Авторизация

Логин:
Пароль:
Восстановить пароль
Регистрация
  • Форум
  • Блоги
  • Контакты
  • Новости
  • Продукты
  • Отрасли
  • Обучение
  • Поддержка
  • События
  • О компании
  • 1 (76) | 2016 100 процентное картирование Меркурия

    Самая близкая к Солнцу планета исследуется с помощью ГИС


    Mapping 100 Percent of Mercury


    Большинство планетарных научных миссий, по существу, являются картографическими. На основе полученных изображений планет создаются разные типы карт и картографических продуктов. Именно карты предоставляют основную среду визуализации, которую ученые используют, чтобы изучать Землю и ее соседей в Солнечной системе. Так, например, геоинформационная система (ГИС) является основой для управления данными и изображениями Меркурия, полученными в ходе недавно завершившейся миссии MESSENGER, их детальной визуализации и анализа.

    В прошлом году космический аппарат NASA Вестник (MESSENGER; MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging), ставший первым орбитальным зондом для полного картографирования Меркурия, завершил свою 11-летнюю миссию по изучению поверхности самой близкой к Солнцу планеты. Прежде чем он прекратил свое существование 30 апреля 2015г., MESSENGER предоставил ученым богатейший материал, прежде всего многочисленные изображения, который послужил основой для создания ряда базовых карт высокого разрешения и позволил выявить многие секреты этой планеты.

    Вот что Пол К. Бирн, адъюнкт-профессор по планетарной геологии в университете штата Северная Каролина и исследователь материалов наблюдений, полученных с помощью MESSENGER, рассказал Мэтью ДеМерит из компании Esri о том, как картография помогает в интерпретации данных дистанционного зондирования и как ГИС расширяет возможности исследования Солнечной системы.

    Как вы оказались участником миссии MESSENGER, и как ГИС подготовка помогла вам стать приглашенным исследователем? Были ли геоинформационные технологии частью миссии с самого начала?
    — Мне очень повезло присоединиться к команде MESSENGER в качестве научного сотрудника после окончания докторантуры Отделения земного магнетизма в Институте Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия. Диссертация была посвящена исследованию эволюции гигантских вулканов на Марсе с использованием ГИС-технологий для картографирования форм рельефа. Мой опыт работы с ArcGIS и умение использовать двух - и трехмерные изображения и топографические данные сыграли решающую роль в приглашении меня в команду MESSENGER, ведь я имел подготовку и навыки работы по комбинированию типов данных, которые мы собирались принимать с Меркурия. С самого начала миссия делала большой акцент на использовании ГИС для анализа и отображения того, что мы видели на Меркурии. Все полученные данные, после некоторой обработки, становились доступными для ГИС, и, следовательно, это было довольно простой задачей загрузить эти данные в ArcMap и представить в картографическом виде!

    Осенью 2012 года в статье "Surveying Mercury" (Топографическая съемка Меркурия), опубликованной в журнале ArcNews в то время, когда MESSENGER передавал первые изображения на Землю, вы писали, что картография является одним из наиболее важных способов интерпретации геологии любого планетарного тела. Каковы наиболее значительные открытия, сделанные с помощью MESSENGER, и как они иллюстрируют наши модели формирования поверхности планеты, если такие имеются?

    — Мы провели столь успешную миссию, что невозможно сказать, какое из открытий является самым важным. Их было так много. Например, данные MESSENGER были использованы для составления карт так называемых постоянно затененных кратеров – воронок вблизи полюсов, в которых солнечный свет никогда не достигает дна. Внутри многих из этих кратеров совместные данные спектрометра, альтиметра и изображений показывают, что там присутствуют скопления не только органических, летучих соединений, но и льда. Мы даже смогли напрямую получить изображения некоторых из этих выступающих скоплений льда. Лед был определен с помощью радиолокационных измерений с Земли задолго до миссии MESSENGER, и было даже сделано предположение, что это лед водного происхождения, но подтверждение этой гипотезы с помощью анализа новых наборов данных было крупным достижением данной миссии.


    Приложение ArcMap использовалось для визуализации распространения на поверхности Меркурия сглаженных вулканических равнин (фиолетовый цвет) и масштабных 100-километровых тектонических структур (желтый цвет).

    В какой степени карты, полученные с космического аппарата "Маринер-10" первой научной станции, посетившей Меркурий, обеспечили информацией новую миссию?

    — Мы были бы беспечны и расточительны, если бы проигнорировали то, что "Маринер-10" рассказал нам о Меркурии, хотя эта миссия и выполнялась четыре десятилетия назад. За три пролета в период 1974-1975 гг. "Маринер-10" видел только около половины поверхности Меркурия, но и этого было достаточно для общего понимания планеты, и были сформулированы вопросы, для поиска ответов на которые и был создан и запущен MESSENGER.


