Sayısal Yükseklik Modellerinin Analizi ve Sel Basman Alanlarının Belirlenmesi

Sayısal Yükseklik Modellerinin Analizi ve Sel Basman Alanlarının Belirlenmesi Ali Can Demirkesen Niğde Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Jeodezi ve Fotogrametri Müh. Niğde Merkez ademirkesen@yahoo.com Özet. Günümüzde, aşırı yağan yağmurlar nedeniyle bazı arazi ve evlerin su altında kalıp, sel felaketine uğradıkları görülmektedir. Bu felaketi önlemek i- çin, önceden, gereken önlemlerin alınmasının önemi büyüktür. Bu nedenle, kent ve kırsal alanlarda arazi ve arsa düzenlemesi yapılırken bu durumun göz önünde tutulması kaçınılmazdır. Bu çalışmada, kent ve kırsal alanlarda arazi düzenlemesi yapılırken, planlamaya yardımcı olmak için o bölgeye ait uydu görüntülerinden elde edilen sayısal yükseklik modellerinin (SYM lerin) hidrolojik analizi yapılarak o bölgeye ne kadar yağmur yağdığında nereleri sel basar; bunun belirlenmesi yapılmaktadır. Dolayısıyla, bu çalışmada SYM analizlerine de yer verilmiştir. Yazılım olarak, sayısal yükseklik modellerini analiz eden ve bir coğrafi bilgi sistemi yazılım programı olan RiverTools kullanılmıştır. Onunla sayısal yükseklik modellerine ait görüntülerin işlenmesini ve hidrolojik yüzey analizini yapabilmekteyiz. Başka bir deyişle, tüm uydu görüntüleri ile ilgili SYM leri işleyebilmekteyiz. ABD de Kentucky Eyaleti ndeki Cumberland akaçlama havzasına ait SYM, deneysel veri olarak kullanılmış ve analizi yapılmıştır. Yüzeydeki su seviyesinin belirli bir yüksekliğe ulaştığında su basman alanlarının konumları belirlenmiştir. Veri kümesi ise Landsat TM (Thematic Mapper) ın alt kümeleri ve m lik çözünürlüğe sahip manzaradır. Bu bağlamda yapılan araştırmalar, analizler, ve uygulama sonuçları bu makalede yorumlanıp tartışılmaktadır. Anahtar kelimeler. Sayısal yükseklik modeli, hidrolojik yüzey analizi, sel basman alanlarının belirlenmesi TUJK Yılı Bilimsel Toplantısı Coğrafi Bilgi Sistemleri ve Jeodezik Ağlar Çalıştayı -- Eylül Konya 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 the 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, 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. Flooded areas were determined when water level reached a certain elevation. Data set is a scene, a subset of Landsat TM with a m resolution. Analyses and application results associated with this study are interpreted and discussed in this paper. Keywords. Digital elevation model, hydrologic surface analysis, determination of flooded areas Giriş Günümüzde, aşırı yağan yağmurlar nedeniyle bazı arazi ve evlerin su altında kalıp, sel felaketine uğradıkları görülmektedir. Bu felaketi önlemek için, önceden, gereken önlemlerin alınmasının önemi büyüktür. Bu nedenle, bir bölgeye yağan aşırı yağmur nedeniyle sel felatine karşı gerekli önlemlerin alınması ve o bölgenin topografik yapısının analizi için, bölgeye ait uydu görüntülerinden elde edilmiş SYM nin analizine ve sel felaketine karşı güvenli yerlerin belirlenmesine çalışılmıştır. Günümüze kadar bir çok yazar, değişik amaçlar için SYM lerin değerlendirilmesi, analizi, ve bilgisayar destekli saysısal yorumlanması üzerine çalışmıştır (Morisawa 9, Mark 9, Mark vd. 9, O callaghan ve Mark 9, Haralick 9, Jenson 9, Band 9, Esri 99, Benosky ve Merry 99, Wilcox ve Moellering 99, Habib, Hazelton ). Bu çalışmalar, genellikle o- tomatik olarak SYM nin analizini yapmak, SYM den bilgi üretmek, ve drenaj alanlarının belirlenmesi üzerinedir. Ayrıca, drenaj alanlarının belir- Poster Bildiri

