Arazi örtüsü - arazi kullanımı değişikliğinin yer yüzey sıcaklığına etkisinin landsat görüntüleri ve Google earth engine platformu kullanımıyla uzun vadeli izlenmesi
Investigation of the effect of land cover/ land use change on surface temperature using landsat satellite imagery assistance and Google earth engine platform
Yazar: ESRA ŞENGÜN
Danışman: DOÇ. DR. UĞUR ALGANCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Arazi örtüsü = Grand cover ; Landsat uyduları = Landsat satellite ; Yüzey sıcaklığı = Surface temperature

Özet:
Günümüzde hızlı şehirleşme ve artan nüfusun doğa üzerindeki olumsuz etkisi her geçen gün artmaktadır. İnsan eliyle tırmanışa geçen bu kentleşme dinamiğine küresel ısınma, iklim değişikliği gibi çevresel olaylar da eklenince insanların yoğun olarak yaşadığı şehir alanlarının bundan en çok etkilenen yerler arasında olması kaçınılmazdır. Artan nüfusun ihtiyaçlarının karşılanmasına yönelik üretilen çözümlerin başında kent alanlarının genişletilmesi, tarım alanlarının açılması gelmektedir. Kentsel alanların genişlemesine ters orantılı olarak ormanlık ve yeşil alanların azaldığı görülmektedir. Bu durumun doğal neticesi olarak arazi örtsü/kullanımında farklılıklar meydana gelmektedir ve tam bu kapsamda kentsel ısı adası ve yeryüzey sıcaklığı kavramları karşımıza çıkmaktadır. 
Kentsel ısı adası, şehir alanlarının etrafında bulunan kırsal alanlara göre daha sıcak olması, bu sıcaklık farkı ve yeryüzüne gelen radyasyon sebebiyle kendine has bir iklimsel farklılaştırma oluşturmasına denilmektedir. Yeryüzüne ulaşan enerjinin kentsel ve kırsal alanlarda yansıma özellikleri de farklılık göstermektedir. Kentsel alanlarda bulunan gerek beton ve asfalt yüzeylerin fazlalılığı gerekse yüksek binalar enerjinin büyük oranda tutulmasına neden olmaktadır. 
Dünyamızın enerji dengesini yöneten en önemli parametrelerden biri de yer yüzey sıcaklığıdır. Yeryüzü sıcaklığıyla ilgili bilgi çıkarımları uydu verilerinin termal bandlarından elde edilmektedir. Edinilen bu bilgilere göre sıcaklıkla alakalı farklı analizlerin belirlenmesiyle beraber o bölgeye ait zamansal değişim, hidroloji, iklimsel değişim, deniz bilimi vb. gibi pek çok farklı alanda kullanıldığı görülmektedir.   
Bu tezde, her yıl aldığı göçlerle hızla büyüyen, metropolitan ve Avrupa'nın en büyük şehri olan İstanbul ve Türkiye'nin en kalabalık 5 kentinden 3.sü olan İzmir İli çalışma bölgesi olarak seçilmiştir. Bu kentlerde değişen iklimin ve insan eliyle oluşan tahribatın izi olarak arazi kullanımı ve arazi  örtüsü üzerindeki kazanımlar ve kayıplar incelenip, uydu görüntüleri yardımıyla yüzey sıcaklıkları ile ilişkilendirilmiştir. Zaman içinde meydana gelen değişiklikleri daha net görebilmek için bu iki kente ait yaklaşık on yıllık periyotlarda alınan Landsat 5 TM, Landsat 7 Enhanced Thematic Mapper (ETM+) ve Landsat 8 OLI/TIRS uydularına ait görüntüler kullanılır.
Bu çalışmada küçük hacimli verilerin yanında büyük hacimlilerin de işlenmesinde kolaylık sağlaması, zamandan tasarruf ettirme özelliklerinden dolayı bulut tabanlı çevrimiçi platform Google Earth Engine kullanılmıştır. Landsat ailesinin Level 2 Collection 2 verileri kullanıldığı için görüntü önişleme basamaklarına gerek duyulmadan uydu görüntüleri için havanın açık, bulutluluk oranının %5'in altında olduğu görüntüler seçilip, sınıflandırılmaları yapılmıştır. Sınıflandırma sonrası yapılan doğruluk analizleri seçilen iki kente göre de Rastgele Orman Algoritmasının, En Kısa Mesafe Algoritmasına göre daha doğru sınıflandırma yaptığını göstermiştir. 
Sonuç olarak yüzey sıcaklığı haritaları üretildikten sonra arazi örtüsü/arazi kullanımı haritalarıyla kıyaslanarak yorumlanmıştır. Şehirleşmenin artmasıyla asfalt ve beton yüzeylerin kırsal veya ormanlık alanlara nispeten fazla yer kaplayan yerlerin sıcaklığının daha fazla olduğu, incelenen zaman periyotlarından günümüze kadar olan süreçte kent alanlarının artmakta olduğu görülmüştür. Sürdürülebilir ve sağlıklı bir atmosferde yaşanabilmesi için kentsel ısı adası etkisini minimize etmenin gerekliliği görülmüştür. Bunun için yer yüzey sıcaklıklarının hesaplanmasının önemi vurgulanmıştır. Elde sonuçlar incelenedikten sonra otorilerce alınması gereken önlemlerin başında tutarsız kentleşme hızının kontrol altına alınması ve ormanlık-yeşil alanların tarım alanlarına çevrilmesinin sınırlandırma gerektiği salık verilmiştir.

