Введение к работе
Актуальность проблемы
В текущее тысячелетие целью исследований космического пространства является открытие новых галактических систем, неизвестных небесных тел, их комплексное изучение и передача этих сведений на Землю.
Кроме планет и их спутников, Солнечная система содержит большое количество малых небесных тел (МНТ) - это ядра комет, астероиды, метеорные тела и др. Тысячи астероидов и комет нам известны, но большая их часть все ещё остается неисследованной. Большинство астероидов вращаются на орбите между Марсом и Юпитером - в главном поясе астероидов, а большинство комет имеет сильно вытянутые эллиптические орбиты, поэтому они проводят большую часть времени за пределами Солнечной системы.
Существуют группы малых небесных тел, размеры орбит которых не превосходят или равны 1,3 а. е. (астрономическая единица - примерно равна среднему расстоянию от Земли до Солнца (149 597 870 км)), а также группы тел, которые могут приблизиться к Земле на расстояние, меньшее или равное 0,05 а. е. Первые называют астероидами, сближающимися с Землей, а вторые - потенциально опасными астероидами. Количество потенциально опасных астероидов насчитывает несколько тысяч и с каждым новым открытием продолжает расти.
Проблема защиты от МНТ, направляющихся к Земле, широко обсуждается мировой научной общественностью.
В настоящее время космические агентства всего мира - Федеральное космическое агентство (Роскосмос), Европейское космическое агентство (ЕКА), Национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) установили в качестве приоритетного направление исследований МНТ, а также открытие новых тел.
Кометы и астероиды представляют большой практический интерес благодаря их химическому составу, так как он не изменился со дня основания Солнечной системы (приблизительно 4,6 миллиардов лет назад).
Важнейшими научными задачами в комплексе исследований МНТ являются определение их формы, размеров и картографирование их поверхностей. Среди них можно выделить:
получение основополагающих сведений о МНТ для обретения новых знаний об объектах Солнечной системы,
выбор с помощью карт района для посадки спускаемого модуля или самого аппарата на поверхность МНТ,
обеспечение защиты от космического тела, сближающегося с Землёй,
взятие пробы грунта для определения химического состава МНТ в контексте особенностей формирования Солнечной системы
и другие.
Степень научной разработанности темы
Первая попытка картографирования малого тела, отличающегося в своей фигуре от сферы, была осуществлена Томасом Даксбери в 1974 году. Карта не давала представления о реальной фигуре тела. В 1976 году Ральф Тёрнер создал топографическую карту Фобоса. Для неё использовалась собственная картографическая проекция, полученная путём видоизменения равновеликой азимутальной проекции Ламберта с использованием регулярной референц- поверхности, которая также не передавала реальную форму тела.
В 1980 году Филипп Стук в Университете Виктория (Британская Колумбия, Канада) осуществляет эксперимент с видоизменением картографических сеток регулярных референц-поверхностей под реальную фигуру малого небесного тела. Он создал новый класс проекций и называл их «проекциями с переменным радиусом» или «морфографическими проекциями». Эти проекции опирались на традиционные азимутальные проекции, поэтому картографирование тел велось только по полушариям небесного тела.
В 1988 году проф. Л. М. Бугаевский на основе исследований, проведённых им в 1971 году, разработал для картографирования Фобоса нормальную равноугольную цилиндрическую проекцию трёхосного эллипсоида. В этой проекции была создана карта поверхности Фобоса. Равноугольным проекциям трёхосного эллипсоида были посвящены также работы 83-84 г.г. профессора МГУ Б.Б. Серапинаса
В 1992 году в своей докторской диссертации проф. К.Б. Шингарёва разработала классификацию карт тел Солнечной Системы (планет и их спутников) на основе предложенной ею ранее классификации карт Луны.
В 1993 году в МИИГАиК на кафедре картографии под руководством проф. Л. М. Бугаевского автором начаты исследования по разработке картографических
U U /" U 1 T-I
проекций реальных поверхностей небесных тел сложной формы. Были поставлены задачи по видоизменению традиционных проекций для картографирования МНТ, в частности проекций, отображающих тело в глобальном масштабе. Эти проекции не попали в поле зрения проф. Ф. Стука.
