Uzaktan algılama yöntemleri ile şehirleşme etkilerinin incelenmesi: İstanbul ili Sarıyer ve Beykoz örnekleri
Determination of the impact of urbanization by remote sensing methods: Case studies of Sariyer and Beykoz in İstanbul
Yazar: BÜŞRA SARIBAŞ
Danışman: DOÇ. DR. FİLİZ BEKTAŞ BALÇIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı / Coğrafi Bilgi Teknolojileri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry ; Şehircilik ve Bölge Planlama = Urban and Regional Planning
Dizin: Coğrafi bilgi sistemleri = Geographical information systems ; Görüntü sınıflandırma = Image classification ; Landsat uyduları = Landsat satellite ; Sayısal uydu verileri = Digital satellite data

Özet:
İstanbul ilinde artan nüfus yoğunluğu kentsel alanların, şehrin kuzey bölgelerine doğru genişlemesine sebep olmaktadır. Son yıllarda yapımı tamamlanan Yavuz Sultan Selim Köprüsü ve Kuzey Marmara Otoyolu ile yeni kentleşme alanları için şehrin kuzeyi cazip hale gelmiştir. Bu durum şehrin kuzeyinde yer alan doğal habitatın etkilenmesine sebep olmaktadır. 
Bu çalışma için, kentleşmenin belirlenmesi ve etkilerinin incelenebilmesi için Yavuz Sultan Selim Köprüsünün kara bağlantı noktalarının bulunduğu İstanbul ili, Sarıyer ve Beykoz ilçeleri çalışma bölgesi olarak seçilmiştir. Çalışma alanı için ücretsiz bir şekilde erişime açık olan orta mekansal çözünürlüğe sahip 2009 ve 2019 tarihli Landsat 5 TM ve Landsat 8 OLI & TIRs uydu görüntüleri kullanılmıştır. 30 metre çözünürlüğe sahip olan uydu görüntüleri çalışma alanına ait AÖ/AK haritalarının üretilmesi ve değişim tespiti için kullanılmıştır. AÖ/AK haritalarını üretmek için nesne tabanlı sınıflandırma yöntemi uygulanmıştır ve en yakın komşuluk algoritması kullanılmıştır. AÖ/AK haritaları tarım alanları, yapay yüzeyler, yeşil alanlar, boş alanlar, su yüzeyleri ve yollar olmak üzere altı sınıfa ayrılmıştır. İki farklı yıl için üretilen AÖ/AK haritalarının doğruluk değerlendirmesinin yapılabilmesi için hata matrisi oluşturulmuş, genel doğruluk ve kappa oranı hesaplanmıştır. AÖ/AK haritalarının değişimi incelenmiş ve sonuçlar analiz edilmiştir. 
Kentleşme etkilerinin incelenmesi için yer yüzey sıcaklığı analizi ve peyzaj metrikleri kullanılmıştır. Mekansal ve zamansal olarak yer yüzey sıcaklığı değişimi incelenmiştir. Kentleşme etkilerinin mekansal olarak incelenebilmesi için peyzaj metrikleri analizi nicel veriler yerine tematik haritalar oluşturularak incelenmiştir. Mekansal analizler için çalışma alanı farklı boyutlarda gridlere bölünmüştür. Grid boyutları için 300 metre, 600 metre, 900 metre ve 1200 metre seçilmiştir. Peyzaj metriklerinin mekansal olarak yorumlanabilmesi için en uygun grid boyutu belirlenmiştir. Bunun için en büyük ünite indeksi (EBÜİ) metriği ile yer yüzey sıcaklığı arasındaki korelasyon hesaplanmış ve en uygun grid boyutu 300 metre olarak belirlenmiştir. 
Peyzaj metrikleri analizi için ünite yoğunluğu (ÜY), kenar yoğunluğu (KY), en büyük ünite indeksi (EBÜİ), kümelenme indeksi (Kİ) ve Shannon çeşitlilik indeksi (SÇİ) kullanılmıştır. Kullanılan analizlerin seçimine literatür taraması ile karar verilmiştir. Elde edilen metrik sonuçları gridlere entegre edilerek mekansal sonuçların elde edilmesi sağlanmıştır. Çalışma alanı içerisinde kuzey bölgelerde peyzaj ünitelerinin parçalanmaya uğradığı, peyzaj sınırının artış göstererek ünitelerin arttığı, en büyük ünite indeksinin azalarak peyzaj baskınlığının azaldığı, kümelenmenin azalarak ve ünite çeşitliliğinin artarak farklı sınıf türlerinin yan yana geldiği anlaşılmaktadır. Değişimin özellikle kuzey bölgelerde meydana gelmesi Kuzey Marmara Otoyolu'nun etkisi olarak yorumlanmaktadır.
