一种基于月表球面模型的月表阴影区确定方法

本发明属于遥感技术与测绘学领域，具体涉及一种基于月表球面模型的月表阴影区确定方法。

背景技术：

1、月球表面的阴影区探测有着重要的理论和实践意义，如月表物理性质探索、月表热过程研究、选址、永久阴影区探测、水冰搜寻等。

2、目前，对月表阴影区的计算通常采用相对简单的模型，即将月表视为一个平面，再判断到达目标像元的光路上是否有环境像元的遮挡。但是，该方法有着理论上的缺陷：即月表本身是一个球面，使用简单的平面建模会产生由建模不精确而产生的误差。随着对月球科研任务的深入，对月表阴影区的建模精度提出了新的要求，因此需要构建更加精确的模型对月表阴影区进行建模。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提供一种基于月表球面模型的月表阴影区确定方法，从而将月表阴影区计算的精度进一步提高，以适用于新的月表探测任务要求。

2、本发明提供的一种基于月表球面模型的月表阴影区确定方法，该方法包括：

3、步骤1，输入目标区域的月球表面dem(digital elevation model，数字高程模型)数据，即dem图像；

4、步骤2，计算由像元自身遮蔽产生的阴影；

5、步骤3，计算由环境像元遮挡产生的阴影；

6、步骤4，基于步骤2和3的计算结果，计算目标像元阴影情况；

7、步骤5，对目标区域的所有像元重复步骤2～4，完成整个目标区域的阴影情况判断。

8、进一步的，步骤2中完成计算由像元自身遮蔽产生的阴影，该步骤考虑如下可能的情况：

9、太阳位于像元所在平面之下，即太阳低于像元所在位置的局地月平面。这种情况下太阳光被像元本身所遮蔽，由此产生了阴影区。该步骤主要通过计算像元法向量与太阳方向向量之间的夹角来实现。

10、给定感兴趣研究区域(目标区域)和研究时间，所需数据为lola提供的dem数据以及通过de430星历历表计算的指定时间太阳高度角和太阳方位角数据。判断太阳是否位于局地月平面以上可以通过判断像元法向量与太阳光入射方向的夹角来实现，该夹角的具体计算公式如式(1)所示：

11、

12、式中，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为这两向量的夹角，为目标像元坡度角的余角，θ1为目标像元的坡向角，为太阳高度角，θ2为太阳方位角。

13、计算得到目标像元平面的法向量和太阳方向向量夹角的余弦值后，可以通过判定该值的正负来推断太阳是否位于局地月平面以下：若该值小于等于0，则太阳位于局地月平面以下，该目标像元处于阴影区；若该值大于0，则太阳位于局地月平面以上，该目标像元不处于阴影区。

14、进一步的，步骤3完成计算由环境像元遮挡产生的阴影。该步骤考虑如下可能的情况：

15、太阳光在前进至目标像元的路径上被其他位置的地形所遮挡。这种情况下太阳光被环境像元所遮挡，由此产生了阴影区。该步骤主要通过模拟太阳光入射光路与计算光路上像元的临界遮挡高程来实现。

16、首先通过由星历计算的太阳方位角模拟一条射线，该射线从目标像元出发，指向太阳所在方向。之后在图像上对该射线上的点按照一定步长进行采样，采样步长由dem数据的空间分辨率以及任务的精度需求所决定。由于采样点不一定位于像元中心，因此接着需要计算所有采样点在图像中的坐标，用于之后的高程重采样。采样点在图像中的坐标计算公式如式(2)、(3)所示：

17、

18、

19、式中，in和jn分别表示从射线顶点出发，第n个采样点在图像中的横坐标与纵坐标；lstep表示所设置的采样步长；n表示采样点的序数；res表示月表dem图像的空间分辨率；i0和j0分别表示目标像元在图像中的横坐标和纵坐标；θ2表示太阳方位角。

20、计算得到采样点坐标后，使用双线性内插法计算采样点上的高程。计算公式如式(4)所示：

21、

22、式中，ln表示第n个采样点；dem(ln)表示采样点ln处的重采样高程值；in，jn分别为ln的在图像中的横坐标与纵坐标；p1至p4分别是ln周围的4个像元，i1，j1到i4，j4分别对应它们的坐标值。

23、最后需要计算各个采样点位置的临界遮挡高程，即在采样点处恰好不会挡住太阳光线的高程值。将月球表面视为一个球面进行建模，则采样点的临界遮挡高程可以通过几何建模求解。由正弦定理，可以列出包含采样点临界遮挡高程的方程如式(5)所示：

24、

25、式中，r为目标像元处月球半径，ω为月球切面中目标像元与月心连线以及环境像元与月心连线之间的夹角，为太阳高度角，llim为临界遮挡高程。求解该方程可得所需临界遮挡高程，方程的解如式(6)所示：

26、

27、月球切面中目标像元与月心连线以及环境像元与月心连线之间的夹角ω可由式(6)计算：

28、

29、式中，α0和β0分别是目标像元的经纬度；αn和βn分别为采样点ln的经纬度。

30、求解出采样点ln的临界遮挡高程后，将它与重采样高程进行比较。若临界遮挡高程大于等于重采样高程，说明太阳光线被该采样点处的地形遮挡，目标像元处于阴影区；反之则重采样点处的地形没有影响太阳光路。

31、最后计算出所有采样点的重采样高程以及临界遮挡高程并比较它们的大小。若射线上存在某采样点的重采样高程小于临界遮挡高程，则目标像元处于阴影区；反之，到达目标像元的光没有被环境像元所遮挡。

32、进一步的，步骤4通过将步骤2和步骤3的计算结果进行或运算，即若目标像元至少满足以上一种情况，则可以判定该像元处在阴影区；若目标像元不满足以上任意一种情况，则可以判定该像元不在阴影区之中。

33、进一步的，步骤5对目标区域所有像元进行步骤2～4，进而计算出整个研究区中相应研究时间的阴影情况。

34、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

35、本发明针对现有方法将月表视为平面的建模方法的不足，进行了更加精确的月表建模，能够更加全面地考虑月表阴影区出现的可能的情况。这对于对精确度要求愈来愈高的探月工程有一定的意义。

技术特征：

1.一种基于月表球面模型的月表阴影区确定方法，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具体为：

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3具体为：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，月球切面中目标像元与月心连线以及环境像元与月心连线之间的夹角ω具体为：

5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，步骤4具体为：将将步骤2和步骤3得到的目标像元是否处于阴影区的计算结果进行或运算，得到当前目标象元是否处于阴影区的最终结果。

技术总结
本发明公开了一种基于月表球面模型的月表阴影区确定方法，属于遥感技术与测绘学领域。本发明包括：步骤1，输入目标区域的月球表面DEM数据；步骤2，计算由像元自身遮蔽产生的阴影；步骤3，计算由环境像元遮挡产生的阴影；步骤4，综合前两步结果，计算目标像元阴影情况；步骤5，对目标区域的所有像元重复步骤2～4，完成整个目标区域的阴影情况判断。本发明针对现有方法将月表视为平面的建模方法的不足，进行了更加精确的月表建模，能够更加全面地考虑月表阴影区出现的可能的情况。

技术研发人员：周纪,杨晓杰,吴欣坤,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：2024/1/16