Uzaktan Algılama Teknikleri İle Geçirimsiz Yüzey Tahmini Ve Haritalanması

Abstract

Bu çalışmada iki farklı tarihte elde edilmiş farklı spektral çözünürlükte Landsat uydu görüntülerinin “İstanbul” örneğinde; geçirimsiz alanların ve boş alanların belirlenmesinde kullanılabilirlikleri için uygulanabilecek farklı uzaktan algılama indeksleri ele alınmıştır. Kullanılan yöntemler ile elde edilen yeni işlenmiş görüntülerin performanslarının karşılaştırılması ile Istanbul için kullanılan indeksler arasından en doğru sonuç veren indeksin belirlenmesi hedeflenmiştir. Gerek ülkemizde gerek dünyamızda, şehir alanların yönetilmesi ve geliştirilmesi için doğru ve güvenilir verilere ve veri elde etme yöntemlerine gereksinim duyulmaktadır. Veri desteği ile çok amaçlı haritaların üretilmesi ve bu alanların sürekli izlenmesini sağlayacak teknolojilerin kullanımı gerekmektedir. Uzaktan algılama teknolojisi farklı ölçekte, tekrarlı ve devamlı gözlemler ile yeryüzünü anlamak için kullanılan etkin bir yöntemdir. Farklı çözünürlüklere sahip uzaktan algılanmış görüntüler meteorolojik veri toplama, arazi örtüsü ve kullanımı haritalarının üretilmesi ve değişim tespiti, şehir planlama, iklim değişimi, doğal afetlerin izlenmesi gibi çok sayıda uygulamada etkin ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Şehir alanlarında geçirimsiz yüzeylerin (yapay yüzeylerin) belirlenmesi, izlenmesi ve değişimlerinin tespit edilmesi uzaktan algılama teknolojisinin önemli uygulama alanları arasında bulunmaktadır. Geçirimsiz yüzeyler şehir alanlarının büyük bir bölümünü kaplamaktadır. Geçirimsiz yüzeyler ve bunların olumsuz etkileri en yaygın olarak şehirleşme ve endüstirileşme ve bunlara bağlı olarak gözlemlenen hızlı nüfus artışlarının meydana geldiği gelişmekte olan mega şehirlerde gözlenmektedir. Şehir alanlarının plansız ve kontrolsüz büyümesinden dolayı son yıllarda meydana gelen arazi kullanımı ve arazi örtüsü değişimleri ve bunların çevresel fakörler üzerindeki etkileri çok sayıda bilimsel çalışmada incelenmiştir. Arazi kullanımı /örtüsü ve geçirimsiz yüzeyler çevresel çalışmalar ve bunların sonuçlarını kullanan karar vericiler için önemli parametrelerdir. Orta çözünürlükte uydu görüntüleri ve uzaktan algıma teknikleri şehir alanlarının analizi ve sürdürülebilir yönetimi için çok önemli kaynaklardır. Uzaktan algılama indeksleri ile uydu görüntülerinin sınıflandırılması geçirimsiz yüzeylerin ve boş alanların tespit edilmesi ve izlenmesi için yaygın olarak kullanılan etkili bir yöntem olarak kabul edilmektedir. Bu araştırmada, özellikle 1980 yılı sonrasında hızlı nüfus artışı, sanayileşme ve buna bağlı olarak yerleşim alan artışı ve farklı arazi örtüsü değişimlerinin gözlemlendiği İstanbul ili çalışma bölgesi olarak seçilmiştir. Bu tez çalışmasında, İstanbul iline ait geçirimsiz alanların ve boş alanların tespiti için farklı spektral özelliklere sahip uzaktan algılama verilerinin performanslarını analiz etmek amacı ile ücretsiz olarak elde edilebilen orta mekansal çözünürlüğe sahip Landsat 5 TM ve Landsat 8 OLI&TIRS görüntüleri kullanılmıştır. Uygulamanın ilk aşamasında, orta mekansal çözünürlüğe sahip 20 Agustos 2003 tarihli Landsat 5 TM ve 6 Eylül 2015 tarihli Landsat 8 OLI& TIRS görüntüleri elde edilmiştir. Bu Çalışmada, literatürde yaygın olarak kullanılan farklı uzaktan algılama indeksleri ile Istanbul geçirimsiz