Kumpulan data Earth Timelapse memberikan catatan visual empat dekade perubahan planet yang mencakup periode dari tahun 1984 hingga 2022. Disintesis oleh Google dari petabyte pengamatan dari luar angkasa yang diperoleh oleh misi Landsat NASA/USGS (Landsat 4, 5, 7, 8, dan 9) dan konstelasi Copernicus Sentinel-2 ESA, set data ini ditawarkan sebagai mosaik tahunan untuk interpretasi visual.
Mosaik tahunan tersedia secara global, diisi celahnya, dan peta dasar visual yang ditutup dengan masker air yang mendukung penampil interaktif Google Earth Timelapse publik. Pengamatan sebelum tahun 1999 yang kosong direkonstruksi dengan lancar menggunakan interpolasi regresi linear temporal per piksel di seluruh tahun pengamatan valid yang berdekatan. Perairan laut terbuka diganti dengan batimetri relief berbayang NOAA ETOPO1 yang diberi gaya visual dan masking air global (menggunakan set data Hansen GFC dan MOD44W). Data ini cocok untuk: interpretasi visual, bercerita dalam pendidikan, pemetaan dasar, atau ekspor video kustom.
Era Resolusi Spasial
Koleksi Earth Timelapse mencakup dua era resolusi spasial yang berbeda:
- 1984–2014 (30 m / piksel): Disintesis dari pengamatan USGS/NASA Landsat 4, 5, 7, dan 8. Gambar diatur dalam petak Web Mercator (
EPSG:3857) pada resolusi 30 meter. - 2015–Sekarang (19,11 m / piksel): Disintesis dengan menggabungkan pengamatan MultiSpectral Instrument (MSI) Sentinel-2A/2B Copernicus ESA (10 m / 20 m asli) dengan Landsat 8 dan 9. Gambar dikotak-kotakkan dalam Web Mercator
(
EPSG:3857) pada resolusi ~19,11 meter.
Mosaik tahunan mencakup semua daratan global dan zona pesisir dari sekitar -82,6°LS hingga 83,69°LU. Mensintesis data pengamatan Bumi selama lebih dari empat dekade memerlukan harmonisasi berbagai konstelasi satelit di seluruh rentang masa operasional, modalitas sensor, geometri orbital, dan gangguan atmosfer.
Pipeline Earth Timelapse menyerap jutaan gambar individual dari program Landsat USGS/NASA (Landsat 4, 5, 7, 8, dan 9) dan konstelasi Copernicus Sentinel-2 dari Badan Antariksa Eropa (ESA). Untuk mengubah pengamatan mentah dan Top-of-Atmosphere (TOA) menjadi peta dasar tahunan yang konsisten, setiap adegan diproses dengan:
- Pemfilteran adegan fenologis dan musiman untuk mengoptimalkan pertumbuhan vegetasi puncak dan meminimalkan efek musiman sementara.
- Pemulihan channel yang hilang dan mitigasi anomali sensor (misalnya, saturasi TIRS Landsat 8, artefak SLC-off Landsat 7).
- Pemberian skor kualitas awan, kabut, dan bayangan multi-sensor yang menggabungkan Landsat
simpleCloudScore, pemulihan awan ruang HSV heuristik, dan Sentinel-2Cloud Score+. - Normalisasi pankromatik dan pseudo-pansharpening struktural untuk meningkatkan resolusi yang tampak.
- Normalisasi radiometrik yang dikalibrasi BRDF MODIS menggunakan pemfilteran spasial low-pass multi-skala untuk menghilangkan batas adegan sekaligus mempertahankan tekstur permukaan lokal.
- Penajaman tepi yang hemat air untuk menghindari pemutihan garis pantai.
- Penggabungan median 16-bit temporal untuk menolak noise atmosfer sementara, bayangan, dan artefak sementara.
- Interpolasi regresi linear temporal (untuk aset Final Global) untuk merekonstruksi pengamatan yang hilang dalam mosaik sebelum tahun 1999.
- Pemodelan batimetri laut global dan masking air yang menggabungkan NOAA ETOPO1, Hansen Global Forest Change datamask, dan MODIS water masks.
- Penyeimbangan warna global, mempertahankan titik putih es kutub, peningkatan kontras lokal (LCE) multi-skala untuk peningkatan visual.
