Doğu Anadolu volkanlarının termal kızılötesi uydu görüntüleri ile uzun süreli termal aktivitesinin gözlenmesi
Monitoring of long-term thermal activity of Eastern Anatolian volcanoes with thermal infrared satellite images
Yazar: CANER DİKER
Danışman: YRD. DOÇ. DR. İNAN ULUSOY
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
MODIS (Orta Çözünürlüklü Görüntüleme Spektroradyometresi), TERRA ve AQUA uydu platformları üzerinde çalışan, orta çözünürlüklü görüntüleme cihazıdır. 36 bant ile Dünya üzerindeki karasal, denizel ve atmosferik olayları incelemektedir. Gün içinde Terra MODIS 2 kez, Aqua MODIS 2 kez olmak üzere toplam 4 uydu görüntüsü almaktadır. Bu görüntüler 1 km uzamsal çözünürlüğe sahiptir. MODIS yıl boyunca kesintisiz görüntü aldığından, uzun süreli analizler yapılabilmektedir.
Doğu Anadolu'da Holosen volkanlar olan Nemrut, Süphan, Tendürek ve Ağrı dağları için 12 yıllık yüzey sıcaklığı değerleri hesaplanmıştır. MODIS görüntülerinin analizini ve hesaplamaları geçekleştirmek amacıyla IDL (Interactive Data Language – Etkileşimli Veri Dili) dili ile bir kod üretilmiştir. MOVAP (Modis Volkan Analiz Programı) kodu ile 2001-2012 yılları arasında toplam 16.260 adet yüzey sıcaklığı görüntüsü incelenmiştir. Görüntülerin incelenebilmesi için yansıma değerlerini etkileyecek bulutluluk gibi etkenlerin göz önünde bulundurulması gereklidir. Bu nedenle gündüz ve gece görüntülerine bulut maskesi uygulanmış ve ham görüntülerden oluşan ilk veri seti oluşturulmuştur. Güneş, topoğrafya gibi etkenler de bu ilk veri setini etkileyen olgulardır. Bu etkenlerin de kaldırılması için gündüz görüntülerine kosinüs ve Minnaert düzeltmeleri, gece görüntülerine de 3 aşamalı normalizasyon yöntemi ile topoğrafik düzeltme uygulanmış ve ikinci veri seti oluşturulmuştur. Düzeltmeler ile görüntülerdeki güneş etkisi, topoğrafik etki gibi unsurlar en aza indirgenmeye çalışılmıştır.
İki veri setindeki her görüntü üzerinde incelenen her volkana ait iki adet ilgi alanı penceresi oluşturulmuş, bu alanlardaki maksimum, ortalama ve minimum yüzey sıcaklıkları hesaplanmıştır. Bu ilgi pencereleri iç içe, kare veya dikdörtgen şekilli alanlardır. İlgi alanının biri volkan konisinin tamamını içine alan "tüm volkan penceresini", diğeri ise krater, kaldera alanları ile sınırlandırılmış "zirve penceresini" ifade etmektedir. Hesaplanan sıcaklık değerleri üzerinde anomalileri tespit etmek amacıyla üç yöntem denenmiştir. Bu yöntemler; 1) Δ𝑇 değeri, 2) STA/LTA (Short Time Average/Long Time Average – Kısa Süre Ortalaması/Uzun Süre Ortalaması) algoritması ve 3) Δ𝑇 değerine uygulanmış STA/LTA algoritmasıdır.
Δ𝑇 değeri yönteminde görüntü üzerinde iki ilgi alanı arasındaki sıcaklık farkı (Δ𝑇=𝑇𝑧𝑖𝑟𝑣𝑒−𝑇𝑡ü𝑚 𝑣𝑜𝑙𝑘𝑎𝑛), düşük termal anomalilerinin tespit edilebilmesinde önemlidir. Δ𝑇 değerinin sıfır olması, zirvenin sıcaklığının hesaplanan en yüksek sıcaklık olduğu anlamına gelmektedir ve anomali olarak dikkate alınması gerekir. STA/LTA algoritmasının amacı yüzey sıcaklıklarını filtreleyerek anomali olarak değerlendirilebilecek değerleri ayıklamaktır. Bu işlemde anomaliler tanımlanan bir eşik değer ile belirlenir. Eşik değeri aşan her sıcaklık anomali olma potansiyeline sahiptir.
Üç yöntemin hesaplamaları sonucu eşik değeri aynı zaman aralığında geçen sıcaklık değerlerinin anomali olduğu düşünülmektedir. Bu şekilde 12 yıl boyunca ölçülen yüzey sıcaklık görüntülerinde toplam 67 anomali ölçülmüştür. Yöntem ve kod yardımı ile volkanlardaki uzun süreli termal aktivitenin tespiti ve takibi mümkündür. Geliştirilen yöntem ile volkanlardaki termal anomalileri her hangi bir maliyet olmaksızın gözlemlemek mümkündür.

Abstract:
MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) is an instrument operating on the TERRA and AQUA satellite platforms. It is monitoring land, ocean and atmospheric events on Earth surface with 36 spectral bands. Two by Terra MODIS and two by Aqua MODIS four thermal satellite images are acquired daily. These images have 1 km spatial resolution. MODIS receives images continuously throughout the year and hence, a long term analysis can be made. The land surface temperature values of the Holocene volcanoes of Eastern Anatolia (Nemrut, Suphan, Ağrı, Tendürek) are calculated for 12 years. A code is generated using the IDL (Interactive Data Language) to perform the analysis and calculations on MODIS images. 16,260 images of surface temperature were examined with MOVAP (Modis Volcano Analysis Program) code between the years 2001 and 2012. In order to examine the images, it is required to consider the factors such as cloudiness that affect the reflectance values. Therefore, we applied cloud mask to daytime and nighttime images and first dataset consisting of raw images was created. Factors such as sun and topography affect this dataset. To remove these factors, cosine and Minnaert corrections were applied to daytime images, and using 3-step normalization method, topographic correction was applied to nighttime images. These topographic corrected images forms the second dataset. Solar and topographic effects have been minimized with corrections.
Two region of interest (ROI) windows have been created on each of the volcanoes we studied. Maximum, mean and minimum surface temperature of ROIs are calculated. These two region of interest windows are nested square or rectangular areas. One of the region of interests refers to "total volcano window" which contains the entire volcanic cone, and the other refers to "summit window" bounded by the crater or caldera area. Three methods were tested to detect anomalies on the calculated temperature values. These method are 1) Δ𝑇 value, 2) STA / LTA (Short Term Average / Long Time Average) algorithm, and 3) the STA / LTA algorithm which is applied to the Δ𝑇 value. The Δ𝑇 value method calculates, the temperature difference (Δ𝑇=𝑇𝑠𝑢𝑚𝑚𝑖𝑡−𝑇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑐𝑎𝑛𝑜) between two ROI on the image. It is important for the detection of low thermal anomalies. The case where Δ𝑇 value is zero means the highest temperature is calculated in the summit area. Purpose of STA / LTA algorithm is to extract the appraised values as anomalies by filtering surface temperature. In this process, anomalies are determined by a predefined threshold. Each temperature exceeding the threshold value has the potential to be an anomaly. Coinciding anomalies detected by the three methods applied has a potantial to reflect the volcanic origined thermal anomalies. 67 anomalies were observed in the images of the calculated surface temperature for 12 year period. The long-term thermal detection and monitoring of volcanic activity is possible with the tested methods and MOVAP code. Using the developed method, it is possible to observe the volcanic origined thermal anomalies without any cost.