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05.02.2008

Mars Express zeigt den Roten Planeten in der dritten Dimension

Eine der wichtigsten Aufgaben der Mission Mars Express der Europäischen Weltraumorganisation ESA ist die dreidimensional hochauflösende topographische Kartierung des Nachbarplaneten Mars. Seit mehr als vier Jahren geschieht dies mit der High Resolution Stereo Camera (HRSC) an Bord der Planetensonde Mars Express. Jetzt wird im Internet ein umfangreicher Datensatz von digitalen Geländemodellen veröffentlicht. Diese Geländemodelle (DGMs) beschreiben die Oberfläche des Mars – seine Gräben, Täler, Krater, Bergmassive und Vulkane – in der dritten Dimension. Die neuen digitalen Geländemodelle bedeuten daher einen großen Fortschritt in der Marsforschung und entstanden in einer engen Kooperation zwischen der Freien Universität Berlin (FU) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Die Abbildung zeigt ein Orthomosaik von Olympus Mons überlagert mit der Geländehöhe als Farbkodierung.
Die Abbildung zeigt ein Orthomosaik von Olympus Mons überlagert mit der Geländehöhe als Farbkodierung.
Der Olympus Mons wurde in 18 Überflügen von Mars Express mit der hochauflösenden Stereokamera HRSC aufgenommen. 16 Bildstreifen mit insgesamt 35 Gigabyte an Bilddaten wurden für die Erstellung eines zusammenhängenden digitalen Geländemodells (DGM) mit 150 m Geländeauflösung und eines lückenlosen Orthomosaiks verwendet. Die abgebildete Fläche ist ca. 600.000 km² groß. Die Maßstäbe der Nadirbilder liegen zwischen 12 m und 40 m pro Bildpunkt. Zusätzlich wurden für jeden Bildstreifen einzelne Geländemodelle mit einer Auflösung von bis zu 50 m berechnet. Für die Erzeugung der hochauflösenden DGMs und Orthobilder wurden neue innere und äußere Orientierungsdaten verwendet, die auf Passpunkten und Bündelblockausgleich basieren. Die verbesserten Orientierungsdaten wurden für einzelne Bildstreifen und für kombinierte Streifen eingesetzt.
Bild: Copyright ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum).

Wissenschaftler haben nun die Möglichkeit, neue, präzise 3D-Informationen von der Marsoberfläche auszuwerten. Es ist das erste Mal, dass aus hochauflösenden Bilddaten standardmäßig auch die Höheninformation – die Topographie – in hoher Auflösung abgeleitet werden kann. Digitale Geländemodelle erlauben es den Forschern, das Gelände unmittelbar in seiner dreidimensionalen Gestalt zu erfassen. Die Kenntnis der Topographie ist von großer Bedeutung, um die Geologie des Planeten besser verstehen zu können. Gewöhnliche Fotos aus der Vogelperspektive können die Planetenoberfläche zwar gestochen scharf bis in kleinste Details abbilden, doch fehlt in ihnen eine wichtige Information: Wie hoch oder wie tief sind die Strukturen, die auf den Bildern zu sehen sind? Das herausragende Merkmal des HRSC-Systems auf Mars Express ist, die Marsoberfläche dreidimensional darzustellen.

Die hochauflösende Stereokamera (HRSC) der Sonde wurde speziell für diese Aufgabe entwickelt. Nach mehreren Jahren komplizierter Datenverarbeitung steht nun die erste umfassende Veröffentlichung von Geländemodellen eines Großteils der Marsoberfläche bevor. „Die Topographie des Mars zu verstehen ist Voraussetzung, um seine Geologie zu verstehen“ sagt Prof. Gerhard Neukum von der Freien Universität Berlin und Principal Investigator der HRSC.

Stereo-Effekt, hohe Auflösung, Farbe – die HRSC liefert alles gleichzeitig

Datenaufnahme-Prinzip der HRSC
Datenaufnahme-Prinzip der HRSC
Das außergewöhnliche Aufnahmeprinzip der Kamera erlaubt es, zu jedem Bildpunkt (Pixel) auch die dazugehörige Höheninformation abzuleiten. Zur Erzeugung eines digitalen Geländemodells macht man sich den Stereo-Effekt zu nutze: Die Beobachtung der Landschaft unter unterschiedlichen Blickwinkeln, ganz ähnlich dem Prinzip, mit dem der Mensch mit zwei Augen seine Umwelt sieht.

Bei früheren Planetensonden wurde dies meist durch zweimaliges Überfliegen und Fotografieren derselben Region aus nahe beieinander liegenden Umlaufbahnen bewerkstelligt. Dies brachte jedoch Nachteile mit sich, beispielsweise, dass die Oberflächen immer zu unterschiedlichen Zeiten zu sehen waren. Die HRSC ist das erste Kamerasystem, das Stereo-Aufnahmen aus nur einer Umlaufbahn ermöglicht – indem mehrere quer zur Flugrichtung angeordnete lichtempfindliche Zeilen, die von der Sonde überflogenen Gebiete unter verschiedenen Winkeln gleichzeitig abscannen.

