KIYI ÇİZGİSİ DEĞİŞİMİNİN İHA ve İHA-LİDAR VERİLERİ

ile ANALİZİ: TERKOS ÖRNEĞİ

H. Anıl Arı Güner1, Yalçın Yüksel1, Bülent Bayram2, Burak Akpınar2,

Nusret Demir3, Dursun Zafer Şeker4

1 Yıldız Teknik Ünivesitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Hidrolik Anabilim Dalı, İstanbul, Türkiye

,

2 Yıldız Teknik Ünivesitesi, Harita Mühendisliği Bölümü, Fotogrametri Anabilim Dalı, İstanbul, Türkiye

3 Akdeniz Üniversitesi, Uzay Bilimleri ve Teknolojileri Bölümü, Uzaktan

Algılama Anabilim Dalı, Antalya, Türkiye

4 İstanbul Teknik Üniversitesi, Geomatik Mühendisliği Bölümü, Jeodezi

ve Fotogrametri Anabilim Dalı, İstanbul, Türkiye

Özet Sürdürülebilir bir kıyı yönetimi için kıyı çizgisi değişimi ve katı madde taşınımı modellenmesinde, İnsansız Hava Aracı (İHA) görüntüleri ve insansız hava aracına takılı LİDAR (İHA-LİDAR) teknolojisinin içerildiği bütünleşik bir yaklaşım geliştirilmiştir. İstanbul-Terkos bölgesinde 5 km’lik kıyı şeridinde, İHA görüntülerinden ve İHA-LİDAR verilerinden yararlanılarak üç boyutlu (3B) otomatik kıyı çizgisi elde etmeye yönelik algoritma ve yazılımlar geliştirilmiş ve IHA görüntüleri ile İHA-LIDAR verilerinin entegre edilebilirliği araştırılmıştır. Otomatik olarak elde edilen 3B kıyı çizgisi verilerinin girdi olarak kullanılması ile kıyı çizgisi değişimi ve katı madde taşınımı LITPACK sayısal modeli ile hesaplanmıştır. Böylelikle İHA ve İHA-LİDAR teknolojisinin kıyı değişimi ve katı madde taşınımı hesaplanma sürecindeki katkıları ortaya konmuştur. Anahtar kelimeler: Kıyı çizgisi değişimi, IHA, IHA-LİDAR, Terkos, LITPACK

Shoreline Change Analysis with the Data of UAV and UAV-LIDAR: Case Study of Terkos

Abstract An integrated method for sustainable monitoring and management of the coastal areas by using Unmanned Aerial Vehicle-LIDAR (UAV-LIDAR) data and aerial images taken by UAV was developed. Automatic three dimensional (3D) shoreline extraction algorithms and software were developed from both UAV-LIDAR and UAV stereo images. The developed automatic 3D shoreline extraction algorithms were implemented to the UAV-images and UAV-LIDAR data for the coastal region of Terkos-İstanbul for 5 km shoreline. The results were used as input data for the calculation of the shoreline change and the sediment transport in the numerical model (LITPACK). Thus, the contributions of UAV and UAV-LIDAR technology to the process of shoreline change and the sediment transport were introduced.

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

182

Key Words: Shoreline change, UAV, UAV-LIDAR, Terkos, LITPACK

GİRİŞ

Dünyanın en önemli yerleşim bölgelerini kıyı alanları oluşturmaktadır. Bu gerçek üç tarafı denizlerle çevrili ülkemiz için de geçerlidir ve kıyılarımız stratejik önem taşımaktadır. Geleceğe yönelik projeksiyonların yapılabilmesi için kıyı alanlarının periyodik olarak izlenmesi, insan-kıyı etkileşiminin sonuçlarının gözlenmesi kritik öneme sahiptir. Kıyı alanlarına ait bilgilerin hızlı, doğru ve ekonomik olarak, mevcut verilerin de entegre edilebildiği bir yöntemle elde edilebiliyor olması gereklidir. Bu kapsamda kıyı alanlarına ait en önemli verilerden biri olan kıyı çizgisi değişimlerinin de doğru ve hızlı bir şekilde temin edilmesi ve izlenmesi gerekmektedir. Çalışmada insanlı-insansız hava araçlarından (İHA) elde edilen görüntüler ve İHA-LİDAR verileri kullanılarak kıyı alanlarının sürdürülebilir izlenmesi ve yönetimine olanak sağlayan bir alt yapı oluşturulmuştur. İHA sistemlerinden

