一种基于月表数字高程模型的光照条件确定方法

本发明属于月表图像处理，具体涉及一种基于月表数字高程模型的光照条件确定方法。

背景技术：

1、随着月球探索的逐步深入，未来人类对于月球的开发将主要集中在月表实地探索。月表探索的过程中，能源的获取至关重要，这决定了是否能够持续在月球表面开展研究。月表能源的主要来源是太阳能，因此月表光照条件的分析就显得至关重要。

2、目前，针对月球光照条件的研究存在以下问题：

3、(1)现有的光照条件研究主要分为不考虑地形的光照条件研究和考虑地形光照条件研究，其中不考虑地形的光照研究从月表的观测图像出发，通过图像处理技术分析一年中的光照时长，然而由于地形对光照条件影响很大，因此与考虑地形的研究结果存在一定的差异。

4、(2)现有的月表光照条件研究方法中，流程并不完整，缺乏对于光照条件分析结果的量化验证。现有的研究方法大都仅提出了方法，没有对方法得出的结果进行系统性、可量化的验证流程，因此现有光照条件分析方法缺少验证结果支撑。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于月表数字高程模型的光照条件确定方法，以提升月表光照条件的获取精度。

2、本发明采用的技术方案为：

3、一种基于月表数字高程模型的光照条件确定方法，该方法包括下列步骤：

4、步骤1，对选取的目标区域的月表数字高程模型图像进行数据预处理，获取观测时间的目标区域图像；

5、步骤2，计算目标区域图像的坡度角与坡向角；并利用航空航天仿真工具获取目标区域图像所对应的太阳与月球的相对位置，计算目标区域图像内的每个目标像元在观测时间的太阳高度角和太阳方位角；其中，太阳高度角是指太阳在天空中的仰角，即太阳离地平线的角度；太阳方位角是指太阳在地平线上的方向，以正北为基准，按顺时针方向测量，范围从0度到360度；

6、步骤3，判断目标区域图像的月表的太阳光照射情况，并确定目标区域图像的可见度参数(用于量化表征光照强度)；

7、根据公式计算太阳入射角θ′：

8、

9、其中，v1和v2分别为目标像元平面的法向量和目标像元处的太阳方向向量，α为向量v1和v2的夹角，为目标像元的坡度角的余角，θ1为目标像元的坡向角，为太阳高度角，θ2为太阳方位角；

10、若计算出的太阳入射角θ′小于0，则表示太阳光照射情况属于第一种情况，将可见度参数v的值置为0；

11、若计算出的太阳入射角θ′大于或等于0，则表示太阳光照射情况属于第二种情况，并基于环境象元到月心连线之间的夹角ω计算可见度参数v；若第二种情况下不能计算得到结果，则表示太阳光照射情况属于第三种情况，直接将可见度参数v置为1；

12、其中，第一种情况表示太阳未出现在目标像元地平线以上；第二种情况表示太阳在入射至目标像元的光路上，被周围的环境像元所遮挡；第三种情况表示太阳光入射至月表的过程中没有受到遮挡；

13、第二种情况下的可见度参数v的具体计算方式为：

14、定义l0为目标像元，ln为环境像元，o为月球球心，r为月球半径与l0处高程之和，q为点l0处的月球表面切线，θ为太阳高度角，ω为切面目标像元与环境像元的角度差；

15、计算环境像元ln处的最小遮挡高程值

16、

17、ω＝arccos(cosα0cosβ0cosαn cosβn

18、+cosα0cosβ0cosαn sinβn+sinα0sinαn)

19、其中，α0和β0分别为目标像元l0的经纬度，αn和βn分别为环境像元ln的经纬度；

20、当ln处高程值大于或等于时，基于像元处可看到太阳圆盘的面积占太阳圆盘总面积的百分比计算可见度参数v；当ln处高程值小于时，则表示不遮挡，太阳光照射情况属于第三种情况。

