Картографирование планет на основе любительских снимков

1. Картографирование планетна основелюбительских снимков

2. 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. 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. 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. Виды картографических проекций • 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. Виды картографических проекций • 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. 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. Пример построения карты Марса Изображение 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. Запускаем IRIS Выбираем изображение Сохраняем изображение в формате PIC

10. Определяем статистические свойства пикселей всего изображения Определяем статистические свойства пикселей, принадлежащих фону.

11. 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. 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: 0 180.0 72.4 35.7 256 256 124.9 132.1 89.7 0.0000 0.00 -180 180 -90 90 0 0 0 1.00 10.0 10.0 1

13. 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. Команда MAP[input list] [output list] • Команда MAPпредназначена 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. 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.

16. Примеры использования команды MAP T1.LST (стр. 12) 0 180.0 72.4 35.7 256 256 124.9 132.1 89.7 0.0000 0.00 -180 180 -90 90 0 0 0 1.00 10.0 10.0 1 T2.LST 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0000 0.00 -180 180 -90 90 0 0 0 1.0 10.0 10.0 1 Простая синусоидальная проекция:

17. Проекция Меркатора (-80; 80) T2.LST 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0000 0.00 -180 180 -80 80 0 0 0 1.0 10.0 10.0 1 T2.LST 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0000 0.00 -180 180 -90 90 0 0 0 1.0 10.0 10.0 1 Проекция Мольвейде

18. Полярная азимутальная равновеликая проекция (Южный полюс) T2.LST 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0000 0.00 -180 180 -90 90 0 0 1 1.0 10.0 10.0 1 T2.LST 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0000 0.00 -180 180 -90 0 0 0 1 0.50 10.0 10.0 1

19. Некоторые доступные типы проекций

20. 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. 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. T1.LST 0 180.0 72.4 35.7 316 301 161.6 165.8 88.0 0.0000 0.00 -180 180 -90 90 0 0 0 0.50 10.0 10.0 1 Полученная в результате вычислений информация

23. Создадим файл T2.LST: 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0000 0.00 -180 180 -90 90 0 0 1 0.50 10.0 10.0 1

24. Открываем следующее изображение планеты, находим координаты центра диска и его радиус. И заполняем форму:

25. Воспользовавшись созданным на предыдущем этапе файлом T2.LST, получаем: Т.е. теперь мы имеем: Map1.picMap2.pic

26. 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.