Earth Timelapse 데이터 세트는 1984년부터 2022년까지 40년에 걸친 행성의 변화를 시각적으로 기록합니다. NASA/USGS Landsat 미션 (Landsat 4, 5, 7, 8, 9)과 ESA의 Copernicus Sentinel-2 컨스텔레이션에서 획득한 페타바이트 규모의 우주 관측 데이터를 Google에서 합성한 데이터 세트가 시각적 해석을 위한 연간 모자이크로 제공됩니다.
연간 모자이크는 공개 Google 어스 타임랩스 대화형 뷰어를 지원하는 전 세계적으로 완전하고, 간격이 채워져 있으며, 물이 마스크 처리된 시각적 기본 지도입니다. 1999년 이전 관측치 무효는 인접한 유효한 관측 연도에 걸쳐 픽셀별 시간 선형 회귀 보간을 사용하여 원활하게 재구성됩니다. 공해는 스타일이 지정된 NOAA ETOPO1 음영 기복 해저 지형 및 전 세계 물 마스크 (Hansen GFC 및 MOD44W 데이터 세트 사용)로 대체됩니다. 이 데이터는 시각적 해석, 교육적 스토리텔링, 기본 매핑 또는 맞춤 동영상 내보내기에 적합합니다.
공간 해상도 시대
Earth Timelapse 컬렉션은 다음과 같은 두 가지 공간 해상도 시대로 구성됩니다.
- 1984~2014년 (30m / 픽셀): USGS/NASA Landsat 4, 5, 7, 8 관측에서 합성되었습니다. 이미지는 30m 해상도로 Web Mercator (
EPSG:3857)에 그리드됩니다. - 2015년~현재 (19.11m / 픽셀): ESA Copernicus Sentinel-2A/2B MultiSpectral Instrument (MSI) 관측 (기본 10m / 20m)과 Landsat 8 및 9를 융합하여 합성했습니다. 이미지는 Web Mercator(
EPSG:3857)에서 약 19.11m 해상도로 그리드화됩니다.
연간 모자이크는 위도 약 -82.6°S~83.69°N의 모든 전 세계 육지와 해안 지역을 포함합니다. 40년이 넘는 지구 관측 데이터를 종합하려면 운영 수명, 센서 모달리티, 궤도 기하학, 대기 섭동에 걸쳐 다양한 위성 군집을 조화시켜야 합니다.
Earth Timelapse 파이프라인은 USGS/NASA Landsat 프로그램 (Landsat 4, 5, 7, 8, 9)과 유럽우주기구 (ESA) Copernicus Sentinel-2 별자리에서 수백만 개의 개별 장면을 수집합니다. 원시 관측치와 대기권 상단 (TOA) 관측치를 일관된 연간 기본 지도으로 변환하기 위해 각 장면은 다음을 사용하여 처리됩니다.
- 식물 생장기 및 시즌별 장면 필터링을 통해 식물 생장기 최대치를 최적화하고 일시적인 시즌별 효과를 최소화합니다.
- 채널 복원 및 센서 이상치 완화 누락 (예: Landsat 8 TIRS 포화, Landsat 7 SLC-off 아티팩트)
- Landsat
simpleCloudScore, 휴리스틱 HSV 공간 클라우드 복구, Sentinel-2Cloud Score+을 결합한 다중 센서 클라우드, 안개, 그림자 품질 점수 지정 - 팬크로매틱 정규화 및 구조적 의사 팬샤프닝을 사용하여 겉보기 해상도를 높입니다.
- 다중 스케일 저역 통과 공간 필터링을 사용하여 장면 경계를 제거하고 로컬 표면 텍스처를 유지하는 MODIS BRDF 보정 방사선 측정 정규화
- 물에 민감한 가장자리 선명화를 통해 해안선 표백을 방지합니다.
- 시간적 16비트 중앙값 합성 이미지를 사용하여 일시적인 대기 노이즈, 섀도, 일시적인 아티팩트를 거부합니다.
- 시간적 선형 회귀 보간 (전역 최종 애셋의 경우)을 사용하여 1999년 이전 모자이크에서 누락된 관측치를 재구성합니다.
