genel olarak güneş ışığını yansıtma kapasitesi için kullanılır. Albedo, cismin yüzey dokusuna, rengine ve alanına bağlı olarak değişir. Elektromanyetik tayfın tümünde veya belirli bir bölümünde hesaplanabilir. Uzaydan dünyamıza bakıldığında, bulutlar parlak, okyanus yüzeyi ise genelde koyu olarak gözükür. Beyaz bulutlar üzerlerine düşen ışığın büyük bölümünü yansıttığı için albedoları yüksektir. Deniz yüzeyi ise üzerine düşen ışığın büyük bölümünü emer, ancak çok küçük bölümünü yansıttığı için albedosu düşüktür. Gezegenimizin yüzeyinde en yüksek albedo oranına sahip olan cisimler arasında kar ve kum sayılabilir. En düşük albedo değerlerine ise yeni sürülmüş nemli topraklarda ve ormanlık alanlarda rastlanır. NOAA 12,14 ve 15 uydularının görünür bölgedeki herhangi bir kanalı, i ile gösterildiğinde, bu kanala ait albedonun yüzdelik değeri lineer fonksiyon olarak aşağıdaki şekilde ifade edilir. A = S C + I (3.1) i i i Burdaki A i, i. kanal için ölçülen yüzdelik albedo, C girdi veri değerleri S i ve I i sırayla ölçülmüş olan eğim ve durdurma değerleridir. S i ve I i değerleri spektral kanallara bağlı olarak Çizelge 3.2 de gösterilmiştir. 13

29 Çizelge3.2. AVHRR algılayıcısının 1.ve 2. kanalı için eğim ve durdurma katsayıları Buradaki değerler kullanılarak i. kanal için yüzdelik albedo değeri hesaplanır. Fakat hesaplanan bu albedo değeri, AVHRR radyometresinin fırlatma öncesi eğim ve durdurma değerlerine bağlı olarak elde edilmiştir. AVHRR radyometresinin 1. ve 2. kanallarının kalibrasyonu yapılırken dünyanın küresel yapıda olduğu varsayılmış ve laboratuar şartları oluşturularak kalibrasyon çalışmaları yapılmıştır. Laboratuarda 12 adet kuvars halojen lambadan faydalanılmıştır. Lambaların spektral radyans değerlerini elde etmek için olabildiğince birbirine yakın yerleştirilmiştir. Daha sonra her lamba, Ulusal Standart ve Teknoloji Enstitüsü(NIST) tarafından kalibre edilmiştir. Son olarak lambalar açılarak AVHRR radyometresinin duyarlılığı test edilmiştir. NOAA 12, NOAA 14 ve NOAA 15 uydularının duyarlılık testi ile ilgili çalışmalar Şekil 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6 da gösterilmiştir. 14

30 Şekil 3.1.NOAA-12 AVHRR 1. kanal spektral duyarlılık eğrisi Şekil 3.2. NOAA-12 AVHRR 2. kanal spektral duyarlılık eğrisi 15

31 Şekil 3.3. NOAA-14 AVHRR 1. kanal spektral duyarlılık eğrisi Şekil 3.4. NOAA-14 AVHRR 2. kanal spektral duyarlılık eğrisi 16

32 Şekil 3.5. NOAA-15 AVHRR 1. kanal spektral duyarlılık eğrisi Şekil 3.6. NOAA-15 AVHRR 2. kanal spektral duyarlılık eğrisi 17

