Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методики и ГИС-технологии создания гипсометрических карт Луны по данным космических съемок

ВАК РФ 25.00.33, Картография

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики и ГИС-технологии создания гипсометрических карт Луны по данным космических съемок"

На правах рукописи

Лазарев Евгений Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ГИС-ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ГИПСОМЕТРИЧЕСКИХ КАРТ ЛУНЫ ПО ДАННЫМ КОСМИЧЕСКИХ

СЪЕМОК

Специальность 25.00.33. - картография

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003452318

Работа выполнена в Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Шингарева Кира Борисовна

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор

Берлянт Александр Михайлович

кандидат технических наук, доцент Макаренко Алла Александровна

Ведущая организация: Государственный астрономический институт им.

П.К. Штернберга (МГУ)

Защита состоится « ^ » ^.к-с'с!'/^' 2008 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д. 212.143.01 при Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) по адресу: 105064, Москва, Гороховский пер., 4, зал заседаний ученого совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК).

Автореферат разослан «Я^ » 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Краснопевцев Б.В.

Обшая характеристика работы

Актуальность темы. Спутник Земли - Луна, является нашим ближайшим соседом в космическом пространстве и, поскольку, в настоящее время намечается возобновление исследований Луны с помощью космических аппаратов, разработка методики и обработки современных высотных данных и создание гипсометрической карты Луны является важной задачей, имеющей существенное значение для развития картографии внеземных территорий. Предполагаемая программа России по освоению Луны в 2009-2015 году включает в себя: запуск орбитального лунного спутника для разведки запасов полезных ископаемых, сбор лунного грунта, отправку его на Землю, создание научно-исследовательского полигона для отработки методик переработки лунного грунта. Особое внимание в планах освоения Луны уделяется главным образом южной, но также и северной, приполярным областям, поскольку в этих районах находятся затененные кратеры, в глубине которых есть места, никогда не освещаемые Солнцем, где, возможно, находятся запасы водяного льда, вследствие чего представляется важным составление подробных каталогов высот на данные области.

Степень разработанности темы. Первая гипсометрическая карта Луны была создана в конце XIX Ю.Францем. По данным наземных наблюдений в середине XX в. Картографической службой Армии США (AMS) были созданы карты ИМ в масштабе 1:5 000 000 и Центром аэронавигационных карт и информации Военно-воздушных сил США (ACIC USAF) карты LAC в масштабе 1:1 000 000. По данным космического корабля Аполлон в начале 70-х годов были созданы крупномасштабные карты LTO и LT на зону покрытия этим аппаратом (25% видимого полушария). В Советском Союзе в 1972 году по материалам фотосъемки с КА Зонд-8 в МИИГАиК была составлена Фотокарта участка лунной поверхности в масштабе 1:1 000 000. В начале 80-х годов в ГАО АН СССР была составлена также гипсометрическая карта на видимое полушарие Луны. После шдания в 1992 году «Атласа планет земной группы и их спутников», в котором содержалась мелкомасштабная гипсометрическая карта полушарий Луны в масштабе 1:25 000 000, подобные тематические карты в России не издавались. В 1994 году КА Клементина выполнил глобальное высотное зондирование поверхности Луны,

получив данные в различных диапазонах спектра. С этого момента в США по анализу стереоизображений КА Клементина создаются высотные сети на всю поверхность Луны (CLCN и ULCN).

Методы автоматизированной обработки данных КА Клементина рассмотрены в работах Э.Кука (2000) и М. Розика (2000), но отсутствие свободного доступа к снимкам КА Клементина и необходимого программного обеспечения, предопределяет создание отдельной методики обработки имеющихся цифровых данных и составления гипсометрической карты.

Целью исследования является разработка методики получения высотных данных, используя частично обработанную комплексную информацию космических съемок (после необходимого этапа фотограмметрической обработки) и составление на основе этих данных гипсометрической карты Луны масштаба 1:13 000 000 в равновеликой азимутальной проекции Ламберта согласно предложенной методике. Для достижения данной цели, необходимо было решить следующие задачи:

- изучить созданные гипсометрические карты; проанализировать имеющиеся высотные данные и методы их обработки; на основе комплексной экспертной оценки выбрать программные продукты.

- создать методику обработки данных, что должно включать в себя: получение баз данных и их генерализацию, расчет корреляции между различными типами данных, создание единого банка данных, обработку атрибутивной информации и расчет корреляции между полученным банком данных и современными существующим и каталогами высот.

- составить гипсометрическую карту, а именно: построить изогипсы и выполнить их генерализацию, разработать цветовую шкалу, создать и добавить светотеневую отмывку и шрифтовую нагрузку карты.

- создать руководство пользователя (manual) по обработке данных и составлению карты.

Научная новизна диссертации определяется защищаемыми в ней положениями и состоит в том, что гипсометрическая карта полушарий Луны создана на основе наиболее современных данных КА Клементина Для создания карты используются два источника высотной информации: данные, собранные с помощью радарного высотомера КА Клементина и изображения, полученные камерой в видимом

диапазоне спектра, что позволило подробно отразить рельеф приполярных областей Луны.

Несмотря на неполноту и труднодоступность исходных данных и специального программного обеспечения, например, космических снимков КА Клементина и специальных программ по их обработке, необходимых при использовании уже имеющихся методов, разработанная методика позволила получить БД на приполярные области Луны, состоящую из более чем 9 миллионов точек поверхности на каждую из приполярных областей. Значения корреляции между полученной ЦМР и наиболее современной и точной на данный момент высотной сетью ULCN 2005 (United lunar Clementine networic (USGS)), составили 83,77% и 94,26% для видимого и обратного полушарий Луны соответственно, что говорит о высокой надежности использования разработанной методики.

Предложенное цветовое решение высотной шкалы гипсометрической карты было выбрано с учетом визуального восприятия Луны наблюдателем с Земли, а используемые высотные интервалы позволили отобразить различные формы рельефа Луны от глобальных (морей и горных цепей), до отдельных кратеров. С целью подчеркнуть переход через ноль, в шкале сделан сдвиг отрицательных высот относительно положительных.

В процессе составления карты и обработки данных были разработаны и описаны 2 метода автоматизированной генерализации векторных объектов, а именно точек и полигонов, причем для генерализации точечных данных использовался специальный метод генерализации полигональной сеткой. На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Оценка имеющихся исходных высотных данных, обоснование необходимости разработки методики их обработки.

2. Обоснование выбора программного обеспечения, необходимого для обработки данных и составления карты.

3. Методика составления гипсометрической карты.

4. Созданная гипсометрическая карта и разработанная высотная шкала. Псточниковая база. При составлении карты использовались высотные данные КА" Клементина: точечные данные, полученные лазерным альтиметром КА. Клементина (точность по высоте - 40 м, в плане - 200 м, шггервал между точками 0,25°) и

растровые изображения, полученные на основе стереоизображений КА Клементина, на которых яркость каждого пиксела находится в определенной математической зависимости от высоты (точность по высоте - 50 м, разрешение - 1 км/пиксел). Работа выполнялась с помощью геоинформационных систем ESRI ArcGIS 9.0 (а также модуля Spatial Analyst), Arc View 9.3, статистического пакета R и программы по объединению данных GeoMeige 1.0.1. При выполнении работы были использованы и проанализированы различные литературные источники, атласы планет и гипсометрические карты.

Практическое значение. Разработанная методика позволяет продолжить работу по составлению гипсометрических карт различных масштабов для планет Земной группы, их спутников и других небесных тел (спутников планет гигантов, астероидов, комет и др.) Карты, подобные составленной гипсометрической карте Луны, которые впоследствии должны составить серию гипсометрических карт планет, дают возможность не только геометрически точно отобразить и изучить рельеф небесных тел, но и на основе свойств поверхности выбрать районы, перспективные для исследований. Также, благодаря своей наглядности, эти карты могут широко использоваться в процессе вузовского обучения. Методология исследования основана на аналитическом и эмпирическом методах исследования.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 93 наименования источников и 4 приложений. Общий объем диссертации 96 страниц текста и 15 страниц приложения, в том числе 6 таблиц и 50 рисунков в тексте.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований по диссертации докладывались автором на 23 Международном картографическом конгрессе (Москва, 2007); международной конференции InteiCarto-InteiGIS 13 (Ханты-Мансийск, 2007); Всероссийской астрономической конференции (Казань, 2007); микросимпозиуме Brown-Vemadsky Micro'46 (Москва'2007); на международной конференции по картографии и геоинформатики (Боровец, Болгария, 2008).

