Die Oberfläche des Mondes und Gesteinsplaneten – insbesondere der Mars – sind von großem Interesse für jeden, der versucht, unser Sonnensystem zu erforschen. Die Oberfläche muss so detailliert wie möglich bekannt sein, damit Missionen sicher landen oder Roboterschiffe über die Oberfläche fahren können. Aber bis jetzt haben die Methoden zur Analyse von Bildern von umlaufenden Raumfahrzeugen eine enorme Arbeitsbelastung und immense Computerleistung mit sich gebracht – mit begrenzten Ergebnissen.
Ein Projekt von Iris Fernandes hat das geändert. Beim Studium der Kalksteinformationen Stevns Klint in Dänemark entwickelte sie eine Methode zur Interpretation von Schatten in Bildern, sodass die genaue Topographie extrahiert werden kann. Die Methode ist noch viel schneller und weniger arbeitsintensiv. Das Ergebnis wird nun veröffentlicht Planeten- und Weltraumwissenschaft.
Die bemannte Weltraumforschung bringt ein hohes Maß an Sicherheit mit sich – daher sind genaue Bilder des Geländes erforderlich
Die Topographie jeder Oberfläche erzeugt Schatten, wenn das Sonnenlicht darauf trifft. Wir können die Schatten auf den Bildern des Mondes deutlich sehen, aber wir kennen die Höhe des Geländes nicht. Wir können also sehen, wie sich die Topographie ändert, aber nicht wie stark. Es ist notwendig, selbst sehr kleine Merkmale sehen zu können, um eine sichere Landung oder Bewegung eines Rovers zu gewährleisten. Ganz zu schweigen von der Sicherheit der Astronauten.
Wenn ein Rover keine Details sehen kann, könnte er in Sandoberflächen stecken bleiben oder auf Felsen stoßen – und es ist auch von großer Bedeutung, interessante geologische Formationen sehen zu können, um reichhaltige geologische Umgebungen für Forschungszwecke zu finden.
Ehemalige Einschränkungen bei der Topografiebeurteilung sind nun weitgehend beseitigt
Wenn Satelliten einen Planeten umkreisen, können sie Bilder in angemessener Qualität von der Oberfläche machen. Aber um eine Interpretation der genauen Topographie zu erstellen, die gut genug ist, um die enorm teure Ausrüstung oder vielleicht sogar Astronauten zu landen, müssen noch viele Ad-hoc-Informationen verarbeitet werden.
Die Methode zur Verwendung der Schattierungen existierte schon früher, aber sie war rechnerisch ineffizient und musste sich immer noch auf Annahmen stützen. Die neue Methode berechnet viel direkter und präziser, benötigt keine ganzen Parametersätze, die in den Computer eingegeben werden müssen, und kann sogar die Unsicherheiten und die Genauigkeit berechnen.
„Diese Methode ist schnell, sie ist präzise und muss sich nicht auf Annahmen verlassen“, sagt Iris Fernandes. „Wenn man früher die Frage gestellt hat: Wie genau ist die Einschätzung der Topographie – darauf gab es wirklich keine zufriedenstellende Antwort. Jetzt zeigt sich die genaue Topographie, und wir können sogar die Unsicherheiten beziffern.“
Wissenschaftliche Neugier kann Sie an überraschende Orte führen
„Ich war an einem Projekt beteiligt, bei dem wir Bilder von Stevns Klint verwenden wollten, um Muster in der Oberfläche zu modellieren. Ich habe diese Methode sogar auf einer Konferenz in LA vorgestellt. Aber die Schattierungen stellten eine Herausforderung dar, weil der Algorithmus die Schattierungen als geologisch „sah“. Merkmale.“
„Das führte zu einer Verzerrung im Modell. Wir mussten Wege finden, die Schattierungen zu entfernen, um die Verzerrung zu beseitigen.“
„Ich habe mich schon immer für Planeten interessiert und wusste, dass die Oberfläche des Mondes untersucht wurde. Es gibt nicht viele störende Merkmale auf dem Mond, also war es ideal, um die Voreingenommenheit zu beseitigen.“
„Als wir die Schattierungen herausfilterten, konnten wir sehen, was sie sozusagen ‚versteckten‘ – die Oberflächenformen“, erklärt Iris Fernandes.
Die Auflösung vorhandener Bilder stellte ein neues Problem dar – und einen neuen Ansatz
Als die Arbeiten auf dem Mond begannen, stellte sich die Diskrepanz der unterschiedlichen Auflösungen in Bildern und Topografiedaten als enorm heraus. Mit anderen Worten, es tauchte ein neues Problem auf. „Wie könnten wir verschiedene Datenquellen in unterschiedlichen Auflösungen kombinieren?“
„Es stellte ein riesiges mathematisches Problem dar – und darum geht es in der Studie wirklich.“
„Hier war die frühere Forschung zum Stillstand gekommen. Was wir anders gemacht haben als frühere Versuche, dies zu lösen, war, dass wir uns auf die Mathematik konzentrierten und sie auf eine herausfordernde mathematische Gleichung eingrenzten. Im Grunde genommen, um zu sehen, ob diese Gleichung die lösen könnte Problem.“
„Und das tat es“, lächelt Iris Fernandes. „Man könnte sagen, dass wir, mein Betreuer Professor Klaus Mosegaard und ich, den mathematischen Schlüssel zu einer Tür gefunden haben, die viele Jahre verschlossen war.“
Der Weg nach vorn
Der Fokus liegt nun darauf, die Methode noch weiter zu verbessern. Überall dort, wo Daten über Gesteinsformationen im Sonnensystem wie Mond, Mars, Asteroiden oder ähnliches verfügbar sind, kann das Verfahren angewendet werden, um genaue topografische Details zu extrahieren.
Die für diese Aufgabe verwendeten Bilder können Bilder von Satelliten oder sogar von den Rovern selbst sein, die sich derzeit auf dem Marsboden befinden – oder von jedem mobilen Roboter in der Zukunft.
Die Zwecke für eine korrekte topografische Analyse können unterschiedlich sein, es könnte die Sicherheit der Ausrüstung oder Astronauten sein oder geologisch interessante Orte finden.
Die Anwendungsmöglichkeiten sind also vielfältig. „Es ist eine Art Computer-Vision-Ding“, sagt Iris Fernandes. „Wenn zum Beispiel ein Roboter über irgendeine Art von Maschinerie verfügt, um mit der Umgebung zu interagieren, kann die Methode bei der Navigation oder der ‚Auge-Hand-Koordination‘ helfen, weil sie weniger rechen ‚schwer‘ und damit schneller ist.“
„Ich spekuliere jetzt nur, aber ein interessantes Merkmal könnte darin bestehen, die Rundung kleiner Felsen zu beurteilen, um früheres Vorhandensein von Wasser zu finden.“
„Die Methode zeigt Daten für uns Menschen auf eine Weise, die wir intuitiv verstehen – wie Bilder der Rundheit von Steinen, die sehr einfach zu interpretieren sind.“
Iris Fernandes et al, Hochauflösende Topographie aus Planetenbildern und Laseraltimetrie, Planeten- und Weltraumwissenschaft (2022). DOI: 10.1016/j.pss.2022.105514