Dazu wird im Routinebetrieb die Kamera durch Schwenken der Planetensonde senkrecht zur Marsoberfläche ausgerichtet. Im Aufnahmemodus tastet die HRSC nacheinander und zeilenweise mit ihren neun lichtempfindlichen Detektoren die Oberfläche unter neun verschiedenen Beobachtungswinkeln in und gegen die Flugrichtung des Orbiters ab – in vier Stereo- und vier Farbkanälen, sowie dem senkrecht auf die Oberfläche blickenden Nadirkanal.

Vielfältiger Nutzen für die Marsforschung

Nach mehreren Jahren Kamerabetrieb und Datenprozessierung hat das HRSC-Team nun topographische Bilddaten von weiten Teilen der Marsoberfläche fertig gestellt. Aus den neuen DGMs vom Mars können die Wissenschaftler nun leicht Hangneigungen, die Tiefe von Tälern oder die Mächtigkeit und Fließrichtung von erkalteten Lavaströmen ermitteln. Insbesondere sind die Daten wichtig bezüglich der Frage, wie und in welche Richtungen das Wasser strömte, das in der Frühzeit des Planeten über dessen Oberfläche floss.

Einen weiteren Fortschritt bringen die DGMs auch bei der Auswertung von Messungen mit anderen Instrumenten. So können zum Beispiel die Daten, die mit dem Radarexperiment MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding) von Mars Express aufgezeichnet werden, viel besser interpretiert werden. Um die Tiefe, in der die Radarsignale von MARSIS unter der Oberfläche reflektiert werden, genau angeben zu können, muss die Topographie der Oberfläche bekannt sein.

Zehn Meter Auflösung über Millionen von Quadratkilometern

Die High Resolution Stereo Camera<br>(HRSC) auf Mars Express
Die High Resolution Stereo Camera
(HRSC) auf Mars Express
Die Mars Express-DGMs bilden den detailreichsten topographischen Datensatz, der je für den Mars berechnet wurde. Der Datensatz wurde durch die Verarbeitung der einzelnen Bildstreifen erzeugt, die von der HRSC aus der Marsumlaufbahn aufgenommen wurden. Einzelbildstreifen wurden dann zu Mosaiken zusammengefügt, die große Gebiete des Mars abdecken, dessen gesamte Fläche von 145 Millionen Quadratkilometern etwa der Fläche aller Kontinente auf der Erde entspricht. Die hochauflösenden Bilddaten zeigen bis zu zehn Meter kleine Details auf dem Mars. Die Pixelauflösung der DGMs beträgt bis zu 50 Meter, mit einer Höhengenauigkeit von bis zu zehn Metern.

Die Bildauflösung der HRSC wird durch die elliptische Umlaufbahn von Mars Express bestimmt, die den Orbiter bis etwa 250 Kilometer nahe an den Planeten heranführt. Bis zum Ende der Mission wird die HRSC - so oft es geht - zahlreiche weitere Einzelbildstreifen bei größter Annäherung der Sonde an den Mars aufnehmen, um die Lücken in der globalen Abdeckung schließen zu können. Das HRSC-Team wird weitere digitale Geländemodelle aus den bis zum vorläufigen Missionsende im Mai 2009 gewonnenen Stereobilddaten erzeugen.

Eine erste globale Karte der Mars-Topographie wurde um die Jahrtausendwende von der NASA-Sonde Mars Global Surveyor erzeugt, die ein Laser-Höhenmessgerät mit sich führte. Die vielen Millionen Messpunkte des Höhenmessgerätes, der Mars Observer Laser Altimeter (MOLA), sind in der dritten Dimension zumeist hochgenau, liegen jedoch gelegentlich mehrere Kilometer voneinander entfernt. Die HRSC ist jedoch in der Lage, zu jedem Bildpunkt, also flächendeckend und in wesentlich höherer lateraler Auflösung, die Höheninformation anzugeben.

Datenverarbeitung in Kooperation zwischen FU Berlin und DLR

Das DLR und die FU Berlin teilen sich die Aufgabe, archivierbare hochauflösende Geländemodelle zu erstellen. Die systematische Prozessierung der DGMs Orbit für Orbit erfolgt am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin, wo auch das HRSC-Experiment auf ESAs Mars Express im Namen von und in Zusammenarbeit mit dem Principal Investigator und seinen Mitarbeitern vom Institut für Geologische Wissenschaften der FU Berlin betreut wird.

