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月表空间环境因子动态建模驱动的探测区选取

曾兴国 牟伶俐

曾兴国, 牟伶俐. 月表空间环境因子动态建模驱动的探测区选取[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(1): 91-96. doi: 10.13203/j.whugis20140647
引用本文: 曾兴国, 牟伶俐. 月表空间环境因子动态建模驱动的探测区选取[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(1): 91-96. doi: 10.13203/j.whugis20140647
ZENG Xingguo, MU Lingli. Lunar Spatial Environmental Indicators Dynamically Modeling Based Exploration Area Selection[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(1): 91-96. doi: 10.13203/j.whugis20140647
Citation: ZENG Xingguo, MU Lingli. Lunar Spatial Environmental Indicators Dynamically Modeling Based Exploration Area Selection[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(1): 91-96. doi: 10.13203/j.whugis20140647

月表空间环境因子动态建模驱动的探测区选取

doi: 10.13203/j.whugis20140647
基金项目: 

国家自然科学基金 41371427/D0108

数字制图与国土信息应用工程国家测绘地理信息局重点实验室开放基金 GCWD201402

详细信息
    作者简介:

    曾兴国, 博士, 主要从事网络影像地图可视化研究。zengsingle@163.com

  • 中图分类号: P208

Lunar Spatial Environmental Indicators Dynamically Modeling Based Exploration Area Selection

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41371427/D0108

Open Research Fund Program of Key Laboratory of Digital Mapping and Land Information Application Engineering GCWD201402

图(4) / 表(2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-03-13
  • 刊出日期:  2017-01-05

月表空间环境因子动态建模驱动的探测区选取

doi: 10.13203/j.whugis20140647
    基金项目:

    国家自然科学基金 41371427/D0108

    数字制图与国土信息应用工程国家测绘地理信息局重点实验室开放基金 GCWD201402

    作者简介:

    曾兴国, 博士, 主要从事网络影像地图可视化研究。zengsingle@163.com

  • 中图分类号: P208

摘要: 针对在复杂的月表环境下及时高效地选择合适的探测区域这一问题,考察已有的月球探测研究资料,分析了可能影响到科学探测的月球空间环境因子,在此基础上开发了一个可对环境因子动态建模并应用模型自动选取探测区的GIS系统。基于该系统,构建了一个针对嫦娥三号着陆区附近探测区域选取的评价模型,并将其成功应用于嫦娥三号巡视器科学探测目标的选取工作。

English Abstract

曾兴国, 牟伶俐. 月表空间环境因子动态建模驱动的探测区选取[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(1): 91-96. doi: 10.13203/j.whugis20140647
引用本文: 曾兴国, 牟伶俐. 月表空间环境因子动态建模驱动的探测区选取[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(1): 91-96. doi: 10.13203/j.whugis20140647
ZENG Xingguo, MU Lingli. Lunar Spatial Environmental Indicators Dynamically Modeling Based Exploration Area Selection[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(1): 91-96. doi: 10.13203/j.whugis20140647
Citation: ZENG Xingguo, MU Lingli. Lunar Spatial Environmental Indicators Dynamically Modeling Based Exploration Area Selection[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(1): 91-96. doi: 10.13203/j.whugis20140647
  • 月球及深空测绘获取的科学数据对开展相应探测极其关键[1-3]。探测器着陆于探测目标之后,如何根据这些数据进行导航[4]、场景重建[5],开展探测任务,对探测工程至关重要。目前,探测器着陆于地外天体之后,选取探测区域主要有两种方式:一种是探测器使用智能程序分析数据,自主探测;另一种是探测器将实时空间环境数据回传给控制中心,由控制中心分析数据,再传回探测指令。但是,在选择探测区域之时,都会遇到同样的问题,即哪些地外空间环境因子可能影响到探测工作,如何根据这些因子,选择科学、合理安全的探测目标。

