Geri Dön

Improving the performance of remote sensing-based water budget components across mid- and small- scale basins

Küçük ve orta ölçekli havzalarda uzaktan algılama tabanlı su bütçesi değişkenlerinin iyileştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 732703
  2. Yazar: GÖKHAN KAYAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ESRA ERTEN, PROF. DR. UMUT TÜRKER
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Jeodezi ve Fotogrametri, Geodesy and Photogrammetry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 111

Özet

Su, tüm canlıların yaşamlarını idame ettirebilmeleri için gerekli en önemli doğal kaynaktır. Son yıllarda, artan kentleşme ve küresel iklim değişikliğine bağlı karbon salımındaki artış gibi etkenler birçok global ölçekteki havzanın iklimlerinde değişikliklere neden olmaktadır. İklim değişikliği ise ekstrem hava olaylarının (sel, kuraklık), su kıtlığının ve su kirliliğinin görülme sıklığını artırarak havzalar üzerinde büyük bir tehdit olmaya başlamıştır. Bunun yanında aşırı yeraltı suyu çekimi nedeniyle birçok akifer tuzlanma nedeniyle kullanılamaz hale gelmiştir. Bu sebepler göz önünde bulundurulduğunda havza su bütçesi bileşenlerinin miktarını tahmin etmek, su kaynakları planlaması, sel ve kuraklık tahmini, atık su arıtma ve enerji temini için oldukça çok önemlidir. Su bütçesi bileşenleri, temel olarak, yağış (P), evapotranspirasyon (ET), akış (Q) ve karasal su depolamasındaki değişikliktir (ΔS). Yersel gözlem istasyonları su bütçesi bileşenlerini izlemenin en doğru yöntemi olarak kabul edilmiştir. Bununla birlikte, gözlem istasyonlarının yüksek yapım ve bakım maliyetleri nedeniyle dünyanın birçok yerinde, özellikle gelişmekte olan ülkelerde, çok az hatta hiç gözlem istasyonu bulunmamaktadır. Öte yandan, su bütçesinin ET gibi bazı bileşenleri, bölgenin iklim koşullarını doğru bir şekilde tahmin etmek için, yoğun ölçü ağlarına ihtiyaç duymaktadır. Bitki örtüsü heterojenliği ET'yi doğrudan etkilediğinden, seyrek noktalardaki ölçüler büyük havzaların gerçek ET değerlerini yansıtamaz. Son zamanlarda, su bütçesi çalışmaları gelişmiş uydu uzaktan algılama teknikleri ile yeni bir döneme girmiştir. Çeşitli uydu ürünleri kullanılarak Dünya üzerindeki uzak ve hatta erişilemeyen yerleri düzenli olarak izlemek artık mümkündür. Uydu gözlemlerinin güvenilirliği henüz yersel ölçümler kadar iyi olmasa da, uydu uzaktan algılama tekniği yersel istasyonlara göre daha az maliyetlidir ve politik durumlardan etkilenmeden dünyanın her yerinden veri toplayabilir. Uydu uzaktan algılama tekniği, neredeyse tüm dünya için yüksek zamansal ve mekansal çözünürlüğe sahip veriler sağlamaktadır. GRACE misyonunun başlatılmasından sonra, özellikle gelişmekte olan bölgelerde, uzaktan algılama tabanlı su bütçesi çalışmaları önemli ölçüde artmıştır. GRACE misyonu, 2002'den beri yüksek hassasiyetle aylık ΔS verileri sunmaktadır. GRACE misyonunda önce, P ve ET için birkaç uzaktan algılama ürünü halihazırda bulunmaktaydı (P için TRMM ve PERSIANN ve ET için MODIS). Günümüzde uydu uzaktan algılama ile sadece Q ölçülememektedir; ancak Surface Water and Ocean Topography (SWOT) misyonu, Kasım 2022'den itibaren büyük ölçekli havzaların Q verilerini sağlayarak bu talebi yerine getirecektir. Uzaktan algılama ürünleri, küresel ölçekte yüksek zamansal ve mekansal çözünürlüklü görüntüler sağlasa da, uydu verilerindeki belirsizlik hala önemli bir sorundur. Bu çalışmanın temel amacı, orta ve küçük ölçekli havzalarda uzaktan algılama tabanlı su bütçesi tahminlerini iyileştirmek için iki farklı yaklaşımı kullanmaktır. Birinci yaklaşım Sakarya havzasına uygulanmıştır ve bu yaklaşımda üç temel adım izlenmiştir. İlk olarak hidrolojik veri ürünlerinin belirsizlikleri değerlendirilmiştir. P verilerinin belirsizliklerinin hesaplanmasında yersel istasyon ölçüleri referans olarak kullanılırken, ET için yersel ölçü verileri bulunmadığından ET