Разработка теории и методологии картографировнаия малых небесных тел

В текущее тысячелетие целью исследований космического пространства является открытие новых галактических систем, неизвестных небесных тел, их комплексное изучение и передача этих сведений на Землю.

Кроме планет и их спутников, Солнечная система содержит большое количество малых небесных тел (МНТ) — это ядра комет, астероиды, метеорные тела и др. Тысячи астероидов и комет нам известны, но большая их часть все ещё остается неисследованной. Большинство астероидов вращаются на орбите между Марсом и Юпитером — в главном поясе астероидов, а большинство комет имеет сильно вытянутые эллиптические орбиты, поэтому они проводят большую часть времени во внешних областях Солнечной системы.

Существуют группы малых небесных тел, размеры орбит которых не превосходят или равны 1,3 а. е. (астрономическая единица — примерно равна среднему расстоянию от Земли до Солнца (149 597 870 км)), а также группы тел, которые могут приблизиться к Земле на расстояние, меньшее или равное 0,05 а. е. Первые называют астероидами, сближающимися с Землей, а вторые — потенциально опасными астероидами. Такие названия происходят из-за того, что под действием гравитационного поля близлежащих планет они могут изменять траекторию движения и даже пересечь орбиту Земли или создать угрозу столкновения с ней. Количество потенциально опасных астероидов насчитывает несколько тысяч, и с каждым новым открытием продолжает расти.

Проблема защиты от космических тел, направляющихся к Земле, широко обсуждается мировой научной общественностью.

В настоящее время космические агентства всего мира — Федеральное космическое агентство (Роскосмос), Европейское космическое агентство (ЕКА), Национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) установили в качестве приоритетного направление исследований малых небесных тел, а также открытие новых тел.

Кометы и астероиды представляют большой практический интерес благодаря их химическому составу, так как он не изменился со дня основания Солнечной системы (приблизительно 4,6 миллиардов лет назад).

Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью картографического обеспечения научных исследований МЫТ и полётов космических аппаратов к ним, среди которых можно выделить:

— получение основополагающих сведений о МЫТ для обретения новых знаний об объектах Солнечной системы,.

— выбор с помощью карт района для посадки спускаемого модуля или самого аппарата на поверхность малого небесного тела,.

— обеспечение защиты от космического тела, сближающегося с Землёй,.

— взятие пробы грунта для определения химического состава МНТ в контексте особенностей формирования Солнечной системы и др.

На сегодняшний день все попытки создания карт МНТ имеют разрозненный характер и представляют собой самостоятельные исследования. Поэтому назрела необходимость систематизации и объединения имеющихся в этом направлении разработок, создании единого подхода и выявлении новых задач для картографирования.

Существующая теория картографирования планет земной группы и их спутников ориентирована в основном на отображение тел, имеющих фигуру, близкую к сфере, эллипсоиду вращения или трёхосному эллипсоиду, в то время как фигура малых небесных тел различна — от регулярной до сильно отличающейся от регулярных референц-поверхностей. И таких малых небесных тел большинство.

Количество информации о малых небесных телах увеличивается с каждым днём. Для правдоподобного отображения их реальной фигуры с помощью карт и других картографических материалов, создаваемых с учётом её особенностей, направления вращения, системы координат и др., а также последующего анализа необходимо разработать теорию и методологию картографирования МНТ.

Целью диссертационной работы является разработка теории и методологии картографирования малых небесных тел.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: • Проанализировать объекты и субъекты исследований с целью разработки теории картографирования как отдельно взятого МНТ, так и общей концепции картографирования МНТ конкретной области космического пространства.

• Исследовать степень изученности, установить и систематизировать источники данных о МНТ для их картографирования.

• Разработать понятийный аппарат, используемый для картографирования и исследования МНТ.

• Разработать классификацию карт МНТ.

• Разработать логический аппарат выбора референц-поверхностей, соответствующих реальной фигуре МНТ.

• Разработать математическую основу для картографических произведений МНТ. Разработать метод расчёта картографических проекций трёхосного эллипсоида с большим экваториальным и/или полярным сжатием.

• Разработать новые способы отображения картографической информации о МНТ.

• Разработать способы составления и выявить типы генерализации на картах МНТ.

• Разработать методологию картографирования МНТ, включающую в себя:

— технологию составления, принципы оформления карт МНТ и способы их использования для решения научных и практических задач;

— рекомендации по использованию цифровых моделей рельефа, определённых программным и аналитическим способами, а также использованию материалов космической съёмки для картографирования МНТ.

Научная новизна результатов разработок и исследований автора заключается в следующем.

