Başlıca iklim parametrelerinin bitki su tüketimine etkilerinin uzaktan algılama yöntemleri ile araştırılması
Investigation of effects of major climate parameters on crop water consumption using remote sensing methods
Yazar: ORKAN ÖZCAN
Danışman: PROF. DR. NEBİYE MUSAOĞLU ; PROF. DR. CANKUT ÖRMECİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Bilişim Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı / Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry ; Ziraat = Agriculture

Özet:
Dünya genelinde en fazla üretimi yapılan tarım ürünlerinden birisi olan buğday,
ülkemizde yaklaşık 9,5 milyon hektar alanda ekilmekte, yıldan yıla değişmekle birlikte
20 milyon ton civarında ürün alınmaktadır. Farklı ekim bölgeleri için önerilen ürün
deseninin, o yörenin ekolojik koşullarına adaptasyon düzeylerinin ve kuraklık ya da
aşırı yağış vb. değişen iklim koşullarının bitkilerin gelişimine olası etkilerinin
izlenmesi uzaktan algılama teknikleri ve CBS ile mümkün olmaktadır. Çalışmada
öncelikle yersel akıllı istasyonlar kullanılarak fenolojik gelişim dönemlerine göre
algılanan SPOT 5 uydu görüntüleri ile bitki karakteristikleri ve farklı istasyonlardaki
ürün özellikleri incelenmiş olup, bitki gelişiminde farklılıklara neden olan ekolojik
koşullar ve ürünlerin adaptasyon farklılıkları bu doğrultuda belirlenmiştir. Bununla
birlikte; özellikle Güneydoğu Anadolu Bölgesi'nin kurak ve yarı-kurak koşullarında,
sulama sistemlerinin planlanmasında sulama suyu ihtiyacının tahmini için bitkilerden
gelen terleme ve altındaki topraktan gelen buharlaşma, su kaynakları ve hidrolojik
çalışmalar açısından önemli faktörlerdir. Çalışmanın amaçlarından biri, uzaktan
algılama teknikleri ve CBS kullanılarak gerçek evapotranspirasyonun tahmini ile farklı
toprak gruplarında bulunan buğday ekili alanlardaki su ihtiyacının belirlenmesidir.
Büyüme döneminde algılanan SPOT 5 görüntüleri, hem Normalized Difference
Vegetation Index (NDVI) ve Modified Soil Adjusted Vegetation Index (MSAVI)
analizlerinin yapılması hem de buğday ekim dönemi aylarındaki bitki katsayılarının
oluşturulmasında kullanılmıştır.
Hızla gelişmekte olan bir ülke olan Türkiye'de, artan nüfus için; sulu tarım
ürünlerinden yeterli miktarda, sanayi için; ucuz, sürekli ve kaliteli yenilenebilir
enerjiye ve özellikle ortalama ulusal standartlara göre yaşam seviyesi düşük olan
bölgelerde evsel kullanımlar için; kaliteli suya ihtiyaç duyulmaktadır. Atatürk Barajı
dünyanın en büyük dördüncü kil merkezli kaya dolgu baraj olmakla birlikte
Türkiye'nin enerji ve tarım sektörünün gelişmesinde önemli rol oynamaktadır.
Güneydoğu Anadolu Bölgesi için geniş ölçekli bölgesel bir kalkınma projesi (GAP)
merkez bileşeni olarak 1980'li yıllarda bu yarı-kurak bölgede Fırat Nehri üzerinde inşa
edilmiştir. Atatürk Barajı'nın Güneydoğu Anadolu Bölgesi'ne agrometeorolojik
yönden etkilerinin mekânsal ve zamansal değişimler açısından belirlenmesi bir diğer
araştırmadır. 1984 – 2011 yılları arasında çok zamanlı Landsat uydu görüntüleri ve
meteorolojik veri setleri değerlendirilerek Atatürk Baraj Gölü'nde su rezervi
değişimleri nedeniyle bölgedeki zamansal değişim ve bu değişimin çevresel etkileri
belirlenmiştir. Geçmiş 30 yıldan günümüze, havzadaki bitkisel gelişimi etkileyen
değişen iklim koşullarında (yağış oranı, hava sıcaklığı ve nemdeki aylık, mevsimlik
ve yıllık farklılıklar), mevsimsel su rezervi değişimleri ve sulanan alanlar arasındaki
ilişkiler araştırılmıştır. Yüzey yansıtım ve Disturbance Index (DI) değişimlerini elde
etmek için; kullanılan tüm görüntülerde geometrik ve atmosferik düzeltmeler ileTasseled Cap (TC) dönüşümleri gerçekleştirilmiştir. Sonuç veri setleri, bitki örtüsü
gelişiminin zaman-mekânsal desenlerini karakterize etmek için lineer eğilim
analizinde kullanılmıştır. İklim ve arazi örtüsü/kullanımı ile tespit edilen ekolojik
birimlerde analizler gerçekleştirilmiştir.
