问题

怎样分析嫦娥二号全月七米分辨率DOM数据?

回答
嫦娥二号全月七米分辨率DOM数据:深度解析与应用探索

嫦娥二号任务,作为中国探月工程的又一辉煌篇章,不仅在月球探测领域取得了举世瞩目的成就,更留下了宝贵的数据财富。其中,全月七米分辨率数字正射影像图(DOM)数据,以其精细的地形细节和广泛的覆盖范围,为我们理解月球表面地貌、研究月球演化提供了前所未有的视角。本文将深入剖析如何对这批珍贵的DOM数据进行分析,并探讨其在科学研究和实际应用中的价值。

一、 理解嫦娥二号DOM数据:基础概念与数据特性

在着手分析之前,我们必须对嫦娥二号DOM数据有清晰的认识。

DOM(Digital Orthophoto Map)的本质: DOM是一种经过几何纠正、消除地形和传感器倾斜影响的数字影像,它将影像的几何畸变校正到与地形数据一致的地面坐标系中。简单来说,DOM就像一张没有变形的、真实反映地面情况的“全景地图”,能够直接用于测量距离、面积和方位。
嫦娥二号DOM的来源: 嫦娥二号搭载了高分辨率CCD立体相机,通过其拍摄的月球表面影像,经过一系列复杂的处理流程(包括辐射定标、几何定标、影像拼接、地形匹配与校正等),最终生成了覆盖全月球、分辨率达到七米的DOM数据。
数据特性:
高分辨率: 七米的地面分辨率意味着在该分辨率下,我们可以分辨出直径约七米左右的物体,这对于识别月球上的小型地貌特征、陨石坑、熔岩管出口等精细结构至关重要。
全月球覆盖: 嫦娥二号任务的目标是绘制全月球的影像,因此我们获得的DOM数据覆盖了月球的绝大部分区域,为全球性地貌研究提供了基础。
几何精度: 经过严格的几何校正,DOM数据能够保证其地理位置的准确性,方便与其他地理空间数据进行叠加分析。
影像质量: 尽管是月球探测数据,但嫦娥二号CCD相机捕获的影像质量相当高,光照条件良好区域的细节表现出色。

二、 DOM数据分析的步骤与技术手段

对嫦娥二号DOM数据进行分析,是一个系统性的过程,通常可以分为以下几个关键步骤:

1. 数据获取与预处理:

数据源: 首先,需要从国家航天局或相关的科学数据中心获取嫦娥二号DOM数据。数据通常以GeoTIFF或其他地理信息系统(GIS)支持的格式提供。
数据浏览与检查: 使用GIS软件(如ArcGIS, QGIS, ERDAS IMAGINE等)打开DOM数据,检查其覆盖范围、投影信息、分辨率以及是否存在明显的异常或缺失。
重投影与坐标系转换(如果需要): 月球的坐标系与地球不同,通常采用的是月面坐标系(如月球中心经纬度坐标系)。如果需要与其他地理数据进行叠加分析,可能需要将DOM数据重投影到统一的坐标系下。
镶嵌与裁切: 如果获取的数据是分块的,需要将它们进行镶嵌处理,形成一个连续的月球表面影像。根据研究区域的需要,也可以对数据进行裁切,只保留感兴趣的区域。

2. 影像增强与可视化:

虽然DOM数据本身已经经过校正,但为了更好地展现月球地貌的细节,可以进行影像增强处理。

灰度拉伸: 通过调整影像的对比度和亮度,使得影像中不同地物特征的灰度值分布更开阔,从而更容易辨识。常用的方法包括直方图均衡化、线性拉伸等。
色彩合成(如果存在多波段数据): 嫦娥二号可能也提供了不同波段的影像数据,通过将不同波段的影像组合成彩色影像,可以突出某些地物的光谱特性,辅助地貌的识别。
地形叠加: 将DOM影像与月球的数字高程模型(DEM)数据进行叠加显示,可以直观地看到地形的起伏如何影响地表的影像表现,例如在斜坡上可能存在的阴影和高光。
三维可视化: 利用GIS软件或专业的3D建模工具,将DOM数据与DEM数据结合,生成逼真的月球表面三维模型,这对于直观理解复杂地形特征(如撞击坑、山脉、月海)非常有帮助。

3. 地貌特征提取与分析:

