Yazarlar: Francesco Carta, Chiara Zidda, Martina Putzu, Daniele Loru, Matteo Anedda * ve Daniele Giusto *
Kuruluş: CNIT UdR, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Cagliari Üniversitesi, 09123 Cagliari, İtalya f.carta52@studenti.unica.it (F.C.); chiara.zidda@unica.it (C.Z.); m.putzu21@studenti.unica.it (M.P.); d.loru2@studenti.unica.it (D.L.)
Özet
Günümüzde teknolojik ve çevresel gelişmelerle ilgili zorluklar giderek daha karmaşık hale gelmektedir. Çevresel açıdan önemli sorunlar arasında orman yangınları, küresel ekosistem için ciddi bir tehdit oluşturmaktadır. Ormanlara verilen zarar çok yönlüdür; yalnızca karasal ekosistemlerin yok olmasına değil, aynı zamanda iklim değişikliklerine de yol açmaktadır. Bu nedenle, hem insanlar hem de doğa üzerindeki etkilerini azaltmak için önleme, erken uyarı ve iyi koordine edilmiş müdahalelerin benimsenmesi gerekmektedir.
Bu çalışma, geçmişten günümüze orman yangınlarının tespiti, izlenmesi ve önlenmesinde kullanılan çeşitli teknolojilerin evrimini analiz etmektedir. Alandaki güçlü yönleri, sınırlılıkları ve gelecekteki gelişmeleri vurgulamaktadır. Orman yangınları, ekosistemler üzerindeki yıkıcı etkileri ve iklim üzerindeki potansiyel sonuçları nedeniyle kritik bir çevresel sorun olarak ortaya çıkmıştır. Bu sorunun ele alınmasında teknolojinin evrimini anlamak, orman yangınlarını azaltmak ve önlemek için daha etkili stratejiler geliştirmek açısından önemlidir.
Anahtar Kelimeler
Yangın tespiti · Karasal · Hava · Uydu · Yapay zekâ · Derin öğrenme · İHA · Sensörler
1. Giriş
Dünya ormanlarının yok oluşu, yoğun tarımsal faaliyetler ve yangınlar nedeniyle hızla artmaktadır. Yüzyılın başına kıyasla orman alanı yarı yarıya azalmıştır. Bu duruma ek olarak, iklim değişikliğinin tetiklediği sıcaklık artışları ve kuraklık da süreci hızlandırmaktadır. Yalnızca 2021 yılında 9 milyon hektar orman kaybedilmiş olup bu alan Avrupa’da Portekiz’in yüzölçümüne eşittir. Bu kayıpların 7,8 milyonu Rusya, Kanada ve Amerika Birleşik Devletleri’nde gerçekleşmiştir. İtalya’da (Avrupa-Akdeniz bölgesi) son 14 yılda 723.924 hektar orman yok olurken, yalnızca 2021 yılında 159.437 hektar orman alanı alevler tarafından yok edilmiştir. Bu durum, her yıl giderek daha yoğun şekilde sömürülen bir dünya için kritik bir eşik oluşturmaktadır [1].
Orman yangınları, ormanlar ve kara ekosistemleri için ciddi ve çok boyutlu bir tehdit teşkil etmekte olup, acil dikkat ve proaktif önlemler gerektirmektedir. Bu yangınlar, ormanlık alanların ötesine taşan önemli ekolojik, ekonomik ve sosyal sonuçlar doğurmaktadır.
Orman yangınlarının nedenleri hem doğal hem de insan kaynaklıdır. Doğal nedenler arasında yıldırım düşmesi, volkanik faaliyetler ve kendiliğinden tutuşma yer almaktadır. İnsan kaynaklı nedenler ise kontrolsüz tarımsal uygulamalar, arazi kullanımındaki değişiklikler, kundaklama ve ihmal gibi faktörleri kapsamaktadır. Ayrıca iklim değişikliği, yangın koşullarının şiddetlenmesine katkıda bulunarak orman yangınlarının sıklığını ve yoğunluğunu artırmaktadır [2].
Ekolojik açıdan orman yangınlarının sonuçları derindir. Habitatların yok edilmesi ve bitki ile hayvan türlerinin tehlikeye atılması yoluyla biyolojik çeşitliliğin kaybına neden olmaktadır. Toprak bozulması da bir diğer önemli etkidir; erozyon, besin kaybı ve verimliliğin azalmasına yol açmaktadır.
