Guide to Nightlight tool – Kvarken Space Center

Nighttime lights Exploration Tool

A guide for the tool usage below in English, Finnish and in Swedish.

Ohjeet myös suomeksi alla.

Instruktioner nedan ålso på svenska.

QUICK START IN ENGLISH:

Usage of the tool is straightforward. As it opens up, for “A” is loaded data from the winter/spring of 2014 and for the area “B” data from winter/spring 2020. Area “C” highlights differences between these dates. If you wish to observe different time periods, first choose dates for area “A”. Please note that you have to make certain that the first year and month is before the second date, the tool does not check that. Once those are picked, press button 1. Do the same for area B. Last step is to click button 3 to update the differences to match these images. Feel free to scroll around the world and test out different zoom levels. Please be patient as sometimes it takes a while for the new layers to be loaded. You can see the loading indicators at the top right corner of each area

You can find the exploration tool here.

English full documentation

Tool is a custom script running on Google Earth Engine. Google Earth Engine is a platform created and operated by Google and is free to use. Key feature of the Google Earth Engine is the extremely large dataset of varied spatial information and satellite images that it stores and allows manipulation and visualization of with custom scripts

The key features of our tool are to make it more comfortable to explore nightlights, nightlight differences and the automatic highlighting of interesting areas. The data it uses has been observed by the discussed VIIRS instrument in the spectral range of 500nm to 900nm and has been composited to monthly averages. This means that for each month between 01-01-2014 to 01-03-2020 an monthly average of radiance for each observational unit has been calculated. Averages are straightforward way to compensate for temporary changes and obstacles, such as clouds, between the observed area and the satellite. It should be noted, that depending on the time of the year and the latitude of the observed area, there might be some months where there does not exist good data for the area. Reason for that is quite fundamental. For example in Finland, which is part of the northern hemisphere and in quite high latitude, the sun is visible at least partly for most of the nighttime during summer. Therefore, the emitted radiance from surface tends to be lost amongst the reflected radiance originated from the sun. Simply, there is not dark enough for good observations. Our tool contains a rudimentary visual metric for the quality of the observations though. You can see the tool in a screenshot below and it is already perhaps familiar to you.

Overview of the tool

Area “A” contains the first image chosen visualized and the accompanying histogram displayed. Area “B” is similar and contains the second image. “A” image is intended to be the earlier image and the “B” image the more recent one. Area “C” contains some of the tools we created for highlighting the differences between the images “A” and “B”, quite similar to the image that we published in Mega magazine. In areas “A” and “B” you have two settings for the dates in both. The tool will calculate average of the monthly averaged observations between these dates and visualize it. First, pick the starting year and month, then the ending year and month for the observation period. Click button 1 or 2 respectively. The tool will then update the text in the panel and tell how many monthly average images it found, which it will then average. Histogram of the spread of the values will also be updated based on the current data and the area that is currently visible on the map area. If you move the map, you can refresh the histogram for the current area with the buttons 1 or 2, while keeping the other settings the same. Please note that values of zero have been left out of the histogram.

In area “C” you have three sliders and three choices for inspecting the differences between chosen the images. We have named the choices “Luminosity Change”, “New Things” and “Lost things”. “Luminosity change” visualizes the difference between the images. Simply put, from the pixel values of the second image, the more recent one, is subtracted the pixel values of the first image, the older one. It’s marked on the map with cyan. “New Things” uses our custom developed algorithm in it’s early phase, which attempts to filter out just changes in already existing luminosity and tries to highlight interesting spatial change. Simply, it tries to find out new things that have appeared in the map between the dates of the two images. It’s marked on the map with purple. “Lost Things” utilizes the same filtering phase as “New Things” but attempts to highlight negative spatial change, ie. things that have disappeared between the image dates. Background layer in area “C” is the sum of the observations per “pixel”. If it’s very dark, then you know that the measurements can be misleading. If it is white, grey or hazy there should be tens of observations for that area in the time period. With the button number 3 you can update the differences in the area “C” to match the images “A” and “B” if you have picked new dates for those. With the sliders you can easily control the visibility of these different things. 0 means it is not visible while 1 means it’s very clearly visible.

Tool usage

Suomi

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.

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.

På Svenska

Verktyget är en anpassad skript som körs på Google Earth Engine Google Earth Engine [<-TEXT Innehåller LINK] är en plattform som skapas och drivs av Google och är fri att använda. Nyckelfunktionen hos Google Earth Engine är den extremt stora datasetet av varierad rumslig information och satellitbilder som den lagrar och tillåter manipulation och visualisering av med anpassade skript.

