3. Ulusal Taşkın Sempozyumu, İstanbul, 29-30 Nisan 2013 TAŞKIN RİSK YÖNETİMİNDE SAYISAL ARAZİ ALTYAPISI Doç.Dr. Türkay GÖKGÖZ
GİRİŞ Taşkın risk yönetimi kapsamında, uzaktan algılama, CBS, nümerik modelleme ve programlama yöntem ve teknikleri ile gerçekleştirilen çalışmalar şu şekilde gruplandırılabilir: 1) Saha çalışması, 2) Uydu görüntülerinin işlenmesi, 3) Eski taşkın olaylarının analizi, 4) Sayısal arazi ve hidromorfometrik analizler, 5) Jeoloji ve mühendislik jeolojisi incelemeleri, 6) Hidrolojik analizler, 7) Hidrolik analizler, 8) İstatistik analizler, 9) Taşkın risk haritalarının üretimi, 10) Zarar görebilirlik analizi ve taşkın zarar haritalarının üretimi ve 11) Taşkın risk yönetim planının hazırlanması.
GİRİŞ Sayısal arazi ve hidromorfometrik analizler ile kastedilen, 1) Drenaj ağlarının türetilmesi, 2) Havza ve alt havza sınırlarının belirlenmesi, 3) Havza ve alt havza şekillerinin ve drenaj yoğunluğunun belirlenmesi, 4) Havza eğim ve bakı haritalarının üretilmesi, 5) Akarsu uzunluk-gradyan indeksinin belirlenmesi ve 6) Akarsu boykesit ve enkesitlerinin çıkartılmasıdır.
GİRİŞ Taşkın derinliği, taşkın zarar haritalarında kritik rol oynamaktadır. Örneğin, taşkın derinliğinde yapılacak 1 metrelik bir hata, yüzlerce kilometreküp su hacmine denk gelebilecektir ki bu, zarar boyutunun belirlenmesinde ve risk planının hazırlanmasında yanlış sonuçların ortaya çıkmasına neden olacaktır. Bu bağlamda, altlık olarak kullanılacak arazi modellerinin çözünürlük ve doğruluğu son derece önemlidir.
GİRİŞ Bununla birlikte, SYM nin çözünürlüğünü artırmak tek başına yeterli değildir. SYM nin hidrolojik açıdan da doğru olması gerekir. Hidrolojik açıdan SYM nin doğruluğunu artırmak için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. İlk olarak, modelde akışın sürekliliğini engelleyen çukurların yumuşatılması veya doldurulması şeklinde çözümler aranmış ancak, yapay ve doğal çukur ayrımı yapılamadığı ve yapay düzlükler meydana geldiği için, bu çözümler yeterli olmamıştır. Bu nedenle sonraki çalışmalar, düzlükler ve/veya sabit eğimli yüzeyler üzerine yoğunlaşmış ve bir dizi yöntem geliştirilmiştir.
GİRİŞ Bu sunumda, Öncelikle, SYM ile birlikte Sayısal Arazi Modeli (SAM) ve Sayısal Yüzey Modeli (SzM) oluşturmada kullanılabilecek global ve ülkemizde üretilen mevcut veriler ele alınmaktadır. SYM lerden drenaj ağlarının türetilmesinde özel öneme sahip iki faktör (birikinti eşik değeri ve çözünürlük) bir diğer başlık altında incelenmektedir. Sonraki bölümde, yükseklik eğrilerinden üçgen ağları elde edilirken karşılaşılan yatay üçgen sorununa değinilmektedir. Son bölümde, yalnız SYM verisi ile yüksek doğruluklu üçgen ağlarının elde edilmesi için geliştirilmiş bir yöntem tanıtılmaktadır. Ayrıca, politika ve strateji anlamında bazı önerilerde bulunulmaktadır.