Yer yüzey sıcaklığı analizi için Landsat uydu görüntülerindeki termal bantlar kullanılmıştır. Farklı iki yıla ait YYS sonuçları değerlendirme için ortak 5 kategoriye ayrılmıştır. Analiz sonucunda çalışma alanının 2009'da 18.17° olan ortalama sıcaklığı, 2019 yılında 22.25°'ye yükselmiştir. Ayrıca 2009 yılına ait analiz sonuçları incelendiğinde Düşük Sıcaklık sınıfının 164.46 km2'lik yüzölçümü ile en büyük alana sahip sıcaklık sınıfı olduğu görülmektedir. Ancak 2019 yılı sonuçlarına bakıldığında Düşük Sıcaklık sınıfının yüzölçümünün 42.77 km2 azalarak 121.69 km2'ye gerilediği ve Orta Sıcaklık sınıfının 179.93 km2'lik yüzölçümü ile en büyük alana sahip sıcaklık sınıfı olduğu görülmektedir. 2019 yılı sonuçlarında Ekstra Düşük Sıcaklık, Düşük Sıcaklık ve Yüksek Sıcaklık sınıfları alansal olarak azalış gösterirken, Orta Sıcaklık ve Ekstra Yüksek Sıcaklık sınıfları artış göstermiştir. YYS sonuçları mekansal olarak incelendiğinde, Kuzey Marmara Otoyolu'nun ve çevresinin sıcaklık artışı gösterdiği belirlenmiştir.
Bu tez çalışmasında Kuzey Marmara Otoyolu ve Yavuz Sultan Selim Köprüsü'nün kentleşmeye olan etkisini inceleyebilmek için mekansal analizler yapılmıştır. İlk olarak nesne tabanlı sınıflandırma yöntemiyle oluşturulan AÖ/AK haritaları ile sınıflandırma sonuçlarının değişimi analiz edilmiştir. Daha sonra YYS analizi ile zamansal ve mekansal olarak sıcaklık değişimi incelenmiştir. Son olarak peyzaj metrikleri ile AÖ/AK sınıflarının mekansal değişimi incelenmiş ve kentleşme etkileri yorumlanmıştır. Şehrin kuzeyinde yer yüzey sıcaklığının artış gösterdiği, yeşil alanların alansal olarak azaldığı ve parçalandığı, yapay yüzeylerin ise artış gösterdiği görülmektedir. Yapılan analizler sonucunda Kuzey Marmara Otoyolu ve Yavuz Sultan Selim Köprüsü'nün, şehrin kuzeyinde yapay yüzeyleri arttırdığı ve peyzaj yapısını değiştirdiği anlaşılmaktadır.

Abstract:
The rising population density in Istanbul causes urban areas to enlarge toward the northern regions of the city. The north of the city has become appealing for new urbanization areas with the Yavuz Sultan Selim Bridge and the Northern Marmara Highway, which have been constructed in recent years. As a result, natural habitats in the north of the city are affected. 
In order to determine the urbanization and examine its effects in this study, Sarıyer and Beykoz districts, where the Yavuz Sultan Selim Bridge's highway connection points are located, were chosen as the study area. In this study, Landsat 5 TM and Landsat 8 OLI & TIRs satellite images dated 2009 and 2019 with medium spatial resolution, which are freely available, were used. Satellite images with 30-meter resolution were used to create LU/LC maps of the study area and to detect a change in urbanization. 
Object-based classification method was applied to produce LU/LC maps. While applying the object-based classification method, segmentation values were determined and the nearest neighbor algorithm was used. As the inputs of the nearest neighbor algorithm, satellite image bands, brightness values, length/width ratio, calculated NDVI, MNDWI, and NDBI indexes were used. LU/LC maps are divided into six classes: agricultural areas, artificial surfaces, vegetation areas, barren areas, water surfaces, and roads. An error matrix was created for the accuracy assessment of the LU/LC maps produced for two different years, and the overall accuracy and kappa ratio were calculated. For 2009, using 560 ground control points, the overall classification accuracy was calculated as 0.91 and the kappa ratio as 0.89. For 2019, using 580 ground control points, the overall classification accuracy was calculated as 0.89 and the kappa ratio as 0.86. 