- 전 세계 해양 지형 모델링 및 물 마스킹: NOAA ETOPO1, Hansen Global Forest Change 데이터 마스크, MODIS 물 마스크를 결합합니다.
- 시각적 향상을 위한 전역 색상 균형, 극지방 얼음 화이트 포인트 보존, 다중 스케일 로컬 대비 향상 (LCE)
소스 데이터 및 센서 사양
Earth Timelapse 컬렉션은 다음과 같은 우주 기반 지구 관측 미션을 활용합니다.
위성 및 센서 사양
| 위성 미션 | 센서 | 운영 기간 | 공간 해상도 (MS / Pan) | 수집된 스펙트럼 밴드 | Earth Engine 컬렉션 ID | 모자이크 해상도 시대 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Landsat 4 | Thematic Mapper (TM) | 1982-07-01~1993-12-14 | 30m/해당 사항 없음 | 파란색, 녹색, 빨간색, NIR, SWIR1, 열, SWIR2 | LANDSAT/LT04/C02/T1 |
30m (1984~1993년) |
| Landsat 5 | Thematic Mapper (TM) | 1984-03-01~2012-12-31 | 30m/해당 사항 없음 | 파란색, 녹색, 빨간색, NIR, SWIR1, 열, SWIR2 | LANDSAT/LT05/C02/T1 |
30m (1984~2012) |
| Landsat 7 | Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) | 1999년 4월 15일~2013년 8월 31일 | 30 m / 15 m | 파란색, 녹색, 빨간색, NIR, SWIR1, 열, SWIR2, Pan | LANDSAT/LE07/C02/T1LANDSAT/LE07/C02/T2 |
30m (1999~2013년) |
| Landsat 8 | Operational Land Imager (OLI) / TIRS | 2013년 2월 11일~현재 | 30 m / 15 m | Coastal, Blue, Green, Red, NIR, SWIR1, SWIR2, Pan, Cirrus, Thermal | LANDSAT/LC08/C02/T1_RT_TOALANDSAT/LC08/C02/T2_TOA |
30m (2013~2014년) 19.11m (2015년 이후) |
| Landsat 9 | Operational Land Imager 2 (OLI-2) / TIRS-2 | 2021년 11월 1일~현재 | 30 m / 15 m | Coastal, Blue, Green, Red, NIR, SWIR1, SWIR2, Pan, Cirrus, Thermal | LANDSAT/LC09/C02/T1_TOA |
19.11m (2021년 이상) |
| Sentinel-2A / 2B | MultiSpectral Instrument (MSI) | 2015년 6월 23일~현재 | 10 m / 20 m / 60 m | 파란색, 녹색, 빨간색, RedEdge (1~4), NIR, SWIR1, SWIR2, WaterVapor, Cirrus | COPERNICUS/S2_HARMONIZED |
19.11m (2015년 이상) |
표 1. 핵심 광학 센서 시스템이 Earth Timelapse 연간 모자이크 제작 파이프라인에 통합되었습니다.
보조 및 참조 데이터 세트
- MODIS 전역 BRDF / 표면 반사율 기준:
- 500m 해상도의 Terra 및 Aqua MODIS (
MODIS/006/MCD43A4및MOD09GA/MYD09GA)에서 파생된 사전 계산된 다년 지표면 반사율 컴포지션은 광범위한 조명 및 헤이즈 조화를 위한 행성 방사 측정 기준 타겟으로 사용됩니다.
- 500m 해상도의 Terra 및 Aqua MODIS (
- NOAA ETOPO1 전역 지형:
- 1분 각도의 전 세계 지형 및 해저 지형이 전 세계 물 마스크 제품에서 사실적인 음영 처리된 해저 지형과 깊이 윤곽을 생성하는 데 사용됩니다.
- Hansen Global Forest Change (
UMD/hansen/global_forest_change_2015):datamask레이어 (육지, 영구적인 수역, 해안 지역 구분)는 기본 육지 및 물 분리 경계 역할을 합니다.
- MODIS 전 세계 육지/물 마스크 (
MODIS/MOD44W/MOD44W_005_2000_02_24):- 지상 표면을 격리하고 해안 물 마스크가 번지는 것을 방지하기 위해 Hansen GFC와 함께 사용됩니다.
