L'ensemble de données Timelapse de la Terre fournit un enregistrement visuel sur quatre décennies des changements planétaires, de 1984 à 2022. Synthétisé par Google à partir de pétaoctets d'observations spatiales acquises par les missions Landsat de la NASA/USGS (Landsat 4, 5, 7, 8 et 9) et la constellation Copernicus Sentinel-2 de l'ESA, l'ensemble de données est proposé sous forme de mosaïques annuelles pour l'interprétation visuelle.
Les mosaïques annuelles sont des fonds de carte visuels complets, sans lacunes et masqués pour l'eau à l'échelle mondiale. Elles alimentent la visionneuse interactive publique Google Earth Timelapse. Les vides d'observation antérieurs à 1999 sont reconstitués de manière fluide à l'aide d'une interpolation de régression linéaire temporelle au niveau des pixels pour les années d'observation valides adjacentes. Les eaux océaniques sont remplacées par une bathymétrie stylisée en relief ombré NOAA ETOPO1 et un masquage global de l'eau (à l'aide des ensembles de données Hansen GFC et MOD44W). Ces données conviennent à l'interprétation visuelle, à la narration éducative, à la cartographie de base ou aux exportations vidéo personnalisées.
Époques de résolution spatiale
La collection Earth Timelapse couvre deux époques de résolution spatiale distinctes :
- 1984-2014 (30 m / pixel) : synthétisé à partir des observations Landsat 4, 5, 7 et 8 de l'USGS/NASA. Les images sont quadrillées en Web Mercator (
EPSG:3857) à une résolution de 30 mètres. - De 2015 à aujourd'hui (19,11 m / pixel) : synthétisé en fusionnant les observations de l'instrument multispectral (MSI) Sentinel-2A/2B de Copernicus (ESA) (résolution native de 10 m / 20 m) avec Landsat 8 et 9. Les images sont quadrillées dans Web Mercator (
EPSG:3857) à une résolution d'environ 19,11 mètres.
Les mosaïques annuelles couvrent toutes les terres émergées et les zones côtières du monde, de la latitude -82,6°S à 83,69°N environ. La synthèse de plus de quatre décennies de données d'observation de la Terre nécessite d'harmoniser des constellations de satellites disparates en fonction de leur durée de vie opérationnelle, des modalités de leurs capteurs, des géométries orbitales et des perturbations atmosphériques.
Le pipeline Earth Timelapse ingère des millions de scènes individuelles provenant du programme Landsat de l'USGS/NASA (Landsat 4, 5, 7, 8 et 9) et de la constellation Copernicus Sentinel-2 de l'Agence spatiale européenne (ESA). Pour transformer les observations brutes et au sommet de l'atmosphère (TOA) en fonds de carte annuels cohérents, chaque scène est traitée avec :
- Filtrage des scènes phénologiques et saisonnières pour optimiser la croissance maximale de la végétation et minimiser les effets saisonniers transitoires.
- Restauration des canaux manquants et atténuation des anomalies des capteurs (par exemple, saturation TIRS de Landsat 8, artefacts SLC-off de Landsat 7).
- Score de qualité multisensorielle pour les nuages, la brume et les ombres combinant Landsat
simpleCloudScore, la récupération heuristique des nuages dans l'espace HSV et Sentinel-2Cloud Score+. - Normalisation panchromatique et pseudo-pansharpening structurel pour augmenter la résolution apparente.
- Normalisation radiométrique calibrée BRDF MODIS utilisant un filtrage spatial passe-bas multiscale pour éliminer les limites de scène tout en préservant les textures de surface locales.
- Affûtage des bords respectueux de l'eau pour éviter le blanchissement du littoral.
- Composition médiane temporelle sur 16 bits pour rejeter le bruit atmosphérique transitoire, les ombres et les artefacts éphémères.
- Interpolation par régression linéaire temporelle (pour les assets de la finale mondiale) pour reconstruire les observations manquantes dans les mosaïques antérieures à 1999.
- Modélisation de la bathymétrie océanique mondiale et masquage de l'eau combinant les masques de données NOAA ETOPO1, Hansen Global Forest Change et MODIS.
