Neue topographische Karten der Mars-Oberfläche

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1 Neue topographische Karten der Mars-Oberfläche STEPHAN GEHRKE 1, HARTMUT LEHMANN 1, ROBERT KÖHRING 1, FRANK SCHOLTEN 2, MARITA WÄHLISCH 2, JÖRG ALBERTZ 1 Zusammenfassung: Die High Resolution Stereo Camera (HRSC) auf Mars Express erfasst die Mars-Oberfläche stereoskopisch und in Farbe. Aus den Bilddaten werden am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin Digitale Geländemodelle (DGMs) und farbige Orthobild-Mosaike abgeleit, die zum Teil an der Technischen Universität Berlin in Kartenprodukte umgesetzt werden. Das Standardkartenwerk der Mission Mars Express ist die Topographic Image Map Mars 1: Dieser Beitrag gibt einen Überblick über das kartographische Konzept, die Kartenherstellung unter Verwendung des Software-Pakets Planetary Image Mapper (PIMap) und aktuell hergestellte topographische Bildkarten der Mars-Oberfläche: die Kartierung der äquatornahen Region Iani Chaos in drei verschiedenen Maßstäben sowie die ersten erstellten Regelblätter der Nordpol-Region. 1 Einleitung In den vergangenen zwei Jahren hat die High Resolution Stereo Camera (HRSC) an Bord des Mars Express Orbiters mehr als die Hälfte der Mars-Oberfläche stereoskopisch und in Farbe erfasst. Aus den HRSC-Daten werden am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin-Adlershof systematisch Digitale Geländemodelle (DGM) und farbige Orthobild- Mosaike abgeleitet (SCHOLTEN et al., 2005). Aus einem Teil dieser Daten erstellt die Technische Universität Berlin topographische Bildkarten unseres Nachbarplaneten, allen voran die Blätter der Topographic Image Map Mars 1: Konzept und Layout dieses Standard- Kartenwerks der Mission dienen auch als Vorgabe für die Erstellung von Sonderblättern und topographischen Karten größerer Maßstäbe sowie zur Ableitung thematischer Kartenprodukte (ALBERTZ et al., 2004a). Bereits in Vorbereitung auf die Mission Mars Express (GEHRKE et al., 2003) sowie seit 2004, mit der Datenaufnahme durch die HRSC, wurden und werden topographische Bildkarten der Mars-Oberfläche erstellt; Beispiele zeigen ALBERTZ et al. (2004a, 2004b, 2005), LEHMANN et al. (2005) und GEHRKE et al. (2006). Eigens für diese Zwecke wurde an der Technischen Universität Berlin das kartographische Software-Paket Planetary Image Mapper (PIMap) entwickelt. Mit PIMap kann der Karteninhalt Orthobildmosaik, Höhenlinien, Gitternetze, Randlinien, Kartentitel, Blattbezeichnung und typische Legendenelemente generiert bzw. zum digitalen Kartenblatt zusammengestellt werden (GEHRKE & NEUKUM, 2005). Im Anschluss an einen Überblick über das kartographische Konzept der Topographic Image Map Mars 1: und die Kartenherstellung unter Verwendung der Software PIMap werden nachfolgend zwei aktuelle Teilprojekte vorgestellt. So ist die Region Iani Chaos in 1 Technische Universität Berlin, Geodäsie und Geoinformationstechnik, Sekr. H 12, Straße des 17. Juni 135, Berlin, {stephan h.lehmann robert albertz}@igg.tu-berlin.de 2 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Planetenforschung, Rutherfordstr. 2, Berlin, {frank.scholten marita.waehlisch}@dlr.de

