Niğde Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt Sayı-, (), - SAYISAL YÜKSEKLİK MODELİ YARDIMIYLA TAŞKIN ALANLARININ BELİRLENMESİ Ali Can DEMİRKESEN Yrd. Doç. Dr., Niğde Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Jeodezi ve Fotogrametri Müh. Böl., Niğde Merkez ÖZET Bu çalışmada, kent ve kırsal alanlarda arazi düzenlemesi yapılırken, planlamaya yardımcı olmak için o bölgeye ait uydu görüntülerinden elde edilen sayısal yükseklik modeli (SYM) incelenip hidrolojik yüzey analizi yapılarak; o bölgeye ne kadar yağmur yağdığında nereler taşkına uğrar; bunun belirlenmesi yapılmaktadır. Yazılım olarak, sayısal yükseklik modellerini analiz eden ve bir coğrafi bilgi sistemi yazılım programı olan RiverTools kullanılmıştır. Veri olarak, ABD de Kentucky Eyaleti ndeki Cumberland akaçlama havzasının alt kümesi olan bir SYM verisi deneysel olarak kullanılmıştır ve analizi yapılmıştır. Yüzeydeki su seviyesinin belirli bir yüksekliğe ulaştığında taşkın alanlarının sınırları belirlenmiştir. Bu veri kümesi ise m lik çözünürlüğe sahip Landsat- Thematic Mapper manzarasının bir alt kümesinden elde edilmiştir. Bu bağlamda yapılan araştırma, uygulama ve analiz sonuçları bu makalede yorumlanıp tartışılmaktadır. Anahtar kelimeler: Sayısal yükseklik modeli, Hidrolojik yüzey analizi, Taşkın alanlarının belirlenmesi DETERMINATION OF FLOOD AREAS USING DIGITAL ELEVATION MODEL ABSTRACT Recently, due to the excessive raining, some land and houses have been seen under water and faced with flood disaster. In order to prevent this catastrophe, taking measures beforehand is so important. For this reason, in order to help with planning while land arrangements in urban and rural areas are done, hydrologically analyzing DEMs produced from the satellite images belonging to that region, locations of flooded areas are determined when excessive raining occurs. Therefore, in this study, DEM analysis is involved and explained, as well. As software, RiverTools, a Geographic Information System, which analyzes digital elevation models (DEMs) was used. With RiverTools, all images belonging to DEMs can be processed and its hydrologic surface can be analyzed. In other words, all satellite images related to DEMs can be processed. As data, the DEM belonging to Cumberland basin in Kentucky State, USA was experimentally used and analyzed. The data set is a scene, derived from a subset of Landsat- TM having a m resolution. Flood areas were determined as water level in the surface of the study area reached at a certain elevation. Analyses and application results associated with this study are interpreted and discussed in this paper. Key Words: Digital elevation model, hydrologic surface analysis, determination of flood areas. GİRİŞ Günümüzde, aşırı yağan yağmurlar nedeniyle bazı arazi ve evlerin su altında kalıp, sel afetine uğradıkları görülmektedir. Bu afete karşı, önceden, gereken önlemlerin alınmasının önemi büyüktür. Bu nedenle, bir bölgeye yağan aşırı yağmur nedeniyle oluşan sel afetine karşı gerekli önlemlerin alınmasına yardımcı olmak için o bölgeye ait uydu görüntülerinden elde edilen SYM vasıtasıyla topografik yapının analizi ve taşkına karşı güvenli yerlerin belirlenmesi büyük önem taşır. Günümüze kadar bir çok yazar bir çok amaç için SYM lerin değerlendirilmesi, analizi, ve bilgisayar destekli sayısal yorumlanması üzerine çalışmıştır [...9]. Bu çalışmalar, genellikle otomatik olarak SYM nin analizini yapmak, SYM den bilgi üretmek, ve drenaj paternlerinin (şekillerinin) belirlenmesi üzerinedir.
Ali Can DEMİRKESEN Ayrıca, drenaj paternlerinin belirlenmesi de bir çok bilimsel alanlarda, örneğin, hidrolojinin yanısıra jeolojik amaçlı yer yüzeyinin yorumlanmasında kullanılmıştır. Çeşitli disiplinlerde çalışan bilim adamları, SYM üzerinde lineer cebir uygulayarak ve bilgisayar teknolojisinden yararlanarak değişik amaçlı görselleştirme, yorumlama teknikleri ve hidrolojik modellemeler geliştirmişlerdir [,,,, ]. Bu çalışmanın amacı ise taşkın alanlarının belirlenmesi ve bu amaçla, SYM den bilgi üretimi ile ilgili önceki çalışmaların derlenmesi ve değerlendirilmesi, ve SYM nin deneysel olarak analizinin yapılmasını esas almaktadır. Sonuç olarak, aşırı yağan yağmurlar sonucunda yüzeydeki su seviyesinin artması ile taşkına uğarayacak yerlerin belirlenmesine çalışılmıştır. Yazılım olarak, sayısal yükseklik modellerini analiz eden ve bir coğrafi bilgi sistemi yazılım programı olan RiverTools kullanılmıştır. Bu yazılımla, sayısal yükseklik modellerine ait görüntülerin işlenmesi ve hidrolojik yüzey analizi yapılabilmektedir. Tüm uydu görünleri ile ilgili SYM ler işlenebilmektedir. Ayrıca, ülkemizde yaygın olarak kullanılan ArcGIS, AutoCAD ve NetCAD gibi yazılım programları ile sonuçlar bütünleştirilebilmektedir. Veri olarak, ABD de Kentucky Eyaleti ndeki Cumberland akaçlama havzasına ait SYM nin bir alt küme verisinin deneysel olarak analizi yapılmıştır. Veri kümesi ise m