- Équilibrage global des couleurs, préservation du point blanc de la glace polaire, amélioration du contraste local multi-échelle (LCE) pour l'amélioration visuelle.
Données sources et spécifications des capteurs
La collection Earth Timelapse s'appuie sur les missions d'observation de la Terre depuis l'espace suivantes :
Spécifications des satellites et des capteurs
| Mission satellite | Capteur | Période de fonctionnement | Résolution spatiale (MS / Pan) | Bandes spectrales ingérées | ID de la collection Earth Engine | Ère de la résolution mosaïque |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Landsat 4 | Thematic Mapper (TM) | 1982-07-01 – 1993-12-14 | 30 m / N/A | Bleu, vert, rouge, NIR, SWIR1, thermique, SWIR2 | LANDSAT/LT04/C02/T1 |
30 m (1984–1993) |
| Landsat 5 | Thematic Mapper (TM) | 1984-03-01 – 2012-12-31 | 30 m / N/A | Bleu, vert, rouge, NIR, SWIR1, thermique, SWIR2 | LANDSAT/LT05/C02/T1 |
30 m (1984–2012) |
| Landsat 7 | Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) | 15/04/1999 – 31/08/2013 | 30 m / 15 m | Bleu, vert, rouge, NIR, SWIR1, thermique, SWIR2, panchromatique | LANDSAT/LE07/C02/T1LANDSAT/LE07/C02/T2 |
30 m (1999-2013) |
| Landsat 8 | Operational Land Imager (OLI) / TIRS | 11/02/2013 – Aujourd'hui | 30 m / 15 m | Côte, Bleu, Vert, Rouge, NIR, SWIR1, SWIR2, Pan, Cirrus, Thermique | LANDSAT/LC08/C02/T1_RT_TOALANDSAT/LC08/C02/T2_TOA |
30 m (2013-2014) 19,11 m (2015 et après) |
| Landsat 9 | Operational Land Imager 2 (OLI-2) / TIRS-2 | 01/11/2021 – Aujourd'hui | 30 m / 15 m | Côte, Bleu, Vert, Rouge, NIR, SWIR1, SWIR2, Pan, Cirrus, Thermique | LANDSAT/LC09/C02/T1_TOA |
19,11 m (2021 et versions ultérieures) |
| Sentinel-2A / 2B | MultiSpectral Instrument (MSI) | 23/06/2015 – Aujourd'hui | 10 m / 20 m / 60 m | Bleu, Vert, Rouge, RedEdge (1-4), NIR, SWIR1, SWIR2, WaterVapor, Cirrus | COPERNICUS/S2_HARMONIZED |
19,11 m (2015+) |
Tableau 1. Systèmes de capteurs optiques principaux intégrés au pipeline de production de la mosaïque annuelle Earth Timelapse.
Ensembles de données auxiliaires et de référence
- Données de référence mondiales MODIS BRDF / réflectance de surface :
- Des composites de réflectance de surface pluriannuels précalculés dérivés de Terra et Aqua MODIS (
MODIS/006/MCD43A4etMOD09GA/MYD09GA) à une résolution de 500 mètres servent de cible de référence radiométrique planétaire pour l'harmonisation de l'illumination et de la brume à grande échelle.
- Des composites de réflectance de surface pluriannuels précalculés dérivés de Terra et Aqua MODIS (
- Relief global NOAA ETOPO1 :
- Topographie et bathymétrie mondiales d'une minute d'arc utilisées pour générer un relief par estompage réaliste du fond océanique et des courbes de profondeur dans le produit mondial masqué par l'eau.
- Hansen Global Forest Change (
UMD/hansen/global_forest_change_2015) :- La couche
datamask(qui distingue les terres, les plans d'eau permanents et les zones côtières) sert de limite principale entre les terres et l'eau.
- La couche
- Masque mondial terre/eau MODIS (
MODIS/MOD44W/MOD44W_005_2000_02_24) :- Utilisé avec Hansen GFC pour isoler les surfaces terrestres et éviter le chevauchement du masque d'eau côtière.