На сегодняшний день существуют общие классификации картографических произведений, предложенные проф. К. А. Салищевым и проф. А. М. Берлянтом, в соответствии с которыми карты, отображающие как поверхности небесных тел, так и их различные характеристики, относятся к общегеографическим, тематическим и специальным картам. Иерархия, учитывающая различные типы карт малых небесных тел, в этой классификации отсутствует. Между тем они обладают присущими только им характерными свойствами, которые не может охватить существующая классификация. К таким свойствам относятся: нерегулярная форма, ведущая к нестандартной компоновкенеобходимость показа различных положений небесного тела в пространственеобходимость учёта новых видов картографических произведений МНТ, таких как карты для навигации и исследования МНТ, карты для обороны от МНТ, сближающихся с Землей и др. Автором разработана новая классификация карт малых небесных тел, уточнена и расширена существующая общая классификация картографических произведений.

Современные методы отображения содержания карт МНТ подразумевают комплексное использование всех возможных информационных источников и актуальных данных (космические изображения, полученные в различных диапазонах съемкиданные лазерной альтиметриицифровые модели поверхностей малых небесных телгазеттиры (указатели географических наименований) — банки и базы данныхразличные геопространственные данные). Сочетание данных лазерной альтиметрии и цифровых моделей предоставляет возможность отобразить поверхность тела с помощью аналитической отмывки. Также возможно добавление картографической сетки, передающей их форму. Использование космических изображений, полученных непосредственно съемкой с дальнейшим созданием из них фотомозаики поверхности небесного тела, позволяет добиться реалистичности отображения содержания, недостижимого при использовании результатов оптических наблюдений. Автором разработан новый способ отображения содержания карт малых небесных тел, целью которого является передача его нерегулярной формы с помощью картографической сетки без необходимости в дополнительном отображении поверхности тела с помощью отмывки или фотомозаики.

Согласно исследованиям академика А. Н. Ляпунова, наиболее устойчивыми фигурами равновесия небесных тел являются те из них, которые имеют форму, близкую к трёхосному эллипсоиду. Для небесных тел, которые отличаются от сферы и эллипсоида вращения, широко используется трёхосный эллипсоид как поверхность, которая поддается вычислениям и наиболее точно, с точки зрения вычислительного аппарата, в соответствии с текущими требованиями, отображает их фигуру. Многие МНТ, такие как спутники планет, астероиды, ядра комет, кентавры и другие, имеют ещё более сложную фигуру, чем трёхосный эллипсоид. Кроме того, небесные тела, аппроксимируемые поверхностью трёхосного эллипсоида, зачастую по своей природе имеют ассиметричную фигуру, вытянутую либо в полярном направлении, либо в экваториальном направлении, либо полную асимметрию. Поэтому впервые для картографирования подобных малых небесных тел в качестве референц-поверхности автором был использован составной эллипсоид. Если рассматривать вопрос о правдоподобном отображении фигуры небесного тела, то этому требованию удовлетворяет методика картографирования МНТ с использованием сферы в качестве промежуточной поверхности и проекций реальных поверхностей небесных тел.

Для экстремально вытянутых МНТ, у которых большая полуось почти в два раза больше малой экваториальной и полярной полуосей, значения эксцентриситета ближе к единице, чем к нулю. В результате известные до сегодняшнего дня проекции трёхосного эллипсоида, подразумевающие использование математических рядов, не обеспечивают корректное картографирование таких тел. В связи с этим впервые было предложено получать такие проекции с помощью интеграла, вычисляемого на основе квадратурной формулы Гаусса.

В связи с тем, что карты малых небесных тел создаются с использованием космических изображений, полученных с различного расстояния съёмки, фотомозаика, отображающая поверхность небесного тела, составляется из разнородных по разрешению снимков. При обработке космических изображений в растровом редакторе возможен процесс принудительного снижения разрешения, который называется понижающей дискретизацией (от англ. «с1оУП8атрН1^»). Такой процесс можно рассматривать как разновидность дистанционной генерализации -«пиксельную» генерализацию.

На сегодняшний день специалисты разных областей науки, таких как астрономия, планетология, геология, геоморфология и др., формулируют термины и определения, относящиеся к изучению малых небесных тел. Рассматривая различные источники, можно встретить огромное количество определений, разъясняющих один и тот же термин. Примером тому является термин «малое тело», установленный только в 2006 году Международным астрономическим союзом.

Автором впервые на основе анализа и синтеза терминов и определений разработан понятийный аппарат, в котором формулируются такие термины, как «малое небесное тело», «форма и фигура малого небесного тела», «реальная поверхность» и др. По аналогии с географическими картами Земли предлагается называть карты небесных тел «селестографическими». Разработанный понятийный аппарат используется при изучении и картографировании малых небесных тел.

