专利名称：一种火星表面的三维描绘方法
技术领域：
本发明涉及一种火星表面的三维描绘方法。
背景技术：
火星探测表面特征3D模拟器是我国深空火星探测任务的前期数值模拟与仿真的重要组成部分，对火星的探测有一定的战略意义。随着火星探测任务即将实施，用于火星探测的计算机三维可视化仿真技术在航天领域越来越热门。目前，火星探测有3种模式，模式一环绕探测，也就是飞行器飞临火星上空，在环火轨道对火星进行观测；模式二 着陆探测，即飞行器直接再入进入火星表面，在火星表面进行探测；模式三是浮空探测，即飞行器再入后，在火星大气中进行观测。大多数航天领域的三维可视化仿真研究都把目标集中在航天器轨道动力学仿真层面，更关注于卫星及其轨道，比如AGI公司提出的STK系列软件，其目的都是使之在计算机屏幕上形象而逼真的模拟任务轨道过程，简单的说火星的模拟仿真都是采用“任务+轨道”的传统模式，这种方式更适用于模式一“环绕探测”，但相对于模式二“着陆探测”以及模式三“浮空探测”，这种传统方法就忽视了对目标环境(火星)的模拟与仿真，这为着陆探测和浮空探测带来了不可忽略的隐患。同时，目前的深空探测软件虽然可以计算火星上某点某时刻的光照值，但是该值是建立在对火星表面是光滑球体的假设之上。并且，通过计算得到的光照值，在应用于拥有较复杂地形的火星探测中，特别是在模式二“着陆探测”以及模式三“浮空探测”的情况下， 借鉴意义相对较低。此外，目前的火星任务仿真系统，多是通过鼠标键盘来操作，对操作者需要一定的操作经验和培训，熟练操作需要记忆一系列快捷键和组合按键，不利于不熟悉仿真系统的操作者迅速查找信息，降低了系统的可操作性。
发明内容
本发明的技术解决问题是本发明提供了一种火星表面的三维描绘方法，本发明针对“着陆探测”和“浮空探测”的火星探测模式，通过对火星表面特征及其环境的模拟，实现了为火星地表的仿真显示。本发明的技术解决方案是一种火星表面的三维描绘方法，包括以下步骤Sl 利用对火星表面的成像数据建立数字高程模型和数字影像模型；S2 根据步骤Sl中建立的数字高程模型和数字影像模型构建火星表面三维模型， 所述火星表面三维模型用于模拟火星表面场景，实现对火星表面地形三维场景的模拟；S3 根据公开的天文数据建立火星地表信息数据库和深空背景数据库；利用火星地表信息数据库将火星地表信息添加到火星表面三维模型中，所述火星地表信息包含火星地名和与火星地名相对应的经纬度；利用深空背景数据库建立深空背景数据与以火星为中心的深空背景坐标系；并将格林成治时间2000年1月1日零时确定为时间基准点；S4:根据要显示的火星地名查询火星地表信息数据库，确定显示点在火星的经纬度；S5 读取深空背景数据库中的依巴古星表，并根据步骤S3中建立的深空背景坐标系和步骤S4中确定的经纬度，生成以显示点为中心的深空背景；根据确定的时间基准点， 计算在第T时刻显示点相对于太阳的高度角和方位角；S6 根据步骤S5中确定的显示点相对于太阳的高度角和方位角和步骤Sl中建立数字高程模型，确定显示点的光照遮拦情况；并确定以显示点为中心的N个周围点的经纬度，重复进行步骤S5、S6确定有限个N个周围点的光照遮拦情况；S7 将火星表面三维模型和步骤S6中确定的显示点和N个周围点的光照遮拦情况输出并进行显示。本发明与现有技术相比具有如下优点(1)本发明通过利用真实天文数据生成深空背景数据库，通过进一步利用深空背景数据库建立深空背景数据与以火星为中心的深空背景坐标系，并最终形成火星地表显示的深空背景提升了火星地表的描绘结果的可靠性。(2)在对具体的火星地名对应的地点进行显示时，考虑了火星表面真实地形对太阳光线的遮挡，利用数字高程模块以及显示点相对于太阳的高度角和方位角实现了对光照遮拦情况的计算，从而提升了火星表面三维图像及其光照准确度。(3)在计算显示点的光照遮拦情况时，首先只选择显示点周围有限的N个点进行计算，在保证了光照准度的同时，降低了计算大范围光照数据所造成的计算压力。(4)采用本发明的步骤，实现了对火星表面三维地形地貌，真实星空背景，真实光照情况的描绘，为火星表面着陆探测和火星表面浮空探测的仿真与模拟，提供了简单而有效的可视化方案和数据解决方案。
图1为本发明流程图。
具体实施例方式下面就结合附图对本发明做进一步介绍。火星表面特征3D模拟器由硬件和软件两部分组成，其中硬件系统是配备了高数据处理能力的火星表面特征3D模拟器数据及显示单元，其图形处理能力为火星表面特征的三维可视化演示提供了有力的保障。软件系统用于实现对火星表面特征和环境的模拟并对待显示点的光照情况进行计算分析，确定待显示点的背景、地表以及光照情况并输出给硬件系统进行仿真显示。采用火星表面特征3D模拟器用户可以通过火星中的地面对火星表面特征进行全景浏览。其中，上述的软件系统包括的具体步骤如下Sl 根据前期获取的火星表面的成像数据(可以是从卫星上或者其他途径)建立数字高程模型、数字影像模型。(《地理信息系统(GIS)空间数据结构与处理技术》)