- Sentinel-2 Cloud Score+ (
GOOGLE/CLOUD_SCORE_PLUS/V1/S2_HARMONIZED) :- Évaluation de la qualité au niveau du pixel fournissant les métriques
cs(confiance de ciel clair) etcs_cdf(probabilité de ciel clair de distribution cumulative) pour les données Sentinel-2 MSI.
- Évaluation de la qualité au niveau du pixel fournissant les métriques
- Statistiques mondiales sur la climatologie des nuages :
- Les seuils de référence du score de couverture nuageuse (25e centile et minimum) sont dérivés de manière empirique et adaptent les seuils de masquage des nuages dans les zones tropicales constamment nuageuses.
Filtrage spatial et temporel
Les mosaïques annuelles mondiales permettent de trouver un équilibre entre la nécessité d'acquérir suffisamment d'observations valides dans les régions tropicales sujettes aux nuages et la prévention de la contamination par la neige hivernale et des angles zénithaux solaires extrêmes dans les régions de haute latitude.
Fenêtrage latitudinal et phénologique
- Zone polaire / de hautes latitudes de l'hémisphère Nord (> 60° N à 83,69° N) :
- Filtrage direct par jour de l'année (DOY) : les observations sont limitées aux DOY 150 à 270 (de fin mai à septembre). Cela cible la période de croissance végétative maximale (verdure maximale) et minimise la couverture saisonnière de neige et de glace, ainsi que les longues ombres du terrain causées par les faibles angles d'élévation solaire (élévation solaire ≤ 0°).
- Zone tempérée et de l'hémisphère sud (de 57° S à 60° N) :
- Utilise l'année civile complète (du 1er janvier au 31 décembre) pour maximiser la disponibilité des scènes.
Méthodologie de traitement : mosaïques annuelles masquées
Le pipeline de mosaïque annuelle masquée génère des composites mondiaux non interpolés.
Récupération des chaînes manquantes et préparation des capteurs
Avant la correction atmosphérique et l'évaluation de la qualité, les données Landsat brutes sont standardisées :
- Reconstruction des bandes thermiques : pendant les périodes opérationnelles où les bandes thermiques TIRS de Landsat 8 étaient dégradées ou non calibrées, des canaux thermiques de substitution à variance nulle sont synthétisés pour répondre aux exigences de l'interface interne des algorithmes automatisés de classification des nuages Landsat.
- Génération de données panchromatiques synthétiques pour Landsat 4/5 : les capteurs TM Landsat 4 et 5 ne disposent pas de canal panchromatique optique (bande 8). Une bande pseudo-panchromatique synthétique est construite par scène :
\(I_{\text{raw}}(\cdot)\) est une fonction d'image qui fournit des pixels bruts et peut prendre une ou plusieurs bandes comme paramètres. Par exemple,\(I_{\text{raw}}(Pan)\) renvoie la bande panchromatique brute et\(I_{\text{raw}}(RGB)\) renvoie les bandes RVB brutes. mean() est la fonction moyenne.
Calibration de la réflectance au sommet de l'atmosphère (TOA)
Les scènes brutes Landsat sont traitées en TOA à l'aide de ee.Algorithms.Landsat.TOA.
ee.Algorithms.Landsat.TOA est une fonction d'image qui convertit les données brutes Landsat en données Landsat TOA (\(I_{\text{TOA}}\)).
Qualité multisensorielle et masquage du cloud
Réduction progressive de la limite de la bande orbitale
Un masque alpha progressif à décroissance de distance permet de minimiser les raccords nets le long des traces orbitales Landsat :
où \(\text{Mask}_{\text{MODIS}}\) est le masque dérivé des composites annuels de réflectance de surface MODIS (MOD09GA/MYD09GA), \(\text{Mask}_{\text{raw}}\)est le masque d'une scène Landsat brute,min()est la fonction de minimisation et \(\text{Gaussian}\) est une convolution spatiale gaussienne avec un écart-type spécifié.
