Oyun motoru ve coğrafi bilgi sistemleri kullanılarak taşkın simülasyonunun geliştirilmesi
Development of flood simulation using game engine and geographic information systems
Yazar: ABDULKADİR ÖZTÜRK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHAMMED ENES ATİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / İzmir Uluslararası Biyotıp ve Genom Enstitüsü / Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı / Coğrafi Bilgi Teknolojileri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Coğrafya = Geography ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Taşkınlar, dünya genelinde en yaygın ve yıkıcı doğal afetlerden biridir ve can kaybı, mal kaybı ve çevresel hasarlara neden olabilir. Özellikle yoğun yerleşim alanlarında meydana gelen taşkınlar, toplumlar üzerinde büyük ekonomik ve sosyal etkilere yol açmaktadır. Günümüzde taşkınların tehlikelerini minimize etmek ve olası hasarları önceden tahmin edebilmek için çeşitli teknolojik ve bilimsel araçlar kullanılmaktadır. Hidrolojik modeller ve iki boyutlu taşkın simülasyonları gibi gelişmiş ve yüksek doğruluğa sahip araçlar, taşkın risk analizi ve planlamasında önemli roller oynamaktadır. Bu yöntemler, taşkın bölgelerini haritalandırmak ve olası su seviyelerini tahmin etmek için kullanılmaktadır. Böylece taşkın risklerinin daha doğru bir şekilde belirlenmesine ve etkili önlem stratejilerinin geliştirilmesine katkı sağlanmaktadır.
Bu çalışmanın amacı, gelişmiş oyun motorları ve Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) kullanarak taşkın simülasyonlarının üretilmesini sağlamaktır. Bunu gerçekleştirmek için, AHS (Analitik Hiyerarşi Süreci) gibi yaygın kullanılan bir coğrafi istatistik aracı ve SWAT (Soil and Water Assessment Tool) gibi gelişmiş bir hidrolik modelleme aracı kullanılarak, taşkın olabilecek bölgeleri ve bu bölgelerdeki su miktarını belirlemek hedeflenmiştir. Bu araçlar kullanılarak yapılacak analizler sonucu elde edilen veriler, LudicDrive tarafından yazılan "Landscaping" eklentisi kullanılarak Unreal Engine'e aktarılacaktır. Ardından, Unreal Engine içindeki procedural generatorlar ve spline meshler kullanılarak şehrin üç boyutlu modeli oluşturulacaktır. Son olarak, Niagara eklentisi ile akışkan simülasyonu yapılacaktır. Bu yaklaşım, karar vericilere ve bölge sakinlerine daha net bilgiler sunarak, taşkınlara karşı daha etkili önlem stratejileri geliştirmelerine yardımcı olmayı amaçlamaktadır.
Çalışmada kullanılan veri setleri, çeşitli güvenilir kaynaklardan temin edilmiştir. SYM (Sayısal Yükseklik Modeli) bilgileri, ALOS PALSAR verilerinden elde edilmiştir. Meteorolojik veriler, 20 yıllık bir dönem için Türkiye Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü (MGM) tarafından sağlanmıştır. Arazi kullanımı verileri, ESRI'nin Sentinel 2 Land Cover haritasından alınmıştır. Toprak tipleri ise FAO'nun Harmonized World Soil Database'inden temin edilmiştir. Bu veri setleri, taşkın risk analizi ve simülasyonu için gerekli olan zengin ve detaylı bilgileri sağlamaktadır.
Çalışmanın kapsamı ve bölgesi, Kastamonu ilinin Bozkurt ilçesindeki Ezine Çayı havzasını kapsamaktadır. Prof. Dr. Ali Deniz ve çalışma arkadaşları tarafından hazırlanan raporda, Ağustos 2021'de Batı Karadeniz bölgesinde meydana gelen sel ve taşkın afeti detaylı bir şekilde incelenmiştir. Özellikle Kastamonu'nun Bozkurt ilçesinde önemli can ve mal kayıplarına yol açan bu afetin nedenleri, yağış kayıtları ve yerinde yapılan gözlemlerle değerlendirilmiştir. Meteorolojik analizler, bölgedeki ekstrem yağışların konvektif yapıda derinleşmiş bir sistem tarafından tetiklendiğini göstermiştir. Hidrolojik ve hidrolik analizler ise, selin şiddetini artıran topoğrafik eksiklikleri ortaya koymuştur. Yerleşim alanlarının taşkın koridoru içinde yer alması, zararın boyutunu artıran faktörler arasında yer almaktadır (Deniz, A. Vd., 2021). Bu sebepler, bu bölgenin taşkın risk analizi ve simülasyon çalışmaları için seçilmesinde etkili olmuştur.  Bölgenin detaylı analizi, AHS ve SWAT araçları kullanılarak yapılacak ve elde edilen veriler, Unreal Engine simülasyonunun gerçek dışında bir sonuç çıkarmasının önüne geçecektir. Oyun motorlarının böyle bir iş için uygunluğu değerlendirilecek ve potansiyeli belirtilecektir. Oyun motorundaki model ve kullanıcı arasında nasıl etkileşimler gerçekleştirilebileceği açıklanacaktır. Bunların karar verme mekanizmalarına faydalarından ve kamunun bilinçlendirmesinde sağlayacağı bileceği kolaylıklardan bahsedilecektir.