33 Radyometrenin söz konusu kanallarında etkili radyans değerini bulmak için yerkürenin spektral yansımaları dikkate alınmalıdır Uzaktan Algılamada NOAA-AVHRR Verisini Kullanarak Yer Yüzeyi Yayınırlığının ve Yer Yüzeyi Sıcaklığının Bulunması Yeryüzü kaynaklarını yönetim aktiviteleri ve çevresel çalışmalar için yer yüzeyi sıcaklığına (Land Surface Temperature, LST) büyük ölçüde duyulan gereksinim, son 20 yıl boyunca LST uzaktan algılamasını önemli bir akademik konu haline getirmiştir. Birçok çalışma AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) verisinin 4. ve 5. kanallarından LST araştırması için metodoloji kurmaya adanmıştır. Çeşitli split-window algoritmaları, aralarındaki farkları anlamak için literatürde incelenmiş ve mukayese edilmiştir. Farklı algoritmalar hem şekil olarak hem de katsayılarının hesaplanmasında farklılık gösterir. Split-window algoritmasının en çok bilinen şekli aşağıda belirtilmiştir (Price, 1984) : ( T T ) B 4 T = T + A + (3.2) S 4 5 T s, yer yüzeyi sıcaklığı ; T 4 ve T 5, AVHRR kanal-4 ün ve kanal-5 in parlaklık sıcaklıkları; A ve B, atmosferik etkilere, görüş açısına ve yüzey yayınırlığına ilişkin katsayılardır. Uydu geçişinin olduğu yerdeki yüzey yayınırlıkları ve atmosferik koşullar, birçok gerekli veri mevcut olmadığı için çeşitli algoritmalarda katsayıların hesaplanması için kullanılan formüllerde oluşan karmaşıklığa rağmen, katsayıları tam bir doğrulukla belirlemek için pratik olarak yalnızca iki yöntem uygulanabilir. Yer verisi ölçümleri, örnek olarak verilmiş bir çalışma bölgesinde regresyon analizi süresince gerçek yer yüzeyi sıcaklığında uzaktan algılama yöntemiyle elde edilen parlaklık sıcaklığını ayarlamak için kullanılabilir. Diğer bir yol, LOWTRAN 7 gibi bir bilgisayar yazılımını kullanan standart atmosferik profil simulasyonudur. Yer yayınırlığı, uzaktan algılamayla kara yüzeyi sıcaklığına erişimin doğruluğu üzerinde 18

34 önemli bir etkiye sahiptir. Genel olarak, yer yüzeyinin birçok alanı için yayınırlığın 0,96 olduğu varsayımı uygundur. Ancak, kanal-4 ve kanal-5 arasındaki yüzey yayınırlık farkı, LST araştırmasının doğruluğu üzerinde önemli bir etkiye sahiptir (Price, 1984). AVHRR kanallarını (kanal-3, kanal-4 ve kanal-5) birleştirerek 4. ve 5. kanallar arasındaki yayınırlık farkını, uzaktan algılama yoluyla direkt olarak hesaplayabiliriz. Bu yüzden, Dünya daki dağılım ve LST değişikliğini inceleyen uzaktan algılama uygulamasında split-window algoritmalarının katsayılarının tam bir doğrulukla nasıl belirlendiğini gösteren birçok çalışma yapmak gerekir Yer Yüzeyi Sıcaklığının Belirlenmesi LST, en genel şekliyle yer yüzeyi sıcaklığıdır. Bitki örtüsü olmayan toprak yüzeyi için LST, toprağın yüzey sıcaklığıdır. Ancak, Dünya nın yüzeyi iki boyutlu homojen yüzeylerden uzaktır (Vogt, 1996). Genellikle, LST, üç boyutta en iyi şekilde ifade edilebilen bitki gibi, yüzeylerdeki çeşitli nesnelerden oluşmuştur. Bu durum, LST belirsizliğini anlamamızı sağlar. Yer yüzeyi sıcaklığı (LST) uzaktan algılaması, yerden termal spektral (uzun dalga) ışınımı esas alır. Dolayısıyla, yoğun bitki örtüsüyle kaplı yerin sıcaklığı, bitki örtüsünün gölgelik yüzey sıcaklığı olarak gözlenebilir. Seyrek bitkili yerde, LST değeri, bitki gölgeliğinin, bitkinin ve bitki altındaki toprak yüzeyin ortalama sıcaklığıdır. Yer yüzeyi sıcaklığını ele alırken anlaşılması zor bir başka faktör ise, uzaktan algılama verisinin uzaysal çözünürlüğünde (piksel ölçeğinde) yüzeyin homojen olmamasıdır (Ottle ve Vidal-Madjar 1992). Genellikle, LST, 1 metre gibi küçük bir mesafede değişir (Ottle ve Vidal- Madjar 1992). Ancak, LST ye göre birçok uzaktan algılama verisinin piksel ölçeği, yerin üstündeki LST farkı ile karşılaştırıldığında küçüktür. Örneğin, NOAA-AVHRR için piksel boyutu, 1,1 km. ve Landsat TM kanal-6 için 120 metredir. Dolayısıyla, uzaktan algılamada LST, yüzey tiplerinin farklı bölümleriyle karıştırılmış piksel ölçeği altındaki yerin ortalama yüzey sıcaklığı anlamına gelir (Kerr ve ve ark., 1992). 19

