Uzaktan Algılama Dersi 3. Ünite Özet

ISIL IŞINIM

Isıl kızıl ötesi bölgedeki elektromanyetik enerjinin uygun algılayıcılarla ölçülüp iki boyutlu raster görüntü formatında kaydedilmesiyle termogram olarak adlandırılan ısıl görüntüler elde edilmiştir. Bu görüntülerin elde edilmesinde yansıyan Güneş ışığına ihtiyaç duyulmadığından güvenlik ve gözetleme amaçlı kullanılan gece görüş sistemlerinin temel elemanı olmuşlardır. Bu nedenle özellikle askeri uygulamalara yönelik olarak 20. yüzyılın ortalarından itibaren bu sistemlerin araştırılması ve geliştirilmesi hız kazanmıştır.

Askeri olmayan kullanım potansiyeli ise daha çok jeolojik uygulamalara yönelik olmuştur. Jeolojik uygulamalardaki etkin kullanıma bağlı olarak 1968 yılında alınan bir kararla belirli çözünürlük ve ısıl hassasiyete sahip görüntülerin kullanımı serbest bırakılmıştır. Günümüzde herhangi bir kısıtlama olmaksızın ısıl görüntüleme sistemleri değişik amaçlarla bitki örtüsü, toprak, kaya, su, buz ve atmosferin yaydığı ısıl ışınımı ölçmek amacıyla başarılı bir şekilde kullanılmaktadır.

Maddeye ısı ışık veya elektrik yoluyla enerji verildiğinde daha dış yörüngede elektron geçişleri ve molekül içi veya arası titreşim ve dönme hareketleri oluşur. Elektron geçişleri benzer bir mekanizmayla ultraviyole(morötesi) ve görünür bölgelerde ışımaya neden olurken, moleküler titreşim kızıl ötesi bölgede, dönme etkisi de mikrodalga bölgelerde ışımaya neden olur.

Kinetik Isı: enerji, iş yapabilme yeteneğidir. Potansiyel ve kinetik enerji olarak ikiye ayrılır. Potansiyel enerji, cisimlerin bir alanda bulundukları fiziksel durumlardan ötürü depoladığı kabul edilen enerji, kinetik enerji ise cisimlerin hareketlerine bağlı olarak sahip oldukları enerji türüdür. Buna bağlı olarak bir cismin moleküllerinin rastlantısal hareketlerine bağlı olarak kazandığı enerji, cismin kinetik ısısı olarak adlandırılır.

Sıcaklık ve ısı, ısıl enerji ile ilişkili olan iki terimdir. Sıcaklık bir cisimdeki tüm atomların veya moleküllerin ortalama kinetik enerjisi olarak tanımlanır. Isı ise farklı sıcaklıklara sahip cisimler arasındaki ısıl enerji akışıdır. Isı, ışık veya elektriksel etkilerle kinetik ısısı dolayısıyla sıcaklığı arttırılan bir cisim, sıcaklığıyla orantılı olarak kinetik ısısını sürekli bir şekilde elektromanyetik ışınım enerjisine dönüştürür. Genel olarak ısı enerjisi bir ortamdan diğerine;

• İletim (Kondüksiyon): moleküler temas
• Taşınım (Konveksiyon): ısıtılan malzemenin fiziksel yer değiştirimi
• Işıma (Radyasyon): elektromanyetik dalga

ile üç farklı şekilde transfer edilir. Işımayla ısı enerjisinin transfer edilmesinin en büyük avantajı herhangi bir ortama ihtiyaç duymadan Güneş’te olduğu gibi boşlukta da oluşabilmesidir.

Isıl Kızılötesi Bölge: Elektromanyetik spektrumun 0.7- 1000 µm bölgesi kızıl ötesi bölgedir. Bu bölgenin 0.7-3 µm alt bölgesi yansıtıcı kızıl ötesi olup Güneş kaynaklı elektromanyetik enerji baskındır.

Işınım yoğunluğu, kaynakla algılayıcı arasındaki uzaklığın karesinin tersiyle orantılıdır. Ters kare olarak adlandırılan bu ilişkiye göre Güneş ile Dünya arasındaki uzaklıktan dolayı 3 µm’den sonra yansıtılan enerji yoğunluğu önemli derecede azalır. Böylece, ısıl kızıl ötesi olarak adlandırılan 3-14 µm bölgesinde uydu algılayıcısı ile alınan baskın enerji, cisimlerin sıcaklıklarına bağlı olarak yaydıkları ışınım olur.