在生成火星表面三维模型时，当同一探测器从不同角度和高度扫过同一区域时， 不同的数字高程模型和数字影像模型就会产生一定的影响偏差。由于地类影像在火星数字影像中最为明显，是直接可以判读的，所以其也是最容易受到角度影响而导致数据类型判读失误的部分。对于暂时无法判读的部分，作出明显标注，待后续数据完善后，再对该区域进行进一步的修改和完善。S2 根据步骤Sl所建立的数字高程模型和数字影像模型通过正射影像构建基于金字塔算法的火星表面三维模型。(《GIS地理信息系统原理和方法》)在生成火星表面三维模型时，针对步骤Sl中对同一地理位置图像显示不一样的不明区域，利用可疑地点标注。在后期的模拟和仿真时，可以通过可疑地点避开不明区域。S3 建立国际天文学联合会(IAU)和美国宇航局(NASA)公布的天文数据(恒星， 行星，小行星，彗星)火星地表信息数据库和深空背景数据库。利用火星地表信息数据库为步骤S2中的火星表面三维模型添加火星地表信息。利用深刻背景数据库建立深空背景数据与以火星为中心的深空背景坐标系，并将格林威治时间2000年1月1日零时确定为时间基准点。(《天球参考系变换及其应用》)S4:根据要显示的火星地名查询火星地表信息数据库，确定显示点在火星的经纬度。S5 读取深空背景数据库中的依巴古星表，并根据步骤S3中建立的深空背景坐标系和步骤S4中确定的经纬度，生成以显示点为中心的深空背景；根据确定的时间基准点， 计算在第T时刻显示点相对于太阳的高度角和方位角。(《现代天体动力学》)S6 根据步骤S5中确定的显示点相对于太阳的高度角和方位角和步骤S3中生成的具有火星地表信息的火星表面三维模型，确定显示点的光照遮拦情况。在确定显示点的光照遮拦情况时，以显示点为中心，选择围绕显示点的N个周围点，并根据N各点的经纬度重复进行步骤S5和S6完成对全部N个点的光照遮拦情况，并将显示点和N个周围点的光照遮拦情况送入步骤S6 ；S7 将火星表面三维模型和步骤S6中确定的显示点的光照情况输出并进行显示。显示时，以显示点位中心，对火星表面三维模型进行描绘，并添加按照包含显示点在内的N+1个点将光照遮拦情况反映在描述的火星三维模型上。本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
权利要求
1. 一种火星表面的三维描绘方法，其特征在于包括以下步骤51利用对火星表面的成像数据建立数字高程模型和数字影像模型；52根据步骤Sl中建立的数字高程模型和数字影像模型构建火星表面三维模型，所述火星表面三维模型用于模拟火星表面场景，实现对火星表面地形三维场景的模拟；53根据公开的天文数据建立火星地表信息数据库和深空背景数据库；利用火星地表信息数据库将火星地表信息添加到火星表面三维模型中，所述火星地表信息包含火星地名和与火星地名相对应的经纬度；利用深空背景数据库建立深空背景数据与以火星为中心的深空背景坐标系；并将格林威治时间2000年1月1日零时确定为时间基准点；54根据要显示的火星地名查询火星地表信息数据库，确定显示点在火星的经纬度；55读取深空背景数据库中的依巴古星表，并根据步骤S3中建立的深空背景坐标系和步骤S4中确定的经纬度，生成以显示点为中心的深空背景；根据确定的时间基准点，计算在第T时刻显示点相对于太阳的高度角和方位角；56根据步骤S5中确定的显示点相对于太阳的高度角和方位角和步骤Sl中建立数字高程模型，确定显示点的光照遮拦情况；并确定以显示点为中心的N个周围点的经纬度，重复进行步骤S5、S6确定有限个N个周围点的光照遮拦情况；57将火星表面三维模型和步骤S6中确定的显示点和N个周围点的光照遮拦情况输出并进行显示。
全文摘要
本发明公开了一种火星表面的三维描绘方法，包括建立数字高程模型和影像模型法的步骤；利用建立的数字高程、影像模型构建火星表面三维模型的步骤；利用火星地表信息数据库和深空背景数据库确定火星表面三维模型的地表信息、建立以火星为中心的深空背景坐标并确定时间基准点的步骤；根据确定的显示点的经纬度生成深空背景并计算包括显示点在内的光照遮拦情况的步骤。本发明针对“着陆探测”和“浮空探测”的火星探测模式，通过对火星表面特征及其环境的模拟，实现了为火星地表的仿真显示。
文档编号G06T17/05GK102521880SQ201110393579
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月1日 优先权日2011年12月1日
发明者崔帆, 王日新, 王立, 胡大勇, 金洋, 陈颖, 高冀 申请人:北京空间飞行器总体设计部