35 Yer yüzeyi tarafından yayılan toplam ışık enerjisinin sıcaklıktaki artışla hızlı bir şekilde artması, LST nin uzaktan algılaması için teorik bir temeldir. Bir yer tarafından yayılan enerjinin spektral katkısı, aynı zamanda sıcaklıkla değişir. Spektral parlaklık ve dalga boyu arasındaki ilişkiyi veren Wien in Yer Değiştirme Yasası na göre, 300 o K değerinde bir çevre sıcaklığı olan yeryüzü için onun spektral parlaklığının tepe noktası, yaklaşık olarak 9,6 µm de olur. Bu yüzden teorik olarak, uzaktan algılama sistemleri içerisinde termal kanallar olarak belirlenmiş olan 10 µm etrafındaki dalga boyunda algılayıcıların kullanılmasıyla yer yüzeyinin fiziksel sıcaklığına ilişkin termal enerji, uzaktan gözlemlenebilir. Uydu seviyesinde yer yüzeyinin elde edilmiş yüzey sıcaklığı, parlaklık sıcaklığı olarak adlandırılır (Lillesand ve Kiefer, 1987). Diğer taraftan, atmosferin spektral özellikleri, atmosferik soğurumun minimum olduğu yer olan 8-14 µm spektral bölgesinde, bir atmosferik pencere içerir ve bununla birlikte, yer yüzeyinin enerji kaynağı boyunca büyük kayıplar olmaksızın geçişler olabilir. Böylece, termal spektral dalga boyunda atmosferik pencerenin içindeki kanalları kullanarak yer yüzeyi sıcaklığı, uzaktan algılanabilir. Landsat TM kanal-6 işletiminden elde edilen veri kadar iyi olan NOAA-AVHRR kanal-4 ve kanal-5 için sırasıyla 10,5-11,5 µm de ve 11,5-12,5 µm de işletimden elde edilen veri, yüzey sıcaklığını hesaplamak için kullanılabilir (Reutter ve ark., 1994) Termal Kızıl Ötesi Geniş Bant Yayınırlığı Termal kızıl ötesi yüzey yayınırlığı, µm spektral aralığında verilmiş bir sıcaklıkta uzun dalga ışınını yayan yüzeyle etkindir. Doğadaki her şey sahip olduğu sıcaklığın bir fonksiyonu olan elektromanyetik ışın yayar. Bu ışın, termal ışındır. Siyah bir cisim, kendisine çarpan ışığın tamamını soğurur ve bu durumda yayılan termal ışık, yalnızca sıcaklığın bir fonksiyonudur. Hiçbir nesne siyah bir cisimden daha yoğun termal ışın yaymaz. Bu yüzden siyah cismin salım gücü maksimumdur. Yeryüzündeki cisimler, aynı sıcaklıkta olsalar bile aynı yoğunlukta termal ışık yaymazlar. Biri diğerinden daha fazla termal ışık yayacaktır. Aynı sıcaklıkta olan maddelerden yüksek yayınırlıklı 20