elde edilen verilerden otomatik olarak üç boyutlu kıyı çizgisi çıkartılmıştır. Bu amaçla; stereo fotoğraflardan ve İHA-LİDAR verilerinden üç boyutlu kıyı çizgisi çıkartan algoritmalar ve yazılımlar geliştirilmiş ve üç boyutlu kıyı çizgisi çıkartma algoritması İHA-görüntülerine ve İHA-LİDAR verilerine uygulanmıştır. İHA görüntülerinden elde edilen üç boyutlu kıyı çizgisi algoritması İHA-LİDAR verileri ile entegre edilmiştir. Çalışma alanı olarak İstanbul-Terkos Gölünün kuzeyinde kalan 5 km Karadeniz kıyı şeridi seçilmiştir. Terkos kıyı alanı kıyı çizgisi değişimi ve katı madde taşınımı modeli için ilk olarak kalibrasyon aşaması tamamlanmıştır. Bu aşamada çalışma alanı için 1976, 1982, 1993, 2003, 2013 yıllarına ait ortofolardan elde edilen kıyı çizgileri ve 2015 yılı uydu görüntüsünden otomatik olarak elde edilen kıyı çizgisi değerlendirilmiştir. 2013 ve 2015 yıllarına ait görüntülerden elde edilen kıyı çizgileri kalibrasyon için kullanılmıştır. Kalibrasyon sonuçları yeterli görülüp, modelin doğrulanmasına geçilmiştir. Bu sebeple, 2015 yılına ait uydu görüntüsü ile bu çalışmanın ürünü olan insansız hava aracıyla (İHA-Kamera ve İHA-LİDAR) elde edilen 2017-Eylül ortofoto görüntüsü modelin doğrulanması için kullanılmıştır. Çalışma alanında DHI tarafından geliştirilen LITPACK sayısal modeli kullanılmıştır. LITPACK, koheziv olmayan katı maddenin dalga ve akıntı etkisiyle taşınımın miktarlarını hesaplamayı sağlayan bir modelleme programıdır (DHI, 2008a). Katı madde taşınım hesabı CERC (1984) yöntemi ve

LITPACK sayısal model yazılımının LITDRIFT modülü ile yapılmıştır. Çıkan miktarlar karşılaştırılmış ve değerlendirilmiştir. Sayısal model (LITDRIFT) katı madde taşınımını tek çizgi teorisine göre hesaplamaktadır (DHI, 2008b). Terkos kıyı çizgisi değişimini hesaplamada kullanılan LITLINE modülü ise,

LITPACK sayısal modelinin alt bölümlerinden biridir. LITLINE farklı kıyı yapıları

ve kaynak/kayıp etkileri altında kıyı çizgisi gelişiminin belirlenmesinde

kullanılmaktadır (DHI, 2008c). Terkos kıyı alanında ölçülmüş dalga verisi bulunmamaktadır. Bölgenin rüzgar ve dalga iklimi Danimarka Hidrolik Enstitüsü (DHI) tarafından geliştirilen MIKE 21 SW yazılımı kullanılarak oluşturulan Karadeniz dalga modelinden elde edilmiştir (DHI, 2008d). Çalışma alanında elde edilen üç boyutlu kıyı çizgisi verileriyle sayısal modelin en doğru

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

183

şekilde çalışması sağlanmış ve böylece sürdürülebilir kıyı alanı modeli elde

edilmiştir.