lenmesi 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 (Mitchell 99, Esri 99, Moore 99, Hazelton, RiverTools manual, Demirkesen ). Bu çalışma ise önceki çalışmaların derlenmesi ve değerlendirilmesi, ve deneysel bir SYM analizinin yapılmasını esas almaktadır. Sonuç olarak, aşırı yağan yağmurlar sonucunda yüzeydeki su seviyesinin artması ile sel felaketine uğarayacak yerlerin belirlenmesine çalışılmıştır. Yazılım olarak, sayısal yükseklik modellerini analiz eden ve bir coğrafi bilgi sistemi yazılım programı olan RiverTools kullanılmıştır. Onunla sayısal yükseklik modellerine ait görüntülerin işlenmesi ve hidrolojik yüzey analizi yapılabilmektedir. Tüm uydu görünleri ile ilgili SYM ler işlenebilmektedir. Ayrıca, bir çok ülkede yaygın olarak kullanılan ArcInfo, ArcView, ve AutoCAD gibi yazılım programları ile sonuçlar bütünleştirilebilmektedir. Veri olarak, ABD de Kentucky Eyaleti ndeki Cumberland akaçlama havzasına ait SYM nin deneysel analizi yapılmıştır. Veri kümesi ise Landsat TM (Thematic Mapper) ın alt kümesi ve m lik çözünürlüğe sahip bir görüntüdür. Araştırmalar ve uygulama sonuçları bu makalede yorumlanıp tartışılmaktadır. Sonuç çıktılar, ekler kısmında görsel olarak verilmektedir. Sayısal Yükseklik Modellerinin Analizi. Sayısal Yükseklik Modeli Topografik bir yüzey, genellikle uygulamada sayısal bir model olarak üç şekilde gösterilir. Bunlar: sayısal yükseklik modeli (SYM), sayısal yüzey modeli, ve sayısal arazi modelidir (SAM). SYM ler özellikle topoğrafik bir yüzeyin sayısal gösterimi için kullanılmaktadır. SYM ler genellikle yaygın olarak raster formatında ya da düzenli yükseklik noktalarından oluşan grid formatında ya da bir triyangulasyon (üçgenleme) tarafından 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 pikseller yükseklik verilerini içerir. Yani, hücrelerin sayısal değerleri yükseklikleri gösterir. Sayısal yüzey modeli ise: 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 modeline gelince: SAM genellikle tam -boyutlu yerine. boyutlu model olarak adlandırılmaktadır. SYM ile birlikte su ayrım ve toplam çizgileri, topoğrafik bilgiler, ve hidrolojik karakteristikler SAM olarak adlandırılır. SAM, yer yüzünün bir parçasının kesikli (discrete) bir temsilidir. SAM lar için en çok 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 toplam çizgilerini, ve vadileri içerir. Su ayrım ve toplam çizgileri ve SAM lar SYM lerden üretilir. Ayrıca, bilindiği gibi geleneksel olarak yersel ölçmelerle, fotogrametrik yöntemlerle ya da eşyükseklik eğrileri olan topoğrafik haritaların sayısallaştırılması ile de SYM ler üretilmektedir. Topoğrafik bir yüzeyin sayısal gösterimi için SAM daha genel bir terim olmasına karşın SYM daha yaygın olarak kullanılmaktadır (Viesman vd. 99, Mitchell 99, Esri 99, Mccuen 99, Habib, Hazelton, Wilson ve Gallant ). SYM, coğrafi bilgi sisteminin (CBS nin) vazgeçilmez bir elemanıdır. Bir çok CBS proje uygulamalarında kullanılmaktadır. SYM ler ayrıca hidrolojik yüzey alanlarının tanınması için çok faydalıdır. SYM nin CBS de kullanım alanları: arazi yüzeyinin görselleştirilmesi, arazide herhangi bir noktanın yüksekliğinin bulunması, arazi yüzeyinin e- ğim ve cephesinin (bakısının) bulunması, arazideki basenlerin ve akaçlama havzalarının, su kanallarının, zirve ve çukurların, sıradağ sırtlarının ve diğer arazi oluşumlarının bulunmasında, ve hidrolojik modellemelerdeki model fonksiyonunun oluşturulmasında kullanılmaktadır. Kısaca, SYM lerin amacı, bilgisayarlarda yeryüzünün bir parçasını sayısal olarak temsil etmektir. Arazinin anolog temsili, eşyükseklik eğrilerini temesil ederken, yüzeyin sayısal gösterimi kesikli -boyutlu noktaları içerir (Moore 99, Crisman 99, Burrough ve Mcdonnell 99, Habib, Hazelton ). Arazinin sayısal yükseklik değerleri ile görüntülenmesinin avantajları ise: bir çok değişik ürünlerin ve bilgilerin bilgisayar destekli hızlı çıkarımına yardımcı olur, örneğin, eşyükseklik eğrileri, perspektif görüşler, hacim hesapları, su akış hatlarının 9