SAYISAL ARAZİ ALTYAPISI İÇİN MEVCUT VERİ KAYNAKLARI Veri Topoğrafik vektör veri tabanı (TOPO25) Sayısal yükseklik verileri (YÜKPAF25) Sayısal yükseklik verileri (ASTER GDEM1) Sayısal yükseklik verileri (SRTM DTED1) Sayısal yükseklik verileri (CGIAR-CSI SRTM) Sayısal yükseklik verileri (TSYM3) Sayısal yükseklik verileri (DTED1) Sayısal yükseklik verileri (DTED2) Sayısal yükseklik verileri (ASTER GDEM2) Ölçek Çözünürlük (m) 1:25,000 - Yatay konum (m) 12.3 (% 90 güven düzeyinde) 1:25,000 - - - 90 90 - - 90 90 - - 90 90 - - 90 90 - - 90 90 - - 30 30 - - 30 30 - Ortalama doğruluk Düşey konum (Yükseklik) (m) 5.3 (% 90 güven düzeyinde) 8.8 (%90 güven düzeyinde) 20 (% 95 güven düzeyinde) 9 (% 90 güven düzeyinde) 7.58 (% 95 güven düzeyinde) 9 (% 90 güven düzeyinde) 8.8 (% 90 güven düzeyinde) 8.8 (% 90 güven düzeyinde) 17 (% 95 güven düzeyinde) Kaynak HGK HGK NASA NASA CGIAR-CSI Selçuk Üniversitesi HGK HGK NASA
SAYISAL ARAZİ ALTYAPISI İÇİN MEVCUT VERİ KAYNAKLARI Radar sinyallerinin alınması sırasında meydana gelen saçılma, yansıma ve gölgelenme gibi olaylar, SRTM de kısmi veri boşluklarının oluşmasına neden olmuştur. Türkiye sınırları içerisinde belirlenen boşluk oranı ortalama % 0.16 dır. Bu sayı yaklaşık 220,000 grid noktasına karşılık gelmektedir. Boşluklar, büyük oranda ülkenin doğusuna doğru yığılmaktadır.
SAYISAL ARAZİ ALTYAPISI İÇİN MEVCUT VERİ KAYNAKLARI SRTM DTED1 Türkiye verilerinde boş noktaların konumsal dağılımı
SAYISAL ARAZİ ALTYAPISI İÇİN MEVCUT VERİ KAYNAKLARI Literatürde, boşluk doldurma yöntemi olarak enterpolasyon tekniğinin ağırlık kazandığı söylenebilir. Hangi yönteme dayanırsa dayansın, boşlukların genişliği ve arazi yüzeyinin eğimi arttıkça, enterpolasyon yönteminin etkinliği azalmakta, elde edilen sonuçlar gerçek arazi yapısından oldukça farklı bir görünüm ortaya çıkarmaktadır. Sonuç olarak, boşluksuz bir modelin, ancak dış veri kaynaklarının desteğiyle oluşturulabileceği anlaşılmaktadır. Dış veri kaynakları şunlar olabilir: Fotogrametrik yöntemle elde edilmiş, uygun ölçekli (örneğin, 1:25,000 veya 1:50,000) standart topoğrafik haritalar Havadan lazerle tarama verileri InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) uydu görüntülerinden elde edilmiş SYM ler
SAYISAL ARAZİ ALTYAPISI İÇİN MEVCUT VERİ KAYNAKLARI Bildirici vd. tarafından gerçekleştirilen bir çalışma ile Türkiye deki SRTM verilerinde belirlenen böylesi boşlukların büyük çoğunluğu Harita Genel Komutanlığı (HGK) tarafından üretilen 1:25,000 ölçekli standart topoğrafik haritalardan doldurulmuştur. 350 paftadan yükseklik eğrilerinin sayısallaştırılması yoluyla elde edilen sayısal yükseklik modelleri, boşlukların belirgin bir şekilde yığıldığı yerlerde kullanılmıştır. Geriye kalan dağınık karakterli boşluklar, enterpolasyon yardımıyla doldurulmuştur. Bu şekilde elde edilen model, Türkiye Sayısal Yükseklik Modeli- 3 (TSYM3) adıyla anılmaktadır. TSYM3, kuzey-güney ve doğu-batı yönünde 90 m (3 3 ) aralıklı yaklaşık 150 milyon grid noktasının yükseklik değerlerini içermektedir.