YÖNTEM

Kıyı Çizgisi Saha Verilerinin Değerlendirilmesi Terkos kıyı alanı kıyı çizgisi değişimi ve katı madde taşınımı modeli için ilk olarak kalibrasyon aşaması tamamlanmıştır. Bu aşamada çalışma alanı için 1976, 1982, 1993, 2003, 2013 yıllarına ait ortofolardan elde edilen kıyı çizgileri ve 2015 yılı uydu görüntüsünden elde edilen kıyı çizgisi değerlendirilmiştir. 2013 ve 2015 yıllarına ait görüntülerden elde edilen kıyı çizgileri kalibrasyon için kullanılmıştır. 2015 yılına ait uydu görüntüsü (Şekil 1.1) ile bu çalışmanın ürünü olan insansız hava aracıyla (İHA-Kamera ve İHA-LİDAR) elde edilen 2017-Eylül ortofoto görüntüsü (Şekil 1.2) ise sayısal modelin (LITPACK) doğrulanması için kullanılmıştır.

Şekil 1.1 2015 yılına ait GÖKTÜRK2 uydu görüntüsü

Şekil 1.2 2017-Eylül IHA görüntüsü

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

184

Ortofoto haritalar ve uydu görüntüsünden kıyı çizgilerinin otomatik olarak

elde edilmesi için Mean-shift bölütleme yöntemi, eşik değer, gürültü temizleme aşamaları izlenmiştir. Ardından kıyı ve deniz sınıfları ikili görüntü olarak elde edilmiş ve sonuç vektör veri yapısına dönüştürülerek kıyı çizgileri elde edilmiştir. Kıyı çizgilerinin doğruluk analizi için elle sayısallaştırma verileri referans alınmıştır. Üst üste konulan görüntülerden 2015 ve 2017-Eylül yılları arasındaki kıyı çizgisi değişimi belirlenmiştir. Şekil 1.3’te görülen Terkos kıyı çizgileri karşılaştırıldığında 2015 ve 2017-Eylül yılları arasında maksimum erozyonun -23.1 m, maksimum yığılmanın ise +15.4 m olduğu belirlenmiştir.

Şekil 1.3 2015-2017 (Eylül) arasında Terkos kıyı çizgisi değişimi

İHA-Kamera verilerinden üretilen nokta bulutu verileri referans alınarak İHA-LİDAR verilerinin geometrik düzeltmesi yapılmıştır. LIDAR verisinde mevcut olan gürültü ise “Statistical Outlier Removal” filtre kullanılarak giderilmiştir. İHA-LIDAR verilerinden üç boyutlu kıyı çizgisi çıkartılması amacıyla Mean-Shift yöntemi ile elde edilen kara ve deniz sınıflarından oluşan ikili kodlanmış görüntüdeki kara sınıfı LIDAR ve görüntü tabanlı nokta bulutu ile kesiştirilerek kara sınıfına ait noktalar seçilmiştir. Seçilen kara sınıfına ait olan nokta bulutundan Alpha-Shapes yöntemi ile 3 boyutlu kıyı çizgisi elde

edilmiştir (Şekil 1.4).

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

185

Şekil 1.4 IHA-LIDAR verisinden elde edilen kıyı çizgisi

Sayısal Model (LITDRIFT) ile Katı Madde Taşınım Hesabı Kalibrasyon aşamasında 2013-2015 yıllarına ait kıyı çizgileri kullanılmıştır. 2015 yılı uydu görüntüsü ve sayısal model sonucu karşılaştırıldığında maksimum hatanın 24 m, minimum hatanın 0.03 m ve ortalama hatanın 5.4 m olduğu belirlenmiştir. Bu sonuçlar doğrultusunda 2015 yılına ait kıyı çizgisi kullanılarak modelin doğrulanması aşamasına geçilmiştir. 2015 yılı uydu görüntüsünden elde edilen kıyı çizgisi yeni modelde başlangıç kıyı çizgisi olarak tanımlanmıştır (Şekil 1.5).