çözünürlüğe sahip Landsat- TM (Thematic Mapper) ın alt kümesi olan bir görüntüdür. Bu bağlamda yapılan araştırma, uygulama ve analiz sonuçları bu makalede yorumlanıp tartışılmaktadır. Sonuç çıktılar, ekler kısmında görsel olarak verilmektedir.. SAYISAL YÜKSEKLİK MODELİ Topografik bir yüzey, genellikle uygulamada sayısal bir model olarak şekilde gösterilir. Bunlar: sayısal yükseklik modeli (SYM Digital Elevation Model), sayısal yüzey modeli, ve sayısal arazi modelidir (SAM Digital Terrain Model). SYM ler özellikle topoğrafik bir yüzeyin sayısal gösterimi için kullanılmaktadır. SYM ler genellikle yaygın olarak raster formatında ya da düzenli yükseklik noktalarından oluşan grit (ızgara) formatında ya da bir triyangulasyon (üçgenleme) vasıtasıyla bağlanmış rastgele yükseklik noktalarının kümesidir, başka bir deyişle, üçgenlenmiş düzensiz ağ (TIN-Triangulated Irregular Network) ile temsil edilir. SYM ler ayrıca sayısal bir görüntü gibi depolanır ve görüntüdeki piksellerin öznitelikleri yükseklik verilerini içerir. Yani, hücrelerin sayısal değerleri yükseklikleri gösterir. Sayısal yüzey modeli, sürekli ve tek değerli olduğu kabul edilir. Başka bir deyişle, yüzey, her hangi bir ani yükseklik değişimi, zirve, çukur, dik yamaç, uçurum, ya da fay kırığı gibi yüzeyin sürekliliğini bozan yapıları içermez. Tek değerli yüzey, Z=f(x,y) fonksiyonu olarak tanımlanır. Orada, herhangi bir (x,y) ikilisine karşılık gelen tek bir Z değeri vardır [,,,, ]. Sayısal arazi modeli (SAM), genellikle tam -boyutlu yerine. boyutlu model olarak adlandırılmaktadır. SYM ile birlikte su ayrım ve su toplama çizgileri, topografik bilgiler, ve hidrolojik karakteristiklerinin bütünü sayısal arazi modeli olarak adlandırılır. SAM, yer yüzünün bir parçasının kesikli (discrete) bir temsilidir. SAM lar için en yaygın model uzaktan algılanmış stereo görüntülerdir, örneğin, havadan çekilmiş bindirmeli resim çiftleri. SAM ayrıca arazinin hidrolojik yüzey karakteristiklerini de gösterir. Hidrolojik yüzey özellikleri, sıradağ zirvelerini ve sırtlarını, su ayrım ve su toplama çizgilerini, kırıklı yapıları, kıvrımları ve vadileri içerir. Su ayrım ve su toplama çizgileri ve SAM lar SYM lerden türetilir. SYM ler ise bilindiği gibi geleneksel olarak yersel ölçmelerle, fotogrametrik yöntemlerle ya da eşyükseklik eğrileri olan topoğrafik haritaların sayısallaştırılması ile üretilmektedir. Topoğrafik bir yüzeyin sayısal gösterimi için SAM daha genel bir kavram olmasına karşın SYM daha yaygın olarak kullanılmaktadır [,,,, ]. SYM, coğrafi bilgi sisteminin (CBS nin) vazgeçilmez bir elemanıdır. Bir çok CBS proje uygulamalarında kullanılmaktadır. SYM ler ayrıca hidrolojik yüzey paternlerinin ve arazi oluşumlarının tanınması için oldukça faydalıdır. SYM nin CBS de kullanım alanları: arazi yüzeyinin görselleştirilmesi, arazide herhangi bir noktanın yüksekliğinin bulunması, arazi yüzeyinin eğim ve cephesinin (bakısının) bulunması, arazideki basenlerin ve akaçlama havza sınırlarının belirlenmesidir. Ayrıca, su kanallarının, zirve ve çukurların, sıradağ sırtlarının ve diğer arazi oluşumlarının bulunmasında, ve hidrolojik modellemelerdeki model fonksiyonunun oluşturulmasında kullanılmaktadır. Kısaca, SYM lerin kullanım amacı, bilgisayarlarda yeryüzünün bir parçasını sayısal olarak temsil etmektir. Arazinin anolog temsili, eş yükseklik eğrilerini temsil ederken, yüzeyin sayısal gösterimi kesikli -boyutlu noktaları içerir [,,,,,, ]. Arazinin sayısal yükseklik değerleri ile görüntülenmesinin avantajları ise: bir çok değişik ürünlerin ve bilgilerin bilgisayar destekli belirlenmesine yardımcı olur. Örneğin, eşyükseklik eğrileri, perspektif görüşler,
Sayısal Yükseklik Modeli Yardımıyla Taşkın Alanların Belirlenmesi hacim hesapları, su akış hatlarının çizimleri, yüzey eğiminin ve bakısının bulunması, jeomorfolojik yapıyı gösteren gölgelendirilmiş yüzey haritası ve drenaj kanallarının çıkarımına olanak sağlar. SYM ler genellikle sürekli bir yüzeyin matris ya da raster (hücre yapılı grit) gösterimini kullanır. Bu yüzden, SYM nin doğruluğu noktalardan oluşan gritin ayrım gücüne (çözünürlüğüne) bağlıdır. Başka bir deyişle, sürekli bir yüzeyin örneklem noktaları arasındaki mesafeye bağlıdır. Ayrıca, kullanılan veri tipleri de, örneğin, tam sayı ya da kesirli sayı SYM nin doğruluğunu etkiler. Bunlara ilaveten, örneklem hataları ve ölçü kalitesi de SYM kalitesini etkiler. SYM deki hatalar, çukurlar ve sivri tepeler olarak noise (gürültü) şeklinde tuz-biber serpintisi gibi görülür. Bu hatalar, grit (piksel, hücre) vasıtasıyla yüzeyin kesikli gösteriminden de gelebilir. SYM leri üretmek için kullanılan referans (dayanak) noktalarının hatalarından ya da nokta sıklaştırma için kullanılan enterpolasyon hatalarından da kaynaklanabilir. Bu hatalar, grit boyutu ile doğru orantılıdır [,, ]. SYM deki hataları azaltmanın bir yolu SYM ler için stereo fotoğrafları/görüntüleri üretirken geniş açılı kameraların kullanılmasıdır, ya