Assessing water surface temperature from Landsat thermal imagery in Kılavuzlu Reservoir

Abstract

Water surface temperature is one of the important parameters observed in inland waters that are sensitive to changes in anthropogenic and/or natural factors. To manage sustainable water resources management and protection of ecological functions, satellite-based thermal data are widely used in monitoring water surface temperatures in many studies where regular in-situ measurements cannot be measure. Our country has approximately 1000 natural and artificial inland water bodies. Kılavuzlu Dam Lake (Kahramanmaraş) that one of them, the water temperature was obtained by in-situ measurements in three periods of 2018. This study aims to assess the consistency between the water surface temperatures sensed with the Landsat 8 thermal images and in-situ data. According to the in-situ measurement results, while the lowest mean water surface temperature values (14,38°C) were measured in April, the highest mean water surface temperature values (21,45°C) were measured in August. Ordinary Least Square (OLS) results shows that, the degree of fit between the in-situ and thermal temperature model was 0,65, the root mean square error was 2,55 degrees, and the standard error was 1,54 degrees. The water temperature values obtained in Landsat thermal images in November are lower than the ground measurements. While, in the model, the standard error values of the temperatures in April are higher. Although the applicability of the developed model in the Kılavuzlu Reservoir is low due to limited in-situ data in all periods, it has shown that it has significant potential in monitoring water surface temperatures for the region.

Keywords

• water surface temperature
• Landsat TIRS
• Kılavuzlu Reservoir
• Kahramanmaraş

Kılavuzlu Baraj Gölü'nde Landsat termal görüntüleri ile su yüzey sıcaklığının değerlendirilmesi

Öz

Antropojenik ve/veya doğal faktörlerdeki değişimlere duyarlı olan kıta içi su kütlelerinde gözlenen önemli parametrelerden biri su yüzey sıcaklıklarıdır. Sürdürülebilir su kaynakları yönetimi ve ekolojik fonksiyonların korunması amacıyla düzenli yersel ölçümlerinin yapılamadığı birçok çalışmada su yüzeyi sıcaklıklarının izlenmesinde uydu tabanlı termal veriler yaygın olarak kullanılmaktadır. Ülkemizde 1000'e yakın doğal ve yapay kıta içi su kütlesi bulunmaktadır. Bunlardan biri olan Kılavuzlu Baraj Gölü (Kahramanmaraş), su yüzey sıcaklıkları 2018 yılının üç döneminde yerinde ölçümlerle ölçülmüştür. Bu çalışmanın amacı, Landsat 8 termal görüntüleri ile algılanan su yüzey sıcaklıkları ile yerinde ölçümler arasındaki tutarlılığın değerlendirilmesidir. Yerinde ölçüm sonuçlarına göre, en düşük ortalama su yüzey sıcaklık değerleri (14,38°C) Nisan ayında ve en yüksek ortalama su yüzey sıcaklık değerleri (21,45°C) Ağustos ayında ölçülmüştür. Ordinary Least Square (OLS) sonuçlarına göre, yerinde ve termal sıcaklık modeli arasındaki uyum derecesi 0,65, ortalama karekök hatası 2,55 derece ve standart hata 1,54 derecedir. Landsat termal görüntülerinden Kasım ayında elde edilen su yüzey sıcaklık değerleri yer ölçümlerinden daha düşüktür. Modelde ise Nisan ayı sıcaklıklarının standart hata değerleri daha yüksektir. Geliştirilen modelin Kılavuzlu baraj gölünde tüm dönemlerdeki sınırlı yersel veri nedeniyle uygulanabilirliği düşük olmasına karşın bölge için su yüzeyi sıcaklıklarının izlenmesinde önemli bir potansiyele sahip olduğunu göstermiştir.

Anahtar Kelimeler

• su yüzey sıcaklığı
• Landsat TIRS
• Kılavuzlu baraj gölü
• Kahramanmaraş

References

1. Bonansea, M., Ferrero, S., Ferral, A., Ledesma, M., German, A., Carreño, J., Rodriguez, C. & Pinotti, L. (2021). Assessing water surface temperature from Landsat imagery and its relationship with a nuclear power plant. Hydrological Sciences Journal, 66(1), 50-58.
2. Bozkurt, A. (2016). Zooplankton of Kılavuzlu Dam Lake (Kahramanmaraş) and the effect of cage fish farming on water quality and zooplankton fauna of the Dam Lake. Journal of Aquaculture Engineering and Fisheries Research, 2(3), 97-108.
3. Çakaroz, D., Özelkan, E. & Karaman, M. (2020). Sulak alanlarda uzaktan algılama ile belirlenen zamansal değişime kuraklığın etkisinin incelenmesi: Umurbey deltası (Çanakkale) örneği. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (20), 898-916.
4. Ding, H., & Elmore, A. J. (2015). Spatio-temporal patterns in water surface temperature from Landsat time series data in the Chesapeake Bay, USA. Remote Sensing of Environment, 168, 335-348.
5. Fakıoğlu, Ö., Atamanalp, Ö. & Demir, N. (2011). Baraj göllerinde toksik mavi-yesil algler. Ankara Üniversitesi Çevrebilimleri Dergisi, 3(2), 65-71.
6. Gülci, S., Gülci, N., & Yüksel, K. (2019). Aslantaş Baraj Gölü ve çevresinin su yüzey alanı ve arazi örtüsü değişiminin Landsat uydu görüntüleri kullanılarak izlenmesi. Journal of the Institute of Science and Technology, 9(1), 100-110.
7. HKEPH-CH (2010). Havza Koruma Eylem Planlarının Hazırlanması-Ceyhan Havzası, TÜBİTAK MAM Çevre Enstitüsü, Gebze, Türkiye.
8. Jang, J. C., & Park, K. (2019). High-resolution sea surface temperature retrieval from Landsat 8 OLI/TIRS data at coastal regions. Remote Sensing, 11(22), 2687.