Spesifikasi Data Sumber & Sensor
Koleksi Earth Timelapse memanfaatkan misi pengamatan Bumi dari ruang angkasa berikut:
Spesifikasi Satelit dan Sensor
| Misi Satelit | Sensor | Rentang Tanggal Operasional | Resolusi Spasial (MS / Pan) | Pita Spektral yang Diserap | ID Koleksi Earth Engine | Era Resolusi Mosaik |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Landsat 4 | Thematic Mapper (TM) | 1982-07-01 – 1993-12-14 | 30 m / T/A | Biru, Hijau, Merah, NIR, SWIR1, Termal, SWIR2 | LANDSAT/LT04/C02/T1 |
30 m (1984–1993) |
| Landsat 5 | Thematic Mapper (TM) | 1984-03-01 – 2012-12-31 | 30 m / T/A | Biru, Hijau, Merah, NIR, SWIR1, Termal, 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 | Biru, Hijau, Merah, NIR, SWIR1, Termal, SWIR2, Pan | LANDSAT/LE07/C02/T1LANDSAT/LE07/C02/T2 |
30 m (1999–2013) |
| Landsat 8 | Operational Land Imager (OLI) / TIRS | 11-02-2013 – Sekarang | 30 m / 15 m | Pesisir, Biru, Hijau, Merah, NIR, SWIR1, SWIR2, Pan, Cirrus, Termal | LANDSAT/LC08/C02/T1_RT_TOALANDSAT/LC08/C02/T2_TOA |
30 m (2013–2014) 19,11 m (2015+) |
| Landsat 9 | Operational Land Imager 2 (OLI-2) / TIRS-2 | 01-11-2021 – Sekarang | 30 m / 15 m | Pesisir, Biru, Hijau, Merah, NIR, SWIR1, SWIR2, Pan, Cirrus, Termal | LANDSAT/LC09/C02/T1_TOA |
19,11 m (2021+) |
| Sentinel-2A / 2B | MultiSpectral Instrument (MSI) | 23-06-2015 – Sekarang | 10 m / 20 m / 60 m | Biru, Hijau, Merah, RedEdge (1-4), NIR, SWIR1, SWIR2, WaterVapor, Cirrus | COPERNICUS/S2_HARMONIZED |
19,11 m (2015+) |
Tabel 1. Sistem sensor optik inti yang terintegrasi ke dalam pipeline produksi mosaik tahunan Earth Timelapse.
Set Data Tambahan dan Referensi
- Dasar BRDF / Reflektansi Permukaan Global MODIS:
- Komposit reflektansi permukaan multi-tahun yang telah dihitung sebelumnya yang berasal dari
Terra dan Aqua MODIS (
MODIS/006/MCD43A4danMOD09GA/MYD09GA) pada resolusi 500 meter berfungsi sebagai target referensi radiometrik planet untuk harmonisasi kabut dan iluminasi skala luas.
- Komposit reflektansi permukaan multi-tahun yang telah dihitung sebelumnya yang berasal dari
Terra dan Aqua MODIS (
- NOAA ETOPO1 Global Relief:
- Topografi dan batimetri global 1 Arc-Menit digunakan untuk menghasilkan medan dasar samudra dengan relief berarsir yang realistis dan kontur kedalaman dalam produk global yang ditutupi air.
- Hansen Global Forest Change (
UMD/hansen/global_forest_change_2015):- Lapisan
datamask(yang membedakan daratan, badan air permanen, dan zona pesisir) berfungsi sebagai batas pemisahan daratan dan air utama.
- Lapisan
- MODIS Global Land/Water Mask (
MODIS/MOD44W/MOD44W_005_2000_02_24):- Digunakan bersama dengan GFC Hansen untuk mengisolasi permukaan terestrial dan mencegah kebocoran mask air pesisir.
- Sentinel-2 Cloud Score+ (
GOOGLE/CLOUD_SCORE_PLUS/V1/S2_HARMONIZED):- Penilaian kualitas tingkat piksel yang memberikan metrik
cs(keyakinan langit cerah) dancs_cdf(probabilitas langit cerah distribusi kumulatif) untuk data MSI Sentinel-2.