21、进一步的，步骤3中，基于像元处可看到太阳圆盘的面积占太阳圆盘总面积的百分比计算可见度参数v具体为：

22、定义b为视线所及处与太阳圆盘左边缘相切山脉的最高点，c为视线所及处与太阳圆盘右边缘相切山脉的最高点(即将遮蔽平面模拟为直线bc)，o为太阳中心，r为太阳半径，h为太阳中心到遮蔽平面的弦心距；

23、计算弦心距h：

24、

25、计算可见度参数v：

26、

27、其中，θa表示边缘b的地形遮蔽角、θc表示边缘c的地形遮蔽角，为太阳高度角，s表示太阳与月球之间的距离。

28、进一步的，步骤2中，计算目标区域图像内的每个目标像元在观测时间的太阳高度角和太阳方位角时具体为：

29、定义m点为月球质心，v为月球表面任一光照点，n为太阳入射方向在v点所在地平面上投影线上一点，s为太阳中心；

30、根据公式计算得到太阳高度角hsun；

31、在v点建立站心坐标系，定义x方向表示正北(北极点方向)，z方向表示与月心连线方向，y方向垂直于x-z平面，太阳方位角az为：

32、

33、进一步的，在计算可见度参数v时，根据目标区域图像的太阳方位角数据，计算对应方向上的地平线数据，最后基于太阳高度角计算可见度参数v；

34、其中，计算对应方向上的地平线数据具体为：

35、记ln′为太阳入射光路上的目标点，其坐标设置为(in,jn)，记p1，p2，p3和p4分别为目标点ln′的左上、右上、左下、右下且离目标点ln′最近的四个与数字高程模型图像上对应的点，分别记这四个点的坐标为(i1,j1)，(i1,j2)，(i2,j1)，(i2,j2)；以这四个点的加权平均值作为目标点ln′的高程值：

36、dem(ln′)＝(jn-j1)(in-i1)dem(p1)+(j2-jn)(in-i1)dem(p2)+

37、(jn-j1)(i2-in)dem(p3)+(j2-jn)(i2-in)dem(p4)

38、其中，dem(·)表示括号中对象的高程值。

39、本发明提供的技术方案至少带来如下有益效果：

40、(1)本发明提出了一套完整的基于月表数字高程模型的光照条件的计算获取和量化评估过程，综合考虑地形和日月相对位置因素，保证对于月表光照条件的高精度获取。保障未来月表实地观测乃至月表永久性基地建设的开展。

41、(2)本发明对于获取的月表光照条件结果，提出对应的验证流程，以验证对应的评估结果的准确性，提高了方法的可信度。

技术特征：

1.一种基于月表数字高程模型的光照条件确定方法，其特征在于，包括下列步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，计算目标区域图像内的每个目标像元在观测时间的太阳高度角和太阳方位角时具体为：

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，基于像元处可看到太阳圆盘的面积占太阳圆盘总面积的百分比计算可见度参数v具体为：

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算可见度参数v时，根据目标区域图像的太阳方位角数据，计算对应方向上的地平线数据，最后基于太阳高度角计算可见度参数v；

技术总结
本发明公开了一种基于月表数字高程模型的光照条件确定方法，属于月表图像处理技术领域。本发明包括：对选取的目标区域的月表数字高程模型图像进行数据预处理，获取观测时间的目标区域图像；计算目标区域图像的坡度角与坡向角；并利用航空航天仿真工具获取目标区域图像所对应的太阳与月球的相对位置，计算目标区域图像内的每个目标像元在观测时间的太阳高度角和太阳方位角；判断目标区域图像的月表的太阳光照射情况，并确定目标区域图像的可见度参数。本发明综合考虑地形和日月相对位置因素，保证对于月表光照条件的高精度获取。保障未来月表实地观测乃至月表永久性基地建设的开展。

技术研发人员：马晋,吴欣坤,周纪,杨晓杰,王子卫
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24