По теме диссертации опубликовано 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК России, промежуточные и окончательные результаты работы представлены в 8 сборниках международных конференций. Созданная карта Луны используется в

учебном процессе на кафедре Картографии и геоинформатики Географического факультета МГУ. В 2007 году автором была издана мелкомасштабная гипсометрическая карта Венеры масштаба 1:90 ООО ООО, методика создания которой частично использовалась при разработке методики составления карты Луны.

Созданное подробное пошаговое описание (manual) некоторых наиболее важных при составлении операций, в частности, генерализации точечных и полигональных объектов, размещено на крупнейшем независимом информационном Intemet-pecypce, посвященном ГИС и ДЗЗ http://gis-lab.info («ГИС Лаборатория»), ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении раскрыты актуальность темы, цель и задачи, научная новизна и практическая ценность работы.

Глава 1. Гипсометрические карты Луны: история картографирования и современные проблемы Первая гипсометрическая карта видимой с Земли стороны Луны была построена Юлиусом Францем в конце XIX в. Для построения своей карты Франц применял линейную интерполяцию, используя всего 55 точек. В 1961-64 гг. на основе обработки наземных фотографий на видимое полушарие была составлена карта в масштабе 1:5 000 000 - Topographic Lunar Map (TLM). Основой для составления этой карты послужил каталог AMS. Еще одной важнейшей серией гипсометрических карг на видимое полушарие Луны, является Lunar Astronautical Chart (LAC) в масштабе 1:1 000 000 (каталог ACIC). С 1962 по 1967 г. было издано 44 листа. Высотной основой карт LAC служили 196 точек каталога ACIC. В качестве поверхности относимости для карт LAC была выбрана сфера с радиусом 1738,0 км. Однако, нулевой уровень отсчета высот был выбран ниже радиуса сферы на 2600 м, для того, чтобы уменьшить количество отрицательных высот. Ошибка в измерении абсолютных высот этих карт составляет около ±1 км.

Все вышеописанные гипсометрические карты, являются картами, составленными по наземным наблюдениям. С появлением данных, полученных о Луне космическими аппаратами, появились карты Луны более крупных масштабов на территории, которые были отсняты космическими кораблями Аполлон (25%" видимого полушария Луны). И первая из таких серий - это карты Lunar Topographic Orthophotomap (LTO) в масштабе 1:250 000. С 1972 по 1980 г. было издано 215

листов. В качестве основы использовались данные, полученные космическими кораблям и Лунар Орбитер и Аполлон 15,16 и 17. Точность определения высот по этим картам варьируется от 30 до 115 м. Еще более крупномасштабной серией карт являются карты Lunar Topophotomap (LT) (1974-78 гг.) - это гипсометрические карты в масштабах 1:50 ООО, 1:25 ООО и 1:10 ООО. Для всех вышеперечисленных крупномасштабных карт в качестве нулевой высоты был принят радиус-вектор 1730 км. Это было сделано для того, чтобы исключить на картах отрицательные высоты.

В начале 80-х годов, в связи с приостановкой американской лунной программы каталоги точек лунной поверхности не переиздавались, однако в начале 90-х годов, в связи с получением данных КА Клементина, в США начали составляться новые и обновляться уже имеющиеся базы данных. Итогом этой работы было составление двух основных опорных сетей Unified Lunar Control Network (ULCN) и Клементина Lunar Control Netwoik (CLCN). Из-за довольно больших погрешностей в плановом определении истинного положения точек, привязанных к сфере радиусом 1736,7 км, в 2005 году на основе ULCN и CLCN при поддержке программы NASA, Planetaiy Geology and Geophysics была создана Глобальная сеть опорных точек Unified Lunar Control Netwoik 2005 (ULCN 2005), которая является на сегодняшний день наиболее точной, поскольку она основана на фотограмметрической обработке 43 866 снимков Клементины и данных о трехмерном положении 272 931 точек. Точки были привязаны к сфере радиуса 1737,4 км. Высотная точность этой БД оценивается авторами равной приблизительно 100м.

Также большое внимание уделяется картографированию отдельно приполярных областей Луны. Во-первых, это ВД, полученная Энтони Куком, и состоящая более чем из 90 000 точек, полученных вследствие анализа стереоизображений КА Клементина на приполярные области Луны, ограниченные параллелями ±60°. На основе цифровой модели были созданы подробные изображения приполярных областей с разрешением 1 км/пиксел. В качестве поверхности относимости для этих карт использовалась сфера, радиуса 1737,4 км. Высотная точность полученной БД оценивается авторами равной приблизительно 100 м.

Вторая ЦЦ на южную приполярную область Луны, созданная параллельно в USGS в 2000 г состоит из 29386 точек. На основе этой БД методом триангуляции была составлена гипсометрическая карта на южную приполярную область. Основой для этой карты также служила сфера, радиусом 1737,4 км.

Если гипсометрическое картографирование в США, в первую очередь, относится к видимой стороне Луны, то советские космические аппараты первыми получили изображения обратной стороны Луны. Одним ш первых лунных каталогов в СССР, стал каталог, составленный в 1965-67 гг. на Главной астрономической обсерватории АН СССР (Пулково), состоящий из 500 точек, полученных и шмеренных на обсерваториях в Голосеево (ГАО Укр. ССР) и Пулково. Точность шмерения вертикальных координат этого каталога варьировалась от ±0,40 до ±2,50 км. В 1970 г в ГАИШ на основе 9 селено дез ических каталогов высот была составлена единая система селенодезических координат, состоящая ш 2900 точек.

В 1971 - 1972 гг. в МИИГАиК по материалам фотосъемки с КА Зонд-8 была составлена Фотокарта участка обратной стороны Луны в масштабе 1:1 000 000, дополненная горизонталями, проведенными через 0,5 км. Ошибка определения высот по снимкам Зонда-8 составляет ±0,2 км.

В начале 80-х годов в Советском Союзе была составлена гипсометрическая карта на видимое полушарие Луны на основе каталога высот Киев-4, составленного в 1977 г. и содержащего 4900 точек. Высоты отсчитаны от сферы 1738,0 км. Ошибка отображения высот на карте составляет ±0,18 - 0,30 км.

В конце 80-х - начале 90-х гг. в Атласе планет земной группы и их спутников была представлена Гипсометрическая карта Луны в масштабе 1:25 000 000. В качестве поверхности относим ости для этой карты использовалась сфера, радиусом 1737,57 км.

При составлении гипсометрических карт планет и их спутников вообще и Луны, в частности, необходимо учитывать некоторые аспекты, осложняющие процесс составления и анализ поверхности, а именно:

1. Различие поверхностей относим ости и уровней отсчета высот. На-сегодняшний день, согласно постановлению Международного Астрономического Союза, для расчетов принято использовать радиус Луны, равный 1737,4 км. Часто в

работах, выполненных ранее, использовались совсем другие значения, например 1736,7 км, 1737,57 км, 1738,0 км и др. То же самое можно сказать и о выборе нулевого уровня при составлении гипсометрических карт. Например, для тех же карт LAC уровень отсчета высот был выбран равным 1735,4 км, а на картах LTO -1730,0 км. Подобные расхождения приводят к появлению ошибок при сравнительном анализе различных каталогов.

2.Неполнота данных. Наборы высотных данных, полученные в результате исследования небесных тел космическими аппаратами, часто отличаются дискретностью распределения по поверхности и неполнотой. Например, на некоторые участки поверхности Луны, имеются данные с очень высоким разрешением (до 5 м), например, на зоны посадок и пролетов КК Аполлон, но распределение этих данных по поверхности носит дискретный характер. Также существенным является и тот факт, что часто при составлении карт небесных тел приходится иметь дело с разновременными данными, имеющими различную точность и площадь покрытия.

3.Труднодоступность данных. Данная проблема свойственна сегодняшнему состоянию в России тематического картографирования планет и их спутников вообще и гипсометрического картографирования, в частности. В связи с отсутствием собственных космических аппаратов, получающих информацию о рельефе и других физических свойствах небесного тела, российские картографы вынуждены ждать поступления подобной информации от NASA, ESA и других зарубежных организаций. Часто это не первичные, а уже обработанные данные, что также осложняет работу с ними.

В результате при создании гипсометрической карты Луны были учтены вышеперечисленные особенности, а именно для создания карты использовались наиболее современные и покрывающие всю поверхность Луны высотные данные КА Клементина, привязанные к сфере радиусом 1737,4 км и с помощью разработанной методики, была успешно отчасти решена проблема труднодоступное™ данных.

