авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Разработка методики и гис-технологии создания гипсометрических карт луны по данным космических съемок

-- [ Страница 1 ] --

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

Москва – 2008

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 «____»_____________ 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 «____»_____________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Краснопевцев Б.В.

Общая 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 TLM 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 издания 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 существующими 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 network (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.

Источниковая 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, интервал 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), ArcView 9.3, статистического пакета R и программы по объединению данных GeoMerge 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 InterCarto–InterGIS 13 (Ханты-Мансийск, 2007); Всероссийской астрономической конференции (Казань, 2007); микросимпозиуме Brown-Vernadsky 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 1:90 000 000, 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 Internet-ресурсе, 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 карт на видимое полушарие Луны, является Lunar Astronautical Chart (LAC) в масштабе 1:1 000 000 (каталог ACIC). C 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 кораблями 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 1:50 000, 1:25 000 и 1:10 000. 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 Network (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, Planetary Geology and Geophysics была создана Глобальная сеть опорных точек Unified Lunar Control Network 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 100 м.

Также большое внимание уделяется картографированию отдельно приполярных областей Луны. Во-первых, это БД, 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 БД 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 из 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 измеренных на обсерваториях в Голосеево (ГАО Укр. ССР) и Пулково. Точность измерения вертикальных координат этого каталога варьировалась от ±0,40 до ±2,50 км. В 1970 г в ГАИШ на основе 9 селенодезических каталогов высот была составлена единая система селенодезических координат, состоящая из 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 относимости 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 относимости 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 труднодоступности 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.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.