2 zwei benachbarten Standardblättern sowie in den größeren Maßstäben 1: und 1: basierend auf einer entsprechenden Unterteilung des Regelblattschnitts in Viertel bzw. Sechzehntel kartiert worden. Des Weiteren liegen nunmehr zwei Standardblätter des nördlichen Polargebietes vor; sie zeigen das Chasma Boreale, eine weit in die Eiskappe hineinragende Schlucht. Die beiden Karten liegen nördlich bzw. südlich des 85. Breitengrades, im Übergangsbereich zwischen der Sinusoidalprojektion und der in der Polregion angewendeten Flächentreuen Lambertschen Azimutalprojektion. Eine aus HRSC-Daten erstellte, kombinierte topographisch-thematische Karte der Centauri und Hellas Montes wird in einem eigenen Beitrag von LEHMANN et al. (2006) präsentiert. Sie basiert auf dem hier vorgestellten kartographischen Konzept. 2 Kartographisches Konzept und Kartenherstellung Das Grundkonzept für die Abbildung der Mars-Oberfläche im Maßstab 1: ist ausführlich bereits an anderer Stelle, beispielsweise von ALBERTZ et al. (2004a, 2004b), erläutert worden; es wird nachfolgend zusammenfassend wiedergegeben. Eine detaillierte Beschreibung der für die Kartenherstellung verwendeten Software PIMap findet sich bei GEHRKE & NEUKUM (2005). 2.1 Das Kartenwerk Topographic Image Map Mars 1: Die neue, großmaßstäbige Topographic Image Map Mars 1: ist das Standardkartenwerk der Mars Express Mission. Es basiert auf Daten der HRSC: Orthobildmosaike bilden die Kartengrundlage, und Höhenlinien werden aus HRSC-DGMs abgeleitet. Weiterhin enthalten die Karten Beschriftungen der benannten Oberflächenformen sowie Landeplätze, einen Blattnamen und ihre Blattbezeichnung nach GREELEY & BATSON (1990), ergänzt durch erläuternde Legendeneinträge. Abbildung 3 und Abbildung 5 zeigen Kartenbeispiele. Das Kartenwerk teilt den Planeten Mars in Blätter in flächentreuen Projektionen. Zwischen 85 nördlicher und südlicher Breite, was Karten entspricht, wird die Sinusoidalprojektion angewendet, für die übrigen 48 Blätter in den Polgebieten die Lambertsche Flächentreue Azimutalprojektion. Jedes Blatt deckt in der Breite 2 ab. Die Ausdehnung in der Länge nimmt auf Grund der Meridiankonvergenz mit der Breite zu; sie beträgt 2 um den Äquator und steigt über mehrere Zonen bis auf 360 für die Poldarstellungen an, so dass die Größe des Kartenfeldes etwa konstant bleibt. Der Blattschnitt basiert auf planetozentrischen Breiten und östlichen Längen, dem ellipsoidischen Standardkoordinatensystem auf der Mars- Oberfläche (ALBERTZ et al., 2004a). Lagebezug ist ein Rotationsellipsoid mit Halbachsen von 3 396,19 km und 3 376,20 km; Höhenlinien beziehen sich auf die Äquipotenzialfläche mit einem mittlerem Äquatorradius von 3 396,00 km, das Areoid (SEIDELMANN et al., 2002). Das Kartenwerk bildet die Grundlage für die systematische Ableitung von großmaßstäbigen Karten indem es analog zu amtlichen Kartenwerken auf der Erde systematisch in Viertel bzw. Sechzehntel eingeteilt wird, Sonderblättern und thematischen Kartenprodukten. 2.2 Kartenherstellung mit PIMap Die Herstellung der topographischen Bildkaten der Mars-Oberfläche erfolgt weitgehend automatisch unter Verwendung des kartographischen Software-Pakets Planetary Image Mapper (PIMap), welches an der Technischen Universität Berlin entwickelt wurde (GEHRKE & NEU-

3 KUM, 2005). Grundsätzlich können mit PIMap Gradabteilungskarten, wie sie in der Planetenkartographie nahezu ausschließlich gebräuchlich sind (siehe z.b. GREYLEY & BATSON, 1990), in beliebiger Lage und Größe generiert werden. Sämtliche Eigenschaften, Form und Inhalte einer zu erstellenden Karte sind in der Steuerdatei zusammengefasst; je nach Karteninhalt müssen weitere Daten zur Verfügung stehen. An Hand dessen werden in PIMap die entsprechenden Elemente generiert und in das Kartenblatt eingepasst. Ergebnis ist eine PDF-Datei, welche sämtliche Vektor- und Rasterdaten dieses Blattes enthält vgl. Datenflussschema (Abbildung 1). Von besonderer Bedeutung ist die nachträgliche Editierbarkeit der einzelnen Objekte, so dass die automatisch generierte Karte mit kommerzieller Software (Adobe Illustrator, Macromedia Freehand, Corel Draw) kontrolliert bzw. weiter bearbeitet werden kann. Die Nachbearbeitung ist unter anderem für die endgültige Platzierung der topographischen Namen von Bedeutung, die in bestimmten Fällen noch der betreffenden Oberflächenform, z.b. einem Talverlauf, anzupassen sind. Farb-Orthobild (Mosaik) Digitales Geländemodell Topographische Namen Kartenwerksdefinitionen Kartenblattdefinition Bildanpassung/ Verbesserung Kombination der RGB-Kanäle Glättung Berechnung von Gitterpunkten Zuschnitt auf Kartenfeld Berechnung von Höhenpunkten Datenextraktion Umprojektion/ Resampling (Um-)Projektion Kartenprojektion Kartenprojektion Steuerdatei Generieren der Gitterlinien Generieren der Höhenlinien Generieren von Signaturen Generieren von Indexkarte, etc. Beschriftung Beschriftung Platzieren der Namen Generieren von Titel & Legende Füllen von Bildlücken Bezier-Spline- Transformation PIMap Software Separates Kartenbild Kartenblatt Hervorheben von Strukturen Kontrolle der Höhenlinien Endgültige Beschriftung Komplettierung der Legende Endgültiges Kartenblatt Abbildung 1: Datenfluss bei der Kartenherstellung unter Verwendung der Software PIMap einschließlich der notwendigen Vor- und Nacharbeiten