Автором разработана новая технология создания карт малых небесных тел. Её новизна заключается в возможности обеспечить единый комплексный цикл от сбора информации до выпуска картографических произведений малых небесных тел в свет, сочетать разнообразные геопространственные данные о МНТ. Технология предполагает использование современных методов получения космической информации, баз и банков пространственных данных, информации, размещённой в Интернете, использование скоростных каналов обмена информации и пр. Данная технология является составляющей частью методологии картографирования МНТ.

Карты МНТ имеют различную форму представления. Это могут быть не только бумажные, но и электронные, интерактивные, мультимедийные карты, карты в геоинформационном пространстве картографирования, карты для размещения в глобальной информационной сети Интернет и др. В связи с таким разнообразием новых по форме представления картографических произведений вопросы, связанные с нахождением требуемой информации, обработкой полученной информации и др., требуют своего пересмотра.

В диссертационной работе разработаны новые возможности программной и интерактивной обработки информации в целях решения таких научных и прикладных задач, как исследование малых небесных тел в различных областях планетарной науки, выявление различных характеристик — геологических, геоморфологических и др., исследование поверхностей малых небесных тел с целью их анализа, определение фигуры тела, анализ особенностей вращения и т. д. В частности, в диссертационном исследовании предлагается методика составления глобальной фотомозаики МНТ с использованием как зарубежных, так и отечественных программных продуктов. Данная методика была апробирована автором при создании фотомозаики астероида Ида в период научной стажировки в Университете Западного Онтарио (Канада), а позднее и для создания фотомозаики астероида Эрос. Фотомозаика астероида Ида передана в архив Системы планетарных данных.

Теоретическая и практическая значимость работы. Значимость теоретических разработок заключается в развитии общей теории картографии. Теория картографирования МНТ является вкладом в это развитие. Методология картографирования МНТ позволяет создавать карты с учётом всех их особенностей, включая такой важный аспект, как нерегулярность фигуры. Для этого применён разработанный автором математический аппарат вычисления картографических проекций реальных поверхностей МНТ.

Предложенная универсальная методика получения проекций с использованием вычисления интеграла на основе квадратурной формулы Гаусса в настоящее время реализована в виде Интернет-сайта [240] Центра геоинформационных исследований Института географии Российской Академии Наук (ИГ РАН), на котором возможно осуществить расчёт координат цилиндрической и азимутальной проекций, сохраняющих длины вдоль меридианов, для сферы, эллипсоида вращения и трёхосного эллипсоида. Эта методика может быть использована для вывода формул других проекций, что, в свою очередь, является развитием теории математической картографии.

Разработанная технология создания карт МНТ явилась основой для технологии интеграции разнородных данных о небесных телах в среде ГеоГраф ТИС 2.0, внедрённой в Центре геоинформационных исследований ИГ РАН.

Практическим результатом теоретических исследований является созданный автором «Атлас астероида 433 Эрос», в котором представлены, в общей сложности, 29 карт и 3 картографические сетки, построенные на основе различных референц-поверхностей и в различных картографических проекциях. Для отображения поверхности использовались такие способы оформления, как аналитическая отмывка, выполненная по цифровым моделям, фотомозаика астероида, анаглифы. Атлас астероида, являющийся взаимосвязанным приложением к диссертации, подтверждает высокую эффективность применения теоретических и методологических разработок. Карты, вошедшие в атлас, могут являться картами-основами для дальнейшего тематического картографирования. Атлас может быть издан как полиграфическим тиражом, так и в электронном виде и рекомендован для ознакомления и изучения астероида 433 Эрос широким кругом читателей, а также студентами в рамках дисциплин, связанных с изучением астрономии, планетологии и пр.

Автор выражает глубокую признательность за помощь и неоценимую поддержку в подготовке диссертации проф. Ф. Дж. Стуку, с.н.с. М. Э. Флейс, с.н.с. Родионовой Ж. Ф., проф. Ямбаеву X. К., проф. Майорову А. А., проф. Мазуровой Е. М., проф. Нырцовой Т. П., проф. Шингарёвой К. Б., доц. Брагиной Г. А., Бургандиновой А. Л., зав. каф. географии Буланову С. А., проф. Сладкопевцеву С. А., сотрудникам кафедры географии МИИГАиК, профессорско-преподавательскому составу факультета картографии и геоинформатики МИИГАиК.

Заключение

.

В результате проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие основные результаты:

1. На основе проведённого анализа объектов и субъектов исследований были выявлены новые классификационные признаки, в соответствии с которыми разработана классификация карт МНТ.

