GIS-LAB

Географические информационные системы и дистанционное зондирование

Создание гипсометрической карты полушарий Венеры по данным космического аппарата Magellan (NASA)


Евгений Лазарев при содействии GIS-LAB

По своим размерам, диаметру, массе и расположению по отношению к Солнцу Венера является планетой, на которой можно было бы предположить наличие органической жизни, если бы не столь крайние и противоречивые данные о температурном режиме и характеристиках ее атмосферы. Очень большой интерес представляет получение хотя бы косвенных данных, которые позволили бы судить о состоянии и основных физических характеристиках самой поверхности Венеры.
С.П.Королев, «Шаги в будущее», 1966

Введение

Цель этой работы – кратко описать составление гипсометрической карты полушарий Венеры в масштабе 1:45 000 000 для серии карт планет земной группы (редактор Ж.Ф.Родионова), в рамках которой уже издана гипсометрическая карта Марса . Данная серия карт планет ориентирована на школьников старших классов и студентов начальных курсов. На этой странице дается информация об исходных и обработанных данных, полученных КА Magellan (NASA) и обработанных нами для использования при составлении карты. Мы постарались сделать это описание достаточно подробным, что бы читатель при необходимости мог воспроизвести наши действия по созданию карты или выполнить свои собственные задачи по гипсометрическому картографированию Венеры с использованием исходных или обработанных нами данных.

Объект картографирования

Венера – вторая от Солнца планета. В качестве референц-поверхности Венеры, согласно стандарту Международного Астрономического Союза (МАС (IAU)) всегда выбирается сфера. Для карты Венеры была выбрана сфера радиусом 6 051 000,0 м. Такой же радиус использовался в USGS для составления карт поверхности Венеры в масштабе 1:10M по данным КА Magellan (NASA). По уточненным данным радиус Венеры составляет 6051800 ± 1000 м. Поверхность планеты полностью скрыта от наблюдателя мощной атмосферой, поэтому получение данных о топографии Венеры возможно только путем радиолокационного зондирования поверхности.

Гипсометрическая карта строилась в равновеликой азимутальной проекции Ламберта для каждого полушария с центральными меридианами 0 и 180°. Масштаб карты – 1:45 000 000.

Содержание карты

Топографическая информация. В качестве источника топографической информации для составления карты Венеры использовалась БД на всю поверхность Венеры, составленная NASA на основы данных полученных радаром КА Magellan для квадратов поверхности размером приблизительно от 10 до 30 км в диаметре.

magellanОсновной задачей высотомера КА Magellan было определение расстояния между космическим кораблем и участком поверхности приблизительно 10х30 километров (так называемая площадь съемки высотомера (altimeter “footprint”)). Высота поверхности определялась с точностью до 120 м. Одна стандартная орбита КА Magellan состоит из приблизительно 1000 площадей съемки. Разрешение изменяется с высотой космического корабля, и, следовательно, с широтой поверхности (Таблица 1). Кроме того, высотомер оценивал отражательную способность и наклон поверхности для каждого квадрата. Радиометр КА Magellan использовался для обнаружения теплового излучения, испускаемого поверхностью Венеры в радиоволнах. Все эти параметры, а также некоторые другие можно получить, используя данные ARCDR, описанные ниже.

 

Широта

Размер площади основания поперек направления движения КА по орбите (В-З), км

Размер площади основания вдоль направления движения КА по орбите (С-Ю), км

80°, -60°

27

15

70°, -50°

24

11

60°, -40°

21

8

50°, -30°

19

11

40°, -20°

16

8

30°, -10°

14

9

20°, 0°

13

9

10°

12

8

Сам процесс альтиметрии, можно описать следующим образом. Для того, чтобы обработать данные, полученные высотомером создается так называемый echo-профиль для каждой площади основания. Этот профиль представляет собой силу отраженного сигнала, представленную функцией, описывающей временные задержки при возвращении отражённого сигнала к источнику (высотомеру). Для сравнительно плоских, однородных областей Венеры сила отражённого сигнала сконцентрирована в коротком промежутке времени и в относительно узкой области поверхности (в так называемой точке надира), в то время как участие остальной части площади основания в отражении сигнала минимальна. Наиболее же сложен для обработки echo-профиль, полученный для областей с сильными перепадами высот (более 1 км). Когда сигнал высотомера попадает на площадь основания, состоящую из крутых склонов, впадин или гор, то вследствие сильной неоднородности поверхности время его возвращения к источнику неоднозначно, что создает большие трудности для точного определения высоты площади основания.