SAYISAL ARAZİ ALTYAPISI İÇİN MEVCUT VERİ KAYNAKLARI Bazı araştırma kuruluşlarınca sonuçlandırılmış, SRTM DTED1 verilerine dayalı eksiksiz başka sayısal arazi modelleri de vardır. CGIAR-CSI (Consultative Group on International Agricultural Research- Consortium for Spatial Information) tüm dünya için böyle bir modeli internet üzerinden kullanıcılara ücretsiz olarak sağlamaktadır. Söz konusu model için boşluklar enterpolasyon yöntemiyle doldurulmuştur. Bu nedenle, hesapla bulunan bazı yüksekliklerde büyük hatalarla karşılaşmak olasıdır.
SAYISAL ARAZİ ALTYAPISI İÇİN MEVCUT VERİ KAYNAKLARI Ayrıca, ülkemizde yerleşim yerlerinin hemen tamamını kapsayan büyük ölçekli (1:1,000, 1:2,000 ve 1:5,000) sayısal ve/veya basılı standart topoğrafik ve kadastral haritalar mevcuttur. Bunlar oldukça yüksek doğruluklu geometrik (Büyük Ölçekli Harita ve Harita Bilgileri Üretim Yönetmeliği ne göre yatay ve düşey konum doğruluğu yaklaşık 10 cm) ve semantik bilgiler içermektedir.
SAYISAL ARAZİ ALTYAPISI İÇİN MEVCUT VERİ KAYNAKLARI Son zamanlarda, yüksek çözünürlüklü ve doğruluklu LIDAR (Light Detection and Ranging) verisi toplamaya yönelik çeşitli projelerin başlatıldığı da bilinmektedir. Örneğin, İstanbul Büyükşehir Belediyesi tarafından başlatılan projenin 2014 yılında tamamlanması öngörülmektedir. Proje ayrıntıları bilinmemekle birlikte, dünyadaki diğer benzer örnekler ışığında, 1-3 m arası çözünürlüğe ve 3-30 cm arası düşey konum (yükseklik) doğruluğuna sahip olması beklenebilir.
SAYISAL ARAZİ ALTYAPISI İÇİN MEVCUT VERİ KAYNAKLARI Bununla birlikte, yine çeşitli belediyelerin, doğruluk istatistikleri tam olarak bilinmeyen, 3 ve 5 m çözünürlüklü SYM leri mevcuttur.
SYM LERDEN DRENAJ AĞLARININ TÜRETİLMESİ: BİRİKİNTİ EŞİK DEĞERİ VE ÇÖZÜNÜRLÜK FAKTÖRÜ Yaygın kullanılan yaklaşıma göre SYM lerden drenaj ağları türetilirken izlenen işlem adımları şöyle sıralanabilir: 1) SYM nin yapay çukurluklardan arındırılması, 2) Akış doğrultularının belirlenmesi, 3) Akış birikintilerinin hesaplanması, 4) Drenaj için birikinti eşik değerinin (BED) girilmesi ve 5) Drenaj ağının oluşturulması.