    综观已有的地外探测工程及相关的研究工作,主要有如下成功案例和研究成果可以借鉴。前苏联成功进行了2次月球车巡视探测,3次采样返回探测。其中,月球车1号在月表探测了约10 km区域,月球车2号探测了约40 km区域,在探测区域选取时,主要关注月壤力学与化学特性。美国则成功进行了5次月表无人软着陆、6次载人登月探测。5次无人软着陆当中,仅有一次进行了探测器的移动与跳跃;另外6次载人探测,主要由人工判别,根据能否更丰富地获取月球土壤、岩石样本而选取探测区域[6]。文献[7-8]在为日本kaguya月球探测规划之时,提出应注意撞击坑、山脉等地形要素,并特别指出,探测区域太阳高度角应大于30°,以便为探测器提供充足太阳能,探测路径上应避免存在大于15 cm直径的岩石,防止对探测器车轮造成阻碍。文献[9]讨论了地形特别是山地要素对探测器姿态的影响。这些文献指出了在探测区域选取中地形要素对探测器安全性的重要作用并给出了相应参数,对于月球探测来说十分重要。文献[10]则研究了月尘对月球探测的影响。文献[11]研究月球着陆选点,从科学任务性、工程可实现性、后续任务相关性3个方面提出了获取图像便利性、坡度、操作便利性等10个指标。文献[12-13]分别从资源、影像获取方面提出了月球探测选点的建议。这些文献指出了关于科学数据获取对于探测区域选取的约束指标,也需要重点考虑。此外,在火星探测研究方面,文献[14]在研究火星Phoenix探测器着陆及探测区域选取时指出,探测区域应风速相对偏低,岩石及坡度分布应低于Viking2着陆区,探测区域土壤应至少有数厘米厚。文献[15]指出应根据地质、气候进行探测规划。这些文献从科学问题研究的角度探讨了探测区域选取的影响和相关参数,但火星和月球月表环境有所差异,可以适当借鉴。

    在上述研究基础之上,本文结合获取的月球影像地图[16]、相关空间环境数据及实际探测工作,针对月表环境,分析可能相关的月表空间环境因子,并对其从定性到定量做出具体分析。在此基础上,本文设计并实现了一个支持月表空间环境因子动态建模的探测区自动选取系统,然后,结合嫦娥三号着陆区的真实环境,运用该系统进行探测区环境因子建模,并最终应用到该区域附近科学探测区的自动选取工作中。

    • 开展月球探测的主要科学目标是研究月球与地月系的起源和演化,探究月球的资源、能源和特殊环境的开发利用对人类社会的支撑作用[3]。根据这一初衷,在确定月球探测相关的空间环境因子时,主要涉及到科学层面的可探测性以及工程层面的可实现性两个方面的问题。从科学层面提出环境因子需考虑诸如探测区域内地质、地貌特征是否丰富,物理、化学的特性是否典型,判断其是否具有科研价值;而从工程可实现性提出环境因子则需考虑探测区域内探测器行驶是否安全、能量补充是否方便、与控制中心交互是否便捷等因素,保证探测任务顺利实施。综合考虑这两个层面,同时根据月球不同区域空间环境分异特征,本文将月表探测相关的环境因子分为通用环境因子和特殊环境因子。通用环境因子指的是普通月表环境(如月海平原下)下共有的环境因子,而特殊环境因子则指的是特殊月表空间环境下(如撞击坑坑底等)需要特别考虑的环境因子。

    • 1)科学相关因子,主要包括:

      ①地貌特点,主要考虑探测区域月表包含的地貌类型是否丰富、典型,是否具有特殊价值,例如火山口、穹窿区域等。

      ②地质特点,主要考虑探测区域地质相关分布特征是否丰富、典型,如含有不同的地层特征和岩石类型、矿物类型、地层年龄较为年轻、月壤厚度、月尘分布情况等。

      ③其他理化特性,主要考虑探测区域能否展现特殊月球物理、化学上特性,例如在热力、重力、磁场、元素分布方面的特性。

      2)工程相关因子,主要包括:

      ①坡度,主要关系到探测器行进的安全性,坡度过大,探测器将无法通行。例如玉兔号巡视器设计爬坡能力为不超过20°。

      ②起伏度,主要关系到探测器行进的安全性,起伏度过大,对探测器的能量消耗较大,探测器容易出现安全故障。

      ③光照强度,主要关系到探测器影像数据获取及能源的补充。探测器的许多重要数据通过相机拍摄得到,光照强度过高或过低都不利于获得清晰的影像,而且现有的探测器主要工作能源来源于太阳能,光照强度直接影响到探测器获取能源的便捷性。例如,玉兔号适宜工作的太阳高度角为15°~35°,低于15°,太阳能帆板不能提供足够电源,无法开机工作;高于35°,则月表温度升高,影响载荷性能,月午情况下,太阳高度角过高,温度过高容易导致载荷损坏,不开机工作。

      ④障碍物,主要关系到各种探测操作的便利性与安全性,如行进过程中遇到的撞击坑、石块,探测器应尽量避免到其分布密度过大的区域。例如,玉兔号车轮直径较小,难以通过高度超过15 cm的石块或撞击坑。

