Araçlardan kaynaklı emisyonların izlenmesine yönelik coğrafi analizler için açık kaynak kodlu ve web tabanlı bir gösterge paneli önerilmesi
Deploying an open source web-based dashboard for geo-spatial analyses to monitor the emissions from vehicles
Yazar: ABDULLAH UĞUR TOPAL
Danışman: PROF. DR. HANDE DEMİREL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı / Coğrafi Bilgi Teknolojileri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry ; Ulaşım = Transportation
Dizin: Coğrafi bilgi sistemleri = Geographical information systems ; Egzoz emisyonları = Exhaust emissions ; Emisyon = Emission ; Ulaşım ağı = Transport net

Özet:
Hava kirliliğinin en önemli sebeplerinden birisi araçlardan kaynaklı emisyonlardır. Emisyonlar başta solunum yolu hastalıkları olmak üzere büyük sağlık sorunlarına yol açmakta, yaşam kalitesini azaltmakta ve sera gazı salınımını artırarak iklim değişikliğine sebep olmaktadır. Emisyon kaynaklarının belirlenmesi, izlenmesi, modellenmesi ve analiz edilmesi gerçek zamanlı Coğrafi Bilgi Sistemlerine bağlı olduğu için kentsel bilişim uygulamalarının en önemlilerinden biridir. Kentsel bilişim, şehirlerin karşılaştığı bu tür sorunları çözmek için çeşitli kaynaklardan üretilen (coğrafi konum servisler, insanlar, sensörler, sosyal medya vb.) büyük, dinamik ve heterojen yapıdaki verilerin kullanıldığı bütüncül bir süreci ifade etmektedir. Bu süreci etkili bir şekilde yürütebilmek ve kurumlar arası işbirliğini artırabilmek için öncelikle, bu verilerin belirli bir standartta üretilmesi, modellenmesi ve paylaşılması gerekmektedir. Ayrıca, karar vericilere gerekli, güncel ve tutarlı verinin sunulması önceliklidir.
Tez kapsamında "Araçlardan kaynaklı emisyonların modellenmesi ve takip edilmesinde karşılaşılan ve Coğrafi Bilgi Sistemleri ve Teknolojilerini ilgilendiren sorun ve zorluklar nelerdir? Kavramsal olarak veri modelleri ve standartların oluşturulmuş olması tek başına yeterli midir? Büyük veri ve coğrafi analizler bu sorunların çözümünde nasıl etkin bir şekilde kullanılabilir? Bu sorunlara yönelik daha az maliyetli bir çözüm önerisi sunulabilir mi?" araştırma soruları çerçevesinde bir çalışma gerçekleştirilmiştir.
Araçlardan kaynaklı emisyonların bir sorun olarak ele alınabilmesi için yeterli kalitede veri sağlanması ve bunların etkin bir şekilde depolanması gerekmektedir. Bu verilerin modellenmesi yapılarak standart bir formatta sunulmalıdır. Ayrıca birçok kullanıcı ya da uygulama ile paylaşılabilmesi için şeffaf ve erişilebilir olmalıdır. Tüm bu sebepler, Emisyon veri modelinin oluşturulmasını ve Konumsal Veri Altyapısına entegre edilmesini gerekli kılmaktadır. Bu tez çalışmasında, Türkiye Konumsal Veri Altyapı projesi olan TUCBS (Türkiye Ulusal Coğrafi Bilgi Sistemleri)'nin Ulaşım Ağları teması/Karayolu Ağı şemasına "Emisyon" detay tipi eklenerek ilk adım atılmıştır. 
Emisyon veri modeli temel alınarak, dinamik büyük coğrafi veriler ile grafikler, haritalar, anahtar göstergeler vb. görsel ve coğrafi analiz araçları oluşturulup hızlı ve fonksiyonel bir gösterge paneli tasarlanmıştır. Bu gösterge paneli anlık akan dinamik verilerden, amaca ulaşmak için gerekli olan en önemli bilgilerin gösterilmesini sağlayarak karar vericilere ve kullanıcılara destek mekanizması sunmaktadır. Bu sayede yöneticiler, uzmanlar ya da denetçiler olayların takibini sağlamakta ve daha sağlıklı kararlar verebilmektedir. 
Kent sorunlarına yönelik geliştirilen çözümlerde ticari yazılımlara olan bağımlılık büyük bir mali yük getirmektedir. Kentsel sürdürülebilirliğin sağlanabilmesi için kent kaynaklarının verimli ve ekonomik kullanılması gerekmektedir. Bu nedenle tasarım aşamasında açık veri ve açık kaynak kodlu yazılımlar kullanılarak, az maliyetli bir çözüm önerisi sunulmuştur.
Geliştirilen kavramların test edilebilmesi için problemin yoğun olarak yaşandığı İstanbul ili sınırları içerisindeki beş ilçeden oluşan bir pilot bölge seçilmiştir. Anlık emisyon tahminleri yapılmış, elde edilen sonuçlar harita ve grafikler halinde karar vericilere istenilen detayda sunulmuştur. En az emisyon yayılan zaman dilimi saat gece 03.00; en çok emisyon yayılan zaman dilimi ise sabah saat 06.00-07.00 aralığı olarak belirlenmiştir. Araçlardan kaynaklı en az emisyon salınan ilçe Sancaktepe; en çok emisyon salınan ilçe ise Sultanbeyli olarak tespit edilmiştir. 
Sonuç olarak, araçlardan kaynaklı emisyonların takip edilebilmesi için, görsel ve coğrafi analitik fonksiyonların kullanıldığı, dinamik ve etkileşimli arayüze sahip açık kaynak kodlu web tabanlı bir gösterge paneli tasarlanmıştır.

