About Earth Timelapse

ชุดข้อมูล Timelapse ของ Earth ให้บันทึกภาพการเปลี่ยนแปลงของโลกในรอบ 4 ทศวรรษตั้งแต่ปี 1984 ถึงปี 2022 ชุดข้อมูลนี้สังเคราะห์โดย Google จากข้อมูลสังเกตการณ์จากอวกาศหลายเพตะไบต์ ที่ได้จากภารกิจ Landsat ของ NASA/USGS (Landsat 4, 5, 7, 8 และ 9) และกลุ่มดาวเทียม Copernicus Sentinel-2 ของ ESA โดยมีให้ใช้งานเป็นภาพโมเสกรายปี สำหรับการตีความด้วยภาพ

ภาพโมเสกประจำปี เป็นแผนที่ฐานภาพที่สมบูรณ์ทั่วโลก มีการเติมช่องว่าง และมีการมาสก์น้ำ ซึ่งขับเคลื่อน โปรแกรมดูแบบอินเทอร์แอกทีฟของ Google Earth Timelapse สำหรับสาธารณะ การสังเกตก่อนปี 1999 ที่ไม่ถูกต้อง ได้รับการสร้างขึ้นใหม่อย่างราบรื่นโดยใช้การประมาณค่าการถดถอยเชิงเส้นชั่วคราวระดับพิกเซล ในระหว่างปีที่สังเกตที่ถูกต้องซึ่งอยู่ติดกัน แทนที่น่านน้ำในมหาสมุทรเปิดด้วยข้อมูลความลึกของพื้นทะเลแบบแรเงา ETOPO1 ของ NOAA ที่จัดรูปแบบแล้วและการมาสก์น้ำทั่วโลก (ใช้ชุดข้อมูล Hansen GFC และ MOD44W) ข้อมูลเหล่านี้เหมาะสำหรับ การตีความภาพ การเล่าเรื่องเพื่อการศึกษา การทำแผนที่ฐาน หรือการส่งออกวิดีโอที่กำหนดเอง

ยุคของความละเอียดเชิงพื้นที่

คอลเล็กชันไทม์แลปส์ของโลกครอบคลุมยุคความละเอียดเชิงพื้นที่ที่แตกต่างกัน 2 ยุค ได้แก่

• 1984–2014 (30 ม./พิกเซล): สังเคราะห์จากการสังเกตการณ์ของ USGS/NASA Landsat 4, 5, 7 และ 8 รูปภาพจะอยู่ในรูปแบบกริดใน Web Mercator (EPSG:3857) ที่ความละเอียด 30 เมตร
• 2015–ปัจจุบัน (19.11 ม./พิกเซล): สังเคราะห์โดยการรวมข้อมูลการสังเกตจากเครื่องมือ MultiSpectral Instrument (MSI) ของ Sentinel-2A/2B ของ ESA Copernicus (10 ม./20 ม. แบบเนทีฟ) กับ Landsat 8 และ 9 รูปภาพจะอยู่ในตารางใน Web Mercator (EPSG:3857) ที่ความละเอียดประมาณ 19.11 เมตร

ภาพโมเสกรายปีครอบคลุมพื้นที่ทั้งหมดทั่วโลกและเขตชายฝั่งตั้งแต่ละติจูดประมาณ 82.6°S ถึง 83.69°N การสังเคราะห์ข้อมูลการสังเกตการณ์โลกกว่า 4 ทศวรรษต้องมีการประสานกลุ่มดาวเทียมที่แตกต่างกันตลอดอายุการใช้งานที่ดำเนินการอยู่ รูปแบบเซ็นเซอร์ เรขาคณิตวงโคจร และการรบกวนในชั้นบรรยากาศ

ไปป์ไลน์ของ Earth Timelapse จะนำเข้าฉากแต่ละฉากหลายล้านฉากจากโปรแกรม Landsat ของ USGS/NASA (Landsat 4, 5, 7, 8 และ 9) และกลุ่มดาวเทียม Copernicus Sentinel-2 ขององค์การอวกาศยุโรป (ESA) หากต้องการ เปลี่ยนข้อมูลดิบและข้อมูลสังเกตที่จุดสูงสุดของชั้นบรรยากาศ (TOA) ให้เป็น แผนที่ฐานรายปีที่สอดคล้องกัน ระบบจะประมวลผลแต่ละฉากด้วยข้อมูลต่อไปนี้