Elektromanyetik spektrumda 3-5 µm aralığı, yansıtılan enerjiden ışıyan enerjiye geçiş bölgesidir. Atmosfer diğer bölgelerde olduğu gibi ısıl kızıl ötesi bölgedeki enerjiyi de düzenli bir şekilde geçirmez ve belirli dalga boylarında karbondioksit, su buharı ve ozon nedeniyle yutulma bölgeleri mevcuttur. Isıl kızıl ötesi bölgede 3-5 µm ve 8- 14 µm bölgeleri büyük ölçüde atmosferin geçirimli olduğu atmosfer pencereleridir. 9-10 µm dar aralığında oluşan ozon yutulmasından kaçınmak için uydu ısıl algılayıcıları, 10.5-12.5 µm bölgesinde çalışacak şekilde dizayn edilirler.

Isıl algılamada 3-5 µm bölgesi, Wien Yer Değiştirme kanununa göre orman yangını, volkanik patlama gibi çok sıcak cisimlerin algılanması için daha uygundur. Bu kanuna göre cisimlerin sıcaklıkları arttıkça en çok ışınım yaptıkları dalga boyu küçülmektedir. Diğer bir ifade ile ısıtılan bir demir parçası önce kırmızı, sonra sarı ve gittikçe mavi renge doğru renk değişimi gösterecektir. Çok sıcak olmayan yeryüzü cisimlerinin algılanması durumunda ise 8-14 µm bölgesi uygundur.

Cisimlerin ısıl özellikleri incelendiğinde, yutma ve ışınım özelliklerinin birbirine paralel oldukları gözlenmektedir. Bir cismin yansıtımı arttığında ışınımı azalacaktır veya yansıtımı azaldığında ışınımı artacaktır. Sıcak olan bir malzeme diğer malzemelerden bütün dalga boylarında daha fazla ışıma yapar. Yayım değeri yüksek olan bir cisim üzerine gelen enerjiyi daha fazla yutar ve kinetik enerjisine bağlı olarak daha fazla ışınım yapar.

Genel olarak yayımı etkileyen temel faktörler:

• Cisimlerin renk tonu; koyu cisimler daha iyi yutucu ve daha iyi yayıcıdır
• Yüzey pürüzlülüğü; dalga boyuna göre daha pürüzlü (kaba) olan yüzeyler daha büyük yüzey alanına ve daha büyük yutulma ve tekrar yayma potansiyeline sahiptirler.
• Nem içeriği; nem içeriği fazla olan cisimlerin daha fazla yayıcı olma kapasitesi vardır
• Görüş alanı ve bakış açısıdır

Isıl görüntülerdeki ışıyan sıcaklık değerleriyle cisimlerin gerçek kinetik sıcaklıkları arasındaki ilişki Stefan-Boltzman kanunuyla kurulur. Bu kanuna göre kinetik sıcaklık gerçekte cismin yüzey sıcaklığıdır. Çoğu durumda cismin kinetik sıcaklığı homojen bir dağılıma sahip değildir.

Yeryüzü Cisimlerinin Isıl Özellikleri

Yeryüzü cisimlerinin (bitki örtüsü, toprak ve su) farklı yansıtım özelliklerine benzer olarak, cisimlerden yayılan ısıl ışınım özellikleri ile farklı cisimler birbirinden ayırt edilebilmektedir. Algılanan ısıl enerji üç bileşene ayrılabilir:

• Doğrudan cisimden yayılan enerji
• Atmosferden yayılıp cisimden yansıyan enerji
• Cisimle hiçbir teması olmadan atmosferden yayılan enerji

Farklı yüzey cisimlerinin ısıl özellikleri şu şekildedir:

Bitki Örtüsü: Klorofil pigmenti içeren yeşil yapraklı bitkiler fotosentez işlemi için ihtiyaç duydukları enerjiyi çoğunlukla görünür bölgeden özellikle de mavi ve kırmızı bölgelerden sağlarlar. Sıcaklığı artan bitki enerji dengesine bağlı olarak ısıl bölgede ışınım yapar. Buna karşın, yaprakları aracılığıyla terleyerek sürekli yutulum gösterirler. Dolayısıyla bitki örtüsü kanopisinin sıcaklığı, geniş yüzey alanına ve yüksek terleme oranına bağlı olarak değişim göstermektedir. Bu karmaşık ısınma ve soğuma etkileşimleri sonucunda geceleyin bitki örtüsü kendisini çevreleyen topraktan daha fazla ışınım oranına sahiptir.

