Yapay açıklıklı radar interferometre teknikleri ile tuz gölü dinamiklerinin analizi

Abstract

Sulak alanların önemli bir parçası olan tuz gölleri, yer altı su kaynaklarıyla beslenmeleri ve iklime karşı çok hassas olduklarından dolayı diğer göllerden ayrılmaktadır. Estetik, kültürel, ekonomik, rekreasyonel, bilimsel ve ekolojik değerlere sahip olan tuz gölleri çevresel ve iklimsel değişimin en önemli göstergeleridir. Çok soğuk ve yüksek sıcaklık gibi çeşitli koşullar altında var olabilen tuz gölleri, Dünya üzerinde bulunan tüm göllerin toplam hacminin %44'üne ve alanının %23'üne denk gelmektedir. Dünya üzerindeki tüm kıtalarda bulunan tuz gölleri genellikle buharlaşmanın yağıştan fazla olduğu kurak yapıya sahip havzalarda bulunmaktadırlar. Tuz gölleri, yüksek tuz seviyelerini tolere etmelerini sağlayan fizyolojik ve biyokimyasal biyotaya sahiptirler ve iklimde meydana gelen küçük değişikliklere bile oldukça duyarlı ve hassastırlar. Tuz gölleri gibi yüksek mineral oranına sahip sistemler, omurgasız hayvanlar, balık ve su kuşları gibi canlılar için uygun bir yaşam alanıdır. Dünya üzerinde bulunan tuz göllerinin yaklaşık üçte biri yarı kurak (yılda 200-500 mm yağış) ve kurak (25-200 mm) bölgelerde bulunmaktadırlar. Bu alanlarda buharlaşma yüksektir ve genellikle yağış miktarını aşmaktadır. Çok dinamik bir yapıya sahip olan tuz gölleri düşük oranda yaşanan iklimsel değişimlerden yada insan kaynaklı temaslardan oldukça hızlı ve dramatik bir şekilde etkilenen tuz göllerinin kısa zaman dilimlerinde mevsimsel olarak izlenmesi gereken önemli sulak alanlardır. Uyduların taşıdıkları algılayıcılardaki gelişmeler, UA veri işleme aşamasında farklı metotların da gelişmesini tetiklemiş ve araştırmacıları farklı bilgi çıkarımlarına yönlendirerek sulak alanların izlenmesine yönelik yeni yöntemler ortaya çıkmıştır. Bunların en önemlilerinden biri, SAR algılayıcılarının genlik ve faz bilgisini kullanarak yeryüzünün hem yatay hem de düşeyde meydana gelmiş olan değişimlerin belirlenmesine olanak sağlayan InSAR metodudur. Tuz göllerinin suyunun içinde bulunan tuz içeriği nedeniyle gelişmiş InSAR teknikleri kullanılarak su seviyesi ve tuz hareketleri gibi hacim dinamiklerinin izlenmesi ve araştırılması için uygun çalışma alanlarıdır. Meteorolojik değişimlerin yanı sıra tuz gölleri içerisinde ve çevresinde bulunan insan yapımı yapılarda oluşabilecek deformasyonlar göle ve göl habitatlarına doğrudan zarar vereceğinden dolayı belirli periyotlarda gözlemlenmelidir. Bu amaçla tez çalışması kapsamında tuz gölleri hacim dinamiklerinin belirlenmesi için Türkiye'nin en büyük tuzlu gölü olan ve KKH'da bulunan Tuz Gölü belirlenmiştir. Türkiye'nin tuz ihtiyacının yarısından fazlası Tuz Gölü bölgesindeki tuzlalar ve ikincil tuz endüstrisi ile gerçekleştirilmektedir. Tuz Gölü, uluslararası kriterlere göre A sınıfına giren bir sulak alandır. Tuz Gölü Havzası 14.09.2000 tarih ve 2000/1381 sayılı Resmi Gazete'de yayımlanan Bakanlar Kurulu Kararıyla Özel Çevre Koruma Bölgesi olarak tespit ve ilan edilmiştir.08.08.2002 tarih ve 2002/4512 sayılı Resmi Gazete'de yayınlanan Bakanlar Kurulu