Abstract:
Global and local population growth and the rapid increase in urbanization accordingly affect nature negatively. In addition, meeting the needs of the increasing population is getting harder day by day in terms of economic development. For the solution of this problem, which has increased in parallel with the population growth, the authorities show agricultural development and urbanization. In addition to solving problems, this proposal also has many harmful effects. Since more people mean more job needs, creating employment in agriculture in the city is a solution that destroys nature in every way, and the most affected area is of course our natural areas. The forests that are cut down and replaced by fields in order to provide employment in the field of agriculture are among the factors that will be most affected by this situation and will affect the future in the most dangerous way. In this thesis, Istanbul, the most populous metropolitan city of Turkey, and Izmir, which ranks 3rd among the big cities of our country, were chosen in order to better monitor the traces of the effects of urbanization. As one of the oldest cities in the world, Istanbul continues to develop and grow without interruption, unfortunately it still continues to receive immigration and consume its resources. İzmir Province, which is another study area, is becoming a center of attraction in terms of immigration due to its location, natural beauties, and being a busy commercial center as well as being a city of faith. Unlike the city of Istanbul, the fact that this city is located in the west of the country explains why the climate is pushed into the inner parts, as a result of this, it is crowded in terms of settlement and why it was chosen for the study.
In this thesis, a period covering the last 20 years from the present to the past, 2001, 2011, and 2020 for the province of Istanbul, 2000, 2009, and 2020 for the province of Izmir, has been examined. It can be listed as Landsat 8 OLI/TIRS, Landsat 7 Enhanced Thematic Mapper (ETM+), and Landsat 5 TM because it provides historical data thanks to its large archive and allows working with thermal bands. Since these datasets are generated from the above-mentioned sensors, they already include image preprocessing steps such as atmospheric correction and orthoretrification. surface temperature and surface reflection values are produced by the mentioned sensors and presented to the user. Using Level 2 Collection 2 saves the user the hassle of doing the preprocessing steps.
After the data sets to be used were prepared, a classification scheme was drawn up inspired by CORINE Level-1 standards to produce Land Cover / Land Use maps. These can be grouped into 5 categories: Forest and Semi-Natural Areas, Wetlands, Urban Areas, Barren Areas, and Agricultural Areas. There are such natural grasslands, shrubs, moor areas, and vegetation within the scope of Forestry and Semi-Natural Areas. Streams, swamps, natural lakes or dam lakes, and water bodies formed in mining areas are classified under the Wetlands class. In the city class, roads, industrial and commercial man-made centers, airports, sports, and entertainment centers are included. Bare rocks, beaches, sands, mining sites, and places with little or no vegetation are included in the category of Bare Land. Agricultural Land class is classified to include arable land, permanent crops, pastures, and agro-forestry areas.
After class definitions are made, Random Forest and The Minimum Distance classification algorithms are selected from supervised classification types for this thesis and applied on the Google Earth Engine online platform. 
First of all, training and test samples are collected for each class of the 2 study areas. With these selected examples, while the number of decision trees for the random forest algorithm is 100, the measurement metric chosen for the Minimum Distance algorithm is Mahalonbis. It was decided to choose Mahalanobis because of the low accuracy analysis in all results of the metrics except Mahalanobis applied for Minimum Distance. However, when Random Forest and Minimum Distance are compared for all images and all years, it is seen that the Random Forest algorithm gives more accurate results. Therefore, the Random forest algorithm is preferred for the accuracy evaluation part.
In order to observe the effect of Urban Heat Islands, some indexes such as urban thermal field variance index (UTFVI), normalized difference vegetation index (NDVI), normalized difference built-up index NDBI are needed. Within the scope of this thesis, UTFVI produced using the above indices land surface temperature and land surface temperature is applied. 
UTFVI values can be analyzed in 6 sections. These are fields below 0 that UTFVI does not affect at all. The best example of this section is wetlands. It is seen that it is poorly between 0 and 0.005, moderate between 0.005-0.01, highly between 0.01-0.015, very highly between 0.015-0.02, and finally extremely above 0.02.
When the LC/LU maps obtained as a result of classification and UTFVI maps are compared, it is seen that the temperature values in urban areas are higher than in rural areas.
In this study, which covers the last 20 years, the most distinguishing point is when the transformation between classes and changing areas are examined, it is seen that the surface area of urban areas has increased, and as a result, forest and green areas have decreased. As a natural result of the forest and semi-natural areas being replaced by barren areas and urban lands, it leads to an increase in urban heat islands.
When the produced UTFVI maps are examined, maps have been produced based on the fact that the UTFVI value has increased continuously since the 2000s and UTFVI only affects urban areas in order to better interpret these maps. The inference obtained from these maps, which allows the result to be seen more clearly, should be shown as leaving the forest, green areas, and semi-natural areas to barren areas, agricultural areas, and artificial environments.
 When the maps made are examined, when the accuracy analyzes are calculated, when the destruction of forested and semi-natural areas is looked at, it is seen that humanity has waged a war against nature to create a place for itself. Although the study shows the heat islands in two big cities, it is not difficult to understand that its results will affect all humanity when considered on a large scale. It is suggested that these and similar studies should be taken into consideration for the necessary climate policies after being examined by the necessary authorities. The negative impact of the rapid increase in urbanization on human health should be considered and policies should be produced to prevent concretization. Although classification and analysis are made in 2 cities within the scope of this thesis, it is not difficult to make an inference from the specific to the general. For this, the measures to be taken should be increased first locally and then globally, and the damages caused during urbanization should be compensated.