36 madde, daha çok termal ışın yayar ve düşük yayınırlığı olan madde, daha az termal ışın yayar. Yayınırlık, daima yeryüzündeki cisimlerde teorik olarak iki uç nokta arasında, yani 0 ve 1 arasında değişen değerlerle ifade edilir. Yeryüzündeki cisimler, daha çok gri cisimlere benzetilir. Onlar, enerjinin bir kısmının yansıtılmasına izin verir. Cisim üzerine gelen tüm enerji, cismin iç sıcaklığını artırmak için kullanılmaz. Eğer enerjinin bir kısmı yok olursa bu durum, yeryüzündeki cismin kinetik enerjisinin aynı büyüklükte enerji alan, benzer özelliklere sahip bir siyah cismin kinetik enerjisinden daima daha düşük olduğu anlamına gelir. Yine, yeryüzündeki bir cisimle yayılan enerji daima siyah bir cisimle yayılan enerjiden daha azdır. Aynı sıcaklığa sahip yeryüzündeki bir cismin yaydığı enerji ile siyah bir cismin yaydığı enerji arasındaki oran, geniş bant yayınırlığı olarak adlandırılır ve bu yayınırlık değeri, her madde için özeldir. Geniş bant yayınırlığı daima 0 dan büyük 1 den küçük bir değer alır. Siyah bir cisim, kendisine gelen tüm enerjiyi soğurduğu için kendi iç sıcaklığıyla uyumlu, maksimum bir ısı akısını yayar ve ardından siyah cisim, kendi iç sıcaklığına eşit büyüklükte bir parlaklık sıcaklığına sahip olur. Siyah cismin yayınırlığı 1 e eşittir. Aynı iç sıcaklığında olan cisimler, siyah bir cisimden daha az ışık yayarlar. Bir radyometreyle belirlenen cisimlerin parlaklık sıcaklıklarının, sahip oldukları iç veya kinetik sıcaklıklarından daha düşük olduğu görülür (Becker, 1987) Dar Bant Yayınırlığı Yeryüzündeki cismin yayınırlığı dalga boylarıyla değişir. Geniş bant yayınırlığı, termal ışığın tüm spektral aralıklarda çalışan bir aygıtla ölçümü yapıldıktan sonra uygulamalarda kullanılan varsayımsal bir değerdir. Şekil-3.7, 8-14 µm dalga boyu aralığında Planck fonksiyonuna ait yayınım ve yayınırlık değerleri verilmiştir. 21

37 Yayınım (Watt.m-2µm-1) Yayınım gücü Dalga boyu (µm) Siyah cisim Gerçek cisim Yayınırlık Şekil 3.7: 8-14 µm dalga boyu aralığında siyah cismin ve gerçek cismin yayınım ve yayınım gücü değerleri. Uydu üzerine yerleştirilmiş algılayıcılar atmosferin daha saydam olduğu atmosferik pencerelerde çalışırlar. Atmosferik penceredeki bu özel dalga boylarında atmosferik bileşenlerin etkisi, en aza indirgenmiştir. Ne yazık ki, uyduda görüldüğü gibi homojen yerlere ait kısımlar, çok azdır. Yayınırlık, doğrusal olarak sıcaklıkla ilişkili değildir fakat, ışın yayınımıyla ilişkilidir. Bu yüzden, bir pikselde elde edilen farklı yayınırlıklara ve farklı sıcaklıklara sahip cisimlerden oluşan farklı parlaklık kombinasyonları, algılayıcıyla alınmış termal yayınımı oluşturur. Tüm elementlerin aynı kinetik sıcaklıkta olmamaları sebebiyle, gerçek ortalama yüzey yayınırlığını bulmak için kullanılan Planck Yasası na uygulanan piksel yayınırlığı, piksel elementlerinin ortalama yayınırlığı değildir. Ancak, Planck dönüşümüyle yer yüzeyi sıcaklığına erişmek için yapılan işlem, piksel içindeki farklı yayınırlık oranlarını dahil eden bir işlemi hesaba katmalıdır. 22