Toprak: Toprağın ısıl kızıl ötesi bölgedeki davranışı, asıl olarak su içeriğiyle belirlenir. Suyun iyi bir yutucu ve ışınlayıcı olması nedeniyle nemli toprağın daha sıcak olması ve daha çok ışınım yapması beklenir. Ancak su içeriği fazla olan zeminler buharlaşma nedeni ile soğuyacaklarından ışınım oranları düşer. Diğer bir ifade ile topraktaki su içeriği ne kadar fazla ise gün boyunca o kadar serin ve gece de ılık olmaktadır. Kuru zeminler ise Güneş enerjisini yutup ısındıklarından ve buharlaşma gibi bir nedenle de soğumadıklarından daha fazla ısıl ışınım yaparlar.

Su: Isıl kızıl ötesi bölgede suyun ışınım sıcaklığı tüm su kütlesini çok iyi yansıtacak şekilde ölçülebilir. Doğal su cisimlerinde enerji transferi konveksiyon yolu ile 100cm veya daha fazla derinliklere kadar gerçekleşir. Sabit bir yüzey sıcaklığına sahip olmasını sağlayan iç konveksiyonu olduğu için su cisimleri yüksek ısıl eylemsizliğe sahip gözükürler. Diğer bir ifade ile ısıl görüntülerde su cisimleri gün boyunca kendilerini çevreleyen kara cisimlerine nazaran daha soğuk, gece ise daha sıcak görüneceklerdir. Su kötü bir yansıtıcı ancak iyi bir yayıcıdır. Toprağa benzeyen bir ısıl ivmeye sahiptir.

Kayaçlar: Kaya gibi katı cisimlerde enerji transferi kondüksiyon yoluyla gerçekleşir ve ısı enerjisi yüzeye yakın kısımlarda yoğunlaşır. Bu durum gün boyunca oldukça yüksek, gece ise çok düşük sıcaklıklarda olmasına neden olur. Diğer bir ifade ile kayalık alanlarda ısı farkı oldukça yüksektir.

Zemin Materyalleri: Beton, asfalt, vb. materyaller hem gece hem de gündüz daha ılıktırlar. Bu tip materyallerin genelde gündüz Güneş ışınının iyi birer yutucusu olmaları ve oldukça yüksek ısıl kapasiteleri nedeniyle gün batımından sonraki saatlerde bile kuvvetli ısıl ışınıma sahiptirler.

Metal Yüzeyler: Çıplak metal yüzeyler hem gece hem de gündüz düşük ısıya sahiptirler.

Isıl İletkenlik : Isının bir cisim içerisindeki geçirim oranıdır. Kaya ve toprak gibi cisimlerin ısıl iletkenliği düşükken metalinki çok yüksektir. Bu nedenle bu malzemeler ısı yalıtımında kullanılabilir.

Isıl Kapasite: Bir malzemenin ısıyı depolama yeteneğidir. Suyun ısıl kapasitesi diğer bütün cisimlerden daha fazladır. Isıl kapasitesi yüksek olan cisimler mevcut sıcaklıklarını daha uzun süre muhafaza ederler.

Isıl Eylemsizlik: Bir malzemenin sıcaklık değişimlerine karşı ısıl tepkisidir. Isıl eylemsizliği büyük olan cisim günlük sıcaklık değişimi daha azdır. Diğer deyişle bütün gün boyunca daha uniform bir yüzey sıcaklığına sahiptir.

Isıl Difüzyon: Bir cismin yutma ve ışıma fazları arasında ısıyı içerisinde iletme yeteneğidir.