Обработанные данные измерения высоты представлены в двух формах: Altimetry-Radiometry Composite Data Record (ARCDR), и Global Data Record (GxDR).

ARCDR – это набор данных по орбитам КА Magellan, который содержит все производные параметры для более 33 млн. площадей съемки (время измерения, координаты, размер трапеции поверхности, коррекции, погрешности радиус, уклон, отражательную способность, коэффициент излучения для каждого высотомера и т.д.), т.е. ARCDR – это таблица данных, в то время как GxDR – первоначальные данные (ARCDR), представленые в виде картографического изображения в проекции Меркатора и преобразованные в ESRI формат Raster Grid. На основе данных высотомера создана серия топографических карт, которые называются GTDR, на основе информации об уклонах (slopes) – карты GSDR и т.д. Разрешение этих карт составляет 5x5 км на пиксел.

Вследствие того, что для построения гипсометрической карты нас интересовали только данные по высоте, нам необходимо было получить таблицу, состоящую из трёх граф – широта, долгота и радиус Венеры. Однако, получить эти данные, а также информацию о других физических характеристиках Венеры, полученную КА Magellan можно, как уже упоминалось выше, используя специальное программное обеспечение ARCDRLST.

ARCDRLST распознает четыре типа ARCDR-файлов данных:

  1. OHFnnnnn.v – файл данных об орбите, орбиты nnnnn
  2. EPFnnnnn.v – файл эфемерид для орбиты nnnnn
  3. ADFnnnnn.v – файл данных измерения высоты для орбиты nnnnn
  4. RDFnnnnn.v – файл данных радиометрии для орбиты nnnnn

Так как для создания гипсометрической карты нас непосредственно интересовали данные о высоте, мы рассмотрим работу программы с ADF-файлами, которая осуществляется в режиме командной строки. Для получения информации о том или ином файле используются следующие команды:

PRODUCT_FILE_NAME – ADFnnnnn.v – имя ADF-файла
PRODUCT_TYPE – тип файла
MISSION_ID – код миссии, который всегда равен 4
MISSION_NAME – имя миссии – MAGELLAN
SPACECRAFT_ID – код, который для реальных данных равен 18, а для моделируемых данных – 28
SPACECRAFT_NAME – название космического аппарата – MAGELLAN
PROCESS_TIME – время создания файла данных
ORBIT_NUMBER – 5-значный номер орбиты «Магеллана», в ходе которой был получен файл. HARDWARE_VERSION_ID – 2-значное число nn, идентифицирующее аппаратный номер версии A&R данных, автоматически создаваемый при обработ
SOFTWARE_VERSION_ID – 2-значное число nn, идентифицирующее программный номер версии A&R данных, также автоматически создаваемый при обработке
TEMPLATE_VERSION_NUMBER – 2-значное число nn, обозначающее номер шаблонов, используемых для интерпретации высотных данных в ADF-файл
DATA_FORMAT_TYPE – формат, в котором будут представлены двоичные коды, содержащие альтиметрические данные; для всех изданных ARCDR-продуктов, это – VAX-формат
UPLOAD_ID – шестисимвольная запись ABBBBC с различными характеристиками миссии (этап и т.д.)
NAV_UNIQUE_ID – 32-байтовая строка ASCII – характеристика, позволяющая определить уникальное положение космического корабля на момент создания определенных данных.