- Penilaian kualitas tingkat piksel yang memberikan metrik
- Statistik Klimatologi Awan Global:
- Dasar pengukuran skor cloud minimum dan persentil ke-25 yang diperoleh secara empiris yang menyesuaikan nilai minimum masking awan di zona tropis yang terus-menerus berawan.
Pemfilteran Spasial dan Temporal
Mosaik tahunan global menyeimbangkan kebutuhan untuk mendapatkan pengamatan yang cukup valid di wilayah tropis yang rentan terhadap awan sekaligus mencegah kontaminasi salju musim dingin dan sudut zenit matahari ekstrem di wilayah lintang tinggi.
Penentuan Jendela Lintang dan Fenologi
- Zona Kutub / Lintang Tinggi Belahan Bumi Utara (>60°N hingga 83,69°N):
- Pemfilteran langsung menurut Hari dalam Setahun (DOY): Pengamatan dibatasi untuk DOY 150 hingga 270 (akhir Mei hingga September). Target ini adalah musim pertumbuhan vegetatif puncak (kehijauan maksimum) dan meminimalkan salju musiman, lapisan es, dan bayangan medan yang panjang yang disebabkan oleh sudut elevasi matahari yang rendah (elevasi matahari ≤ 0°).
- Zona Beriklim Sedang dan Belahan Bumi Selatan (57°S hingga 60°N):
- Memanfaatkan tahun kalender penuh (1 Januari hingga 31 Desember) untuk memaksimalkan ketersediaan adegan.
Metodologi Pemrosesan: Mosaik Tahunan yang Disamarkan
Pipeline mosaik tahunan yang disamarkan menghasilkan komposit global yang tidak diinterpolasi.
Pemulihan Saluran yang Hilang & Persiapan Sensor
Sebelum koreksi atmosfer dan pemberian skor kualitas, data mentah Landsat distandardisasi:
- Rekonstruksi Band Termal: Selama periode operasional saat band termal TIRS Landsat 8 mengalami penurunan kualitas atau tidak terkalibrasi, saluran termal placeholder dengan varians nol disintesis untuk memenuhi persyaratan antarmuka internal algoritma penilaian cloud Landsat otomatis.
- Pembuatan Pankromatik Sintetis untuk Landsat 4/5: Sensor TM Landsat 4 dan 5 tidak memiliki saluran pankromatik optik (Band 8). Band pseudo-pankromatik sintetis dibuat per adegan:
Berikut \(I_{\text{raw}}(\cdot)\) adalah fungsi gambar yang menyediakan piksel mentah
dan dapat menggunakan satu atau beberapa band sebagai parameter. Misalnya,
\(I_{\text{raw}}(Pan)\) menampilkan band pankromatik mentah dan
\(I_{\text{raw}}(RGB)\) menampilkan band RGB mentah. mean() adalah fungsi
rata-rata.
Kalibrasi ke Reflektansi Top-of-Atmosphere (TOA)
Gambar mentah Landsat diproses menjadi TOA menggunakan
ee.Algorithms.Landsat.TOA.
ee.Algorithms.Landsat.TOA adalah fungsi gambar yang mengonversi data mentah Landsat menjadi data TOA Landsat (\(I_{\text{TOA}}\)).
Kualitas Multi-Sensor dan Penyamaran Awan
Penyempitan Batas Bidang Orbit
Masker alfa lembut peluruhan jarak membantu meminimalkan sambungan yang terlihat jelas di sepanjang jalur orbit Landsat:
dengan \(\text{Mask}_{\text{MODIS}}\) adalah mask yang berasal dari komposit tahunan reflektansi permukaan MODIS (MOD09GA/MYD09GA), \(\text{Mask}_{\text{raw}}\)
adalah mask dari adegan mentah Landsat, min() adalah fungsi minimisasi,
dan \(\text{Gaussian}\) adalah konvolusi spasial Gaussian dengan simpangan baku
yang ditentukan.
Masking Air Landsat 7 SLC-off
Setelah kegagalan Scan Line Corrector (SLC) di Landsat 7 pada Mei 2003, gambar Landsat 7 berisi kesenjangan data linear, yang dapat menyebabkan artefak parah di atas perairan terbuka. Piksel Landsat 7 di atas perairan terbuka akan di-masking menggunakan masker air MODIS yang dikaburkan, dengan memprioritaskan Landsat 4/5/8/9 atau Sentinel-2, bergantung pada tahun produksi mosaik.
