Картографирование планет на основе любительских снимков

3 Декабря, 2005

1 / 27

Картографирование планетна основе

любительских снимков


2 / 27

Задачи наблюдений• Учебные

– Ознакомление с методиками наблюдений и съемки планет

– Выработка собственных навыков и методик съемки, обработки и хранения результатов наблюдений

• Научные (исследование изменений на планетах)– Изучение сумеречных явлений в атмосфере

Венеры – Изучение изменений в полосах Юпитера и

Сатурна (их широты, ширины, интенсивности и цвета)

– Изучение сезонных изменений на Марсе, появление облаков, пылевых бурь


3 / 27

Картографирование планет

• Основная цель – построение «развертки» на плоскость в определенном масштабе поверхности планеты. Не существует способа построить без искажений «развертку» поверхности планеты на плоскость

• Существует великое множество способов построения таких «разверток», называемых картографическими проекциями

• Различные виды проекций применяю в зависимости от их свойств и в соответствии с той целью, для которой составляется карта

• Подробное описание метода построения карт планет можно найти в книге В.А. Бронштэна «Планеты и их наблюдение». Там же дано описание некоторых наиболее часто используемых картографических проекций.


4 / 27

Виды картографических проекций

Картографические проекции можно разделить на три семейства:

• В соответствии с их геометрическими свойствами:– Конформные или равноугольные проекции

сохраняют углы между всеми деталями поверхности планеты

– Равновеликие проекции сохраняют правильное отношение площадей деталей поверхности

– Эквидистантные проекции сохраняют расстояния между деталями поверхности в некотором направлении (широтном или долготном)

– Остальные проекции в той или иной мере искажают углы и площади


5 / 27


• В соответствии с методикой построения:– Цилиндрические проекции строятся как проекции

сферы на обернутый вокруг нее цилиндр. Проектирование может осуществляться вдоль нормали к поверхности цилиндра или нормали к поверхности сферы

– Азимутальные проекции строятся подобным образом, но проецирование осуществляется на плоскость. Важный класс – ортографические проекции, при построении которых проецирование сферы осуществляется на бесконечно удаленную плоскость.

– Конические проекции строятся как проекции сферы на конус, пересекающий сферу по одной или двум окружностям


6 / 27


• В соответствии с формой представления центральной области:– Экваториальные проекции это цилиндрические проекции,

окружающие сферу по экватору, или азимутальные проекции, пересекающие сферу в одной точке на экваторе

– Полярные проекции это азимутальные проекции, пересекающие сферу в точке полюса, или конические проекции, для которых ось конуса совпадает с осью вращения сферы

– Косоугольные проекции это цилиндрические проекции, при построении которых цилиндр пересекает сферу по большому кругу. Например, обычный вид планеты в телескоп или ее изображение на ПЗС матрице есть косоугольная ортографическая проекция.

Здесь для простоты слово «сфера» обозначает поверхность планеты, даже если это сложный трехосный эллипсоид


7 / 27

Основные возможности программы IRIS:

• Работа с графическими форматами FITS, BMP, JPEG, TIFF, PNG

• Работа с RAW-форматами практически всех цифровых фотоаппаратов (CRW, CR2, NEF, PEF, MRW, RAF, ORF, X3F)

• Работа с AVI-файлами

• Управление веб-камерами

• Автогидирование

• Автоматическая и ручная обработка съемок планет и deep-sky

• Автоматическая и ручная работа с dark frame и flat field

• Оценка качества, сортировка, совмещение и сложение множества кадров, полученных во время съемки планет и звездных полей

• Геометрические преобразования

• Фурье-анализ и вейвлет-обработка

• Подавление шумов

• Деконволюция (восстановление) изображения

• Работа со звездными каталогами, астро- и фотометрия

• Картографирование планет


8 / 27

Пример построения карты МарсаИзображение Марса, полученное 18 ноября 2005 в 23:22 UT

В начале нужно преобразовать снимок планеты так, чтобы он соответствовал нормальному виду планеты в телескоп-рефрактор. Затем необходимо повернуть изображение планеты так, чтобы ось ее вращения лежала строго вертикально в картинной плоскости. Для этого можно воспользоваться, например, Adobe Photoshop и специально нарисованной маской. Маску, как дополнительный слой со свойством прозрачности Difference, нужно наложить на изображение планеты. Затем в режиме свободного преобразования (Free Transform, Ctrl-T) вращаем планету так, чтобы остаток Южной полярной шапки находился на пересечении вертикальной линии и рамки. Принимаем получившееся преобразование, убираем слой маски и сохраняем изображение.