    • 月表比较特殊的空间环境有撞击坑底部,月表极区永久光照区、阴影区,月球背面区域等。这些区域除了考虑以上通用的环境因子之外,还有一些其他特殊因子。

      对于撞击坑底部,一般需要存在较大平坦区域,且没有较大地物障碍才适合开展探测。以第谷坑为例,虽然其底部直径超过100 km,但仅存在一处面积超过10 km2的区域较为平坦,而且其底部存在长度可达数十米、宽度数米、深度1~2 m的裂缝,对于长1.5 m、宽1 m、高1.1 m的玉兔号,没有能力越过这样的裂缝。此外,撞击坑的坡沿、坡壁区域如存在散石,则容易造成滑坡,也不利于开展探测。由于撞击坑地形起伏,撞击坑坡底可能存在光线被遮挡区域,坑深比越小,遮挡得越厉害,这些区域也应极力避免。

      对于月表极区,影响在高纬度极地区域开展探测的主要原因在于极地区域高分辨率影像数据较少。例如,现有嫦娥三号着陆区的影像分辨率可达1.5 m,而在高纬度区域,只有7 m,许多危险地物无法识别,影像探测工作的安全进行。

      对于月球背面区域,由于通讯和测控的不便,现在尚未对月球背面展开软着陆探测,影响月球背面探测的主要因子是月球背面无法通过电磁波直接通讯,而需要有中继卫星转播信号。

    • 对环境因子的动态建模及探测区的自动选取主要在一个交互式GIS系统中具体实现。

    • 1)系统构建原理。系统采用数据、模型、处理三者松耦合的模式进行构建,基本架构见图 1

      图  1  系统架构

      Figure 1.  System Architecture

      图 1所示,系统由系统运行支撑模块、环境因子动态建模和探测区自动选取及交互制图 3个部分组成。

      图  3  可视化模型构建

      Figure 3.  Visualized Model Building

      系统运行支撑存取系统所需的基础数据、算法、及基础功能组件,是系统的底层。

      环境因子动态建模是一个可视化建模组件,其主要建模要素包括数据(如环境因子指标)、基础数学运算工具(如各种运算符)、数据空间分析算法(如坡度提取工具、起伏度提取工具、太阳高度角计算工具、影像分类叠加裁切工具等),以及连接数据运算的可视化素材(如代表数据输入输出的有向箭头)。

      环境因子运算模型的构建是一个以探测任务为导向,在可视化环境下动态构建的过程。构建模型时,从支撑库中选取环境因子数据,设置各个环境因子的权重,设置环境因子的数据类型,选取设置计算环境因子的公式、算法,进而按照工作流的方式将每一步运算数据联系起来成为一个链式的运算模型。

      探测区自动选取及交互制图用于解析并运行建模工具得到的模型,判断完成之后,将结果在可视化交互界面中输出。在进行探测区自动选取时主要采用的特定选取算法,本文采用了模糊综合评判算法。模糊综合评判法是一种综合考虑事物多种因素,用模糊集理论来评定其优劣的方法,基本思路为假设两个有限论域:U={u1u2,…,un},V={v1v2,…,vm}。U是综合评判的因素所组成的集合,如各环境因子;V代表评语所组成的集合,如{优秀,良好,普通,较差}。模糊综合评判是一个模糊变换问题:X·R=Y,式中“·”表示合成运算,XU上的模糊子集,评判结果YV上的模糊子集,模糊关系R可看作一个模糊变换器,通过对评判结果进行打分排序,按照得分高低确定探测区域。

      2)系统运行流程。系统运行的基本流程如图 2所示。

      图  2  系统运行流程

      Figure 2.  System Operating Process

      1)启动探测区选取系统,导入所需环境因子数据。

      2)进入数据分析,导入构建好的运算模型,对数据分析运算。

      3)进入决策运算,选择探测区自动选择算法, 如模糊综合评判算法,启动模型运算,对数据分析结果进行评判。

      4)进入人机交互,对选取结果进行确认,设置参数。

      5)在交互式制图模块中查看选取结果,选择制图模板,加入图名、图例、经纬网等制图说明,可对选取结果进行符号化,得到探测区制图成果。

    • 1)构建环境因子模型。根据已有的数据,主要采集了撞击坑石块密度、坡度、起伏度和太阳高度角等数据。撞击坑石块密度是撞击坑石块面积所占区域总面积的比值。针对于具体的工程实施,其相应的优、良、中、差的参数如表 1所示,其中各项环境因子的判定与评价标准均是按照嫦娥三号的工作要求而定的。