После получения данных с космического аппарата «НИАР Шумейкер», запущенного НАСА в 1996 году к астероиду Эрос, выяснилось, что они идут вразрез с указаниями по системам координат, устанавливаемым Международным астрономическим союзом (МАС). Астероид 433 Эрос выявил проблему выработки стандартов определения систем координат для малых тел, чему в дальнейшем посвятила свою работу группа учёных под руководством П. К. Зайдельманна.
Попытки картографирования МНТ осуществляются по мере поступления космических данных. Как правило, используются известные на сегодняшний день картографические проекции и известные методы картографирования. К сожалению, не все карты отображают реальные фигуры МНТ. Также следует констатировать, что не существует единого подхода к картографированию малых тел, нет и базовой теоретической составляющей в этом вопросе, которая должна стать частью фундаментальной теории картографии. В исследованиях отсутствуют вопросы классификации карт МНТ. Вопросы составления, генерализации и оформления освещаются либо частично, либо их изложение отсутствует. Понятийный аппарат в области картографирования МНТ также отсутствует. Совершенно очевидно, что необходимо разработать теорию и методологию картографирования МНТ.
Существующая теория картографирования планет земной группы и их спутников ориентирована в основном на отображение тел, имеющих фигуру, близкую к сфере, эллипсоиду вращения или трёхосному эллипсоиду, в то время как, фигура МНТ различна - от регулярной до сильно отличающейся от регулярных референц- поверхностей. И таких МНТ большинство.
Количество информации о МНТ увеличивается с каждым днём. Для правдоподобного отображения их реальной фигуры с помощью карт и других картографических материалов, создаваемых с учётом её особенностей, направления вращения, системы координат и других, а также последующего анализа необходимо разработать теорию и методологию картографирования МНТ.
Целью диссертационной работы является разработка теории и методологии картографирования МНТ.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
Проанализировать объекты и субъекты исследований с целью разработки теории картографирования как отдельно взятого МНТ, так и общей концепции картографирования МНТ конкретной области космического пространства.
Исследовать степень изученности, установить и систематизировать источники данных о МНТ для их картографирования.
Разработать понятийный аппарат, используемый для картографирования и исследования МНТ.
Разработать классификацию карт МНТ.
Разработать логический аппарат выбора референц-поверхностей, соответствующих реальной фигуре МНТ.
Разработать математическую основу для картографических произведений МНТ.
Разработать метод расчёта картографических проекций трёхосного эллипсоида с большим экваториальным и/или полярным сжатием.
Разработать новые способы отображения картографической информации об МНТ.
Разработать способы составления и выявить типы генерализации на картах МНТ.
Разработать методологию картографирования МНТ, включающую в себя:
технологию составления, принципы оформления карт МНТ и способы их использования для решения научных и практических задач;
рекомендации по использованию цифровых моделей рельефа, определённых программным и аналитическим способами, а также использованию материалов космической съёмки для картографирования МНТ.
Научная новизна исследований автора заключается в следующем:
Разработанная новая классификация карт МНТ позволяет уточнить и расширить существующую классификацию картографических произведений за счёт введения новых классификационных признаков.
Впервые на основе анализа и синтеза терминов и определений разработан понятийный аппарат, в котором формулируются такие термины как «малое небесное тело», «форма и фигура малого небесного тела», «реальная поверхность». По аналогии с географическими картами Земли предлагается называть карты небесных тел «селестографическими».
Разработанный логический аппарат выбора референц-поверхностей позволяет выбирать референц-поверхность, соответствующую реальной фигуре МНТ.
Новый способ расчёта проекций с использованием вычисления интеграла на основе квадратурной формулы Гаусса даёт возможность картографировать МНТ с большим экваториальным и/или полярным сжатием, включая случай, когда экваториальное сжатие больше полярного.
Новый способ отображения содержания карт МНТ позволяет передать их нерегулярную форму с помощью картографической сетки.
Впервые для картографирования МНТ с асимметричной фигурой в качестве референц-поверхности автором был использован составной эллипсоид.
Разработанная новая технология создания карт МНТ позволяет обеспечить единый комплексный цикл от сбора информации до выпуска картографических произведений МНТ в свет, сочетать разнородные геопространственные данные об МНТ. Технология является составляющей частью методологии картографирования МНТ.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии общей теории картографии. Теория картографирования МНТ, включающая в себя понятийный аппарат, логический аппарат выбора референц-поверхностей, классификацию карт МНТ и другие вопросы, является вкладом в это развитие. Практическая значимость работы
Методология картографирования МНТ позволяет создавать карты с учётом всех их особенностей, включая такой важный аспект как нерегулярность фигуры. Предложенная универсальная методика получения проекций с использованием вычисления интеграла на основе квадратурной формулы Гаусса в настоящее время реализована в виде Интернет-сайта [] Центра геоинформационных исследований Института географии Российской Академии Наук (ИГ РАН). На сайте возможно осуществить расчёт координат цилиндрической и азимутальной проекций, сохраняющих длины вдоль меридианов, для сферы, эллипсоида вращения и трёхосного эллипсоида. Эта методика может быть использована для вывода формул других проекций, что, в свою очередь, является развитием теории математической картографии.
Разработанная технология создания карт МНТ явилась основой для технологии интеграции разнородных данных о небесных телах в среде ГеоГраф ГИС 2.0, внедрённой в Центре геоинформационных исследований ИГ РАН.
Практическим результатом теоретических исследований является созданный автором «Атлас астероида 433 Эрос», в котором представлены, в общей сложности, 29 карт и 3 картографические сетки, построенные на основе различных референц- поверхностей и в различных картографических проекциях. Для отображения поверхности использовались такие способы оформления, как аналитическая отмывка, выполненная по цифровым моделям, фотомозаика астероида, анаглифы. Атлас астероида, являющийся взаимосвязанным приложением к диссертации, подтверждает высокую эффективность применения теоретических и методологических разработок. Он может быть издан как полиграфическим тиражом, так и в электронном виде и рекомендован для ознакомления и изучения астероида 433 Эрос широким кругом читателей, а также студентами в рамках дисциплин, связанных с изучением астрономии, планетологии и пр.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях: Международной научно-технической конференции, посвященной 220-летию со дня основания Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК) (Москва,1999), The 19th International Cartographic Conference (Ottawa,Canada, 1999), The 20th International Cartographic Conference (Beijing, China, 2001), Международной конференции ИнтерКарто 8: ГИС для устойчивого развития территорий (Санкт- Петербург, 2002), The 21st International Cartographic Conference (ICC) (Durban, South Africa, 2003), Международной научно-технической конференции, посвященной 225 - летию МИИГАиК (Москва, 2004), The 22d International Cartographic Conference (ICC) (A Coruna, Spain, 2005), The 23d International Cartographic Conference (Moscow, 2007).
Публикации
По тематике диссертационной работы опубликовано 20 работ, в том числе 11 статей в научных журналах и изданиях, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных журналов ВАК, 3 статьи в сборниках докладов конференций, проходивших в России, 5 статей в сборниках трудов Международной картографической ассоциации (МКА), 1 статья в зарубежном журнале.
Реализация результатов работы
Изложенная в диссертационной работе научная концепция картографирования МНТ теоретически обоснована и использована для создания «Атласа астероида 433 Эрос». Проведены расчёты картографических проекций и построение компоновок карт. На основе анализа различных способов оформления содержания и с учётом методов составления и генерализации созданы карты, вошедшие в атлас. Они могут являться картами-основами для дальнейшего тематического картографирования. «Атлас астероида 433 Эрос» был выполнен по авторской технологии создания карт МНТ.
Отдельные теоретические и методологические положения картографирования небесных тел, изложенные в диссертации, были использованы и апробированы в период научной стажировки автора в Университете Западного Онтарио (Лондон, Канада, 2000 г.), целью которой было картографирование астероида Ида, являющегося малым небесным телом с нерегулярной фигурой, а также при подготовке Международного атласа лунных исследований Ф. Стука [Stooke, Philip J. The International Atlas of Lunar Exploration. N-Y: Cambridge University Press, 2007].
Достоверность результатов проведённых исследований подтверждается многочисленными выступлениями и публикациями автора в трудах конференций МКА, а также обсуждениями основных положений диссертации в рамках заседаний рабочих групп по планетной и математической картографии при МКА. Достоверность и обоснованность теоретических и методологических положений диссертации подтверждается созданным автором «Атласом астероида 433 Эрос». Положения, выносимые на защиту:
-
-
Понятийный аппарат, используемый в изучении и картографировании МНТ.
-
Логический аппарат выбора референц-поверхностей, соответствующих реальной фигуре МНТ.
-
Классификация карт МНТ, дополняющая и уточняющая общую классификацию карт.
-
Получение картографических проекций различных референц-поверхностей с использованием интеграла, вычисляемого на основе квадратурной формулы Гаусса.
-
Математическая основа карт МНТ с использованием составных эллипсоидов и проекций реальных поверхностей небесных тел, позволяющая корректно отображать тела с асимметричной и нерегулярной фигурой.
-
Способы отображения и составления содержания карт МНТ, которые позволяют наглядно представить их фигуру и рельеф поверхности.
-
Методология картографирования МНТ, включающая технологию создания карт МНТ.
-
«Атлас астероида 433 Эрос», являющийся результатом теоретических и методологических исследований.
Личный вклад
Выносимые на защиту результаты получены автором лично. В опубликованных совместных работах постановка и исследование задач осуществлялись соавторами совместно при непосредственном участии диссертанта. Работа [2] написана совместно с проф. Л. М. Бугаевским. Автором предложена методика вычисления картографических проекций реальных поверхностей небесных тел и поставлена задача по исследованию проекций трёхосного эллипсоида для картографирования небесных тел различной формы. Работа [3] написана совместно с проф. Л. М. Бугаевским, а работа [20] совместно с проф. Л. М. Бугаевским и проф. Ф. Дж. Стуком. Автором сформулированы основы геометрии «четырёхосных» и «шестиосных» эллипсоидов, рассматриваемых в качестве референц-поверхностей для картографирования небесных тел. Впервые для астероида 433 Эрос вычислена равнопромежуточная вдоль меридианов цилиндрическая проекция составного «шестиосного» эллипсоида по формулам проф. Л. М. Бугаевского. Работа [11] написана совместно с с.н.с. М. Э. Флейс и н.с. М. М. Борисовым (ИГ РАН). В связи с выявленной некорректностью применения математических рядов для вычисления проекций тел с большим экваториальным и/или полярным сжатием, использованных в предыдущих работах, автором предложен способ расчёта проекций трёхосного эллипсоида с применением вычисления интеграла на основе квадратурной формулы Гаусса. Вычислены равнопромежуточные вдоль меридианов цилиндрическая и азимутальная проекции трёхосного эллипсоида для астероида 433 Эрос и созданы в этих проекциях соответствующие карты. Работы [12], [13], [16] написаны совместно с проф. Л. М. Бугаевским и проф. К. Б. Шингарёвой. Автором исследована математическая основа для карт малых небесных тел нерегулярной формы. Работа [14] написана совместно с проф. Ф. Дж. Стуком. Автором предложена методика картографирования небесных тел нерегулярной формы в планетарном масштабе.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из двух томов. Первый том состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём тома 447 страниц, включая 191 иллюстрацию (~ 115 страниц), 30 таблиц (~21 страница), 112 формул. Список литературы включает 241 наименование, в том числе 88 на иностранном языке, не считая ресурсов удалённого доступа. Второй том представляет собой «Атлас астероида 433 Эрос». Общий объём тома 51 страница, из них - 29 карт и 3 картографические сетки, 8 страниц информационного материала.
Похожие диссертации на Разработка теории и методологии картографирования малых небесных тел
-