Глава 2. Анализ существующего программного обеспечения

Одними из наиболее популярных на сегодняшний день ГИС-пакетов, которые используются для изучения и обработки различных наборов географической

информации, являются программы фирмы ESRI (ArcView и ArcGIS), а также ERDAS.

ArcView - нетребовательная к ресурсам компьютера геоинформационная система. Она имеет простой встроенный язык программирования Avenue, что позволяет писать для нее специальные подпрограммы-приложения или скрипты. ArcGIS - следующее поколение ГИС, значительно более требовательная к ресурсам компьютера. По сравнению с ArcView, ArcGIS предоставляет больше встроенных возможностей пользователю по анализу географической информации и по оформлению карты. С другой стороны ArcGIS не ориентирован на создание дополнительных скриптов и встраивание их в тело программы. ERDAS IMAGINE — программа для работы с растровыми изображениями (снимками), их координатной привязкой и фотограмметрической обработкой, созданная компанией ERDAS, Inc.

Помимо ГИС фирм ESRI и ERDAS, Inc., существуют и другие пакеты, в том числе и разработанные в России, позволяющие решать различного рода задачи, наиболее популярные из которых: Maplnfo, AutoCAD и ГИС «НЕВА».

Mapinfo - ГИС, разработанная компанией Maplnfo Corporation, по своим функциям возможностям похожая на ArcView. AutoCAD GeoSyn, Civil - мощный пакет, разработанный фирмой Autodesk, Inc., используемый главным образом для автоматшированного проектирования и черчения. Являясь первоначально системой автоматизированного проектирования (САПР), сейчас AutoCAD по своим возможностям и семейству приложений и дополнительных программ является практически полноценной геоинформационной системой. ГИС «НЕВА» - это геоинформационная система, нетребовательная к ресурсам компьютера, разработанная в России и предназначенная для создания и редактирования электронных карт, решения типовых прикладных задач и разработки специализированных ГИС-приложений. Возможности ГИС «НЕВА» постоянно расширяются и имеют гибкую систему обновления, поскольку система позволяет создавать различные приложения и интегрировать их в программу.

В таблице 1 приведено сравнение по 5-балльной системе рассмотренных Госпакетов по различным параметрам: стоимость, требования к ресурсам * компьютера, возможности (способность самой ГИС выполнять различные функции (работа с математической основой пространственных данных, работа со

8 Ё И I I

I р * I г

да к Ё

снимками, пространственный анализ и др.) сложность создания модулей и расширений, относительная скорость работы и распространенность форматов.

Анализируя таблицу, можно отметить, что в совокупности возможности продуктов фирмы Е8Я1 очень высоки. Агс018 позволяет

выполнять

количество

операций с

растровым и

использовать

количество

поверхностей

огром ное различных векторными и данным и, большое проекций и относ им ости,

® а !

е- Й 1

5. | .!

I 3

выполнять пространственный анализ, моделирование

данных и поверхностей, оверлей, геокодирование и др. Существует также большое количество дополнительных модулей, разработанных для Агс018 и значительно расширяющих возможности этой программы. Среди недостатков можно отметить высокие стоимость и требования к операционной системе, однако Агс(П8 можно использовать вместе с ГИС АгсУ!е\¥, которая, хотя и является предшествующим поколением ГИС относительно АгсС18, в то же время дает возможность создавать скрипты, позволяющие выполнять многие из операций

ArcGIS, но при этом зна'иггельно дешевле и менее требовательна к ресурсам компьютера.

Пакет ERDAS является одним из наиболее мощных программ по обработке, трансформации, дешифрированию, привязке и различному виду аналюа аэро- и космических снимков. Однако, поскольку в данной работе для получения исходных данных снимки КА Клементина не могли использоваться в силу отсутствия к ним свободного доступа, в работе с таким мощным и дорогим пакетом, как ERDAS не было необходимости. Тем более что все необходимые операции по привязке, векторизации и анализу растровых изображений, которые были заложены в разработанную методику, можно выполнить с помощью программ ArcView и ArcGIS, совокупная мощность и возможности которых это вполне позволяют.

ГИС-пакет Mapinfo по своим возможностям и характеристикам напоминает ArcView. Однако, для выполнения всех видов работ по обработке данных и созданию гипсометрической карты Луны одного этого программного продукта, как собственно и исключительно Arc View, недостаточно.

AutoCAD по сути своей не является ГИС в полном смысле этого слова, хотя, некоторые из его приложений, разработанных компанией Autodesk, в особенности AutoCAD Map 3D позволяют говорить о том, что этот пакет можно использовать для большого спектра задач, решаемых геоинформационными системами. Однако, тем не менее, по своей изначальной и основной ориентации, AutoCAD является скорее очень развтой и многофункциональной системой автоматизированного проектирования (САПР), чем ГИС, поэтому решать задачи картографирования всей поверхности какого-либо небесного тела с помощью этого пакета представляется проблематичным, тем более что по возможностям пространственного анализа, AutoCAD также уступает остальным ГИС.

ГИС «НЕВА» по своим возможностям практически не уступает, а в некоторых acneicrax и превосходит, зарубежные аналоги. С другой стороны, распространение файловых форматов НЕВЫ, вследствие недостаточной популяризации и рекламы, за границей практически отсутствует.

В результате вышеизложенного анализа различных ГИС-пакетов, можно • сделать вывод, что с учетом поставленных задач наиболее удачным и оптимальным

соотношением инструментария для работы с векторными и растровыми данными обладают ГИС фирмы ESRI.

Итак, основными ГИС-пакетами, используемыми в данной работе, являются программы фирмы ESRI - ArcGIS 9.0 и ArcView 3.3. Также для всех операций, связанных с построением цифровых моделей рельефа и изолиний, использовались модули Spatial Analyst и, помимо встроенных модулей, специально написанные скрипты.

Помимо ГИС-пакетов, для расчета статистики и корреляции использовался специальный статистический пакет R, а для объединения баз данных пакет GeoMerge - свободное программное обеспечение, т.е. программы, которые бесплатно распространяются через интернет и в создании которых участвует множество разработчиков со всего мира.

Глава 3. Разработка методики составления гипсометрической карты Луны

Лазерный альтиметр КА Клементина, запущенного 25 января 1994 года и вышедшего на полярную орбиту вокруг Луны 19 февраля 1994 года, получил радарные высотные данные с разрешением до 200 м. Также камерой, снимающей как в видимом, так и в ультрафиолетовом диапазоне, было получено при разных углах съемки около 600 тыс. изображений. Данные лазерного высотного альтиметра КА Клементина, покрывают всю поверхность Луны в пределах широт ±60°, но практически отсутствуют на приполярные области Луны. Таким образом, при составлении полной гипсометрической карты Луны необходимо разработать методику получения и обработки данных КА Клементина на области высоких широт.

На данный момент существуют две основных методики обработки изображений КА Клементина и получения высотных данных. Автором первой из них является Э. Кук (Центр изучения Земли и планет, Национальный аэрокосмический музей, National Aeronautic and Space Museum, Вашингтон). Если имеются исходные данные зондирования поверхности Луны (космические изображения и данные лазерного альтиметрирования КА Клементина), то процесс составления Цифровой Модели Рельефа (ЦМР) включает в себя четыре стадии обработки таких данных:

1. Выбор стереопар изображений для каждой орбиты;

2. Создание ЦМР на определенную территорию;

3. Объединение всех ЦМР, для создания единого ЦМР-покрытия на всю поверхность Луны;

4. Объединение полученных данных с данными лазерного альтиметрирования.

На первой стадии используется специальный автоматический алгоритм для того, чтобы определить общие узловые точки для каждой стереопары. Когда такие точки найдены, из каждой пары изображений затем создается стереопара. На второй стадии обработки, полученные стереопары объединяются для того, чтобы создать ЦМР. Для расчета положения КА и ориентации камеры используется специальное программное обеспечение GOTCHA. Затем данные, объединенные в единое ЦМР-покрытие, соедшшются с данными, полученными высотным альтиметром КА Клементина, т.е. каждая из полученных ЦМР, составляющих ЦМР-покрытие, добавляется к данным высотного альтиметрирования и этот процесс повторяется в интерактивном режиме. Именно вышеописанным методом в 2001 г. Э. Куком была создана карга приполярных областей Луны, которая использовалась в данной для получения необходимой высотной цифровой информации.