çizimleri, yüzey eğiminin ve bakısının bulunması, jeomorfolojik yapıyı gösteren gölgelendirilmiş yüzey çizimi, drenaj kanallarının çıkarımına olanak sağlar.. SYM nin kalitesi SYM ler genellikle sürekli bir yüzeyin matris ya da raster (kesikli discrete) gösterimini kullanır. Bu yüzden, SYM nin doğruluğu noktalardan oluşan gridin 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 görülür. Bu hatalar, grid (piksel, hücre) vasıtasıyla yüzeyin kesikli gösteriminden de gelebilir. SYM leri üretmek için kullanılan referans noktalarının hatalarından ya da nokta sıklaştırma için kullanılan enterpolasyon hatalarından da kaynaklanabilir. Bu hatalar grid boyutuyla doğru orantılıdır (Esri 99, Habib, Hazelton ). SYM deki hataları azaltmanın bir yolu SYM ler için stereo fortoğrafları üretirken geniş açılı kameraların kullanılmasıdır, ya da rölyef (kabartma) düzeltmesi ile orto-foto üretilirken normal açılı kameranın kullanılmasıdır (Habib ). SYM lerin hatalarını ve problemli yerleri görsel denetim ile arayıp bulmak olanaklıdır. Bunu yapmanın bir yolu SYM nin perspektif görüşünü kontrol etmektir. Bu durumda, hatalar ani çukurlar ve sivri tepeler (ani yükseltiler) olarak görülür. Hata denetiminin diğer bir yolu ise analitik çizicide stereoskopik görüşün incelenmesidir. Bu durumda, SYM verisi analitik çiziciye yerleştirilir ve hava fotoğraflarından -boyutlu stereo-model görüntülenir. Hatalı ve doğru olmayan noktalar belirlenir ve düzeltilir. Referans stereo-model üretmek için SYM lerin üretimindeki ölçekten daha büyük ölçekli görüntü kullanıldığı zaman daha güvenilir denetim ve üretim elde edilir (Habib ). Çeşitli hatalardan kaynaklanan SYM lerdeki çukurlar genellikle doğal nesnelerden oluşur ve akış yönlerinden (doğrultularından) belirlenir. Çukur, daha yüksek yükseklik değerleri 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, çukur problemi ortadan kaldırılarak çöküntüsüz SYM lerin üretilmesine ihtiyaç duyulur (bkz. Şekil ). SYM deki çukurların yükseklik değerleri genellikle düşük çözünürlükte ayrım gücüne sahip SYM lerdeki yüksekliklerden daha yüksek olması yükseklik kestirimi problemine neden olur. Ayrıca, SYM ler üretilirken sistematik örneklem hatalarından kaynaklanan hatalı SYM ler de yatay şeritlenmeyi içerir. Bu tam sayıları içeren düz alanlarda oluşur (Esri 99, Habib, Hazelton ). Şekil. Sırasıyla çukurlu, zirveli ve çöküntüsüz SYM profilleri. SYM nin avantaj ve dezavantajları Diğer yüzey gösterimlere nazaran bir raster SYM nin avantajı, dijital görüntülerdeki gibi basit bir yapıya sahiptir ve lineer cebir tarafından daha hızlı hesap yapımına izin verir. Raster SYM nin dezavantajları ise: düzenli griddeki kırık çizgilerle başetmedeki ve bütünleştirmedeki problemler, veri depolama için büyük hafıza gereksinimi, enterpolasyon için büyük denklem sistemlerine ihtiyaç duyulmasıdır. Ancak kırık çizgiler ve su toplam çizgi problemleri SYM deki hücre (piksel) yükseklikleri bir çok metotla giderilmektedir. Günümüzdeki büyük hafızalı bilgisayarlar sayesinde hafıza sorunu da ortadan kalkmaktadır (Esri 99, Habib, Hazelton ).. Warntz ağı Warntz ağı, yeryüzünü, birbirleri ile bağlantılı ve ilgili topografik ya da hidrografik anahtar nesnelere indirgeyerek arazi gösterimini basitleştirmek için kullanılan bir metottur (Wilcox ve Moellering 99). Warntz ağı, yüzey üzerindeki su akışını tanımlamaya yardım eden topografik ya da hidrografik anahtar özelliğe sahiptir ve bu anahtar nesneler aşağıda verilmektedir (bkz. Şekil,, ).. 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.. Sırt (ridge): Su ayrım çizgisi; zirve ya da ikinci 9