这是DOM数据分析的核心环节,旨在从影像中识别和量化月球表面的地貌要素。

手动目视解译: 这是最基础但也非常重要的方法。在地质学、遥感学等专业知识的指导下,利用高质量的DOM影像,人工识别和圈绘出各种地貌单元,如撞击坑(按大小、形态分类)、熔岩流、裂谷、山脉、沟槽等。绘制地貌图是这种方法最常见的产出。
半自动与自动提取:
边缘检测: 利用Sobel、Canny等边缘检测算法,可以识别出地貌边界,如撞击坑的边缘、山脉的脊线等。
纹理分析: 月球表面不同地质单元的纹理特征不同,可以通过纹理分析算法(如灰度共生矩阵GLCM)来区分不同的地貌类型。
面向对象分析(OBIA): 这种方法将影像分割成具有相似属性的“对象”(区域),然后对这些对象进行分类。对于高分辨率的DOM数据,OBIA能够有效地提取出具有特定形状和大小的地貌特征,例如识别特定尺寸范围内的撞击坑。
机器学习与深度学习: 利用训练好的模型,可以实现大规模、自动化的地貌特征提取。例如,可以训练模型来自动识别和分类不同类型的撞击坑,或者自动勾画出月海的边界。
量化分析:
撞击坑统计: 计算特定区域内的撞击坑数量、大小分布、密度等,这些是研究月球表面年龄、撞击历史的重要指标。
地貌面积与分布: 计算不同地貌单元(如月海、高地)的面积,分析它们的空间分布规律。
地貌参数提取: 基于DOM数据和DEM数据,可以提取坡度、坡向、曲率等地形参数,这些参数对于理解地貌的形成机制和物质迁移过程至关重要。

4. 精度评估与验证:

任何分析结果都离不开精度评估,以确保结果的可靠性。

与已知数据的比对: 如果有其他分辨率更高或精度更佳的月球影像或实测数据,可以将分析结果与之进行比对,评估其一致性。
实地考察数据(如有): 尽管对月球进行实地考察非常困难,但如果能够获得与研究区域相关的着陆器或月球车传回的影像或勘探数据,可以作为验证的宝贵依据。
内部一致性检查: 通过多种分析方法对同一目标进行提取,并比较结果的一致性,也可以间接评估分析的可靠性。

三、 嫦娥二号DOM数据分析的应用前景

嫦娥二号全月七米分辨率DOM数据拥有极其广阔的应用前景,涵盖了科学研究的多个领域:

月球地质学与地貌学研究:
撞击坑年代学: 通过对撞击坑的统计分析,可以推断月球表面的相对年龄,为月球地质演化模型提供数据支持。
火山活动研究: 识别和分析月海区域的熔岩流痕迹、火山锥等,研究月球早期的火山活动历史和机制。
构造地质学: 分析月球上的断裂带、裂谷等构造地貌,理解月球内部的构造活动和形变过程。
精细地貌制图: 制作更高精度、更详细的月球地貌图,为未来的月球勘探和科学研究奠定基础。

月球资源勘探与利用:
寻找潜在的资源分布区: 某些矿物或元素的分布可能与特定的地貌特征相关,DOM数据有助于识别这些潜在区域。
规划着陆区与探测路径: 精确的地形信息对于选择安全、适合科学探测的着陆点至关重要,同时也能优化月球车的移动路径。
研究月球水的可能分布: 虽然DOM数据本身不直接显示水的存在,但与高程、坡度等数据结合,可以辅助分析一些可能与水相关的地貌特征(如某些低洼区域的潜在水冰分布可能性)。

月球科学探测任务规划与支持:
高分辨率地形分析: 为后续的月球探测任务(如月球样品采集、探测器着陆等)提供高分辨率的局部地形信息,提高任务的成功率。
地形模型构建: 结合DEM数据,构建更精细的三维地形模型,为模拟月球探测器在月面的运动和环境交互提供数据支持。

月球科学知识普及与教育:
制作精美的月球影像: 高分辨率的DOM数据可以生成高质量的月球表面影像和三维模型,用于科学展览、教育材料的制作,激发公众对太空探索的兴趣。
科普研究: 基于对DOM数据的深入分析,可以产出大量科学成果,并通过科普文章、纪录片等形式向公众传播月球的奥秘。

四、 分析中的挑战与注意事项

在分析嫦娥二号DOM数据时,也需要注意一些潜在的挑战和事项:

