Radar ve multispektral uydu görüntüleri ile mısır vejetasyon dönemi gelişiminin izlenmesi
Monitoring the development of maize vegetation period with radar and multispectral satellite images
Yazar: İBRAHİM ARSLAN
Danışman: PROF. DR. MEHMET TOPAKCI ; DOÇ. DR. NUSRET DEMİR
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uzaktan Algılama ve Coğrafi Bilgi Sistemleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Astronomi ve Uzay Bilimleri = Astronomy and Space Sciences ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Ziraat = Agriculture
Dizin: Bitki boyu = Plant height ; Geri saçılım = Back scattering ; Mısır = Maize ; Optik sensörler = Optical sensors ; Sayısal görüntü işleme = Digital image processing ; Sayısal uydu verileri = Digital satellite data ; Sentetik açıklık radarı = Synthetic aperture radar ; Silaj = Silage ; Uzaktan algılama = Remote sensing ; İnterferometri = Interferometry

Özet:
İklim ve nüfustaki değişiklikler gıda güvenliği için kritik unsurlardır. İklim değişikliği nedeniyle, tarımın su kaynaklarındaki azalıştan büyük ölçüde etkilenmesi beklenmektedir. Öte yandan dünya nüfusu da hızla artmaya devam etmektedir. Nüfusun sürekli olarak arttığı bir dünyada, çevresel kaynakların daha iyi yönetilmesi ve yeterli düzeyde ürün üretiminin sürdürülmesi gerekmektedir. Bu hususta tarımsal faaliyetlerin izlenmesi büyük önem arz etmektedir.
Tarımsal hedefler yetişme periyodu boyunca dinamik bir özellik göstermektedir. Dolayısıyla tarımsal alanlarda toprağın ve ürünün durumu yetişme periyodu boyunca günden güne değişmektedir. Toprak ve ürün durumuna ilişkin bilgileri elde etmeye yönelik geleneksel yer bazlı izleme faaliyetleri ise oldukça zaman alıcı ve maliyetlidir. Uzaktan algılama tekniği, zamanı ve maliyetleri azaltarak tarımsal alanların yetişme periyodu boyunca izlenmesine olanak tanır.
Bu çalışmada, Sentetik Açıklıklı Radar (SAR) ve multispektral uydu görüntüleri kullanılarak mısır vejetasyon dönemi gelişiminin izlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, ücretsiz olarak temin edilebilen ve yüksek mekânsal ve zamansal çözünürlüğe sahip Sentinel-1 SAR uydu görüntüleri ile Sentinel-2 multispektral uydu görüntüleri kullanılmıştır. Akdeniz Üniversitesi / Ziraat Fakültesi, Aksu Araştırma ve Uygulama Çiftliği'nde gerçekleştirilen çalışmada silajlık mısır bitkisi izlenmiştir. Mısır bitkisinin ekiminden hasadına kadar olan süreçte, Sentinel-1 uydu görüntülerinden elde edilen geri saçılma değerleri ile interferometrik uyumluluk değerleri ve Sentinel-2 uydu görüntülerinden türetilen Normalize Edilmiş Fark Bitki Örtüsü İndeksi (NDVI) değerleri ile diğer biyofiziksel değişkenlere (LAI, fCover ve CW) ilişkin değerler incelenmiştir. Ayrıca, Sentinel-1 uydu görüntüleri kullanılarak bitki boyları da hesaplanmıştır.
NDVI, LAI, fCover ve CW değerlerinin; genel olarak bitki boyları belirli bir seviyeye ulaşıncaya kadar düşük seyrettiği, sonrasında bitki büyüdükçe arttığı, daha sonra doygunluğa ulaşarak yaklaşık olarak aynı seviyelerde seyrettiği, hasat işlemi gerçekleştirilmeden önce biraz düşüş gösterdiği, hasat işlemi gerçekleştirildikten sonra ise sert bir düşüş gösterdiği gözlenmiştir.
Geri saçılma değerlerinin; genel olarak ekim işlemi gerçekleştirildikten sonra düşüş gösterdiği, bitki büyüdükçe arttığı, daha sonra doygunluğa ulaşarak yaklaşık olarak aynı seviyelerde seyrettiği, hasat işlemi gerçekleştirildikten sonra ise yeşil kalıntıların da kurumasıyla birlikte azaldığı gözlenmiştir.
İnterferometrik uyumluluk değerlerinin; genel olarak ekim işlemi gerçekleştirilmeden önce yüksek geldiği, ekim işleminin gerçekleştirildiği zaman aralığında elde edilen uydu görüntü çiftlerinin interferometrik uyumluluk değerlerinin sert bir düşüş gösterdiği, bitkiler çimlenmeye başlamadan önce elde edilen uydu görüntü çiftlerinin interferometrik uyumluluk değerlerinin tekrar yükseldiği, bitki büyüdükçe interferometrik uyumluluk değerlerinin azaldığı ve hasat işlemi gerçekleştirilinceye kadar interferometrik uyumluluk değerlerinin düşük seyrettiği, hasat işlemi gerçekleştirildikten sonra ise interferometrik uyumluluk değerlerinin arttığı gözlenmiştir.