bir geçite ulaşan bir geçitten yükselen eğim hattı olarak tanımlanır. Sırtta birbirinden ayrılan akış görünür.. Vadi (valley): Su toplam 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 (runoff) yoğunlaşması vadiyi işaret eder.. Geçit (pass): İki tepe arasındaki geçiş hattı. Geçit, vadi olarak da tanımlanabilir.. Tümsek (bump): Geçit ya da vadi hattındaki küçük tepe. Geçit hattı İki tepenin zirveleri Şekil. İki tepe arasındaki geçit hakkı Akış yönü Geçit hattındaki tümsek Geçit hattı 9 9 9 9 SYM Şekil. Geçit hattındaki tümsek Akaçlama havza alanı Zirve Akalama havza alanı Sırt (akaçlama havza sınırı) Kanal (vadi) Sırt (akaçlama havza sınırı) Sırt Kanal (vadi) Zirve Sırt Şekil. Warntz ağı (Wilcox ve Moellering 99, Wilson ve Gallant ). SYM den yüksekliklerin kestirimi Temel olarak, x boyutlu bir penceredeki birbirine en yakın grid 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. z z z z S z = a + bx + cy a = ( z )/ b = ( z z )/ c = ( z z )/ Şekil. SYM de x bir pencere (hücre, grid) Katsayılar, ayrıca 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 ilerisi için bunlara ilişkin ağırlık değerlerinin kullanılması gerekir. a, b, c katsayıları hesaplandıktan sonra herhangi bir yükseklik, z (x, y) düzlem denkleminden bulunur.. Eğim ve bakının bulunması SYM deki iki komşu yükseklik noktası arasındaki uzaklık (piksel boyutu) S grid 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 düzlemine en uygun denklem aşağıdaki gibi yazılır (Wilson ve Gallant ). Sırasıyla x boyutlu bir penceredeki z i,j orijin koordinatları (i =, j = ) ve diğer (i, j) koordinatlar (-, ), (, ), (, ), (-, ), (, ), (-, -), (, - ) ve (, -). a, b, c katsayıları a = ( z b = (( z i, j i, j ( z c = (( z ( z i, j+ i, j, j i, j i, j+ i, j + z + z + z + z i, j+ i, j+, j i, j, j i, j, j+, j, j ), j+ i, j+ i, j )) / S ) )) / S, j+ bağıntıları yardımıyla hesaplandıktan sonra egim = b + c ve bakı = arctan( c / b) bulunur. ) / 9 9

zi, j+ zi, j+ z, j + z z z z i, j z i, j z, j z z 9 z zi, j zi, j z, j z z z Şekil. SYM de boyutlu bir pencere. SYM den hidrolojik yüzey özelliklerinin çıkarımı Akarsu drenaj ağları, hidrolojik yüzey karakteristikleri olarak SYM lerden çıkarılır (bkz. Şekil, 9,, ). Yüzey geometrisi, yüzeyin bir başından öbür başına suyun nasıl aktığını ve nereden geçtiğini gösterir. Hidrolojik yüzey analizi için bilgisayar program araçları, bir yüzeyin hidrolojik karakteristiklerini belirlemek için kullanılır. SYM kullanılarak, herhangi verilen bir konum için drenaj sistem karakteristikleri değerlendirilir ve drenaj sisteminin sınırları belirlenir. Aşağı eğimli 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 sel baskınları ve akarsu felaketleri için de kullanılmaktadır (Haralick 9, Mark 9, Mark vd. 9, O callaghan ve Mark 9, Argialas 9, Band 9, Argialas ve Lyon 9, Mitchell 99, Bishop ve Church 99, Esri 99, Benosky ve Merry 99, Mccuen 99, Demirkesen )... 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 hücre aktığı belirlenebilir (bkz. Şekil 9). 