Uzaktan algılama teknolojileri kullanılarak denizlerde kirliliğin izlenmesi: Marmara Denizi örneği
Monitoring of pollution in the sea using remote sensing technologies: The case of the Sea of Marmara
Yazar: BUSE TIRMANOĞLU
Danışman: PROF. DR. NEBİYE MUSAOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Deniz kirliliği = Marine pollution ; Marmara Denizi = Marmara Sea ; Uydu sistemleri = Satellite systems ; Uzaktan algılama = Remote sensing

Özet:
Su canlılar için vazgeçilmez ve hayati bir kaynak iken, su kirliliği çok büyük bir tehdittir. Endüstri sektörünün gelişimi ve dünya nüfusunun her geçen gün artmasıyla su kirliliği küresel bir problem haline gelmiştir. Göl, nehir ve deniz gibi su kütlelerine giren kirleticilerin çoğu kara kaynaklıdır. Evsel, kentsel ve endüstriyel atıklar, tarımsal faaliyetler, petrol sızıntısı, soğutma suyu, tesis deşarjları, sanayilerden salınan zehirli gazların yağmur suyuyla birlikte denizlere temas etmesi ve deniz taşıtlarından kaynaklanan atıklar su kirliliğine sebep olan etkenler arasında yer almaktadır. Kirlilik yüzünden denizlerin doğal dengesinin bozulmasıyla denizlerde müsilaj oluşumu gözlenmiştir. Halk arasında deniz salyası olarak bilinen müsilaj, tarihte ilk kez Adriyatik Denizi'nde ve yakın geçmişte Marmara Denizi'nde görülmüştür. 
Su kirliliğini önlemek ve su kaynaklarını koruyarak su kıtlığı problemine çözüm getirebilmek için ülkeler arasında uluslararası sözleşmeler yapılmıştır.  RAMSAR Sözleşmesi, BERN Sözleşmesi, BASEL Sözleşmesi, Bükreş Sözleşmesi, Barselona Sözleşmesi ve Kyoto Protokolü Türkiye'nin imzaladığı sözleşmeler arasında yer almaktadır. Devletler tarafından su kirliğini azaltmaya ve denizleri korumaya yönelik birçok kanun, yönetmelik ve sözleşmeler hazırlanmıştır.
Günümüzde kirlilik probleminin büyüklüğü göz önüne alındığında su kütlelerinin izlenmesi, analiz edilip değerlendirilmesi ve kirliliğe karşı çeşitli önlemlerin alınması ülkeler için zorunlu bir ihtiyaç haline gelmiştir. Su kirliliğini, gerçeğe yakın ya da gerçek zamanlı olarak takip edebilmek ve zamanında müdahale yapabilmek için uzaktan algılama teknolojilerinin kullanılması zamansal, ekonomik ve iş gücü açısından önemlidir. Yapılan çalışmalarda; uydu teknolojisi, İHA (İnsansız Hava Aracı) tabanlı sistemler, hava araçları, IoT (Internet of Things/ Nesnelerin İnterneti) tabanlı izleme sistemleri ve yersel kameralar gibi uzaktan algılama teknolojileri tercih edilmiştir.
Bu çalışma kapsamında; uzaktan algılama teknolojileri kullanılarak deniz kirliliğinin izlenme olanakları araştırılmıştır. Marmara Denizi'ne kirletici yük taşıyan ve deniz sıcaklığını etkileyen tesis ve deşarj noktaları kullanılarak atık su türü, artıma türü ve üretim sektörünün zamana göre değişimiyle ilgili haritalar oluşturulmuştur. Marmara Denizi özelinde, MODIS Aqua (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) uydu verisinden faydalanılarak 2018-2022 yılları arasında Ocak, Şubat ve Mart aylarını kapsayan yedi farklı noktanın ortalaması alınarak aylık ortalama sıcaklık ve Chl-a (Klorofil-a) konsantrasyon parametrelerine; Sentinel-3 SLSTR (Sea and Land Surface Temperature) ve Sentinel-3 OLCI (Ocean and Land Color Instrument) uydu verisinden faydalanılarak da 2018-2022 yılları arasında Mart Ayı için yedi farklı noktada günlük olarak sıcaklık, Chl-a ve TSS (Total Suspended Solids/Toplam Askıda Katı Madde) parametreleri incelenmiştir. Denizlerde oluşan kirlilik çoğunlukla kara kaynaklı kirleticilerin etkisiyle meydana gelmektedir. Bu nedenle Marmara Denizi'nde yapılan çalışmaların yanı sıra karada da seçilen bir pilot bölgede uydu görüntülerinden arazi örtüsü/ arazi kullanımı (AÖ/AK) belirlenmiştir. Pilot bölge olarak Susurluk Nehir Havza sınırı içinde iki ana gölden biri ve bir Ramsar alanı olan Uluabat Gölü ile Marmara Denizi'ne önemli derecede deşarjı olan Susurluk Nehri ve çevresi seçilmiştir. Bu alanda PRISMA (Precursore IperSpettrale della Missione Applicativa) ve Sentinel-2 uydu görüntüleri kullanılarak ekili tarım alanı, boş arazi, orman, yerleşim, endüstri, yol, göl, akarsu, bataklık sınıfları belirlenmiştir.