• การกรองฉากตามปรากฏการณ์ทางพืชและฤดูกาลเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเติบโตของพืชในช่วงสูงสุด และลดผลกระทบตามฤดูกาลชั่วคราว
• การกู้คืนช่องที่ขาดหายไปและการลดความผิดปกติของเซ็นเซอร์ (เช่น ความอิ่มตัวของ TIRS ของ Landsat 8, อาร์ติแฟกต์ SLC-off ของ Landsat 7)
• การให้คะแนนคุณภาพของเมฆ หมอก และเงาจากเซ็นเซอร์หลายตัวโดยใช้ Landsat simpleCloudScore, การกู้คืนเมฆในพื้นที่ HSV แบบฮิวริสติก และ Sentinel-2 Cloud Score+
• การปรับค่าให้เป็นมาตรฐานแบบ Panchromatic และการจำลองการเพิ่มความคมชัดแบบ Pseudo-Pansharpening เชิงโครงสร้างเพื่อ เพิ่มความละเอียดที่เห็น
• การปรับการแผ่รังสีให้เป็นปกติที่ได้รับการปรับเทียบ BRDF ของ MODIS โดยใช้การกรองเชิงพื้นที่แบบ Low-Pass หลายระดับเพื่อขจัดขอบเขตของฉากในขณะที่ยังคงพื้นผิวของพื้นผิวในพื้นที่
• การลับคมที่คำนึงถึงน้ำเพื่อหลีกเลี่ยงการฟอกขาวของแนวชายฝั่ง
• การคอมโพสิตค่ามัธยฐานแบบ 16 บิตตามเวลาเพื่อปฏิเสธสัญญาณรบกวนในชั้นบรรยากาศชั่วคราว เงา และอาร์ติแฟกต์ชั่วคราว
• การประมาณค่าการถดถอยเชิงเส้นแบบชั่วคราว (สำหรับชิ้นงานสุดท้ายทั่วโลก) เพื่อ สร้างการสังเกตการณ์ที่ขาดหายไปในภาพโมเสกก่อนปี 1999
• การสร้างแบบจำลองการวัดความลึกของมหาสมุทรทั่วโลกและการมาสก์น้ำโดยรวมข้อมูล ETOPO1 ของ NOAA การมาสก์ข้อมูลการเปลี่ยนแปลงของป่าไม้ทั่วโลกของ Hansen และการมาสก์น้ำของ MODIS
• การปรับสมดุลสีทั่วโลก การรักษาสีขาวของน้ำแข็งขั้วโลก การเพิ่มคอนทราสต์เฉพาะจุด (LCE) แบบหลายระดับเพื่อการปรับปรุงภาพ

ข้อมูลต้นทางและข้อกำหนดของเซ็นเซอร์

คอลเล็กชันไทม์แลปส์ของ Earth ใช้ประโยชน์จากภารกิจสังเกตการณ์โลกจากอวกาศต่อไปนี้

ข้อกำหนดของดาวเทียมและเซ็นเซอร์

ภารกิจของดาวเทียม	เซ็นเซอร์	ช่วงวันที่ที่ส่งผ่านข้อมูล	ความละเอียดเชิงพื้นที่	แถบสเปกตรัมที่ส่งผ่านข้อมูล	รหัสคอลเล็กชันของ Earth Engine	ยุคความละเอียดของโมเสก
Landsat 4	Thematic Mapper (TM)	1982-07-01 – 1993-12-14	30 ม. (MS)	สีน้ำเงิน สีเขียว สีแดง NIR SWIR1 ความร้อน SWIR2	LANDSAT/LT04/C02/T1	30 ม. (1984–1993)
Landsat 5	Thematic Mapper (TM)	01-03-1984 – 31-12-2012	30 ม. (MS)	สีน้ำเงิน สีเขียว สีแดง NIR SWIR1 ความร้อน SWIR2	LANDSAT/LT05/C02/T1	30 ม. (1984–2012)
Landsat 7	Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+)	15-04-1999 – 31-08-2013	30 ม. (MS) / 15 ม. (Pan)	Blue, Green, Red, NIR, SWIR1, Thermal, SWIR2, Pan	LANDSAT/LE07/C02/T1 LANDSAT/LE07/C02/T2	30 ม. (1999–2013)
Landsat 8	Operational Land Imager (OLI) / TIRS	11-02-2013 – ปัจจุบัน	30 ม. (MS) / 15 ม. (Pan)	ชายฝั่ง, น้ำเงิน, เขียว, แดง, NIR, SWIR1, SWIR2, Pan, Cirrus, Thermal	LANDSAT/LC08/C02/T1_RT_TOA LANDSAT/LC08/C02/T2_TOA	30 ม. (2013–2014) 19.11 ม. (2015+)
Landsat 9	Operational Land Imager 2 (OLI-2) / TIRS-2	2021-11-01 – ปัจจุบัน	30 ม. (MS) / 15 ม. (Pan)	ชายฝั่ง, น้ำเงิน, เขียว, แดง, NIR, SWIR1, SWIR2, Pan, Cirrus, Thermal	LANDSAT/LC09/C02/T1_TOA	19.11 ม. (2021+)
Sentinel-2A / 2B	เครื่องมือตรวจวัดหลายสเปกตรัม (MSI)	23-06-2015 – ปัจจุบัน	10 ม. / 20 ม. / 60 ม. (MS)	Blue, Green, Red, RedEdge (1-4), NIR, SWIR1, SWIR2, WaterVapor, Cirrus	COPERNICUS/S2_HARMONIZED	19.11 ม. (2015+)

ตารางที่ 1 ระบบเซ็นเซอร์ออปติคัลหลักผสานรวมเข้ากับไปป์ไลน์การผลิตภาพโมเสกประจำปีของ Earth Timelapse