Автором второй методики обработки данных и составления карты является М. Розик (Американская геологическая служба, USGS, Флагстафф). Первоначальной задачей в этом методе является также создание единого покрытия на приполярные области. Для этого вручную находятся общие точки привязки, позволяющие вначале грубо «сшивать» соседние изображения и, в итоге, создать единое покрытие на приполярные области. Для того, чтобы создать вертикальную опорную сеть, на основе данных лазерного альтиметра строится ЦМР, на которую накладываются полученные точки привязки, в атрибутику которых записывается значение высоты, что, в свою очередь, обеспечивает построение начальной «грубой» сети опорных точек. После этого для более точной привязки с помощью фотограмметрической программы SOCET SET и специально разработанной программы ISIS последовательно проводится несколько стадий триангуляции, в процессе которых исправляются ошибки по высоте и каждое изображение разбивается на 9 равных " частей, для каждой из которых автоматически генерируются дополнительные узловые точки.

По оценкам самих авторов второго метода, имеются расхождения между их высотами и высотами, полученными методом Э. Кука. Высоты в районе южного полюса, определенные Розиком, в среднем на 1 - 2 км ниже высот Кука, причем сами авторы метода причиной ошибки считают недоработки в их внутренней программе ISIS. Автором данной работы также было проведено сравнение высотных профилей, построенных на основе растровых моделей, полученных обоими методами, проходящих вдоль меридианов 90° и-90°, которое подтвердило указанное расхождение.

Несмотря на все преимущества, использование методов, описанных выше, не представлялось возможным по двум причинам:

1. отсутствие свободного доступа к стереоизображениям КА Клементина, которые могли бы быть использованы для составления ЦМР;

2. отсутствие специально разработанного программного фотограмметрического обеспечения, подобного тому, которое использовалось американскими специалистами (например, GOTCHA или ISIS).

Однако имеющиеся аппаратные возможности (см. гл. 2), а также опыт составления автором гипсометрической карты Венеры позволили разработать метод, позволяющий создать ЦМР на приполярные области Луны без обработки стереоизображений. Для этого в качестве исходных данных для создания гипсометрической карты Луны использовались:

1) данные высотного альтиметра КА Клементина. представляющие собой набор из более 1 млн. точек, отстоящих друг от друга на 0,25°, и в атрибутах которых содержатся значения координат и абсолютных высот. Однако, как уже было указано, приполярные области не обеспечены такими данными в полной мере, поэтому для приполярных областей был необходим дополнительный источник информации, а именно

2) растровые изображения приполярных областей Луны, полученные Э.Куком, на которых высота каждого пиксела находится в определенной зависимости от его яркости.

Схема I

Г,ми . п."- Г^НИ-

' 1 Пстучение высотных данных нл прнпоитрные олткти Луш 1. . ... . '"••••-. ■ к Xt\-\ IW - чгпрг ч! .

2 ' Релпмнровянне пспуч«шой Ап ¡ы занных V - инструмент Init'fei .

Э БыЛор прлешт и мясттяЛя. Построение точечного •>Ьа]>е-фяП1я .....-v;*' .AICGIS

4 С равнение 1В\"Х Да? ллнных Расчет корреляшт * >

S Генералттип» Ляш зяняы* /_. ... -модуль AreGIS Fisluief; АгЛ lew - script

' €} Совмещение двух птов дянны\ yf Гг«»(1\Ге|-<И» ;•

7 • Оценка точности высотной ккоаы k'" -R >

8 Сошннг шо.шнейного растра и разработка шк.иы Построение н геиерллшпиия контуров, цен) отбора ' -. . ArcGIS- ____Ь-'' модуль SpfliiaJ Analyst - ""> 1 -инструмент Eliniiuale

. 9 ■ Добавление светотеневой отмывки, координатной сетп и сгленог)1пфггческчгч названий AreGIS

10 Разработка компоновки п печать карты ' V.-' ArcGIS ' >

Точность этих моделей рельефа составляет около 1 км/пиксел. Абсолютные ошибки высот, вычисленные по стандартному отклонению между точками лазерного альтиметрирования КА Клементина и цифровой моделью высот, составляют ±0,4 км для северной приполярной области и ±0,7 км для южной приполярной области. В приполярных областях выше 80-х параллелей ошибки высот могут составлять ±1,0 км. Поскольку длина радиуса Луны, равная 1737,4±1 км, официально считается Международным астрономическим союзом наиболее корректной, то при создании гипсометрической карты Луны использовалась рефернц-поверхность, представляющая собой шар с радиусом 1737,4 км.

Итак, отсутствие снимков КА Клементина и необходимого программного обеспечения для составления и выполнения анализа стереоизображений, потребовало разработки специальной десятготапной методики обработки данных и составления гипсометрической карты Луны (схема 1), каждый из этапов которой раскрывается в последней главе диссертации.

Глава 4. Составление полной гипсометрической карты Луны с использованием двух типов исходных данных

На первом этапе были получены данные на области высоких широт Луны, которые не покрываются данными высотного альтиметра КА Клементнна. Для этого использовались растровые изображения, составленные Э. Куком, на северную и южную приполярные области и ограниченные параллелями ±60°. На этом этапе выгашиется так называемый обратный анализ изображений с последующим пересчетом значения яркости в высоту. Эта работа выполнялась с помощью программы ArcView, а также с использованием дополнительного написанного модуля - скрипта.

Затем, поскольку на используемых растрах находились «черные области» с яркостью 0, в которых отсутствовали данные, на втором этапе работы необходимо было удалить точки, содержащие в себе информацию о «черных» пикселах, а также точки, содержащие в себе информацию о пикселах с «переходной яркостью», т.е. находящихся на границе «черных» зон. Эта было выполнено путем построения буферных зон вокруг «черных» пикселов.

На третьем этапе, были выбраны проекция (равновеликая азимутальная проекция Ламберта) и масштаб карты (1:13 ООО ООО). Азимутальная равновеликая проекция Ламберта позволяет отобразить полушария Луны и провести некоторый анализ созданной гипсометрической карты, например, измерение площадей высотных уровней и различных форм рельефа Луны. Масштаб карты был выбран равным 1:13 ООО ООО, т.е. диаметр полушария, с учетом использования равновеликой азимутальной проекции Ламберта, составляет 37,81 см. Несмотря на то, что такой масштаб является обзорным, при печати с разрешением 300 dpi и достаточно подробной базе данных, на основе которой строилась карта, на ней можно отобразить высотные уровни и кратеры диаметром до 6400 м. Карта полушарий в

масштабе 1:13 ООО ООО вписывается в лист размером 59,4x84,1 см (А1). Именно в таком формате издается серия гипсометрических карт планет, в рамках которой уже изданы гипсометрические карты Марса и Венеры.

Установив, что высота пиксела растрового изображения, находится в следующей зависимости от его яркости: Л = 75-1 - 9600, где Л - высота точки, а / -яркость, значения яркости в полученной ЦМР на приполярные области были пересчитаны в высоты. В свою очередь, прямоугольные координаты, которые первоначально были в атрибутивной таблице, были пересчитаны в сферические координаты по алгоритму, представленному в приложении 1, и требуемая база данных приобрела законченный вид.

На четвертом этапе с помощью статистического пакета Я была рассчитана корреляция между полученной ЦМР на приполярные области и ЦМР, созданной по данным высотного альтиметра КА Клементина. Алгоритм расчета корреляции представлен в Приложении 2. Значение корреляции было получено равным приблшнтелыю 54%. Учшывая, что точность и количество данных высотного альтиметра на приполярные области невысоки, (что и было подтверждено невысоким значением корреляции), было принято решение не «накладывать», а «сшить» ЦМР созданные на приполярные области и ЦМР высотного альтиметра по параллелям ±60°.

На пятом этапе, поскольку интервал между полученными точками приполярных областей, намного меньше интервала между точками ЦМР, созданной по данным высотного альтиметра КА Клементина (0,06° и 0,25° соответственно), требуется выполнение генерализации точек приполярных областей, которая производилась путем осреднения значений высот точек, находящихся в определенной окрестности. Для этого разработан специальный метод -генерализация полигональной сеткой. Смысл этого метода состоит в том, что после наложения полигональной сетки, точки генерализуемого слоя будут перекрыты квадратами сетки. Все значения высоты точек, «попавших» в квадрат, будут осреднены. И это новое среднее значение высоты будет присвоено каждому полигону сетки. Затем рассчитываются координаты центроида каждого квадрата (полигона) сетки. В результате координаты центроида и среднее значение высоты и будут новыми координатами генерализованной ЦМР. Для создания сетки

использовался модуль ArcGIS Fishnet, а для выполнения самой - генерализации специальный, написанный для ArcView, скрипт. Учитывая то, что если на экваторе Луны один градус составляет 30,32 км, а на широте ±60°- 15,16 км, т.е. в два раза меньше, ЦМР генерализовалась на приполярные области не до 0,25°, а до 0,5°. Алгоритм автоматизированной генерализации точечных данных полигональной сеткой представлен в Приложении 3.