Mosaike ausgewählter Gebiete des Mars, wie der Canyon Valles Marineris oder der Vulkan Olympus Mons, werden an der FU Berlin aus den DGMs der einzelnen Bildstreifen zusammengesetzt. Die dazu benötigte Software wurde im HRSC Co-Investigator-Team speziell für diese Aufgabe entwickelt.
Die Abbildung zeigt ein schattiertes HRSC-DGM-Mosaik des Valles Marineris in reduzierter Auflösung.
Die Abbildung zeigt ein schattiertes HRSC-DGM-Mosaik des Valles Marineris in reduzierter Auflösung.
Dieser Teil der Valles Marineris wurde in 34 einzelnen Überflügen von der hochauflösenden Stereokamera HRSC aufgenommen. Alle HRSC-Bildstreifen mit einer Gesamtgröße von ca. 46 Gigabyte wurden für die Erstellung eines digitalen Geländemodells (DGM) verwendet, das bei einer Auflösung von 200 m pro Pixel eine Fläche von ca. 1,3 Mio. km² abdeckt. Die Auflösungen der Nadirbilder liegen zwischen 11 m und 70 m pro Bildpunkt. Zusätzlich wurden für jeden Bildstreifen einzelne Geländemodelle mit einer Auflösung von bis zu 50 m berechnet. Für die Erzeugung der hochauflösenden DGMs und Orthobilder wurden neue innere und äußere Orientierungsdaten verwendet, die auf Passpunkten und Bündelblockausgleich basieren. Die verbesserten Orientierungsdaten wurden für einzelne Bildstreifen und für kombinierte Streifen eingesetzt.
Bild: Copyright ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum).

Die Finanzierung für das Bearbeiten der einzelnen Bildstreifen und die Erstellung der Mosaike wurde dem DLR-Institut für Planetenforschung und dem Institut für Geologische Wissenschaften der FU Berlin von der Deutschen Raumfahrtagentur DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) zur Verfügung gestellt. Bisher für rein wissenschaftliche Zwecke und im Rahmen von Öffentlichkeitsarbeitveröffentlichte Geländemodelle können aufgrund dieser zusätzlichen Mittel nun in höherer Qualität herausgegeben werden.

Die Mars Express-HRSC-DGMs stehen der Wissenschaftlergemeinde über das Planetary Science Archive (http://www.rssd.esa.int/PSA) der ESA und das Planetary Data System (http://pds-geosciences.wustl.edu/missions/mars_express/hrsc.htm) der NASA zur Verfügung. Eine gemeinsame Webseite der FU Berlin und des DLR erlaubt es der breiten Öffentlichkeit, die Bilder und Geländemodelle online anzuschauen und herunterzuladen (http://hrscview.fu-berlin.de).

Das Kameraexperiment HRSC auf der Mission Mars Express der Europäischen Weltraumorganisation ESA wird vom Principal Investigator Prof. Dr. Gerhard Neukum (Freie Universität Berlin), der auch die technische Konzeption der hochauflösenden Stereokamera entworfen hatte, geleitet. Das Wissenschaftsteam besteht aus 40 Co-Investigatoren aus 33 Institutionen und zehn Nationen. Die Kamera wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unter der Leitung des Principal Investigators (PI) G. Neukum entwickelt und in Kooperation mit industriellen Partnern gebaut (EADS Astrium, Lewicki Microelectronic GmbH und Jena -Optronik GmbH). Sie wird vom DLR -Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof betrieben. Die systematische Prozessierung der Daten erfolgt am DLR. Die Darstellungen wurden vom Institut für Geologische Wissenschaften der FU Berlin in Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Planetenforschung erstellt.

Weitere Informationen:

Gerhard Neukum, HRSC Principal Investigator, Freie Universität Berlin, Deutschland
Email:  gneukum@zedat.fu-berlin.de

Fred Jansen, ESA Mars Express Mission Manager
Email:  fjansen@rssd.esa.int

Agustin Chicarro, ESA Mars Express Project Scientist
Email:  Agustin.Chicarro@esa.int


Download
hochaufgelöste Bilddaten / high resolution image data

Die High Resolution Stereo Camera
(HRSC) auf Mars Express
:   
TIF
(5 MBs)
JPG
(529 KBs)
Die Abbildung zeigt ein Orthomosaik von Olympus Mons überlagert mit der Geländehöhe als Farbkodierung.:   TIF
(53 MBs)
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(3 MBs)
Die Abbildung zeigt ein schattiertes HRSC-DGM-Mosaik des Valles Marineris in reduzierter Auflösung.:   TIF
(10 MBs)
JPG
(2 MBs)
Datenaufnahme-Prinzip der HRSC:   TIF
(18 MBs)
JPG
(277 KBs)

© Copyright: ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum)

 

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Stand: 18.07.2012

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