ชุดข้อมูลเสริมและชุดข้อมูลอ้างอิง

1. เส้นฐาน BRDF / การสะท้อนพื้นผิวทั่วโลกของ MODIS:
   • คอมโพสิตการสะท้อนพื้นผิวแบบหลายปีที่คำนวณล่วงหน้าซึ่งได้มาจาก Terra และ Aqua MODIS (คอลเล็กชัน 006: MODIS/006/MCD43A4, MODIS/006/MOD09GA และ MODIS/006/MYD09GA โปรดทราบว่าคอลเล็กชัน 006 ใช้ในระหว่างการผลิต และต่อมาได้แทนที่ด้วยคอลเล็กชัน 061) ที่ความละเอียด 500 เมตรทำหน้าที่เป็นเป้าหมายอ้างอิงทางรังสีเมตริกของดาวเคราะห์สำหรับการปรับความสว่างและหมอกควันในวงกว้าง
2. ภูมิประเทศทั่วโลกของ NOAA ETOPO1:
   • ภูมิประเทศและภูมิประเทศใต้น้ำทั่วโลกที่ความละเอียด 1 อาร์คมินิตใช้ในการสร้าง ภูมิประเทศพื้นมหาสมุทรที่มีการแรเงาอย่างสมจริงและเส้นชั้นความลึกใน ผลิตภัณฑ์ที่มีการมาสก์น้ำทั่วโลก
3. การเปลี่ยนแปลงของป่าไม้ทั่วโลกของ Hansen (UMD/hansen/global_forest_change_2015):
   • datamask เลเยอร์ (แยกแยะพื้นดิน แหล่งน้ำถาวร และ เขตชายฝั่ง) ทำหน้าที่เป็นขอบเขตการแยกพื้นดินและน้ำหลัก
4. มาสก์พื้นดิน/น้ำทั่วโลกของ MODIS (MODIS/MOD44W/MOD44W_005_2000_02_24):
   • ใช้ร่วมกับ Hansen GFC เพื่อแยกพื้นผิวภาคพื้นดินและ ป้องกันไม่ให้มาสก์น้ำชายฝั่งซึม
5. คะแนนเมฆของ Sentinel-2+ (GOOGLE/CLOUD_SCORE_PLUS/V1/S2_HARMONIZED):
   • การประเมินคุณภาพระดับพิกเซลซึ่งให้เมตริก cs (ความเชื่อมั่นของท้องฟ้าโปร่ง) และ cs_cdf (ความน่าจะเป็นของท้องฟ้าโปร่งแบบการกระจายสะสม) สำหรับข้อมูล MSI ของ Sentinel-2
6. สถิติเมฆทั่วโลก:
   • ค่าพื้นฐานของคะแนนเมฆเปอร์เซ็นไทล์ที่ 25 และคะแนนเมฆขั้นต่ำที่ได้จากการสังเกต ซึ่งปรับเกณฑ์การมาสก์เมฆในเขตร้อนที่มีเมฆปกคลุมอย่างต่อเนื่อง

การกรองเชิงพื้นที่และเชิงเวลา

ภาพโมเสกรายปีทั่วโลกจะช่วยรักษาสมดุลความจำเป็นในการรวบรวมข้อมูลการสังเกตที่ถูกต้องเพียงพอในเขตร้อนที่มีเมฆปกคลุม ในขณะเดียวกันก็ป้องกันการปนเปื้อนจากหิมะในฤดูหนาวและมุมระนาบดวงอาทิตย์ที่สูงมากในภูมิภาคละติจูดสูง

การแบ่งช่วงตามละติจูดและฟีโนโลยี

• เขตขั้วโลก / ละติจูดสูงในซีกโลกเหนือ (>60°N ถึง 83.69°N):
  • การกรองโดยตรงตามวันของปี (DOY): การสังเกตจะจำกัดไว้ที่ DOY 150 ถึง 270 (ปลายเดือนพฤษภาคมถึงเดือนกันยายน) ซึ่งจะกำหนดเป้าหมายไปยังช่วงฤดูการเจริญเติบโตของพืชสูงสุด (ความเขียวสูงสุด) และลดหิมะ น้ำแข็งปกคลุมตามฤดูกาล และเงาของภูมิประเทศที่ยาวนานซึ่งเกิดจากมุมเงยของดวงอาทิตย์ต่ำ (มุมเงยของดวงอาทิตย์ ≤ 0°)
• เขตอบอุ่นและเขตร้อน (57°S ถึง 60°N):
  • ใช้ปีปฏิทินแบบเต็ม (1 มกราคม - 31 ธันวาคม) เพื่อเพิ่มความพร้อมใช้งานของฉากให้ได้มากที่สุด
• ละติจูดสูงในซีกโลกใต้ / เขตแอนตาร์กติก (82.6°S ถึง 57°S):
  • การสังเกตการณ์จะจำกัดเฉพาะช่วงฤดูร้อนของซีกโลกใต้และ เสริมด้วยภาพรวมพื้นฐานของขั้วโลกแบบหลายปีเพื่อลด มุมปรากฏของดวงอาทิตย์ที่จุดสูงสุด ช่องว่างของข้อมูลในคืนขั้วโลก และสิ่งประดิษฐ์ของน้ำแข็งในทะเลตามฤดูกาล

ระเบียบวิธีในการประมวลผล: โมเสกรายปีที่มาสก์

ไปป์ไลน์ภาพโมเสกรายปีที่มาสก์จะสร้างคอมโพสิตทั่วโลกขั้นกลางที่ไม่ได้ประมาณค่าก่อนการเติมช่องว่างตามเวลาและการจัดรูปแบบการวัดความลึกของมหาสมุทร โปรดทราบว่า คอมโพสิตระดับกลางเหล่านี้แสดงถึงขั้นตอนการผลิตภายใน มีเพียง ภาพโมเสกรายปีสุดท้ายของโลกที่ผ่านการประมวลผลภายหลัง (projects/ee-earth-timelapse/assets/annual) เท่านั้นที่เผยแพร่ต่อสาธารณะใน แคตตาล็อกข้อมูล Earth Engine

การกู้คืนช่องและการเตรียมเซ็นเซอร์

ก่อนการแก้ไขชั้นบรรยากาศและการให้คะแนนคุณภาพ ระบบจะปรับข้อมูล Landsat ดิบให้เป็นมาตรฐานโดยทำดังนี้

• การสร้างแถบความร้อนขึ้นใหม่: ในช่วงเวลาที่ใช้งานซึ่งแถบความร้อน TIRS ของ Landsat 8 เสื่อมสภาพหรือไม่ได้ปรับเทียบ ระบบจะสังเคราะห์ช่องความร้อนที่มีความแปรปรวนเป็น 0 เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของอินเทอร์เฟซภายใน ของอัลกอริทึมการให้คะแนนเมฆของ Landsat โดยอัตโนมัติ
• การสร้างภาพ Panchromatic สังเคราะห์สำหรับ Landsat 4/5: เซ็นเซอร์ Landsat 4 และ 5 TM ไม่มีช่อง Panchromatic ออปติคอล (แถบ 8) สร้างแบนด์สังเคราะห์ แบนด์จำลองแบบแพนโครมาติกต่อฉาก

$$ I_{\text{raw45}}(Pan) = \text{mean}(I_{\text{raw45}}(RGB)) $$

นี่ \(I_{\text{raw}}(\cdot)\) คือฟังก์ชันรูปภาพที่ให้พิกเซลดิบ และอาจใช้แถบอย่างน้อย 1 แถบเป็นพารามิเตอร์ เช่น \(I_{\text{raw}}(Pan)\) จะแสดงผลแถบสีเพนโครมาติกดิบ และ \(I_{\text{raw}}(RGB)\) จะแสดงผลแถบ RGB ดิบ mean() คือฟังก์ชันค่าเฉลี่ย

การปรับเทียบเพื่อการสะท้อนที่ด้านบนของชั้นบรรยากาศ (TOA)

ฉากดิบของ Landsat จะได้รับการประมวลผลเป็น TOA โดยใช้ ee.Algorithms.Landsat.TOA

ee.Algorithms.Landsat.TOA เป็นฟังก์ชันรูปภาพที่แปลงข้อมูลดิบของ Landsat เป็นข้อมูล TOA ของ Landsat (\(I_{\text{TOA}}\))

คุณภาพของเซ็นเซอร์หลายตัวและการมาสก์เมฆ

การเรียวขอบเขตแถบโคจร

มาสก์อัลฟ่าแบบอ่อนที่ลดทอนตามระยะทางช่วยลดรอยต่อที่ชัดเจนตามเส้นทางโคจรของ Landsat ได้

$$ \text{Mask}_{\text{edge}} = \min\left(\text{Mask}_{\text{MODIS}}, \left(\text{Gaussian}_{6\text{km}}\left(\text{Mask}_{\text{raw}}\right)\right)^3\right) $$

โดยที่ \(\text{Mask}_{\text{MODIS}}\) คือมาสก์ที่ได้จากข้อมูลผสมการสะท้อนพื้นผิวรายปีของ MODIS (MODIS/006/MOD09GA และ MODIS/006/MYD09GA) \(\text{Mask}_{\text{raw}}\) คือมาสก์ของฉากดิบของ Landsat min() คือ ฟังก์ชันการลดค่าต่ำสุด และ \(\text{Gaussian}\) คือการสังวัตนาการเชิงพื้นที่แบบเกาส์ ที่มีค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานที่ระบุ

การมาสก์น้ำของ Landsat 7 SLC-off

หลังจากที่ตัวแก้ไขเส้นสแกน (SLC) ใน Landsat 7 ล้มเหลวในเดือนพฤษภาคม 2003 ฉาก Landsat 7 มีช่องว่างของข้อมูลเชิงเส้น ซึ่งอาจทำให้เกิดอาร์ติแฟกต์ที่รุนแรง เหนือผิวน้ำ ระบบจะมาสก์พิกเซล Landsat 7 เหนือน้ำเปิดโดยใช้มาสก์น้ำ MODIS ที่เบลอ โดยจะจัดลำดับความสำคัญของ Landsat 4/5/8/9 หรือ Sentinel-2 ขึ้นอยู่กับปีที่ผลิตภาพโมเสก

การให้คะแนนเมฆของ Landsat และการกู้คืนความผิดปกติ

ฉาก Landsat จะได้รับคะแนน \(\text{Cloud}\) ต่อพิกเซล (ใน [0, 100]) โดยใช้ ee.Algorithms.Landsat.simpleCloudScore โดยจะใช้การปรับแต่งเพิ่มเติม 2 ขั้นตอน ดังนี้

1. การกู้คืนระบบคลาวด์ที่ไม่พบในพื้นที่ HSV: ระบบจะตรวจจับความผิดปกติของเมฆที่มีการสะท้อนสูงและความอิ่มตัวต่ำ ซึ่งได้รับคะแนนที่ไม่ถูกต้องเป็น Cloud = 0 โดยการ แปลง \(I_{\text{TOA}}(RGB)\) เป็นพื้นที่ Hue-Saturation-Value (HSV) และอัปเดต \(\text{Cloud}\) มาสก์

$$ \text{hsvCloud} = \begin{cases} 100, & \text{if } (\text{Cloud} = 0) \land (\text{S} \lt 0.3) \land (\text{V} \gt 0.5) \\ 0, & \text{otherwise} \end{cases} $$

$$ \text{Cloud} = \text{Cloud} + \text{hsvCloud} $$

1. การกำหนดเกณฑ์ทางภูมิอากาศแบบปรับได้: เกณฑ์สำหรับการทิ้ง พิกเซลที่มีเมฆ (เช่น \(\text{Cloud} \gt \text{Threshold}_{\text{cloud}}\)) จะคำนวณแบบไดนามิกจากสถิติเมฆเชิงพื้นที่ที่คำนวณไว้ล่วงหน้า

$$ \text{Threshold}_{\text{cloud}} = \text{Cloud}_{\text{p25}} + 10 $$

โดยที่ \(\text{Cloud}_{\text{p25}}\) คือเปอร์เซ็นไทล์ที่ 25 ต่อพิกเซล \(\text{Cloud}\) คะแนนที่หนีบให้อยู่ระหว่าง 25 ถึง 65 เกณฑ์จะ เพิ่มขึ้นเมื่อพื้นผิวสว่างที่ยืนยันแล้ว (เนินทรายในทะเลทราย ที่ราบเกลือ):

$$ \text{Threshold}_{\text{cloud}} = \text{Threshold}_{\text{cloud}} + 10 \quad \text{if } (I_{\text{TOA}}(Pan) \gt 0.7) \land (\max(I_{\text{TOA}}(RGB)) \gt 0.6) $$

การให้คะแนนเมฆของ Sentinel-2

ฉากที่ปรับให้สอดคล้องกันของ Sentinel-2 จะจับคู่กับ GOOGLE/CLOUD_SCORE_PLUS/V1/S2_HARMONIZED

• การกรองพิกเซล: คงไว้เมื่อความน่าเชื่อถือของท้องฟ้าโปร่ง cs ≥ 0.60 และ ความน่าจะเป็นของท้องฟ้าโปร่งสะสม cs_cdf ≥ 0.70

การปรับให้เป็นมาตรฐานแบบ Panchromatic และการผสานโครงสร้าง

หากต้องการใช้ประโยชน์จากความละเอียดแบบแพนโครมาติก 15 เมตรของ Landsat 7/8/9 โดยไม่มี การบิดเบือนสเปกตรัมเมื่อเปลี่ยนเซ็นเซอร์ ระบบจะใช้การปรับให้เป็นมาตรฐานแบบแพนโครมาติกกับข้อมูล TOA ดังนี้

$$ \text{Gain}_{\text{3x3}} = \frac{\mu_{\text{3x3}}(\text{mean}(I_{\text{TOA}}(RGB)))}{\mu_{\text{3x3}}(I_{\text{TOA}}(Pan))} $$

$$ \text{I}_{\text{sharpened}} = \frac{I_{\text{TOA}}(RGB)}{\text{mean}(I_{\text{TOA}}(RGB))} \times (I_{\text{TOA}}(Pan)) \times \text{Gain}_{\text{3x3}} $$

โดยที่ \(\mu_{\text{3x3}}\) คือฟังก์ชันค่าเฉลี่ยของย่านใกล้เคียงขนาด 3x3 พิกเซล

การปรับค่าปกติทางรังสีเทียบกับค่าพื้นฐาน BRDF ของ MODIS

การปรับขนาดคอนทราสต์แบบไม่เชิงเส้น: การสะท้อนที่ด้านบนของชั้นบรรยากาศจะปรับขนาดเป็นช่วงการแสดงผล 8 บิต ([0,255]) โดยมีการปรับค่าแกมมา ดังนี้

$$ I_{\text{scaled}} = \text{Visualize}\left(I_{\text{sharpened}}(RGB), \text{min}=0.02, \text{max}=0.50, \gamma=1.7\right) $$

where \(\text{Visualize}\) is the ee.Image.visualize() function. หลังจากนี้ไป พื้นที่สี RGB 8 บิตจะถือเป็นค่าเริ่มต้น เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น

มาสก์การปฏิเสธการแก้ไขมากเกินไป: ป้องกันการเปลี่ยนแปลงการปกคลุมของพื้นดินอย่างรวดเร็วจริงจากการปรับให้เรียบมากเกินไป

$$ \text{Mask}_{\text{valid}} = (|I_{\text{scaled}}(R) - I_{\text{BRDF}}(R)| \le 60) \land (|I_{\text{scaled}}(G) - I_{\text{BRDF}}(G)| \le 40) $$

โดย \(I_{\text{BRDF}}\) จะสร้างข้อมูล RGB 8 บิตจากคอมโพสิตการสะท้อนแสงที่ปรับ BRDF ของ MODIS (MCD43A4)