9 / 27

Запускаем IRIS

Выбираем изображение

Сохраняем изображение в формате PIC


10 / 27

Определяем статистические свойства пикселей всего изображения

Определяем статистические свойства пикселей, принадлежащих фону.


11 / 27

Теперь нужно определить координаты центра изображения планеты и его радиус. Для этого служит команда Circle.

Следующий этап – получение эфемерид и создание файла, описывающего картографическую проекцию.


12 / 27

Так выглядит правильно заполненная диалоговая форма в данном случае. После заполнения всех полей, нужно нажать кнопку Save и выбрать имя файла, в котором будут сохранены необходимые параметры. Программа создаст текстовый файл с расширением .LST (например, T1.LST), а в окне Output будут выведены некоторые параметры физических эфемерид планеты.

Содержимое файла T1.LST:

0180.0 72.4 35.7256 256124.9 132.1 89.70.0000 0.00-180 180 -90 900 00 1.0010.0 10.0 1


13 / 27

С помощью команды Grid можно наложить координатную сетку на изображение планеты.

С помощью команды REC2MAP можно определить планетографические координаты любой детали на изображении планеты. Достаточно навести курсор на интересующую деталь, получить прямоугольные координаты курсора и ввести их в качестве параметров команды.


14 / 27

Команда MAP [input list] [output list]

• Команда MAP предназначена для преобразования изображения из одной картографической проекции в другую (или в ту же, но с другими параметрами).

• Параметры [input list] и [output list] это имена текстовых файлов, содержащих набор из 22 параметров, описывающих начальную картографическую проекцию и ту, которая должна получиться в результате преобразования. Имена этих файлов должны заканчиваться расширением «.LST» (расширение не должно фигурировать в командной строке). Файлы имеют простую структуру и могут быть созданы в любом текстовом редакторе.

• Последовательность параметров должна строго соблюдаться. В каждой строке файла может быть несколько параметров, разделенных пробелом или табуляцией. Параметры могут быть расположены на разных строках и тем самым быть отделенными друг от друга.


15 / 27

Параметры, содержащиеся в файлах• PROJ – номер используемой проекции. В зависимости от поставленной задачи можно

использовать любую из 17 проекций, которые будут описаны чуть позже.

• (LAMP, PHIP) – используются только для изображений, полученных через телескоп и представляют собой координаты (широту и долготу) Северного полюса планеты на изображении. Система координат выбрана так, что ось X направлена на наблюдателя (перпендикулярно экрану), ось Y расположена горизонтально (направлена слева на право) и ось Z расположена вертикально в плоскости экрана и направлена снизу вверх.

• MERI – это долгота центрального меридиана планеты в момент наблюдения (вычислено программой при правильном заполнении диалоговой формы «Physical ephemeris of Mars»).

• (XW, YW) – размеры изображения в пикселях, которые нужно получить. Эти параметры требуются только для файла [output list] и только в случае «телескопической проекции» (т.е. когда нужно получить вид планеты в телескоп).

• (XC, YC) – координаты (в пикселях) центра планеты в «телескопической проекции». Вообще говоря, центр может находиться за пределами изображения.

• RC – экваториальный радиус (в пикселях) планеты в случае «телескопической проекции». Радиус может быть как меньше, так и больше размера изображения.

• FL – сжатие планеты (используется только для «телескопической проекции»). Может быть найдено в справочной литературе.

• POWER – показатель степени закона потемнения диска к краю (используется только для «телескопической проекции»). В текущей реализации функции MAP подразумевается, что планета не имеет фазы (как полная Луна) и закон потемнения лимба есть степенная функция от косинуса разности долготы центрального меридиана и долготы детали поверхности. Этот показатель степени может быть найден эмпирически. Например, в зависимости от используемого при наблюдении фильтра показатель для Юпитера может находиться между 0.4 и 0.5.

• (LONG1, LONG2) – диапазон отображаемых на карте долгот.

• (LAT1, LAT2) – диапазон отображаемых на карте широт.