da rölyef (kabartma, engebe, yükseklik) düzeltmesinin yapılması ve orto-foto üretilirken normal açılı kameranın kullanılmasıdır []. SYM lerin hataları ve problemli yerleri görsel denetim ile aranıp bulunabilir. Bunu yapmanın bir yolu SYM nin perspektif görüşünü kontrol etmektir. Bu durumda, hatalar ani çukurlar (ani derinlikler) ve sivri tepeler (ani yükseltiler) olarak görülür. Hata denetiminin diğer bir yolu ise analitik ploter da stereoskopik görüşün incelenmesidir. Bu durumda, SYM verisi analitik plotera yerleştirilir ve hava fotoğraflarından - boyutlu stereo-model görüntülenir. Hatalı ve doğru olmayan noktalar belirlenir ve düzeltilir. Referans (dayanak) stereo-model üretmek için SYM lerin üretimindeki ölçekten daha büyük ölçekli (yüksek çözünürlüklü) görüntü kullanıldığı zaman daha güvenilir denetim ve üretim elde edilir []. Çeşitli hatalardan kaynaklanan SYM lerdeki çukurlar genellikle doğal nesnelerden oluşur ve akış yönlerinden (doğrultularından) bu çukurlar belirlenir. Çukur, daha büyük yükseklik değerlere sahip komşu pikseller tarafından çevrelenen bir alandır. Çukur, ayrıca, çöküntü olarak da adlandırılır. Çöküntü bir iç drenaj alanıdır. Çoğu çukurlar SYM de düzensiz olmasına rağmen, özellikle buzul ve karstik alanlardaki bu çöküntülerin bazıları gerçek ve doğaldır. Böyle hataların, özellikle çukurların, herhangi bir yüzey bilgisi üretilmeden ortadan kaldırılması gerekir. Aksi takdirde, suyun ya da kanalın akış yönü hesaplanırken iç drenaj alanlarında istenmeyen sonuçlar elde edilir. Bu yüzden, öncelikle çukurları doldurup, başka bir deyişle çukura karşılık gelen yükseklik değerleri komşu piksel yüksekliklerinin ortalama değerine getirilip (atanıp), çukur problemi ortadan kaldırılarak çöküntüsüz SYM lerin üretilmesine ihtiyaç duyulur (Şekil ). SYM deki çukurlar, yükseklik değerleri genellikle düşük çözünürlükteki ayrım gücüne sahip SYM lerden daha küçük olmasıyla yüksek engebeli alanlarda daha büyük probleme neden olur. Ayrıca, SYM leri üretirken sistematik örneklem hatalarından kaynaklanan hatalı SYM ler de yatay şeritlenmeye neden olur. Bu tam sayıları içeren düz alanlarda oluşur [, ]. Diğer topografik yüzey gösterimlere nazaran bir raster SYM nin avantajları ise dijital görüntülerdeki gibi basit bir yapıya sahip olması ve lineer cebir vasıtasıyla daha hızlı hesap yapımına izin vermesidir. Raster SYM nin dezavantajları ise düzenli gritteki kırık çizgilerle başetme ve bütünleştirmedeki problemler, veri depolama için büyük hafıza gereksinimi ve enterpolasyon için büyük denklem sistemlerine ihtiyaç duyulmasıdır. Ancak kırık çizgiler ve su toplama çizgisi gibi birçok problemler bir çok yöntemle giderilmektedir [, ]. Günümüzdeki büyük hafızalı bilgisayarlar sayesinde hafıza sorunu da ortadan kalkmaktadır.. WARNTZ AĞI Warntz ağı; yeryüzeyini, birbirleri ile bağlantılı ve ilgili topografik ya da hidrografik anahtar özelliklere indirgeyerek arazi gösterimini basitleştirmek için kullanılan bir yöntemdir []. Warntz ağı, arazi yüzeyi üzerindeki su akışını tanımlamaya yardım eden topografik ya da hidrografik anahtar özelliğe sahiptir ve bu anahtar özellikler aşağıda verilmektedir (Şekil, ve )..Çukur (sink, pit): çöküntü; daha yüksek yükseklik değerleri ile çevrelenmiş alan olarak tanımlanır..zirve (peak, spike): doruk; bölgede en yüksek yüksekliğe sahip nokta olarak tanımlanır. Yükseklik Pikseller Şekil. Sırasıyla, çukurlu, zirveli, ve çöküntüsüz SYM profilleri.
Ali Can DEMİRKESEN.Sırt (ridge): su ayrım çizgisi; zirve ya da ikinci bir geçite ulaşan bir geçitten yükselen eğim hattı olarak tanımlanır. Sırtta birbirinden ayrılan akış görünür. Akaçlama havza alanının sınırını yani basen sınırını oluşturur..vadi (valley): su toplama çizgisi; ikinci bir geçit ya da çukura ulaşan bir geçitten alçalan eğim hattı olarak tanımlanır. Vadide birbiri ile birleşen akış görünür. Toplam su akış miktarı yoğunlaşması vadiyi işaret eder..geçit (pass): iki tepe arasındaki geçiş hattı. Geçit, vadi olarak da tanımlanabilir..tümsek (bump): geçit ya da vadi hattındaki küçük tepe. İki tepenin zirveleri Geçit hattındaki tümsek Akış yönü Geçit hattı 9 9 9 9 SYM Geçit hattı Şekil. İki tepe arasındaki geçit hattı. Sırt Akaçlama havza alanı (akaçlama havza sınırı) Şekil. Geçit hattındaki tümsek. Kanal (vadi) Zirve Geçit Sırt Akaçalama havza alanı (Basen) Zirve Sırt (akaçlama havza sınırı) Sırt (akaçlama havza sınırı) Kanal (vadi) Şekil. Warntz ağı [,, ].. SYM DEN HESAPLAMALAR.. SYM den Yüksekliklerin Kestirimi Temel olarak, x boyutlu hücrelerden oluşmuş bir penceredeki birbirine en yakın grit noktası kullanılarak bir düzlem denklemi Z=a+bx+cy hesaplanabilir. Şekil deki x boyutlu pencerenin ortası orijin (x=,y=) olarak tanımlanır ve komşu noktalarına x,y koordinatları (-,-), (-,), (,-), (,) olarak verilirse Z yüzey denklemindeki a, b, c katsayıları aşağıdaki gibi bulunur. Burada S= birimdir, Z i =yüksekliklere karşılık gelen öznitelik değerleridir.