Şekil 1.5 Modelde kullanılan 2015 yılı Terkos kıyı alanı çizgisi ve profillerin başlangıç yerleri

Katı madde taşınım hesabı için kullanılan LITDRIFT yazılımında başlangıç kıyı çizgisiyle beraber kıyı profillerinin de girdi olarak tanımlanması gerekmektedir. Kıyı morfolojisi çalışmalarında önemli bir yere sahip olan katı madde bütçe analizini içeren ve LITPACK yazılımının bir alt modülü olan LITDRIFT, bir kıyı profili için dalga yüksekliğinin kıyıya dik dağılımını, dalga kabarmasını ve kıyı

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

186

boyu akıntısını modellemektedir (DHI, 2008b). Başlangıç kıyı çizgisi ile beraber

Şekil 1.6’da görülen dört adet kıyı profili sayısal modelde tanımlanmıştır. Bu profillerin özellikleri ise Çizelge 1.1’de görülmektedir.

Çizelge 1.1 Kıyı profili parametreleri

Pürüzlülük (m) 0.01

Ortalama tane çapı (d50) (mm) 1.37

Çökelme hızı (m/s) 0.12

Geometrik standart sapma ( g ) ( 84 16/d d ) 1.28

Şekil 1.6 Kıyı profilleri

Modele girilen başlangıç kıyı şeridi 3.45 km’lik bir uzunluğu kapsamaktadır ve kıyı çizgisi oluşturulurken kıyı boyunca sayısal hesap ağı adım aralığı 10 m alınmıştır. Kıyı çizgisi normalinin kuzey ile yaptığı açı 28° olarak belirlenmiştir. Kıyı profillerinin derinlikleri -35 m ile 2 m arasında düzenlenmiştir.

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

187

Katı madde taşınım hesabı ve kıyı çizgisi modeli için kalibrasyon aşamasında

elde edilen rüzgar ve dalga verileri kullanılmıştır. Bölgenin rüzgar ve dalga iklimi Danimarka Hidrolik Enstitüsü (DHI) tarafından geliştirilen MIKE 21 SW yazılımı kullanılarak oluşturulan Karadeniz dalga modelinden elde edilmiştir (DHI, 2008d). Terkos kıyı alanında rüzgar verisi Avrupa Orta Dönemli Hava Tahmin Merkezi’nin (ECMWF) verilerinden elde edilmiştir. Sayısal modelde ECMWF’ten elde edilen 01/01/2015 ve 31/09/2017 tarihleri arasında yaklaşık üç yıllık rüzgar alanı verisi kullanılmıştır. Terkos kıyı alanında en çok kuzeydoğu (NE) yönünden rüzgar esmektedir. Bu yönü kuzey kuzeydoğu (NNE) ve kuzey (N) yönü takip etmektedir (Şekil 1.7). Rüzgar verileri vasıtasıyla çalışma alanı için dalga iklimi belirlenmiş ve kuzeydoğu (NE), kuzey kuzeydoğu (NNE) ve doğu kuzeydoğu (ENE) yönünden en fazla dalgaların oluştuğu görülmüştür. Bu yönlerden sonra en fazla N yönünden dalgaların geldiği belirlenmiştir (Şekil 1.7). Ayrıca dalga yönlerinin

kendi içindeki dalga yüksekliği oluşma yüzdelerine bakılırsa NE ve NNE yönlerinde büyük dalga yüksekliği oluşma yüzdeleri daha fazla iken ENE yönlerinde bu durum tersine çevrilmektedir. Yani özellikle ENE yönünde daha küçük dalga yükseklikleri oluşmaktadır. Dalga ikliminin bu yapısı kıyı boyunca akıntı yapısını da etkilemektedir. Kumsal olan kıyıda kıyı boyu kum taşınımına neden olmaktadır. Bu taşınım kıyı morfolojisinin değişimine neden olmaktadır. Bu değişim uydu ve ortofoto görüntülerinden elde edilen değişimleri desteklemektedir.

