Termal Uydu Görüntülerinden Üretilen Yer Yüzeyi Sıcaklığı ile HavaSıcaklığı İlişkisinin Değerlendirilmesi

Evaluation of the Relationship between Land Surface Temperature Derived from Thermal Satellite Images and Air Temperature

Özet

Yer Yüzeyi Sıcaklığı (YYS) yerelden küresele yeryüzündeki arazi örtüsü ve kullanımı değişimlerinin incelenmesinde anahtarparametrelerden biridir. Uzaktan algılama yöntemleri ile termal uydu görüntülerinden üretilen YYS değerlerinin, meteorolojiistasyonlarında ölçülen hava sıcaklığı verileri ile ilişkilendirilmesi ve doğruluğunun belirlenmesi gerekmektedir. Bu çalışmada farklıyöntemlerle Landsat uydusunun termal verilerinden elde edilen YYS değerlerinin, hava sıcaklığını ne kadar temsil ettiği incelenmiştir.İnceleme alanı olarak Çanakkale İli tercih edilmiştir. Çalışmada, Çanakkale ilinin 1984 ile 2019 yılları arasındaki (2002, 2006, 2012,2017 yılları haricinde) her Temmuz ayında temin edilen 66 adet Landsat uydu görüntüsünün termal verileri kullanılarak çok zamanlıYYS değişimi incelenmiştir. YYS değerleri, atmosferik su buharı içeriği ve hava sıcaklığı gibi girdi parametrelerine ihtiyaç duymadançalışan yöntemlerden Artis & Carnahan Denklemi ve tek kanal yöntemlerinden Radyatif Transfer Denklemi, Tek kanal Denklemi, TekPencere Denklemi ile hesaplanmıştır. Denklemlerin YYS değerlerinin hesaplanması için Landsat uydularının termal verileri, Landsatuydu görüntüleri ile eş zamanlı hava sıcaklık değerleri, Normalize Edilmiş Bitki Örtüsü Fark İndisi (NDVI) ve atmosferik etkenler(yükselen ışınım, alçalan ışınım ve atmosferik geçirgenlik) kullanılmıştır. Hesaplanan YYS değerleri 12 farklı meteorolojiistasyonundan temin edilen eş zamanlı saatlik yersel veriler ile kıyaslanmıştır. Çalışmada gerçekleştirilen uygulama üç adımdasıralanabilir; 1) YYS değerlerinin Artis & Carnahan, Tek Kanal, Tek Pencere, Radyatif Işıma Denklemleri ile hesaplanması, 2)Oluşturulan YYS değerlerinin doğruluğunu belirlemek için meteoroloji istasyonlarından alınan Landsat uydu görüntüleri ile eşzamanlı hava sıcaklık verileri ile karşılaştırılması ve en başarılı yöntemin regresyon - korelasyon analizi ve kök ortalama karesel hata(RMSE) ile belirlenmesi, ve 3) Arazi örtüsü ve kullanımı ve yapısı ile YYS ilişkisinin incelenmesi. Regresyon - korelasyondeğerlerine göre tüm yöntemler birbirine çok yakın çıkmış ve başarı sıralaması Tek Kanal, Tek Pencere, Radyatif Transfer ve Artis &Carnahan şeklindedir. RMSE değerleri yöntemlerin başarı sıralamasının tespitinde daha belirleyicidir. RMSEmin ve RMSEortdeğerlerine göre yöntemlerin başarı sıralaması ise Artis & Carnahan, Tek Pencere, Tek Kanal, Radyatif Transfer Denklemi şeklindedir.YYS değerleri ormanlık alanlar, park alanları ve yeşil alanlarda en düşük değerlere ulaşırken, en yüksek değerlere betonarme ve asfaltyapıların yoğun olduğu kentsel alanlarda ve boş arazilerde ulaşılmıştır. NDVI, YYS ile negatif bir korelasyona sahiptir. Elde edilenbulgular termal görüntülerden üretilen YYS verisinin arazi örtüsünün ve arazi kullanımının yorumlanmasında önemli bir kaynakolduğunu göstermektedir.

Abstract

Land Surface Temperature (LST) is one of the key parameters in the analysis of land cover and use changes on the earth from local toglobal. It is necessary to correlate the LST values produced by remote sensing methods from thermal satellite images with the airtemperature data measured at meteorology gauging stations and to determine their accuracy. In this study, to what extent the LSTvalues obtained from the thermal data of the Landsat satellite with different methods represent the air temperature, was examined.Çanakkale Province was chosen as the research area. In the study, multi-temporal LST change was examined using the thermal dataof 66 Landsat satellite images obtained in every July between 1984 and 2019 (except for 2002, 2006, 2012, 2017) in ÇanakkaleProvince. LST values are calculated using Artis & Carnahan Equation that works without the need for input parameters sucs asatmospheric water vapor content and air temperature, and single methodsRadiative Transfer Equation, Single Channel Equation,Single Window Equation, which are methods that work without the need for input parameters such as atmospheric water vaporcontent and air temperature. Thermal data of Landsat satellite, simultaneous air temperature values with Landsat satellite images,Normalized Vegetation Difference Index (NDVI) and atmospheric factors (upwelling atmospheric radiance, downwelling atmospheric radiance, total atmospheric transmissivity) were used to calculate the LST values. The LST values in the study were compared withthe simultaneous hourly data obtained from 12 different local meteorology stations. The application performed in the study can belisted in three steps; 1) Calculation of LST values with Artis & Carnahan, Single Channel, Single Window, and Radiative RadiationEquations, and 2) Comparison of air temperature data of local meteorology stations, which is simultaneous to Landsat acquiraion timeto determine the accuracy of the generated LST values, and determination of the most successful method by regression-correlationanalysis and root mean square error (RMSE), and 3) Examining the relationship between land use/cover and LST. According to theregression-correlation values, all methods are very close to each other and the success order is as Single Channel, Single Window,Radiative Transfer and Artis & Carnahan. RMSE values are more determinant in determining the success ranking of the methods.According to RMSEmin and RMSEort values, the success order of the methods is Artis & Carnahan, Single Window, Single Channel,and Radiative Transfer Equation. LST values reached the lowest values in forestlands, park areas and green areas, while the highestvalues reached in urban areas which have high dense of reinforced concrete and asphalt structures and empty lands. NDVI has anegative correlation with LST. The findings obtained show that LST data produced from thermal images is an important source in theinterpretation of land cover and land use.