verilerinin belirsizliklerinin hesaplanmasında generalized three-cornered hat (GTCH) metodu kullanılmıştır. GTCH metodu, herhangi bir ön bilgi gerektirmeden çeşitli hidrometeorolojik veri ürünlerinin göreceli belirsizliğini tahmin etmede oldukça başarılı bir yöntemdir. ΔS için belirsizlik değerleri veri sağlayıcısından (Jet Propulsion Laboratory) temin edilmiştir. Q belirsizliği için herhangi bir ön bilgi bulunmamaktadır. Dolayısıyla büyük (42.8%) ve küçük (6.2%) belirsizlik değerlerinin sonuçlara etkisini anlamak için iki farklı belirsizlik değeri kullanılmıştır. Hidrolojik verilerin belirsizliklerinin değerlendirilmesinden sonra hata varyansları doğrultusunda dört P ve altı ET ürünü birleştirilmiştir. Son adımda ise Constrained Kalman Filter (CKF) yöntemi ile artık hataları su bütçesi bileşenleri arasında göreceli belirsizliklerine dağıtılmıştır. Sonuçlar, birleştirme işleminden önce bias düzeltmesi uygulanmasının, PERSIANN hariç, P ürünlerinin tahminlerini iyileştirdiğini (düşen RMSE ile) göstermiştir. Ortalama birleştirme ağırlıkları açısından VIC ve bias düzeltmeli CMORPH ürünleri sırasıyla diğer ET ve bias düzeltmeli P ürünlerinden daha iyi performans ortaya koymuştur. Sonuçlar ΔS 'nin kapanmama hatalarının birincil nedeni olduğunu göstermiştir. Bu durum iki nedene bağlanabilir. Birincisi, Sakarya havzası, GRACE'in basitçe çözemeyeceği nispeten küçük bir havzadır. İkincisi, P, ET ve Q çoğunlukla yüzey suyu dinamiklerini yansıtırken, ΔS ise hem yüzey suyu hem de yeraltı suyu dinamiklerini yansıtmaktadır. Bilinmektedir ki, yüzey suyu ve yeraltı suyunun mekanizması birbirinden oldukça farklıdır. Yüzey suyundaki değişimler, yeraltı suyu değişimlere göre oldukça hızlıdır. CKF sonuçlarının, Q belirsizliklerindeki değişikliklere karşı duyarsız olduğu gözlemlenmiştir. Yapılan ileri değerlendirmelerde CKF'den türetilen P, en yüksek CC ve en düşük RMSD değerlerine (referans veriye göre) sahip olduğundan en iyi P çıktısı olarak kabul edilebilir. İkinci yaklaşımda ise uzaktan algılama ürünlerinin belirsizliklerinden kaynaklanan su bütçesi denklemindeki yıllık hata, her bir su bütçesi bileşenine uygulanan bulanık düzeltme katsayıları ile minimize edilmiştir. İkinci yaklaşım Sakarya ve Kıbrıs havzalarına uygulanmıştır. Bu yaklaşımda on dört farklı alt modele sahip üç farklı bulanık doğrusal regresyon modeli kullanılmıştır. Kıbrıs'ın Sakarya havzasına kıyasla hem daha küçük olmasından hem de ada ülkesi olduğu için denizden kaynaklı sızma hatasına sahip olmasından dolayı, Kıbrıs havzası için alt modellerin performansı daha düşük çıkmıştır. Sakarya havzasında Zeng ve Hojati alt modelleri Tanaka alt modellerinden daha iyi performans gösterirken, Kıbrıs havzasında Zeng Case-I, Zeng Case-II ve Hojati (h=0,9) alt modelleri en iyi performansı göstermiştir. En iyi bulanık alt modeller, Sakarya ve Kıbrıs havzalarında bulanık olmayan modele göre ortalama mutlak hata açısından hatayı sırasıyla 67% ve 52%'ye kadar azaltmıştır. Daha sonraki değerlendirmeler ise, her iki havzadaki en iyi alt model P'nin yersel gözlemlerin zaman serisini iyi yakaladığını göstermiştir. Ayrıca, her iki havzada da bulanık P'nin RMSE, Kling-Gupta efficiency (KGE) ve yüzde sapma (PBIAS) açısından yersel istasyon gözlemleriyle en iyi tutarlılığa sahip olduğu gözlemlenmiştir. Sonuçlar, bulanık mantık yaklaşımının hidrolojik uzaktan algılama ürünlerine uygulanmasıyla, yersel istasyon ölçüsü yapılmayan havzalarda su bütçesi analizine ilişkin değerli bilgiler sağlayacağını göstermiştir. Genel olarak, bulanık ve CKF'den türetilen yıllık P, ET ve Q değerlerinin benzer zaman serilerine sahip olduğu gözlemlenmiştir. CC, RMSE ve sapma açısından, bulanık çıktılar ile CKF çıktıları arasındaki en yakın ilişki Q için gözlemlenirken en uzak ilişki ise ΔS için gözlemlenmiştir. Bu durum bulanık yaklaşımda sıfırlanmayan artık hataların bulanık ΔS 'den kaynaklandığını işaret etmektedir.