kararıyla Özel Çevre Koruma Bölgesi'nin sınırları 7414 km2 ye genişlemiştir. Türkiye'nin ikinci büyük gölü olan Tuz Gölü'nün tek benzeri Amerika Birleşik Devletleri'nde bulunan Salar de Uyuni Gölü'dür. Tuz Gölü yüksek dağlarla çevrili ve kapalı bir havza özelliği taşıdığından denizlerin nemli ılıman havasının bölgeye girmesi mümkün olmamaktadır. Bu nedenle Tuz Gölü Havzası, yaz mevsimlerinin sıcak ve kurak, kış mevsimlerinin ise soğuk ve kar yağışının hakim olduğu karasal iklim özelliklerine sahiptir. Yağış alanı geniş olmasına rağmen gölü besleyen dereler küçüktür ve yazın birçoğu kuru durumdadır. Tuz Gölü'nün derinliği gölün neredeyse tamamında 40 cm'yi geçmemektedir. Bölge ayrıca Orta Anadolu'daki önemli aktif tektonik öğelerin başında gelen kuzeybatı-güneydoğu uzanımlı Tuz Gölü fay hattını içerisinde barındırmaktadır. Tuz Gölü ve çevresindeki değişimlerin belirlenmesi amacıyla SAR ve optik uydu görüntülerinin yanı sıra bölgeye ait meteorolojik veriler, arazi ölçmeleri (Spektroradyometre ölçmeleri, Elektronik nem ölçmeleri, Nivelman ölçmeleri ve Toprak numunesi alımı) ve Harita Genel Müdürlüğünden (HGM) elde edilen TUTGA (Türkiye Ulusal Temel GPS Ağı) noktalarından faydalanmıştır. Çalışma alanı olan Tuz Gölü ve çevresinde bulunan yapay alanlar PsInSAR tekniğiyle, göl ,çerisnde bulunan TGB ise SBAS tekniğiyle irdelenmiştir. Göl içi gibi sabit saçıcıların az olduğu alanlarda PSInSAR yöntemine göre daha iyi sonuç veren SBAS yöntemi ile TGB dinamikleri izlenmiştir. Bu amaçla öncelikle optik uydu verilerinde TGB'ler sınıflandırılmıştır. Sınıflandırma sonuçlarının genel doğruluğu Şubat, Nisan, Ağustos ve Ekim görüntüleri için sırasıyla %88,7, %87,9, %86,2 ve %87,5 olarak hesaplanmıştır. Sonrasında TGB'lerin sınıf bazında hem mevsimsel geçişlere olan davranışları hem de InSAR uygulamalarında doğruluğunu direk etkileyen uyumluluk (coherence) değerlerinin davranışlarının irdelenmesi amaçlanmıştır. InSAR aşamasında 34 adet yükselen VV polarizasyona sahip Sentinel-1 (87 numaralı yörünge) SAR görüntüsü kullanılmıştır. SBAS aşamasında toplam 128 interferogram üretilmiş ve belirtilen dönemdeki tüm görüntülerden 100 metrenin altında dikey baz uzunluğuna ve 60 günün altında bir zamansal baz uzunluğuna sahip olanlar kullanılarak zaman serisi üretilmiştir. Sonuçların maksimum standart sapması 2,75 cm/yıl olmasına rağmen, ölçmelerin %60'ının standart sapmasının 1 cm/yıl'ın altında olması, ölçmelerin güvenilirliğini göstermektedir. Sınıflandırma sonuçları ile uyumluluk haritaları arasındaki uyumluluk incelendiğinde tuz ve kuru toprak sınıflarında yüksek uyumluluk olduğu görülmüştür. Bitki örtüsü ve nemli toprakta orta düzeyde uyumluluk değerleri gözlemlenirken tatlı su sınıfında beklenildiği üzere en düşük uyumluluk değerleri görülmüştür. Vejetasyon sınıfı ile nemli toprağa ait uyumluluk değerleri birbirlerine yakın değerlere sahiptir ve orta derecede uyumluluk göstermektedirler. Kuru toprak ve tuz sınıflarının yüksek uyumluluk değerleri gösterdiği, su sınıfının ise en düşük uyumluluk değerini gösterdiği görülmektedir. Ağustos ayında gölün neredeyse tamamen