4 3 Kartierung von Iani Chaos in verschiedenen Maßstäben Iani Chaos ist eine große Senke mit einer Ost-West-Ausdehnung von 430 km und einer NordSüd-Ausdehnung von 330 km. Die Region liegt östlich des Canyon-Systems Valles Marineris bei 2,8 südlicher Breite und 342,5 östlicher Länge (USGS, 2006a). im Norden angrenzend, erstreckt sich das Tal Ares Valles über eine Länge von etwa 1400 km bis zu seiner Mündung in die Chryse Planitia im Bereich des nördlichen Tieflands der Mars-Oberfläche. In diesem Mündungsgebiet landete 1997 die amerikanische Mission Mars Pathfinder. Die Entstehung von Iani Chaos wird auf vulkanische Aktivitäten zurückgeführt, welche vermutlich das im ursprünglichen Gebirge gespeicherte Eis zum Abtauen gebracht haben. Das Schmelzwasser ergoss sich, dem Gefälle folgend, nach Norden in das Ares Valles. Überreste des einstigen Geländes, welches nach dem Ablaufen des Wassers einstürzte, da sich im Untergrund Hohlräume gebildet hatten, formen heute als verstreute Hügel und Blöcke eine chaotische, zerklüftete Oberflächenstruktur (FU Berlin, 2006). Dass diese Landschaft also höchstwahrscheinlich durch fließendes Wasser geformt wurde, macht sie aus geologischer Sicht besonders interessant; auf Grund dessen stellt sie auch eine eindrucksvolle Grundlage für die Herstellung topographischer Bildkarten dar (Abbildung 2). Abbildung 2, links: Abdeckung der Iani Chaos Region in den HRSC-Bildstreifen 912 (östlicher Teil), 923 (Mitte) und 934 (westlicher Teil), eingebettet in Farbbilddaten der Viking-Mission (USGS, 2006b); Rechts: Übersicht der erstellten Kartenblätter in den Maßstäben 1: , 1: und 1:50 000

5 Abbildung 3: Topographic Image Map Mars 1: , Kartenblatt M 200k 0.00N/343.00E OMKT Die Region wurde von der HRSC in den Orbits 912, 923 und 934 in nahezu höchster Bodenauflösung aufgenommen. Die photogrammetrische Prozessierung einschließlich IHS-Transformation ( pan-sharpening der Farbkanäle) sowie Mosaikierung der benachbarten Orbits erfolgte am DLR (SCHOLTEN et al., 2005; GWINNER et al., 2005). Das resultierende Orthobildmosaik hat eine Auflösung von 12,5 m/pixel, das DGM eine Rasterweite von 50 m. An der Technischen Universität Berlin wurden zwei Karten im Regelblattschnitt der Topographic Image Map Mars 1: , M 200k 2.00S/343.00E OMKT und M 200k 0.00N/ E OMKT (GEHRKE et al., 2006; Abbildung 3), sowie mehrere Teilblätter in den Maßstäben 1: und 1: hergestellt. Eine Übersicht bietet Abbildung 2; für einen Teil des Iani Chaos, der die charakteristischen Hügel und Fließstrukturen zeigt, sind in Abbildung 4 Ausschnitte aus drei entsprechenden Karten in verschiedenen Maßstäben gegenübergestellt. Dem kartographischen Konzept nach 2.1 folgend, gleichen sich die verschiedenen Kartenblätter im Papierformat sowie dem grundsätzlichen Layout; sie sind alle mit Iani Chaos Region bezeichnet. Aufgrund der unterschiedlichen Maßstäbe ergeben sich Bildauflösungen von 406, 203 bzw. 102 dpi, letztere in 1: Obwohl sich hier vereinzelt Kompressionseffekte andeuten (z.b. an schattigen Hängen), sind grundsätzlich feinere Texturen erkennbar. Mit größer werdenden Kartenmaßstäben wurden kleine Äquidistanzen der Höhenlinien definiert, so dass die Geländetopographie entsprechend detailliert wiedergegeben werden kann.