Atmosfer, sıcaklık ve yüksekliğin bir fonksiyonu olarak ısıl ışınım yapar. Yutulum ve ışınımı belirleyen temel etkenler, değişken gazların konsantrasyonları, askıdaki maddeler, karbon parçacıkları, duman, su buharı, bulut, sis, meteorolojik koşullar vb. anormal yeryüzü ısıl aktiviteleridir. Bir orman yangını, yakınındaki atmosfer katmanının ısınmasına neden olacaktır. Alt katmanlardan yayılan enerji, üst katmanlar tarafından yutulup tekrar yayınlandığından atmosfer için ısıl ışınım oldukça karmaşıktır. Atmosfer yeryüzüne ait ısıl ışınımı saçılım ve yutulum etkileri ile daha soğuk gösterirken, ısıl ışıma etkisiyle daha sıcak gösterir. Bu nedenle ısıl analizlerde atmosfer etkilerinin uygun modeller aracılığıyla dikkate alınması gerekir.

Isıl Görüntü ve Yorumlaması

Isıl algılayıcı sistemler, gelen ısıl enerjiyi, cisimlerin kinetik sıcaklıkları ve yayım katsayılarına göre ışıyan sıcaklığı olarak ölçerler. Kinetik sıcaklıklar, Güneş’in konumu, atmosferin durumu, meteorolojik koşullar ve yangın gibi olağan dışı etkilere bağlı değişkenlik gösterir. Yayım değeri ise, dalga boyuna, sıcaklığa, renge, pürüzlülüğe, su içeriğine ve bakış doğrultusuna göre değişkenlik gösterir. Isıl görüntülerin yorumlanmasında tek bantlı veya yanlış renkli ısıl kızıl ötesi görüntüler kullanılır. Tek bantlı ısıl kızıl ötesi görüntü diğer optik bölgelerden alınan görüntüler gibi gri-renk tonlu bir görüntüdür ve bu görüntülerin görsel yorumlanmasında dikkate alınan temel etkenler;

• Ton
• Zaman
• Gölge
• Büyüklük
• Biçim
• Doku
• Birleşim ve bölge ilişkilendirmeleridir

Genel olarak yeryüzü cisimlerinin analiz edildiği ısıl görüntülerde, koyu renk tonu daha düşük ışıyan sıcaklığı, açık renk tonu ise daha yüksek ışıyan sıcaklığı gösterir. Isıl algılamanın ne zaman yapılacağı da görüntü yorumlamasını etkileyen diğer bir faktördür. Gün ışığının olduğu saatlerde farklı ısıl özelliklere sahip cisimlerin ısınmalarında farklılıklar olacaktır ve bu etki topoğrafyaya bağlı olarak gölge etkisini ortaya çıkaracaktır. Bu durum görüntülerde gölge altında bulunan alanların koyu renk tonunda gözükmesine neden olacaktır. Aynı ısıl eylemsizliğe sahip cisimler için, çok sıcak yüzeyler çabuk soğuyacak ve topoğrafik etkiler kademeli olarak etkisini yitirecektir. Diğer yandan yüzeyin nemi ve yoğun bitki örtüsü ısıl görüntülerde farklı objeleri maskeleme özelliği olan faktörlerdir. Bu nedenle ısıl görüntülerin kullanımı daha çok kurak ve yarı kurak bölgelerde etkili olmaktadır.

Isıl görüntülerde farklı yeryüzü cisimlerinin görsel analizinde dikkate alınması gereken hususlar aşağıda yer almaktadır:

Atmosferik Bileşenler: Isıl enerji buluta nüfuz edemez, bunun yerine bulut tarafından yutulur ve tekrar ışınımlanır. Sıcaklıkları genellikle kendilerini çevreleyen hava ile aynı değerde olup ısıl görüntülerde koyu-parlak değişken bir görünüme sahiptirler. Duman ise uzun dalga boylarına karşı geçirimlidir. Dumanın örttüğü arazi ısıl görüntülerde net bir şekilde görülerektir. Rüzgâr, leke ve çizgi desenli görünümler oluştururken temas ettiği cisimlerin soğumasına neden olur.

Su: Isıl eylemsizliğine bağlı olarak su yapıları gündüz toprağa göre daha soğuk(daha koyu renk tonu) bir yüzey sıcaklığına sahip olurken geceleri daha sıcak (daha açık renk tonu) olurlar. Konveksiyon akımları su yüzeyinde rölatif olarak üniform dağılımlı sıcaklık oluşturur.

Toprak ve Kayaçlar: Toprak ve kayalarda konveksiyon olmadığı için Güneş kaynaklı kinetik sıcaklık yüzeyde oluşur. Gece bu enerji ısıl ışınımla yayıldığından ve konveksiyona bağlı olarak cisim tekrar ısınmadığından, toprak ve kaya, çevresindeki su yapısından daha soğuktur. Toprak nem içeriğine bağlı olarak buharlaşmayla birlikte soğuyacak ve ısıl görüntülerde koyu renkte görünecektir.