- Sentinel-2 Cloud Score+ (
GOOGLE/CLOUD_SCORE_PLUS/V1/S2_HARMONIZED):- Sentinel-2 MSI 데이터에 대한
cs(맑은 하늘 신뢰도) 및cs_cdf(누적 분포 맑은 하늘 확률) 측정항목을 제공하는 픽셀 수준 품질 평가
- Sentinel-2 MSI 데이터에 대한
- 글로벌 클라우드 기후 통계:
- 지속적으로 흐린 열대 지역에서 클라우드 마스크 기준점을 조정하는 경험적으로 도출된 25번째 백분위수 및 최소 클라우드 점수 기준선입니다.
공간 및 시간 필터링
글로벌 연간 모자이크는 구름이 많이 끼는 열대 지역에서 충분한 유효 관측치를 획득해야 하는 필요성과 고위도 지역에서 겨울철 눈 오염 및 극단적인 태양 천정각을 방지해야 하는 필요성의 균형을 맞춥니다.
위도 및 페놀로지 윈도우
- 북반구 극지방 / 고위도 지역 (>60°N~83.69°N):
- 일년 중 일 (DOY)별 직접 필터링: 관측은 DOY 150~270 (5월 말~9월)으로 제한됩니다. 이는 최대 녹색도인 최고 식물 성장기를 타겟팅하고 낮은 태양 고도 각도(태양 고도 ≤ 0°)로 인해 발생하는 계절별 눈, 얼음 덮개, 긴 지형 그림자를 최소화합니다.
- 온대 및 남반구 지역 (57°S~60°N):
- 전체 연도 (1월 1일~12월 31일)를 활용하여 장면 가용성을 극대화합니다.
처리 방법: 마스크 처리된 연간 모자이크
마스크 처리된 연간 모자이크 파이프라인은 보간되지 않은 전역 컴포지트를 생성합니다.
채널 복구 및 센서 준비 누락
대기 보정 및 품질 점수 매기기 전에 원시 Landsat 데이터는 다음과 같이 표준화됩니다.
- 열 밴드 재구성: Landsat 8 TIRS 열 밴드가 저하되거나 보정되지 않은 운영 기간 동안 자동화된 Landsat 클라우드 점수 알고리즘의 내부 인터페이스 요구사항을 충족하기 위해 자리표시자 제로 분산 열 채널이 합성됩니다.
- Landsat 4/5의 합성 전정색성 생성: Landsat 4 및 5 TM 센서에는 광학 전정색성 채널 (밴드 8)이 없습니다. 합성 의사 팬크로매틱 밴드는 장면별로 구성됩니다.
다음은 \(I_{\text{raw}}(\cdot)\) 원시 픽셀을 제공하고
하나 이상의 밴드를 매개변수로 사용할 수 있는 이미지 함수입니다. 예를 들어\(I_{\text{raw}}(Pan)\) 는 원시 팬크로매틱 밴드를 반환하고\(I_{\text{raw}}(RGB)\) 는 원시 RGB 밴드를 반환합니다. mean()은 평균 함수입니다.
대기권 상단 반사율 (TOA) 보정
Landsat 원시 장면은 ee.Algorithms.Landsat.TOA를 사용하여 TOA로 처리됩니다.
ee.Algorithms.Landsat.TOA는 Landsat 원시 데이터를 Landsat TOA 데이터 (\(I_{\text{TOA}}\))로 변환하는 이미지 함수입니다.
다중 센서 품질 및 클라우드 마스킹
궤도 스와스 경계 테이퍼링
거리 감쇠 소프트 알파 마스크는 Landsat 궤도 트랙을 따라 하드 이음새를 최소화하는 데 도움이 됩니다.
여기서 \(\text{Mask}_{\text{MODIS}}\) 는 MODIS 표면 반사율 연간 합성 (MOD09GA/MYD09GA)에서 파생된 마스크이고, \(\text{Mask}_{\text{raw}}\)는 Landsat 원시 장면의 마스크이며, min()는 최소화 함수이고, \(\text{Gaussian}\) 는 지정된 표준 편차를 갖는 가우시안 공간 컨볼루션입니다.
