Kentleşme ve hava kirliliği arasındaki ilişkinin Google Earth Engine ile incelenmesi: İstanbul örneği
Analyzing the correlation between urbanization and air pollution using Google Earth Engine: Istanbul case
Yazar: DUYGU YASAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ UĞUR ACAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uzaktan Algılama ve Coğrafi Bilgi Sistemleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Google Earth = Google Earth ; Hava kirliliği = Air pollution ; Kentleşme = Urbanization ; Yer istasyonları = Land stations

Özet:
Hızlı nüfus artışı mega kentlerde, hızla sanayileşmeyi ve kentleşmeyi beraberinde getirmiştir. Kentleşme yeşil alanlarda azalma, fosil yakıt kullanımında artışa neden olmuştur. Bu durumlar, doğrudan veya dolaylı olarak hava ve çevre kirliliğine yol açmaktadır. Günümüzde hava kirliliği, küresel ve bölgesel ölçekte yaşam kalitesini düşüren, ölümlere neden olabilen büyük bir problem haline gelmiştir. Bu tez çalışmasında İstanbul ilindeki kentleşmenin hava kirliliği ile ilişkisinin incelenmesi hedeflenmiştir. Bunun için ilk aşama olarak Google Earth Engine (GEE) platformunda İstanbul ilinde 1996-2021 dönemi için ortalama üç yıl aralıklarla Landsat-5 (TM), Landsat-8 (OLI) ve Sentinel-2 (MSI) görüntüleri kullanılarak arazi kullanım haritaları JavaScript (JS) kodu ile üretilmiştir. İstanbul ili; rastgele orman (RO) makine öğrenme algoritması ile sınıflandırılmış ve orman, su yüzeyi, kent alanı, boş araziler ve tarım arazisi olmak üzere beş farklı arazi kullanım örtüsüne ayrılmıştır. Sınıflandırma haritalarına dayalı olarak kent alanı yüzölçümünde artış tespit edilmiştir. İkinci aşama olarak TROPOMI Sentinel 5P (S5-P) verilerine dayalı olarak 2019, 2020, 2021 yıllarına ait gaz konsantrasyon değişimleri tespit edilmiş ve aylık konsantrasyon değişim haritaları oluşturulmuştur. Üçüncü aşama olarak 2013-2021 tarihleri aralığında yer istasyonlarından gaz konsantrasyon değişimleri elde edilmiştir. Kentleşme ile TROPOMI'ye dayalı gaz konsantrasyon değerleri arasındaki korelasyon ve kentleşme ile istasyon verilerine dayalı gaz konsantrasyon değerleri arasındaki korelasyon hesaplanmıştır. Ayrıca TROPOMI'ye dayalı gaz konsantrasyon değerleri ile yer istasyonlarına dayalı gaz konsantrasyon değerleri arasındaki korelasyon hesaplanmıştır. Sonuç olarak İstanbul'un kentsel arazi alanının 1996'da 491 km2'den %9 örtme yüzdesinden 2021'de 1.222 km2'ye çıkarak %23 örtme yüzdesine ulaştığı belirlenmiştir. Arazi sınıflarının değişimi incelendiğinde kent alanlarının artışı ile özellikle tarım arazilerinde ve boş alanlarda azalma olduğu tespit edilmiştir. Kükürt dioksit (SO2) gaz konsantrasyonunun Dünya Sağlık Örgütü'nün (DSÖ) yıllık kılavuz limit değeri olan yıllık 20 μg/m3'ten düşük olduğu fakat 2021 yılıyla birlikte bu değerin neredeyse yarısına geldiği gözlemlenmiştir. İncelenen yıllarda NO2 gaz konsantrasyonunun DSÖ'nün yıllık kılavuz limit değeri olan 40 μg/m3'ü çoğunlukla aştığı veya sınırında kaldığı gözlenmiştir. Kentleşme ile TROPOMI S5-P gaz konsantrasyonu değerleri arasında SO2, NO2 ve CO gazı ile sırasıyla 0,39, 0,02 ve 0,80 pozitif, O3 gazı ile 0,25 negatif yönde korelasyon bulunmuştur. Kentleşme ile yer istasyonları gaz konsantrasyon değerleri arasında SO2, NO2 ve CO gazları için sırasıyla 0,40, 0,036 ve 0,68 pozitif yönlü korelasyon varken O3 gazlı ile 0,86 negatif yönlü korelasyon bulunmuştur. TROPOMI ile istasyon verileri arasında SO2, NO2 ve CO gazı için sırasıyla 0,55, 0,66 ve 0,16 pozitif yönde bir korelasyon varken O3 gazı ile 0,05 negatif yönü bir korelasyon bulunmuştur. Yapılan tespitlere göre hava kirletici gazlar arasında hem TROPOMI konsantrasyonları hem de istasyon konsantrasyonlarına göre kentleşmeyle yüksek korelasyon gösteren gazın CO gazı olduğu tespit edilmiştir. Çalışmada GEE'nin kullanılması değişimlerin hızlı incelenmesi ve analiz edilmesi için avantaj sağlamıştır.

