Investigation Of Effects Of Major Climate Parameters On Crop Water Consumption Using Remote Sensing Methods

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Bilişim Enstitüsü, 2014Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Informatics, 2014Dünya genelinde en fazla üretimi yapılan tarım ürünlerinden birisi olan buğday, ülkemizde yaklaşık 9,5 milyon hektar alanda ekilmekte, yıldan yıla değişmekle birlikte 20 milyon ton civarında ürün alınmaktadır. Farklı ekim bölgeleri için önerilen ürün deseninin, o yörenin ekolojik koşullarına adaptasyon düzeylerinin ve kuraklık ya da aşırı yağış vb. değişen iklim koşullarının bitkilerin gelişimine olası etkilerinin izlenmesi uzaktan algılama teknikleri ve CBS ile mümkün olmaktadır. Çalışmada öncelikle yersel akıllı istasyonlar kullanılarak fenolojik gelişim dönemlerine göre algılanan SPOT 5 uydu görüntüleri ile bitki karakteristikleri ve farklı istasyonlardaki ürün özellikleri incelenmiş olup, bitki gelişiminde farklılıklara neden olan ekolojik koşullar ve ürünlerin adaptasyon farklılıkları bu doğrultuda belirlenmiştir. Bununla birlikte; özellikle Güneydoğu Anadolu Bölgesi'nin kurak ve yarı-kurak koşullarında, sulama sistemlerinin planlanmasında sulama suyu ihtiyacının tahmini için bitkilerden gelen terleme ve altındaki topraktan gelen buharlaşma, su kaynakları ve hidrolojik çalışmalar açısından önemli faktörlerdir. Çalışmanın amaçlarından biri, uzaktan algılama teknikleri ve CBS kullanılarak gerçek evapotranspirasyonun tahmini ile farklı toprak gruplarında bulunan buğday ekili alanlardaki su ihtiyacının belirlenmesidir. Büyüme döneminde algılanan SPOT 5 görüntüleri, hem Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) ve Modified Soil Adjusted Vegetation Index (MSAVI) analizlerinin yapılması hem de buğday ekim dönemi aylarındaki bitki katsayılarının oluşturulmasında kullanılmıştır. Hızla gelişmekte olan bir ülke olan Türkiye'de, artan nüfus için; sulu tarım ürünlerinden yeterli miktarda, sanayi için; ucuz, sürekli ve kaliteli yenilenebilir enerjiye ve özellikle ortalama ulusal standartlara göre yaşam seviyesi düşük olan bölgelerde evsel kullanımlar için; kaliteli suya ihtiyaç duyulmaktadır. Atatürk Barajı dünyanın en büyük dördüncü kil merkezli kaya dolgu baraj olmakla birlikte Türkiye'nin enerji ve tarım sektörünün gelişmesinde önemli rol oynamaktadır. Güneydoğu Anadolu Bölgesi için geniş ölçekli bölgesel bir kalkınma projesi (GAP) merkez bileşeni olarak 1980'li yıllarda bu yarı-kurak bölgede Fırat Nehri üzerinde inşa edilmiştir. Atatürk Barajı'nın Güneydoğu Anadolu Bölgesi'ne agrometeorolojik yönden etkilerinin mekânsal ve zamansal değişimler açısından belirlenmesi bir diğer araştırmadır. 1984 – 2011 yılları arasında çok zamanlı Landsat uydu görüntüleri ve meteorolojik veri setleri değerlendirilerek Atatürk Baraj Gölü'nde su rezervi değişimleri nedeniyle bölgedeki zamansal değişim ve bu değişimin çevresel etkileri belirlenmiştir. Geçmiş 30 yıldan günümüze, havzadaki bitkisel gelişimi etkileyen değişen iklim koşullarında (yağış oranı, hava sıcaklığı ve nemdeki aylık, mevsimlik ve yıllık farklılıklar), mevsimsel su rezervi değişimleri ve sulanan alanlar arasındaki ilişkiler araştırılmıştır. Yüzey yansıtım ve Disturbance Index (DI) değişimlerini elde etmek için; kullanılan tüm görüntülerde geometrik ve atmosferik düzeltmeler ileTasseled Cap (TC) dönüşümleri gerçekleştirilmiştir. Sonuç veri setleri, bitki örtüsü gelişiminin zaman-mekânsal desenlerini karakterize etmek için lineer eğilim analizinde kullanılmıştır. İklim ve arazi örtüsü/kullanımı ile tespit edilen ekolojik birimlerde analizler gerçekleştirilmiştir. İklim, zamansal ve mekânsal ölçekte sürekli değişkenlik gösteren dinamik bir yapıya sahiptir. İklim elemanları içerisinde zamana ve mekâna bağlı olarak en fazla değişkenlik gösteren parametre yağış miktarıdır. Sel, kuraklık, fırtına ve sert rüzgârlar gibi ekstrem çevresel olaylar, toplum için ciddi sonuçlar doğurabilmektedir. Ekstrem hava ve iklim olaylarındaki değişiklikler önemli etkilere sahip olup bu değişiklikler ile başa çıkma toplumun en ciddi sorunları arasındadır. Ekstrem iklim olayları sonucu oluşan zarar tüm dünyada artmaktadır. Avrupa Çevre Ajansı (EEA), "Avrupa 2012 İklim Değişikliği, Etkileri ve Hasar Görebilirlik" raporunda; 1980'lerde 9 milyar € olan maddi hasarın, 2000'lerde 13 milyar €'ya arttığını belirtmiştir. Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Okyanus ve Atmosfer İdaresi (NOAA), sadece 2011 – 2012 yılları arasında aşırı hava olaylarının 188 milyar$ hasara neden olduğunu bildirmiştir. Hidrometeorolojik ekstrem olayların ve zaman içerisindeki değişimlerinin anlaşılması ve tanımlanması, tarım ve sosyo-ekonomik kalkınmanın sürdürülebilirliği açısından önemlidir. Acil hava olayları planlaması, tarımsal ve havza yönetimi ve sigorta risk hesaplamalarının hepsi bu ekstrem olayların frekans bilgisinin doğruluğuna bağlıdır. Hidrolojik risk analizi ve tasarımında ekstrem yağışın belirlenmesi önemli bir sorundur. Erozyon ve hidroklimatik ekstrem olaylar ile verimli toprak tabakasının ortadan kalkması özellikle Akdeniz iklim kuşağında bulunan yarı-kurak ve kurak bölgelerde ciddi bir sorundur. Noktasal frekans analizi uzun dönemli kayıtlar gerektirmektedir. Türkiye'de uzun gözlem süreli yağış ölçekleri oldukça az olmakla birlikte bunların çoğunun da yazıcısı bulunmamaktadır. Ayrıca pek çok yazıcı ölçekli istasyonlarda kaydedilen yağışların güvenilirliğinden şüphe edilmekte ve önemli ekstrem veriler kaydedilememektedir. Meteorolojik istasyonlardan sağlanan yağış verileri her ne kadar hidrolojik modellerin doğruluğunu arttırsa da mekânsal olarak kapsama alanları sınırlıdır. Uzaktan algılama teknikleri, hem mekânsal hem de zamansal olarak yağış olaylarının sürekli gözlemlenmesine olanak sağlamaktadır. Çalışmanın son bölümünde, uydu yağış veri seti olarak Tropik Yağmur Ölçüm Misyonu (TRMM)-3B42 verisi, Güneydoğu Anadolu Bölgesi'ndeki yağış değişkenliğini karakterize etmek ve tarım ve hidrolojik uygulamalar için uydu yağış tahminlerinin değerlendirilmesi amacıyla günlük yersel yağış verileri ile doğrulanmıştır. TRMM uydusundan 1998 - 2012 yılları arasında elde edilen noktasal yağış verileri ile 7 adet yersel meteorolojik istasyondan elde edilen yağış verileri kullanılmıştır. Zaman-mekânsal desenler, yağış zaman serilerine uygun çeşitli dağılım fonksiyonlarının istatistiksel analizleri ile tanımlanmıştır. Dağılım fonksiyonlarının uygunluğu özellikle şekil parametresinin davranışına göre incelenmiştir. Ayrıca, çalışma alanı üzerindeki yağış olaylarına ait mekânsal desenler ve korelasyonlar; 90., 95. ve 99. yüzde birlik hesaplamaları ile analiz edilmiştir. Bölgesel frekans ilişkileri ile farklı yıllar için geri dönüş periyotları, seçilen en uygun dağılım ile oluşturulmuş olup, çalışma bölgesindeki mekânsal değişkenlik tanımlanmıştır. Piksel tabanlı noktasal frekans analizleri ile belirlenen bölgelerdeki mekânsal değerlendirmeler yapılmış ve uygun dağılım fonksiyon parametrelerine ait tematik haritalar oluşturulmuştur.Wheat is one of the most over-production of agricultural products around the world and in our country, about 9.5 million hectares of land is planted, 20 million tons of product is obtained varies from year to year. Monitoring the potential impacts of recommended product pattern for different planting regions, levels of adaptation to the ecological conditions of the area and changing climate conditions as drought or excessive rainfall etc. on plant growth is possible with remote sensing techniques and GIS. In this study, first of all the plant characteristics and the product features of different stations were investigated by using ground stations and with the help of SPOT 5 satellite images acquired within the periods of phenological development of the plant. Accordingly, the ecological conditions causing variations in plant development and the adaptation differences of the products were identified. In addition, transpiration from plants and evaporation from the underlying soil is an important factor in water resources and hydrological studies, for estimating irrigation water requirements when planning irrigation systems, especially in arid and semi-arid conditions of South-Eastern Anatolia region. One of the aim of the study is to designate the water requirement for wheat fields cultivated on different soil types by estimating the actual crop evapotranspiration of wheat crop by using Remote Sensing techniques and Geographical Information Systems. SPOT 5 images acquired on growing season were used to determine the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Modified Soil Adjusted Vegetation Index (MSAVI) and to generate the crop coefficients for each month of wheat crop season. As a rapidly developing country Turkey, needs sufficient amount of irrigated agricultural products for growing population; cheap, continuous and high quality renewable energy for the industry; qualified water for domestic uses especially for the regions that are having low level of life standards with respect to the national average standards. The Atatürk Dam is the fourth largest clay-cored rock fill dam in the world, which plays an important role in the development of Turkey's energy and agriculture sector. It was constructed on the Euphrates River located in semi-arid Southeastern Turkey in the 1980s as the central component of a large-scale regional development project for the Southeastern Anatolia region (GAP). Determination of the impacts of the