Sayısal Yükseklik Modeli Yardımıyla Taşkın Alanların Belirlenmesi Z (,) Z Z Z (,) S Z = a + bx+ cy a = ( z + z b = ( z + z c = ( z z Şekil. SYM de x boyutlu hücrelerden oluşmuş bir pencere. + z + z )/ z + z )/ + z + z )/ Ayrıca, katsayılar; daha geniş komşu pikseller, örneğin birbirine en yakın 9 nokta kullanılarak da çözülebilir. Fakat, bu işlem, enterpole edilen değer üzerinde daha küçük etkiye sahip olurken, daha ileriki aşama için daha fazla ağırlık katsayısı kullanılması gerekir. a, b, c katsayılarının değerleri hesaplandıktan sonra herhangi bir yükseklik, Z(x,y) yüzey denkleminden bulunur... Eğim ve Bakının Bulunması SYM deki iki komşu yükseklik noktası arasındaki uzaklık (piksel boyutu) S grit aralığı ile x boyutlu bir pencere SYM (Z-matris) verilsin. En küçük kareler yöntemi ile Z i,j (orijin olarak merkez nokta) olmak üzere Z yüzeyine en uygun denklem aşağıdaki gibi yazılır [,,,, ]. z i, j + z i, j + i +, j + z Z Z Z z i, j z i, j z i, j + Z Z 9 Z z i, j z i, j i +, j z Z Z Z Şekil. SYM de x boyutlu hücrelerden oluşmuş bir pencere. Sırasıyla x boyutlu bir penceredeki Z i,j orijin koordinatları (i=,j=) ve diğer (i,j) koordinatlar (-, ), (,), (,), (-,), (,), (-,-), (,-) ve (,-). Bulunan a, b, c katsayıların değerleri: a = i, j i, j i, j+ i, j i, j i, j+ i+, j i+, j + i+, j+ ( z + z + z + z + z + z + z + z z ) / 9 b = (( zi, j + + zi, j + + zi+, j+ ) ( zi, j + zi, j + zi+, j ))/ S c = (( zi+, j + zi+, j + zi+, j + ) ( zi, j + zi, j + zi, j + )) / S Eğim = b + c ; Bakı = arctan (c / b) olarak bulunur...sym den Hidrolojik Yüzey Özelliklerinin Çıkarımı Akarsu drenaj ağları, hidrolojik yüzey karakteristikleri olarak SYM lerden çıkarılır. Hidrolojik yüzey geometrisi, yüzeyin bir başından öbür başına suyun nasıl aktığını ve nereden geçtiğini gösterir. Hidrolojik
Ali Can DEMİRKESEN yüzey analizi için yazılmış bilgisayar programlarının araçları, bir yüzeyin hidrolojik karakteristiklerini belirlemek için kullanılır. SYM vasıtasıyla herhangi verilen bir konum için drenaj sistem karakteristikleri değerlendirilir ve drenaj sisteminin (akaçlama havzasının) sınırları belirlenir. Aşağı eğimli yüzeydeki suyun aktığı yol belirlenir. Su akaçlama havza sınırları ve akarsu ağları çıkarılır. SYM lerden üretilen akaçlama havzaları ve akarsu ağları bir çok hidrolojik modellemeler için harita altlıkları olarak kullanılır. Bu modellemeler taşkın alanlar ve akarsu afetleri için de kullanılmaktadır [...,,,,, 9, ].... Akış Yönünün Belirlenmesi: Bir yüzeydeki akış, her zaman en yüksekten en alçak yöne doğru akar. Eğer her bir hücrenin akış yönü bilinirse, herhangi bir hücre içine ne kadar komşu hücre aktığı (hücrenin taşındığı) belirlenebilir. Bu bilgi, akarsu ağları ve su akaçlama havza sınırlarını belirlemek için kullanılır. Bir yüzeyin bir baştan öbür başa akış yönü her bir konum için bakı formülü ile belirlenir. İçine akan komşu hücre ile ilgili olası yön vardır (Şekil ). Akış yönü, her bir hücreden maksimum düşüş ya da en büyük alçalma yönü olarak hesaplanır. Maksimum düşüş; yükseklikteki farkın, hücre merkezlerinden olan uzaklığa oranı olarak belirlenir. Yani, maksimum düşüş (eğim) = hücrelerdeki Z yükseklik değerlerindeki değişim (fark) / hücreler arasındaki uzaklık [,,, ]. X Şekil. Verilen bir hücre konumu X için akış yönü.... Akış Birikintisinin Belirlenmesi: Yağmur düşüş hacminin (miktarının) birikintisi şu aşamalarla bulunur (Şekil, 9, ). () Başlangıçta, SYM deki her bir hücrenin değeri sıfırlanır (sıfır olarak kabul edilir). () Her bir hücreden başlayarak biri diğerine ilave edilir ve yağmur düşüşünün bir kısmı ya da tamamının akış yönünü takiben akarsu aşağısındaki hücrelere tranfer edilir (geçiş yapılır). () Akarsu kollarının (kanallarının) simülasyonu için; sadece bir