Landsat Cloud Scoring & Anomaly Recovery
Scene Landsat diberi skor per piksel \(\text{Cloud}\) (dalam [0, 100]) menggunakan
ee.Algorithms.Landsat.simpleCloudScore.
Diterapkan dua tahap penyempurnaan tambahan:
- Pemulihan Cloud yang Tidak Terdeteksi dalam Ruang HSV: Anomali awan dengan reflektansi tinggi dan saturasi rendah yang menerima skor salah dari Cloud = 0 terdeteksi dengan mengubah \(I_{\text{TOA}}(RGB)\) ke ruang Hue-Saturation-Value (HSV) dan memperbarui mask \(\text{Cloud}\) :
- Penentuan Nilai Minimum Klimatologis Adaptif: Nilai minimum untuk menghapus piksel berawan (yaitu \(\text{Cloud} \gt \text{Threshold}_{\text{cloud}}\)) dihitung secara dinamis dari statistik awan spasial yang telah dihitung sebelumnya:
dengan \(\text{Cloud}_{\text{p25}}\) adalah skor persentil ke-25 per piksel \(\text{Cloud}\) yang diklem agar berada di antara 25 dan 65. Ambang batas dinaikkan di atas permukaan daratan cerah yang terverifikasi (bukit pasir gurun, dataran garam):
Skor Awan Sentinel-2
Scene yang Diharmoniskan Sentinel-2 dipasangkan dengan
GOOGLE/CLOUD_SCORE_PLUS/V1/S2_HARMONIZED:
- Pemfilteran Piksel: Dipertahankan jika keyakinan langit cerah
cs≥ 0,60 dan probabilitas langit cerah kumulatifcs_cdf≥ 0,70.
Normalisasi Pankromatik dan Penggabungan Struktural
Untuk memanfaatkan resolusi pankromatik 15 meter Landsat 7/8/9 tanpa distorsi spektral di seluruh transisi sensor, normalisasi pankromatik diterapkan ke data TOA:
dengan \(\mu_{\text{3x3}}\) adalah fungsi rata-rata lingkungan piksel 3x3.
Normalisasi Radiometrik terhadap Dasar Pengukuran BRDF MODIS
Penskalaan Kontras Non-linear: Pantulan Top-of-Atmosphere diskalakan ke rentang tampilan 8-bit ([0,255]) dengan penyesuaian gamma:
dengan \(\text{Visualize}\) adalah
fungsi
ee.Image.visualize(). Selanjutnya, ruang warna RGB 8-bit akan digunakan kecuali dinyatakan lain.
Masker Penolakan Koreksi Berlebih: Melindungi perubahan tutupan lahan cepat yang sebenarnya dari perataan berlebih:
dengan \(I_{\text{BRDF}}\) menghasilkan data RGB 8-bit dari komposit Reflektansi yang Disesuaikan dengan BRDF MODIS (MCD43A4).
Ekstraksi Bidang Spasial Low-Pass:
Pengurangan Kabut dan Penyesuaian Pantulan:
Penajaman Spasial Lahan Terestrial
Menerapkan konvolusi tepi Laplacian ke kombinasi \(I_{\text{scaled}}\) dan \(I_{\text{normalized}}\) khusus di permukaan daratan.
Penggabungan Median Temporal
Untuk setiap tahun kalender \(Y\), kumpulan gambar yang dinormalisasi dan ditutupi awan akan direduksi menjadi satu komposit multiband menggunakan pengurang median presisi 16-bit:
Gambar yang dihasilkan merepresentasikan mosaik tahunan mentah, yang menampilkan band red, green, blue, dan cloud dengan mask piksel valid yang tidak diinterpolasi. Perhatikan bahwa
waktu (\(t\)) adalah parameter untuk fungsi gambar.
Pasca-Pemrosesan: Aset yang Diisi Celah & diberi Masker Air Global
Untuk menghasilkan peta dasar yang lancar dan lengkap secara global yang digunakan dalam penampil interaktif Earth Timelapse dan mosaik tahunan, komposit tahunan mentah diproses pasca-pemrosesan.