kuruduğu ve bu durumun Ekim ayına kadar sürdüğü gözlemlenmiştir. Ekim ayından sonra su ile dolmaya başlayan göl, şubat ayında maksimum doluluk seviyelerine ulaşmıştır. Bu aydan sonra göl, mart ayına kadar doğal sınırları içinde kalmış, ardından tekrar kurak bir döneme girmiştir. Dört farklı mevsimde arazi çalışmalarında yapılan nivelman ölçmeleri ile elde edilen su seviyesi bilgileri ile SBAS'tan elde edilen su seviyesi bilgileri karşılaştırılmıştır. Şubat, Nisan, Ağustos ve Ekim aylarında SBAS ile su seviyesinin belirlenmesi amacıyla yapılan doğruluk karşılaştırmalarından elde edilen standart sapma değerleri sırasıyla 0,67, 0,80, 0,84 ve 0,95 olarak hesaplanmıştır. Su seviyesinin belirlenmesi ve değişiminin SBAS ölçmeleri ile karşılaştırılıp incelenmesinden sonra tuzlalardaki SBAS bazlı yüzey değişimleri analiz edilmiştir.Tuz Gölü'nde bulunan 3 tuzla için hesaplanan tuz rekoltesi; Yavşan Tuzlası için 1.438 milyon ton, Kayacık Tuzlası için 1.838 milyon ton ve Kaldırım Tuzlası için 1,95 milyon ton olarak hesaplanmıştır. Göl dışında meydana gelen deformasyonların belirlenmesi için TUTGA noktaları ve PSInSAR yöntemiyle incelemeler gerçekleştirilmiştir. Ayrıca PSInSAR sonuçlarının tutarlılığını belirlemek için elde edilen deformasyon bilgileri TUTGA noktalarından elde edilen mm hassasiyetindeki deformasyon bilgileri ile karşılaştırılmıştır. TUTGA sonuçları ile edilen sonuçlar, PSInSAR sonuçları ile yüksek pozitif korelasyon (r>0.95) ile uyumlu olduğu görülmüştür. Tuz göllerinde bulunan en önemli yapay alanların başında gelen tuzlaların setlerinde oluşan deformasyonlar incelendiğinde Kaldırım Tuzlasında yıllık 1 cm'lik bir çökme, Kayacık Tuzlasında yıllık 1.5 cm'lik bir çökme ve Yavşan Tuzlasında 0.5 cm'lik bir çökme gözlemlenmiştir. Ayrıca yapılan analizler göl sınırlarında her yıl ortalama 1-1.5 cm çökme meydana geldiğini göstermektedir. Bu çalışmada optik verilerin görsel yorumlamadaki üstünlüğü ile SAR verilerinin yeryüzü hareketlerinin belirlenmesindeki üstünlüğü entegre edilmiş ve göl değişiminin nedenleri daha iyi yorumlanabilir hale gelmiştir. Bu nedenle özellikle tuz gölleri gibi dinamik ve sabit yansıtıcıların bulunduğu göl alanlarında yapılacak olan çalışmalarda optik ve SAR görüntüleri kullanılarak yer değiştirme haritalarının sınıflandırılmış görüntüler ile birlikte yorumlanması daha kapsamlı sonuçlara ulaşmak için önemli olduğu sonucuna ulaşılmıştır.Tuz göllerinin hacim dinamiklerini gözlemlemek için bitki örtüsünün çok yoğun olmaması ve gölün sabit yansıtıcı objelere sahip olmaları koşullarıyla SBAS yönteminin kullanılabileceği görülmüştür. Tuz göllerinde, tuz içeriğinden dolayı su sınıfında dahi bilgi çıkarmanın mümkün olduğu ve SBAS yönteminin tuz göllerindeki su seviyesi ve tuz hareketleri gibi TGB'nin hacim dinamiklerini izlemek için uygun olduğu belirlenmiştir. Kullanıcılarına hem L bandında hem de S bandında veri sağlayacak olan NASA-ISRO Sentetik Açıklıklı Radar (NISAR) misyonun faaliyete girmesiyle ileride yapılacak olan TGB hacim dinamiklerinin ve su seviyesinin belirlenmesi çalışmalarına önemli katkı sağlayacağı düşünülmektedir.