Landsat 7 SLC-off 수역 마스킹
2003년 5월 Landsat 7의 스캔 라인 보정기 (SLC)가 고장난 후 Landsat 7 장면에는 선형 데이터 격차가 포함되어 있어 개방된 수역에서 심각한 아티팩트가 발생할 수 있습니다. 개방된 수역의 Landsat 7 픽셀은 흐린 MODIS 수역 마스크를 사용하여 마스크 처리되며, 모자이크 제작 연도에 따라 Landsat 4/5/8/9 또는 Sentinel-2에 우선순위가 부여됩니다.
Landsat 클라우드 점수 지정 및 이상치 복구
Landsat 장면에는 ee.Algorithms.Landsat.simpleCloudScore를 사용하여 픽셀당 \(\text{Cloud}\) 점수 ([0, 100])가 부여됩니다.
두 가지 추가 개선 단계가 적용됩니다.
- HSV 공간에서 감지되지 않은 클라우드 복구: 클라우드 = 0의 잘못된 점수를 받는 반사율이 높고 채도가 낮은 클라우드 이상치는 \(I_{\text{TOA}}(RGB)\) 를 색상-채도-값 (HSV) 공간으로 변환하고 \(\text{Cloud}\) 마스크를 업데이트하여 감지됩니다.
- 적응형 기후학적 기준 설정: 흐린 픽셀 (즉, \(\text{Cloud} \gt \text{Threshold}_{\text{cloud}}\))을 삭제하는 기준은 사전 계산된 공간 클라우드 통계에서 동적으로 계산됩니다.
여기서 \(\text{Cloud}_{\text{p25}}\) 는 픽셀당 25번째 백분위수 \(\text{Cloud}\) 점수로 25~65 사이로 고정됩니다. 기준점이 확인된 밝은 지표면 (사막 모래 언덕, 염전) 위로 올라갑니다.
Sentinel-2 Cloud Scoring
Sentinel-2 조화된 장면은 GOOGLE/CLOUD_SCORE_PLUS/V1/S2_HARMONIZED와 페어링됩니다.
- 픽셀 필터링: 맑은 하늘 신뢰도
cs≥ 0.60이고 누적 맑은 하늘 확률cs_cdf≥ 0.70인 경우 유지됩니다.
팬크로매틱 정규화 및 구조적 융합
센서 전환 시 스펙트럼 왜곡 없이 Landsat 7/8/9의 15m 팬크로매틱 해상도를 활용하려면 TOA 데이터에 팬크로매틱 정규화가 적용됩니다.
여기서 \(\mu_{\text{3x3}}\) 는 3x3 픽셀 이웃 평균 함수입니다.
MODIS BRDF 기준에 대한 방사광학 정규화
비선형 대비 스케일링: 대기권 상단 반사율은 감마 조정으로 8비트 디스플레이 범위 ([0,255])로 스케일링됩니다.
여기서 \(\text{Visualize}\) 은 ee.Image.visualize() 함수입니다. 이후에는 달리 명시되지 않는 한 8비트 RGB 색상 공간이 사용됩니다.
과보정 거부 마스크: 과도한 평활화로부터 실제 급격한 토지 피복 변화를 보호합니다.
여기서 \(I_{\text{BRDF}}\) 는 MODIS BRDF 조정 반사율 (MCD43A4) 컴포지트에서 8비트 RGB 데이터를 생성합니다.
Low-Pass Spatial Field Extraction:
헤이즈 제거 및 반사율 조화:
지상 토지 공간 선명화
지상 토지 표면에만 \(I_{\text{scaled}}\)와 \(I_{\text{normalized}}\) 의 조합에 라플라시안 가장자리 컨볼루션을 적용합니다.
시간 중위수 합성
각 연도 \(Y\)에 대해 정규화되고 클라우드 마스크가 적용된 이미지 컬렉션은 16비트 정밀도 중앙값 리듀서를 사용하여 단일 멀티 밴드 컴포지트로 축소됩니다.
결과 이미지는 보간되지 않은 유효한 픽셀 마스크가 있는 red, green, blue, cloud 밴드를 특징으로 하는 원시 연간 모자이크를 나타냅니다. 시간 (\(t\))은 이미지 함수의 매개변수입니다.
후처리: 전역 갭 필링 및 워터 마스크 처리된 애셋
대화형 Earth Timelapse 뷰어와 연간 모자이크에 사용되는 매끄럽고 전 세계를 포괄하는 기본 지도를 생성하기 위해 원시 연간 컴포지트가 후처리됩니다.
시간적 선형 회귀 갭 채우기 (1999년 이전 모자이크)
1999년 Landsat 7이 출시되기 전에는 전 세계 위성 획득이 기존 다운링크 인프라, 온보드 테이프 레코더 제한, 지속적인 구름 덮개로 인해 제한되었습니다. 따라서 1999년 이전의 연간 모자이크에는 특히 중앙아프리카, 동남아시아, 시베리아, 아마존에 상당한 공간 공백이 포함되어 있습니다.
시간적 전환을 유지하면서 주의를 산만하게 하는 회색 공백을 없애기 위해 파이프라인은 픽셀별 시간적 선형 회귀 보간을 구현합니다.
시간 앵커 검색
각 타겟 연도 Y에 대해 알고리즘은 10년 단위 컬렉션을 검색하여 (\(t_{\text{before}} \le Y\)) 및 (\(t_{\text{after}} \ge Y\)) 전후의 가장 최근의 유효한 마스크되지 않은 픽셀 관측치를 찾습니다.
선형 회귀 적합
일반 최소 제곱 회귀 모델은 독립 변수 [1, t] 및 종속 변수 [Red, Green, Blue]를 사용하여 경계 시간 관측치 전반에서 픽셀당 평가됩니다.
시뮬레이션된 가치 평가
선형 궤적은 타겟 연도 Y에서 평가됩니다.
관찰 레이어링
Y년의 연간 픽셀은 보간된 픽셀과 모자이크됩니다.
이를 통해 해당 연도의 실제 위성 관측이 있는 경우 유지되고 과거 데이터 격차는 시간에 따라 보간됩니다.
고위도 빙하 충전
Landsat 궤도 경사로 인해 극지방(>82.6°N) 근처의 관측이 제한됩니다. 광학 범위가 부족한 북그린란드와 북극 빙붕의 내부 지역의 경우 깨끗하고 매끄러운 극지방 기본 지도를 유지하기 위해 보정되고 정규화된 다년 기준선이 혼합됩니다.
전 세계 해양 지형 및 물 마스킹
원시 연간 모자이크에서 해양 표면에는 햇빛, 구름 그림자, 일시적인 파도 아티팩트가 포함됩니다. 최종 애셋은 열린 바다를 전 세계의 음영 기복 해저 지형 기본 지도으로 대체합니다.
- 해저 지형 음영: NOAA ETOPO1 모델의 지형 고도는 해양 깊이 색상 램프를 사용하여 스타일이 지정됩니다.
- 심해 평원 (-5,000m): 짙은 남색 (
#000927) - 대륙 사면 (-1,000m): 슬레이트 블루 (
#000E3A) - 대륙붕 (-100m): Azure Navy (
#000E3B) - 해안선 (0m): 로열 코발트 (
#001146)
- 심해 평원 (-5,000m): 짙은 남색 (
- 음영 및 하이패스 가우시안 보정: 분석적 음영 (
ee.Terrain.hillshade) 및 5,000m 가우시안 언샤프 마스크를 결합하여 해저 계곡, 해령, 해산을 강조합니다. - 육지/물 경계 조화:
- Hansen Global Forest Change
datamask(육지와 해양 구분)와 MODIS water mask (MOD44W)를 결합합니다. - 자연스러운 물 색상 역학을 보존하기 위해 내륙 호수와 폐쇄된 바다 (예: 카스피해, 오대호, 바이칼 호수, 아랄해)를 칠합니다.
- 3단계 형태학적 원형 커널 감소와 3,000m 가우시안 흐림을 적용하여 하드 클리핑 없이 얕은 연안 해역과 근해 수심 간의 경계를 부드럽게 테이퍼링합니다.
- Hansen Global Forest Change
전역 색상 균형 조정 및 로컬 대비 향상 (LCE)
- HSV 값 향상 및 감마 균형 조정: 채널 감마 ($\gamma_R = 0.98, \gamma_G = 1.00, \gamma_B = 1.04$)와 HSV 색상 공간의 10% 값 채널 향상이 적용됩니다.