hücre boyunca geçen birikmiş su, bazı kritik değere ulaştığı zaman; yani bir akarsu kanalının başladığını varsayalım; böylece, küçük alt kollar ihmal edilir ve diğer kollar sadece akış belirli bir yüksek hacme ulaştığı zaman görünür. Şekil ve deki kolların eşik değeri birim hacim olarak başlar ve daha büyük değerlerin oluşturduğu pikseller birleştirilerek kolların çizimi yapılır [,,, ].... Basen Sınırlarının Belirlenmesi: Akaçlama havzası ağdaki her bir noktanın sayısal yüksekliklerle ilişkilendirilmesi olarak tanımlanır ki o noktalar, bölge akarsuyunun üst sınırını belirler. Akaçlama havzası ayrıca bir basen ya da su havzası olarak da tanımlanır. Başka bir deyişle, akaçlama havzası SYM deki verilen bir hücre konumuna akış katkısında bulunan aşağı doğru eğimli yüzey alanıdır. Akaçlama havza sınırı bütün hidrolojik yüzey modellemesi için hemen hemen bir anahtar rolü oynar. Bu sınırlar ile toprak ve arazi kullanım bilgisini birleştirmek için grit transformasyon (dönüşüm) cebiri kullanılır. Böylece, özet istatistik, basen modellerine girdi verisi üretilir ki taşkın alanlarının yükseklikleri kestirilir (Ekler Şekil ) [,,, ]. Akaçlama havzasını bulmak için, belirlenen bir hücre ile başlanır ve ona akan bütün hücreler etiketlenir. O zaman bütün hücreler ve ona akan hücreler de basenin akarsu yukarısınsaki sınırlar belirlene kadar devam edilir. Akaçlama havzası o zaman bütün etiketlenmiş hücreler (dış sınır) tarafından oluşturulan poligon (kapalı çokgen) ile belirlenir (Ekler Şekil 9) [,,, ].... Akarsu Ağının Belirlenmesi: Akarsu drenaj ağını çizmek için, eşik değer ve üzerindeki değerlere sahip piksellerin akış haraketleri oklarla birleştirilir (Şekil, 9,, ). Matris dizininin kenarındaki sıfırlar, alan dışına akan kollar olarak yorumlanır. Çünkü, doğal sistemlerde küçük miktardaki su genellikle kanal içinde değil arazi üzerinde akar. Hücreler boyunca akarsu ağına akan suyun toplanması (birikmesi) beklenir. Böylece kanallar sadece bir eşik değer hacmine ulaştığı zaman çizilmeye başlanır (Şekil da eşik değer ). Bir grafik çizim fonksiyonu kullanılarak SYM den akarsu ağlarının sınırları çizilir. Örneğin, akış birikintisi her bir hücrenin içine akan
Sayısal Yükseklik Modeli Yardımıyla Taşkın Alanların Belirlenmesi aşağı eğimli yüzey hücrelerinin sayısıdır. Bir fonksiyonla akış birikintisinin sonuçlarına eşik değer uygulanarak bir grit cebiri kullanılır 9 ve akarsu ağının hatları belirlenir (Şekil ve Ekler Şekil ) [,,, ]. 9 9 9 X c = Şe b = a = Şekil. SYM deki grit matris hücrelerinin yükseklikleri. Şekil 9. Yüksekliklere göre hücrelerin akış yönleri. 9 9 Şekil. Her bir grit hücresinden akan akış birikintisi. Her bir hücreye akan toplam hücre sayısı. Şekil. Akarsu kollarının kritik akış seviyesi (eşik değer ).... Akarsu Kollarının Derecelendirilmesi: Akarsu kollarının (kanallarının) derecelendirilmesi, akarsu ağındaki linklere (bağlantı segmentlerine, akarsu kollarına) bir sayısal değerin atanması ile yapılır. Bu atama, alt kollara dayanan akarsuların hiyerarşik sınıflandırılması ve belirlenmesi için, bir yöntem kullanılarak yapılır (Şekil ). Akarsuların kollarının derecelendirilmesi (sıralanması) akarsuların karakteristiklerini gösterir. En yukarıda (başlangıçta, membada, su ayrım çizgisine yakın kollarda) akarsu birikimi yoğunlaşmasına hiç sahip olamayan suyun direk yüzey akışı, birinci derece akarsularına karışır. Birinci derece akış, en yüksek atama sayısı ile en yüksek hiyerarşik seviye akarsuyudur. İki tane akarsu derecelendirme yöntemi vardır, Strahler ve Shreve (Şekil ve Ekler Şekil 9). Akarsu drenaj ağının en dış bağlantıları daima en yüksek derece olan e atanır [,,, ]. Şekil. Akarsu kanallarının sırasıyla, Strahler ve Shreve yöntemleri ile derecelendirilmesi [,,, ].