Abstract:
With the world population increasing significantly in recent years, the world is hosting more human population than ever before. According to the report prepared by the United Nations, it is thought that the current world population of 7.7 billion will reach approximately 8.5 billion in 2030, 9.7 billion in 2050 and 10.9 billion in 2100. Morever, the waves of immigration to the city also caused an increase in the urban population. It is estimated that by 2050, approximately 70% of the world's population will live in urban areas. Besides population growth, the increase in the attractiveness of cities, developments in industry and technology rapidly increase the use of world resources and energy consumption. As a result, all these factors bring along many problems such as traffic congestion, energy management, pollution, and decrease in air quality.
Air pollution is accepted as one of the main causes of death in the world. According to the World Health Organization (WHO), 7 million deaths occur every year in the world due to air pollution.  One of the most important causes of air pollution is pollution from transportation. Emissions cause major health problems, especially respiratory diseases, reduce the quality of life and cause climate change by increasing greenhouse gas emissions. It is one of the most important urban computing applications, as the identification, monitoring, modeling and analysis of emission sources depend on real-time Geographical Information Systems. Urban computing refers to a holistic process in which large, dynamic and heterogeneous data produced from various sources (geographic location services, people, sensors, social media, etc.) are used to solve such problems faced by cities. In order to carry out this process effectively and to increase inter-institutional cooperation, first of all, these data must be produced, modeled and shared in a certain standard. In addition, providing necessary, up-to-date and consistent data to decision makers is a priority.
Within the scope of the thesis, "What are the problems and difficulties encountered in modeling and monitoring emissions from vehicles and concerning Geographic Information Systems and Technologies? Are conceptual data models and standards being created only enough? How can big data and geospatial analytics be effectively used to solve these problems? Can a less costly solution be offered for these problems?" was carried out within the framework of research questions.
In order to handle pollution caused by transportation as a problem, it is necessary to provide quality data and to store them effectively. This data should be modeled and presented in a standard format. It should also be transparent and accessible so that it can be shared with many users or applications. All these reasons necessitate the creation of the Emission data model and its integration into the Spatial Data Infrastructure. In Turkey, the Turkish National Geographic Information System (TUCBS) project has been developed for Spatial Data Infrastructure. This project is based on ISOTC/211, OGC and INSPIRE standards. TUCBS consists of 32 geographic data themes including Addresses, Land Cover, Building, Energy Resources and Transport Networks. The Transport Networks theme consists of 6 schemes: Road Transport Network, Railway Transport Network, Air Transport Network, Water Transport Network, Urban Rail Systems & Cable Transport Network and Common Transport Elements. In this thesis, the first step was taken by adding the "Emission" feature type to the Transport Networks theme/Road Transport Network scheme of TUCBS.
The conceptual data models and application schemas produced in TUCBS represent an abstract model and these data models need to be tested in the physical environment. At the same time, these developed models should be able to work independently of software and users. For this reason, a web-based dashboard has been established on the basis of a GIS-based system architecture to be able to test and analyze Emission data models.
According to the system architecture, open data was first obtained. The sensor data used in this study, including traffic density information, was imported from the IBB (Istanbul Metropolitan Municipality) Open Data Portal. These data, which is April 2021, include time, average speed, maximum speed, minimum speed, average number of vehicles and location information. Also the road network data required for this study was obtained from OpenStreetMap (OSM). To calculate the CO2 emissions emitted by the vehicles, vehicle speed data, number of vehicles and road length data were used. The road network data obtained from OSM was organized with open source QGIS and the traffic information obtained from the sensors was processed into the road network. Data filtering and editing were done using the Postgresql database and the geometry column was edited. Then, connection with Apache Superset was established and the prepared data table was transferred and visualized. It was presented to decision makers with a user-centered design.
Dashboards are important in urban computing. Because provides a support mechanism to decision makers and users by displaying the most important information necessary to achieve the goal from the instantaneous dynamic big data. In this way, managers, experts or auditors can keep track of events and make accurate decisions. In the scope of this study, air pollution caused by vehicles is considered as an urban computing problem and this problem should be followed by decision makers. For this purpose, a web-based dashboard has been designed considering the emission data model. Visual and geographical analysis tools were created like graphs, maps, key indicators etc.
Dependence on commercial software in solutions developed for urban problems brings a huge financial burden. In order to ensure urban sustainability, urban resources must be used efficiently and economically. For this reason, a low-cost solution proposal was presented by using open data and open source software during the design phase.
In order to test the developed concepts, a pilot region consisting of five districts (Maltepe, Kartal, Pendik, Sancaktepe and Sultanbeyli) within the borders of Istanbul, where the problem is experienced intensely, was chosen. Emission results were presented to the decision makers in the form of maps and graphics in the quality detail. While the emission values reach the highest 8.96 k on weekdays, this value is almost half at the weekend. When the emission distribution pattern is examined, the weekday graph displays a more up and down pattern, while the weekend graph shows a smoother transition. According to the weekday graph, emissions are high around 06.00-07.00 in the morning and around 18.00 in the evening. The reason for the values to appear like this is most likely due to the fact that school and commute times are clustered in this time period. In the weekend, the time period with the highest emission is around 07:00 in the morning. According to weekdays and weekends, the hour with the least emission was determined as 03.00 at night. These determinations are a warning for decision makers in order to implement measures to protect public health. According to the graphics, the district with the highest emission estimates is Sultanbeyli; the district with the lowest it seems to be Sancaktepe. While the emission emission is 27.17% on weekdays in Sultanbeyli district, this value rises to 30.43% at the weekend. In Sancaktepe district, on the other hand, while the emission was 13.94% on weekdays, it was 14.19% with a small increase at the weekend.
As a result, an open source and web-based dashboard panel with a dynamic and interactive interface, in which visual and geographic analytical functions are used, has been designed to monitor emissions from vehicles.