6 Abbildung 4: Teilgebiet der Region Iani Chaos Ausschnitte aus einem Standardkartenblatt der Topographic Image Map Mars 1: ( M 200k 0.00N/343.00E OMKT, oben) und aus Teilblättern in den Maßstäben 1: ( M 100k 0.50N/342.50E OMKT, Mitte) sowie 1: ( M 50k 0.25N/ E OMKT, unten)

7 4 Die ersten großmaßstäbigen Kartenblätter des nördlichen Polargebiets Die Abbildung 5 zeigt zwei Standardblätter im Übergangsbereich zwischen den beiden Kartenprojektionen der Topographic Image Map Mars 1: : M 200k 84.00N/315.00E OMKN, in der nördlichsten Zone der Sinusoidalprojektion gelegen, und M 200k 86.00N/ E OMKN, ein Blatt aus der unmittelbar anschließenden, südlichsten Zone der Lambertschen Flächentreuen Azimutalprojektion. Das letztgenannte Kartenblatt grenzt in der südöstlichen Hälfte an das erstere, wobei dieser Bereich vollständig vom Eis der nördlichen Polkappe des Mars bedeckt. Die Region wird vom Chasma Boreale durchzogen, das sich über insgesamt 300 km erstreckt und die Eiskappe beinahe in zwei Hälften teilt. In der Schlucht sind Staub- bzw. Sandablagerungen in Form von Dünen, den Hyperboreae Undae, zu erkennen. Mit zunehmendem Abstand vom Äquator, wo die sinusoidalen Blätter ein (nahezu) quadratisches Kartenfeld aufweisen (vgl. Abbildung 3), zeigt sich die Auswirkung der Meridiankonvergenz und damit die charakteristische Trapezform. (Es sei angemerkt, dass sich die Meridiane im Gegensatz zu den Parallelkreisen nicht als Geraden abbilden; sie zeigen bekanntermaßen eine geringe Abplattung des Bezugsellipsoides vorausgesetzt (vgl. Halbachsen in 2.1) sinuskurvenähnliche Verläufe. Bei der Breitenausdehnung der Topographic Image Map Mars 1: von 2 sind die Abweichungen von einer Geraden jedoch marginal und liegen unter 0,05 mm.) Die gezeigten Kartenblätter wurden an der Technischen Universität Berlin hergestellt und basieren auf den vom DLR bereitgestellten, kartenprojizierten HRSC-Bildern (SCHOLTEN et al., 2005) des Orbits In den hier gezeigten Versionen, OMKN (farbiges Orthobildmosaik als Grundlage, ergänzt durch topographisches Namensgut), enthalten die Karten keine Höhenlinien. 5 Fazit Seit Beginn der Mission Mars Express werden an der Technischen Universität Berlin exemplarisch mehrer Kartenblätter der Topographic Image Map Mars 1: auf der Basis von HRSC-Bilddaten hergestellt. Dazu zählen neben den Regelblättern auch Sonderkarten unterschiedlicher Maßstäbe, die in ihrer Lage an charakteristische Landschaftsformen der Mars- Oberfläche bzw. HRSC-Orbits angepasst sind. Die hier vorgestellten Arbeiten, die systematisch in den Maßstäben 1: , 1: und 1: kartierte Region Iani Chaos sowie die ersten Kartenblättern des Nordpolargebiets, erweitern die Bandbreite der auf dem Konzept der Topographic Image Map Mars 1: basierenden Kartenprodukte. Sie demonstrieren insbesondere die Flexibilität dieses kartographischen Konzepts aber auch die Qualität der HRSC-Bilddaten und abgeleiteten Geländemodelle. Mit PIMap liegt ein Softwareprodukt vor, welches sämtliche Inhalte einer planetaren topographischen Bildkarte weitgehend automatisch und vor allem erstmals gemeinsam generiert und in das digitale Blatt einpasst. Der operationelle Einsatz innerhalb der Mission Mars Express zeigt, dass sich mit wenigen interaktiven Abschlussarbeiten qualitativ hochwertige Kartenprodukte erstellen lassen.

