Набор данных Earth Timelapse представляет собой визуальную запись изменений на планете за четыре десятилетия, с 1984 по 2022 год. Синтезированный Google на основе петабайтов космических наблюдений, полученных в ходе миссий NASA/USGS Landsat (Landsat 4, 5, 7, 8 и 9) и созвездия ESA Copernicus Sentinel-2, набор данных предлагается в виде ежегодных мозаик для визуальной интерпретации.
Ежегодные мозаики представляют собой глобально полные, заполненные пробелы и замаскированные водой визуальные базовые карты, которые используются в интерактивном общедоступном средстве просмотра таймлапсов Google Earth. Пробелы в наблюдениях до 1999 года плавно восстанавливаются с помощью попиксельной временной линейной регрессионной интерполяции по смежным действительным годам наблюдений. Открытые океанские воды заменены стилизованной батиметрией с затененным рельефом NOAA ETOPO1 и глобальным маскированием воды (с использованием наборов данных Hansen GFC и MOD44W). Эти данные подходят для: визуальной интерпретации, образовательного повествования, базового картографирования или экспорта пользовательского видео.
Эпохи пространственного разрешения
Коллекция Earth Timelapse охватывает два различных периода пространственного разрешения:
- 1984–2014 (30 м/пиксель): Синтезировано на основе наблюдений USGS/NASA Landsat 4, 5, 7 и 8. Изображения представлены в виде сетки Web Mercator (
EPSG:3857) с разрешением 30 метров. - 2015–настоящее время (19,11 м/пиксель): Синтезировано путем объединения наблюдений многоспектрального прибора ESA Copernicus Sentinel-2A/2B (MSI) (10 м/20 м исходное разрешение) со спутниками Landsat 8 и 9. Изображения представлены в виде сетки Web Mercator (
EPSG:3857) с разрешением ~19,11 метров.
Ежегодные мозаичные изображения охватывают все материки и прибрежные зоны планеты от приблизительно 82,6° южной широты до 83,69° северной широты. Для обобщения данных дистанционного зондирования Земли за более чем четыре десятилетия требуется согласование разрозненных спутниковых группировок с учетом срока службы, типов датчиков, орбитальных конфигураций и атмосферных возмущений.
В конвейер обработки данных Earth Timelapse поступают миллионы отдельных снимков из программы Landsat Геологической службы США/НАСА (Landsat 4, 5, 7, 8 и 9) и созвездия Copernicus Sentinel-2 Европейского космического агентства (ESA) . Для преобразования необработанных данных и данных с верхней границы атмосферы (TOA) в согласованные годовые базовые карты каждый снимок обрабатывается с помощью следующих методов:
- Фенологическая и сезонная фильтрация изображения для оптимизации пикового роста растительности и минимизации кратковременных сезонных эффектов.
- Восстановление отсутствующих каналов и устранение аномалий датчиков (например, насыщение TIRS на Landsat 8, артефакты, связанные с отключением SLC на Landsat 7).
- Многосенсорная оценка качества облаков, дымки и теней, сочетающая в себе данные Landsat
simpleCloudScore, эвристический метод восстановления облаков в космосе HSV и Sentinel-2Cloud Score+. - Панхроматическая нормализация и структурное псевдопан-резкость для повышения видимого разрешения.
- Откалиброванная по BRDF модель MODIS радиометрическая нормализация с использованием многомасштабной низкочастотной пространственной фильтрации для устранения границ сцены при сохранении локальных текстур поверхности.
- Заточка лезвия с учетом экономии воды позволяет избежать обесцвечивания прибрежной полосы.
- Временная 16-битная медианная композиция для подавления переходного атмосферного шума, теней и эфемерных артефактов.
- Временная линейная регрессионная интерполяция (для глобальных конечных активов) для восстановления недостающих наблюдений в мозаиках, созданных до 1999 года.
- Глобальное моделирование океанической батиметрии и маскирование водных объектов с использованием данных NOAA ETOPO1, Hansen Global Forest Change и MODIS.
- Глобальная балансировка цвета, сохранение точки белого полярного льда, многомасштабное локальное повышение контрастности (LCE) для улучшения визуального восприятия.