- 극지방 얼음 화이트 포인트 보정: 반사율이 높은 극지방 표면(그린란드, 남극, 고산 지대 빙상)을 표시하고 순수한 중립 흰색 (
[255, 255, 255])으로 균형을 맞춥니다. - 다중 스케일 LCE: 라플라시안 컨볼루션, 평균 필터링, 가우시안 언샤프 마스크의 조합을 사용하여 다양한 기능 유형의 대비와 지형 선명도를 향상합니다.
| 기능 | 원시 연간 모자이크 | Global Final Annual Mosaics |
|---|---|---|
| 주요 사용 사례 | 과학적 분석, 출처 추적, ML 학습 | 시각적 기본 지도, 동영상 내보내기, 전 세계 타임랩스 탐색 |
| 공간 완전성 | 지상 (데이터 누락 있음) | 전 세계 완전성 100% |
| 분실된 Pixel 처리 | 마스크 처리됨 (투명한 데이터 없음) | 선형 회귀 보간 |
| 1999년 이전 열대 지역의 공백 | 데이터 없음 간격으로 보존됨 | 시간에 따라 부드럽게 보간됨 |
| 바닷물 표현 | 마스크 처리되거나 정규화되지 않은 물 | 스타일이 지정된 NOAA ETOPO1 해저지형 |
| 포함된 스펙트럼 밴드 | 빨간색, 녹색, 파란색, 클라우드 (QA) | 빨간색, 녹색, 파란색 |
| 비트 심도 | 8비트 부호 없는 정수 (0~255) | 8비트 부호 없는 정수 (0~255) |
| Pixel 해상도: 1984~2014년 | 픽셀당 30.0미터 (EPSG:3857) | 픽셀당 30.0미터 (EPSG:3857) |
| Pixel 해상도: 2015년~현재 | 픽셀당 19.11미터 (EPSG:3857) | 픽셀당 19.11미터 (EPSG:3857) |
| 그리드 크기 (1984~2014년) | 1,335,834×1,198,340픽셀 | 1,335,834×1,198,340픽셀 |
| 그리드 측정기준 (2015년~현재) | 2,097,152×1,881,297픽셀 | 2,097,152×1,881,297픽셀 |
표 2. 원시 및 전역 최종 지구 타임랩스 컬렉션 간의 자세한 기술 비교
제한사항 및 분석 고려사항
- 이중 해상도 기간 (30m vs. 19.11m): 수십 년에 걸친 시계열 분석을 수행하는 사용자는 2015년의 해상도 전환을 고려해야 합니다. 1984~2014년의 합성 이미지는 픽셀당 30.0미터로 그리드화되는 반면, 2015년 이후의 이미지는 Sentinel-2 MSI 데이터의 통합으로 인해 픽셀당 19.11미터로 그리드화됩니다.
- 보간된 픽셀 (1999년 이전): Global Final 컬렉션에서 1999년 이전 모자이크의 누락된 픽셀은 시간적으로 보간됩니다. 여러 해에 걸친 간격 동안 갑작스러운 토지 이용 전환 (예: 급격한 삼림 벌채 또는 저수지 건설)이 발생하는 지역에서는 보간된 픽셀이 갑작스러운 개별 이벤트가 아닌 점진적인 선형 전환을 나타냅니다.
- 변경된 밴드 비율: 방사량 정규화는 MODIS BRDF 타겟에 대해 장면 전반의 시각적 일관성을 최적화합니다. 상대적 공간 패턴은 유지되지만 파생된 스펙트럼 지수 (예: NDVI, EVI)는 레벨 2 표면 반사율 값과 다릅니다.
- 계절적 혼합: 고위도 북부 지역 (>60°N)은 한여름 조건 (DOY 150~270)을 나타내고, 온대 및 열대 지역은 연간 합성 중앙값을 나타냅니다.
기여 분석
이 데이터 세트는 크리에이티브 커먼즈 저작자 표시 4.0 국제 라이선스에 따라 라이선스가 부여되며 다음 저작자 표시가 필요합니다.
Google Earth Timelapse (Google, Landsat, Copernicus)