Wetlands are important ecosystems and productive habitats due to their contributions such as the survival of many endemic plant and animal species, the control of floods, the improvement of water quality and the continuation of biological diversity. It is important to protect and monitor wetlands because of their aesthetic, cultural, socio-economic, recreational, and ecological features, as well as their important contributions such as feeding groundwater resources, increasing agricultural soil productivity, regulating the water cycle, and reducing carbon emissions. To define a region as a wetland, three basic features must be present in the region: The first is wetland hydrology, which describes the water content in the area. The second is the physico-chemical properties of the area, which show that the area has a unique wetland soil structure. The third important feature is the biological diversity, which includes living species that survive in this area and have adapted by accepting the area as a habitat. These three basic features cannot be considered separately from each other in the definition and determination of wetlands. Salt lakes, which are an important part of inland water ecosystems, are distinguished from other lakes because they are fed by underground water sources and are very sensitive to climatic conditions. Salt lakes, which have aesthetic, cultural, economic, recreational, scientific, and ecological features, are the most important indicators of environmental and climatic change. Salt lakes, which can exist under various conditions such as very cold and high temperatures, correspond to 44% of the total volume of all lakes on Earth and 23% of their area. Salt lakes on all continents in the world are generally located in arid basins where evaporation is higher than precipitation. Salt lakes have physiological and biochemical biota that allow them to tolerate high salt levels, and they are highly sensitive and responsive to even small climatic changes. Areas with high mineral content such as salt lakes are suitable habitats for invertebrates, fish, and waterfowl. About one third of the salt lakes in the world are in semi-arid (200-500 mm precipitation per year) and arid (25-200 mm precipitation per year) regions. Evaporation in these areas is high and often exceeds precipitation. Salt lakes, which are affected very rapidly and dramatically by low rate of climatic changes, human-induced contacts, and have a very dynamic structure, are important wetlands that should be monitored seasonally in short periods of time. Remote Sensing (RS) technologies and methods developed in parallel with technological developments can be used as an ideal platform for monitoring and evaluating the volume dynamics of wetlands. By using satellite images, it is possible to obtain information about the wetland rapidly with the minimum need for ground measurements and the management policies can be determined. The developments in the sensors carried by the satellites triggered the development of different methods in the RS data processing stage and led the researchers to develop different information extraction methods. One of the most important of these is the InSAR method, which uses the amplitude and phase information of SAR sensors to determine both horizontal and vertical changes of the earth surface. DInSAR technique, which is the most basic radar interferometry technique, is calculated based on the phase difference between the SAR images detected at two different times. However, when evaluating the image pairs, reliable data of the study area may not be produced due to errors caused by steep base lengths, trajectories, temporal differences, differences in weather conditions and changes in topography (such as agriculture and forest areas). To solve this problem, advanced InSAR methods PSInSAR and SBAS methods have been developed to observe the deformations occurring at slow speed in a more sensitive and reliable way in the form of time series. While the PSInSAR method uses the phase information of only the highly correlated pixels in the study area, the SBAS technique analyses all the pixels in the study area and examines the scattered targets with high correlation values. PSInSAR technique gives better results in areas with fixed reflective properties such as residential areas. It can also be used to determine deformations in wetlands in case of fixed scatterers in or around the wetlands. In research areas such as open areas where fixed scatterers are not sufficient, the SBAS technique provides very sensitive information about surface deformations. However, in highly complex situations such as monitoring water level changes and salt movement, poor consistency arises due to low correlation values. There are distinct seasonal deformation features in these areas with water bodies. Therefore, temporal resolution should be as high as possible in determining volume dynamics such as monitoring the water level of wetlands. Because of this feature, salt lakes are suitable study areas for monitoring and investigating volume dynamics such as water level and salt movements using advanced InSAR techniques. In addition to meteorological changes, deformations that may occur in man-made structures in and around salt lakes should be observed at certain periods, since they will directly damage the lake and lake habitats. For this purpose, to determine the volume dynamics of salt lakes within the scope of the thesis, Lake Tuz, which is Turkey's largest salt lake and located in the Konya Closed Basin (KCB), was determined as the study area. More than half of Turkey's salt needs are met by the saltworks and secondary salt industry in the Lake Tuz region. It is a wetland in Class A according to international criteria. Lake Tuz Basin was determined and declared as a Special Environmental Protection Area with the decision of the Council of Ministers published in the Official Gazette dated 14.09.2000 and numbered 2000/1381. With the decision of the Council of Ministers published in the Official Gazette dated 08.08.2002 and numbered 2002/4512, the borders of the Special Environmental Protection Area expanded to 7414 km2. Lake Tuz, which is