Yövalot

Kun katselee yläilmoista otettuja kuvia tai karttoja, on helppo unohtaa että yö edes on olemassa. Kun opettelemme sitä, miten karttoja oikeastaan luetaan, yleensä meitä ohjeistetaan kuvittelemaan miltä kartan kuvaama alue näyttäisi, jos katsoisimme sitä korkealta taivaalta. Luonnollisesti ajattelemme tämän tapahtuvan päiväsaikaan. Myös kartoissa käytetyt värit korostavat tätä yhteyttä, nehän kuvaavat karttakohteita näiden luonnollisella päiväsaikaisella värillä – pellot ovat keltaisia, metsät vihreitä ja järvet sinisiä. Melkein kaikki oikeat korkealta otetut kuvat joita näemme, niin satelliittikuvat kuin drooneista tai lentokoneista otetut kuvat, ovat myöskin päiväseltään otettuja.

Tälle on hyvä syy, me emme saa paljoa informaatiota irti kuvista, joita ei ole ollut valaisemassa näkyvän valon lähde. Ne tuppaavat olemaan hyvinkin tasaisen mustia. Päiväsaikaan otetut kuvat taas ovat täynnä yksityiskohtia ja värien loistetta, kun auringosta peräisin oleva sähkömagneettinen säteily näkyvän valon alueella heijastuu niistä ja matkaa kameran linssiin. Vaikka kerroimmekin aikaisemmin kuinka eri aallonpituuksilla voimme havaita erilaisia asioita kuin näkyvän valon alueella, ei sekään auta yöllä passiivisten havaintojen ollessa kyseessä. Passiivisissa havainnoissa havainnot perustuvat ulkopuolisen lähteen lähettämään ja eri asioista heijastuneeseen säteilyyn (yleensä aurinkomme).

Auringosta lähtevä näkyvä valo ei saavuta tarkasteltavaa aluetta planeetallamme öisin, joten ei ole luonnollisesti paljoakaan näkyvää valoa joka saavuttaisi satelliitin sensorin. Emme siis näe kovinkaan tarkasti maanpinnan muotoja tai muita yksityiskohtia. Mutta jos sensorimme havaitsisi pidempiä aallonpituuksia, se voisi havaita planeetasta itsestään lähtöisin olevaa lämpöön liittyvää säteilyä. Tämä planeetasta itsestään peräisin oleva säteily ja auringosta tuleva ovat kaukana toisistaan elektromagneettisella spektrillä. Planeetasta lähtevä säteily on myöskin kaukana niistä aallonpituuksista, joita tänään käsittelemämme instrumenttimme näkee. Palaamme tähän asiaan tulevissa artikkeleissa. Näitä perusteita on kuvattu kuviossa 1.

Kuvio 1. Yö- ja päivähavaintojen eroja. Kuvaa klikkaamalla aukeaa suurempi versio.

Mutta meillähän oli yökuva tämän kuun jutun pääkuvana? Sekään ei ollut kokonaan musta, siinähän oli selkeästi jotain näkyvillä. Jos vertaamme karttaa kaupungeista tähän kuvaan, huomaamme nopeasti että kuvan informaatio on suurimmaksi osaksi näiltä samoilta alueilta, missä kaupungit sijaitsevat. Voimme siis päätellä että kuvissa olevat alueet ovat sellaisia, missä on tiheästi ihmisen toimintaa. Se selittää myöskin miksi ne ovat näkyvissä myös öisin. Niissä on paljon valaistusta, koska tarvitsemme sitä toimiaksemme. Ne ovat siis alueita, joista lähtee paljon elektromagneettista säteilyä spektrin siinä osassa, jonka satelliitin sensori havaitsee. Voimme hyödyntää ajatusta päinvastaisesti – alueet joilta ei tätä säteilyä havaita, ovat todennäköisesti siis sellaisia missä ei ole ihmisten tiheää toimintaa.

Havainnot mistä kerromme ovat peräisin satelliitista nimeltään Suomi-NPP. Sillä on kyydissä instrumentti nimeltään Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS), millä se mittaa säteilymääriä 22 eri alueella elektromagneettisessa spektrissä. Suurin osa näistä mittavista alueista sijaitsee näkyvän valon tai infrapunan alueella. Kuvat mitä esittelemme tässä ja mitä julkaisimme Mega-lehdessä perustavat vain yhden tällaisen alueen mittauksiin, joka sijaitsee 500 nm ja 900 nm välissä. Se alkaa noin sinivihreästä näkyvän valon alueella ja päättyy lähi-infrapunan alueelle. Aikaisemmassa vastaavassa artikkelissa käsittelimme spektriä tarkemmin, voit virkistää muistiasi tästä. Suurin osa näistä säteilylähteistä on niin pieniä, että päivän aikana ne peittyvät auringosta lähtöisin olevan heijastuneen säteilyn alle näillä samoilla aallonpituuksilla. Yö on tässä mielessä mahdollisuus, monet asiat jotka olisivat vaikeita tai mahdottomia havaita päivän aikana, ovat selkästi erotettavissa yöllä. Esimerkiksi Suomi havaittuna yöllä ja päivällä korostaa täysin eri asioita, kuten kuviosta 2 voi havaita.

Kuva 2. Vasemmalla Komposiittikuva Suomesta, koottuna Sentinel-2 kuvista Google Earth Enginessä, talvi/keväältä 2020. Oikealla komposiittikuva yökuvien kuukausikeskiarvoista, samalta ajanjaksolta VIIRS instrumentin mittauksista. Kuvaa klikkaamalla aukeaa suurempi versio.

Edellisessä artikkelissamme  kävimme läpi yksityiskohtaisesti mitä erotuskuvat ovat ja kuinka niitä luodaan. Samaa tekniikkaa voimme  hyödyntää myös yökuvissa ja saamme tällä tavalla uutta informaatiota. Visualisoimme tämän erotuskuvan ja sen pitäisi osoittaa meillä missä jotain muutoksia on tapahtunut. Tämän muutoksen tulkinta onkin sitten aivan oma haasteensa. Sen lisäksi, että pitää pystyä tarkasti määrittämään mikä on muuttunut ja miksi. Muutoksille voi olla lukemattomia erilaisia syitä, jotkut helpostikin selvitettävissä ja osa taas erittäin haasteellisia. Seuraavissa kuvissa 3-10 esittelemme jotain mielenkiintoisia kohteita, joita löysimme käyttäessämme kehittämäämme työkalua.

Bárðarbunga purkautuu Islannissa. Kuvassa on keltaisella värillä komposiitti yövalohavainnoista syksyltä 2014, ja merkattu punertavalla värillä yövalohavainnot talvelta 2015. Kohdissa, missä on valoja kumpanakin ajankohtana, lopputulos on hieman oranssi, kuten esimerkiksi asutuskeskusten kohdalla. Kuvio 3. 2014 havainnot näkyvät keltaisena ja 2015 punertavana. Tulivuoren purkaus on havaittavissa keltaisena ympyränä kuvan keskiosalla sijaitsevan jäätikön yläpuolella. Keskellä keltaista ympyrää on juuri ja juuri näkyvissä pieni punainen piste, mikä kuvaa sitä kuinka pieni valovoima oli jälkimmäisessä kuvassa. Kuvaa klikkaamalla aukeaa suurempi versio.

Kuvio 4. Muutoksia Nigerian rannikolla. Oletettavasti öljynporauslauttoja, jotka ovat muuttaneet paikkaa vuosien varrella. Kuvaa klikkaamalla aukeaa suurempi versio.

Kuva 6. Muutoksia Kiinassa. Jossain osissa maailmaa ekonominen muutos on todella nopeaa ja sitä voidaan arvioida yövalojen muutoksilla. Kuvassa esimerkkinä Shanghain alue Kiinassa, missä on paljon havaittavissa olevia uusia alueita sekä teitä. Klikkaa kuvaa suuremmaksi.

Kuva 7. Tässä on yksityiskohta samasta alueesta kuin kuvassa 5, korostettuna hieman erilailla. Keltaisella on kuvattu yövalot vuodelta 2014, ja päälle on kuvattu algoritmimme löytämät erot purppuralla korostaen muutoksia vuosien 2014 ja 2020 välissä. Klikkaa kuvaa suuremmaksi.

Kuva 8. Vertailun vuoksi muutoksia Suomessa, samalta ajalta ja samassa mittakaavassa kuin kuvassa 6. Näiden kuvien perusteella pystynee arvioimaan kumpi alue ainakin muuttuu ja kenties kehittyykin nopeammin. Klikkaa kuvaa suuremmaksi.

Kuva 9. Yövalohavaintoja voidaan käyttää muuhunkin mielenkiintoiseen. Tässä esimerkiksi kuvattuna tilanne Donbassin alueella ennen Ukrainan kriisiä sekä hyökkäyksen jälkeen. Todella paljon uusia alueita näkyvissä purppurana. Suurin osa näistä näyttäisi sijoittuvan keskelle peltoja, viitaten siihen että voivat olla erilaisia tukikohtia tai varastoalueita, erityisesti ne jotka sijoittuvat lähelle rajaa tai suuria teitä. Klikkaa kuvaa suuremmaksi.

Kuva 10. Tarkempi kuva Ukrainasta ja uusista valonlähteistä, Mariupolin lähistöltä. Klikkaa kuvaa suuremmaksi.

Rakensimme yksinkertaisen työkalun tällaisten havaintojen etsimiseen. Löydät sen täältä. Työkalu on käytännössä koodaamamme skripta, joka pyörii Google Earth Enginessä. Google Earth Engine on Googlen luoma ja operoima alusta, mikä on myös ilmainen käyttää. Sen tärkein ominaisuus on sen sisältämä erittäin laaja kokoelma erilaista paikkatietoa ja satelliittikuvia, joidenka muokkaamisen ja visualisoimiseen on mahdollista omilla skriptoilla.

Luomamme työkalun tärkeimmät ominaisuudet ovat on mahdollistaa yökuvien helppo selaaminen, yökuvaerotusten tutkiminen sekä näiden erojen automaattinen korostaminen. Sen käyttämät havainnot ovat peräisen esittelemästämme VIIRS instrumentistä ja ovat nimenomaan kuukausittaisia keskiarvokoosteita. Jokaiselle havaintoyksikölle on siis aikavälillä 01-01-2014 ja 01-03-2020 laskettu kuukausittainen keskiarvo. Keskiarvot ovat suoraviivainen tapa kompensoida väliaikaisia muutoksia ja mahdollisia esteitä havaintoalueen ja satelliitin välissä, kuten esimerkiksi pilviä. Riippuen vuoden ajasta sekä kohdealueen leveysasteesta, on mahdollista ettei alueelta ole kunnollisia havaintoja. Syy on varsin perustavanlaatuinen. Esimerkiksi Suomessa, joka on pohjoisella pallonpuoliskolla sekä korkealla leveysasteella, aurinko on ainakin osittain näkyvissä suuren osan yöstä. Siksi pinnalta lähtöisin oleva säteily tuppaa hukkumaan auringosta lähtöisin olevaan ja pinnalta heijastuneeseen säteilyyn. Ei yksinkertaisesti ole tarpeeksi pimeää kunnollisiin havaintoihin. Työkalussamme on tosin alkeellinen visuaalinen mittari näille havaintojen laadulle. Kuvakaappaus työkalustamme on alla kuvassa 11.

Kuva 11. Kuvakaappaus merkintöinen työkalusta. Klikkaa kuvaa isommaksi.

Yleiskuvaus työkalusta

Alue ”A” sisältää ensimmäisen valitun kuvan visualisaation ja siihen liittyvän histogrammin. Alue ”B” on samankaltainen ja sisältää vastaavat tiedot toiselle kuvalle. Alueen ”A” kuvan tulisi olla aikaisempi kuva ja ”B” alueen kuvan myöhempi, eli tuoreempi. Alueella ”C” on käytettävissä joitain työkaluja joita loimme korostamaan eroja kuvien ”A” ja ”B” välillä, hyvin samankaltaisesti kuin julkaisemassamme kuvassa Mega-lehdessä. Alueilla ”A” ja ”B” on kummassakin kaksi valintaa eri ajoille. Työkalu laskee keskiarvon valitun aikavälin kuukausittaisista keskiarvoista ja piirtää sen kuvana. Valitse ensin aloitusvuosi sekä kuukausi, sitten tarkastelujakson loppuvuosi sekä kuukausi. Valitun kuvan mukaan klikkaa nappia 1 tai 2. Työkalu päivittää tämän jälkeen paneelissa olevan tekstin, mikä kertoo sen, kuinka monta kuukausittaista keskiarvoa se löysi ja laskee näiden keskiarvon. Se myös päivittää histogrammin uuden kuvan sekä kartalla valitun alueen mukaan. Jos liikutat karttaa, voit päivittää histogrammin uudelle alueelle klikkaamalla nappia 1 tai 2, pitäen muut asetukset samana. Nolla arvot ovat jätetty histogrammin ulkopuolelle.

Alue ”C” sisältää kolme liukuria ja kolme eri valintaa tarkastella muutoksia valittujen kuvien välillä. Nämä valinnat ovat nimetty ”Luminosity Change”, ”New Things” ja ”Lost Things”. ”Luminosity Change” piirtää muutoksen kuvien välillä. Yksinkertaisesti jälkimmäisen, tuoreemman kuvan pikseliarvoista vähennetään ensimmäisen, siis aikaisemman, kuvan arvot. Se esitetään kartalla turkoosilla. ”New Things” käyttää luomaamme algoritmiä alkuvaiheessaan, mikä pyrkii filtteröimään pois muutokset pelkässä valomäärässä alueilla, joilla valomäärä on voimakasta ja esittämään vain kohteet missä on tapahtunut mielenkiintoisia muutoksia valomäärässä uudessa paikassa. Yksinkertaisesti se pyrkii löytämään kuvien välissä kartalle ilmaantuneet uudet kohteet. ”Lost Things” käyttää samaa filtterivaihetta kuin ”New Things” mutta pyrkii esittämään kartalla päinvastaisen muutoksen, eli siis kohteet jotkat ovat hävinneet kartalta kuvien päivämäärien välissä. Taustataso alueella ”C” on summa havaintomääristä. Jos sen erittäin tumma, havainnot voivat olla harhaanjohtavia. Jos se on valkoinen, harmaa tai utuinen alueella pitäisi olla kymmenittäin havaintoja ajanjaksolla. Napilla 3 voit päivittää alueen ”C” erotusvisualisaatiot vastaamaan kuvien ”A” ja ”B” arvoja, mikäli olet vaihtanut kuvien päivämääriä. Liukuvalitsimilla voit helposti säätää eri vaihtoehtojen näkyvyyttä. 0 tarkoittaa ettei se näy ollenkaan, kun taas 1 tekee sen vahvasti näkyväksi.

Työkalun käyttö

Työkalun käyttö on suoraviivaista. Aluksi käynnistettäessä ”A” alueelle ladataan havainnot kevättalvelta 2014 ja alueelle ”B” kevättalvelta 2020. Alueella ”C” kuvataan näiden erotuksia. Jos haluat tutkia eri ajanjaksoa, valitse ensin päivämäärät alueelle ”A”. Huomaa että ensimmäisen vuoden ja kuukauden tulee olla ennen jälkimmäistä, työkalu ei itse tätä tarkista. Valintojen jälkeen, paina nappia 1. Toista sama menettely alueella ”B”. Viimeisenä askeleena paina nappia 3, jotta alueen ”C” erotuskuvat päivittyvät uusille kuville. Voit vapaasti tutkia eri paikkoja maailmassa ja kokeilla eri zoom-tasoja. Ole kärsivällinen, koska välillä karttatasot lataavat hieman hitaasti. Näet latausindikaattorit alueiden oikeassa ylänurkassa.

Olemme kiinnostuneita kuulemaan käyttökokemuksistasi. Millaisia mielenkiintoisia kohteita löydät? Vaikkapa  kotisi läheltä tai mistä tahansa maapallolta. Osaatko selittää mistä havaitsemasi muutokset johtuvat? Kerro meillekin ja julkaisemme sivustollamme parhaat havainnot! Työkalu on myös hyvin tuore, siksi välillä voi tapahtua kaikenlaista yllättävää. Olemme kiinnostuneita kuulemaan näistäkin ongelmista. Meidät tavoitat sähköpostilla.