Pengisian Kekosongan Regresi Linear Temporal (Mosaik Pra-1999)
Sebelum peluncuran Landsat 7 pada tahun 1999, akuisisi satelit global dibatasi oleh infrastruktur downlink historis, batasan perekam kaset di dalam pesawat, dan tutupan awan yang persisten. Akibatnya, mozaik tahunan sebelum tahun 1999 berisi kekosongan spasial yang signifikan, terutama di seluruh Afrika Tengah, Asia Tenggara, Siberia, dan Amazon.
Untuk menghilangkan kekosongan abu-abu yang mengganggu sekaligus mempertahankan transisi temporal, pipeline menerapkan interpolasi regresi linear temporal per piksel:
Penelusuran Anchor Temporal
Untuk setiap tahun target Y, algoritma menelusuri koleksi multi-dekade untuk menemukan pengamatan piksel yang valid, tidak tertutup, dan terbaru sebelum (\(t_{\text{before}} \le Y\)) dan setelah (\(t_{\text{after}} \ge Y\)).
Kesesuaian Regresi Linear
Model regresi kuadrat terkecil biasa dievaluasi per piksel di seluruh pengamatan temporal yang berbatasan dengan variabel independen [1, t] dan variabel dependen [Red, Green, Blue]:
Evaluasi Nilai Simulasi
Lintasan linear dievaluasi pada tahun target Y:
Pelapisan Pengamatan
Piksel tahunan dari tahun Y digabungkan dengan piksel yang diinterpolasi:
Hal ini memastikan bahwa di mana pun pengamatan satelit nyata ada untuk tahun tersebut, pengamatan tersebut dipertahankan , sementara kesenjangan data historis diinterpolasi dari waktu ke waktu.
Pengisian Glasial di Lintang Tinggi
Kemiringan orbit Landsat membatasi pengamatan di dekat kutub ekstrem (>82,6°N). Untuk wilayah interior Greenland Utara dan lapisan es Arktik yang tidak memiliki cakupan optik, garis dasar multi-tahun yang dikalibrasi dan dinormalisasi digabungkan untuk mempertahankan peta dasar kutub yang bersih dan lancar.
Batimetri Laut Global & Masking Air
Dalam mosaik tahunan mentah, permukaan laut mengandung kilau matahari, bayangan awan, dan artefak gelombang sementara. Aset akhir menggantikan perairan laut terbuka dengan peta dasar batimetri relief berbayang global:
- Shading Batimetri: Ketinggian topografi dari model NOAA ETOPO1 ditata menggunakan ramp warna kedalaman laut:
- Dataran Abisal Dalam (-5000 m): Deep Navy (
#000927) - Continental Slope (-1000 m): Slate Blue (
#000E3A) - Landas Kontinen (-100 m): Angkatan Laut Azure (
#000E3B) - Garis Pantai (0 m): Royal Cobalt (
#001146)
- Dataran Abisal Dalam (-5000 m): Deep Navy (
- Hillshading & High-Pass Gaussian Enhancement: Dikombinasikan dengan hillshading analitis (
ee.Terrain.hillshade) dan 5000 m Gaussian unsharp masking untuk menekankan palung laut, punggung bukit tengah laut, dan gunung laut. - Penyelarasan Batas Darat/Perairan:
- Menggabungkan Hansen Global Forest Change
datamask(membedakan daratan dari lautan) dengan masker air MODIS (MOD44W). - Mewarnai danau pedalaman dan laut tertutup (misalnya, Laut Kaspia, Danau Besar, Danau Baikal, Laut Aral) untuk mempertahankan dinamika warna air alami.
- Menerapkan pengurangan kernel melingkar morfologi 3 tahap dan blur Gaussian 3000 m untuk memperkecil batas antara perairan pesisir dangkal dan batimetri lepas pantai tanpa pemangkasan keras.
- Menggabungkan Hansen Global Forest Change
Penyeimbangan Warna Global & Peningkatan Kontras Lokal (LCE)
- Peningkatan Nilai HSV & Penyeimbangan Gamma: Gamma saluran ($\gamma_R = 0.98, \gamma_G = 1.00, \gamma_B = 1.04$), diikuti dengan peningkatan saluran nilai 10% dalam ruang warna HSV.