İklim, zamansal ve mekânsal ölçekte sürekli değişkenlik gösteren dinamik bir yapıya
sahiptir. İklim elemanları içerisinde zamana ve mekâna bağlı olarak en fazla
değişkenlik gösteren parametre yağış miktarıdır. Sel, kuraklık, fırtına ve sert rüzgârlar
gibi ekstrem çevresel olaylar, toplum için ciddi sonuçlar doğurabilmektedir. Ekstrem
hava ve iklim olaylarındaki değişiklikler önemli etkilere sahip olup bu değişiklikler ile
başa çıkma toplumun en ciddi sorunları arasındadır. Ekstrem iklim olayları sonucu
oluşan zarar tüm dünyada artmaktadır. Avrupa Çevre Ajansı (EEA), "Avrupa 2012
İklim Değişikliği, Etkileri ve Hasar Görebilirlik" raporunda; 1980'lerde 9 milyar €
olan maddi hasarın, 2000'lerde 13 milyar €'ya arttığını belirtmiştir. Amerika Birleşik
Devletleri Ulusal Okyanus ve Atmosfer İdaresi (NOAA), sadece 2011 – 2012 yılları
arasında aşırı hava olaylarının 188 milyar$ hasara neden olduğunu bildirmiştir.
Hidrometeorolojik ekstrem olayların ve zaman içerisindeki değişimlerinin anlaşılması
ve tanımlanması, tarım ve sosyo-ekonomik kalkınmanın sürdürülebilirliği açısından
önemlidir. Acil hava olayları planlaması, tarımsal ve havza yönetimi ve sigorta risk
hesaplamalarının hepsi bu ekstrem olayların frekans bilgisinin doğruluğuna bağlıdır.
Hidrolojik risk analizi ve tasarımında ekstrem yağışın belirlenmesi önemli bir
sorundur. Erozyon ve hidroklimatik ekstrem olaylar ile verimli toprak tabakasının
ortadan kalkması özellikle Akdeniz iklim kuşağında bulunan yarı-kurak ve kurak
bölgelerde ciddi bir sorundur. Noktasal frekans analizi uzun dönemli kayıtlar
gerektirmektedir. Türkiye'de uzun gözlem süreli yağış ölçekleri oldukça az olmakla
birlikte bunların çoğunun da yazıcısı bulunmamaktadır. Ayrıca pek çok yazıcı ölçekli
istasyonlarda kaydedilen yağışların güvenilirliğinden şüphe edilmekte ve önemli
ekstrem veriler kaydedilememektedir. Meteorolojik istasyonlardan sağlanan yağış
verileri her ne kadar hidrolojik modellerin doğruluğunu arttırsa da mekânsal olarak
kapsama alanları sınırlıdır. Uzaktan algılama teknikleri, hem mekânsal hem de
zamansal olarak yağış olaylarının sürekli gözlemlenmesine olanak sağlamaktadır.
Çalışmanın son bölümünde, uydu yağış veri seti olarak Tropik Yağmur Ölçüm
Misyonu (TRMM)-3B42 verisi, Güneydoğu Anadolu Bölgesi'ndeki yağış
değişkenliğini karakterize etmek ve tarım ve hidrolojik uygulamalar için uydu yağış
tahminlerinin değerlendirilmesi amacıyla günlük yersel yağış verileri ile
doğrulanmıştır. TRMM uydusundan 1998 - 2012 yılları arasında elde edilen noktasal
yağış verileri ile 7 adet yersel meteorolojik istasyondan elde edilen yağış verileri
kullanılmıştır. Zaman-mekânsal desenler, yağış zaman serilerine uygun çeşitli dağılım
fonksiyonlarının istatistiksel analizleri ile tanımlanmıştır. Dağılım fonksiyonlarının
uygunluğu özellikle şekil parametresinin davranışına göre incelenmiştir. Ayrıca,
çalışma alanı üzerindeki yağış olaylarına ait mekânsal desenler ve korelasyonlar; 90.,
95. ve 99. yüzde birlik hesaplamaları ile analiz edilmiştir. Bölgesel frekans ilişkileri
ile farklı yıllar için geri dönüş periyotları, seçilen en uygun dağılım ile oluşturulmuş
olup, çalışma bölgesindeki mekânsal değişkenlik tanımlanmıştır. Piksel tabanlı
noktasal frekans analizleri ile belirlenen bölgelerdeki mekânsal değerlendirmeler
yapılmış ve uygun dağılım fonksiyon parametrelerine ait tematik haritalar
oluşturulmuştur.