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 yön vardır (bkz. Şekil ). Akış yönü, her bir hücreden maksimum düşüş ya da en yüksek alçalma yönü o- larak hesaplanır. Maksimum düşüş, yükseklikteki farkın, hücre merkezlerinden olan uzaklığa oranı olarak belirlenir. Yani, maksimum düşüş = hücrelerdeki z yükseklik değerlerindeki değişim / hücreler arasındaki uzaklık (Esri 99)... Akış birikintisinin belirlenmesi Yağmur düşüş hacminin birikintisi şu aşamalarla bulunur (bkz. Şekil ). Başlangıçta, SYM deki her bir hücrenin değeri sıfırlanır. 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 yaplır). Akarsu kanallarının simülasyonu için, sadece bir hücre boyunca geçen birikmiş su, kritik değere ulaştığında bir akarsu kanalının başladığını var- 9 9 9 9 X Şekil. Verilen bir hücre konumu X için akış yönü Şekil. SYM deki grid hücrelerinin yükseklikleri 9

9 Şekil 9. Yüksekliklere göre hücrelerin akış yönleri sayalım. Böylece, küçük alt kanallar ihmal edilir ve diğer kanallar sadece akış belirli bir yüksek hacme ulaştığı zaman görünür. Şekil ve deki kanalların eşik değeri birim hacim olarak başlar ve daha büyük değerlerin oluşturduğu pikseller birleştirilerek kanalların çizimi yapılır (Esri 99)... Basenlerin belirlenmesi Akaçlama havzası ağdaki her bir noktanın sayısal yüksekliklerle ilişkilendirilmesi olarak tanımlanır ki; o noktalar, bölge akarsuyunun üst tarafını (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 eğimli olanıdır. Akaçlama havza sınırı bütün hidrolojik yüzey modellemesi için hemen hemen bir anahtar gereksinimdir. Grid transformasyon cebiri, bu sınırları toprak ve arazi kullanım bilgisi ile birleştirilerek kullanılır. Böylece, özet istatistik, basen modellerine girdi verisi üretilir ki sel basman yükseklikleri kestirirlir (bkz. Ekler Şekil ) (Esri 99). 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 yukarısındaki sınırlar belirlene kadar devam edilir. Akaçlama havzası o zaman bütün etiketlenmiş hücreler (dış sınır) tarafından oluşturulan poligon (kapalı çokgen) ile belirlenir (bkz. Ekler Şekil 9; Esri 99)... Akarsu ağının belirlenmesi Şekil. Her bir grid hücresinden akan akış birikintisi Akarsu drenaj ağını çizmek için, eşik değer ve üzerindeki değerlere sahip piksellerin akış haraketleri oklarla birleştirilir (bkz. Şekil 9,, ). Dizinin kenarındaki sıfırlar, alan dışına akan kanallar 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 (bkz. Şekil da eşik değer ). Bir grafik çizim fonksiyonu kullanılarak SYM den akarsu ağlarının sınırları çizilir. Örneğin, akış birikintisi her bir hücrenin içine akan aşağı eğimli hücrelerin sayısıdır. Bir fonksiyonla akış birikintisinin sonuçlarına eşik değer uygulanarak bir grid cebiri kullanılır ve akarsu ağının hatları belirlenir (bkz. Şekil ve Ekler Şekil ; Esri 99)... Akarsu kanallarının derecelendirilmesi Akarsu kanallarının derecelendirilmesi, akarsu a- ğındaki linklere (bağlantılara, segmentlere) bir sayısal değerin atanması ile yapılır. Bu atama, alt kanallara dayanan akarsuların hiyerarşik sınıflandırılması ve belirlenmesi için, bir metot kullanılarak yapılır. Akarsuların kollarını sıralamak akarsuların karakteristiklerini gösterir. En yukarıda 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 metotu vardır, Strahler ve Shreve (bkz. Şekil ve Ekler Şekil 9). Akarsu drenaj ağının en dış bağlantıları daima en düşük derece e atanır (Esri 99)... Akarsu kanal haritalarının yapımı Her bir grid hücreden akan akış toplamı bulunduktan sonra, kritik akış seviyesi bulunur (bkz. Şekil ). Bu kritik akış seviyesi bize raster formatında 9