Özet (Çeviri)

In the last few decades, many global basins have been threatened by rapid urban growth and global warming, resulting in changes in their climate regime. Climate change has increased the incidence of extreme weather events, uncertain water availability, water scarcity, and water pollution. Remote sensing (RS) has emerged as a powerful technique that provides estimations with high spatiotemporal resolution and broad spatial coverage. In recent years, the efficacy of RS products for water budget (WB) analysis has been widely tested and implemented in global and regional basins. Although RS products provide high temporal and spatial resolution images with a near-global coverage, uncertainty is still a significant problem. The main goal of this study is to utilize two different approaches to minimize the uncertainty of the products and to improve RS-based WB estimations in mid- and small- scale basins. The first approach aims to improve the efficacy of water WB estimations from various hydrological data products in the Sakarya basin by; (1) Evaluating the uncertainties of hydrological data products, (2) Merging four precipitation (P) and six evapotranspiration (ET) products using the error variances, and (3) Employing the Constrained Kalman Filter (CKF) method to distribute residual errors (r) among WB components based on their relative uncertainties. The results showed that applying bias correction before the merging process improved estimations of P products with decreasing root mean square error (RMSE), except PERSIANN. VIC and bias-corrected CMORPH products outperformed other ET and bias-corrected P products, respectively, in terms of mean merging weights. The terrestrial water storage change (ΔS) is the primary reason for non-closure errors. This is mainly caused by the two facts. First, the Sakarya basin is a relatively small basin that GRACE can not simply resolve. Second, while P, ET, and Q mostly describe the surface water dynamics, ΔS includes both the surface water and ground water. It is well known that surface water and ground water have completely different dynamic behaviors. The change in surface water is much faster than the change in groundwater. The CKF results were insensitive to variations in uncertainties of runoff (Q). P derived from the CKF was the best output, with the highest correlation coefficient (CC) and the smallest root mean square deviation (RMSD). In the second approach, the annual r in the WB equation arising from the uncertainties of the RS products was minimized by applying fuzzy correction coefficients to each WB component. For analysis, three different fuzzy linear regression (FLR) models with fourteen different sub-models were used in the two basins having different spatial characteristics, namely Sakarya and Cyprus basins. The performance of sub-models is better in the Sakarya basin than that in the Cyprus basin, which has a higher leakage error due to across ocean/land boundary. Moreover, the Cyprus basin is too small for some low-resolution RS-based products to resolve. The Zeng and Hojati sub-models outperformed Tanaka sub-models in the Sakarya basin, whereas Zeng Case-I, Zeng Case-II, and Hojati (degree of fitting index (h) =0.9) sub-models showed the best performance in the Cyprus basin. The best fuzzy sub-models reduced the error up to 68% and 52% in terms of mean absolute error compared to non-fuzzy model in the Sakarya and Cyprus basins, respectively. Further evaluations showed that the best sub-model P well captured the temporal patterns of gauge observations in both basins. Moreover, they have the best consistency with gauge observations in terms of RMSE, Kling-Gupta efficiency (KGE), and percent bias (PBIAS) in the both basins. The results proved that the second approach will provide valuable insights into WB analysis in ungauged basins by incorporating the fuzzy logic approach into hydrological RS products. In general, the FLR and CKF derived P, ET, and Q showed similar seasonal variation with peak and bottom values appeared in nearly the same years. In terms of CC, RMSE, and bias, fuzzy outputs show closest agreement with CKF outputs for Q, with slightly less agreement for P and ET, and much less agreement for ΔS. It can be concluded that the majority of the errors in the second approach are caused by fuzzy ΔS.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    472827

    Development of polymer based fibers with photovoltaic effect

    Fotovoltaik etki oluşturan polimerik liflerin geliştirilmesi

    KÜBRA İLGEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ DEMİR

  2. Tez No

    687368

    Sulama yönetiminin iyileştirilmesi için uzaktan algılama yaklaşımı ile sulama projelerinin performansının değerlendirilmesi, Burkina Faso, Kou Vadisi örneği

    Assessing irrigation scheme performance using remote sensing for improving water management in Burkina Faso

    ALIDOU SAWADOGO

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    ZiraatBursa Uludağ Üniversitesi

    Biyosistem Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KEMAL SULHİ GÜNDOĞDU

  3. Tez No

    519553

    UHF (aşırı yüksek frekans) bandında yere nüfuz eden radar uygulamaları için geniş bantlı anten tasarımı

    Design of broadband antennas in UHF (ultra-high frequency) band for gpr (ground penetrating radar) applications

    HAKAN ŞENGÜL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BİRSEN SAKA TANATAR

  4. Tez No

    887285

    Uzaktan algılama ve derin öğrenme yöntemleri ile İstanbul'un yerel iklim alanları ve yer yüzeyi sıcaklığı değişimleri arasındaki ilişkinin incelenmesi

    Investigation of the relationship between local climate zones and land surface temperature changes in İstanbul using remote sensing and deep learning methods

    MELİKE NİCANCI SİNANOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞİNASİ KAYA

  5. Tez No

    389393

    Spektral indekslerin arazi örtüsü/kullanımı sınıflandırmasına etkisi: İstanbul, Beylikdüzü ilçesi, arazi kullanımı değişimi

    Effect of spectral indices over land use/cover classification: İstanbul, Beylikduzu district, land use change

    ÖZGE KAYMAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞE FİLİZ SUNAR

Geri Dön