    Эта карта с наложением радиолокационных данных показывает постоянно затененные участки и ярко-желтые (не истинный цвет) скопления в северной полярной области Меркурия. Данные MESSENGER показали, что отложения состоят из водяного льда, иногда под слоем органического материала. (Графические материалы предоставлены NASA / Лабораторией прикладной физики Университета Джонса Хопкинса / Институтом Карнеги в Вашингтоне).

    ГИС технологии использовались для экстраполяции информации из тех старых картах?

    — Безусловно. Геологическая служба США (USGS) проделала замечательную работу по конвертации данных "Маринер-10" в ГИС-совместимый формат, позволяющий нам без проблем делать прямые сравнения данных MESSENGER и "Маринер-10" в среде ArcGIS. Мы смогли начать со стандартных листов "Маринер-10" (частично перекрывающиеся прямоугольные карты поверхности, разработанные USGS, охватывают 7,5 минут по широте и 7,5 минут по долготе) и сравнить их со снимками MESSENGER. Это позволило ученым рассматривать геологические элементы, формы рельефа и т.д. в районах, которые "Маринер-10" не видел — в основном все Северное полушарие. Мы сделали это, чтобы ответить на вопрос, является ли то, что мы увидели на одном полушарии в 1970-х годах, репрезентативным для планеты в целом. Получается, что, в основном, так оно и есть.

    Данные "Маринер-10" также помогли нам понять, как лучше создавать геологические карты Меркурия. Стандартные листы топографической карты, опубликованные после первой миссии, не всегда полностью согласуются друг с другом: границы между различными геологическими структурами могут иметь разное расположение от одного листа к другому или полностью исчезают между соседними листами. В настоящее время участники команды MESSENGER заняты разработкой новой, полной геологической карты, учитывающей уроки, которые мы смогли извлечь из карт, созданных на основе изображений "Маринер-10". Вся эта аналитическая работа проводится в ГИС.


    Эта модель показывает аномалии силы тяжести, служащие индикаторами подповерхностных структур Меркурия и их эволюции. (Графические материалы предоставлены NASA / Лабораторией прикладной физики Университета Джонса Хопкинса / Институтом Карнеги в Вашингтоне).

    "Маринер-10", пролетая вблизи Меркурия в 1970-х годах, показал что-то похожее на неровности поверхности, указывающие, по-видимому, на то, что планета сжималась в течение долгого времени. Была ли одна из целей MESSENGER измерить это сжатие на основе более подробной базовой карты?

    — Да. Один из главных вопросов, поднятых миссией "Маринер-10", был следующим: имеются ли подобные крутым склонам уступы на поверхности планеты, видимые в изобилии на одной половине, и на другой половине планеты. "Маринер-10" обследовал только южное полушарие Меркурия. Определение величины сокращения Меркурия может многое сказать нам о его внутренней структуре и вулканической истории. Мы использовали фотогеологические изображения, чтобы сначала картографировать протяженность и охарактеризовать распределение этих уступов по всей поверхности, используя инструменты редактирования в ArcMap. Затем мы смогли добавить топографические данные в проект и использовали модуль ArcGIS 3D Analyst для определения топографического профиля подмножества этих уступов. С помощью этой информации, вместе с некоторыми основными статистическими предположениями о геометрии разломов, лежащих в основе этих уступов, можно вычислить, насколько сократился Меркурий. Мы были приятно удивлены, когда обнаружили, что Меркурий сократился в радиусе на целых семь километров, что представляет собой наибольшее сжатие планетарного тела, выявленное в Солнечной системе до сих пор.

    Насколько важна стереосъемка в изучении форм рельефа Меркурия?

    — Геология более отчетливо проявляется в 3D, поэтому при исследовании любого геологического тела, процесса или взаимосвязей необходимо подключать третье измерение. Возможность исследовать поверхность Меркурия с помощью топографических данных за счет стереофотограмметрии или путем интерполяции данных альтиметра дает важное преимущество в нашем стремлении понимать планетарную геологию и историю. Цифровые модели рельефа (ЦМР) используются, например, для количественного определения крупномасштабных топографических деформаций в литосфере планеты, происхождение которых мы еще не полностью понимаем. И топографические данные могут рассказать нам о толщине лавовых потоков в ударных кратерах, глубине взрывных вулканических жерл и даже о крупномасштабных формах планеты. Без этих данных наше представление о Меркурии было бы намного беднее.


    Многочисленные каналы на поверхности Меркурия напоминают реки на Земле, но, на самом деле, они покрыты лавой, как показано здесь с помощью комбинации фотогеологических и топографических данных MESSENGER и цветовой шкалы рельефа.