38 Doğal Yüzeyler İçin Normalize Edilmiş Bitki İndeksi Farkı (NDVI ) ve Termal Yayınırlık Arasındaki İlişki Uzun Dalga Işınımı ve Termal Yayınırlık Bir cismin fiziksel yüzey sıcaklığı RL 2 = λ λ ε λ Lλ ( T S ) dλ (3.3) 1 bağıntısına göre siyah cisim ışımasıyla ilişkilendirilerek termal kızılötesi radyometre ile belirlenmiştir. R L, 1 λ2 λ dalga boyu aralığında bulunan uzun dalga ışınımını ifade eder. ε ( λ ), yüzeyin spektral yayınırlığı, L λ T ) ise Planck fonksiyonu ile belirlenmiş spektral siyah cisim ışımasıdır ve ( T ) = Lλ C1 λ 5 {exp ( C / ( λ T ) ) -1} 1 (3.4) 2 olarak verilir. Burada C 1 ve C 2,sabit olup değerleri aşağıdaki gibidir: = 1, Wm 2 sr 1 µ m 4 C1 C = 1, m o K Spektral bant değeri λ 1 < λ < λ 2 için siyah cisim ışıması olarak kabul edilmesi durumunda ( S ε λ, etkin olan bir yayınırlık ve 0 L λ, bir RL = ε λ L 0 λ ( T S ) (3.5) olarak verilmiştir. Böylece, yüzeyde atmosferik uzun dalga ışınım yansıması ve atmosferik etkiler göz ardı edilerek (3.4) ve (3.5) formüllerinin kombinasyonu ile fiziksel yüzey sıcaklığı ( T S ), yayınlanmış uzun dalga ışınımı ( R L ) nın kullanımı için ve ε λ olarak kabul edilen yayınırlık etkisi için temel çözümdür. Bu nedenle, doğal yüzeylerin yayınırlık bilgisi, termal kızılötesi uzaktan algılama uygulaması için gereklidir. 23

39 Termal Yayınırlık ve NDVI Yayınırlık ölçümleri, dalga boyu bant aralığı 8-14 µm için yapılmıştır. Yayınırlık kutusu, Strassburg Üniversitesi nde Becker ve Stoll (1987) tarafından geliştirilmiş orijinal olan aracın daha küçük, taşınabilir tipidir. Kutunun içi büyük ölçüde yansıma yapan alüminyumla kaplanmıştır. Yayınırlık, kutunun konumlarını üç ölçümle gösteren denklemlerin eş zamanlı çözümüyle hesaplanır. Yansıma kutusu, belirlenen bir yüzey üzerine yerleştirilirken üst plakanın kapatılıp, alttakinin açılmasıyla biçimlenir. Bu ölçüm, L1 = ε λ L 0 λ ( T S ) + ( 1- ε λ ) L 0 λ ( T S ) (3.6) ile ifade edilir. Aynı zamanda, yansıma yapan hareketli plakalar, kutunun üst ve alt tarafına yerleştirilmiştir ve hem ısı kaynağını hem de kutunun bulunduğu yüzeyi radyometreden izole edilebilir. Açık yayınırlık kutusu, aynı zamanda üst plakanın açık olduğu pozisyonda alt plakaya sahiptir. Bu durumda fiziksel sıcaklığın sıcaklık kaybeder. Bu ölçüm, T b olduğu siyah cisim ısı kaynağı L2 = ε λ L 0 λ ( T S ) + ( 1- ε λ ) L 0 λ ( T b ) (3.7) ile ifade edilir. Kapalı yayınırlık kutusu, kapalı pozisyonda alt plakaya sahiptir ve bu durumdayken üst plakanın açık olmasıyla ısı kaybı olur. Bu durumda, radyometre yalnızca siyah cisim tarafından yayınlanmış olan uzun dalga ışınımını ölçer. Bu, L3 = L 0 λ ( T b ) (3.8) olarak belirlenmiştir. Bu üç denklemin çözülmesiyle yayınırlık için, ε λ = ( L2 - L3 ) / ( L1 - L3 ) (3.9) elde edilir. 24