光照条件的影响: 月球表面光照条件变化很大,同一区域在不同太阳高度角下会呈现出不同的阴影效果,这可能影响地貌特征的识别。需要选择光照条件相对理想的数据进行分析,或者采用光度立体等技术来减弱光照影响。
数据质量的局限性: 尽管数据质量很高,但仍然可能存在影像噪声、部分区域覆盖不全或存在云雾(尽管月球没有云雾,但探测器成像时的影响可能存在)等问题,需要进行适当的去噪和处理。
专业知识的要求: 准确的地貌解译和分析需要扎实的月球地质学、遥感学、地理信息系统等专业知识。
计算资源的需求: 处理和分析全月球的高分辨率影像需要强大的计算能力和存储空间。
数据更新与融合: 随着后续月球探测任务的进行,可能会有更高分辨率、更多信息的数据发布。将嫦娥二号的DOM数据与这些新数据进行融合和比较分析,将有助于更全面地认识月球。

结语

嫦娥二号全月七米分辨率DOM数据,是人类探索月球的又一宝贵遗产。通过系统而深入的分析,我们可以从中挖掘出关于月球地质演化、资源潜力以及未来探测的重要信息。这批数据不仅为科学家们提供了研究的“金矿”,也为我们勾勒出一幅更加清晰、生动的月球画卷,激发着人类对宇宙无尽的探索与好奇。未来的研究将继续依赖于这些高精度数据,并随着技术的进步不断深化,揭示月球更多的奥秘。

网友意见

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谢邀,这里依次说明:怎样获取嫦娥二的7米分辨率照片,怎样查看及定位判读,以及一个嫦娥2拍摄的阿波罗17的照片的比对结果。

首先要说的是,7米的分辨率,其实很难看得很清。官方也说是两三个像素。如果是普通质疑者还好办,但对质疑家来说,即便判读出,也会认为是陨坑,或中国航天协同造假,没什么意义,所以这里并不准备说服质疑家,而只是具体说下怎么分析,并回避不必要的争吵。



【1】获取嫦娥二号的7米分辨率照片

  • 嫦娥2的相关科学数据对全球共享,也包括7米分辨率照片

地址如下:

网站全名为《探月工程-数据发布与信息服务系统》,下载数据需要注册,但只是非常非常非常简单的注册,访问速度也不错。

  • CCD相机数据下载方法:

这里一直到【1】的末尾其实划过不看也可,反正后面会发例子图片链接

这里开始是繁琐的说明。。

[注]网站改版了,2020年要通过右侧的高级检索才能看到想要的界面,新老网站格式略有区别,但是基本路子差不多,这里操作说明的文字就不更新了,只更新下网站截图。下面这个是老网站:

这个是新网站图

全月面照片很大,所以被切为多个"小"图供下载,知道照片编号,在分幅编号的红框里输入即可查询下载。

怎么确定分幅照片编号,网站里有详细说明,这里也简单介绍下。

  • 确定照片编号 - 计算法:

照片编号是4位,前两位是照片的纬度范围,后两位是经度范围。以上面红框标出的"D105"为例,D1在网页里说的很明白,是北纬49到56度。05则是 指:

从【西经180 - (5 - 1) x 10度】到【西经180 - 5 x 10度】

负数结果就是东经了。。这里的10是每个小编号跨越的经度。了解了规则知道坐标,就很容易算出照片编号啦。。。。

我想找阿波罗17的照片,百度可知登月地点是:

20.19080°N-30.77168°E

也可以记作 20°11'26.88"N - 30°46'18.05"E

纬度是北纬20度,那么看网页确定范围:

拿公式倒推,应该是F2系列的第27张图,那么照片编号应该是F227。。好吧,实际我是看地图对出来的,因为我实在算不明白。

  • 确定照片编号 - 地图定位法:

首先找要到阿波罗17在月面登陆的大致地点,用的是 https://quickmap.lroc.asu.edu

但这个站点似乎并未直接标出地点,需要自己翻,有些麻烦。印象中GoogleEarth的月球模式中直接有地点标记,其他一些月球地图网站也有标记,但是地址忘了。印象中,最早的时候,嫦娥数据似乎有类似月球仪那样的浏览方式,这个记不清了,反正现在找不到了(如果有,那么事情就简单多了)。

