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 «SurveyingMercury» (Топографическая съемка Меркурия), опубликованной в журнале ArcNewsв 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.