SYM LERDEN DRENAJ AĞLARININ TÜRETİLMESİ: BİRİKİNTİ EŞİK DEĞERİ VE ÇÖZÜNÜRLÜK FAKTÖRÜ Birikinti eşik değerinin tespiti için çeşitli yaklaşımlar geliştirilmiştir: 1) Maksimum birikinti değerinin % 1 i (Olivera vd., 2002) 2) Ortalama birikinti değeri (Tang, 2000) 3) (Eğer varsa) mevcut akarsuları temsil eden çizgi nesnelerin kaynak noktalarında hesaplanan birikinti değerlerinin ortalaması (Heine vd., 2004)
SYM LERDEN DRENAJ AĞLARININ TÜRETİLMESİ: BİRİKİNTİ EŞİK DEĞERİ VE ÇÖZÜNÜRLÜK FAKTÖRÜ Bir ağda eğer birbirine paralel iki dal varsa ve eğer bu iki dal arasında hiç SYM noktası bulunmuyorsa, bu iki daldan en az biri, sadece en büyük eğim çizgisi olarak kabul edilmelidir. (a) (b) a) İkisinden en az birinin sadece en büyük eğim çizgisi olarak kabul edilmesi gereken paralel çizgiler ve b) her ikisinin de drenaj çizgisi kabul edilebileceği paralel çizgiler
SYM LERDEN DRENAJ AĞLARININ TÜRETİLMESİ: BİRİKİNTİ EŞİK DEĞERİ VE ÇÖZÜNÜRLÜK FAKTÖRÜ Birikinti eşik değerinin tespiti için Gökgöz vd. (2006) tarafından geliştirilen son yaklaşım işte bu temele dayanmaktadır. Bu yaklaşımda amaç, paralele çizgilerin ortaya çıkmadığı ilk ağı verecek birikinti eşik değerini yakalamaktır. Bunun için geliştirilen algoritma, bir dizi iterasyon yapmakta ve her birikinti eşik değerine göre elde edilen sonucu, paralel çizgiler açısından değerlendirmektedir.
SYM LERDEN DRENAJ AĞLARININ TÜRETİLMESİ: BİRİKİNTİ EŞİK DEĞERİ VE ÇÖZÜNÜRLÜK FAKTÖRÜ SYM lerden türetilen drenaj ağlarının doğruluğunu ve duyarlığını belirleyen bir başka ölçüt, SYM çözünürlüğüdür. Çözünürlük arttıkça drenaj ağının doğruluğu ve duyarlığı da artmaktadır. Bunun tersi de doğrudur.
SYM=30 m SYM=10 m SYM LERDEN DRENAJ AĞLARININ TÜRETİLMESİ: BİRİKİNTİ EŞİK DEĞERİ VE ÇÖZÜNÜRLÜK FAKTÖRÜ Gökgöz vd. (2006) Ortalama (Tang, 2000) Max % 1 (Olivera vd., 2002) BED=117 BED=81 BED=193 BED=16 BED=26 BED=22
Alt havza Dal SYM LERDEN DRENAJ AĞLARININ TÜRETİLMESİ: BİRİKİNTİ EŞİK DEĞERİ VE ÇÖZÜNÜRLÜK FAKTÖRÜ Gökgöz vd. (2006) Ortalama (Tang, 2000) Max % 1 (Olivera vd., 2002) SYM (m) 10 30 10 30 10 30 BED 117 16 81 26 193 22 Toplam uzunluk (m) Toplam yüzölçüm (m 2 ) Sayı 72 65 113 45 47 47 10,364 9,869 12,208 7,940 8,333 8,600 Sayı 72 65 113 45 47 47 1,981,776 1,981,977 1,981,878 1,981,975 1,981,878 1,981,975
SYM LERDEN DRENAJ AĞLARININ TÜRETİLMESİ: BİRİKİNTİ EŞİK DEĞERİ VE ÇÖZÜNÜRLÜK FAKTÖRÜ Sonuç olarak, SYM çözünürlüğü ve birikinti eşik değerlerine bağlı olarak dal sayısı ve uzunluğu farklı drenaj ağları türetilebilmekte ve dolayısıyla farklı sayı ve yüzölçümde alt havzalar ortaya çıkabilmektedir. Bu durum, bunlara dayalı olarak yapılan hidromorfometrik ve hidrolojik analizlere doğrudan yansıyacaktır. Başka bir deyişle, SYM nin çözünürlüğü ve SYM den türetilen drenaj ağının doğruluğu, hidromorfometrik ve hidrolojik analizlerin doğruluğunu da etkileyecektir.
YÜKSEKLİK EĞRİLERİNDEN ÜÇGEN AĞLARININ ELDE EDİLMESİ: YATAY ÜÇGEN SORUNU Yükseklik eğrilerinden üçgen ağlarının elde edilmesinde uygulanabilecek en uygun yöntem zorlanmış Delaunay üçgenleme yöntemidir. Bununla birlikte, bu en uygun yönteme göre üçgenleme yapıldığında bile en uygun arazi modeli elde edilememektedir. Üç köşesinin yüksekliği de aynı olan üçgen olarak tanımlanan yatay üçgenler ortaya çıkmaktadır.
YÜKSEKLİK EĞRİLERİNDEN ÜÇGEN AĞLARININ ELDE EDİLMESİ: YATAY ÜÇGEN SORUNU (a) (b) a) Yükseklik eğrileri (siyah çizgiler) ve üçgen ağındaki yatay üçgenler (gri üçgenler) ve b) bunların bir açıdan üç boyutlu görünümleri (gri yapay teraslar)
YÜKSEKLİK EĞRİLERİNDEN ÜÇGEN AĞLARININ ELDE EDİLMESİ: YATAY ÜÇGEN SORUNU Yatay üçgenler arazi modeli açısından yapay teraslar anlamına gelmektedir. Yapay teraslar içeren bir model, doğru bir model değildir ve bu modele dayalı yapılacak hesap ve analizler de doğru olmayacaktır. Modelin yapay teraslardan kurtarılıp daha doğru hale getirilmesi, ancak arazinin iskelet çizgilerinin de üçgenlemeye dâhil edilmesiyle başarılabilmektedir.
YÜKSEKLİK EĞRİLERİNDEN ÜÇGEN AĞLARININ ELDE EDİLMESİ: YATAY ÜÇGEN SORUNU Aumann vd. (1991) tarafından geliştiren yönteme göre türetilen bir iskelet çizgisi
SYM LERDEN ÜÇGEN AĞLARININ ELDE EDİLMESİ: TEKDÜZE ÜÇGEN SORUNU Mevcut CBS yazılımları SYM nin bütününde tekdüze üçgenler ile üçgen ağlarını meydana getirmektedir. Başka bir deyişle, SYM deki tüm gridler, aynı köşegenler ile bölünerek (örneğin, kuzey batı güney doğu köşe noktaları birleştirilerek) üçgenler meydana getirilmektedir. Ancak, yeryüzünde arazi deseni genel olarak düzenli değişmediğinden, böylesi üçgen ağları arazi yüzeyine beklenen düzeyde oturmaz. Bu nedenle, böylesi arazi modellerinden yeterince doğru ve duyarlı hesap ve analiz sonuçları elde edilemez. Bu bağlamda, jeomorfolojik ve kartografik temelleri olmayan oldukça kaba ya da basit bir yaklaşım olarak ifade edilebilir.
SYM LERDEN ÜÇGEN AĞLARININ ELDE EDİLMESİ: TEKDÜZE ÜÇGEN SORUNU Yükseklik eğrileri, bir arazi modelinin doğruluğu konusunda fikir sahibi olabilmek için iyi bir araçtır. Çünkü aralarında yakın bir ilişki vardır: Kendileri bir çeşit arazi modeli olan yükseklik eğrileri, diğer arazi modellerinden türetilebilir. Bir arazi modelinde yapılacak değişiklikler doğrudan yükseklik eğrilerine yansıyacaktır. Bir üçgen ağında üçgenler, yani enterpolasyon doğrultuları değişirse, yükseklik eğrileri de doğrultularını değiştirir. Sonuç olarak, yükseklik eğrilerinin betimlediği arazi şekilleri incelenerek, üçgen modelin doğruluğu hakkında fikir sahibi olunabilir.