Orman yangınları ayrıca besin döngüsü gibi kritik ekolojik süreçleri bozmakta ve süksesyon ile yenilenme modellerini değiştirmektedir. Bu yangınlar ekosistemlerin istilacı türlere karşı hassasiyetini de artırmaktadır [3].
Orman yangınlarının etkileri kara ekosistemlerine kadar uzanmaktadır. Ormansızlaşma ve habitat kaybı, ekosistem bütünlüğü açısından ciddi sonuçlar doğuran geri dönüşü olmayan zararlardır. Orman yangınları, iklim değişikliğini ve küresel ısınmayı şiddetlendiren yüksek miktarda karbon salınımına yol açmaktadır [4]. Su kaynakları ve hidrolojik döngüler de etkilenmekte; su kalitesi sorunları, azalan kullanılabilirlik ve havza işlevlerinde bozulmalar ortaya çıkmaktadır. Sosyoekonomik açıdan orman yangınları, geçim kaynaklarının kaybına, toplulukların yerinden edilmesine ve etkilenen bölgelerde önemli ekonomik yüklerin oluşmasına neden olmaktadır.
Bu tehdidi etkin biçimde ele almak için kapsamlı yangın yönetim stratejileri gereklidir. Erken tespit ve hızlı müdahale sistemleri, izleme ve gözetim açısından kritik rol oynamakta ve zamanında harekete geçilmesini sağlamaktadır. Kontrollü yakmalar, yakıt yönetimi ve kamuoyu farkındalık kampanyaları gibi yangın önleme tedbirleri [5], yangın risklerinin azaltılmasında büyük önem taşımaktadır. Yangın söndürme teknikleri ise yangınların kontrol altına alınması ve söndürülmesi için yangınla mücadele kaynaklarının ve altyapısının seferber edilmesini içermektedir. Toplulukların aktif katılımı ve kapasite geliştirme çalışmaları, yangına karşı güvenli uygulamaları ve toplumsal direnci artırmaktadır. Uluslararası iş birliği ve bilgi paylaşımı, yangın yönetiminde ortak uzmanlık ve kaynakların kullanılmasını sağlayarak iş birliğine dayalı yaklaşımları kolaylaştırmaktadır.
Orman yangınlarının tespiti ve izlenmesine ilişkin kuramsal arka plan, çok sayıda bilimsel disiplin ve ilkeyi kapsamaktadır. Temel unsurlar arasında yangın davranışı ve yayılımı, uzaktan algılama, veri analizi ve modelleme yer almaktadır.
Yangın davranışını ve yayılımını anlamak, etkin tespit ve izleme için kritik öneme sahiptir. Bu, ısı transferi, yanma süreçleri ve yangın dinamikleri gibi yangının fiziksel özelliklerinin incelenmesini içerir. Yangınların nasıl başladığını, yayıldığını ve çevreyle etkileşime girdiğini kavrayarak bilim insanları ve uygulayıcılar daha doğru tespit ve izleme stratejileri geliştirebilmektedir.
Uzaktan algılama, orman yangınlarının tespiti ve izlenmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Uydu görüntüleri, hava fotoğrafları ve diğer sensör teknolojilerinin kullanımıyla yangın olayları, duman sütunları ve yanmış alanlara ilişkin veriler elde edilmektedir. Uzaktan algılama, geniş coğrafi alanlarda yangınların tanımlanmasını ve izlenmesini mümkün kılarak karar alma ve kaynak tahsisine yönelik değerli bilgiler sunmaktadır.
Veri analizi, orman yangınlarının tespiti ve izlenmesinde hayati bir bileşendir. Uydu görüntüleri, meteoroloji istasyonları ve yer tabanlı sensörler gibi çeşitli kaynaklardan toplanan verilerin işlenmesi ve yorumlanmasını içerir [6]. Görüntü işleme, istatistiksel analiz ve makine öğrenmesi gibi veri analizi teknikleri, yangın imzalarının belirlenmesine, anomalilerin tespitine ve yangın yönetimi için zamanında bilgi sağlanmasına yardımcı olmaktadır.
Modelleme, orman yangınlarının tespiti ve izlenmesinde bir diğer kritik unsurdur. Matematiksel ve hesaplamalı modeller [7], yangın davranışını simüle etmek, yangın yayılımını öngörmek ve olası etkileri değerlendirmek için kullanılmaktadır. Bu modeller; hava koşulları, yakıt özellikleri ve arazi gibi faktörleri dikkate alarak öngörüler üretmekte ve karar verme süreçlerini desteklemektedir.