Şekil 1.7 Rüzgar ve dalga gülü

LITDRIFT modelinin 2015-2017 yılları arasında koşturulmasından sonra elde edilen katı madde taşınım sonuçları şu şekildedir: Kıyı boyu toplam katı madde taşınımı : 555 000 m3/yıl Kıyı boyu net katı madde taşınımı: 382 000 m3/yıl

Palette

Above 5.000

4.000 - 5.000

3.000 - 4.000

2.000 - 3.000

1.000 - 2.000

0.500 - 1.000

Below 0.500

N

Calm20.87 %

10 %

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

188

Katı madde taşınım modeli sonucunda Terkos kıyı alanı için kıyı boyu katı

madde taşınımının yönü doğu kuzey doğu (ENE)’dan batı kuzey batı (WNW)’ya doğru olarak belirlenmiştir.

Sayısal Model (LITLINE) ile Kıyı Çizgisinin Modellenmesi

Terkos kıyı çizgisi modellemesinde kullanılan LITLINE modülü, LITPACK sayısal modelinin alt modüllerinden biridir. Terkos kıyısında yaklaşık 3.5 km’lik kıyı şeridinde basamak yüksekliği (hbasamak) 2m, kumul yüksekliği (hkumul) ise kıyı çizgisinin yukarı kıyısında burunun bulunduğu kısımlarda ortalama 5 m olarak belirlenmiştir. Bu sebeple kalibrasyon aşamasında aktif kıyı yüksekliği 10-15 m arasında modele girdi olarak tanımlanmıştır. Kalibrasyon aşamasında modelin koşturulmasından sonra elde edilen kıyı çizgisinin ölçülen kıyı çizgisi ve uydu görüntüleri ile karşılaştırılması

sonucunda en yakın değerin 15 m’de elde edildiği gözlemlenmiştir. Bu sebeple bu aşamada da girdi olarak aynı değerler kullanılmıştır. Terkos kıyı alanı kıyı çizgisi değişimi modeli için 2015 yılı kıyı çizgisi referans alınmıştır. Şekil 1.8’de 2015 kıyı çizgisi ile 2017-Eylül yılı (IHA) ortofoto görüntüsünden elde edilen kıyı çizgisi görülmektedir. İki kıyı çizgisi karşılaştırıldığında maksimum yığılmanın +15.4m, maksimum erozyonun ise -23.1 m olduğu belirlenmiştir. Şekil 1.9’da 2015 kıyı çizgisi ile sayısal modelden elde edilen 2017-Eylül kıyı çizgisi beraber verilmiştir. Bu iki kıyı çizgisi karşılaştırıldığında ise maksimum yığılma +13.5m, maksimum erozyon -17m olarak hesaplanmıştır.

Şekil 1.8 2015 yılı uydu görüntüsünden ve insansız hava aracıyla (İHA-

Kamera ve İHA-LİDAR) sağlanmış 2017-Eylül ortofoto görüntüsünden elde edilen kıyı çizgileri

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

189

2015 ve 2017-Eylül yılları arasındaki dalga ve rüzgar verilerinin modele

girilmesiyle elde edilen 2017 kıyı çizgisi, 2017-Eylül yılı IHA tarafından sağlanan ortofoto görüntüsünden elde edilen kıyı çizgisiyle karşılaştırılmıştır (Şekil 1.10). Sayısal modelin kalibrasyonu sonrası katı madde taşınım miktarları belirlenmiştir ancak model sonucu ile ölçülen kıyı çizgisi arasında bazı sapmalar görülse de bu farklılık kabul edilebilir sınırlar içindedir. Ölçümlerde sayısal modele göre sapmalara neden olan kıyı çizgisindeki yerel düzensizlikler, modelin ortalama girdi (dalganın 6 saatlik ortalama değerleri) değerlerini kullanması, kalibre edilmesine karşın sürtünme faktörü ve kıyı çizgisi geometrisindeki yeterince tanımlanamayan belirsizlikler ile modelde yapılan kabuller, ölçüm hataları, belirlenemeyen insan etkilerinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Ancak tüm bu etkilere rağmen 2015 yılı uydu görüntüsü ve sayısal model sonucu karşılaştırıldığında maksimum hatanın 18 m, minimum hatanın 0.02

m, ortalama mutlak hatanın (MAE) 4.1m ve hata kareler ortalamasının karekökünün (RMSE) 4.9 m olduğu belirlenmiştir. Normalize edilmiş hata kareler ortalamasının karekökü (NRMSE) %3.3 olarak hesaplanmıştır.