На шестом этапе необходимо «сшить» 2 типа данных, для чего используется программа GeoMerge, и затем поделить весь массив точек на два больших блока для видимого (долготы от -90° до +90° с запада на восток, центральный меридиан 0°) и обратного полушарий (долготы от +90° до -90° с запада на восток, центральный меридиан 180°).

На седьмом этапе, способом, описанным в Приложении 2, была посчитана корреляция между объединенной и генерализованной ЦМР и наиболее точной и современной на сегодняшний день сетью ULCN 2005. Корреляция рассчитывалась отдельно для видимого и обратного полушария Луны. После проведения расчетов, для видимого полушария была получена корреляция равная 83,77% и для обратного полушария - 94,26%, что позволяет говорить о хорошей надежности использования разработанной методики, и дает возможность перейти непосредственно к составлению карты.

Далее, на восьмом этапе, начинается непосредственно составление карты, для чего используется модуль ArcGIS Spatial Analyst, с помощью которого сгропгся изолинейный растр, а затем и сами векторные контура. Для построения изолинейного растра использовался метод регулярной сплайн-интерполяции, в процессе которого создается гладкая постепенно изменяющаяся поверхность.

Размер ячейки создаваемого растра был выбран равным 1530 м, исходя из того, что, в среднем, принтер или плоттер печатает 120 точек на сантиметр. Но, поскольку на карте Луны в проекции Ламберта и масштабе 1:13 000 000 1 см на экваторе составляет приблизительно 92 км, то, соответственно, размер ячейки растра ([92/120]х 1000) должен быть выбран равным 767 м. Обычно, во избежание погрешностей и брака печати, математически рассчитанный размер ячейки умножают на 2, т.е. приблизительный размер пиксела должен составлять 1530 м, что и указывается при выполнении сплайн-интерполяции. При выполнении затем

генерализации контуров и выборе цеша отбора, опять же во избежание погрешностей печати, значения ячейки растра умножают еще на 4, получая таким образом значение 6120 м. Соответственно, с карты снимаются все контура площадью менее 37 454 400 м2. Генерализация выполняется в ArcGlS с помощью модуля Eliminate. Алгортм выполнения этой операции представлен в Приложении 4.

При разработке высотной шкалы карты учшывалось восприятие Луны наблюдателем с Земли, т.е. при отображении таких глобальных форм рельефа как моря, наблюдаемые с Земли как серо-зеленые пятна, и возвышенные светлые области, использовалась серо-зеленая и светло-желтая гамма цветов, сделавшая восприятие карты читателем более привычным. Также при разработке шкалы учитывались глобальные свойства лунной поверхности, что отразилось в выборе высотных интервалов - от —4 км до +4 км - через 500 м, и выше +4 км и ниже -4 км - через 1000 м. Это дало возможность подробно отразшъ на карте и структуру плоских морей Луны, высотную поясность и многочисленные кратеры.

На девятом этапе автоматизированным способом с помощью инструмента hillshade модуля Spatial Analyst на карту добавлялась светотеневая отмывка. Поскольку размер пиксела при создании изолинейных растров был выбран равным 1530 м, с помощью отмывки были выразительно подчеркнуты все основные формы рельефа Луны, а также отображены многие объекты (например, кратеры и горные пики), не выраженные на карте шогипсами, что, в свою очередь, добавило карте наглядности.

На десятом, завершающем, этапе разрабатывается компоновка карты и выполняется ее печать.

Заключение

Основным результатом работы является созданная автоматизированная методика получения и обработки данных на приполярные области Луны и впервые в новейшей истории России составленная и подготовленная к изданию полная гипсометрическая карта Луны (рис.1).

МАСШТАБ Г1Э ООО 030

РАВНОВЕЛИКАЯ АЗИМУТАЛЬНАЯ ПРОЕКЦИЯ ЛАМБЕРТА

Рис.1. Гипсометрическая карта Луны В итоге получены следующие результаты, обладающие научной новизной:

1. Перед составлением карты по нескольким параметрам был проведен экспертный анализ различного геоинформационного программного обеспечения, и по результатам этого анализа были выбраны наиболее подходящие для решения поставленных задач продукты.

2. Несмотря на неполноту и труднодоступность исходных данных и программного обеспечения, разработанная методика позволила получить БД на приполярные области Луны, состоящую из более чем 9 миллионов точек поверхности на каждую ив приполярных областей, отстоящих друг от друга на 0,06°.

3. Для составления карты использовалась наиболее современная основа, имеющаяся на сегодняшний день - данные КА Клементина, причем в процессе получения ЦМР было осуществлено так называемое data fusion, т.е. объединение двух типов данных, а именно полученной ЦМР и данных высотного альтиметра КА Клементина, что позволяет говорить о более объективном отображении рельефа. Высокие значения корреляции между полученной ЦМР и наиболее современной и

поверхности на каждую из приполярных областей, отстоящих друг от друга на 0,06°.

3. Для составления карты использовалась наиболее современная основа, имеющаяся на сегодняшний день - данные КА Клементина, причем в процессе получения ЦМР было осуществлено так называемое data fusion, т.е. объединение двух типов данных, а именно полученной ЦМР и данных высотного альтиметра КА Клементина, что позволяет говорить о более объективном отображении рельефа. Высокие значения корреляции между полученной ЦМР и наиболее современной и точной на данный момент высотной сетью ULCN 2005 позволяют говорить о высокой надежности использования разработанной методики.

4. В процессе составления карты и обработки данных были разработаны и описаны 2 метода автоматизированной генерализации векторных объектов, а именно точек и полигонов, причем для генерализации точечных данных использовался специально разработанный метод генерализации полигональной сеткой.

5 Цветовое решение высотной шкалы гипсометрической карты было выбрано с учетом визуального восприятия Луны наблюдателем с Земли, а используемые высотные интервалы позволили отобразить различные формы рельефа Луны от глобальных (морей и горных цепей), до отдельных кратеров, которые были подчеркнуты добавлением светотеневой отмывки.

6. В процессе работы над картой, в качестве приложения было составлено подробное пошаговое описание (manual) некоторых наиболее важных при составлении операций, которое можно использовать при работах по составлению гипсометрических карт не только Луны, но и других небесных тел и земной поверхности. Методы генерализации, описанные в приложении, уже размещены в качестве интернет-статей на некоторых геоинформационных ресурсах сети Internet, в частности gis-lab.info, и могут свободно применяться и уже применяются пользователями как для составления гипсометрических, так и при составлении других тематических карт.

Работы, опубликованные по теме диссертации: 1. Лазарев E.H. Гипсометрическая карта Венеры методы создания и использования. //Известия Вузов, № 4, 2007. С.127-131.

//Proceedings InterCarto - InterGIS 12; Berlin: Deutsche Gesellschaft fur Kartographie e.V., 2006. P. 267 - 277. (Лазарев. EH. РодионоваЖ.Ф., Илюхина Ю.А., Литвин П.В. Создание серии гипсометрических карт Луны, Марса и Венеры по данным космических съелюк //Материалы Международной конференции InterCarto — InterGIS 13)

6. Lazarev E.N., Rodionova J.F. The lunar subpolar relief map: the ways and techniques of compiling and using. //Proceedings XXIII International Cartographic Conference; Moscow: Роскартография, 2007. C.371. {Лазарев EH., Родионова Ж.Ф. Карта рельефа приполярных областей Луны: методы создания и использования.//Материалы 23 Международного картографического конгресса)

7. Лазарев Е.Н., Родионова Ж.Ф. Морфометрический анализ лунной поверхности на основе данных К А «Клементина». // Материалы Всероссийской астрономической конференции "Космические рубежи XXI века" (ВАК - 2007), Казань: Изд. КГУ, 2007. С.60-61.

8. Lazarev E.N., Rodionova J.F. Raster Venus and Lunar maps as a source for obtaining vector topographic data.//Proceedings of The Second International Conference on Cartography and GIS, Borovets (Bulgaria); Sofia: University of Agriculture, Civil Engineering and Geodesy, 2008. P. 181-192. (Лазарев. E.H Родионова Ж Ф. Растровые изображения Венеры и Луны как источник для получения векторных гипсометрических данных.//Материалы 2й Международной конференции по картографии и ГИС)

Подписано в печать 24.10.2008. Гарнитура Тайме Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,5 Тираж 80 экз. Заказ № 232 Цена договорная

Отпечатано в УПП «Репрография» МИИГАиК 105064, Москва, Гороховский пер., 4

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Лазарев, Евгений Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ГИПСОМЕТРИЧЕСКИЕ КАРТЫ ЛУНЫ: ИСТОРИЯ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ.