Orman yangınlarının tespiti ve izlenmesine ilişkin kuramsal arka plan; yangın davranışının anlaşılması, uzaktan algılama teknolojilerinin kullanımı, veri analizi teknikleri ve yangınların öngörülmesi ile izlenmesine yönelik modellerin geliştirilmesini kapsamaktadır. Bu kuramsal temellerin entegrasyonu sayesinde araştırmacılar ve uygulayıcılar, yangın tespit ve izleme sistemlerinin etkinliğini artırarak daha verimli yangın yönetimi ve azaltma çalışmalarına katkı sağlayabilmektedir.
Gelişmiş bilgi ve iletişim teknolojisi (ICT) sistemlerinin bir çevreye kesintisiz biçimde entegre edilmesi, bu yüksek teknolojili sistemlerin çevrenin ayrılmaz bir parçası haline gelmesini sağlar. Bu entegrasyon, çevreye ek özellikler kazandırmakta; özellikle öz-izleme ve öz-koruma yetenekleriyle çevreye temel düzeyde bir zekâ kapasitesi sunmaktadır.
Bu zekâ, çevrenin yalnızca tepkisel değil aynı zamanda proaktif biçimde çalışmasını, kendi kendini korumayı önceliklendirmesini sağlamaktadır. Sonuç olarak çevre, akıllı bir çevreye; daha kesin bir ifadeyle, kendi kendini izleyen, kendi kendini koruyan ve öz-farkındalığa sahip akıllı bir çevreye dönüşmektedir. Çevre değişikliklere anında tepki vermekte ve sorumlu kişileri gerçek zamanlı olarak uyarmakta, böylece daha fazla bozulmayı önlemek için uygun önlemler almalarına imkân tanımaktadır.
Stipanicev ve arkadaşları [8], bu tür bir akıllı çevrenin mimarisine ilişkin genel bir bakış sunmakta olup, gelişmiş bir sensör ağı olan “gözlemci ağ (observer network)” üzerine kuruludur. Ayrıca, örnek olarak bir orman yangını izleme sisteminin mimarisini ele almaktadır. Tartışılan yaklaşım, Bennet ve arkadaşları tarafından 1987’de [9] ortaya konulan “resmi gözlemci” kavramına dayanmaktadır. Bu yaklaşım, algı çalışmalarına hem titiz hem de genel bir bakış getirmeyi amaçlamıştır. Matematiksel model, çeşitli senaryolarda orman yangını tespit sistemlerinin ve akıllı orman yangını izleme sistemlerinin bir parçası olarak uygulanmıştır.
Bununla birlikte, ele alınması gereken çeşitli zorluklar bulunmaktadır. İklim değişikliğinin sonuçları ve buna bağlı olarak artan yangın riskleri uyarlanabilir stratejiler gerektirmektedir. Koruma hedefleri ile sosyoekonomik ihtiyaçların dengelenmesi dikkatli değerlendirme ve bütünleşik yaklaşımlar gerektirir. Geleneksel ekolojik bilgi ve yerli yangın yönetimi uygulamalarının dahil edilmesi, değerli içgörüler sağlayarak daha etkili stratejilere katkıda bulunabilir. Erken uyarı sistemleri ve yenilikçi yangın söndürme teknikleri gibi teknolojik gelişmeler, iyileştirme için umut verici yollar sunmaktadır. Uluslararası iş birliğinin ve bilgi paylaşımının güçlendirilmesi, bu tehdidin küresel doğasıyla başa çıkmak için hayati öneme sahiptir.
Orman yangınlarının ormanlara ve kara ekosistemlerine yönelik ciddi tehdidi derhal harekete geçilmesini gerektirmektedir. Sürdürülebilir orman yönetimi uygulamaları, etkili yangın önleme stratejileri ve sağlam politikalar gibi proaktif önlemlerle orman yangınlarının yıkıcı etkileri azaltılabilir. Küresel iş birliği ve ortak çabaların aciliyeti, değerli ormanlarımızı ve kara ekosistemlerimizi bu yaygın tehditten korumak için vurgulanmalıdır.
Bu nedenle, önleme, yangınların meydana gelme sıklığını ve şiddetini en aza indirmede kritik bir rol oynamakta; proaktif ve sürdürülebilir bir yaklaşım sunmaktadır. Bu yaklaşım yalnızca yaşamları, kaynakları ve ekosistemleri korumakla kalmaz, aynı zamanda yangına eğilimli toplulukların refahını ve geçim kaynaklarını da güvence altına alır. Güney Avrupa’da yangın önleme amacıyla yakıt yönetimi çoğu zaman ekonomik açıdan sürdürülemez olmaktadır. Ascoli ve arkadaşları [5], Güney AB ülkelerindeki yakıt yönetimi girişimlerini incelemekte ve sürdürülebilir çözümler önermektedir. Yenilikçi girişimler, yakıt yönetimi ürün ve hizmetlerinin değerini artırmak için hem kamu hem de özel kaynakları içermektedir.