NDVI, LAI, fCover ve CW değerleri; ekim, çizel ile ara çapa, sıra arası çapalama ve sulama işlemleri gibi toprak işleme uygulamalarına duyarsız kalmıştır. Geri saçılma ve interferometrik uyumluluk değerleri ise ekim işlemlerine duyarlı bulunmuştur. Geri saçılma değerlerinin sulama işlemlerine de duyarlı olduğu gözlenmiştir. Ayrıca NDVI, LAI, fCover ve CW değerlerinin, çalışma alanının yakın çevresinde mevcut olan bulut örtüsünden ve/veya sisten etkilendiği tespit edilmiştir. Öte yandan, geri saçılma ve interferometrik uyumluluk değerlerinin de yağış olaylarından önemli ölçüde etkilendiği gözlenmiştir.
Bu çalışma kapsamında, Sentinel-1 uydu görüntüleri kullanılarak ortalama bitki boyu yaklaşık 50 cm'lik bir hata ile hesaplanmıştır. Ancak, Sentinel-1 uydu görüntülerinden hesaplanan minimum ve maksimum bitki boyu değerleri arasındaki farkın ve standart sapmanın oldukça yüksek olması nedeniyle; Sentinel-1 uydu görüntülerinden hesaplanan ortalama bitki boyu değerinin, gerçek bitki boyu değerine tesadüfi olarak yakın geldiği tespit edilmiştir.

Abstract:
Changes in climate and population are critical elements for food security. Agriculture is expected to be greatly affected by the decrease in water resources due to the climate change. On the other hand, the population of the world continues to increase rapidly. In a world in which the population continuously increases, managing the environmental resources better and maintaining sufficient levels of crop production are necessary. In this respect, monitoring agricultural activities is of great importance.
Agricultural targets show a dynamic feature throughout the growing season. Hence, the conditions of soil and crop in agricultural areas change from day to day throughout the growing season. Traditional ground-based monitoring activities to obtain soil and crop conditions information are highly time-consuming and costly. The remote sensing technique allows monitoring of agricultural areas throughout the growing season by reducing time and costs.
In this study, it is aimed to monitor the development of maize vegetation period by using Synthetic Aperture Radar (SAR) and multispectral satellite images. In accordance with this purpose, Sentinel-1 SAR satellite images and Sentinel-2 multispectral satellite images were used, which are freely available and have high spatial and temporal resolution. In the study carried out at Akdeniz University / Faculty of Agriculture, Aksu Research and Application Farm, the silage corn plant was observed. During the period from planting to harvesting of maize, backscatter values and interferometric coherence values obtained from Sentinel-1 satellite images, and Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) values and the values of other biophysical variables (LAI, fCover, and CW) obtained from Sentinel-2 satellite images were examined. In addition, plant heights were also calculated using Sentinel-1 satellite images.
It was observed that NDVI, LAI, fCover and CW values were generally low until the plant height reached a certain level, after that they increased as the plant grew, then reached saturation and remained at approximately the same levels, showed a slight decrease before harvest, and a sharp decreased after harvest.
It was observed that the backscatter values generally decreased after planting, increased as the plant grew, then reached saturation and remained at approximately the same levels, and decreased with drying green residues after harvest.
It was observed that interferometric coherence values were generally high before planting, the interferometric coherence values obtained from satellite image pairs during planting decreased sharply, the interferometric coherence values obtained from the satellite image pairs before the plants started to germinate increased again, the interferometric coherence values decreased and remained low as the plants grew up until the harvest, and the interferometric coherence values increased after harvest.
NDVI, LAI, fCover and CW values were remained insensitive to tillage practices such as planting, chisel, interrow hoeing and irrigation. Backscatter and interferometric coherence values were found to be sensitive to planting operations. It was observed that the backscatter values were also sensitive to irrigation operations. In addition, it has been determined that NDVI, LAI, fCover and CW values were affected by cloud cover and/or fog in the immediate surroundings of the study area. On the other hand, it was observed that the backscatter and interferometric coherence values were also significantly affected by precipitation events.
Within the scope of this study, the average plant height was calculated with an error of approximately 50 cm using Sentinel-1 satellite images. However, due to the high difference between the minimum and maximum plant height values calculated from Sentinel-1 satellite images and high standard deviation; it has been determined that the average plant height value calculated from Sentinel-1 satellite images was close to the actual plant height value accidentally.