akarsu linkleri olarak akarsu kanallarının bir haritasını verir. Bu raster harita bir vektör harita formatına dönüştürülür. Raster doğrusal ağdaki her bir linke bağımsız bir değer atanması için bir akarsu link fonksiyonu kullanılır. Akarsunun her bir segmentine (linkine, parçasına) ilişkilendirilmiş ilgili bilgi eklenerek etiketlenir. Akarsu 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 grid değerleri kullanılır. Böylece çıktı harita, bütün linklerin aşağı yönlü akarsu akışını gösterir (bkz. Şekil ve Ekler Şekil ; Esri 99). RiverTools ile SYM nin işlenmesi RiverTools, kendi formatından başka formatta olan SYM lerin dış verilerini alır ve dışarı veri yollar (verir). Akaçlama havzalarının sınırlarını otomatik olarak tesbit eder. SYM den değişik verileri hesaplar. Genel olarak, ana menü operatörleri, extract (çıkarım), display (görüntüleme), ve analyze (analiz) dir (RiverTools manual ).. SYM nin hazırlanması RiverTools her iki sayısal yükseklik ve akış grid verilerini dışardan alır. Daha ileriki işlemler için verileri hazırlamada araçlar sağlar. Coğrafi bilgi sistemi yazılımlarından yaygın olarak kullanılan ArcInfo daki akış gridleri RiverTools akış gridlerine dönüştürülebilir. İlgi duyulan birden fazla havzayı içeren SYM ler biraraya mozayik olarak getirilebilir. İşlem sonuçları AutoCAD in dxf dosyalarına dönüştürülüp başka CBS yazılım programları ile bütünleştirilebilir. 9 Şekil. Akarsu kanallarının kritik akış seviyesi (eşik değer ). SYM nin görüntülenmesi RiverTools, görüntülemenin bir çok çeşidini sağlar. Bunlar: yüksekliklerin yoğunluk çizimleri, gölgeli cephe (bakı) ve rölyef (kabartma) yüzey çizimleri, eşyükseklik eğrileri, ırmak ağı (akarsu drenaj ağı), akaçlama havzasının haritaları, havza sınırları, çok katmanlı çizimler, kanal profilleri ve değişik çizim kombinasyonları vb. dir. Ayrıca, değişik harita projeksiyonlarının bu çizimlere uygulanması da yapılabilmektedir.. SYM nin analiz edilmesi RiverTools, ölçümlerin (verilerin) sayısal (kantitatif) analizi için çeşitli araçları içerir. Bunlar: extract (çıkarım) menüsündeki araçlar ile yapılır. Bu araçlar, operatörün çeşitli istatistiksel analizler yapmasına ve farklı ölçülere ait bir çok analiz ve çizimleri üretmesine olanak sağlar. Bu ölçümler hidrolojik modellemelerde kullanılabilir özelliklere sahiptir.. SYM den bilgi çıkarımı Şekil. Akarsu kanallarının sırasıyla, Strahler ve Shreve metotları ile derecelendirilmesi RiverTools, SYM leri işleyip ırmak ağı ve akış gridini 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.. Akaçlama havzasının (akarsu dreanaj ağının) çıkarımı Bu çalışmada kullanılan SYM verileri, ABD de Kentucky Eyaleti, Cumburland havzasının küçük bir parçasıdır. Deneysel olarak bu veriler, drenaj ağının SYM den nasıl çıkarılacağını ve sonuçları göstermek için kullanılmıştır. Bu veri kümesi Extract (çıkarım) menüsündeki rutinlerle tamamen 9

işlenmiştir. Sonuçlar ekler kısmında görsel olarak verilmiştir. Strahler. derece ve daha yüksek dereceden ana havza akarsuların ırmak ağı, gölgeli rölyef (kabartma, engebe, topoğrafya) görüntüsü olarak çıktısı alınmıştır. RiverTools ile, öncelikle sinkleri (çukurları) doldurarak ham SYM nin bazı kondisyonlarını (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 gerçekleştirilmiştir.. SYM yi açma ve görselleştirme (File>Open Data Set - DEM). 