Sousa ve arkadaşları [10], Portekiz’de orman yangını yayılımı üzerine bir çalışma yürütmüş; bitki örtüsü, iklim, topoğrafya ve insan etkisi gibi çeşitli faktörleri analiz etmiştir. Homojen bölgeleri belirlemek için mekânsal kümeleme analizi kullanmış ve geniş çaplı yangın yayılımında farklı unsurların katkısını anlamak için regresyon modellerinden yararlanmıştır. Çalışma, yapısal faktörlerin yangın yayılımı üzerindeki etkisinde mekânsal değişkenlik olduğunu ortaya koymuştur.
Granville ve arkadaşları [11], 1976–2019 yılları arasında Ontario’nun Crown orman alanlarında yangın büyüme dağılımlarını analiz etmiştir. Kanada’nın Ontario eyaletinde endüstriyel ormancılık faaliyetleri, yangın riskini azaltmak amacıyla “Değiştirilmiş Endüstriyel Operasyonlar Protokolü” (MIOP) ile sınırlandırılmıştır. Çalışma, zaman içinde yangın büyüme tepkisinde yinelemeli iyileşmeler olduğunu ve MIOP’un olumsuz etkileri azaltmada etkinliğini göstermiştir. MIOP, endüstriyel ormancılık faaliyetlerinde operasyonel esneklik sağlarken güvenli uygulamaları teşvik etmekte ve endüstriyel faaliyetlerden kaynaklanan yangınların olumsuz etkilerini en aza indirmeyi amaçlamaktadır.
Athanasiou ve arkadaşları [12], Yunanistan’da kontrollü yakmanın (prescribed burning-PB) yeniden güvenilir ve etkili bir yangın önleme aracı olarak tanıtılmasını amaçlayan iki yıllık pilot projenin ilk aşamasını tanımlamaktadır. Proje, yangın davranışı ve bunun toprak, ağaçlar ve bitki biyolojik çeşitliliği üzerindeki etkisine ilişkin bilgi toplamak için planlı saha deneylerini içermektedir. Bu deneysel yangınlar aynı zamanda itfaiyeciler, arazi yöneticileri ve araştırmacılar için eğitim fırsatları sunmaktadır.
McGee ve arkadaşları [13], Kanada’nın Alberta eyaletindeki Edson orman bölgesinde kırsal sakinler arasında yangın kullanımı, yangın izinleri ve güvenli yakma uygulamalarını inceleyen bir çalışmada bu konuları ele almaktadır. İlgili anket, çoğu katılımcının mülklerinde yangın kullandığını ve yerel yangın riskinin farkında olduğunu, ancak tarımsal yangın kullanımının orman yangınlarına katkısının sınırlı ölçüde fark edildiğini ortaya koymuştur.
Benzer sorunlarla dünyanın farklı bölgelerinde, örneğin Avustralya, Yeni Zelanda ve Afrika’da da çalışmalar yapılmıştır [14]. [15] numaralı çalışmada geri yangın üzerine matematiksel bir yaklaşım sunulurken, [16] numaralı çalışmada yangının doğal yönünü yönlendirmeye ve etkilemeye yönelik operasyonel bir metodoloji tartışılmaktadır.
Orman yangınlarının izlenmesi, tespiti ve önlenmesi; erken tespit, müdahale ve yönetimi geliştirmek amacıyla çeşitli yöntemler, sistemler ve sensörlerden yararlanmaktadır. Uydu ve hava platformları gibi uzaktan algılama teknikleri, yangın sıcak noktaları, duman sütunları ve yanmış alanlara ilişkin gerçek zamanlı veriler sağlamaktadır. Coğrafi Bilgi Sistemleri (GIS), risk haritalaması ve kaynak tahsisi için mekânsal verileri entegre etmektedir. Hava durumu izleme sistemleri ve tahmin modelleri, yangın hava tahminleri ve erken uyarı sistemlerine katkıda bulunmaktadır. Yer tabanlı ve uydu tabanlı sensörleri içeren yangın tespit sistemleri, ısı imzalarını, dumanı ve alevleri belirleyerek hızlı müdahaleye olanak tanımaktadır. Sensör ağları çevresel koşulları sürekli izlerken, makine öğrenmesi ve yapay zekâ verileri analiz ederek yangın tespit algoritmalarını geliştirmektedir. Kontrollü yakma ve yakıt yönetimi uygulamaları yangın riskini azaltmaktadır. Topluluk katılımı ve kamuoyu farkındalık programları, yangına karşı güvenli uygulamaları ve yangın tehlikelerinin erken raporlanmasını teşvik etmektedir. Bu yaklaşımların uygulanmasıyla orman yangınlarının izlenmesi, tespiti ve önlenmesi daha etkili hale gelmekte; ekosistemler ve topluluklar üzerindeki etkileri azaltılmaktadır.