Masquage de l'eau Landsat 7 SLC-off
Suite à la défaillance du correcteur de ligne de balayage (SLC) sur Landsat 7 en mai 2003, les scènes Landsat 7 contiennent des lacunes de données linéaires, qui peuvent entraîner de graves artefacts sur les eaux libres. Les pixels Landsat 7 au-dessus de l'eau libre sont masqués à l'aide d'un masque d'eau MODIS flou, en privilégiant Landsat 4/5/8/9 ou Sentinel-2 selon l'année de production de la mosaïque.
Landsat Cloud Scoring & Anomaly Recovery
Les scènes Landsat reçoivent un score par pixel \(\text{Cloud}\) (en [0, 100]) à l'aide deee.Algorithms.Landsat.simpleCloudScore.
Deux étapes d'affinage supplémentaires sont appliquées :
- Récupération de nuages non détectés dans l'espace HSV : les anomalies de nuages à haute réflectance et à faible saturation qui reçoivent un score de Nuage = 0 sont détectées en transformant \(I_{\text{TOA}}(RGB)\) en espace Hue-Saturation-Value (HSV) et en mettant à jour le masque \(\text{Cloud}\) :
- Seuillage climatologique adaptatif : le seuil de suppression des pixels nuageux (c'est-à-dire \(\text{Cloud} \gt \text{Threshold}_{\text{cloud}}\)) est calculé de manière dynamique à partir de statistiques spatiales précalculées sur les nuages :
où \(\text{Cloud}_{\text{p25}}\) est le 25e centile par pixel \(\text{Cloud}\) , dont la valeur est comprise entre 25 et 65. Le seuil est augmenté pour les surfaces terrestres claires validées (dunes de sable désertiques, marais salants) :
Score de couverture nuageuse Sentinel-2
Les scènes harmonisées Sentinel-2 sont associées à GOOGLE/CLOUD_SCORE_PLUS/V1/S2_HARMONIZED :
- Filtrage des pixels : conservés lorsque la confiance de ciel dégagé
cs≥ 0,60 et la probabilité cumulée de ciel dégagécs_cdf≥ 0,70.
Normalisation panchromatique et fusion structurelle
Pour exploiter la résolution panchromatique de 15 mètres de Landsat 7/8/9 sans distorsion spectrale lors des transitions de capteur, la normalisation panchromatique est appliquée aux données TOA :
où \(\mu_{\text{3x3}}\) est la fonction de moyenne du voisinage de pixels 3x3.
Normalisation radiométrique par rapport aux références MODIS BRDF
Mise à l'échelle non linéaire du contraste : la réflectance au sommet de l'atmosphère est mise à l'échelle sur une plage d'affichage de 8 bits ([0,255]) avec ajustement du gamma :
où \(\text{Visualize}\) est la fonctionee.Image.visualize(). Par la suite, l'espace colorimétrique RVB 8 bits est sous-entendu, sauf indication contraire.
Masque de rejet de la surcorrection : protège les changements rapides réels de couverture terrestre contre le surlissage :
où \(I_{\text{BRDF}}\) produit des données RVB 8 bits à partir des composites de réflectance ajustée par la BRDF MODIS (MCD43A4).
Extraction de champs spatiaux passe-bas :
Soustraction de la brume et harmonisation de la réflectance :
Affûtage spatial des terres émergées
Applique une convolution de bord laplacienne à une combinaison de \(I_{\text{scaled}}\)et \(I_{\text{normalized}}\) exclusivement sur les surfaces terrestres.
Composition médiane temporelle
Pour chaque année civile \(Y\), la collection d'images normalisées et masquées dans le cloud est réduite en un seul composite multibande à l'aide d'un réducteur médian de précision 16 bits :
L'image obtenue représente une mosaïque annuelle brute, avec des bandes red, green, blue et cloud avec des masques de pixels valides non interpolés. Notez que le temps (\(t\)) est un paramètre de la fonction d'image.
Post-traitement : ressources globales avec remplissage des zones vides et masquage de l'eau
Pour produire la carte de base complète et homogène utilisée dans la visionneuse interactive Timelapse de Google Earth et les mosaïques annuelles, les composites annuels bruts sont post-traités.