Abstract:
Floods are one of the most common and devastating natural disasters worldwide, causing loss of life, property damage, and environmental destruction. Particularly in densely populated areas, floods have significant economic and social impacts on communities. Today, various technological and scientific tools are employed to minimize the dangers of floods and predict potential damage in advance. Advanced and highly accurate tools such as hydrological models and two-dimensional flood simulations play crucial roles in flood risk analysis and planning. These methods are used to map flood-prone areas and predict possible water levels, thereby allowing for more accurate determination of flood risks and the development of effective mitigation strategies.
The primary objective of this study is to make flood risk analysis more visual and interactive. To achieve this, commonly used geostatistical tools like the Analytical Hierarchy Process (AHP) and advanced hydrological modeling tools like the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) were utilized to identify potential flood zones and estimate the water volume in these areas. The data obtained from these analyses were then transferred to Unreal Engine using the "Landscaping" plugin developed by LudicDrive. Subsequently, the three-dimensional model of the city was created using procedural generators and spline meshes within Unreal Engine. Finally, fluid simulation was conducted using the Niagara plugin. This approach aims to provide decision-makers and local residents with clearer information, helping them develop more effective flood prevention strategies.
The datasets used in this study were sourced from various reliable providers. Digital Elevation Model (DEM) data were obtained from ALOS PALSAR. Meteorological data for a 20-year period were provided by the Turkish State Meteorological Service (MGM). Land use data were acquired from ESRI's Sentinel 2 Land Cover map. Soil types were sourced from FAO's Harmonized World Soil Database. These datasets offer rich and detailed information necessary for flood risk analysis and simulation.
The scope and region of the study encompass the Ezine River basin in Bozkurt district of Kastamonu province. In the report prepared by Prof. Dr. Ali Deniz and his colleagues, the flood and inundation disaster that occurred in the Western Black Sea region in August 2021 was examined in detail. The causes of this disaster, which led to significant loss of life and property, especially in the Bozkurt district of Kastamonu, were evaluated based on rainfall records and on-site observations. Meteorological analyses showed that the extreme rainfall in the region was triggered by a convective system that had deepened. Hydrological and hydraulic analyses revealed topographical deficiencies that increased the severity of the flood. The fact that settlement areas are located within the flood corridor is among the factors that increased the extent of the damage (Deniz, A. et al., 2021). These reasons were influential in selecting this region for flood risk analysis and simulation studies. The detailed analysis of the region will be conducted using AHP and SWAT tools, and the data obtained will prevent the Unreal Engine simulation from producing unrealistic results. The suitability of game engines for such a task will be evaluated, and their potential will be highlighted. It will be explained how interactions between the model in the game engine and the user can be facilitated. The benefits of these interactions for decision-making mechanisms and the ease they can provide in public awareness will be discussed.
The integration of game engine technology with Geographic Information Systems (GIS) offers significant advantages in flood simulation. The sandbox capabilities of game engines allow for dynamic alteration of model inputs and processes in real-time, providing a crucial advantage in testing different scenarios and observing system responses under varying conditions. Additionally, the SWAT model demonstrated the ability to process large volumes of climate and geographic data rapidly and accurately, ensuring reliable results for flood risk assessments. The AHP method facilitated quick and easy generation of geographically relevant insights, aiding in strategic decision-making processes.
Moreover, this model holds the potential for future integration with Virtual Reality (VR) and Augmented Reality (AR) technologies, enhancing the immersive and interactive experience of flood scenarios. The combination of these technologies with scientific analysis can significantly improve training and awareness, helping communities better prepare for natural disasters. The innovative use of game engines and GIS in this study showcases a novel and effective approach to flood risk management, providing valuable tools and methodologies for researchers and practitioners in the field.
This study's findings highlight the importance of using advanced technological tools for flood risk management. The integration of hydrological models, GIS, and game engines not only improves the accuracy and efficiency of flood simulations but also enhances the communication of risks to stakeholders. This is particularly important for densely populated and high-risk areas where effective risk communication can save lives and reduce economic losses.
This study contributes significantly to disaster management by enhancing flood risk analysis and preparedness through advanced technological integration. The use of game engines in combination with GIS enables the creation of highly interactive and dynamic flood simulations. These simulations allow for real-time adjustments and scenario testing, providing valuable insights into potential flood impacts and effective response strategies. By incorporating hydrological models like SWAT and decision-making tools like AHP, the model offers precise and rapid assessments of flood risks. Moreover, the potential integration with VR and AR technologies can revolutionize training and awareness programs, making them more immersive and effective. Overall, this approach provides disaster management professionals with powerful tools to better understand, communicate, and mitigate flood risks, ultimately leading to more resilient and prepared communities.
In conclusion, the integration of game engines and GIS technologies presents an innovative and effective approach to flood simulations and risk analyses. The findings of this study have the potential to offer new tools and methods for flood risk management to relevant institutions and researchers. Future studies should focus on further developing this approach and exploring its applicability to different types of natural disasters. By leveraging the capabilities of modern technologies, we can improve our ability to predict, prepare for, and mitigate the impacts of floods, ultimately contributing to more resilient communities.