从地图上看,A17任务登月点特征,在一个类似米老鼠的两个大耳朵的耳根位置:

打开嫦娥格网图,对一下就知道,也是应该下F2-27这个图

那么在前面提到的搜索框里,输入编号,查询下载就是,注意下载那个块头最大的文件。

  • 相关地址:

作为这小节的结束,发些前面提及的链接。(好像一般发链接就意味着回答结束了。。但这里只是提前发一下,不要误会。。)

[补充]嫦娥图的下载说明,就是分幅格网图和分幅说明,现在改版要点"高级搜索"才能看到:moon.bao.ac.cn/searchOr

嫦娥分幅格网全图:moon.bao.ac.cn/jsp/sear

F227号照片下载地址(1G左右,求告知手机点开的体验):moon.bao.ac.cn/cedownlo

LRO月球全图网站:https://quickmap.lroc.asu.edu

阿波罗17的LRO相机照片网站:lroc.asu.edu/featured_s


【2】照片查看及定位判读

F227号下载完毕,是.tif文件,属无损图片,8bit灰度。虽将近1G,但8G内存、SSD硬盘、渣CPU的配置还是很顺利的打开了。用PhotoShop打开(其他软件未尝试),比例缩放到%2,如下图,关注那个白框区域。

因为嫦娥照片中没有经纬度,因此对落点位置的确定有些困难。通过和LRO的地图的比对来确定比较方便。上面的白框也是这样确定的。剩下的就是嫦娥和LROC照片分别逐步放大,比对定位。定位的要领是关注那些较明显的,标志性的陨坑,根据它们连线构成的几何形状来进行识别。

因为嫦娥和LROC照片对比度清晰度不同,拍照时光线角度不同,同一个陨坑的成像也多少有些差异,所以多少需要点耐心。这里是上面白框区放大的LROC照片,蓝点是登陆点,红点是一些标志性陨坑。

经过耐心定位,嫦娥照片缩到50%,登陆区域附近情况如下 (白圈是一些辅助定位的小陨坑边界,不必理睬)

嫦娥照片放大到400%,阿波罗登陆点情况如下。

【3】照片比对结果

这是个低分辨的LROC、嫦娥分别拍摄的阿波罗17以及照片比对动图。灰蒙蒙的是嫦娥拍的,清晰些、黑白对比犀利的是LROC拍的。准星位置是登月舱,一飞而过的是我的鼠标...

这是放大些的版本,因为上传的原因似乎有些失真。能看到LROC卫星照片阿波罗17遗迹相应的位置,嫦娥2的成像结果。

动图有些模糊,最后放下静图吧。每张图片的中心,是登月舱。中间那个也是LRO照片,是低比例尺保存后又放大,所以质量有损失,细节丢失了一些,和嫦娥2照片差不多了。

这里是LROC的原始照片放大


【4】补充

因为时间有限,这里只例举了A17任务遗迹的照片判读。参考LROC,在嫦娥2照片中应该也可找到其他登月遗迹,包括阿波罗11、12、14、15、16的登陆点,早期任务第三级火箭在月面的撞击点,每次登月的登月舱上升段抛弃后在月面的撞击点。苏联的两个月球车以及倾覆的月球23虽然略小,但也不排除能找到。

谁有空闲,找到了一定要告诉俺。。。俺想看。。

需要说明的是,不要纠结于7米照片分辨率低,嫦娥2是个有趣的卫星,拍完照片还干了很多不务正业的事,留下的照片分辨率7米虽不算高,但成果自主可控,并满足了后续登月任务的要求。嫦娥三四的自动避障技术,也降低了对月面事先勘察的精度要求。

从照片看,这个精度也基本支撑我们的业余月球考古需求。

嫦娥2也拍摄了1.5米分辨率的照片,但只限于当初嫦娥3预定着陆的虹湾地区,这小块地图之前似乎通过其他途径展示过,而除此之外,嫦娥二号的相关数据发布了超过4个T,很开放的,很有点科学不分国界的派头。以前这话都是针对别人说。

如果实在觉得分辨率不够,要看更高清的月球照片。。前面提到的网站,那里也有嫦娥三和玉兔的月面照片,分辨率0.001米?也可以去下面这个索引,一个是玉兔相机,一个是嫦娥相机(网速略慢),嫦娥4的照片一时想不起来在哪了。


向中国航天致敬

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