9. Jiménez-Muñoz, J. C., Sobrino, J. A., Skoković, D., Mattar, C., & Cristóbal, J. (2014). Land surface temperature retrieval methods from Landsat-8 thermal infrared sensor data. IEEE Geoscience and remote sensing letters, 11(10), 1840-1843.
10. Kara, C. & Çömlekçioğlu, U. (2004). Karaçay (Kahramanmaraş)’ın kirliliğinin biyolojik ve fiziko-kimyasal parametrelerle incelenmesi. KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi, 7(1).
11. K-ÇDR (Kahramanmaraş İli Çevre Durum Raporu), (2016). Çevresel Etki Değerlendirme Hizmetleri ve Çevre İzinleri Şube Müdürlüğü, Çevre ve Şehircilik İl Müdürlüğü, Kahramanmaraş Valiliği.
12. Küçükönder, M. (2022). Kılavuzlu Baraj Gölü (Kahramanmaraş) Su Kalitesi ve Kanada Su Kalite İndeks Sınıfı, Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, DOI: 10.47495/okufbed.972211.
13. Mitchell, A. (2005). The ESRI Guide to GIS Analysis, Volume 2: Spatial measurements and statistics. ESRI Press, ISBN:1-58948-116-X.
14. Lamaro, A. A., Marinelarena, A., Torrusio, S. E., & Sala, S. E. (2013). Water surface temperature estimation from Landsat 7 ETM+ thermal infrared data using the generalized single-channel method: Case study of Embalse del Río Tercero (Córdoba, Argentina). Advances in Space Research, 51(3), 492-500.
15. Özçalık, H., Torun, A. T., & Bilgilioğlu, S. (2020). Landsat uydu görüntüleri kullanılarak Mogan Gölü’nün su yüzeyi ve arazi örtü değişiminin belirlenmesi. Türkiye Uzaktan Algılama Dergisi, 2(2), 77-84.
16. Peker, E. A. (2019). Spatio-temporal changes of lake water extents in lakes region (Turkey) using remote sensing. Yüksek Lisans Tezi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara, 149s.
17. Ptak, M., Choiński, A., Piekarczyk, J., & Pryłowski, T. (2017). Applying Landsat Satellite Thermal Images in the Analysis of Polish Lake Temperatures. Polish Journal of Environmental Studies, 26(5).
18. Sabuncu, A. (2020). Burdur Gölü kıyı şeridindeki değişiminin uzaktan algılama ile haritalanması. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(4), 623-633.
19. Sharaf, N., Fadel, A., Bresciani, M., Giardino, C., Lemaire, B. J., Slim, K., Faour, G. & Vinçon-Leite, B. (2019). Lake surface temperature retrieval from Landsat-8 and retrospective analysis in Karaoun Reservoir, Lebanon. Journal of Applied Remote Sensing, 13(4), 044505.
20. Şener, E. (2016). Burdur Gölü Yüzey Suyu Sıcaklığı Mevsimsel Değişiminin Landsat 8 Uydu Görüntüleri Kullanılarak Belirlenmesi. Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 4(2).
21. Tanrıverdi, Ç., Alp, A., Demirkıran, A.R. & Üçkardeş, F. (2010). Assessment of surface water quality of the Ceyhan River basin, Turkey. Environmental Monitoring and Assessment, 167(1), 175-184.
22. Topuz, M., & Karabulut, M. (2018). Sarıkum gölünde (Sinop) meydana gelen zamansal değişimlerin ve ekolojik etkilerinin incelenmesi. Journal of International Social Research, 11(60).
23. Turgut, A. & Küçükönder, M. (2016). Kahramanmaraş İli Barajlarında Landsat 8 (OLI) kullanarak su kalitesinin izlenmesi. 6. Uzaktan Algılama-CBS Sempozyumu, Adana, Türkiye, 640-649.
24. Tuzcu, A. (2019). Akgöl Sulak Alanı’nın yüksek çözünürlüklü uydu görüntüleri ile incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, 278s.
25. Xu, H. (2006). Modification of normalized difference water index (NDWI) to enhance open water features in remotely sensed imagery. International Journal of Remote Sensing, 27, 3025-3033.
26. Zhang, Y., Peng, C., Wang, J., Huang, S., Hu, Y., Zhang, J. & Li, D. (2019). Temperature and silicate are significant driving factors for the seasonal shift of dominant diatoms in a drinking water reservoir. Journal of Oceanology and Limnology, 37(2), 568-579.