Геоморфологический анализ поверхности Луны по маршруту «Лунохода-1» на основе современных данных дистанционного зондирования КА LRO

17 ноября 1970 г. советской межпланетной станцией «Луна-17» в западный район лунного Моря Дождей был доставлен «Луноход-1». Это был первый в мире лунный дистанционно-управляемый самоходный аппарат-планетоход, успешно работавший на поверхности другого небесного тела. Луноход предназначался для изучения топографических и геолого-морфологических особенностей лунной поверхности, химического состава и свойств грунта, радиоактивного и рентгеновского космического излучения на Луне, реализации экспериментов по лазерной локации уголкового отражателя лунохода. За время нахождения на поверхности Луны «Луноход-1» преодолел 10 540 м, передал на Землю 206 лунных панорам и 25 тысяч фотографий. Более чем в пятистах точках по трассе движения изучались физико-механические свойства поверхностного слоя грунта, а в 25 точках проведён анализ его химического состава.
По описанию территории, выполненному на основе оперативных результатов, получаемых в течение миссии (Родионов и др. в сб. Виноградов, 1971), исследованный участок представляет собой равнину с небольшим систематическим повышением к югу. Местные уклоны вне кратеров незначительны, редко достигают 1-2°. Вблизи кратеров и на их склонах наблюдаются уклоны до 20° и более. Элементами топографической ситуации в исследованном районе являются кратеры, лунки и камни различных размеров. Лунки и мелкие камни распространены повсеместно и образуют характерную изрытость лунной поверхности, хорошо заметную при низком Солнце.
В рамках нашего исследования для проведения морфометрического анализа использовалась ЦМР, созданная в результате фотограмметрической обработки космических стерео-изображений, полученных на основе съемки с двух соседних орбит: 07350 (изображение M150749234) и 07351 (изображение M150756018). Обработка стереоизображений выполнена в Немецком аэрокосмическом центре (DLR) на основе технологии, описанной в (Sсholten, 2012). Данная ЦМР имеет высотное разрешение – 1 м, плановое разрешение – 0.5 м/пиксель и перепад высот – 58 м ) Столь подробные данные впервые дают возможность выполнить анализ территории на детальном уровне.
Уклон — показатель крутизны склона; отношение превышения местности к горизонтальному проложению, на котором оно наблюдается. ArcGIS может рассчитывать углы наклона по ЦМР на основе нескольких алгоритмов, дающих различную точность (J. L. García Rodríguez, 2010).
Одной из важнейших морфологических характеристик поверхности являются уклоны. Для анализа крутизны уклонов в ГИС с использованием ЦМР построен ряд карт уклонов на всю исследуемую территорию (S=8.5 кв.км) и вдоль маршрута движения «Лунохода-1» (S=0.03 кв.км), для более детального определения вариации уклонов, непосредственно преодоленных планетоходом. На основе анализа уклонов обнаружены участки ЦМР с неверными значениями, причиной которых были артефакты исходных изображений.
Для сравнения с телеметрическими данными луноходов, межколесное расстояние которого составляет 1.8 м, уклоны рассчитывались на базе размера Лунохода (2 м). Оценка уклонов, выполненная для всей территории, показала, что уклоны не превышают 5° для 77.6% исследуемого участка, что удовлетворяет условиям для безопасного прилунения космического корабля и дальнейшего движения планетохода. Экстремальные значения уклонов (более 20°), не превышают 1% (0.08 кв. км) и преобладают на внутренних склонах кратеров.
Помимо анализа уклонов, в ГИС выполнено построение вертикального профиля вдоль колеи Лунохода. Самый большой перепад высот (26.1 м) выявлен на участке маршрута, который был пройден в течение 5-го лунного дня. Длина этого отрезка пути, измеренная в ГИС, составляет 320 м (300 м по данным «Лунохода-1. Максимальный уклон, рассчитанные на колесной базе базе Лунохода, показали, что уклоны на этом участке достигают 20, что коррелирует с данными телеметрии (Довгань, http://kik-sssr.narod.ru/Dovgan--Odisseia-2.htm), из которых следует, что крен и дифферент аппарата при движении на этом участке достигали 25-30.
ЦМР обеспечивает возможность автоматизированного определения морфологических типов кратеров и их внутренних уклонов. Хотя изображения LRO NAC (0.5 м/пиксель) позволяют выполнить дешифрирование кратеров с диаметрами (D) от 1.5 м, анализ картографической информации, полученной на основе панорам «Лунохода-1», переданных с поверхности Луны, показывает, что уверенное определение глубин на основе современных ДДЗ можно выполнять для кратеров с D>10 м. Уклоны, рассчитанные с использованием каталога малых кратеров (более чем 3000 объектов) показывает, что для наиболее морфологически свежих кратеров с отношением глубины к диаметру (H/D) более 0.1, внутренние склоны достигают 10°-16°. Для морфологически древних кратеров (65% от общего количества), внутренние склоны не превышают 6°-10°. Это говорит о том, что исследуемая территория представляет собой достаточно плоскую равнину, где практически не встречаются свежие картеры. Это, в свою очередь, свидетельствует о относительно большем возрасте поверхности типичного морского участка на Луне.
Таким образом, в рамках данных исследований впервые выполнено количественное сравнение данных геоинформационного картографирования с результатами, полученными в рамках советских лунных миссий. Сходимость новейших данных с картами, полученными на основе обработки стереопанорам лунохода, говорит о высочайшем качестве и уровне работ, выполненных более сорока лет назад.
Благодарности: Работа выполнена при поддержке гранта правительства Российской Федерации (Мегагрант по теме: «Геодезия, картография и изучение планет и спутников», договор № 11.G34.31.0021).