Abstract:
Wheat is one of the most over-production of agricultural products around the world
and in our country, about 9.5 million hectares of land is planted, 20 million tons of
product is obtained varies from year to year. Monitoring the potential impacts of
recommended product pattern for different planting regions, levels of adaptation to the
ecological conditions of the area and changing climate conditions as drought or
excessive rainfall etc. on plant growth is possible with remote sensing techniques and
GIS. In this study, first of all the plant characteristics and the product features of
different stations were investigated by using ground stations and with the help of SPOT
5 satellite images acquired within the periods of phenological development of the
plant. Accordingly, the ecological conditions causing variations in plant development
and the adaptation differences of the products were identified. In addition,
transpiration from plants and evaporation from the underlying soil is an important
factor in water resources and hydrological studies, for estimating irrigation water
requirements when planning irrigation systems, especially in arid and semi-arid
conditions of South-Eastern Anatolia region. One of the aim of the study is to designate
the water requirement for wheat fields cultivated on different soil types by estimating
the actual crop evapotranspiration of wheat crop by using Remote Sensing techniques
and Geographical Information Systems. SPOT 5 images acquired on growing season
were used to determine the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI),
Modified Soil Adjusted Vegetation Index (MSAVI) and to generate the crop
coefficients for each month of wheat crop season.
As a rapidly developing country Turkey, needs sufficient amount of irrigated
agricultural products for growing population; cheap, continuous and high quality
renewable energy for the industry; qualified water for domestic uses especially for the
regions that are having low level of life standards with respect to the national average
standards. The Atatürk Dam is the fourth largest clay-cored rock fill dam in the world,
which plays an important role in the development of Turkey's energy and agriculture
sector. It was constructed on the Euphrates River located in semi-arid Southeastern
Turkey in the 1980s as the central component of a large-scale regional development
project for the Southeastern Anatolia region (GAP). Determination of the impacts of
the Atatürk Dam on agro-meteorological aspects to the Southeastern Anatolia region
is yet another investigation in terms of spatial and temporal variations. Change
detection and environmental impacts due to water-reserve changes in Atatürk Dam
Lake have been determined and evaluated using multi temporal Landsat satellite
imageries and meteorological datasets within a period of 1984 to 2011. The
relationships between seasonal water reserve changes and irrigated plains under
changing climatic factors primarily driving vegetation activity (monthly, seasonal, and
annual fluctuations of rainfall rate, air temperature, humidity) on the watershed have
been investigated from the previous ~30 years to present conditions. For all images,geometric and atmospheric corrections and Tasseled Cap transformations were carried
out to attain changes in surface reflectance and denoting disturbance of Landsat
reflectance data. The resulting dataset was used in a linear trend analysis to
characterize spatiotemporal patterns of vegetation-cover development. Analysis has
been conducted in ecological units that have been determined by climate and land
cover/use.
Climate has a dynamic structure denoting perpetual variability in temporal and spatial
scales. Depending on space and time, rainfall amount has the most variation in the
components of the climate system. Extreme environmental events, such as floods,
droughts, rainstorms, and strong winds have severe consequences for human society.
Changes in extreme weather and climate events have significant impacts and are
among the most serious challenges to society in coping with a changing climate. The
cost of damage caused by extreme climate events is rising all over the world. The
European Environment Agency (EEA) report ("Climate Change, Impacts and
Vulnerabilities in Europe 2012") stated that the cost of damage had increased from €
9 billion in the 1980s to €13 billions in the 2000s. In the United States, the National
Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) reported that $188 billion in
damage was caused by the severe weather events in 2011 and 2012. Understanding
and identifying hydrometeorologic extreme events and their changes through time are
key in sustaining agriculture and socio-economic development. Planning for weatherrelated
emergencies, agricultural and reservoir management and insurance risk
calculations, all rely on knowledge of the frequency of these extreme events. The
assessment of extreme precipitation is an important problem in hydrologic risk
analysis and design. Erosion and removal of the fertile soil layer through hydro
climatic extreme events is also a serious problem in semi-arid to arid regions,
especially in Mediterranean climates. Accurate measurements of precipitation on a
variety of space and time scales are important to climate scientists and decision
makers, including hydrologists, agriculturalists and emergency managers. The
historical record of precipitation observations is limited mostly to land areas where
rain gauges can be deployed, and measurements from those instruments are sparse over
large and meteorologically important regions of the Turkey, such as over the
Southeastern Anatolia Region. While rain gauge measurements are often used to tune
hydrologic models, they are limited by their spatial coverage. Remote sensing
techniques using space borne sensors provide an excellent complement to continuous
monitoring of rain events both spatially and temporally. In the last part of the study,
the Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) satellite rainfall dataset has been
validated with daily rain gauge measurements in order to characterize rainfall
variability and to evaluate satellite rain estimates for agricultural and hydrological
applications in the Southeastern Anatolia region. The precipitation retrievals from the
TRMM satellite were compared with data from seven surface rain gauges within the
period of 1998 - 2012. Spatiotemporal patterns through statistical analyses were
identified by fitting various distribution functions to the rainfall time series, and the
fitting results were analyzed focusing on the behavior of the shape parameter. Spatial
patterns and correlations of rainfall events across the study area were also analyzed by
the calculation of the 90th, 95th and 99th percentiles. Regional frequency relationship
and the recurrence intervals for different years were constituted using the chosen the
most appropriate distribution and the spatial variability in the study region has been
described. Thematic maps of the appropriate distribution function parameters were
produced by performing the spatial evaluations of the designated regions with pixelbased
point frequency analysis.