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). Sel basman alanlarının belirlenmesi Sel basman görüntüsünün (flood image) oluşturulması RiverTools menusundaki bir araç vasıtasıyla yapılmaktadır. Araç, eğer SYM nin bir bölgesi belli bir miktarda su ile doldurulursa (sel basarsa) hacim hesapları yapılarak [(taban alanı + üst a- lan)*yükseklik/], nereleri sel basacağı 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, sel basman alanlar mavi renkte belirlenmiş olur (bkz. Ekler Şekil,,, ). Bu araç, ayrıca bu bölgeye ait topografyanın bütün deytaylarının sayısal değerlerini de gösterir ve raster ya da vektörel görselleştirme olanağını sağlar. Tartışma ve Sonuçlar. Tartışma Her SYM, SYM yi bozan çukurlara ve sivri (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 gerekir. Sel basman alanları hesaplanırken SYM nin kalitesinin gözönünde tutulması gerekir. Örneğin, arazi bozukluklarına, arazideki düzensiz ani Akarsu kanalı Döküm noktası (çıkış) Akarsu kolu Akaçlama havza alanı Akaçlama havza sınırı Çıkış kesişimi (en düşük kesişim) razi 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. Bu yüzden, hesaplama öncesi ve sonrası, arazi denetimi, başka bir deyişle yer kontrolunun yapılması şarttır. Önceden arazinin gezilip iyi tanınması gerekir ve uygulama sonuçlarının arazi denetimiyle onaylanması gerekir.. Sonuçlar Kesişim noktası Şekil. Akarsu drenaj ağının harita gösterimi İç linkler Dış linkler Kesişim Bu çalışmada, ABD nin Kentucky Eyaleti ndeki Cumberland havzasına ait SYM nin deneysel olarak kalite analizi, değerlendirilmesi ve bu bölgeye belirli miktarda yağmur yağdığında ya da SYM yüzeyindeki su seviyesinin belli bir eşik değere u- laştığında nereleri sel basabilecek riskli alanlar belirlenmiştir (bkz. Ekler Şekil, ). 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 felaketi açısından riskli tarım alanlarının belirlenmesi projelerinde altlık oluşturacağı görülmektedir. Son olarak, bulunan akarsu drenaj a- lanları, yerin yapısal-jeolojik yorumlanmasında da kullanılma özelliği taşımaktadır. 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 sel basman alanlarının belirlenmesinde olumlu sonuçlar alınmıştır ve bunlar görsel olarak Göl 99

ekler kısmında verilmiştir. RiverTools ile yapılan buradaki bütün çalışma sonuçları, bir çok ülkede yaygın olarak kullanılan ArcInfo, ArcView, ve AutoCAD gibi CBS yazılım programları ile bütünleştirilme olanağına sahiptir. Yapılan çalışmalar; ekonomi, işlem hızı ve doğruluk göz önünde tutulduğunda, m lik çözünürlüğe sahip görüntüler yerine - m lik çözünürlüklü görüntülerin kullanılmasının daha uygun (optimum) olduğunu göstermektedir. m genişliğindeki akarsular hem çabuk sürede kurumaya elverişli hem de uydu görüntülerinden seçilmesi zorlaşmaktadır. m lik görüntülerin uygulama sonuçlarındaki hatası ve hata yayılmasının olumsuz etkisi büyük olmaktadır. Kaynaklar Argialas DP (9) A structural approach towards drainage pattern recognition. PhD Dissertation, The Ohio State University, Columbus, Ohio, USA. Argialas DP, Lyon JG (9) Quantitative description and classification of drainage patterns. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, (), -9. Band LE (9) Topographic partition of watershed with digital elevation models. Water Resources Research, Vol., No., -. Benosky CP, Merry CJ (99) Automated extraction of watershed characteristics using spatial analysis techniques with application to groundwater mapping. Journal of Hydrology, Vol., -. Bishop GD, Church MR (99) Automated approaches for regional runoff mapping in the Northeastern United States. journal of Hydrology, Vol., -. Burrough PA, McDonnell RA (99) Principles of geographical