- Koreksi Titik Putih Es Kutub: Menandai permukaan kutub dengan reflektansi tinggi (Greenland, Antartika, lapisan es pegunungan) dan menyeimbangkannya ke putih netral murni (
[255, 255, 255]). - LCE Multi-Skala: Meningkatkan kontras dan ketajaman medan untuk berbagai jenis fitur menggunakan kombinasi konvolusi Laplacian, pemfilteran rata-rata, dan masking tidak tajam Gaussian.
| Fitur | Mosaik Tahunan Mentah | Mosaik Tahunan Akhir Global |
|---|---|---|
| Kasus Penggunaan Utama | Analisis ilmiah, pelacakan asal, pelatihan ML | Peta dasar visual, ekspor video, eksplorasi selang waktu global |
| Kelengkapan Spasial | Terestrial (dengan kesenjangan data) | 100% Kelengkapan global |
| Penanganan Pixel yang Hilang | Disamarkan (Transparan tanpa data) | Interpolasi regresi linear |
| Tropical Voids Sebelum Tahun 1999 | Dipertahankan sebagai kesenjangan tanpa data | Diinterpolasi dengan lancar dalam waktu |
| Representasi Air Laut | Air yang disaring atau tidak dinormalisasi | Batimetri ETOPO1 NOAA yang diberi gaya |
| Band Spektral yang Disertakan | merah, hijau, biru, awan (QA) | merah, hijau, biru |
| Kedalaman Bit | Bilangan bulat 8-bit tanpa tanda (0–255) | Bilangan bulat 8-bit tanpa tanda (0–255) |
| Resolusi Piksel: 1984–2014 | 30,0 meter per piksel (EPSG:3857) | 30,0 meter per piksel (EPSG:3857) |
| Resolusi Pixel: 2015–Sekarang | 19,11 meter per piksel (EPSG:3857) | 19,11 meter per piksel (EPSG:3857) |
| Dimensi Petak (1984–2014) | 1.335.834 × 1.198.340 piksel | 1.335.834 × 1.198.340 piksel |
| Dimensi Petak (2015–Sekarang) | 2.097.152 × 1.881.297 piksel | 2.097.152 × 1.881.297 piksel |
Tabel 2. Perbandingan teknis mendetail antara koleksi Raw dan Global Final Earth Timelapse.
Batasan dan Pertimbangan Analisis
- Era Resolusi Ganda (30 m vs. 19,11 m): Pengguna yang melakukan analisis deret waktu multi-dekade harus memperhitungkan transisi resolusi pada tahun 2015. Gambar komposit dari tahun 1984–2014 di-grid pada 30,0 meter per piksel, sedangkan gambar dari tahun 2015 dan seterusnya di-grid pada 19,11 meter per piksel karena integrasi data MSI Sentinel-2.
- Piksel yang Diinterpolasi (Sebelum 1999): Dalam koleksi Final Global, piksel yang hilang dalam mosaik sebelum tahun 1999 diinterpolasi secara temporal. Di wilayah yang mengalami transisi penggunaan lahan secara tiba-tiba (misalnya, deforestasi cepat atau pembangunan waduk) selama jeda multi-tahun, piksel yang diinterpolasi akan menggambarkan transisi linear bertahap, bukan peristiwa diskret yang tiba-tiba.
- Rasio Band yang Diubah: Normalisasi radiometrik mengoptimalkan konsistensi visual di seluruh adegan terhadap target BRDF MODIS. Meskipun pola spasial relatif dipertahankan, indeks spektral turunan (misalnya, NDVI, EVI) berbeda dari nilai Reflektansi Permukaan Level-2.
- Perpaduan Fenologis: Wilayah utara di garis lintang tinggi (>60°N) mewakili kondisi pertengahan musim panas (DOY 150–270), sedangkan zona beriklim sedang dan tropis mewakili median komposit tahunan.
Atribusi
Set data ini dilisensikan berdasarkan Lisensi Internasional Creative Commons Attribution 4.0 dan memerlukan atribusi berikut:
Google Earth Timelapse (Google, Landsat, Copernicus)