alanlarının ve boş alanların belirlenmesi ve farklı indekslerin performanslarının karşılaştırılması amaçlanmıştır. Çalışma kapsamında kullanılan uzaktan algılama indeksleri UI (Urban Index (Şehir Indeksi)), IBI (Index Based Built Up Index (Indeks tabanlı yapay alan indeksi)), NDBI (Normalized Difference Built-Up Index (Normalleştirilmiş Fark Yapay Alan Indeksi)), NDBal (Normalized Difference Bare Land Index (Normalleştirilmiş Fark Boş Alan Indeksi)) ve EBBI (Enhanced Based Built Up Index (Zenginleştirilmiş Yapay Alan ve Boş Alan Indeksi) olarak belirlenmiştir. Indekslerin tümü Landsat 5 TM ve Landsat 8 OLI & TIRS görüntülerinin ilgili bantları kullanılarak hesaplanmıştır. Özellikle seçilen indeksler arasında ısıl bant kullanılan tek indeks olan EBBI indeksi bu çalışma ile ilk defa heterojen özelliklere sahip bir mega şehir alanında kullanılmıştır. Ayrıca görüntü bantları kullanılarak hesaplanan farklı indekslerin kullanılması ile hesaplanan tek indeks olma özelliği taşıyan IBI indeksi bu çalışmada hem Landsat 5 TM hem de yeni nesil Landsat 8 OLI & TIRS görüntüsüne uygulanmıştır. Her indeks için görsel yorumlama yöntemi ile eşik değerler üç farklı sınıf için (geçirimsiz yüzeyler, boş alanlar ve diğer) belirlenmiştir. Belirlenen eşik değerler kullanılarak yoğunluk dilimleme yöntemi ile Istanbul için tematik haritalar oluşturulmuştur. Farklı indekslere ait performansların karşılaştırılması için doğruluk değerlendirmesi görsel yorumlama, alan ve uzunluk hesaplamaları için sayısallaştırma, genel doğruluk ve Kappa istatistiği hesaplamaları ile gerçekleştirilmiştir. İstanbul için Landsat 5 TM ve Landsat 8 OLI &TIRS görüntüleri ile geçirimsiz yüzeylerin ve boş alanların doğru ve güvenilir olarak belirlenebildiği indeksler belirlenmiştir. . Sonuç olarak, Landsat 5 TM (20 Agustos 2003) görüntüsü ile en yüksek genel doğruluk EBBI indeksi kullanılarak elde edilmiştir. 2003 tarihli görüntü ile hesaplanan indeksler için genel doğruluk değerleri geçirimsiz yüzeyler ve boş alanlar için karşılaştırıldığında EBBI indeksi kullanılarak yüksek genel doğruluk boş alan için % 93, IBI indeksi kullanılarak yüksek genel doğruluk geçirimsiz yüzeyler için % 84, NDBI indeksi kullanılarak yüksek genel doğruluk geçirimsiz yüzey için % 73, UI indeksi ile yüksek genel doğruluk geçirimsiz yüzeyler için % 90 ve NDBal indeksi ile yüksek genel doğruluk boş alan için % 88 olarak hesaplanmıştır. Landsat 8 OLI & TIRS (06 Eylül 2015) görüntüsü ile en yüksek genel doğruluk NDBal indeksi kullanılarak % 90.3 olarak edilmiştir. 2015 tarihli görüntü ile hesaplanan indeksler için genel doğruluk değerleri geçirimsiz yüzeyler ve boş alanlar için karşılaştırıldığında EBBI indeksi kullanılarak yüksek genel doğruluk geçirimsiz alanlar için % 87, IBI indeksi kullanılarak yüksek genel doğruluk boş alan için % 89, NDBI indeksi kullanılarak yüksek genel doğruluk boş alan için % 86, UI indeksi ile yüksek genel doğruluk boş alan için % 87 ve NDBal indeksi ile yüksek genel doğruluk boş alan için % 92 olarak hesaplanmıştır. Bu çalışma ile uzaktan algılama indeksleri uzun ve sürekli zaman arşivine sahip orta çözünürlüklü çok bantlı Landsat görüntüleri ile heterojen bir yapıya sahip Istanbul için kabul edilebilir doğrulukta geçirimsiz yüzeylerin ve boş alanların belirlenmesinde etkin olarak kullanılabileceğini gösteren bir altlık çalışma gerçekleştirilmiştir.