Marmara Denizi'nde MODIS Aqua uydusundan elde edilen veriler incelendiğinde önceki senelere göre ortalama sıcaklık değerinin 2021 Ocak ve 2021 Şubat ayında daha yüksek olduğu, müsilajın görüldüğü 2021 Mart ayında ise sıcaklığın bir önceki seneye göre düşük olduğu görülmüştür. 2021 Ocak, Şubat ve Mart Ayları kendi içinde değerlendirildiğinde Chl-a konsantrasyonunun en düşük olduğu ay, Mart Ayı olarak belirlenmiştir. Sentinel-3 SLSTR uydusundan elde edilen veriler doğrultusunda günlük sıcaklığın en yüksek olduğu sene, 6 farklı bölge için de 2021 yılı olarak belirlenmiş ve bir önceki seneye göre değerlendirildiğinde bu sıcaklık değerleri farkının 0,1 - 2,4 °C arasında değişmekte olduğu gözlemlenmiştir. Sentinel-3 OLCI uydusundan elde edilen veriler incelendiğinde, kıyısında bulunan sanayi bölgesinden dolayı İzmit Körfezi'nde 2021, 2020 ve 2018 tarihlerinde diğer bölgelere kıyasla Chl-a konsantrasyon değerinin daha yüksek olduğu; TSS konsantrasyonunun da (10 g/m3) 2020 Mart Ayında en yüksek değere sahip olduğu görülmüştür. 
Marmara Denizi Havzası'nda meydana gelen AÖ/AK sınıflarını belirlemek için seçilen pilot alanda spektral ve mekânsal çözünürlükleri farklı olan 13.05.2021 tarihli PRISMA ve 14.05.2021 tarihli Sentinel-2 uydu görüntüleri sınıflandırılmış ve sonuçları karşılaştırılmıştır. Bu amaçla öncelikle her iki görüntüye de ana bileşenler dönüşümü uygulanmış olup elde edilen bileşenlerden iki farklı veri seti oluşturulmuş ve Maksimum Olabilirlik algoritması ile sınıflandırılmıştır. Sınıflandırma sonuçlarının doğruluklarını belirlemek için tematik doğruluk analizi yapılmış ve metrik sonuçlar karşılaştırılarak her iki uydu görüntüsünün, sınıfları ayırt edebilme performansları karşılaştırılmıştır. Yapılan değerlendirme sonucunda hiperspektral veri sağlayan PRISMA uydu görüntüsünün multispektral veri sağlayan Sentinel-2 uydu görüntüsüne kıyasla spektral çözünürlüğü yüksek olduğundan dolayı çoğu sınıf için daha yüksek doğruluklar elde edilmiştir. Uydu görüntülerinden üretilen AÖ/AK sınıflarının zaman içinde değişiminin analiz edilmesi karadan denize gelen kirlilik yükünün belirlenmesi için önem taşımaktadır. Uzaktan algılama verileri ile hem denizde hem de karada zamansal değişimlerin belirlenmesi ve önlemlerin zamanında alınmasıyla çevre problemlerin çözümüne katkıda bulunmak mümkün hale gelmiştir.

Abstract:
While water is an indispensable and essential resource for living things, water pollution is a great threat. With the development of the industrial sector and the increase in the world population day by day, water pollution has become a global problem. Most of the pollutants which discharged into water bodies as sea, lakes and river are land based. Domestic, urban and industrial wastes, agricultural activities, oil spills, cooling water, facility discharges, toxic gases released from industries and wastes from sea vehicles are among the main factors that cause water pollution. Mucilage formation has been observed in many seas due to pollution from past to present. Mucilage which known as sea saliva popularly, has been seen for the first time in history in the Adriatic Sea and in the Marmara Sea in the recent past.
International agreements have been made between countries in order to prevent water pollution and to provide a solution to the problem of water scarcity by protecting water resources. RAMSAR Convention, BERN Convention, BASEL Convention, Bucharest Convention, Barcelona Convention and Kyoto Protocol are among the agreements signed by Turkey. Many laws, regulations and conventions have been prepared by states to reduce water pollution and protect the water bodies. The main purpose of these conventions is to protect the marine ecosystems and endangered species by taking various measures against the pollution of water bodies, and to reduce the industrial air pollution. The Republic of Turkey Ministry of Environment, Urbanization and Climate is responsible for the policy formulation regarding the environment and climate change in Turkey. Environmental law has been made to protect ecosystems and ensure sustainability, and regulations have been made to ensure the protection of underground and surface water resources.