Ali Can DEMİRKESEN... Akarsu Kollarının Haritasının Yapılması: Her bir grit hücreden akan akış toplamı bulunduktan sonra, Akarsu kolu kritik akış seviyesi bulunur (şekil ). Bu kritik akış seviyesi bize raster (hücre) formatında akarsu linkleri olarak akarsu kollarının (kanallarının) bir haritasını verir. Akarsu kanalı Bu raster harita bir vektör harita formatına dönüştürülür. Döküm noktası Raster doğrusal ağdaki her bir linke bağımsız bir değer (çıkış) Akaçlama havza atanması için, bir akarsu link fonksiyonu kullanılır. alanı Akaçlama havza sınırı Akarsunun her bir sekmentine (linkine, kol parçasına) ilişkilendirilmiş ilgili bilgi eklenerek etiketlenir. Akarsu Çıkış kesişimi (en düşük link fonksiyonu kullanılarak raster lineer ağı vektör haritasına dönüştürülür. Akarsu link fonksiyonu akarsu ağlarını vektörleştirmek için tasarlanmış bir programdır. Doğrusal ağı gösteren herhangi bir yönün bilinmesi için raster grit değerleri kullanılır. Böylece çıktı harita, bütün linklerin aşağı yönlü akarsu akışını gösterir (Şekil ve Ekler Şekil ) [,,, ].. RİVERTOOLS İLE SYM NİN İŞLENMESİ Kesişim noktası İç linkler Dış linkler Kesişim noktası Göl Şekil. Akarsu drenaj ağının harita gösterimi. RiverTools, kendi formatından başka formatta olan SYM verilerini dışardan alır ve dışarı veri yollar. Akaçlama havzalarının sınırlarını otomatik olarak tesbit eder. SYM den hidrolojik yüzeyin değişik özelliklerini, örneğin akarsu kol uzunluğunu hesaplar. Genel olarak, ana menu operatörleri, extract (çıkarım), display (görüntüleme), ve analyze (analiz) dir []... SYM nin Hazırlanması: RiverTools heriki sayısal yükseklik ve akış grit verilerini dışardan alır. Daha ileriki işlemler için verileri hazırlama araçlarına sahiptir. Coğrafi bilgi sistemlerinden yaygın olarak kullanılan ArcGIS deki akış gritleri RiverTools akış gritlerine dönüştürülebilir. İlgi duyulan birden fazla havzayı içeren SYM ler biraraya mozayik olarak getirilebilir. İşlem sonuçları AutoCAD in dxf uzantılı dosyalarına dönüştürülüp başka CBS yazılım programları ile bütünleştirilebilir... SYM nin Görüntülenmesi: RiverTools, görüntülemenin bir çok çeşitini sağlar. Bunlar: yüksekliklerin yoğunluk çizimleri, gölgeli SYM, cephe (bakı) ve rölyef (kabartma, engebe) çizimleri, eşyükseklik eğrileri, ırmak ağı (akarsu drenaj ağı), akaçlama havzasının haritaları, havza sınırları, çok katmanlı çizimler, kanal profilleri ve değişik çizim kombinazyonları vb dir. (Ekler Şekil...). Ayrıca, değişik harita projeksiyonlarının, örneğin UTM (Universal Transversal Merkator) projeksiyonu, bu çizimlere/haritaya uygulanabilir... SYM nin Analiz Edilmesi: RiverTools, verilerin kuantitatif analizi için çeşitli araçları içerir. Bunlar: extract (çıkarım) menusundaki araçlar ile yapılır. Bu araçlar, operatörün çeşitli istatistiksel analiz yapmasına ve farklı ölçülere ait bir çok analizler ve çizimleri üretmesine olanak sağlar. Bu ölçümler hidrolojik modellemelerde kullanılabilir özelliklere sahiptirler... SYM den Bilgi Çıkarımı: RiverTools, SYM leri işleyip ırmak ağı ve akış gritini vektörel harita olarak çıkarır. Bu çıkarım işleminde, SYM ile ilgili bütün bilgiyi içeren veri kümesi, dosyalarla sonuçlanır. Bu dosyalar, analiz rutinleri ve görüntüleme için RiverTools tarafından kullanılır. Bu işlem rutinlerinin bazıları hesapsal olarak yoğun ve büyük veri kümelerine sahip olduğundan biraz zaman alabilmektedir. RiverTools ile ne işlem yapılırsa, sonuçlara ait bütün ayrıntılı bilgilerin çıktısı alınabilmektedir.
Sayısal Yükseklik Modeli Yardımıyla Taşkın Alanların Belirlenmesi..Akaçlama Havzasındaki Akarsu Dreanaj Ağının Çıkarımı: Bu çalışmada kullanılan SYM verileri, ABD de Kentucky Eyaleti, Cumburland havzasının küçük bir parçasıdır (alt kümesidir). Bu veriler, drenaj ağının SYM den nasıl çıkarılacağını ve sonuçları göstermek için deneysel olarak kullanılmıştır. Bu veri kümesi Extract (çıkarım) menusundaki rutinlerle tamamen işlenmiştir. Sonuçlar ekler kısmında görsel olarak verilmiştir. Strahler yöntemi. derece (Ekler Şekil 9) ve daha yüksek dereceden ana havza akarsuların ağı, gölgeli rölyef (kabartma, engebe, topoğrafya) görüntüsü (Ekler Şekil ) olarak çıktısı alınmıştır. RiverTools ile, öncelikle çukurlar doldurularak ham SYM nin bazı kondisyonları (gerekli şartları) yerine getirilmiştir. Bu sonuç, çöküntüsüz (çukursuz) SYM olarak adlandırılır ki bu RiverTools un doğru akış gritini çıkarması için gereklidir. RiverTools ile akarsu drenaj ağının çıkarımı aşağıdaki gibi aşamalarla gerçekleştirilmiştir..sym yi açma ve görselleştirme (File>Open Data Set - SYM).Akış gritinin çıkarımı (Extract>Flow Grit).Basen ve çıkış sınırlarını seçme (Extract> Basin Outlet).Bir ağaç dosyasını oluşturma (Extract> RT TreeFile).Irmak ağını çıkarma (Extract>River Network).Irmak ağını görüntüleme (Display>River Network).. Taşkın Alanlarının Belirlenmesi: Taşkın görüntüsünün oluşturulması RiverTools menusundaki bir araç vasıtasıyla etkileşimli (interaktif) olarak yapılmaktadır (Ekler Şekil ve ). Araç, eğer SYM nin bir bölgesi belli bir miktarda su ile doldurulursa (taşarsa) hacim hesapları yapılarak, örneğin [(taban alanı + üst alan)*ortalama_yükseklik/], nerelerin taşkına uğrayacağı mavi renkte gösterilmektedir. İlk önce su seviyesi SYM de minimum yükseklik değerinde başlar ve kullanıcı tarafından belirlenmiş bir eşik değere kadar azar azar yükseltilir. Su seviyesinden düşük yüksekliğe sahip olan bütün pikseller (hücreler) mavi renge dönüştürülür. Böylece, taşkın alanlar mavi renkte belirlenmiş olur (Ekler Şekil,, ve ). Bu araç, ayrıca bu bölgeye ait topografyanın bütün deytaylarının sayısal değerlerini de gösterir ve raster ya da vektörel görselleştirme olanağını sağlar.. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Taşkın alanlar, akarsuların geçtiği alanlarda oluşur. Bu alanlar, sağlamış olduğu çeşitli avantajlar nedeniyle insanların yoğun olarak oluşturduğu yerleşke merkezleridir. Ancak, buralardaki akarsular; aşırı ve ani yağmur nedeniyle bu bölgeyi taşkın afetine uğratmakta ve önemli boyutta mal ve can kaybına neden olmaktadırlar. Bu nedenle, taşkın alanların verimli bir şekilde işletilmesi, sellerin izlenmesi ve incelenmesi insanlar için büyük önem taşır. Dinamik bir yapıya sahip olan sellerin izlenmesi çok büyük mekansal verilerin analizini gerektirdiği için uzaktan algılama bu ihtiyacı önemli derecede karşılamaktadır. Uzaktan algılama uydularının yeryüzünü hergün taraması ve veri toplaması, özellikle yüksek çözünürlüklü görüntü ve yükseklik verilerini elde etmesi; sellerin izlenmesi, haritalanması ve taşkın alanlarının analizinin yapılmasında önemli derecede faydalı olmaktadır. Bu çalışmada, ABD nin Kentucky Eyaleti ndeki Cumberland havzasına ait, grit boyutu m çözünürlüğe sahip Landsat- TM uydu görüntüsünden oluşturulmuş SYM nin bir alt kümesi; deneysel olarak kalite analizi, değerlendirilmesi ve bu bölgeye belirli miktarda yağmur yağdığında ya da SYM yüzeyindeki su seviyesinin belli bir eşik değere ulaştığında nereler taşkına uğrayacak riskli alanlar interaktif olarak RiverTools ile belirlenmiştir (Ekler Şekil ve ). Her SYM, SYM yi bozan ani çukurlara ve ani yüksekliklere sahip olabilmektedir. Örneğin, özellikle, yerleşim alanlarındaki yüksek binalar SYM yi bozmaktadır. Verimli sonuç alınması açısından, SYM den yüzey bilgisi çıkarımına başlamadan önce çöküntüsüz SYM nin oluşturulması önem taşır. Taşkın alanlar hesaplanırken SYM nin kalitesinin gözönünde tutulması gerekir. Örneğin, arazi bozukluklarına, arazideki düzensiz ani değişimlere, uçurumlara, çukurlar ve zirvelere, ve kırıklara, özellikle karstik bölgelerde kırıklar vasıtasıyla yeraltından başka yere akan sulara dikkat edilmesi gerekmektedir. Ayrıca, bölgedeki mevcut göl, kaynak ve barajların gözönünde bulundurulması gerekir. Barajların taşması ya da patlaması gibi proje çalışmasını etkileyecek durumların gözönünde tutulması büyük önem taşımaktadır. 9
Ali Can DEMİRKESEN Bu yüzden, hesaplama öncesi ve sonrası, arazi denetimi başka bir deyişle yer kontrolu yapılması şarttır. Önceden arazinin gezilip iyi tanınması gerekir ve uygulama sonuçlarının arazi denetimiyle onaylanması gerekir. Elde edilen sonuçların, SYM kalitesinden, çözünürlüğünden ve hesaplama teknikleri gibi birtakım hatalar ve hata yayılması ile olumsuz etkilenmesine karşın, yine de bu çalışmada, aşırı yağmur yağdığında riskli taşkın alanlarının belirlenmesinde olumlu sonuçlar vermiştir ve bunlar görsel olarak ekler kısmında verilmiştir. Ayrıca, bu çalışmanın, çeşitli hidrolojik amaçlı CBS modelleme çalışmalarında yararlı olacağı da görülmektedir. Buna ek olarak, yerleşim alanlarının ve çevre planlamasının yapılmasında, toplu konut alanlarının belirlenmesi, tarım alanlarının sulanmasında ve sel afeti açısından riskli tarım alanlarının belirlenmesi projelerinde altlık oluşturacağı görülmektedir. Son olarak, bulunan akarsu drenaj paternleri, yerin yapısal-jeolojik yorumlanmasında da kullanılma özelliği taşımaktadır. RiverTools ile yapılan buradaki bütün çalışma sonuçları, bir çok ülkede yaygın olarak kullnılan ArcGIS, AutoCAD gibi CBS yazılım programları ile bütünleştirilme olanağına sahiptir. Yapılan çalışmalar; ekonomi, işlem hızı ve doğruluk gözönünde tutulduğunda, m lik çözünürlüğe sahip görüntüler yerine - m lik çözünürlüklü görüntülerin kullanılması daha uygun olduğunu göstermektedir. m lik genişliğindeki akarsular hem çabuk sürede kurumaya elverişlidir hem de uydu görüntülerinden seçilmesi zorlaşmaktadır.. KAYNAKLAR. Argialas, D.P., A Structural Approach Towards Drainage Pattern Recognition, Ph.D. Dissertation, The Ohio State University, Columbus, Ohio, USA, 9.. Argialas, D.P., And J.G. Lyon, Quantitative Description And Classification Of Drainage Patterns, Photogrammetric Engineering And Remote Sensing, (), -9, 9.. Band, L.E., Topographic Partition Of Watershed With Digital Elevation Models, Water Resources Research, () -, 9.. Benosky, C.P. And C.J. Merry, Automated Extraction Of Watershed Characteristics Using Spatial Analysis Techniques With Application To Groundwater Mapping, Journal Of Hydrology,, -, 99.. Bishop, G.D. and M.R. Church, Automated approaches for regional runoff mapping in the Northeastern United States, Journal of Hydrology,, -, 99.. Brivio, P. A., Colombo, R., Maggi, M. And Tomasoni, R., Integration Of Remote Sensing Data And GIS For Accurate Mapping Of flooded Areas, Int. J. Remote Sens., 9,.. Burrough, P.A. and R.A. McDonnell, Principles Of Geographical İnformation Systems. Oxford University Press Inc.: New York, 99.. Chrisman, N., Exploring Geographic İnformation Systems. John Wiley And Sons Inc.: New York, 99. 