Когда солнце садится и свет горит — или нет — спутник может собирать множество данных с ночного неба, что дает представление о динамичной деятельности человека, происходящей на поверхности.

Благодаря дистанционному зондированию такие вещи, как изменения в землепользовании, городское развитие и управление лесным хозяйством, могут быть надежно и точно измерены при дневном свете. В ночное время мы можем собирать различные данные. Один из способов сделать это — использовать Black Marble от НАСА, пакет продуктов, который сканирует небо каждую ночь и обладает достаточной мощностью, чтобы обнаруживать все виды света на поверхности Земли, от праздничных огней до одиночного фонарика на 12 000 люмен из космоса.

Однако данные, собранные ночью, могут быть трудно анализировать, говорит доцент Департамента природных ресурсов и окружающей среды и директор Лаборатории глобального дистанционного зондирования окружающей среды (GERS) Чжэ Чжу. Он объясняет, что на ночные спутниковые данные могут влиять многие факторы, что приводит к большой степени временных вариаций даже для хорошо откалиброванных данных NASA Black Marble.

«Когда я впервые просмотрел временной ряд данных, мне показалось, что его почти невозможно использовать», — говорит Чжу.

Группа исследователей из GERS, включая Zhu и NRE Ph.D. Студентка Тянь Ли вместе с исследователями из НАСА и Междисциплинарного центра изучения систем Земли при Университете Мэриленда разработала метод, который позволяет получать ежедневные глобальные карты изменения освещенности в ночное время со средним разрешением. Результаты опубликованы в журнале Remote Sensing of Environment.

Хотя Black Marble уже значительно уменьшает внешний шум, Чжу и Ли искали способ еще больше уменьшить колебания и сделать данные еще лучше.

Многие факторы вызывают временное изменение сигнала, поступающего на датчики. Чжу приводит пример лунного света, который влияет на то, сколько света датчики получают во время фаз луны и движения по ночному небу. Некоторые объекты могут искажать отражение лунного света, например здания, деревья или другие строения. Атмосферные условия могут вызвать дальнейшие отклонения сигнала, такие как аэрозоли или дымка.

Чжу говорит, что они поняли, что ежедневные колебания также могут быть вызваны направлением взгляда и источником искусственного освещения; например, если спутник смотрит прямо над головой на высокое здание, он может не видеть излучение света из окон, или в более сельской местности могут быть деревья, мешающие обзору по бокам.

Чтобы преодолеть некоторые из этих препятствий, Чжу говорит, что трехмерные цифровые модели могут быть включены для учета высоты зданий или наличия деревьев вокруг, чтобы прогнозировать влияние этих различий в освещении, но было бы почти невозможно учесть все, например, высота каждого отдельного дерева или здания. Вместо этого Ли нашел другой способ, включив несколько углов обзора для отдельных пикселей, организовав их в группы, а затем основывая наблюдения где-то посередине.

«Тянь потратила на это несколько лет и нашла способ существенно уменьшить этот разброс данных», — говорит Чжу. «Мы создали алгоритм под названием VZA-COLD, который расшифровывается как стратифицированный непрерывный мониторинг земных волнений с зенитным углом».

«Мы применили разные наборы моделей для описания всех временных рядов данных о освещении в ночное время и подмножеств данных для различных интервалов зенитных углов обзора. Таким образом, мы смягчили направление наблюдения и вариации локальной геометрии без необходимости в трехмерных данных». изменение будет зафиксировано, если оно предсказано любой из моделей интервала угла обзора». говорит Ли.

С помощью VZA-COLD исследователи могут использовать данные Black Marble для непрерывного отслеживания изменений человеческой активности и поведения в глобальном масштабе. Чжу говорит, что это значительно уменьшило вариацию сигнала, и в каждой группе они смогли обнаружить изменения с высокой точностью и своевременно.

Исследователи могут получить время изменения, величину изменения и направление изменения. Чжу говорит, что это важно, потому что при определенном угле обзора изменение может быть не видно, но видно при другом интервале углов обзора.

«Это делает информацию полезной, решает проблему временных вариаций и предоставляет дополнительную информацию об угловых изменениях для искусственного освещения».

В прошлом исследователи обычно анализировали данные за месяц для создания составных наборов данных. Этот анализ ограничен и не может обеспечить точное обнаружение кратковременных изменений освещенности в ночное время. Например, во время недавних ураганов Black Marble теперь может отслеживать изменения освещенности в ночное время по мере их возникновения, быстро определяя места отключения электроэнергии вскоре после того, как ураган прошел.

Другие приложения варьируются от наблюдения за войнами, например, в Украине и Сирии, где информация почти в реальном времени может помочь в гуманитарных усилиях.

Отслеживание процессов урбанизации, миграции, изменений в энергосистеме, газовых факелов, незаконных рыболовных операций, лесных пожаров и даже перехода на светодиодное освещение — это другие приложения, для мониторинга которых можно использовать эту технологию. Возможности огромны, как указывает Чжу, поскольку деятельность человека так тесно связана с тем, как мы используем энергию, и это неизбежно проявится в измерении ночных огней, измеряемых спутниками.

Чжу говорит, что изменение освещения в ночное время может дать другое представление об активности и поведении людей, таких как общественные собрания и праздники, чем дневные наблюдения. В качестве примера он приводит Олимпийский стадион в Сеуле, Южная Корея.

«Мы можем увидеть, когда здание начали строить и когда закончили крышу, после Олимпиады оно меньше используется», — говорит он. «Это пример перехода на этапы строительства и использования, которые мы не можем отслеживать в дневное время. Я думаю, что это изменит правила игры во многих вещах».

«Мы рады видеть закономерности всех этих различных типов антропогенных изменений света в ночное время за последнее десятилетие, это дает нам уникальные возможности понять систему человека и окружающей среды по всему миру», — говорит Ли.

«В настоящее время мы работаем с НАСА над созданием глобального продукта с использованием этого алгоритма, который будет выпущен в 2023 году. Он будет ежегодно обновляться для каждого местоположения на поверхности Земли. глобальный продукт», — говорит Чжу.