Исходные данные и технические характеристики датчиков
В коллекции Earth Timelapse используются данные следующих космических миссий по наблюдению за Землей:
Технические характеристики спутников и датчиков
| Спутниковая миссия | Датчик | Диапазон дат приема | Пространственное разрешение | Поглощенные спектральные полосы | Идентификатор коллекции земляных двигателей | Эпоха мозаичного разрешения |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Landsat 4 | Тематический картограф (™) | 1982-07-01 – 1993-12-14 | 30 м (МС) | Синий, Зеленый, Красный, БИК, SWIR1, Тепловой, SWIR2 | LANDSAT/LT04/C02/T1 | 30 м (1984–1993) |
| Ландсат 5 | Тематический картограф (™) | 1984-03-01 – 2012-12-31 | 30 м (МС) | Синий, Зеленый, Красный, БИК, SWIR1, Тепловой, SWIR2 | LANDSAT/LT05/C02/T1 | 30 м (1984–2012) |
| Landsat 7 | Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) | 15.04.1999 – 31.08.2013 | 30 м (MS) / 15 м (Pan) | Синий, Зеленый, Красный, БИК, SWIR1, Тепловой, SWIR2, Панорамный | LANDSAT/LE07/C02/T1LANDSAT/LE07/C02/T2 | 30 м (1999–2013) |
| Landsat 8 | Оперативный сканер наземных изображений (OLI) / TIRS | 11.02.2013 – настоящее время | 30 м (MS) / 15 м (Pan) | Прибрежный, синий, зеленый, красный, ближний инфракрасный, SWIR1, SWIR2, панорамный, перистые, тепловой | LANDSAT/LC08/C02/T1_RT_TOALANDSAT/LC08/C02/T2_TOA | 30 м (2013–2014) 19,11 м (2015+) |
| Landsat 9 | Оперативный наземный имиджер 2 (OLI-2) / TIRS-2 | 01.11.2021 – настоящее время | 30 м (MS) / 15 м (Pan) | Прибрежный, синий, зеленый, красный, ближний инфракрасный, SWIR1, SWIR2, панорамный, перистые, тепловой | LANDSAT/LC09/C02/T1_TOA | 19,11 м (2021+) |
| Sentinel-2A / 2B | Многоспектральный прибор (MSI) | 23.06.2015 – настоящее время | 10 м / 20 м / 60 м (MS) | Синий, Зеленый, Красный, Красный край (1-4), БИК, SWIR1, SWIR2, Водяной пар, Перистые облака | COPERNICUS/S2_HARMONIZED | 19,11 м (2015+) |
Таблица 1. Основные оптические сенсорные системы, интегрированные в ежегодный конвейер создания мозаичных изображений для проекта Earth Timelapse.
Вспомогательные и справочные наборы данных
- Глобальные базовые значения BRDF / коэффициента отражения поверхности MODIS:
- Pre-computed multi-year surface reflectance composites derived from Terra and Aqua MODIS (Collection 006:
MODIS/006/MCD43A4,MODIS/006/MOD09GA, andMODIS/006/MYD09GA; note that Collection 006 was used during production and has since been superseded by Collection 061) at 500-meter resolution serve as the planetary radiometric reference target for broad-scale illumination and haze harmonization.
- Pre-computed multi-year surface reflectance composites derived from Terra and Aqua MODIS (Collection 006:
- Программа глобальной помощи NOAA ETOPO1:
- Глобальные топографические и батиметрические данные с разрешением 1 угловая минута использовались для создания реалистичного рельефа дна океана с затенением и контуров глубины в глобальном продукте с водной маской.
- Глобальные изменения лесов по Хансену (
UMD/hansen/global_forest_change_2015):- Слой
datamask(разграничивающий сушу, постоянные водоемы и прибрежные зоны) служит основной границей разделения суши и воды.
- Слой
- Глобальная маска суши/воды MODIS (
MODIS/MOD44W/MOD44W_005_2000_02_24):- Используется в сочетании с Hansen GFC для изоляции наземных поверхностей и предотвращения просачивания воды через противоводонепроницаемую маску в прибрежной зоне.