Bu makale, günümüzde kullanılan yöntemler ve sensör teknolojileriyle desteklenen başlıca sistemleri ayrıntılı biçimde ele almayı amaçlamaktadır. Görüntü analizi, kontrol kulelerine kurulan statik alım sistemleri veya uydulardan elde edilen görüntüler aracılığıyla gerçekleştirilebilen yaygın bir prosedürdür; R. Shanmuga ve arkadaşları [17] tarafından açıklanmıştır. Daha yeni yöntemler, uydulardan daha hızlı analiz imkânı sağlayan ve diğer teknolojilere kıyasla daha düşük maliyetli olan insansız hava araçlarının (İHA) kullanımını içermektedir. Örneğin, Zhentian Jiao ve arkadaşları [18], İHA’ya monte edilmiş derinlik kamerasından okunan verilere uygulanan YOLO sinir ağının kullanımını önermekte; bu yöntem olası bir orman yangınına ilişkin görüntüleri gerçek zamanlı olarak sağlamaktadır.
Bilimsel araştırmalar, en azından bu eğilimleri karşılamak amacıyla çok sayıda ilerleme kaydetmekte ve 2000’li yılların başından günümüze çeşitli alternatifler, değişiklikler ve yenilikler önermektedir. Günümüzde, örneğin yapay zekâ teknikleri kullanılarak görüntü analizinde gelişmiş araçlarla her bir video karesine uygulanmakta ve yangın başlangıcına işaret edebilecek tüm ayrıntıların çıkarılması mümkün olmaktadır. Dongqing Shen ve arkadaşları [19], bu bağlamda YOLO sinir ağının uygulanmasını incelemektedir. Her ne kadar bu makalelerin kaynakları mevcut bibliyografyada yer almasa da, konuya ilişkin değerli içgörüler sunmaktadır.
Barmpoutis ve arkadaşları [20], bu tür kablosuz sensörlerin kameralarla birlikte kullanılarak gerçek bir yangın varlığının belirlenmesi ve konumunun tespit edilmesi üzerine çalışmaktadır. Yeni iletişim ağları, düğümler arası ve düğümden ağ geçidine iletişimi mümkün kılarak kapsama alanını genişletmekte ve radyo sinyaliyle ulaşılması zor olan bölgelere erişimi sağlamaktadır.
Bu analiz, yangın tespiti ve önlenmesinde kullanılan farklı teknolojilerin sunduğu güçlü yönleri ve avantajları incelemektedir. Gelişmiş görüntü analizi, yapay zekâ tekniklerinin kullanımı ve sensör ağlarının entegrasyonu gibi teknolojik ilerlemeler, yangınların zamanında tespit edilmesini mümkün kılmakta; erken uyarı sistemlerini güçlendirmekte ve proaktif önlemlerin alınmasına olanak tanımaktadır. Bununla birlikte, bu teknolojilerin sürekli izleme gereksinimi, olası yanlış alarmlar ve farklı coğrafi bağlamlarda uygulanmalarına ilişkin zorluklar gibi sınırlılıklarının da kabul edilmesi önemlidir.
Ayrıca, bu çalışma yangın tespiti ve önlenmesi alanındaki olası gelecekteki gelişmeleri incelemektedir. Yangın yönetim stratejilerinin etkinliğini daha da artırabilecek yeni teknolojiler ve yaklaşımlar ele alınmaktadır. Amaç, mevcut teknolojinin durumuna ilişkin kapsamlı bir genel bakış sunmak ve bu alanda daha fazla araştırma ile yeniliği teşvik etmektir (Şekil 1’de gösterildiği gibi).
Mevcut teknolojilerin güçlü yönlerini, sınırlılıklarını ve gelecekteki potansiyelini belirleyerek, bu analiz hem çevre hem de insan refahı üzerindeki orman yangınlarının etkilerini azaltmaya yönelik daha verimli ve sürdürülebilir yaklaşımların geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır.