Cuando el sol se pone y las luces se encienden, o no, se puede recopilar una multitud de datos por satélite del cielo nocturno, lo que brinda información sobre las actividades humanas dinámicas que ocurren en la superficie.
Con la teledetección, cosas como los cambios en el uso del suelo, el desarrollo urbano y la gestión forestal se pueden medir de forma fiable y precisa a la luz del día. Por la noche, podemos recopilar diferentes tipos de datos. Una forma de hacerlo es con Black Marble de la NASA, un conjunto de productos que escanea el cielo cada noche y es lo suficientemente potente como para detectar todo tipo de luces en la superficie de la Tierra, desde luces navideñas hasta una sola linterna de 12,000 lúmenes, desde el espacio.
Sin embargo, los datos recopilados por la noche pueden ser difíciles de analizar, dice Zhe Zhu, profesor asistente del Departamento de Recursos Naturales y Medio Ambiente y Director del Laboratorio de Percepción Remota Ambiental Global (GERS). Él explica que los datos satelitales nocturnos pueden verse influenciados por muchos factores, lo que conduce a un alto grado de variación temporal, incluso para los datos de la NASA Black Marble bien calibrados.
«La primera vez que miré una serie temporal de datos, sentí que era casi imposible de usar», dice Zhu.
Un equipo de investigadores de GERS, incluidos Zhu y NRE Ph.D. El estudiante Tian Li, junto con investigadores de la NASA y el Centro Interdisciplinario de Ciencias del Sistema Terrestre de la Universidad de Maryland, ha desarrollado un método que es capaz de proporcionar mapas diarios globales de cambio de luz nocturna de resolución moderada. Los resultados se publican en la revista Remote Sensing of Environment.
Aunque Black Marble ya reduce bastante el ruido exterior, Zhu y Li buscaron una manera de reducir aún más las fluctuaciones y mejorar aún más los datos.
Muchos factores provocan variaciones temporales en la señal que llega a los sensores. Zhu da el ejemplo de la luz de la luna, que afecta la cantidad de iluminación que reciben los sensores a lo largo de las fases de la luna y el movimiento en el cielo nocturno. Algunos objetos pueden distorsionar el reflejo de la luz de la luna, como edificios, árboles u otras estructuras. Las condiciones atmosféricas pueden causar más desviaciones de la señal, como aerosoles o neblina.
Zhu dice que se dieron cuenta de que las fluctuaciones diarias también podrían ser causadas por la dirección de la vista y la fuente de iluminación artificial; por ejemplo, si el satélite mira directamente desde arriba hacia un edificio alto, es posible que no vea la emisión de luz de las ventanas o, en áreas más rurales, puede haber árboles que obstruyan la vista desde los lados.
Para superar algunos de estos obstáculos, Zhu dice que se podrían incorporar modelos digitales tridimensionales para tener en cuenta la altura del edificio o si hay árboles alrededor para pronosticar la influencia de estas diferencias de iluminación, pero sería casi imposible tener en cuenta todo, como la altura de cada árbol o edificio. En cambio, Li encontró una forma diferente, incorporando múltiples ángulos de visión para píxeles individuales, organizándolos en grupos y luego basando las observaciones en algún punto intermedio.
«Tian pasó algunos años en esto y descubrió una manera de reducir sustancialmente esta variación de datos», dice Zhu. «Creamos un algoritmo llamado VZA-COLD que significa Visualización del ángulo cenital estratificado Monitoreo continuo de perturbaciones terrestres».
«Aplicamos diferentes conjuntos de modelos para describir toda la serie temporal de datos de luz nocturna y los subconjuntos de datos de diferentes intervalos de ángulo cenital de visualización. De esta manera, mitigamos la dirección de visualización y las variaciones de geometría local sin necesidad de datos tridimensionales. A el cambio será capturado si es predicho por cualquiera de los modelos de intervalo de ángulo de visión». dice Li.
Con VZA-COLD, los investigadores podrían usar los datos de Black Marble para rastrear la actividad humana y los cambios de comportamiento de forma continua, a escala global. Zhu dice que esto redujo en gran medida la variación en la señal y dentro de cada grupo pudieron detectar cambios con gran precisión y de manera oportuna.
Los investigadores pueden obtener el tiempo de cambio, la magnitud del cambio y la dirección del cambio. Zhu dice que esto es importante porque, en un cierto ángulo de visión, el cambio puede no ser visible, pero es visible en otro intervalo de ángulos de visión.
«Esto hace que la información sea útil, resuelve el problema de la variación temporal y proporciona información adicional sobre el cambio angular para las luces artificiales».
En el pasado, los investigadores solían analizar los datos de un mes para crear conjuntos de datos compuestos. Este análisis es limitado y no puede proporcionar una detección precisa de cambios de luz nocturnos a corto plazo. Por ejemplo, con los huracanes recientes, Black Marble ahora puede monitorear los cambios de luz durante la noche a medida que ocurren, identificando rápidamente dónde se producen los cortes de energía poco después de que pasa la tormenta.
Otras aplicaciones van desde el monitoreo de guerras, como las de Ucrania y Siria, donde la información casi en tiempo real podría ayudar en los esfuerzos humanitarios.
El seguimiento de los procesos de urbanización, la migración, las variaciones de la red eléctrica, las llamaradas de gas, las operaciones de pesca ilegal, los incendios forestales e incluso la transición a las luces LED son otras aplicaciones que esta tecnología puede usarse para monitorear. Las posibilidades son enormes, como señala Zhu, ya que las actividades humanas están estrechamente ligadas a la forma en que usamos la energía, y esto inevitablemente aparecerá en las luces nocturnas medidas por satélite.
Zhu dice que el cambio de luz durante la noche puede proporcionar información diferente sobre la actividad y el comportamiento de las personas, como reuniones públicas y días festivos, que las observaciones diurnas. Un ejemplo que cita es el estadio olímpico de Seúl, Corea del Sur.
«Podemos ver cuándo se comenzó a construir el edificio y cuándo se completó el techo, luego, después de los Juegos Olímpicos, se usa menos», dice. «Este es un ejemplo de transiciones en las etapas de la actividad de construcción y la actividad de uso que no podemos monitorear durante el día. Creo que esto cambiará el juego para muchas cosas».
«Estamos emocionados de ver los patrones de todos estos diferentes tipos de cambios de luz hechos por el hombre durante la noche en la última década, esto nos brinda oportunidades únicas para comprender el sistema humano-ambiental en todo el mundo», dice Li.
«Ahora estamos trabajando con la NASA para crear un producto global utilizando este algoritmo que se lanzará en 2023. Se actualizará anualmente para cada ubicación de la superficie terrestre de la Tierra. También hay planes para incorporar la capacidad casi en tiempo real en el producto global», dice Zhu.
Con información de la Universidad de Connecticut