การแยกฟิลด์เชิงพื้นที่แบบ Low-Pass:

$$ \Delta_{\text{spatial}} = \text{Gaussian}_{20\text{km}}\left((I_{\text{scaled}} - I_{\text{BRDF}}) \times \text{Mask}_{\text{valid}}\right) $$

การลบหมอกและการปรับการสะท้อนแสงให้สอดคล้องกัน:

$$ I_{\text{normalized}} = I_{\text{scaled}} - \Delta_{\text{spatial}} $$

การเพิ่มความคมชัดเชิงพื้นที่ของพื้นดิน

ใช้การผสานขอบแบบลาปลาซกับชุดค่าผสมของ \(I_{\text{scaled}}\) และ \(I_{\text{normalized}}\) บนพื้นผิวบกเท่านั้น

$$ I_{\text{sharp}} = \text{Sharpen}(I_{\text{normalized}}, I_{\text{scaled}}) $$

การคอมโพสิตค่ามัธยฐานชั่วคราว

สำหรับแต่ละปีปฏิทิน \(Y\)ระบบจะลดคอลเล็กชันรูปภาพที่ผ่านการปรับให้เป็นมาตรฐานและมาสก์ด้วยเมฆ ให้เหลือเป็นคอมโพสิตแบบหลายแบนด์เดียวโดยใช้ตัวลดค่ามัธยฐานที่มีความแม่นยำ 16 บิต

$$ I_{\text{annual}}(Y) = \operatorname{median}_{t \in Y}\left(I_{\text{sharp}}(t)\right) $$

$$ \text{Cloud}_{\text{annual}}(Y) = \operatorname{median}_{t \in Y}\left(\text{Cloud}(t)\right) $$

รูปภาพที่ได้แสดงถึงภาพโมเสกรายปีที่มาสก์แล้วขั้นกลาง ซึ่งมีแถบ red, green, blue และ cloud พร้อมมาสก์พิกเซลที่ถูกต้องซึ่งไม่ได้ประมาณค่า โปรดทราบว่าเวลา (\(t\)) เป็นพารามิเตอร์ของฟังก์ชันรูปภาพ

การประมวลผลภายหลัง: ชิ้นงานที่มีการเติมช่องว่างทั่วโลกและมาสก์น้ำ

เราจะประมวลผลต่อภาพคอมโพสิตรายปีที่มาสก์แล้วในระดับกลางเพื่อสร้างแผนที่ฐานที่สมบูรณ์แบบทั่วโลกซึ่งใช้ในโปรแกรมดู Earth Timelapse แบบอินเทอร์แอกทีฟและภาพโมเสกรายปีที่เผยแพร่ต่อสาธารณะ

การเติมช่องว่างของการถดถอยเชิงเส้นชั่วคราว (ภาพโมเสกก่อนปี 1999)

ก่อนการเปิดตัว Landsat 7 ในปี 1999 การได้มาซึ่งภาพจากดาวเทียมทั่วโลกถูกจำกัดด้วยโครงสร้างพื้นฐานของลิงก์ดาวน์ในอดีต ข้อจำกัดของเครื่องบันทึกเทปบนยาน และเมฆปกคลุมอย่างต่อเนื่อง ด้วยเหตุนี้ โมเสกรายปีในช่วงก่อนปี 1999 จึงมีช่องว่างเชิงพื้นที่ที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแอฟริกากลาง เอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ไซบีเรีย และอเมซอน

ไปป์ไลน์จะใช้การประมาณค่าการถดถอยเชิงเส้นแบบชั่วคราวระดับพิกเซลเพื่อขจัดช่องว่างสีเทาที่รบกวนในขณะที่ยังคงการเปลี่ยนผ่านชั่วคราวไว้

การค้นหา Anchor ชั่วคราว

สำหรับปีเป้าหมาย Y แต่ละปี อัลกอริทึมจะค้นหาในคอลเล็กชันหลายสิบปี เพื่อหาการสังเกตพิกเซลล่าสุดที่ถูกต้องและไม่มาสก์ก่อน (\(t_{\text{before}} \le Y\)) และหลัง (\(t_{\text{after}} \ge Y\))

การปรับการถดถอยเชิงเส้น

ระบบจะประเมินโมเดลการถดถอยแบบกำลังสองน้อยที่สุดธรรมดาต่อพิกเซลใน การสังเกตการณ์ชั่วคราวที่ล้อมรอบด้วยตัวแปรอิสระ [1, t] และ ตัวแปรตาม [Red, Green, Blue]

$$ I_{\text{sharp}}(RGB, t) = \mathbf{m} \cdot t + \mathbf{b} $$

การประเมินมูลค่าจำลอง

วิถีเชิงเส้นจะได้รับการประเมินในปีเป้าหมาย Y ดังนี้

$$ I_{\text{interp}}(RGB, Y) = \mathbf{m} \cdot Y + \mathbf{b} $$

การซ้อนเลเยอร์การสังเกต

พิกเซลรายปีจากปี Y จะได้รับการต่อภาพกับพิกเซลที่ประมาณค่า

$$ I_{\text{gapfilled}} = \operatorname{Mosaic}\left(I_{\text{interp}}, I_{\text{annual}}\right) $$

วิธีนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าระบบจะเก็บรักษาข้อมูลการสังเกตการณ์ดาวเทียมจริงในปีนั้นไว้ทุกที่ที่มีอยู่ ในขณะที่ช่องว่างของข้อมูลย้อนหลังจะได้รับการประมาณค่าในช่วงเวลาต่างๆ

การเติมธารน้ำแข็งที่ละติจูดสูง

ความเอียงของวงโคจร Landsat จำกัดการสังเกตการณ์ใกล้กับขั้วโลกที่อยู่สุดขั้ว (>82.6°N) สำหรับภูมิภาคภายในของกรีนแลนด์ตอนเหนือและชั้นน้ำแข็งอาร์กติก ที่ไม่มีการครอบคลุมด้วยภาพถ่ายจากดาวเทียม เราจะผสมผสานข้อมูลพื้นฐานแบบหลายปีที่ปรับเทียบและปรับให้เป็นมาตรฐานแล้ว เพื่อรักษาแผนที่ฐานขั้วโลกที่สะอาดและราบรื่น

การวัดความลึกของมหาสมุทรทั่วโลกและการมาสก์น้ำ

ในภาพโมเสกรายปีที่มาสก์ระดับกลาง พื้นผิวมหาสมุทรมีแสงระยิบระยับจากดวงอาทิตย์ เงาเมฆ และสิ่งประดิษฐ์จากคลื่นชั่วคราว ชิ้นงานสุดท้ายจะแทนที่น้ำในมหาสมุทรเปิด ด้วยแผนที่ฐานแบบบาธีเมตริกที่มีการแรเงาทั่วโลก

1. การแรเงาตามความลึก: ระดับความสูงของภูมิประเทศจากโมเดล NOAA ETOPO1 จะจัดรูปแบบโดยใช้แถบสีความลึกของมหาสมุทร ดังนี้
   • ที่ราบก้นสมุทรลึก (-5000 ม.): สีกรมท่าเข้ม (#000927)
   • ความลาดชันทวีป (-1,000 ม.): สีน้ำเงินเข้ม (#000E3A)
   • ไหล่ทวีป (-100 ม.): กองทัพเรือ Azure (#000E3B)
   • ชายฝั่ง (0 ม.): รอยัลโคบอลต์ (#001146)
2. การแรเงาภูมิประเทศและการเพิ่มความคมชัดแบบเกาส์เชียน: ใช้ร่วมกับการแรเงาภูมิประเทศเชิงวิเคราะห์ (ee.Terrain.hillshade) และการเพิ่มความคมชัดแบบเกาส์เชียนที่ 5000 ม. เพื่อเน้นร่องลึกก้นสมุทร สันกลางมหาสมุทร และภูเขาใต้ทะเล
3. การปรับแนวเขตแดนทางบก/ทางน้ำ:
   • รวมการเปลี่ยนแปลงของป่าไม้ทั่วโลกของ Hansen datamask (แยกแผ่นดิน จากมหาสมุทร) กับมาสก์น้ำ MODIS (MOD44W)
   • ระบายสีทะเลสาบในแผ่นดินและทะเลปิด (เช่น ทะเลแคสเปียน ทะเลสาบเกรตเลกส์ ทะเลสาบไบคาล ทะเลอารัล) เพื่อรักษาสีน้ำธรรมชาติ
   • ใช้การลดเคอร์เนลแบบวงกลมตามสัณฐานวิทยา 3 ขั้นตอนและการเบลอแบบ Gaussian ที่ 3000 ม. เพื่อค่อยๆ ลดขอบเขตระหว่างน้ำตื้นชายฝั่งกับภูมิประเทศใต้น้ำนอกชายฝั่งอย่างราบรื่นโดยไม่มีการตัดอย่างเข้มงวด

การปรับสมดุลสีทั่วโลกและการเพิ่มคอนทราสต์เฉพาะจุด (LCE)

1. การเพิ่มค่า HSV และการปรับสมดุลแกมมา: แกมมาของช่อง (\(\gamma_R = 0.98, \gamma_G = 1.00, \gamma_B = 1.04\)) ตามด้วยการเพิ่มค่าช่อง 10% ใน พื้นที่สี HSV
2. การแก้ไขจุดสีขาวของน้ำแข็งขั้วโลก: ติดตั้งธงบนพื้นผิวขั้วโลกที่มีการสะท้อนสูง (กรีนแลนด์ แอนตาร์กติกา แผ่นน้ำแข็งอัลไพน์) และปรับสมดุลให้เป็นสีขาวกลางบริสุทธิ์ ([255, 255, 255])
3. LCE แบบหลายระดับ: ปรับปรุงความคมชัดและความคมชัดของภูมิประเทศสำหรับฟีเจอร์ประเภทต่างๆ โดยใช้การผสมผสานระหว่างการผสานรวมแบบลาปลาซ การกรองค่าเฉลี่ย และการมาสก์แบบไม่คมชัดของ Gaussian

ฟีเจอร์	ภาพโมเสกรายปีที่มาสก์ระดับกลาง	ภาพโมเสกประจำปีสุดท้ายทั่วโลก (เนื้อหาสาธารณะของ Earth Engine)
ความพร้อมใช้งานของชิ้นงานสาธารณะ	ขั้นตอนของไปป์ไลน์ภายใน (ไม่ได้เผยแพร่ต่อสาธารณะ)	เผยแพร่ต่อสาธารณะ (projects/ee-earth-timelapse/assets/annual)
กรณีการใช้งานหลัก	การคอมโพสิตและการรับประกันคุณภาพแบบเรดิโอเมตริกขั้นกลาง	แผนที่ฐานแบบภาพ การส่งออกวิดีโอ การสำรวจไทม์แลปส์ทั่วโลก
ความสมบูรณ์เชิงพื้นที่	ภาคพื้นดิน (มีช่องว่างของข้อมูล)	ความสมบูรณ์ทั่วโลก 100%
การจัดการ Pixel ที่สูญหาย	มาสก์ (โปร่งใสไม่มีข้อมูล)	การประมาณค่าในช่วงการถดถอยเชิงเส้น
ช่องว่างเขตร้อนก่อนปี 1999	เก็บรักษาเป็นช่องว่างที่ไม่มีข้อมูล	แทรกระหว่างเฟรมอย่างราบรื่น
การแสดงน้ำทะเล	น้ำที่กรองหรือไม่กรอง	การวัดความลึกของทะเล ETOPO1 ของ NOAA ที่จัดรูปแบบ
แถบสเปกตรัมที่รวมไว้	แดง เขียว น้ำเงิน เมฆ (QA)	แดง เขียว น้ำเงิน
ความลึกของบิต	จำนวนเต็มแบบไม่มีเครื่องหมาย 8 บิต (0–255)	จำนวนเต็มแบบไม่มีเครื่องหมาย 8 บิต (0–255)
Pixel Resolution: 1984–2014	30.0 เมตรต่อพิกเซล (EPSG:3857)	30.0 เมตรต่อพิกเซล (EPSG:3857)
ความละเอียดของ Pixel: 2015–ปัจจุบัน	19.11 เมตรต่อพิกเซล (EPSG:3857)	19.11 เมตรต่อพิกเซล (EPSG:3857)

ตารางที่ 2 การเปรียบเทียบทางเทคนิคโดยละเอียดระหว่างขั้นตอนการสร้างภาพโมเสกรายปีที่มาสก์แล้ว ระดับกลางกับคอลเล็กชัน Global Final Earth Timelapse ที่เผยแพร่ต่อสาธารณะ (projects/ee-earth-timelapse/assets/annual)

ข้อจำกัดและข้อควรพิจารณาในการวิเคราะห์

1. ยุคความละเอียดคู่ (30 ม. เทียบกับ 19.11 ม.): ผู้ใช้ที่ทำการวิเคราะห์อนุกรมเวลาแบบหลายทศวรรษ ต้องคำนึงถึงการเปลี่ยนความละเอียดในปี 2015 ภาพคอมโพสิตตั้งแต่ปี 1984-2014 จะจัดเรียงเป็นตารางที่ 30.0 เมตรต่อพิกเซล ส่วนภาพตั้งแต่ปี 2015 เป็นต้นมาจะจัดเรียงเป็นตารางที่ 19.11 เมตรต่อพิกเซลเนื่องจากการผสานรวมข้อมูล MSI ของ Sentinel-2
2. พิกเซลที่ประมาณค่า (ก่อนปี 1999): ในคอลเล็กชัน Global Final ระบบจะประมาณค่าพิกเซลที่ขาดหายไปในภาพโมเสกก่อนปี 1999 ตามเวลา ในภูมิภาคที่การใช้ที่ดินมีการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน (เช่น การตัดไม้ทำลายป่าอย่างรวดเร็วหรือการสร้างอ่างเก็บน้ำ) ในช่วงหลายปีที่ไม่มีข้อมูล พิกเซลที่ประมาณค่าจะแสดงการเปลี่ยนแปลงเชิงเส้นแบบค่อยเป็นค่อยไปแทนที่จะเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นอย่างฉับพลันและแยกกัน
3. ค่าการแผ่รังสีที่เปลี่ยนแปลง: การปรับการแผ่รังสีให้เป็นมาตรฐานจะเพิ่มประสิทธิภาพความสอดคล้องของภาพในฉากต่างๆ ตามเป้าหมาย BRDF ของ MODIS แม้ว่ารูปแบบเชิงพื้นที่สัมพัทธ์จะยังคงอยู่ แต่ความเที่ยงตรงของรังสีในแถบสเปกตรัมสีแดง เขียว และน้ำเงินจะไม่อยู่
4. การผสมฟีโนโลยี: ภูมิภาคทางเหนือที่ละติจูดสูง (>60°N) แสดงถึง สภาพอากาศช่วงกลางฤดูร้อน (DOY 150–270) ในขณะที่เขตภูมิอากาศอบอุ่นและเขตร้อน แสดงถึงค่ามัธยฐานแบบคอมโพสิตรายปี

การระบุแหล่งที่มา

ชุดข้อมูลนี้ได้รับอนุญาตภายใต้ Creative Commons Attribution 4.0 International License และต้องมีการระบุแหล่งที่มาดังนี้

Google Earth Timelapse (Google, Landsat, Copernicus)

มีข้อมูล Copernicus Sentinel ที่มีการแก้ไข [2015-ปัจจุบัน] ดูประกาศทางกฎหมายเกี่ยวกับข้อมูล Sentinel