Evaluation of three semi-empirical soil moisture estimation models in agriculture areas with Radarsat-2 imagery processing in the Southeast of Turkey

Su yeryüzünde hayatın önemli bir kaynağıdır. Yaşadığımız küre üzerinde tüm canlılar hayatlarını devam ettirebilmeleri için mutlak suya muhtaçtırlar. Toprakta mevcut bulunan besin elementlerinin doğal döngüsünü tamamlayabilmeleri tamamen su döngüsüne bağlıdır. Toprak erozyonu, sel baskını, orman yangınları, küresel ısınma vesıcaklık değişimleri, bitki türlerinin dağılışını ve farklı hayatı etkileyen faktörlertopraktaki yüzey nem oranı miktarı ile yakın ilişki içerisindedir. Bu nedenle tarımsal, hidrolojik, ve meteorolojik uygulamalarda, toprak nemi ya da toprağın su içeriği önemli birer faktör ve parametredir. Toprak neminin tanımlanması genellikle iki dala ayrılır; derin toprak nemi (kök bölgesi nemi) ve yüzey toprak nemi. Yüzey toprak nemi, toprağın üsteki 10cm.lik kısmındaki su miktarını tanımlar ki, bu dünyadaki toplam su miktarının yalnızca %0.0012'sini içerir (Verhoest et al., 2008). Bununla birlikte, bitkiler için önemli olan ve kullanılabilen derin toprak nemi (kök bölgesi nemi), toprağın yüzeyden itibaren 200cm.lik kısmında tanımlanır. Toprak nemi bilgisinin önemine rağmen, bu faktörün ölçülebilmesinin birçok bilim dalında çok önemli yer tuttuğu açıktır. 15. yüzyıldan bu yana toprağın su içeriğinin belirlenmesi ile ilgili olarak birçok metod uygulana gelmiştir. Günümüzde, toprağın neminin belirlenmesinde en çok kullanılan metodlar, topraktaki suyun kütlesi, hacmi ya da toprağın suya doygunluğunun ölçülmesidir. Büyük bir uzay için, zaman ve maliyet sınırlamaları toprak nem ölçümü elde etmesi için dikkate alınmalıdır. Geleneksel çalışmada, prensipte toprak neminin doğrudan veya dolaylı olarak ölçülmlenmesi ile ilgili metodlar, birbirlerinden ayrılabilir. Doğrudan metodlar, toprak neminin buharlaştırılması, suyun topraktan alınması, ya da FDR ve TDR gibi kimyasal ve gravimetrik ölçüm metodlarını metodları içermektedir. Literatürde, toprak neminin ölçülmesiile ilgili olarak, doğrudan veya dolaylı, birçok ölçüm metodu tanımlanmıştır (Stachder 1996, Prietzsch 1998, Marshall 1999). Genel olarak toprak nemi; kuru ağırlık yüzdesi, hacim yüzdesi, derinlik ve tansiyon olmak üzere 4 farklı şekilde ifade edilmektedir. Bu çalışmada toprak nemi hacim yüzdesi şekilde ifade edilmektedir (vol.%). Ek olarak, 1970'lerde uyduların kullanıma girmesiyle, toprak neminin uzaktan algılama metodlarıyla belirlenmesi araştırmaları da gündeme gelmiştir. Uydu verileriyle toprak neminin belirlenmesi, uyduların geniş alanları gözlemleme ve uzun sürelerce bu gözlemleri tekrar edebilmesi nedeniyle hemen uygulama alanı bulmuştur. Uzaktan algılama, ilgi konusu olan nesne ile doğrudan temas olmadan, elektromanyetik spektrumun belirli dalgaboylarını kullanarak, bilgi edinmek demektir. Uzaktan algılama metodleri, gündüz ve gece operasyonları için küresel ölçekte ve hava şartlarindanbağımsız çalışmalarda, yüksek çözünürlüklü izleme ssahibi olarak son on yılda,çok kullanmaktadır . Yeryüzü tarafından yayılan veya yansıtılan hem optik hem de mikrodalga elektromanyetik sinyaller, yüzey hakkında olduğu kadar toprağın nemi hakkında bilgiler de içermekte ve toprağın neminin belirlenmesi çalışmalarında kullanılmaktadır. Bu yöntemtoprağın elektriksel iletkenliğinin ölçülmesi esasına dayanmaktadır. Su dielektrik sabiti '80' ve kuru toprak dielektrik sabiti '0' dir . Budielektrik sabitleriarasındaki büyük farka dayanarak uzaktan algılama geri saçılması yönteminin toprak nemi ile ilgili çalışmalar için iyi bir faktör olduğu gözükmektedir. Geri