Приведем пример заголовка ARCDR-файл – adf03212.1 (соответствующий орбите 03212.1):

PRODUCT_FILE_NAME=ADF03212.1 
PRODUCT_TYPE=ALTIMETRY_FILE 
MISSION_ID=4 
SPACECRAFT_NAME=MAGELLAN 
SPACECRAFT_ID=18 
MISSION_NAME=MAGELLAN 
PROCESS_TIME=1991-12-17T04:59:28.000 
ORBIT_NUMBER=03212 
HARDWARE_VERSION_ID=01 
SOFTWARE_VERSION_ID=02 
TEMPLATE_VERSION_NUMBER=02 
DATA_FORMAT_TYPE=VAX 
UPLOAD_ID=M1277N 
NAV_UNIQUE_ID = “ID = M1278-OCC”

Для получения же данных, представленных в определённом ADF-файле, существуют некоторые числовые коды, запросив которые можно получить собственно данные. Каждый код содержит одну определенную характеристику, которая, если она была затребована, присваивается всем площадям съемки, содержащимся в этом файле. Ниже приведен список кодируемых характеристик:

1 – номер квадрата поверхности;
2,3 – признаки полётного профиля;
4,5 – время измерения (с точностью до секунд);
6-8 – координаты положения «Магеллана», относительно центра Венеры (в км);
9-11 – координаты вектора скорости, относительно центра масс Венеры (в км/c);
12 – долгота квадрата поверхности (в °);
13 – широта квадрата поверхности (в °);
14 – размер квадрата поверхности вдоль полосы радирования (в км);
15 – размер квадрата поверхности поперек полосы радирования (в км);
16 – коррекция за перемещение (в км2);
17 – коррекция за отклонение от перпендикуляра к поверхности (в км);
18 – коррекция за атмосферу (в км);
19 – радиус Венеры для данного квадрата поверхности (в км);
20 – уклон поверхности (в °);
21 – отражательная способность;
22 – коррекция отражательной способности за рассеяние;
23-25 – погрешности в радиусе, уклоне и отражательной способности;
26-31 – корреляции между радиусом, уклоном и отражательной способностью;
32 – эфемеридное исправление радиуса;
33 – эфемеридное исправление долготы;
34 – эфемеридное исправление широты;
35-36 – корреляция между различными признаками полётного профиля;
37-44 – различные расчёты по связям между признаками полётного профиля и измеренными величинами.

Например, задаем ARCDR-файл adf03212.1, для которого в программе указываем географический охват и перечень необходимых параметров через коды:

latitude limits>                                                            
latitude range: 90 to -90                                                   
data codes> 1 4 12 13 19 20 21                                              
ADF file: adf03212.1

И в итоге получаем следующую таблицу:

norbfoot                 echo-time                lon          lat     radius       slope   rho     
…
3212  210 1991-10-05T20:31:14.467 180.257  -5.502 6052.368  0.600 0.1081    
3212  211 1991-10-05T20:31:15.354 180.262  -5.568 6052.384  1.318 0.0989    
3212  212 1991-10-05T20:31:16.244 180.267  -5.635 6052.387  2.064 0.0840    
3212  213 1991-10-05T20:31:17.135 180.273  -5.701 6052.429  0.810 0.0908    
3212  214 1991-10-05T20:31:18.028 180.278  -5.768 6052.429  1.771 0.1020    
3212  215 1991-10-05T20:31:18.923 180.284  -5.835 6052.456  0.927 0.1094    
…
            

Таким образом, информация со всех орбит собирается в единый текстовый файл. Поскольку, как уже упоминалось выше, для составления гипсометрической карты нам нужна была информация о высотах, наш файл включал в себя три колонки:

  1. долгота квадрата поверхности (°), код 12,
  2. широта квадрата поверхности (°), код 13,
  3. радиус Венеры для данного квадрата поверхности (км), код 19.

Номенклатура. Названия различных форм рельефа Венеры наносились на карту на двух языках – латинском и русском. Названия на латинице наносились согласно стандарту МАС (IAU). Аналоги латинских названий на русском языке наносились согласно каталогу Г.А. Бурбы [Номенклатура деталей рельефа Венеры. М.: Наука, 1988. 62 с.]. Также, по некоторым названиям информация была получена непосредственно от автора каталога.

Составление карты

Для составления карты Венеры мы сделали выборку из исходных данных и получили набор из 64800 точек на всю поверхность Венеры, отстоящих друг от друга на 1°, т.к. для создания уже изданной в рамках серии карт планет земной группы карты Марса, использовались данные КА Mars Global Surveyor с такой же точностью. Это связано с некоторой потерей информации при визуализации, в следующей версии карты планируется использовать полную базу данных. Также на район гор Максвелла (Maxwell Montes) (высочайшие горы на Венере, территория с сильно пересеченным рельефом) из исходной БД были добавлены дополнительные точки. Полученная БД представлена ниже в виде shp-файла (загрузить БД).