• (L1, L2) – широты пересечения конуса проецирования и поверхности планеты в случае конической проекции.

• FLHEMI – флаг, показывающий какое полушарие используется для построения конической или азимутальной полярной проекции (0 – северное полушарие, 1 – южное).

• SCALE - усредненный или экваториальный масштаб (в зависимости от используемой картографической проекции), в градусах/пиксель. В файле [output list] эта переменная прямо волияет на размер получаемого изображения. Например, изображение в простой цилиндрической проекции от -180 до 180 градусов по долготе будет иметь горизонтальный размер 360 пикселкей при масштабе 1 градус/пиксель, но при масштабе 0.1 градус/пиксель оно будет иметь размер 3600 пикселей!

• (LONGSTEP, LATSTEP, FLAG_T) – эти величины не используются командой MAP, а используются только командой GRID.

ПараметрДиапазон значений

PROJ [0,16]

LAMP [-180,180]

PHIP [-90,90]

MERI [-180,180]

XW [1,4096]

YW [1,4096]

XC [ ]

YC [ ]

RC [ ]

FL [0,1]

POWER 0

LONG1 [-180,180]

LONG2 [-180,180]

LAT1 [-90,90]

LAT2 [-90,90]

L1 [-90,90]

L2 [-90,90]

FLHEM1 [0,1]

SCALE >0

LONGSTEP >0

LATSTEP >0

FLAG_T [0,1]


16 / 27

Примеры использования команды MAPT1.LST (стр. 12)0180.0 72.4 35.7256 256124.9 132.1 89.70.0000 0.00-180 180 -90 900 00 1.0010.0 10.0 1

T2.LST10 0 00 00 0 00.0000 0.00-180 180 -90 900 00 1.010.0 10.0 1

Простая синусоидальная проекция:


17 / 27

T2.LST30 0 00 00 0 00.0000 0.00-180 180 -80 800 00 1.010.0 10.0 1

T2.LST60 0 00 00 0 00.0000 0.00-180 180 -90 900 00 1.010.0 10.0 1

Проекция Меркатора (-80; 80)

Проекция Мольвейде


18 / 27

Полярная азимутальная равновеликая проекция (Южный полюс)

T2.LST90 0 00 00 0 00.0000 0.00-180 180 -90 900 01 1.010.0 10.0 1 T2.LST90 0 00 00 0 00.0000 0.00-180 180 -90 00 01 0.5010.0 10.0 1


19 / 27

Некоторые доступные типы проекций


20 / 27

Построение карты по нескольким снимкам

Снимки получены с интервалом примерно 10 суток с помощью одного и того же оборудования. Видеоролики обработаны в RegiStax V3 без применения вейвлетов. Затем произведена деконволюция изображения по методу Люси-Ричардсона. Во время обработки цель получения карты планеты не была поставлена, поэтому снимки обработаны по-разному. Этого не должно быть, если предполагается строить глобальную карту альбедо планеты. Т.е. все параметры съемки и обработки материала должны быть одинаковыми для получения всех изображений, на основе которых будет построена карта.


21 / 27

Находим координаты центра диска планеты и его радиус

Заполняем диалоговую форму, чтобы получить эфемериды планеты на момент наблюдения и текстовый файл, описывающий текущее изображение в терминах картографической проекции.


22 / 27

T1.LST

0180.0 72.4 35.7316 301161.6 165.8 88.00.0000 0.00-180 180 -90 900 00 0.5010.0 10.0 1

Полученная в результате вычислений информация


23 / 27

Создадим файл T2.LST:

10 0 00 00 0 00.0000 0.00-180 180 -90 900 01 0.5010.0 10.0 1


24 / 27

Открываем следующее изображение планеты, находим координаты центра диска и его радиус.

И заполняем форму:


25 / 27

Воспользовавшись созданным на предыдущем этапе файлом T2.LST, получаем:

Т.е. теперь мы имеем: Map1.pic Map2.pic


26 / 27

Аналогично можно объединять любое количество изображений, варьируя диапазоны широт и долгот получающихся промежуточных карт. Можно менять и способ объединения отдельных карт в одну. В приведенном примере от карт Map1 и Map2 были взяты только самые яркие пиксели.


27 / 27

Documents

Картографирование планет на основе любительских снимков