Şekil 1.9 2013 yılı ortofoto görüntüsünden ve sayısal modelden elde edilen kıyı

çizgileri

0

50

100

150

200

250

300

0

150

300

450

600

750

900

1050

1200

1350

1500

1650

1800

1950

2100

2250

2400

2550

2700

2850

3000

3150

3300

3450

Ref

eran

s K

ıyı Ç

izgi

sin

e M

esaf

e (m

)

Kıyı Boyu Mesafe (m)

2015 2017 Sayısal Model

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

190

SONUÇ ve ÖNERİLER

Çalışma alanına ait temel bulgular aşağıdaki gibidir;

Çalışma alanı yıllık 382 000 m3/yıl net kıyı boyu katı madde taşınımına sahip yeterince aktif bir kıyıdır. Kıyı alanına yapılacak herhangi bir yapısal müdehalenin, kıyı alanında deformasyonlara neden olacağı aşikardır.

Çalışma alanında ortalama kumul yüksekliği 5m civarındadır. Kumul yapısı kıyı alanında oluşan geri çekilme miktarını azaltan doğal stabilite ya da kıyı koruma yapısı görevi yapmaktadır.

2015-2017(Eylül) tarihleri arasında maksimum erozyon ortofoto görüntülerine göre -23.1m, sayısal modele göre -17 m olarak belirlenmiştir. Kıyıda genel morfolojik yapı geri çekilme eğilimindedir.

2015-2017(Eylül) tarihleri arasında maksimum yığılma ortofoto görüntülerine göre +15.4m, sayısal modele göre +13.5 m olarak belirlenmiştir.

Çalışma alanında genel olarak erozyon meydana gelmiştir. Ortofoto görüntülerine göre ortalama -7.4 m erozyon, sayısal modele göre -5.1m

erozyon hesaplanmıştır.

Ortalama yığılma miktarı ise ortofoto görüntülerine göre +5.1, sayısal modele göre +3.4 m olarak belirlenmiştir.

Çalışma alanında kıyı boyu katı madde taşınımının yönü doğu kuzey doğu (ENE)’dan batı kuzey batı (WNW)’ya doğrudur.

Bu çalışmanın sonucunda kıyı alanlarının sürdürülebilir izlenmesine yönelik İHA görüntülerinden ve İHA-LİDAR verilerinden otomatik, hızlı, doğru ve kullanılabilirliği kanıtlanmış bir veri üretim sistemi geliştirilmiş ve test edilmiştir. Sonuçlar kıyı alanlarında; kıyı çizgisi değişimi ve katı madde taşınımı belirlenmesine yönelik sürece entegre edilecektir. Böylelikle kıyı alanlarının izlenmesi ve analizine yönelik bir model geliştirilmiş olacaktır.

TEŞEKKÜR

Yazarlar (Sürdürülebilir Kıyı Alanı İzleme Modeli İçin IHA ve İHA-LİDAR Verilerinden Otomatik Üç Boyutlu Kıyı Çizgisi Çıkartılması ve Analizi: Terkos (İstanbul) Örneği) isimli TUBİTAK-1001 projesi desteği için teşekkür ederler.

KAYNAKLAR

DHI (2008a), LITPACK-An Integrated Modelling System for LITtoral Processes And Coasline Kinetics, Short Introduction and Tutorial, DHI Water and Environment.

DHI (2008b), LITPACK-LITDRIFT Longshore Current and Littoral Drift, User Guide, DHI Water and Environment.

DHI (2008c), LITPACK-LITLINE Coastline Evolution, User Guide, DHI Water

and Environment.

DHI (2008d), MIKE 21-Wave Modelling, User Guide, DHI Water and Environment.

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

191