Вся работа по созданию карты выполнялась в ArcGIS 9.0 (build 535). При создании поверхности по точечным данным использовался модуль ArcGIS Spatial Analyst. Итак, процесс составления карты состоял из следующих этапов:

Создание поверхности. На основе полученной БД был создан точечный шейп-файл, с помощью которого, выполняя следующие действия: Spatial Analyst/Interpolate to raster/spline, была получена растровая поверхность распределения значений высот в формате ESRI GRID. Для визуализации была выбрана следующая классификация: от ниже –2000 м до 4000 м через 500 м, а от 4000 м до выше 11000 м через 1000 м. Подобные шкалы, с различными интервалами для равнинных и горных территорий, являются самыми распространёнными для карт Венеры:

  • [Атлас планет земной группы и их спутников. М.: изд. МИИГАиК, 1992.],
  • [Атлас поверхности Венеры. М.: изд. ГУГК при СМ СССР, 1989.],
  • [Atlas of Venus 1:15 000 000, topographic series V 15M 90/0 RKT, prepared for the NASA from data provided by the U.S.S.R. Academy of Sciences. Maps: Radar image map, Shaded relief map, Topographic map and Geomorphic/Geologic map, 1989.] и др.

В результате была получена растровая модель рельефа с разрешением 5281 м.

Создание векторного полигонального слоя из полученного растра и генерализация контуров. На основе созданной нами поверхности была выполнена ре-классификация: Spatial Analyst/Reclassify. При ре-классификации высотному уровню «ниже –2000» присваивался лейбл «–2000», высотному уровню «от –2000 до –1500» – лейбл «–1500» и т.д. Затем выполнялась векторизация: Spatial Analyst/Convert/Features to Raster. При генерализации использовался ценз отбора – сохранить на карте полигоны площадью более 10 000 км2 на местности или приблизительно более 5 мм2 в масштабе карты. Генерализация проводилась с помощью ArcMap. При генерализации в местах экстремальных значений высот контура показывались с преувеличением (горы Максвелла (Maxwell Montes), гора Маат (Maat Mons), гора Тейи (Theia Mons), равнина Аталанты (Atalanta Planitia), полярные области).

Также для лучшего восприятия карты на векторный слой был наложен созданный нами растр, где рельеф представлен в виде светотеневой пластики (Properties/Symbology/Stretched) . Для того, чтобы можно было отобразить и контура и пластику одновременно, прозрачность наложенного рельефа равна 80% (Properties/Display/Transparent).

Добавление координатной сети меридианов и параллелей, проведенных через 20°. Согласно рекомендации МАС, для планет и спутников с прямым вращением (против часовой стрелки) долготы возрастают от 0° до 360° с востока на запад, а для планет и спутников с обратным вращением (по часовой стрелке) – с запада на восток. Венера – планета с обратным вращением, поэтому направление отсчета долгот на этой планете ведется к востоку от нулевого меридиана. Нулевой меридиан проходит на Венере через пик горки кратера Ариадна (Ariadne (lat – +43,9°, lon – 0°)).

Добавление названий, отметок высот и мест посадок спускаемых аппаратов.

Составление обратной стороны карты

Просмотреть карту

карта венеры

На этой странице представлены две стороны гипсометрической карты Венеры (внешняя сторона, внутренняя сторона). Для того, чтобы получить увеличенную версию карты, нажмите на изображение. По всем предложениям о сотрудничестве в издании карты, и получения pdf-версии, пожалуйста, свяжитесь с авторами.

Благодарности

Мы благодарим GIS/IT специалиста USGS Trent M. Hare за помощь в получении исходных данных КА Magellan.

Обсудить в форуме Комментариев — 4

Последнее обновление: March 14 2011

Дата создания: 02.03.2008
Автор(ы): Евгений Лазарев


(Геокруг)

Если Вы обнаружили на сайте ошибку, выберите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter