Микрорельеф Марса по данным беспилотного роботизированного вертолета Ingenuity (2021-2024)

Введение:
Беспилотный роботизированный вертолет НАСА Ingenuity (18.04.21 – 18.01.24) был запущен в составе экспедиции «Марс-2020» в кратере Езеро древнего марсианского озера. Исследование показало: изображения, полученные навигационной камерой на борту вертолета (БПЛА), позволяют создавать мозаики и цифровые модели рельефа высокого разрешения (1.5-3.0 см / пиксель), которые дополняют данные, полученные с орбиты и марсохода, и являются уникальным материалом для геоморфологических исследований.

Исследование:
В первую очередь по данным орбитальной миссии Mars Reconnaissance Orbiter камеры HiRISE (Delamere et al., 2003) на основе стерео была построена высококачественная цифровая модель рельефа (ЦМР), покрывающую площадь 47 кв.км и пересекающую более 60% области полетов БПЛА Ingenuity. Иных стереопар на данный регион снято не было. Вертикальная точность полученной ЦМР составила 70 см, разрешение – 25 см/пиксель (Надеждина и др., 2024). Эта модель и ортотрасформированные по ней изображения стали основой для последующей обработки (привязки и масштабирования) высокодетальных ЦМР Ingenuity (Zubarev et al., 2024). Параметры камеры Ingenuity и результат ее калибровки ранее нигде не публиковались, поэтому авторы предложили следующее решение. По характерным особенностям рельефа (различимым камням, малым эоловым хребтам) были измерены опорные точки и определены параметры широкоугольной камеры Ingenuity. Вручную были определены опорные точки (порядка 10 на пролет) одновременно на ортоизображениях HiRISE и изображениях с камеры БПЛА. Далее выполнено уравнивание методом связок фотограмметрической сети, при котором одновременно определяется решение для параметров камеры, положения БПЛА и ориентации каждого изображения, а также положения наземных точек в пространстве. Точность положения опорных точек в пространстве была принята равной 0.5 м. По полученным уточненным данным о положении и ориентации БПЛА выполнена автоматическая стереообработка и получена ЦМР с высоким разрешением для полос местности шириной 20-25 м и длиной вдоль траектории полета вертолета. Всего было обработано 35 полетов из 72, что включает 5 973 изображения и около 8.7 км дистанции, без учета ответвлений и повторных пролетов (вперед-назад) вдоль одной траектории.
По исходным снимкам и полученным ЦМР были созданы высокодетальные ортормозаики на маршруты полета. В процессе создания мозаики произведено удаление артефактов, таких как теней от вертолета, контрастных пятен и дефектов изображения. ЦМР и мозаики имеют размер пикселя на местности 2 см. Фактическое разрешение мозаики определяется угловым разрешением камеры и высотой полета. Для типичной высоты полета 10 м исходный пиксель составляет около 3.0 см в плане (в середине изображенной полосы) и постепенно ухудшается от надира к краям полосы. Фактическое пространственное разрешение ЦМР несколько хуже. Формальная внутренняя точность измерений высоты по вертикали составляет 3-6 см для высоты вертолета 10 м вблизи надира; фактическая амплитуда шума, видимая на ЦМР, немного выше. Тем не менее, обработка данных БПЛА обеспечивает фактическое разрешение изображений и топографических данных на порядок выше, чем у камеры HiRISE с орбиты. Привязка полученных ЦМР к Марсианской системе координат осуществлена с ошибкой не более 0.5 м.

Заключение:
Представленная технология не только позволяет ввести в научный оборот новые данные, согласовав их с уже имеющейся визуальной информацией, но и демонстрирует возможность обработки данных первого внеземного БПЛА методами, схожими с обработкой данных для Земли. Созданные ортомозаики изображений БПЛА Ingenuity содержат все детали, различимые на сильно искаженных исходных изображениях с камеры, поэтому намного лучше подходят для визуального восприятия и фотогеологического анализа микрорельефа района полета вертолёта. А цифровые модели рельефа позволяют проводить морфометрический анализ микроформ рельефа поверхности, таких как малые эоловые хребты (TARs), барханы и др. (Kreslavsky et al., 2024, Надеждина и Зубарев, 2024).
Благодарности: Работа поддержана Государственным заданием FSFE-2024-0001 № 124071100067-9.