9. Demirkesen, A.C., Constructing A Prior İnformation-Base For River Mapping From Digital İmages And Dems By An Advanced İmage İnterpretation System, Ph.D. Dissertation, Dept. Of Geodetic Science, The Ohio State Uni., Columbus, Ohio, USA,.. El Sheimy, N, Valeo, C. And Habib, A., Digital Terrain Modeling: Acquistion, Manipulation And Applications. Artech House, Boston,.. ESRI (Environmental Systems Research Institute), Cell-Based Modeling With Grit. Arc/Info Version, 99.. Florinsky, I.V., Combined Analysis Of Digital Terrain Models And Remotely Sensed Data İn Landsacpe İnvestigations, Progress İn Physical Geography. (), -, 99.. Habib, A., Photogrammetric Mapping: Class Notes, The Ohio State University, Dept. Of Civil And Env. Eng. And Geodetic Science, Geodetic Science Section,.. Haralick, R.M., Ridges And Valleys On Digital İmages, Computer Vision, Graphics, And İmage Processing,, -, 9.. Hazelton, N.W., Large Scale And Topographic Mapping: Class Notes, The Ohio State University, Dept. Of Civil And Env. Eng. And Geodetic Science, Geodetic Science Section,.. Jenson, S.K., Automated Derivation Of Hydrologic Basin Characteristics From Digital Elevation Model Data, Proceedings Auto-Carto, pp. -, 9.. McCuen, R.H., Hydrologic Analysis And Design. Prentice Hall Inc.: New Jersey, 99.
Sayısal Yükseklik Modeli Yardımıyla Taşkın Alanların Belirlenmesi. Mark, D.M., Automated Detection Of Drainage Networks From Digital Elevation Models, Proceedings Auto-Carto, pp. -9, 9. 9. Mark, D.M., J. Dozier, and J. Frew, Automated Basin Delineation From Digital Elevation Data, Geo- Processing,, 99-, 9.. Mitchell, C.W., Terrain Factors İn Hydrology, pp. 9-. In: Terrain Evaluation. John Wiley & Sons Inc.: New York, 99.. Moore, I.D., Hydrological Modeling And GIS. In: GIS And Environmental Modeling: Process And Research İssues, pp. -, 99.. Morisawa, M., Streams: Their Dynamics And Morphology. McGraw Hill Book Company: New York, 9.. O Callaghan, J.F., and D.M. Mark, Extraction Of Drainage Networks From Digital Elevation Model, Computer Vision, Graphics, And İmage Processing,, -, 9.. Profeiti, G. and MacIntosh, H.: Flood Management Through Landsat TM and ERS SAR Data: A Case Study, Hydrol. Process., 9, 99.. RiverTools manual, Research Systems Inc.: Boulder, Colorado,.. Viessman, W., G.L. Lewis, and J.W. Knapp, Introduction To Hydrology. Third Edition. Harper And Row İnc.: New York, 99.. Wilcox, D., And H. Moellering, Pass Locations To Facilitate The Direct Extraction Of Warntz Networks From Grit Digital Elevation Models, Proceedings Auto-Carto, pp. -, 99.. Wilson J.P., and J.C. Gallant, Terrain Analysis: Principles And Applications. John Wiley And Sons, Inc.: New York,. 9. Wang, Y., Colby, J. D. And Mulcahy, K. A., An Efficient Method For Mapping flood Extent İn A Coastal flood Plain Using Landsat TM And DEM Data, Int. J. Remote Sens., 9,.
Ali Can DEMİRKESEN EKLER: RiverTools yazılım programı kullanılarak SYM yardımıyla taşkın alanlarının belirlenmesi. Şekil. SYM nin gölgelendirilmiş rölyef (kabartma, engebe) çıktısı. Şekil. SYM nin yükseklik yoğunlunun çıktısı. Şekil. SYM den eş yükseklik eğrilerinin çıktısı. Şekil. SYM nin histogram çıktısı. Histogramdaki sağ değerler piksellerin renk değerleridir. Yukarı değerler piksel miktarıdır. Şekil. SYM nin tel ağı çıktısı. Şekil 9. SYM nin. derece Strahler alt basenlerinin çıktısı. Şekil. SYM de bir ilgi alanının sayısal yükseklik Şekil. SYM de bir ilgi alanınının büyütülmüş tel Şekil. SYM de bir çizgi hattının profili. Profildeki sağ değerler, pikseller arasındaki yatay mesafedir. Yukarı değerler, piksellerin yükseklik değerleridir.
Sayısal Yükseklik Modeli Yardımıyla Taşkın Alanların Belirlenmesi Şekil. SYM de bir kanal hattının profili ve görüntüsü. Şekil. SYM de düz (mavi) ve tepe (beyaz) alanlarının belirlenmesi. Şekil. Su seviyesi m de sel kontrolü için taşkın alanını gösteren görüntü. Bu su seviyesinde sel basman alanı yok. Şekil. Su seviyesi m de taşkın alanları (mavi renk). İnteraktif olarak belirlenmiştir. Şekil. Su seviyesi m de taşkın alanları. Şekil. Akarsu drenaj ağının bütün linkleri (haritası). Şekil 9.. derece Strahler akarsu drenaj ağı. Şekil. Su seviyesi m de akarsu drenaj ağında taşkın alanları (mavi renk). Şekil. Dreanj ağındaki bir ilgi alanının sayısal yükseklik değerleri ve tel ağı görüntüsü.
Ali Can DEMİRKESEN