Land cover and land use of earth has significantly been changed by unplanned and uncontrolled expansion of urban areas throughout time and the increasing change by the passing years, were verified by various studies. Only remote sensing from space, can provide the global, repeatable, continuous observations of processes, needed to understand the Earth system as a whole. Remote sensing data can be used in several applications such as, meteorological data collection, change detection and land cover mapping, urban planning, climate change, disaster monitoring and so on. One of the important applications of remote sensing is to detect, monitor and map impervious surfaces in urban areas. Impervious surfaces are present in many areas of the world. The areas most affected by this change are developing countries and the metropolitan cities, which are under pressures due to an unprecedented increase in population growth and developments as the result of urbanization and industrialization. Land Use and Land Cover (LULC) and Impervious Surface Area (ISA) are important parameters for many environmental studies, and serve as an essential tool for decision makers and stakeholders in Urban & Regional planning. Istanbul is among the cities that is facing the problem of a large amount of land cover changes because of various factors specifically urbanization and population growth. Urbanization phenomena with all its advantages for people, causes the large portion of land cover and land use change in mega cities such as Istanbul. Available medium spatial resolution satellite imagery, in combination with Remote Sensing techniques, are very important sources in analyzing the urban areas. Classification of Landsat images using remote sensing indices are the mostly used and simple methodology for detecting and extracting the impervious surface and bare land classes. In this study, the Impervious surface area and bare land determination of Istanbul from years, 2003 and 2015 were analyzed using different remote sensing indices such as UI (Urban Index), IBI (Index Based Built Up Index), NDBI (Normalized Difference Built-Up Index), NDBal (Normalized Difference Bare Land Index) and EBBI (Enhanced Based Built Up Index). Multitemporal data were acquired from freely available LANDSAT 5 TM and LANDSAT 8 OLI & TIRS satellite in two different dates (20-August-2003, 06-September-2015). In the introduction part of the thesis, definition of remote sensing and a brief summary of the topic are given. In the second chapter, general information about artificial surface is provided. In the third chapter, the electromagnetic spectrum, radiation and electromagnetic interaction with Earth’s features, spectral reflectance and remote sensing of artificial surfaces are explained. In the fourth chapter, digital image processing is defined and indices are explained. In the application chapter, the study area Istanbul and the data used including satellite data are defined. In this study, it is aimed to evaluate the impervious surfaces and bare lands in the study area, using remote sensing indices; and to analyze the potential of each urban index specially EBBI index since this study is among the first to apply this index on a heterogenous urban area and finally to produce the impervious surface map of Istanbul. With regard to the above objectives different built-up and bare soil indices were applied to analyze impervious surface and bare soil and threshold values for three categories as impervious surface, bare soil and others was decided by visual interpratation and then dencity slicing was applied for producing thematic map of Istanbul. Other category includes green areas, forest areas and water surfaces. Accuracy assessment was calculated for each of indices to determine how accurately the indices worked to solve classification problem of impervious surface and bare lands in heterogenous urban areas by implementing visual interpretation, digitizing for area and length, overall accuracy and Kappa statistics. As the result of study, UI index has 90% overall accuracy for impervious surface, EBBI index peresents 93% overall accuracy for bare land, IBI index has 84% overall accuracy for impervious surface, NDBI index has 73% overall accuracy for impervious surface and NDBaI has 88% overall accuracy for bare land. EBBI index shows the highest impervious surface area of 121,421 ha and for the bare land NDBaI index features highest area of 67,255 ha for Landsat 5 TM August 20, 2003 data. For Landsat 8 OLI & TIRS September 06, 2015 EBBI index shows 87% overall accuracy for impevious surface, NDBaI index has 92% overall acuuracy for bare land, IBI index shows 89% overall accuracy for bare land, NDBI has 86% overall accuracy for bare land and UI has 87% overall accuracy for bare land. EBBI index presents the highest impervious surface area of 137,406 ha and NDBaI Index confirms highest bare land area of 56,508 ha. It can be asserted that indices generated by utilizing the multispectral feature of Landsat imagery, which has the long-term archive of satellite images, can be used for determining the land cover/use changes. In addition, some recommendations for the future research and the problems which encountered during analysis are outlined.