Como adquirir grandes conjuntos de dados de imagens de satélite para projetos de aprendizado de máquina

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4500 satélites

Introdução

Historicamente, apenas governos e grandes corporações tiveram acesso a imagens de satélite de qualidade. Nos últimos anos, conjuntos de dados de imagens de satélite tornaram-se disponíveis para qualquer pessoa com um computador e uma conexão à Internet. A qualidade, quantidade e precisão desses conjuntos de dados estão melhorando continuamente e existem muitas plataformas gratuitas e comerciais à sua disposição para adquirir imagens de satélite. Além disso, os preços de aquisição das imagens caíram significativamente, bem como os preços e a disponibilidade das ferramentas que permitem analisar as imagens para projetos de aprendizado de máquina e ciência de dados.

Neste artigo, espero inspirá-lo a começar a analisar o poder e a utilidade dos conjuntos de dados de imagens de satélite disponíveis ao público disponíveis hoje. Mostrarei a você uma visão geral de alto nível de onde essas imagens vêm; depois, aprofundarei os detalhes sobre quais recursos você deve pensar ao escolher a fonte de dados correta. Em um artigo futuro, apresentarei uma visão geral da arquitetura que você precisa ter antes de poder começar a trabalhar com eles no computador local.

Vamos pular direto para os satélites. Como esse tipo de conjunto de dados é exclusivo? Por que você deveria se preocupar com imagens de satélite?

A diferença entre imagens de satélite de 30 e 70 cm. [Source: Maxar]

Dados de imagem de satélite ao seu alcance

Primeiro de tudo, você pode obter cobertura completa da Terra, o que significa que você pode selecionar praticamente qualquer local do planeta e poderá ver como é esse lugar. Além disso, as imagens estão prontamente disponíveis. Você pode acessar um site e baixar facilmente uma imagem para qualquer local que desejar, pois existem programas de espaço público que oferecem imagens gratuitas para quem quiser. Portanto, quando você inicia sua pesquisa, recomendo que você dê uma olhada nos recursos gratuitos disponíveis primeiro. Incluímos uma lista desses recursos na parte inferior deste artigo. Existem muitas opções comerciais disponíveis que fornecem imagens de alta qualidade para fins especializados. Você pode entrar em contato diretamente com a Appsilon para obter assistência na aquisição de conjuntos de dados comerciais de satélite.

Uma maneira de pensar sobre os conjuntos de dados de imagens de satélite é que eles oferecem a capacidade de viajar para trás no tempo. Quando você pensa em imagens de satélite, pode pensar no Google Maps, que fornece imagens de satélite que fornecem uma imagem instantânea da superfície da Terra. Mas, com o acesso ao provedor certo, você pode voltar no tempo e acessar as imagens para qualquer dia que desejar, desde os anos anteriores – em alguns casos, até os anos 80. Essa dimensão temporal adicional oferece habilidades adicionais quando se trata de analisar dados. Imagine que você pode dar uma olhada em um ponto da Terra e depois voltar no tempo e ver como esse lugar mudou. Você pode criar modelos preditivos para prever como será esse lugar no futuro.

4500 satélites

Uma representação dos 4500 satélites atualmente orbitando a Terra

Essa visualização mostra a escala do que está acontecendo acima de nossas cabeças, fora da estratosfera. No momento, existem mais de 4.500 satélites em órbita em nosso planeta e mais de 600 deles estão constantemente tirando fotos. Há cada vez mais preparativos para o lançamento, principalmente porque essa área de tecnologia vem se acelerando muito rapidamente nos últimos anos. Isso significa que a quantidade e a qualidade dos conjuntos de dados de imagens de satélite estão melhorando rapidamente.

Atualmente, a melhor resolução que você pode obter de uma imagem de satélite é de 25 cm por pixel. Isso significa que, se você ampliar muito de perto uma imagem de satélite de qualidade, um pixel representará aproximadamente 25 cm da superfície da Terra. Se uma imagem de satélite mostra uma pessoa, essa pessoa será representada por aproximadamente três pixels. Três pixels não são muito a seguir, mas se você combinar essa representação aproximada de uma pessoa com a sombra dela, poderá confirme que esses três pixels são realmente uma pessoa.