saçınım katsayısı çalışmasıyla birlikte birçok toprak nemi tahmin modeli yayınlanmıştır: (i) Deneme modelleri: Oh (1994) (ii) Fiziksel modelleri: teorik integrasyon denklemi metodu, Fung et al., 1992; XBragg Modeli (2008) (iii) Yarı-Deneysel modelleri: Ohet al., (1992), Oh (2004), Duboiset al., (1995) Yarı-Deneysel OH92 ve OH04 modelleri için RADAR geliş açısı 10 ve 70 derecearalığında ve DU 95 modeli için 30 ve 65 derecearalığındadır. Bu çalışmada, Oh (1992), Oh (2004), Dubois (1995) Yarı-Deneysel yüzey toprak nemi modelleri olarak kullanılarak, Harran, Şanlıurfa ve Güneydoğu Anadolu'daki tarım alanlarında, iki RADARSAT-2 görüntüsü (FQ1, FQ19) ile bir yüzey toprak nemi tahmininde bulunulması amaçlanmış ve kullanılan modellerin performans verilerini değerlendirmek için bir çalışma yapılmıştır. Uydu görüntülerinin kullanıldığı pek çok uygulamada koordinatlandırma işlemi gerekli ve önemli bir adımdır. Koordinatlandırmada, temelde görüntü ve nesne koordinat sistemleri arasında bir dönüşümün sağlanması söz konusudur. Bu işlem sonucunda RADARSAT-2, den alınan dataların koordinatları UTM koordinatlarına dönüşürülür ve uygun bir örneklemeden sonra kullanılabilir bir veri elde edilir. Yarı-Deneysel modelleri uygulamak için RADARSAT-2 den alınan verilerin dönüştürülmüş olan halini kullanarak (ENVI programı yardımıyla): (i) Python 2.7 programı kullanarak PolSARproprogramı da olan modellere ait alt programları yürüterek ismi geçen Yarı-Deneysel modeller için sonuç elde edilmiş, (ii) Kullanılan modellerden elde edilen sonuçlar, Lee, Enh-Lee, Forst ve Kuan filtreleri ile analiz edilerek, benek gürültüsü azaltılmış ve model performansı arttırılmıştır, (iii) Farklı çekirdek boyutları (8 farklı boyut 3×3 - 15×15) için, istatistiksel olarak hesaplanmış indislerle (ortalama ve standart t sapma ağırlıklı olan miktarlar ) optimal filtre boyutu tahmini yapılmıştır, (iv) Elde edilen optimal filtrer sonuçları araştırma alanı üzerinde belirtilmiş 3 farklı bölgede topraktaki nem elde edilmiştir.Sonraki aşamada eldeedilen topraknemi ve yerel istasyonlar da hesaplanan toprak nemi karşılaştırarak hata miktarıbelirlenmiştir. 07 Eylül2012 RADARSAT-2 verilerinin yarı-deneysel modellemeleri uygulaması kısmında Dubois modellemesindeki bakış açısının sınır dışı olması nedeni ile (18.40 -20.40)bu modelleme yapılmamaktadır. OH92 ve OH04 modelleri için en yüksek uyuşma: (i) OH92 modeli için: 15×15 boyutlu Kuan filtresi(SSMPI=0.5126 , SSI=0.5126 ) optimal filtre olarak seçilmiştir. (ii) OH04 modeli için: 5×5 boyutlu Kuan filtresi SSMPI=1.000, SSI=0.7590<1) optimal filtre olarak seçilmiştir. 08 Eylül2012 RADARSAT-2 datasıiçin uygulanan DU95 ,OH92, OH04 modellerinde en yüksek uyuşma ve optimal filtre boyutlari aşağıda özetlenmiştir: (i) DU95 modeli için : 15×15 boyutlu Kuan filtresi , (ENL = 0.2234, SSMPI= 0.4327) optimal filtre olarak seçilmiştir. (ii) OH92 modeli için: 5×5 boyutlu Kuan filtresi, (SSMPI= 0.5629) optimal filtre olarak seçilmiştir. (iii) OH04 modeli için: 5×5 boyutlu Kuan filtresi, (SSMPI=0.5004, SSI=0.7829<1) optimal filtre olarak seçilmiştir. Pauli-RGB görüntüsü kullanılarak, yüzeyde bitki örtüsü yoğunluğu tahmin edilmiştir. Yüzey kapsama bilgisi, çalışma bölgesindeki tahmini toprak neminin hesaplanmasında kullanılmıştır. Son olarak yerel ve tahmini değerler karşılaştırılmıştır. Bu araştırma, geliş açısının modellerin performasına olan etkisini ( Bagdadi, 2008 ve Mo, 1984) ve yüzey pürüzlülüğünün (yüzey dalgalılığı, şekilsizliği) tahmin edilen toprak nemi değerine etkilerini ( Bagdadi, 2002; Verhoest, 2000; S.Kabazan, 2013; Zribi ve Dechambre, 2003) desteklemektedir