1.1 ЗАРУБЕЖНЫЕ ГИПСОМЕТРИЧЕСКИЕ КАРТЫ ЛУНЫ.

1.2 ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ГИПСОМЕТРИЧЕСКИЕ КАРТЫ ЛУНЫ.

1.3 ПРОБЛЕМЫ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ГИПСОМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩЕГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.

2.1 ОБЗОР ГИС-ПАКЕТОВ.

2.2 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.

2.3 ГИС И ПРИЛОЖЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ДАННОЙ РАБОТЕ.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СОСТАВЛЕНИЯ ГИПСОМЕТРИЧЕСКОЙ КАРТЫ ЛУНЫ.

3.1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДИК.

3.2 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ЦИФРОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

3.3 РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНОЙ МЕТОДИКИ СОСТАВЛЕНИЯ КАРТЫ.

ГЛАВА 4. СОСТАВЛЕНИЕ ПОЛНОЙ ГИПСОМЕТРИЧЕСКОЙ КАРТЫ

ЛУНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВУХ ТИПОВ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ.

4.1 ПРОЦЕСС СОСТАВЛЕНИЯ ГИПСОМЕТРИЧЕСКОЙ КАРТЫ ЛУНЫ.

4.1.1 Получение высотных данных на приполярные области Луны.

4.1.2 Редактирование полученной базы данных.

4.1.3 Выбор проекции и масштаба. Построение точечного shape-файла.

4.1.4 Сравнение двух баз данных. Расчет корреляции.

4.1.5 Генерализация базы данных.

4.1.6 Совмещение двух типов данных.

4.1.7 Оценка точности высотной основы.

4.1.8 Создание изолинейного растра и разработка шкалы. Построение и генерализация контуров, ценз отбора.

4.1.9 Добавление светотеневой отмывки, координатной сети и селенографических названий.

4.1.10 Разработка компоновки и печать карты.

4.2 ПОШАГОВОЕ ОПИСАНИЕ (MANUAL) ЭТАПОВ СОЗДАНИЯ ГИПСОМЕТРИЧЕСКОЙ КАРТЫ ЛУНЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методики и ГИС-технологии создания гипсометрических карт Луны по данным космических съемок"

В процессе исследования планет земной группы и других тел Солнечной системы космическими аппаратами во второй половине XX и в начале XXI вв. накопился огромный картографический материал. С развитием компьютерных технологий и методов исследований совершенствуются способы создания карт, их точность и информативность. Будущее развитие планетной картографии напрямую зависит от интенсивности космических исследований, равного увеличения масштабов и детальности исследований, развития методов и технологий исследования космоса, обработки и интерпретации информации, и, что кажется наиболее важным, автоматизации процесса составления карт на всех уровнях. В полной мере это, в первую очередь, относится к гипсометрическим картам, главным содержанием которых является рельеф, изображенный горизонталями с раскраской по высотным ступеням.

Основным преимуществом гипсометрического метода изображения рельефа внеземных территорий является возможность достижения геометрически точного и измеримого изображения рельефа. Этот метод в сочетании с высотными отметками обеспечивает чёткую передачу основных орографических линий и точек, направления и формы склонов, углов наклона, абсолютных и относительных высот.

Спутник Земли - Луна является нашим ближайшим соседом в космическом пространстве и в настоящее время намечается возобновление исследований Луны с помощью космических аппаратов. В США, а также в Китае и Японии планируется создание на лунной поверхности обитаемых баз. Японское космическое агентство в 2007 г. уже осуществило запуск КА Selene (Kagnya), оснащенного высокоточным оборудованием, включая камеру Terrain Camera (ТС), позволяющую получать стереоизображения с ожидаемым разрешением до 20 м. В то же время в NASA в 2008 году планируется запуск КА Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO). Предполагаемая программа России по освоению Луны в 2009-2015 году включает в себя: запуск орбитального лунного спутника для разведки запасов полезных ископаемых, сбор лунного грунта с помощью лунохода и отправку его на Землю, создание научно-исследовательского полигона для отработки методик переработки лунного грунта.

Луна, как и любое другое небесное тело, имеет свою специфику, что, в свою очередь, оказывает большое влияние на способы и методы картографирования ее поверхности. Особое внимание в планах освоения Луны уделяется главным образом южной, но также и северной, приполярным областям, поскольку в этих районах находятся затененные кратеры, в глубине которых есть места никогда не освещаемые Солнцем, где, возможно, находятся запасы водяного льда, вследствие чего представляется важным составление подробных каталогов высот на данные области. В 1998-1999 гг. американский КА Lunar Prospector, провел серию исследований поверхности Луны нейтронным спектрометром и получил положительные результаты о высокой концентрации водорода, а значит, возможно, и льда в пределах южной приполярной области Луны.

В этой связи, разработка методики и ГИС-технологии создания гипсометрической карты Луны по данным космических съемок даст возможность обработать и отобрать полученные данные согласно масштабу, назначению и типу карты, а также результаты космических исследований и съемок поверхностей с целью создания современных гипсометрических карт небесных тел. Это особенно актуально, поскольку на сегодняшний момент процесс получения и обработки космической информации в России осложняется тем, что большая часть современных данных о различных свойствах поверхности тел Солнечной системы в целом получается зарубежными космическими аппаратами, запускаемыми преимущественно Национальным управлением США по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и Европейским Космическим Агентством (ESA).

Поскольку для создания карт все больше применяются методы автоматизации и ГИС-технологии, то также важно правильно выбрать программный продукт, позволяющий с наименьшими затратами времени провести составление карты, а затем ее анализ с целью получения новых данных об исследуемой планете и рельефе ее поверхности.

Целью данной работы является разработка методики создания гипсометрической карты Луны по частично обработанным комплексным данным космических съемок (после первого этапа фотограмметрической обработки), а также собственно составление карты, согласно предложенной методике. Для составления карты планируется использование как высотной информации, полученной космическим аппаратом Clementine, так и данных, которые планируется получить с растровых изображений рельефа, значения яркостей каждого пиксела которых должны быть пересчитаны в высоты.

С этой целью необходимо выполнить:

1. анализ имеющихся высотных данных, выбор программного продукта и получение данных, необходимых для составления гипсометрической карты;

2. создание методики обработки данных, что должно включать в себя получение баз данных и их генерализацию, расчет корреляции между различными типами данных, создание единого банка данных, обработку атрибутивной информации и расчет корреляции между полученным банком данных и современными существующими каталогами высот;

3. собственно составление карты, которое должно состоять из нескольких этапов, а именно: построение изогипс и их генерализация, разработка цветовой шкалы, создание и добавление светотеневой отмывки, добавление шрифтовой нагрузки и окончательная компоновка карты.

Кроме того, на примере гипсометрической карты Луны в процессе работы планируется создание подробного пошагового описания методики обработки гипсометрических данных и составления гипсометрических карт внеземных территорий, которое может быть непосредственно использовано при работах в выбранном ГИС-пакете по составлению гипсометрических карт других небесных тел. Поскольку гипсометрические карты являются лишь одним из видов тематических карт, важно отметить, что операции по работе с точечными и полигональными данными, растровыми изображениями, описанные в данной работе, могут использоваться и при составлении других тематических карт, таких как геологические, геоморфологические и др., причем не только карт небесных тел, но также и земной поверхности.

Заключение Диссертация по теме "Картография", Лазарев, Евгений Николаевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе достижения поставленных в диссертационной работе целей, с учетом требований к создаваемой карте Луны, имеющихся исходных материалов и возможностей программного обеспечения была разработана автоматизированная методика получения и обработки данных на приполярные области Луны и впервые в новейшей истории России составлена и подготовлена к изданию полная гипсометрическая карта Луны.

Перед составлением карты по нескольким параметрам был проведен анализ геоинформационного программного обеспечения, и по результатам этого анализа были выбраны наиболее подходящие для решения поставленных задач продукты. Стоит отметить, что помимо лицензионного программного обеспечения, например, такого как ArcGIS фирмы ESRI, в работе использовались и open-source, т.е. находящиеся в свободном доступе и наиболее динамично развивающиеся программы, такие как статистический пакет R.

Несмотря на отсутствие необходимых данных и программного обеспечения, например, космических снимков КА Clementine и специальных программ по их обработке, необходимых при использовании уже имеющихся методов, разработанная методика позволила получить БД на приполярные области Луны, состоящую из более чем 9 миллионов точек поверхности на каждую из приполярных областей, отстоящих друг от друга на 0,06°.