Remplissage des valeurs manquantes par régression linéaire temporelle (mosaïques antérieures à 1999)
Avant le lancement de Landsat 7 en 1999, l'acquisition de données satellite à l'échelle mondiale était limitée par l'infrastructure de liaison descendante historique, les limitations de l'enregistreur à bande embarqué et la couverture nuageuse persistante. Par conséquent, les mosaïques annuelles antérieures à 1999 contiennent d'importantes zones vides, en particulier en Afrique centrale, en Asie du Sud-Est, en Sibérie et en Amazonie.
Pour éliminer les vides gris distrayants tout en préservant les transitions temporelles, le pipeline implémente une interpolation de régression linéaire temporelle au niveau des pixels :
Recherche d'ancres temporelles
Pour chaque année cible Y, l'algorithme recherche dans la collection multidécennale l'observation de pixel valide, non masquée et la plus récente avant (\(t_{\text{before}} \le Y\)) et après (\(t_{\text{after}} \ge Y\)).
Ajustement de la régression linéaire
Un modèle de régression des moindres carrés ordinaires est évalué par pixel sur les observations temporelles de la zone de couverture avec des variables indépendantes [1, t] et des variables dépendantes [Red, Green, Blue] :
Évaluation de la valeur simulée
La trajectoire linéaire est évaluée à l'année cible Y :
Superposition d'observations
Les pixels annuels de l'année Y sont mosaïqués avec les pixels interpolés :
Cela garantit que les observations satellite réelles existantes pour cette année sont conservées, tandis que les lacunes dans les données historiques sont interpolées au fil du temps.
Remplissage glaciaire à haute latitude
Les limites d'inclinaison orbitale de Landsat limitent les observations près des calottes polaires extrêmes (> 82,6° N). Pour les régions intérieures du nord du Groenland et les plates-formes de glace de l'Arctique qui ne disposent pas de couverture optique, une référence pluriannuelle calibrée et normalisée est fusionnée pour maintenir des fonds de carte polaires propres et homogènes.
Bathymétrie et masquage de l'eau des océans du monde
Dans les mosaïques annuelles brutes, les surfaces océaniques contiennent des reflets solaires, des ombres de nuages et des artefacts d'ondes transitoires. L'élément final remplace les eaux de l'océan par une carte de base bathymétrique mondiale avec relief ombré :
- Ombrage bathymétrique : l'élévation topographique du modèle NOAA ETOPO1 est stylisée à l'aide d'une gamme de couleurs de profondeur océanique :
- Plaines abyssales profondes (-5 000 m) : bleu marine foncé (
#000927) - Pente continentale (-1 000 m) : bleu ardoise (
#000E3A) - Plate-forme continentale (-100 m) : bleu Azure (
#000E3B) - Littoral (0 m) : bleu cobalt royal (
#001146)
- Plaines abyssales profondes (-5 000 m) : bleu marine foncé (
- Ombrage et amélioration gaussienne passe-haut : combinés à l'ombrage analytique (
ee.Terrain.hillshade) et au masque flou gaussien de 5 000 mètres pour mettre en évidence les fosses océaniques, les dorsales médio-océaniques et les monts sous-marins. - Harmonisation des limites terrestres/maritimes
- Combine les données Hansen sur l'évolution des forêts dans le monde
datamask(qui distinguent la terre de l'océan) avec le masque d'eau MODIS (MOD44W). - Peint les lacs intérieurs et les mers fermées (par exemple, la mer Caspienne, les Grands Lacs, le lac Baïkal, la mer d'Aral) pour préserver la dynamique naturelle de la couleur de l'eau.
- Applique une réduction du noyau circulaire morphologique en trois étapes et un flou gaussien de 3 000 mètres pour affiner en douceur la limite entre les eaux côtières peu profondes et la bathymétrie au large sans écrêtage dur.