    Поскольку все данные MESSENGER и, в действительности, данные всех миссий NASA, которые могут быть проанализированы в ГИС, опубликованы в ArcGIS-совместимом формате, дополнительные модули Spatial Analyst и 3D Analyst являются нашими обычными инструментами для изучения топографических данных. Мы также используем и другие входящие в ArcGIS приложения, например, ArcScene и ArcGlobe для визуализации тонких различий в рельефе, исследования взаимосвязей, можем даже увеличивать вертикальный ландшафт ЦМР, полученный с помощью снимков MESSENGER и альтиметрических данных. Лично мне нравится использовать инструменты ArcToolbox, чтобы экспортировать различные слои ArcMap в файлы KML для визуализации в Google Earth. В сумме – это очень мощный инструментарий для научного анализа, подготовки презентаций и для просветительской деятельности.

    Что является вашей мечтой относительно использования ГИС для исследования планетарной геологии?

    — Обработка и анализ топографических данных должны лежать в основе любой миссии, в которой мы собираем знания о планетарном теле с точки зрения геологии, собираются ли эти данные с помощью орбитального корабля, спускаемого аппарата или ровера. Скажем, системы летающих беспилотных воздушных аппаратов в атмосферах Венеры и Марса или лодок с дистанционным управлением на озерах Титана могут быть усилены за счет топографических данных высокого разрешения. Так что моя мечта, чтобы ГИС были полностью иммерсивными, создающими эффект присутствия. Программное и аппаратное обеспечение с поддержкой виртуальной реальности переведет исследования планетных поверхностей в полевые изыскания, близкие к привычным на Земле. Это было бы важным шагом в области науки и информационно-образовательной деятельности, и даже при подготовке космонавтов для работы на Луне или на Марсе!

    Еще немного об изучении Меркурия и других миссиях NASA

    Меркурий – ближайшая к Солнцу планета – является ключом, открывающим важную информацию об истории и процессах формировании планет и их поверхности. В то же время, близость Меркурия к главному светилу ограничивает возможности его прямых наблюдений с Земли. Из всех внутренних планет Солнечной системы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) ученые меньше всего знали о Меркурии. Часть этого знания была получена в 1970-х годах, благодаря зонду "Маринер-10", несколько раз пролетевшему мимо Меркурия по касательной траектории. Например, оказалось, что Меркурий генерирует магнитное поле, чего не обнаружено у других планетарных тел, кроме Земли, и имеет несколько самых больших из известных в Солнечной системе ударных кратеров. Эти и другие интригующие факты являлись стимулом для более близкого знакомства с этой планетой.

    И вот, в 2004 году Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) была запущена орбитальная станция MESSENGER с целью получения более четкого представления о поверхности этой планеты и ее истории и, возможно, об эволюции самой внутренней области Солнечной системы. Этот первый корабль с Земли, вышедший на орбиту вокруг Меркурия, начал передавать изображения поверхности планеты в 2011 году. Миссию удалось продлить дольше изначально запланированных сроков.


    Подробные карты поверхности Меркурия создаются в ArcGIS на основе мозаик изображений, полученных в ходе космических миссий к этой планете.

    Обработка данных, их анализ и подробное картографирование средствами ГИС начались с первого момента их получения – еще с "Маринер-10". Для преобразования этих данных в полноценные картографические продукты исследователи из Отдела земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне проводили их обработку с помощью ArcGIS. Четкие базовые карты поверхности планеты высокого разрешения служат основой для проведения детальных научных исследований. Без крупномасштабного отображения территории и ее объектов не может быть сделано подробное описание и определен весь контекст, а также очень сложно проводить корректные сравнения с другими областями и с другими мирами.

    По словам Бирна, «…только получив подробные карты Меркурия мы можем начать размышлять о том, какие геологические процессы там происходили, и как их лучше изучать с помощью лабораторных работ, математического моделирования и анализа сходных ландшафтов. Мы должны знать, что нам говорят карты, прежде чем мы сможем продолжать какие-либо научные исследования".

    Теперь почти вся поверхность Меркурия покрыта стереоизображениями разного разрешения, и соответствующие наборы данных переданы на Землю и преобразуются в карты. То есть, ГИС является основой для управления всеми данными MESSENGER, и все подобные миссии, сопровождающиеся сбором данных дистанционного зондирования, требуют применения геопространственных инструментов для преобразования информации, например, фотогеологических и топографических данных, в реальные карты, которые можно с успехом использовать.

    В статьях в ArcReview мы рассказывали о применении ArcGIS для изучения и картирования Венеры, Марса, Луны, в других исследованиях и проектах, проводящихся под эгидой NASA.

    Агентство NASA является давним стратегическим партнером Esri, профессионально применяющим ГИС в рамках корпоративного лицензионного соглашения на неограниченное использование ПО ArcGIS во всей организации и у ее партнеров.




    Версия для печати