Ormanlar: Ağaç toplulukları gündüz görece koyu renkte görünürken gece açık renkte görünürler. Yapraklarda oluşan terleme, sıcaklığı düşürdüğü için bitki örtüsü topraktan daha koyu renkte görünür. Geceleri ise yüksek su içeriği ve yaprak katmanlarının yalıtım etkisinden dolayı bitki örtüsü, kendisini çevreleyen topraktan daha açık renk tonunda görünür.

Metal Yüzeyler: Çıplak metal yüzeyler düşük ısıları nedeniyle hem gece hem de gündüz koyu renk tonunda gözükürler.

Isıl görüntülerin doğru yorumlanması ve analiziyle,

• Kaya tipleri ve yapıları
• Jeolojik fayların konumları
• Toprak tipi ve toprak nemi
• Sulama kanallarındaki kaçakların konumları
• Volkanların ısıl özellikleri
• Bitki örtüsü terlemesi
• Soğuk su kaynaklarının konumları
• Sıcak su ve gayzerlerin konumları
• Göl ve nehirlerdeki ısıl ayrışmanın özellikleri
• Su yapılarındaki doğal sirkülasyon örüntüleri
• Aktif orman yangınlarının merkezleri ve konumsal dağılımları
• Çöplük ve benzeri karbon temelli atık bölgelerindeki yüzey altı yangınlarının konumları

belirlenebilir.

Isıl Algılayıcı Sistemler ve Uygulama Alanları

Isıl algılama sistemleri genellikle uçuş doğrultusuna dik yönde tarama yapan özel bir tür çok spektrumlu tarayıcılardır. Kullanılan algılayıcı sistemler sadece spektrumun ısıl kızıl ötesi bölgesine duyarlıdırlar. Optik ve yakın kızıl ötesi bölgede kullanılan fotografik sistemler ısıl enerjinin tespitinde kullanılamazlar.

Temel olarak bir ısıl algılayıcı sistem:

• Optik-mekanik tarama sistemi
• Isıl kızıl ötesi enerjiye duyarlı detektör
• Görüntü kayıt ve iletim sistemlerinden

oluşur.

Genellikle ısıl uzaktan algılama sistemleri yansıtılan enerjiyi algılayan sistemlere göre daha düşük spektral ve mekânsal çözünürlüğe sahiptirler. Bunun nedeni ise ısıl kızıl ötesi bölgede enerji yoğunluğunun düşük olmasıdır. Üretilen görüntülerdeki ışıyan sıcaklık değerlerinin olabildiğince doğru olmasını sağlamak için tek bir pikselin karşılık geldiği coğrafi alan rölatif olarak daha büyük, spektral bant sayısı daha az ve bant genişliği daha fazladır.

Isıl görüntülerin yapay uydu sistemleriyle uzaktan algılanması, 1960 yılında meteorolojik amaçlı bir sistem olan TIROS sistemi ile başlamıştır. Daha sonra, 1978 yılında bilimsel(daha çok jeolojik uygulamalara yönelik) amaçlı ilk ısıl sistem olan HCMM (Heat Capacity Mapping Mission -Isıl Kapasite Haritalama Misyonu) sistemi fırlatılmıştır. Tablo 3.4(s.58) te yaygın olarak kullanılan ısıl algılayıcılar mevcuttur.

Uygulama Örnekleri: Bir cismin ısıl ışınım özelliği üst yüzey tabakasını temsil eder. Ölçülen ısıl ışınım, diğer yöntemleri destekleyici olabildiği gibi bağımsız olarak da yeryüzü cisimlerinin özelliklerinin tanımlanmasında kullanılır. Uzaktan algılamada büyük uygulama potansiyeli olan ısıl görüntülerin genel uygulama alanları

• Jeolojik yapıların tanımlanması
• Toprak nemi çalışmaları
• Hidroloji
• Kıyı bölgeleri
• Orman yangınları
• Maden ve kömür yangınları
• Sismoloji
• Çevresel modelleme
• Meteoroloji
• İstihbarat ve askeri uygulamalar
• Yapılardaki ısı kayıpları

olarak özetlenebilir.