The changes in the LU/LC maps were examined and the results were analyzed. While in 2009, 317.85 km2 of the 437.43 km2 study area was seen as vegetation area and 88.63 km2 as artificial surface, in 2019, 293.98 km2 area was seen as vegetation area and 109.67 km2 as artificial surface. It is understood that while there is a decrease in vegetation areas, there is an increase in artificial surfaces. It is seen that the vegetation area class decreased from 73.2% to 67.3%, and the artificial surface class increased from 20.1% to 24.2%. While there was no change in 350.8 km2 of the study area, the 85.94 km2 area underwent a change. When the change in the LU/LC maps is examined, it has been observed that the vegetation area of 28.59 km2 has been turned into an artificial surface class.
Land surface temperature analysis and landscape metrics were used to investigate urbanization impacts. Spatio-temporal variation of land surface temperature was examined. In order to reveal the effects of urbanization spatially, landscape metrics analysis was examined by creating thematic maps instead of quantitative data. For spatial analysis, the study area was divided into grids of various sizes. Grid sizes were selected as 300 meters, 600 meters, 900 meters, and 1200 meters. Average landscape metrics values were calculated separately for each grid size. It is observed that patch density (PD), largest patch index (LPI) and aggregation index (AI) decrease as the grid size increases. At the same time, edge density (ED) and Shannon diversity index (SHDI) showed an increase. 
The most optimal grid size was determined for the spatial interpretation of landscape metrics. The relationship between the largest patch index (LPI) metric and the land surface temperature (LST) was considered when selecting the optimal grid size. Three criteria were used to examine the relationship between LPI and LST. As a criterion, high correlation, regular dependence on spatio-temporal scales, and sampling sizes were considered and 300 meters was determined as the most optimum grid size. Urbanization effects were interpreted by using landscape metrics obtained with a grid size of 300 meters.
Patch density (PD), edge density (ED), largest patch index (LPI), aggregation index (AI), and Shannon diversity index (SHDI) were used to analyze landscape metrics. The metric results obtained were integrated into the grids to get spatial results. It is understood that landscape patches are fragmented in the northern regions of the study area, patches increase with the increase in the landscape boundary, landscape dominance decreases with the decrease in the largest patch index (LPI), and different class types come side by side with the decrease in aggregation and increase in patch diversity. The observation that the change occurred especially in the northern regions is interpreted as the effect of the Northern Marmara Highway.
For land surface temperature analysis, thermal bands from Landsat satellite images were used. LST results from two different years are divided into 5 common categories for assessment. As a result of the analysis, the average temperature of the study area increased from 18.17° in 2009 to 22.25° in 2019. Moreover, when the analysis results of 2009 are reviewed, it is seen that the Low Temperature class has the largest area among the other classes with 164.46 km2. However, when the results of 2019 are reviewed, it is seen that the area of the Low Temperature class decreased by 42.77 km2 to 121.69 km2 and the Medium Temperature class covers the largest area among the other classes with an area of 179.93 km2. In 2009, the Medium Temperature class was between 17.58° and 18.76°, while in 2019 this range increased to 21.29° and 22.98°. According to 2019 results, Extra Low Temperature, Low Temperature, and High Temperature classes decreased in terms of areal coverage, while Medium Temperature and Extra High Temperature classes increased. When the LST results are considered spatially, an increase in temperature is observed in and around the Northern Marmara Highway.
In this thesis, spatial analyses were conducted to investigate the impact of the Northern Marmara Highway and Yavuz Sultan Selim Bridge on urbanization. Firstly, the change in classification results was analyzed by using the LU/LC maps generated by the object-based classification method. Then, the spatio-temporal variation of land surface temperature was analyzed with the LST analysis. Finally, the spatial variation of LU/LC classes was examined with landscape metrics and the effects of urbanization was interpreted. In the north of the city, there is an increase in land surface temperature, a decrease and the segmentation of vegetation areas, and an increase in the area of artificial surfaces. As a result of the analysis, it is found that the construction of the Northern Marmara Highway and Yavuz Sultan Selim Bridge has increased artificial surfaces in the north of the city and significantly changed the landscape structure.