De viktigaste funktionerna i vårt verktyg är att göra det bekvämare att utforska nattljus, nattljusskillnader och automatisk markering av intressanta områden. De data som används har observerats av det diskuterade VIIRS-instrumentet i spektralintervallet 500nm—900 nm och har sammanställts till månadsmedelvärden. Detta innebär att för varje månad mellan 01-01-2014 och 01—03-2020 har ett månatligt genomsnitt av strålningen för varje observationsenhet beräknats. Genomsnitt är ett enkelt sätt att kompensera för tillfälliga förändringar och hinder, såsom moln, mellan det observerade området och satelliten. Det bör noteras, att beroende på vilken tid på året och latituden av det observerade området, kan det finnas några månader där det inte finns goda uppgifter för området. Skälet till detta är helt grundläggande. Till exempel i Finland, som är en del av norra halvklotet och i ganska hög breddgrad, är solen synlig åtminstone delvis under sommarens nattetid. Därför tenderar den avgivna strålningen från ytan att gå förlorad bland den reflekterade strålningen från solen. Det är helt enkelt inte tillräckligt mörkt för bra observationer. Vårt verktyg innehåller en rudimentär visuell metrisk för kvaliteten på observationerna dock. Vårt verktyg ser ut som figuren nedan och är redan kanske bekant för dig.

Översikt över vektyget

Område ”A” innehåller den första bilden som valts visualiseras och det medföljande histogrammet visas. Område ”B” är liknande och innehåller den andra bilden. ”A” -bilden är avsedd att vara den tidigare bilden och ”B” -bilden är den nyare. Area ”C” innehåller några av de verktyg vi skapat för att markera skillnaderna mellan bilderna ”A” och ”B”, ganska lik den bild som vi publicerade i Mega magazine. I områdena ”A” och ”B” har du två inställningar för datumen i båda. Verktyget beräknar medelvärdet av de månatliga genomsnittliga observationerna mellan dessa datum och visualiserar det. Välj först startår och månad, sedan slutåret och månaden för observationsperioden. Klicka på knappen 1 respektive 2. Verktyget uppdaterar sedan texten i panelen och berättar hur många månatliga genomsnittliga bilder det hittade, vilket det sedan kommer att medelvärde. Histogram av spridningen av värdena uppdateras också baserat på aktuell data och det område som för närvarande är synligt på kartområdet. Om du flyttar kartan kan du uppdatera histogrammet för det aktuella området med knapparna 1 eller 2, samtidigt som de andra inställningarna är desamma. Observera att värden på noll har utelämnats från histogrammet.

I området ”C” har du tre skjutreglage och tre val för att inspektera skillnaderna mellan valda bilderna. Vi har namngivit valen ”Luminosity Change”, ”Nya saker” och ”Förlorade saker”. ” Luminosity change” visualiserar skillnaden mellan bilderna. Enkelt uttryckt, från pixelvärdena i den andra bilden, den nyare, subtraheras pixelvärdena för den första bilden, den äldre. Det är märkt med cyan på kartan. ”Nya saker” använder vår specialutvecklade algoritm i sin tidiga fas, som försöker filtrera bort bara förändringar i redan existerande ljusstyrka och försöker lyfta fram intressant rumslig förändring. Det försöker helt enkelt ta reda på nya saker som har dykt upp på kartan mellan datumen för de två bilderna. Det är märkt på kartan med lila. ”Förlorade saker” använder samma filtreringsfas som ”Nya saker” men försöker markera negativ rumslig förändring, dvs. saker som har försvunnit mellan bilddatumen. Bakgrundslager i området C är summan av observationerna per pixel. Om det är väldigt mörkt vet du att mätningarna kan vara vilseledande. Om det är vitt, grått eller dimmigt bör det finnas tiotals observationer för området under tidsperioden. Med knappnummer 3 kan du uppdatera skillnaderna i området ”C” för att matcha bilderna ”A” och ”B” om du har valt nya datum för dem. Med skjutreglagen kan du enkelt styra synligheten för dessa olika saker. 0 betyder att den inte är synlig medan 1 betyder att den är mycket tydligt synlig.

Verktygsanvändning

Användning av verktyget är enkelt. När det öppnas upp, för ”A” laddas data från vintern/våren 2014 och för området ”B” data från vintern/våren 2020. Område ”C” belyser skillnader mellan dessa datum. Om du vill observera olika tidsperioder, välj först datum för område ”A”. Observera att du måste se till att det första året och månaden är före det andra datumet, verktyget kontrollerar inte det. När de har plockats, tryck på knapp 1. Gör samma sak för område B. Sista steget är att klicka på knapp 3 för att uppdatera skillnaderna så att de matchar bilderna. Du kan bläddra runt i världen och testa olika zoomnivåer. Ha tålamod eftersom det ibland tar ett tag innan de nya lagren laddas. Du kan se laddningsindikatorerna längst upp till höger i varje område.