SYM LERDEN ÜÇGEN AĞLARININ ELDE EDİLMESİ: TEKDÜZE ÜÇGEN SORUNU (a) (b) a) Küçük bir SYM ve b) bu SYM noktaları ile yukarıda bahsedilen yaklaşıma göre elde edilen üçgen ağı (gri çizgiler) ve bu ağdan türetilen yükseklik eğrileri (siyah çizgiler)
SYM LERDEN ÜÇGEN AĞLARININ ELDE EDİLMESİ: TEKDÜZE ÜÇGEN SORUNU Bu yaklaşım, Gökgöz (2010) tarafından iyileştirilmiştir. Geliştirilen yöntemde, SYM noktalarında hesap edilen eğim bilgileri kullanılmakta ve aşağıdaki işlem adımlarıyla üçgen ağı elde edilmektedir: Ekstrem (alçak ve yüksek) noktaların belirlenmesi, Komşu ekstrem noktaların doğru parçaları ile bağlanması, Kesişen doğru parçalarından birinin silinmesi ve Geriye kalan tüm doğru parçalarının üçgenlemede birer zorlama kenarı olarak kullanılması.
SYM LERDEN ÜÇGEN AĞLARININ ELDE EDİLMESİ: TEKDÜZE ÜÇGEN SORUNU (a) (b) a) Ekstrem noktalar ve zorlama kenarları (siyah nokta ve çizgiler) ve b) yüksek doğruluklu üçgen ağı (gri çizgiler) ve yükseklik eğrisi (siyah çizgi)
SONUÇLAR VE ÖNERİLER Taşkın risk yönetiminde önemli bileşenlerden biri sayısal arazi altyapısıdır. Yeterince sağlam sayısal arazi altyapısına dayanmayan taşkın risk yönetimi, güvenilir ve uygulanabilir olmayacaktır. Sağlam sayısal arazi altyapısı ancak ölçeği, çözünürlüğü ve doğruluğu amaca hizmet edecek düzeyde ve hatalardan arındırılmış kaliteli veri ile birlikte, ticari yazılımların sunduğu kısıtlı araçlarla yetinmeyen, bilimsel gelişmeleri takip eden ve uygulayabilen uzmanlarla sağlanabilir. Ülkemiz her iki açıdan da belli bir potansiyele sahiptir. Bu potansiyelden olabildiğince yararlanabilmek ve en iyi sonuçları elde edebilmek için aşağıda sıralanan çeşitli politika ve stratejilere gereksinim olduğu düşünülmektedir:
SONUÇLAR VE ÖNERİLER 1) Sayısal arazi verisi üreten kurum ve kuruluşlar, Türkiye Ulusal Coğrafi Bilgi Sistemi (TUCBS) standardında üretimlerini gerçekleştirmeli, 2) Taşkın risk yönetiminde yalnız TUCBS standardında veri kullanılmalı, 3) Sayısal arazi altyapısının amacı, hedefleri, içeriği, kapsamı, ölçeği, çözünürlüğü, doğruluğu ve diğer özellikleri, havzaların yapılaşmış ve yapılaşmamış kısımları için ayrı ayrı tanımlanmalı; ayrıca, bu altyapıların hangi bilimsel yöntemlerle nasıl oluşturulacağı (metodoloji) ve bunlardan nasıl yararlanılacağı (analizler) belirlenmeli ve bağlayıcılığı olan bir doküman (yönetmelik, yönerge, teknik şartname, vb.) olarak yayımlanmalı,
SONUÇLAR VE ÖNERİLER 4) Taşkın risk yönetimi sürecinde sayısal arazi altyapısına dair her aşamada (tasarım, gerçekleştirim, kontrol, vd.) üniversitelerimizdeki bilimsel birikimden etkin olarak yararlanılmalı ve 5) Taşkın risk yönetimi tek bir kurumun sorumluluğunda olmalı ve bu kurumda sayısal arazi altyapısından sorumlu bir birim olmalıdır.
İlginiz için teşekkürler Soru, görüş ve önerileriniz?