the second largest lake in Turkey, is the only similar of the Salar de Uyuni Lake in the United States. Since Lake Tuz is surrounded by high mountains and has the characteristics of a closed basin, it is not possible for the humid temperate air of the seas to enter the region. For this reason, the Lake Tuz Basin has continental climate features where summers are hot and dry, and winters are cold and snowy. Although the precipitation area is large, the streams feeding the lake are small and many of them are dry in summer. The depth of Salt Lake does not exceed 40 cm in almost all the lake. The region also contains the NW-SE trending Lake Tuz fault line, which is one of the most important active tectonic elements in Central Anatolia. To determine the changes in Lake Tuz and its surroundings, in addition to SAR and optical satellite images, meteorological data of the region, land measurements (Spectroradiometer measurements, electronic humidity measurements, Levelling measurements and Soil sampling) and TUTGA (Turkish National GPS Network) points obtained from the General Directorate of Maps (HGM) was used. The artificial areas in and around Lake Tuz, which is the study area, were examined with the PsInSAR technique, and the Lake Tuz Components (TGC) within the lake were examined with the SBAS technique. TGC dynamics were monitored with the SBAS method, which gives better results than the PSInSAR method in areas where there are few fixed scatterers such as in the lake. For this purpose, first of all, TGCs were classified in optical satellite data. The overall accuracy of the classification results was calculated as 88.7%, 87.9%, 86.2%, and 87.5% for the February, April, August, and October images, respectively. Afterwards, it is aimed to examine the behaviour of TGCs on a class basis, both against seasonal changes and the behaviour of coherence values that directly affect their accuracy in InSAR applications. In the InSAR phase, 34 Sentinel-1 (orbit 87) SAR images with ascending VV polarization were used. A total of 128 interferograms were produced in the SBAS stage, and time series were generated using those with a vertical base length of less than 100 meters and a temporal baseline of less than 60 days from all images in the specified period. Although the maximum standard deviation of the results is 4.88 cm/year, the standard deviation of 60% of the measurements is below 1 cm/year, indicating the reliability of the measurements. When the compatibility between the classification results and the compatibility maps was examined, it was seen that there was high compatibility in salt and dry soil classes. While moderate compatibility values were observed in vegetation and moist soil, the lowest compatibility values were observed in the freshwater class, as expected. The compatibility values of vegetation class and moist soil are close to each other and show moderate compatibility. It is seen that dry soil and salt classes show high compatibility values, while water class shows the lowest compatibility. It was observed that the lake was almost completely dry in August and this situation continued until October. The lake, which started to fill with water after October, reached its maximum occupancy levels in February. After this month, the lake remained within its natural borders until March, then entered a dry period again. The water level information obtained by levelling measurements made in field studies in four different seasons was compared with the water level information obtained from SBAS. The standard deviation values obtained from the accuracy comparisons made to determine the water level with SBAS in February, April, August and October were calculated as 0.67, 0.80, 0.84 and 0.95, respectively. After determining the water level and comparing and examining its change with SBAS measurements, SBAS-based surface changes in the salt area were analysed. The salt yield calculated for the three lakes in Lake Tuz; It is calculated as 1.438 million tons for Yavşan Saltpan, 1.838 million tons for Kayacık Saltpan and 1.95 million tons for Pavement Saltpan. To determine the deformations occurring outside the lake, investigations were carried out with TUTGA points and PSInSAR method. In addition, to calculate the accuracy of the PSInSAR results, the results obtained from the TUTGA points were compared. The results obtained with the TUTGA results were in mm precision and were found to be compatible with PSInSAR results with a high positive correlation (r>0.95). When the deformations formed in the sets of the saltpan, which is one of the most important artificial areas in the salt lakes, are examined, an annual collapse of 1 cm in the Kaldirim Saltpan, an annual collapse of 1.5 cm in the Kayacık Saltpan and a collapse of 0.5 cm in the Yavşan Saltpan have been observed. In addition, the analyses show that an average of 1-1.5 cm subsidence occurs on the lake borders every year. In this study, by integrating the superiority of optical data in visual interpretation and the superiority of SAR data in determining ground movements, the causes of lake change have become better interpretable. For this reason, it has been concluded that, especially in the studies to be carried out in lake areas with dynamic and fixed reflectors such as salt lakes, image interpretation using optical images and interpretation of displacement maps using SAR images together are important to achieve more comprehensive results. It has been seen that the SBAS method can be used to observe the volume dynamics of salt lakes, provided that the vegetation is not very dense, and the lake has fixed reflective objects. It has been determined that in salt lakes, it is possible to extract information even in the water class due to the salt content, and the SBAS method is suitable for monitoring the volume dynamics of the TGC, such as the water level and salt movements in the salt lakes. It is thought that with the launch of the NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR) mission, which will provide data to its users in both L band and S band, it will make a significant contribution to the future TGC volume dynamics and water level determination studies.