      表 1  嫦娥三号探测环境因子参数

      Table 1.  Environmental Indicators for Chang'E 3 Exploration

      参数 评价
      优秀 良好 普通 较差
      撞击坑石块密度 0~0.2 0.2~0.4 0.4~0.6 0.8~1
      坡度/(°) 0~6 6~15 15~20 20~90
      起伏度/m 0~1 1~1.5 1.5~2 2~2.5
      太阳高度角/(°) 15~35 35~45 45~60 0~15和60~90

      2)构建针对环境因子的运算模型。构建模型时, 如表 1中所示, “优秀”为3分, “良好”为2分, “普通”为1分, “较差”为0分;4项参数的权重设置为撞击坑石块密度(C)为0.3, 坡度(S)为0.2, 起伏度(W)为0.2, 太阳高度角(A)为0.3。适宜探测区指数(V)的计算方法为:

      1)当C×S×W×A=0时:

      $$ V = 0 $$

      2)当C×S×W×A≠0时:

      $$ \mathit{V}{\rm{ = 0}}{\rm{.3}}\mathit{C}{\rm{ + 0}}{\rm{.2}}\mathit{S}{\rm{ + 0}}{\rm{.2}}\mathit{W}{\rm{ + 0}}{\rm{.3}}\mathit{A} $$

      V值越大,表示探测区域选取优先级越高。在V值相当的时候,比较区域各项参数中“优秀”和“良好”两个阈值项的多少,参数越多,优先级越高。根据本文思路,在可视化构建工具中构建计算模型,得到的结果如图 3所示。

      3)运算及制图结果。根据得到的运算模型,输入探测区域附近的原始数字高程模型和数定正射影像,根据系统提供的数据处理工具,提取探测区域的撞击坑、石块,并根据其面积分布计算其密度,使用相应的工具提取探测区坡度、起伏度,计算出太阳高度角。将这些环境因子指标输入模型,综合运算得到的优选探测区域如图 4所示。

      图  4  探测区域选取运算结果

      Figure 4.  Exploration Area Calculation Result

    • 系统计算选取的探测区域集中在着陆器西南角平坦区域, 选出的1~5个点,周围0.4 m误差范围之内为探测区域,其具体参数见表 2

      表 2  探测选点环境因子

      Table 2.  Environmental Indicators of Exploration

      点1 点2 点3 点4 点5
      撞击坑石块密度 0 0 0 0 0
      坡度/(°) 1.43 1.01 2.09 2.73 2.89
      起伏度/m 0.78 1.05 1.33 1.27 1.42
      太阳高度角/(°) 20.955 20.955 20.955 20.955 20.955

      表 2数据可知,这些环境因子都保持在“优秀”和“良好”两项的阈值范围之内(尤其是第1点,所有参数都满足“优秀”),选取的区域内都没有石块和撞击坑,坡度不超过3°,起伏度不超过1.5 m。由于选取点间隔较近,根据探测时间及星历文件,计算其太阳高度角都为20.955°。将选出的探测区域与玉兔号巡视器携带的全景相机拍摄到的实景图像对比(图 4中轮廓区域), 地面较为平坦,无撞击坑、石块等明显障碍物,可以基本满足科学探测需要。

    • 本文在前人研究的基础上, 从科学研究和工程实现两个层面总结了可能影响到月表科学探测的空间环境因子,在此基础上,实现了一个环境因子动态建模驱动的科学探测区选取系统,并根据嫦娥三号着陆区的特点,构建了一个以撞击坑、石块、坡度、起伏度、光照为参数的探测区选取模型,应用于嫦娥三号巡视器探测任务期间科学探测目标选取的工作。该系统采用的探测模型、决策算法、运行过程相互独立的架构,可以适用于不同环境下、不同探测需要的探测区的选取工作,对于开展后续的嫦娥月表探测也有指导价值。该系统的不足之处在于, 由于部分重要环境因子数据的缺失,自动选取的探测区域还是会存在一定的风险。例如,在嫦娥三号巡视器探测任务结束后, 从其传回的影像可知, 在巡视器探测过程中, 由于月壤厚度不均, 车轮曾经存在打滑情况, 影响了巡视器的行走。下一步的工作需要获取更多的缺失的探测环境因子的实际数据,如月壤、月尘数据,进行深入分析,并将其应用于后续建模工作,优化模型。

参考文献 (16)

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