- Sentinel-2 Cloud Score+ (
GOOGLE/CLOUD_SCORE_PLUS/V1/S2_HARMONIZED):- Оценка качества на уровне пикселей с предоставлением метрик
cs(уверенность в ясном небе) иcs_cdf(кумулятивная вероятность ясного неба) для данных Sentinel-2 MSI.
- Оценка качества на уровне пикселей с предоставлением метрик
- Глобальная статистика облачной климатологии:
- Эмпирически выведенные базовые показатели 25-го процентиля и минимального значения облачности, которые адаптируют пороговые значения маскировки облаков в постоянно облачных тропических зонах.
Пространственная и временная фильтрация
Ежегодные глобальные мозаики позволяют сбалансировать необходимость получения достаточного количества достоверных наблюдений в тропических регионах, подверженных облачности, и предотвратить загрязнение данных зимним снегом и экстремальные углы зенита Солнца в высокоширотных регионах.
Широтное и фенологическое оконное сканирование
- Полярная/высокоширотная зона Северного полушария (от >60°N до 83,69°N):
- Прямая фильтрация по дню года (DOY): наблюдения ограничены днями с 150 по 270 (с конца мая по сентябрь). Это позволяет охватить пик вегетационного периода (максимальная зелень) и минимизировать сезонный снег, ледяной покров и длинные тени от рельефа местности, вызванные низкими углами возвышения Солнца (угол возвышения Солнца ≤ 0°).
- Умеренная и тропическая зона (от 57° южной широты до 60° северной широты):
- Для обеспечения максимальной доступности съемочной площадки используется весь календарный год (с 1 января по 31 декабря).
- Зона высоких широт Южного полушария / Антарктика (от 82,6° южной широты до 57° южной широты):
- Наблюдения ограничены периодом австралийского лета и дополнены многолетними базовыми полярными композитными данными для минимизации экстремальных углов солнечного зенита, пробелов в данных о полярной ночи и сезонных артефактов, связанных с морским льдом.
Методология обработки: Замаскированные однолетние мозаики
The masked annual mosaic pipeline generates intermediate, un-interpolated global composites prior to temporal gap-filling and ocean bathymetry styling. Note that these intermediate composites represent an internal production stage; only the post-processed Global Final Annual Mosaics ( projects/ee-earth-timelapse/assets/annual ) are publicly distributed in the Earth Engine Data Catalog.
Восстановление отсутствующего канала и подготовка датчика
Перед атмосферной коррекцией и оценкой качества исходные данные Landsat стандартизируются:
- Реконструкция тепловых диапазонов: В периоды работы, когда тепловые диапазоны Landsat 8 TIRS были ухудшены или не откалиброваны, синтезируются тепловые каналы с нулевой дисперсией в качестве заполнителя для удовлетворения внутренних требований интерфейса автоматизированных алгоритмов оценки облачности Landsat.
- Генерация синтетического панхроматического изображения для Landsat 4/5: Датчики Landsat 4 и 5™ не имеют оптического панхроматического канала (диапазон 8). Для каждой сцены создается синтетический псевдопанхроматический диапазон:
Здесь \(I_{\text{raw}}(\cdot)\) Это функция обработки изображений, которая предоставляет необработанные пиксели и может принимать в качестве параметров один или несколько каналов. Например,\(I_{\text{raw}}(Pan)\) возвращает исходный панхроматический диапазон и\(I_{\text{raw}}(RGB)\) Возвращает исходные RGB-каналы. mean() — это функция вычисления среднего значения.
Калибровка по показателю отражения на верхней границе атмосферы (TOA)
Исходные изображения Landsat обрабатываются до TOA с использованием ee.Algorithms.Landsat.TOA .
ee.Algorithms.Landsat.TOA — это функция обработки изображений, которая преобразует необработанные данные Landsat в данные Landsat TOA.\(I_{\text{TOA}}\)).
Качество многосенсорных изображений и маскирование облаков
Сужение границы полосы орбитального движения
Мягкая альфа-маска, учитывающая затухание сигнала с расстояния, помогает минимизировать резкие переходы вдоль орбитальных траекторий Landsat:
где \(\text{Mask}_{\text{MODIS}}\) маска получена из годовых композитов поверхностного отражения MODIS ( MODIS/006/MOD09GA и MODIS/006/MYD09GA ).\(\text{Mask}_{\text{raw}}\) — это маска необработанного изображения Landsat, min() — функция минимизации, и \(\text{Gaussian}\) представляет собой пространственную свертку Гаусса с заданным стандартным отклонением.
Маскирование воды в режиме SLC-off на спутнике Landsat 7
После сбоя корректора сканирующих линий (SLC) на спутнике Landsat 7 в мае 2003 года, снимки Landsat 7 содержат линейные пробелы в данных, что может привести к серьезным артефактам над открытой водой. Пиксели Landsat 7 над открытой водой маскируются с помощью размытой водной маски MODIS, при этом приоритет отдается Landsat 4/5/8/9 или Sentinel-2 в зависимости от года создания мозаики.
Оценка облачности и восстановление аномалий на основе данных Landsat
Каждому пикселю изображения, полученного со спутника Landsat, присваивается значение. \(\text{Cloud}\) Оценка (в диапазоне [0, 100] ) с использованием ee.Algorithms.Landsat.simpleCloudScore . Применяются два дополнительных этапа уточнения:
- Необнаруженное восстановление облачности в пространстве HSV: аномалии облачности с высокой отражательной способностью и низкой насыщенностью, получившие ошибочную оценку Cloud = 0, обнаруживаются путем преобразования \(I_{\text{TOA}}(RGB)\) в пространство «Оттенок-Насыщенность-Значение» (HSV) и обновление \(\text{Cloud}\) маска:
- Адаптивная климатологическая пороговая обработка: пороговое значение для отбрасывания пикселей с облачностью (т.е. \(\text{Cloud} \gt \text{Threshold}_{\text{cloud}}\)) рассчитывается динамически на основе предварительно вычисленных пространственных статистических данных об облаках:
где \(\text{Cloud}_{\text{p25}}\) это 25-й процентиль на пиксель\(\text{Cloud}\) Значение показателя ограничено диапазоном от 25 до 65. Пороговое значение повышается для проверенных светлых поверхностей земли (песчаные дюны пустыни, солончаки):
Оценка облачности Sentinel-2
Гармонизированные снимки Sentinel-2 сопоставляются с GOOGLE/CLOUD_SCORE_PLUS/V1/S2_HARMONIZED :
- Фильтрация пикселей: сохраняется, если достоверность ясного неба
cs≥ 0,60 и кумулятивная вероятность ясного небаcs_cdf≥ 0,70.
Панхроматическая нормализация и структурное слияние
Для использования 15-метрового панхроматического разрешения спутников Landsat 7/8/9 без спектральных искажений при переходах между сенсорами, к данным TOA применяется панхроматическая нормализация:
где \(\mu_{\text{3x3}}\) — это функция усреднения по окрестности 3x3 пикселей.
Радиометрическая нормализация относительно базовых значений MODIS BRDF
Нелинейное масштабирование контраста: отражательная способность на верхней границе атмосферы масштабируется до 8-битного диапазона отображения ( [0,255] ) с гамма-коррекцией:
где \(\text{Visualize}\) Это функция ee.Image.visualize() . Далее, если не указано иное, подразумевается 8-битное цветовое пространство RGB.
Маска подавления избыточной коррекции: защищает реальные быстрые изменения землепользования от чрезмерного сглаживания:
где \(I_{\text{BRDF}}\) Создает 8-битные RGB-данные из композитных изображений MODIS BRDF-Adjusted Reflectance ( MCD43A4 ).
Извлечение пространственного поля с помощью низкочастотного фильтра:
Вычитание дымки и гармонизация отражательной способности:
Пространственная резкость наземной поверхности
Применяет свертку Лапласа к комбинации \(I_{\text{scaled}}\)и \(I_{\text{normalized}}\) исключительно на суше.
Временная медианная композиция
Для каждого календарного года \(Y\)Нормализованная коллекция изображений с маскировкой облаков сводится к единому многоканальному композитному изображению с использованием медианного редуктора с 16-битной точностью :
Полученное изображение представляет собой промежуточную маскированную годовую мозаику, содержащую red , green , blue и полосы cloud с неинтерполированными масками допустимых пикселей. Обратите внимание, что время (\(t\)) — это параметр функции изображения.
Постобработка: глобальные активы, заполненные пробелами и замаскированные водой.
Для создания цельной, глобально полной базовой карты, используемой в интерактивном средстве просмотра Earth Timelapse и в распространенных в открытом доступе ежегодных мозаиках , промежуточные замаскированные ежегодные композиты подвергаются постобработке.
Временная линейная регрессия для заполнения пробелов (мозаики до 1999 года)
До запуска спутника Landsat 7 в 1999 году глобальная спутниковая съемка была ограничена существующей инфраструктурой нисходящей связи, недостатками бортовых магнитофонов и постоянной облачностью. Вследствие этого, ежегодные мозаичные изображения, созданные до 1999 года, содержат значительные пространственные пробелы, особенно в Центральной Африке, Юго-Восточной Азии, Сибири и Амазонии.
Для устранения отвлекающих серых пустых пространств при сохранении временных переходов, в конвейере обработки данных используется попиксельная временная линейная регрессионная интерполяция:
Поиск временной привязки
Для каждого целевого года Y алгоритм выполняет поиск в многолетней коллекции, чтобы найти самое последнее, достоверное, незамаскированное пиксельное наблюдение перед (\(t_{\text{before}} \le Y\)) и после (\(t_{\text{after}} \ge Y\)).
Линейная регрессия
Модель обычной регрессии методом наименьших квадратов оценивается для каждого пикселя в пределах ограничивающих временных наблюдений с независимыми переменными [1, t] и зависимыми переменными [Red, Green, Blue] :
Оценка смоделированных значений
Линейная траектория оценивается в целевом году Y:
Наслаивание наблюдений
Годовые пиксели за год Y объединяются в мозаику с интерполированными пикселями:
Это гарантирует, что там, где существуют реальные спутниковые наблюдения за этот год, они сохраняются, а пробелы в исторических данных интерполируются во времени.
Заполнение ледниками высоких широт
Орбитальный наклон спутника Landsat ограничивает возможности наблюдений вблизи крайних полярных шапок (>82,6°N). Для внутренних районов Северной Гренландии и арктических шельфовых ледников, не имеющих оптического покрытия, используется калиброванная, нормализованная многолетняя базовая линия, которая обеспечивает четкие и непрерывные полярные базовые карты.
Глобальная океаническая батиметрия и маскирование воды
В промежуточных замаскированных годовых мозаиках на поверхности океана присутствуют блики солнца, тени от облаков и артефакты, возникающие в результате воздействия волн. В финальном варианте открытые океанские воды заменены глобальной батиметрической базовой картой с затененным рельефом:
- Батиметрическое затенение: топографическая высота, полученная из модели NOAA ETOPO1, отображается с использованием цветовой шкалы глубины океана:
- Глубокие Абиссальные Равнины (-5000 м): Глубокий Военно-морской (
#000927) - Континентальный склон (-1000 м): сланцево-синий (
#000E3A) - Континентальный шельф (-100 м): Лазурно-синий (
#000E3B) - Береговая линия (0 м): Royal Cobalt (
#001146)
- Глубокие Абиссальные Равнины (-5000 м): Глубокий Военно-морской (
- Эффект затенения рельефа и высокочастотная гауссовская фильтрация: в сочетании с аналитическим затенением рельефа (
ee.Terrain.hillshade) и гауссовой фильтрацией с шагом 5000 м для выделения океанических желобов, срединно-океанических хребтов и подводных гор. - Гармонизация границ суши и воды:
- Объединяет
datamaskHansen Global Forest Change (разграничивающую сушу и океан) с маской данных MODIS о состоянии водных объектов (MOD44W). - Создает картины, изображающие внутренние озера и замкнутые моря (например, Каспийское море, Великие озера, озеро Байкал, Аральское море), чтобы сохранить естественную динамику цвета воды.
- Применяет трехэтапное морфологическое круговое уменьшение ядра и гауссовское размытие с шагом 3000 м для плавного сужения границы между мелководьем прибрежной зоны и батиметрией в открытом море без резкого отсечения.