Como adquirir conjuntos de dados de satélite

Agora, gostaria de abordar aspectos mais específicos das imagens de satélite – que tipo de conjunto de dados é e como você pode adquirir esses conjuntos de dados.

Existem dois tipos de dados de satélite disponíveis. tem público conjuntos de dados disponíveis gratuitamente com qualidade boa o suficiente para muitos casos de uso. E existem vários comercial roupas que oferecem imagens ainda melhores com mais usos em potencial.

Os conjuntos de dados públicos mais conhecidos são fornecidos por Landsat e Sentinela. Você pode pesquisar no Google essas empresas agora e encontrar a imagem certa para você. Uma imagem terá cerca de 1 GB de dados. Não é imediatamente óbvio como você pode trabalhar com essas imagens, mas mais tarde explicarei como fazê-lo facilmente. Você também pode entrar em contato conosco para obter mais informações sobre como trabalhar com conjuntos de dados comerciais maiores.

Existem muitas empresas comerciais que adquirem imagens de satélite. Conjuntos de dados comerciais são fornecidos principalmente por Maxar, Planet Labs, Defesa e espaço da Airbus, Imagesat e Skywatch. Há um ano, o Planet Labs lançou 150 satélites, cada um do tamanho de uma caixa de sapatos. Então, neste momento, há uma enorme constelação de pequenos satélites capturando imagens. Atualmente, você pode obter uma nova imagem a cada dois dias. Outra empresa interessante para assistir é SkyWatch. SkyWatch é um hub para imagens de satélite. Eles coletam imagens de todos os outros provedores – eles não têm seus próprios satélites. O SkyWatch é um bom lugar para encontrar preços decentes para imagens comerciais de satélite.

Muitas vezes me perguntam sobre os preços das imagens. Os preços variam de alguns dólares por uma única imagem a ~ US $ 1000 para obter a imagem da mais alta qualidade possível. Portanto, se você deseja identificar pessoas em muitas imagens ou precisa de um registro histórico consistente e preciso para a pesquisa, no momento será muito caro. No entanto, dada a rapidez com que a tecnologia está progredindo, os preços deverão cair no futuro. Em certo sentido, estamos em um momento em que há uma onda de nova tecnologia de imagem de satélite chegando. A onda ainda não atingiu seu pico. Se você começar a pesquisar agora, estará no topo da onda quando as imagens de satélite estiverem baratas e disponíveis. Agora é a hora perfeita para começar a jogar com conjuntos de dados de imagens de satélite.

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Imagens de satélite: resolução espacial e temporal

Ao selecionar conjuntos de dados, a primeira consideração é a resolução da imagem. Quanto maior a resolução, mais detalhes conseguimos ver. Mas existem algumas vantagens e desvantagens que discutiremos em breve. Neste gráfico, você pode ver como a resolução espacial mudou ao longo dos anos. Começamos com 100m em 1970 e agora estamos com 25 a 30 centímetros.

tipos de dados disponíveis resolução espacial e temporal

Resolução espacial e temporal

A resolução espacial não é a única resolução que precisamos considerar ao projetar soluções baseadas em imagens de satélite. Igualmente importante, e às vezes ainda mais importante, é o resolução temporária. Quantas vezes tiramos uma foto de uma determinada área? Qual é o tempo de revisitar?

O Landsat, um dos conjuntos de dados de imagens de satélite disponíveis ao público, oferece uma resolução de 30 metros e você obtém uma imagem a cada 14 dias. O Sentinel oferece uma resolução de 10m a cada 5 a 7 dias. Portanto, se você deseja investir em seu projeto, tem a opção de uma resolução e frequência de imagens muito melhores.

Imagens de satélite: camadas de informação

A maneira como os sensores funcionam nos satélites é um tópico realmente interessante. Quando você pensa em uma imagem de satélite, é mais do que apenas tirar uma foto com uma câmera normal. Os seres humanos são capazes de decodificar vermelho, verde e azul. Mas um satélite pode decodificar muito mais informação eletromagnética do que isso. Alguns satélites possuem 12 sensores, o que significa que você obtém uma imagem com 12 camadas de informação.