Для составления карты использовалась наиболее современная основа, имеющаяся на сегодняшний день — данные КА Clementine, причем в процессе получения ЦМР было осуществлено так называемое data fusion, т.е. объединение двух типов данных, а именно полученной БД и данных высотного альтиметра КА Clementine, что позволяет говорить о более объективном отображении рельефа, чем при использовании лишь одного источника данных.

Более того, значения корреляции между полученной БД и наиболее современной и точной на данный момент высотной сетью ULCN 2005 (USGS), составили 83,77% и 94,26% для видимого и обратного полушария Луны соответственно, что говорит о высокой надежности использования разработанной методики.

В процессе составления карты и обработки данных были разработаны и описаны 2 метода автоматизированной генерализации векторных объектов, а именно точек и полигонов, причем для генерализации точечных данных использовался специальный метод генерализации полигональной сеткой.

Цветовое решение высотной шкалы гипсометрической карты было выбрано с учетом визуального восприятия Луны наблюдателем с Земли, а используемые высотные интервалы позволили отобразить различные формы рельефа Луны от глобальных (морей и горных цепей), до отдельных кратеров, которые были подчеркнуты добавлением светотеневой отмывки. На карту было нанесено более 600 названий различных форм лунного рельефа.

В процессе работы над картой, в качестве приложения было составлено подробное пошаговое описание (manual) некоторых наиболее важных при составлении операций, которое можно использовать при работах по составлению гипсометрических карт не только Луны, но и других небесных тел и земной поверхности. Методы генерализации, описанные в приложении, уже размещены в качестве интернет-статей на некоторых геоинформационных ресурсах сети Internet, в частности gis-lab.info, и могут свободно применяться пользователями как для составления гипсометрических, так и при составлении других тематических карт.

Разработанная методика позволяет продолжить работу по составлению гипсометрических карт планет Земной группы и их спутников. На данный момент имеются высотные данные на один из спутников Марса — Фобос, что дает возможность составить гипсометрическую карту этого тела. В то же время форма Фобоса, существенно отличающаяся от шарообразной, потребует разработки специальной математической основы, что позволит усовершенствовать представленную методику. В дальнейшем планируется получение высотных данных КА Messenger на ближайшую к Солнцу планету — Меркурий. В то же время высотная информация получается и на отдельные участки спутников планет-гигантов и астероидов, что также даст возможность составить гипсометрические карты этих небесных тел.

Подобные карты, как и гипсометрическая карта Луны, которые впоследствии должны составить серию гипсометрических карт планет, дают возможность не только геометрически точно отобразить и изучить рельеф небесных тел, но также, благодаря своей наглядности, могут широко использоваться в процессе вузовского обучения.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Лазарев, Евгений Николаевич, Москва

1. Атлас обратной стороны Луны. 4.III, М.: Наука, 1975.

2. Атлас планет земной группы и их спутников. М.: изд. МИИГАиК, 1992.

3. Берлянт A.M. Картография. М.: Аспект Пресс, 2001. 336 с.

4. Бут Б., Митчелл Э. Начало работы с ArcGIS. М.: изд. «Дата+», 2001. 254 р.

5. Гаврилов И.В. Фигура и размеры Луны по астрономическим наблюдениям. Киев.: Наук. Думка, 1969.

6. Гаврилов И.В., Дума А.С., Кислюк B.C. Каталог селеноцентрических положений 500 базисных точек на поверхности Луны.//Фигура и движение Луны, Киев, вып. 2, 1967. С. 7-55.

7. Гаврилов И.В., Дума А.С., Кислюк B.C., Курьянова А.Н. Селеноцентрические координаты 160 базисных точек на поверхности Луны.//Фигура и движение Луны, Киев, вып. 2, 1965. С. 40-60.

8. Гаврилов И.В., Кислюк B.C., Дума А.С. Свободная система селенодезических координат 4900 точек лунной поверхности. Киев: Наукова Думка, 1977. 172 с.

9. Гаврилов И.В., Кислюк B.C., Карасев Л.А. Мегарельеф видимой стороны Луны.//Астрономический вестник, 15, №4, 1981. С. 211 215.

10. Гипсометрическая карта Венеры. М.: ООО «ПринтЭкспресс», 2008.11 .Гипсометрическая карта Марса. М.: Физматлит, 2004.

11. Исследование космического пространства. Луна. Сборник статей под ред. А.А. Гурштейна. Т.5. М.: Итоги науки и техники, 1973. 248 с.

12. Капралов Е.Г., Кошкарев А.В., Тикунов B.C. и др. Геоинформатика. М.: «Академия», 2005. 480 с.

13. Кислюк B.C. Геометрические и динамические характеристики Луны. Киев: Наукова Думка, 1988. 184 с.

14. Коротаев М.В., Правикова Н.В. Применение геоинформационных систем в геологии. М.:КДУ, 2008. 172 с.

15. Лазарев Е.Н. Гипсометрическая карта Венеры: методы создания и использования. //Известия Вузов, № 4, 2007. С.127-131.

16. Лазарев Е.Н., Родионова Ж.Ф. Новая карта рельефа Венеры. //Земля и Вселенная, №2, 2008. С.3-15.

17. Лурье И.К. Основы геоинформационного картографирования. М.: Изд. МГУ, 2000. 143 с.

18. Первые панорамы лунной поверхности. М.: Наука, 1966.

19. Родионов Б.Н. Изучение топографии мест посадки AJIC «Луна-9» и «Луна-13».//Физика Луны и планет, сборник статей, М.: Наука, 1972. С. 153-159.

20. Родионов Б.Н. Топографический план места посадки «Луны-9».//Земля и Вселенная, №6, 1967. С. 64-65.

21. Родионов Б.Н., Исавнина И.В., Авдеев Ю.Ф. и др. Новые данные о фигуре и рельефе Луны по результатам обработки фотографий, доставленных «Зондом-6».\\Космические исследования, IX, вып. 36, 1971 г. 450 — 458.

22. Родионов Б.Н., Нефедьев А.А., Шпекин М.И. и др. Изучение рельефа обратной стороны Луны по фотографиям КА «Зонд-8».//Космические исследования, XIV, вып. 4, 1976 г. 624 629.

23. Салищев К.А. Картоведение. М.: изд. МГУ, 1982. 408 с.

24. Серапинас Б.Б. Геодезические основы карт. М.: Изд. МГУ, 2001. 133 с.

25. Фигура Луны и проблемы Лунной топографии. Сборник статей под ред. Ю.Н. Липского. М.: Наука, 1968. 256 с.

26. Фролова Е. Лунная гонка. //Что нового в науке и технике, № 3 (48), 2007. С. 44-51.

27. Шкуратов Ю.Г. Итоги полета "Клементины'У/Земля и Вселенная, №5, 1997. С. 14-22.

28. Appleby G.M. and Morrison L.W. Analysis of lunar occultations, V, Grazing occultations 1964-1977, Mon. Not. R. Astron. Soc., 205, 57-65, 1983.

29. ArcGIS Spatial Analyst: Advanced GIS spatial analysis using raster and vector data. ESRI Press, 2001.17 p.

30. Archinal A., Rosiek M.R., Kirk R.L. and Redding B.L. The Unified Lunar Control Network 2005. U.S. Geological Survey: Open-File Report, 2006. 20 p.

31. Baldwin R.B. Coordinates of selected lunar features and measured heights relative to a sphere.// Measure of the Moon. Chicago/Illinois: Univ. Of Chicago Press, 1963. P. 450-463.

32. Blagg M.A., Miiller K. Named Lunar Formations. London: Percy Lund, Humphries and Co. Ltd., 1935.

33. Both E.E. A history of lunar studies. Buffalo: Buffalo Museum of Science, 1960.

34. Breece S., Hardy M., Marshant M.Q. Horizontal and vertical control for lunar mapping: Appendix 1. Catalogue II.//Army Map Service Techn. Rep., №29, Part 1,2, 1960-1964.

35. Chin G., Bartels A., Brylow S. Lunar Reconnaissance Orbiter overview: the instrument suite and mission. //Materials of Lunar and Planetary Science XXXVII, 2006. P. 1949.

36. Cocks E.E., Cocks J.C. Who's who on the Moon. Greensboro: Tudor Publishers, 1995.

37. Cook A. C., Hoffmann H., Jaumann R. Digital Elevation models of lunar and martian landing sites (abstract), Proc. Vernadsky-Brown Microsymp., 24, 19—20, 1996a.