- Объединяет
Глобальная цветокоррекция и локальное повышение контрастности (LCE)
- HSV Value Boost и балансировка гаммы: гамма-коррекция каналов (\(\gamma_R = 0.98, \gamma_G = 1.00, \gamma_B = 1.04\)), за которым следует увеличение значения канала на 10% в цветовом пространстве HSV.
- Коррекция белой точки полярного льда: отмечает полярные поверхности с высокой отражательной способностью (Гренландия, Антарктида, альпийские ледяные щиты) и балансирует их до чистого нейтрального белого цвета (
[255, 255, 255]). - Многомасштабная LCE: повышение контраста и резкости рельефа для различных типов объектов с использованием комбинации лапласианской свертки, усредняющей фильтрации и гауссовой нерезкой маскировки.
| Особенность | Промежуточные ежегодные мозаики в масках | Глобальные итоговые ежегодные мозаики (общедоступный ресурс Earth Engine) |
|---|---|---|
| Доступность государственных активов | Внутренний этап разработки (не распространяется публично) | Распространяется публично ( projects/ee-earth-timelapse/assets/annual ) |
| Основной вариант использования | Промежуточные этапы радиометрического композитинга и контроля качества. | Визуализация базовых карт, экспорт видео, глобальное исследование в режиме замедленной съемки. |
| Пространственная полнота | Наземные данные (с пробелами в информации) | 100% глобальная полнота |
| Обработка отсутствующих пикселей | Замаскированный (прозрачный, без данных) | Интерполяция линейной регрессии |
| Тропические пустоты до 1999 года | Сохранены как пробелы в данных. | Плавная интерполяция во времени |
| Представление океанской воды | Замаскированная или ненормализованная вода | Батиметрия NOAA ETOPO1 |
| Включенные спектральные полосы | красный, зеленый, синий, облако (Вопрос-ответ) | красный, зеленый, синий |
| Глубина бита | 8-битное беззнаковое целое число (0–255) | 8-битное беззнаковое целое число (0–255) |
| Разрешение пикселей: 1984–2014 | 30,0 метров на пиксель (EPSG:3857) | 30,0 метров на пиксель (EPSG:3857) |
| Разрешение пикселей: 2015 – настоящее время | 19,11 метров на пиксель (EPSG:3857) | 19,11 метров на пиксель (EPSG:3857) |
Таблица 2. Подробное техническое сравнение промежуточного этапа Masked Annual Mosaics и общедоступной глобальной коллекции Global Final Earth Timelapse ( projects/ee-earth-timelapse/assets/annual ).
Ограничения и аналитические соображения
- Эпохи двойного разрешения (30 м против 19,11 м): Пользователи, выполняющие многодесятилетний анализ временных рядов, должны учитывать переход разрешения в 2015 году. Композитные изображения за период 1984–2014 годов имеют сетку с шагом 30,0 метров на пиксель, тогда как изображения с 2015 года и далее имеют сетку с шагом 19,11 метров на пиксель из-за интеграции данных Sentinel-2 MSI.
- Интерполированные пиксели (до 1999 г.): В глобальной финальной коллекции отсутствующие пиксели в мозаиках, созданных до 1999 г., интерполируются во времени. В регионах, переживающих внезапные изменения в землепользовании (например, быстрая вырубка лесов или строительство водохранилищ) в течение многолетнего перерыва, интерполированные пиксели будут отображать постепенный линейный переход, а не резкое дискретное событие.
- Измененные радиометрические значения: Радиометрическая нормализация оптимизирует визуальную согласованность между сценами относительно целей MODIS BRDF. Хотя относительные пространственные закономерности сохраняются, радиометрическая точность в красном, зеленом и синем спектральных диапазонах не сохраняется.
- Фенологическое перемешивание: Высокоширотные северные регионы (>60°N) представляют собой условия середины лета (150–270 дней года), тогда как умеренные и тропические зоны представляют собой среднегодовые совокупные значения.
Атрибуция

Данный набор данных распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License и требует указания следующего авторства:
Google Earth Timelapse (Google, Landsat, Copernicus)