Considering the magnitude of the pollution problem, monitoring, analyzing and evaluating water bodies and taking several precautions against pollution has become a obligation for countries at the present time. The use of remote sensing technologies is substantial in terms of economy and workforce in order to be able to monitor water pollution in real time or almost real time.  Remote sensing technologies such as satellite technology, UAV (Unmanned Aerial Vehicle) based systems, aerial vehicles, IoT (Internet of Things) based monitoring systems and terrestrial cameras were preferred. 
Satellite technology is one of the preferred methods in wide and hard to reach field. In the studies, satellites with active sensors (SAR/Synthetic Aperture Radar) have been preferred to detect oil pollution, while satellites with optical sensors have been preferred to monitor water quality parameters such as chlorophyll-a (Chl-a), sea surface temperature (SST), colored dissolved organic matter (CDOM) in small and large-scale water bodies. While UAV-based passive sensors are used to monitor the wastes on the river and riverside, UAV-based active sensors are used to detect the oil spill and the type of petroleum oil. Aircraft such as kite and balloon have been used to observe coastal waters and aquatic plants. 
In many studies, the IoT has been used by integrating sensors such as pH, temperature, carbon dioxide, turbidity into the remote sensing systems with the development of technology. Buoys have been used to monitor real-time pollution in coast and fish farms and also, autonomous underwater vehicles (AUV) using camera and sensor technology have been used to study marine ecosystems. General working principle of IoT-based systems; by exchanging data with the sensor and the microcontroller card, the data on the card is transferred to the cloud, from the cloud to the database, the data in the database are also evaluated and analyzed on mobile or web. Digital terrestrial/in situ cameras with three-band (Red Green Blue) that act as radiometers has been one of the low-cost remote sensing technologies used to monitor water pollution in coastal areas.
Aim of this study; The monitoring possibilities of marine pollution has been investigated by using remote sensing technologies. Waste water type and purification type maps have been produced from the facilities and discharge points that have an impact on the pollution of the Marmara Sea. In the Marmara Sea, monthly average temperature and Chl-a concentration parameters of seven different points covering the months of January, February and March between 2018-2022 has been examined by using MODIS Aqua (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) satellite data; daily temperature, Chl-a and TSS (Total Suspended) Solids/Total Suspended Solids) parameters of seven different points for the month of March between 2018-2022 were examined by using Sentinel-3 SLSTR (Sea and Land Surface Temperature) and Sentinel-3 OLCI (Ocean and Land Color Instrument) satellite data. Pollution in the seas is mostly caused by the effects of land-based pollutants. For this reason, in addition to the studies carried out in the Marmara Sea, land cover/land use (LC/LU) has been determined from satellite images in a selected pilot region on land. As the pilot area, a part of Uluabat Lake which is one of the two main lakes and a Ramsar area within the Susurluk River Basin border and the Susurluk River which has a significant discharge into the Marmara Sea, and its surroundings has been chosen. In this area, agricultural land, bare land, forest area, settlement area, industry area, road, lake, stream, swamp classes have been determined by using PRISMA (Precursore IperSpettrale della Missione Applicativa) and Sentinel-2 satellite images.
When the data obtained from the MODIS Aqua satellite has been examined in Marmara Sea, it is seen that the average temperature value is higher in January 2021 and February 2021 in Marmara Sea compared to previous years and the average temperature in March 2021, when mucilage is seen, is lower than the previous year. When January, February and March 2021 are evaluated within themselves, it has been determined that the month with the lowest Chl-a concentration is March. According to the data obtained from the Sentinel-3 SLSTR satellite, the year with the highest daily temperature in 6 different regions is 2021 and when evaluated to compared to the previous year, it has been determined that the difference in these temperature values changed between 0.1 - 2.4 °C. When the data obtained from the Sentinel-3 OLCI satellite has been examined, it is seen that the Chl-a concentration value is higher in the Gulf of Izmit in 2021, 2020 and 2018 compared to other regions and also It has been observed that TSS concentration (10 g/m3) had the highest value in March 2020. 
PRISMA dated 13.05.2021 and Sentinel-2 dated 14.05.2021 satellite images with different spectral and spatial resolutions in the selected pilot area to determine the LC/LU classes occurring in the Marmara Sea Basin have been classified and the results have been compared. For this aim primarily, Principal Component Analysis has been performed to Sentinel-2 and PRISMA images. Maximum Likelihood algorithm has been applied to the generated two different data sets and the results has been compared. In order to determine the accuracy of the classification results, thematic accuracy analysis has been performed and the performances of both data in distinguishing the classes has been examined by comparing the metric results. Most of the classes has been distinguished with higher accuracy by using PRISMA satellite image which provides hyperspectral data due to having high spectral resolution. Analyzing the change over time of LC/LU classes which produced from satellite images is important for determining of pollution from land to sea. With remote sensing data, it has become possible to contribute to the solution of environmental problems by determining temporal changes both at sea and on land and by taking precautions in a timely manner.