- Combine les données Hansen sur l'évolution des forêts dans le monde
Équilibrage global des couleurs et amélioration locale du contraste (LCE)
- Amélioration de la valeur HSV et équilibrage gamma : gammas des canaux ($\gamma_R = 0.98, \gamma_G = 1.00, \gamma_B = 1.04$), suivis d'une amélioration de 10% du canal de valeur dans l'espace colorimétrique HSV.
- Correction du point blanc des glaces polaires : signale les surfaces polaires à forte réflectance (Groenland, Antarctique, calottes glaciaires alpines) et les équilibre pour obtenir un blanc neutre pur (
[255, 255, 255]). - LCE multispectrale : améliorez le contraste et la netteté du terrain pour différents types d'entités à l'aide d'une combinaison de convolution laplacienne, de filtrage moyen et de masque d'accentuation gaussien.
| Fonctionnalité | Mosaïques annuelles brutes | Mosaïques annuelles finales mondiales |
|---|---|---|
| Cas d'utilisation principal | Analyse scientifique, suivi de la provenance, entraînement du ML | Cartes de base visuelles, exportation de vidéos, exploration de time-lapses à l'échelle mondiale |
| Exhaustivité spatiale | Terrestre (avec des lacunes dans les données) | Exhaustivité globale de 100 % |
| Gestion des Pixel manquants | Masqué (transparent sans données) | Interpolation par régression linéaire |
| Vides tropicaux antérieurs à 1999 | Conservation en tant que lacunes de données | Interpolation temporelle fluide |
| Représentation de l'eau de l'océan | Eau masquée ou non normalisée | Bathymétrie NOAA ETOPO1 stylisée |
| Bandes spectrales incluses | rouge, vert, bleu, nuage (QA) | rouge, vert, bleu |
| Profondeur de bits | Entier non signé de 8 bits (0 à 255) | Entier non signé de 8 bits (0 à 255) |
| Résolution Pixel : 1984–2014 | 30 mètres par pixel (EPSG:3857) | 30 mètres par pixel (EPSG:3857) |
| Résolution Pixel : 2015 à aujourd'hui | 19,11 mètres par pixel (EPSG:3857) | 19,11 mètres par pixel (EPSG:3857) |
| Dimensions de la grille (1984-2014) | 1 335 834 x 1 198 340 pixels | 1 335 834 x 1 198 340 pixels |
| Dimensions de la grille (depuis 2015) | 2 097 152 x 1 881 297 pixels | 2 097 152 x 1 881 297 pixels |
Tableau 2. Comparaison technique détaillée entre les collections "Timelapse de la Terre brute" et "Timelapse de la Terre finalisée globale".
Limites et considérations analytiques
- Époques de double résolution (30 m contre 19,11 m) : les utilisateurs qui effectuent des analyses de séries temporelles pluridécennales doivent tenir compte de la transition de résolution en 2015. Les images composites de 1984 à 2014 sont quadrillées à 30 mètres par pixel, tandis que celles de 2015 à aujourd'hui sont quadrillées à 19,11 mètres par pixel en raison de l'intégration des données MSI Sentinel-2.
- Pixels interpolés (avant 1999) : dans la collection "Global Final", les pixels manquants dans les mosaïques antérieures à 1999 sont interpolés de manière temporelle. Dans les régions où les transitions d'utilisation des terres sont soudaines (par exemple, déforestation rapide ou construction de réservoirs) au cours d'une période de plusieurs années, les pixels interpolés représenteront une transition linéaire progressive plutôt qu'un événement discret et abrupt.
- Ratios de bandes modifiés : la normalisation radiométrique optimise la cohérence visuelle des scènes par rapport aux cibles BRDF MODIS. Bien que les modèles spatiaux relatifs soient conservés, les indices spectraux dérivés (par exemple, NDVI, EVI) diffèrent des valeurs de réflectance de surface de niveau 2.
- Mélange phénologique : les régions septentrionales de haute latitude (> 60° N) représentent les conditions de mi-été (jour de l'année 150 à 270), tandis que les zones tempérées et tropicales représentent les médianes composites annuelles.
Attribution
Cet ensemble de données est concédé sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International et nécessite l'attribution suivante :
Google Earth Timelapse (Google, Landsat, Copernicus)