8 Abbildung 5: Standardblätter M 200k 84.00N/315.00E OMKT und M 200k 86.00N/324.00E OMKT der Topographic Image Map Mars 1: im Übergangsbereich zwischen Sinusoidalprojektion (unten) und Lambertscher Flächentreuer Azimutalprojektion (oben) im Gebiet des Chasma Boreale

9 6 Danksagung Die vorgestellten Arbeiten sind Teil des an der Technischen Universität Berlin laufenden Forschungsvorhabens Software Development and Technical Support for Cartographic Data Processing ( Software-Entwicklung und technische Unterstützung für die kartographische Datenverarbeitung ) im Rahmen von HRSC on Mars Express. Dieses Vorhaben wird durch das DLR aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Principal Investigator des Experiments HRSC on Mars Express ist Prof. Dr. Gerhard Neukum, Freie Universität Berlin. 7 Literaturverzeichnis ALBERTZ, J., GEHRKE, S., WÄHLISCH, M. et al., 2004a: Digital Cartography with HRSC on Mars Express. The International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Istanbul, XXXV (B4): ALBERTZ, J., GEHRKE, S., WÄHLISCH, M. et al., 2004b: Die ersten Blätter des neuen Kartenwerks Topographic Image Map Mars 1:200,000. Vorträge 24. Jahrestagung der DGPF, Band 13, Halle: ALBERTZ, J., GEHRKE, S., LEHMANN, H. et al., 2005: Precise Topographic and Thematic Maps of Planet Mars. Proceedings XXII International Cartographic Conference (ICC 2005), A Coruña. FU Berlin, 2006: HRSC Bildserie #182 Iani Chaos. mars/hrsc182-ianichaos.php (Juni 2006). GEHRKE, S., WÄHLISCH, M., LEHMANN, H., et al., 2003: Cartography with HRSC on Mars Express A Specimen of the New Series Topographic Image Map Mars 1:200,000. Proceedings ISPRS WG IV/9 Extraterrestrial Mapping Workshop, Houston. GEHRKE, S. und NEUKUM, G., 2005: Das kartographische Softwarepaket Planetary Image Mapper (PIMap). Photogrammetrie Fernerkundung Geoinformation (PFG), 5/2005: GEHRKE, S., LEHMANN, H., KÖHRING, R., et al., 2006: Iani Chaos in Three Scales A Topographic Image Map Mars 1:200,000 and its Subdivisions. Lunar and Planetary Science (LPSC) XXXVII, Houston, Paper #1325. GREELEY, R. und BATSON, R.M., 1990: Planetary Mapping. 296 S., Cambridge University Press, Cambridge. GWINNER, K., SCHOLTEN, F., GIESE, B. et al., 2005: Hochauflösende Digitale Geländemodelle der Marsoberfläche. Photogrammetrie Fernerkundung Geoinformation (PFG), 5/2005: LEHMANN, H., GEHRKE, S., ALBERTZ, J. et al., 2005: Großmaßstäbige topographische und thematische Mars-Karten. Photogrammetrie Fernerkundung Geoinformation (PFG), 5/2005: LEHMANN, H., VAN GASSELT, S., GEHRKE, S. et al., 2006: Eine kombinierte topographischthematische Karte der Centauri und Hellas Montes (Mars). Vorträge 26. Jahrestagung der DGPF, Band 15, Berlin (dieser Band).

10 SEIDELMANN, P.K. et al., 2002: Report of the IAU/IAG Working Group on Cartographic Coordinates and Rotational Elements of the Planets, and Satellites: Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, Vol. 82: SCHOLTEN, F., ROATSCH, T., GWINNER, K. et al., 2005: Von Rohdaten aus dem Mars Express Orbit zu Digitalen Geländemodellen und Orthobildern Operationelle Verarbeitung von HRSC Daten. Photogrammetrie Fernerkundung Geoinformation (PFG), 5/2005: USGS, 2006a: Gazetteer of Planetary Nomenclature. planetarynames.wr.usgs.gov (Juni 2006) USGS, 2006b: PDS MAP-A-PLANET. pdsmaps.wr.usgs.gov. (Juni 2006) Vorträge 26. Jahrestagung der DGPF, Band 15, Berlin 2006