Månens yta och steniga planeter – i synnerhet Mars – är av stort intresse för alla som försöker utforska vårt solsystem. Ytan måste vara känd så detaljerat som möjligt, för att uppdragen ska kunna landa säkert, eller för att något robotfartyg ska kunna köra över ytan. Men fram till nu har metoderna för att analysera bilder från kretsande rymdfarkoster inneburit en enorm arbetsbelastning och enorm datorkraft – med begränsade resultat.

Ett projekt från Iris Fernandes har förändrat det. Genom att studera kalkstensformationen Stevns Klint i Danmark utvecklade hon en metod för att tolka skuggor i bilder, så att den exakta topografin kan extraheras. Metoden är till och med mycket snabbare och mindre arbetskrävande. Resultatet är nu publicerat Planetary and Space Science .

Utforskning av människors rymd innebär höga säkerhetsnivåer – så exakta bilder av terrängen krävs

Topografin på vilken yta som helst kommer att skapa nyanser när solljuset träffar den. Vi kan tydligt se nyanserna i bilderna av månen, men vi vet inte höjden av terrängen. Så vi kan se topografins förändringar, men inte hur mycket. Det är nödvändigt att kunna se även mycket små funktioner för att säkerställa säker landning eller förflyttning av en rover. För att inte tala om astronauternas säkerhet.

Om en rover inte kan se detaljer kan den fastna i sandytor eller träffa stenar – och att kunna se intressanta geologiska formationer för att hitta rika geologiska miljöer för forskningsändamål är också av stor betydelse.

Tidigare begränsningar i topografibedömning har nu i stort sett utrotats

När satelliter kretsar runt en planet kan de ta bilder i rimlig kvalitet på ytan. Men för att kunna fastställa en tolkning av den exakta topografin, tillräckligt bra för att landa den enormt dyra utrustningen eller kanske till och med astronauter, måste mycket ad hoc-information fortfarande bearbetas.

Metoden att använda nyanserna fanns tidigare, men den var beräkningsmässigt ineffektiv och måste fortfarande förlita sig på antaganden. Den nya metoden använder en mycket mer direkt och exakt beräkning, den förlitar sig inte på en hel uppsättning parametrar som ska matas in i datorn, och den kan till och med beräkna osäkerheterna och noggrannheten.

"Den här metoden är snabb, den är exakt och den behöver inte förlita sig på några antaganden", säger Iris Fernandes. "Tidigare, om du ställde frågan:Hur exakt är bedömningen av topografin - det fanns verkligen inget tillfredsställande svar. Nu avslöjas den exakta topografin, och vi kan till och med kvantifiera osäkerheterna."

Vetenskaplig nyfikenhet kan leda dig till överraskande platser

"Jag var involverad i ett projekt där vi ville använda bilder från Stevns Klint för att modellera mönster i ytan. Jag presenterade till och med den här metoden på en konferens i L.A. Men nyanserna var en utmaning, eftersom algoritmen "såg" nyanserna som geologiska funktioner."

"Det skapade en partiskhet i modellen. Vi behövde hitta sätt att ta bort nyanserna, för att ta bort partiskheten."

"Jag har alltid varit intresserad av planeter och jag visste att månens yta studerades. Det finns inte många störande egenskaper på månen, så den var idealisk för att ta bort förspänningen."

"När vi filtrerade bort nyanserna kunde vi se vad de "gömde" så att säga – ytformerna, förklarar Iris Fernandes.

Upplösning av befintliga bilder gav ett nytt problem – och ett nytt tillvägagångssätt

När arbetet med månen började visade sig skillnaden mellan de olika upplösningarna i bilder och topografidata vara enorm. Ett nytt problem dök upp med andra ord. "Hur skulle vi kunna kombinera olika datakällor i olika upplösningar?"

"Det presenterade ett enormt matematiskt problem - och det är verkligen vad studien handlar om."

"Det var här tidigare forskning hade stannat. Vad vi gjorde annorlunda än tidigare försök att lösa detta var att vi fokuserade på matematiken och minskade den till en utmanande matematisk ekvation. I grund och botten, för att se om den här ekvationen kunde lösa problemet problem."

"Och det gjorde det", ler Iris Fernandes. "Man kan säga att vi, min handledare, professor Klaus Mosegaard och jag, hittade den matematiska nyckeln till en dörr som hade varit stängd i många år."

Vägen framåt

Fokus ligger nu på att förbättra metoden ännu mer. Överallt där det finns tillgängliga data om stenbildning i solsystemet, som Månen, Mars, asteroider eller liknande, kan metoden användas för att extrahera exakta topografiska detaljer.

Bilderna som används för denna uppgift kan vara bilder från satelliter eller till och med rovers själva, för närvarande på marken på Mars – eller vilken mobil robot som helst i framtiden.

Syftet med att uppnå korrekt topografisk analys kan vara olika, det kan vara säkerheten för utrustningen eller astronauterna eller att hitta geologiskt intressanta platser.

Det finns ett brett utbud av möjliga tillämpningar, med andra ord. "Det är en sorts datorseende", säger Iris Fernandes. "När, till exempel, en robot har någon form av maskineri för att interagera med miljön, kan metoden hjälpa till vid navigering eller "öga-hand-koordination", eftersom den är mindre beräkningsmässig "tung" och därmed snabbare."

"Jag spekulerar bara nu, men en intressant egenskap kan vara att bedöma rundheten hos små stenar, för att hitta tidigare förekomst av vatten."

"Metoden visar data för oss som människor på ett sätt som vi förstår intuitivt - som bilder av stenarnas rundhet, vilket är mycket lätt att tolka." + Utforska vidare

Den exakta punkten på månens sydpol