information systems. Oxford University Press Inc.: New York. Chrisman N (99) Exploring geographic information systems. John Wiley and Sons Inc.: New York. Demirkesen AC () Constructing a prior informationbase for river mapping from digital images and DEMS by an advanced image interpretation system, PhD Dissertation, Dept. Of Geodetic Science, The Ohio State Uni., Columbus, Ohio, USA. ESRI (Environmental Systems Research Institute), (99) Cell-based modeling with Grit. Arc/Info version. Habib A () Photogrammetric mapping: class notes, The Ohio State University, Dept. of Civil and Env. Eng. and Geodetic Science, Geodetic Science Section. Haralick RM (9) Ridges and valleys on digital images. Computer vision, graphics, and image processing, Vol., -. Hazelton NW () Large scale and topographic mapping: class notes, The Ohio State University, Dept. of Civil and Env. Eng. and Geodetic Science, Geodetic Science Section. Jenson SK (9) Automated derivation of hydrologic basin characteristics from digital elevation model data. Proceedings Auto-Carto, -. McCuen RH (99) Hydrologic analysis and design. Prentice Hall Inc.: New Jersey. Mark DM (9) Automated detection of drainage networks from digital elevation models. Proceedings Auto-Carto, -9. Mark DM, Dozier J, Frew J (9) Automated basin delineation from digital elevation data. Geo-Processing, Vol., 99-. Mitchell CW (99) Terrain factors in hydrology, 9-. In: Terrain evaluation. John Wiley & Sons Inc.: New York. Moore ID (99) Hydrological modeling and GIS. In: GIS and environmental modeling: process and research issues, -. Morisawa M (9) Streams: their dynamics and morphology. McGraw Hill Book Company: New York. O Callaghan JF, Mark DM (9) Extraction of drainage networks from digital elevation model. Computer vision, graphics, and image processing, Vol., -. RiverTools manual, () Research Systems Inc.: Boulder, Colorado. Viessman W, Lewis GL, Knapp JW (99) Introduction to hydrology. Third edition. Harper and row ınc.: new york. Wilcox D, Moellering H (99) Pass locations to facilitate the direct extraction of Warntz networks from grit digital elevation models. Proceedings Auto-Carto, -. Wilson JP, Gallant JC () Terrain analysis: principles and applications. John Wiley and Sons, Inc.: New York.

Ekler RiverTools yazılım programı ile SYM analizi ve sel basman alanlarının belirlenmesinin sonuçları. Şekil. SYM nin gölgelendirilmiş rölyef (kabartma) çıktısı Şekil. SYM'nin yükseklik yoğunluğu Şekil. SYM'nin eşyükseklik eğrileri Şekil. SYM'nin histogram çıktısı: Piksel renk değerleri (sağa), Piksel miktarı (yukarı) Şekil. SYM'nin tel ağı çıktısı Şekil 9. SYM'nin. derece Stahler alt basenlerinin çıktısı Şekil. SYM'de bir ilgi a- lanının sayısal yükseklik değerleri Şekil. SYM'de bir ilgi a- lanının büyütülmüş tel ağı görüntüsü Şekil. SYM'de bir geçkinin profili. Profilde sağa değerler yatay mesafe, yukarı değerler piksellerin yükseklik değerleridir.

Şekil. SYM de bir kanal hattının profili Şekil. SYM de düz (mavi) ve tepe (beyaz) alanlarının belirlenmesi Şekil. Su seviyesi m de sel kontrolü için sel basman alanı görüntüsü. Bu su seviyesinde sel basman alanı yok Şekil. Su seviyesi m de sel basman alanları (mavi renk) Şekil. Su seviyesi m de sel basman alanları Şekil. Akarsu drenaj ağının bütün linkleri (haritası) Şekil 9.. derece Strahler akarsu drenaj ağı Şekil. Su seviyesi m de akarsu drenaj a- ğında sel basman alanları (mavi renk) Şekil. Dreanj ağındaki bir ilgi alanının sayısal yükseklik değerleri ve tel ağı görüntüsü