Atatürk Dam on agro-meteorological aspects to the Southeastern Anatolia region is yet another investigation in terms of spatial and temporal variations. Change detection and environmental impacts due to water-reserve changes in Atatürk Dam Lake have been determined and evaluated using multi temporal Landsat satellite imageries and meteorological datasets within a period of 1984 to 2011. The relationships between seasonal water reserve changes and irrigated plains under changing climatic factors primarily driving vegetation activity (monthly, seasonal, and annual fluctuations of rainfall rate, air temperature, humidity) on the watershed have been investigated from the previous ~30 years to present conditions. For all images,geometric and atmospheric corrections and Tasseled Cap transformations were carried out to attain changes in surface reflectance and denoting disturbance of Landsat reflectance data. The resulting dataset was used in a linear trend analysis to characterize spatiotemporal patterns of vegetation-cover development. Analysis has been conducted in ecological units that have been determined by climate and land cover/use. Climate has a dynamic structure denoting perpetual variability in temporal and spatial scales. Depending on space and time, rainfall amount has the most variation in the components of the climate system. Extreme environmental events, such as floods, droughts, rainstorms, and strong winds have severe consequences for human society. Changes in extreme weather and climate events have significant impacts and are among the most serious challenges to society in coping with a changing climate. The cost of damage caused by extreme climate events is rising all over the world. The European Environment Agency (EEA) report ("Climate Change, Impacts and Vulnerabilities in Europe 2012") stated that the cost of damage had increased from € 9 billion in the 1980s to €13 billions in the 2000s. In the United States, the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) reported that $188 billion in damage was caused by the severe weather events in 2011 and 2012. Understanding and identifying hydrometeorologic extreme events and their changes through time are key in sustaining agriculture and socio-economic development. Planning for weatherrelated emergencies, agricultural and reservoir management and insurance risk calculations, all rely on knowledge of the frequency of these extreme events. The assessment of extreme precipitation is an important problem in hydrologic risk analysis and design. Erosion and removal of the fertile soil layer through hydro climatic extreme events is also a serious problem in semi-arid to arid regions, especially in Mediterranean climates. Accurate measurements of precipitation on a variety of space and time scales are important to climate scientists and decision makers, including hydrologists, agriculturalists and emergency managers. The historical record of precipitation observations is limited mostly to land areas where rain gauges can be deployed, and measurements from those instruments are sparse over large and meteorologically important regions of the Turkey, such as over the Southeastern Anatolia Region. While rain gauge measurements are often used to tune hydrologic models, they are limited by their spatial coverage. Remote sensing techniques using space borne sensors provide an excellent complement to continuous monitoring of rain events both spatially and temporally. In the last part of the study, the Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) satellite rainfall dataset has been validated with daily rain gauge measurements in order to characterize rainfall variability and to evaluate satellite rain estimates for agricultural and hydrological applications in the Southeastern Anatolia region. The precipitation retrievals from the TRMM satellite were compared with data from seven surface rain gauges within the period of 1998 - 2012. Spatiotemporal patterns through statistical analyses were identified by fitting various distribution functions to the rainfall time series, and the fitting results were analyzed focusing on the behavior of the shape parameter. Spatial patterns and correlations of rainfall events across the study area were also analyzed by the calculation of the 90th, 95th and 99th percentiles. Regional frequency relationship and the recurrence intervals for different years were constituted using the chosen the most appropriate distribution and the spatial variability in the study region has been described. Thematic maps of the appropriate distribution function parameters were produced by performing the spatial evaluations of the designated regions with pixelbased point frequency analysis.DoktoraPh