Abstract:
Rapid population growth has brought rapid industrialization and urbanization in megacities. Urbanization has led to a decrease in green areas and an increase in the use of fossil fuels. These situations directly or indirectly cause air and environmental pollution. Today, air pollution has become a significant problem that reduces the quality of life globally and can cause deaths. This thesis aims to examine the relationship between urbanization and air pollution in Istanbul. For this purpose, land use maps were created using JavaScript (JS) code as a first step. In the province of Istanbul, Random Forest (RF) was classified by a machine learning algorithm and divided into five land use covers: forest, water surface, urban area, bareland and agricultural land. Based on the classification maps, an increase in the surface area of the urban area has been determined. As a second step, gas concentration changes for 2019, 2020, and 2021 were determined based on TROPOMI Sentinel 5P (S5-P) data, and monthly gas concentration change maps were created. In the third step, gas concentration changes were obtained from ground stations between 2013-2021. The correlation between urbanization and gas concentration values based on TROPOMI and the correlation between urbanization and gas concentration values based on station data were calculated. In addition, the correlation between gas concentration values based on TROPOMI and gas concentration values based on ground stations was calculated. As a result, from 491 km2 of Istanbul's urban land area in 1996, 9% coverage; it has been determined that by 2021, it has increased to 1.222 km2 and reached a 23% coverage area. When the change of land classes is examined, it has been determined that there is a decrease in especially agricultural lands and bare lands with the increase in urban areas. It has been observed that the sulfur dioxide (SO2) gas concentration is lower than 20 mg/m3 per year, which is the annual guideline limit value of the World Health Organization (WHO), but it has reached almost half of this value by 2021. In the years examined, it was observed that the NO2 gas concentration mostly exceeded or remained at the limit of 40 μg/m3, which is the annual guideline limit value of WHO. There was a positive correlation between urbanization and TROPOMI S5-P gas concentration values with SO2, NO2 and CO gas of 0,39, 0,02 and 0,80, respectively, while a negative correlation of 0.25 with O3 gas was found. While there was a positive correlation between urbanization and the gas concentration values of ground stations for SO2, NO2 and CO gases, respectively, 0,40, 0,036 and 0,68, a negative correlation of 0,86 with O3 gas was found. While there was a positive correlation of 0,55, 0,66 and 0,16 for SO2, NO2 and CO gas, respectively, between TROPOMI and station data, a negative correlation of 0,05 was found with O3 gas. According to the determinations made, it has been determined that among the air polluting gases, the gas that has a high correlation with urbanization according to both TROPOMI concentrations and station concentrations is CO gas. Therefore, using GEE in the study provided an advantage for a quick review and analysis of changes.