Alguns satélites possuem 12 sensores, o que significa que você obtém uma imagem com 12 camadas de informação.

Imagens de satélite podem conter mais camadas de informação do que imagens típicas

Para nós, uma imagem é apenas uma matriz que possui valores para vermelho, verde e azul, mas a partir do satélite você obtém muitos mais valores que o olho humano não é capaz de processar. Por exemplo, com uma imagem de satélite, você pode ter um canal infravermelho, que pode ser usado para detectar a saúde da vegetação. Portanto, esses são dados completamente novos que não seria possível detectar a olho nu. O canal infravermelho reflete diferentemente da clorofila nas plantas, permitindo a detecção de plantas doentes do espaço. Você pode fazer muito mais com essas camadas extras de informações. Por exemplo, você também pode detectar níveis de umidade na superfície do planeta, o que não pode ser feito com muita facilidade com informações visuais de cores padrão.

Também há tecnologia de radar. Muitos de vocês sabem LIDAR, que indica a altura de uma determinada superfície. É importante observar que as nuvens são um grande problema quando se trata de imagens de satélite. Muitas pessoas estão trabalhando em algoritmos para eliminar o problema da nuvem nas imagens de satélite, mas ainda não existe uma solução ideal. A tecnologia de radar permite que você olhe através das nuvens, mas você não obtém todas as outras camadas de informações que mencionei acima. Você realmente só obtém informações de qualidade sobre elevação.

À direita, temos uma imagem de banda visível de uma determinada área em Sumatra, na Indonésia. Como você pode ver, nossa visão é obstruída por nuvens. Agora, à esquerda, vemos a mesma área em uma imagem de radar. Agora temos mais e mais imagens de radar disponíveis, o que é útil porque o radar pode ver através das nuvens. Isso pode ser crucial em muitos casos.

À direita, temos uma imagem de banda visível de uma determinada área em Sumatra, na Indonésia. Como você pode ver, nossa visão é obstruída por nuvens. Agora, à esquerda, vemos a mesma área em uma imagem de radar.

LIDAR atenua a cobertura de nuvens em uma imagem de satélite

Um aspecto a ter em mente ao escolher uma fonte de dados – dependendo do seu projeto, talvez você não precise necessariamente da melhor resolução possível. Convém experimentar as imagens gratuitas em uma resolução de 10m ou 30m. Você também pode investigar o que o provedor de imagens realmente fornece. Algumas plataformas executam parte do trabalho de pré-processamento para você. Por exemplo, mencionei que uma imagem pode incluir 1 GB de dados. Você pode realmente pedir a alguns provedores para cortar a imagem em um shapefile em particular e, em troca, você obtém apenas 1 MB de dados – uma pequena imagem que consiste apenas na área que você queria. Isso pode ser muito útil se você estiver trabalhando com um grande número de imagens.

Conclusão

Espero que agora você tenha uma noção das muitas opções atuais e em desenvolvimento para imagens de satélite. No passado, esses conjuntos de dados eram acessíveis apenas a alguns poucos. Agora existem muitas plataformas gratuitas e comerciais à sua disposição. Você pode aproveitar a resolução temporal, a resolução espacial e uma dúzia de bandas do espectro eletromagnético para ajudar em seus projetos. Além disso, os preços da aquisição de imagens de satélite caíram significativamente, assim como os preços e a disponibilidade das ferramentas que permitirão a análise dessas imagens. No meu próximo artigo sobre satélites, exploraremos mais como usar imagens de satélite na prática, e explicarei por que o R é uma excelente ferramenta para analisar imagens de satélite. Compartilharei nossas experiências de tentativa e erro com imagens de satélite para economizar tempo e esforço.

Referências

Conjuntos de dados públicos

Landsat

Sentinela

Conjuntos de dados comerciais

Maxar

Planetlabs

Defesa e espaço da Airbus

Imagesat

Skywatch

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