38. Cook A.C., Robinson M.S. The lunar South Pole from Clementine stereo imagery (abstract), paper presented at 3rd International Conference on the Exploration and Utilization of the Moon, Russ. Acad, of Sci., Moscow, 1998.

39. Соок А. С., Robinson М. S., Semenov В. and Watters Т. R. Preliminary Analysis of the Absolute Cartographic Accuracy of the Clementine UWIS Mosaics.//American Geophysical Union, Fall Meeting, 2002. Abstract no. P22D-09.

40. Cook A. C., Semenov В., Robinson M. S., Watters T. R. Assessing the absolute positional accuracy of the Clementine UWIS mosaic.// Microsymposium 36, 2002. #107.

41. Cook A.C., Watters T.R., Robinson M.S., Spudis P.D., Bussey D.B. Lunar polar topography derived from Clementine stereoimages. //JGR, Vol.105, E5, 2000. P.12023-12033.

42. Davies M.E., Colvin T.R. Lunar Coordinates in the regions of the Apollo landers.//Journal of Geophysical Research, Vol. 105, N0.E8, 2000. P. 2027720280.

43. Davies M.E., Colvin T.R., Meyer D.L. A unified lunar control network: The Near Side.WJournal of Geophysical Research, Vol. 92, 1987. P. 14177-14184.

44. Davies M.E., Colvin T.R., Meyer D.L, Nelson S. The unified lunar control network: 1994 version.//Journal of Geophysical Research, Vol. 99, No.Ell, 1994. P. 23211-23214.

45. Day Т., Cook A.C., Muller J.-P. Automated digital topographic mapping techniques for Mars .Hint. Arch. Photogramm. Remote Sens., 29-B4, 1992. P. 801— 808.

46. Edwards K.E., Colvin T.R., Becker T.L., Cook D., Davies M. E., Duxbury Т. C., Eliason E. M. et. al. Global Digital Mapping of the Moon.// Materials of Lunar and Planetary Conference XXVII: Houston, Lunar and Planetary Institute, 1996. P. 335.

47. Eliason E.M. Production of digital image models using the ISIS system.!/Lunar Planet. Sci. XXVIII, Houston: Lunar and Planetary Institute, 1997. P. 331-332.

48. Eliason E.M., Isbell С., Lee E.M. et. al. Mission to the Moon: The Clementine UVVIS Global Lunar Mosaic.//U.S.G.S.: CD media by the Planetary Data System, 1999. PDS Volumes USANASAPDSCL4001-4078.

49. Eliason E.M., Lee E.M., Becker T.L. et. al. A Near-Infrared (NIR) Global Multispectral Map of the Moon from Clementine .//Lunar Planet. Sci., XXXIV, Houston: Lunar and Planetary Institute, 2003. Abstract no. 2093.

50. Everitt B.S., Hothor, T. A handbook of statistical analyses using R. Chapman&Hall/CRC, 2006.

51. Franke R. Smooth Interpolation of Scattered Data by Local Thin Plate Splines.// Comput. Math. Applic., Vol.8., No.4., 1982. P.237 281.

52. Franz J. Die Figur des Mondes, Astron. Beobachtungen, Konigsberg, 38, 1899.

53. Franz J. Ortsbestimmung von 150 Mond Kratern, Mitt. Sternw., Breslau, 1, 1901.

54. Gaddis L. et al. An overview of the integrated software for imaging spectrometers (JS\S)J/Lunar Planet. Sci. XXVIII, Houston: Lunar and Planetary Institute, 1997. P. 387-388.

55. Galilei Galileo, Nuncius Sidereus, Padua, 1610.

56. Greeley, R., and Batson R. M. (Eds.), Planetary Mapping, 296 pp., Cambridge Univ. Press, New York, 1990.

57. Haruyama J., Ohtake M., Matunaga T. et.al. Planned digital terrain model products from Selene Terrain Camera data. //Materials of Lunar and Planetary Science XXXVII, 2006. P. 1132.

58. Heiken G.H., Vaniman D.T. and French B.M. Lunar Source Book, pp. 58-59, Cambridge Univ. Press, New York, 1991.

59. Hoffmann H., Cook A.C., Gritzner C., Oberst J. and Schreiner B. LEDA remote sensing during lunar orbit operations: Requirements and mission capabilities (abstract), Ann. Geophys., 14(111), C804, 1996.

60. Lazarev E.N., Rodionova J.F. Raster Venus and Lunar maps as a source for obtaining vector topographic data.//Proceedings of The Second International

61. Conference on Cartography and GIS, Borovets (Bulgaria); Sofia: University of Agriculture, Civil Engineering and Geodesy, 2008. P. 181-192.

62. Lunar Astronautical Chart (LAC), 1:1 000 000. St.Louis/MO/USA: U.S. Air Force Aeronautical Chart and Information Center (ACIC), 1963 1967.

63. Lunar Cartographic Dossier. Edited by L.A. Schimerman. St.Louis/Missoury: Defense Mapping Agency Aerospace Center, 1973.

64. Lunar Map (LM), 1:1 000 000. St.Louis/MO/USA: Defense Mapping Agency Aerospace Center (DMAAC), 1978 1979.

65. Lunar Topographic Orthophotomap (LTO), 1:250 000. Washington/Washington D.C./USA: Defense Mapping Agency Topographic Command (DMATC), 1972 -1980.

66. Lunar Topophotomap (LT), 1:50 000, 1:25 000, 1:10 000. Washington/Washington D.C./USA: Defense Mapping Agency Topographic Command (DMATC), 1974 -1978.

67. Malin M., Ravine M. Clementine High Resolution Camera Mosaicking Project.//TR, San Diego: Malin Space Science System, 1998.

68. Margot J. L., Campbell D.B., Jurgens R.F., Slade M.A. Topography of the lunar poles from radar interferometry: A survey of cold trap locations, Science, 284, 5860, 1999.

69. Mayer T. Bericht von den Mondskugeln. Nurnberg, 1750.

70. Meyer D.L., Ruffin B.W. Coordinates if Lunar features.//Icarus, 4, № 5/6, 1965. P. 513-527.

71. Mitas L., Mitasova H. General Variational Approach to the Interpolation TroblemJ/Comput. Math. Applic., Vol.16., No. 12., 1988. P.983 992.

72. Nefediev A.A., Maps of the lunar limb relief reduced into a common level (in Russian), Proc. Engelgardt Asti-on. Obs., 30, 1-150, 1958.

73. Neutron Spectrometer results.//Lunar Prospector website. NASA. Retrieved on April 24, 2006.

74. Nozette, S., et al., The Clementine mission to the Moon: Scientific overview, Science, 266,1835-1839, 1994.

75. Riccioli G.B. Almagestum Novum. Bononiae, 1651.

76. Rodionova J.F., Elkina O.V., Kozlova E.A., Shevchenko V.V., Litvin P.V. A Hypsometrical features of the lunar surface from the Clementine mission. //Microsymposium 34 Vernadsky-Brown, MS059. 2001.

77. Rosiek M.R., Kirk R., Howington-Kraus A. Digital elevation models derived from small format lunar images. Materials of ASPRS 2000, Annual Conference, Washington DC, 2000.

78. Rosiek M.R., Kirk R., Howington-Kraus A. Lunar topographic map derived from Clementine imagery. //Proc. LPSC, 30, 1999. P. 1853

79. Schrutka-Rechtenstamm G. Neureduktion der 150 Mondpunkte der Breslauer

80. Topographic Lunar map (TLM), 1:5 000 000. AMS, Washington: Coips of Eng. 1961-1964.

81. Torson J. and Becker K. A software architecture for Processing Planetary Images J/Lunar Planet. Sci. XXVIII, Houston: Lunar and Planetary Institute, 1997. P. 143-144.

82. Understanding map projections: ArcGIS 9. ESRI Press, 2004. 120 p.

83. Wahlish M.N., Hoffmann R., Wagner U. et. al. High resolution mosaic and digital terrain model of the Lunar South Pole region derived from Clementine data. //Proc. LPSC, 30, 1999. P.1636

84. Watts С. В., The Marginal Zone of the Moon, vol. 17, 951 pp., Naut. Almanac Off., U.S. Nav. Obs., Washington, D. C., 1963.

85. Zuber M. Т., Smith D.E. Topography of the lunar South Polar Region: Implications for the size and location of permanently shaded regions, Geophys. Res. Lett., 24, 2183-2186, 1997.

86. Zuber M.T., Smith D.E., Lemoine F.G., Neumann G.A. The shape and internal structure of the Moon from the Clementine Mission, Science, 266, 1839—1843, 1994.93 .http://gis-lab.info