2. Систематизированы источники цифровых данных, что позволило выделить из многообразия исходных данных необходимую информацию для картографирования МНТ.

3. Разработан понятийный аппарат, в котором сформулированы термины и определения, рекомендованные для применения при исследовании и создании карт МНТ.

4. Разработан способ расчёта проекций для различных референц-поверхностей с использованием вычисления интеграла на основе квадратурной формулы Гаусса, позволяющий картографировать МНТ с большим экваториальным и/или полярным сжатием, включая случай, когда экваториальное сжатие больше полярного.

5. Разработан логический аппарат выбора референц-поверхностей, соответствующих реальной фигуре МНТ с учётом нового способа расчёта проекций.

6. Разработана методика картографирования МНТ с асимметричной фигурой с использованием составного эллипсоида.

7. Разработана методика картографирования МНТ с нерегулярной фигурой, в основу которой легли проекции реальных поверхностей.

8. Разработаны принципы выбора и расчёта проекций карт МНТ для правдоподобного отображения их фигуры на плоскости.

9. Разработаны способы отображения содержания карт МНТ, позволяющие наглядно представить их фигуру и рельеф поверхности.

Вышеприведённые результаты исследований позволяют создать методологию картографирования малых небесных тел, которая включает разработанные автором:

• технологию создания карт малых небесных тел, которая позволяет обеспечить единый комплексный цикл от сбора информации до выпуска картографических произведений малых небесных тел в свет;

• рекомендации по наглядным способам оформления такого элемента содержания, как рельеф с помощью фотомозаики, аналитической отмывки, анаглифа;

• рекомендации по выбору и использованию цифровых моделей рельефа малых небесных тел для аналитической отмывки их поверхностей и создания карт в проекциях реальных поверхностей небесных тел;

• рекомендации по использованию материалов космической съёмки в зависимости от их типа для картографирования МНТ (использование одиночных нетрансформированных снимков и пар космических изображений, полученных за период вращения тела для создания фотомозаик и анаглифов).

Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях: Международной научно-технической конференции, посвященной 220-летию со дня основания Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК) (Москва, 1999), The 19th International Cartographic Conference (Ottawa, Canada, 1999), The 20th International Cartographic Conference (Beijing, China, 2001), Международной конференции ИнтерКарто 8: ГИС для устойчивого развития территорий (Санкт-Петербург, 2002), The 21st International Cartographic Conference (ICC) (Durban, South Africa, 2003), Международной научно-технической конференции, посвященной 225 -летию МИИГАиК (Москва, 2004), The 22d International Cartographic Conference (ICC) (A Coruna, Spain, 2005), The 23d International Cartographic Conference (Moscow, 2007).

По тематике диссертационной работы опубликовано 20 работ, в том числе 11 статей в научных журналах, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных журналов ВАК, 3 статьи в сборниках докладов конференций, проходивших в России, 5 статей в сборниках трудов Международной картографической ассоциации (МКА), 1 статья в зарубежном журнале.

Изложенная в диссертационной работе научная концепция картографирования малых небесных тел теоретически обоснована и использована для создания «Атласа астероида 433 Эрос». Проведены расчёты картографических проекций и построение компоновок карт. На основе анализа различных способов оформления содержания карт МНТ и с учётом методов составления и типов генерализации созданы карты, вошедшие в атлас. «Атлас астероида 433 Эрос» был выполнен по авторской технологии создания карт малых небесных тел.

Отдельные теоретические и методологические основы картографирования небесных тел, изложенные в диссертации, были использованы и апробированы в период научной стажировки автора в Университете Западного Онтарио (Лондон, Канада, 2000 г.), целью которой было картографирование астероида Ида, который относится к малым небесным телом с нерегулярной фигурой, а также при подготовке Международного атласа лунных исследований Ф. Стука (Stooke, Philip J. The International Atlas of Lunar Exploration. N-Y: Cambridge University Press, 2007).

Результаты проведённых исследований подтверждаются многочисленными выступлениями и публикациями автора в трудах конференций Международной картографической ассоциации, а также обсуждениями основных положений диссертации в рамках заседаний рабочих групп по планетной и математической картографии при МКА.

Диссертация является научно-квалифицированной работой, в которой на основании выполненных соискателем исследований, разработаны теоретические положения, а также изложены научно обоснованные технологические и методологические решения проблем картографирования малых небесных тел, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие страны.

Полученные в диссертации научные результаты имеют существенное значение для обретения новых знаний об объектах Солнечной системы, для обеспечения защиты от тел, сближающихся с Землёй, и могут использоваться рядом государств в изучении космического пространства.