Wnętrze Ziemi w 3D

Specjalne dla magazynu Reporter z Europejskiej Agencji Kosmicznej

Jako dziecko Tommaso Santagata, speleolog i ekspert w dziedzinie mapowania jaskiń 3D, nigdy nie wyobrażał sobie, że przetestuje niektóre z najnowszych i najbardziej innowacyjnych technologii skanowania 3D pod kątem przyszłej eksploracji kosmosu. W 2017 roku spędził pięć dni na intensywnym mapowaniu na wyspie Lanzarote w Hiszpanii, podczas kampanii terenowej PANGEA-X (Planetary ANalogue Geological and Astrobiological Exercise for Astronauts) Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) Spaceflight Analog. Podczas gdy pierwsze wyniki z tego pionierskiego badania wciąż napływają, żądny przygód speleolog wykonał największy skan 3D rury lawowej na Ziemi.

Wraz z geologami Umberto Del Vecchio i Martą Lazzaroni zmapował większość systemu rur lawowych w ramach projektu wspieranego przez Cabildo z Lanzarote i Uniwersytet w Padwie we Włoszech. Powstała mapa jest bardzo szczegółowa, pomagając lokalnym instytucjom chronić to podziemne środowisko. Dostarcza również danych naukowych do badania pochodzenia rury i jej osobliwych formacji.

Teren

Ekspedycja PANGEA-X zapuściła się w tunel lawowy „La Cueva de los Verdes” na hiszpańskiej wyspie Lanzarote, jeden z największych na świecie kompleksów jaskiń wulkanicznych o łącznej długości około 8 kilometrów. Jaskinia ma sekcje suche i wypełnione wodą.

6-kilometrowa sucha część tunelu lawowego ma naturalne otwarte świetliki lub jameos, jak nazywają je miejscowi, które są ustawione wzdłuż ścieżki jaskini. Niektóre jaskinie są wystarczająco duże, aby pomieścić ulice i domy.

Te formacje są podobne do tych znalezionych na Marsie i Księżycu. Będąc budowlami podziemnymi, stanowią dobre schronienie przed promieniowaniem. To podobieństwo sprawia, że Lanzarote to świetne środowisko do szkolenia astronautów i symulowania eksploracji kosmosu.

W jakim celu mapowane są wnętrza jaskiń w 3D?

Kiedy odkrywane jest nowe środowisko, mapowanie obszaru jest zawsze pierwszym punktem wyjścia do eksploracji. Dotyczy to również misji na inne planety, gdzie jednym z głównych celów będzie wybór miejsc do założenia bazy.

Rury lawowe to środowiska o stałej temperaturze, osłonięte przed promieniowaniem kosmicznym i przed mikrometeorytami, zapewniające ludziom bezpieczne siedliska.

Dokładne pomiary geometrii jaskiń lawowych pozwolą naukowcom ulepszyć ich modele i lepiej zrozumieć ich ewolucję na innych ciałach niebieskich.

Z tych powodów nauka mapowania rur lawowych na Ziemi pomaga w eksploracji poza Ziemią. Astronauta ESA, Matthias Maurer, dołączył do ekspedycji, aby przetestować dwa różne instrumenty opracowane przez Leica Geosystems: Leica Pegasus:Backpack i Leica BLK360.

Skanowanie kinematyczne

Zespół d/s skanowania kinematycznego Leica Geosystems przeszkolił Maurera w zakresie obsługi systemu Pegasus:Backpack w zaledwie 20 minut.

Astronauta przeszedł przez trudny teren i sprawdził wyniki w terenie na tablecie. Wykonał swoją misję mapowania jaskiń, idąc rurą tam i z powrotem, aby porównać dokładność danych.

„Wędrówki i sporządzanie map geologicznych z zaawansowanym technologicznie plecakiem były łatwe i wydajne. Wyobrażam sobie jego integrację z naszymi skafandrami kosmicznymi na przyszłe misje eksploracyjne na Księżyc lub Marsa” powiedział Maurer.

Pegasus:Plecak synchronizuje obrazy zebrane przez pięć kamer i dwa profilery LIDAR do obrazowania 3D, laserowy odpowiednik radaru. Umożliwia dokładne mapowanie tam, gdzie nawigacja satelitarna jest niedostępna, na przykład w jaskiniach.

Misje

Zespół pozyskał dane za pomocą Pegasus:Backpack w dwóch misjach, aby przetestować wszystkie technologie pozycjonowania wbudowane w to rozwiązanie. Obie misje były przetwarzane za pomocą oprogramowania Leica Pegasus Manager.

Zaczynając na zewnątrz w dobrych warunkach GNSS, następnie przechodząc do wnętrza, gdzie sygnał GNSS był bardzo słaby lub zerowy, a kończąc misję na zewnątrz z dobrymi warunkami GNSS. Do tego typu misji zespół wykorzystał wiele technologii pozycjonowania: GNSS + bezwładnościowa jednostka pomiarowa (IMU) + SLAM. Oprogramowanie przetwarzające dane automatycznie rozpoznało różne fazy misji.  

Pegasus:Backpack, pierwsze rozwiązanie niezależne od położenia dostarczanego przez satelity, mogło śledzić ruchy Maurera podczas gromadzenia danych, a IMU rejestrował je 125 razy na sekundę. W ten sposób zespół uzyskał pierwszą dobrą trajektorię z największą dokładnością zarówno na początku, jak i na końcu misji. Zespół musiał ponownie poprawić obliczenia dla fragmentu o zerowym sygnale satelitarnym korzystając z technologii SLAM. Na tym etapie nie są tworzone żadne obrazy ani chmury punktów. Fragment misji, który był realizowany bez żadnych danych GNSS, wykorzystał trajektorię uzyskaną w poprzednim kroku jako wartość wejściową do przetwarzania algorytmu SLAM. Rezultatem jest ulepszona trajektoria z oszacowaniem błędu pozycjonowania, gdzie generowane są chmury punktów, orientacja obrazów i widoki sferyczne.

Czysta misja SLAM to zazwyczaj misja w środowiskach pozbawionych sygnału GNSS, takich jak budynki, jaskinie i tunele.  Głównymi sensorami pozycjonującymi używanymi do tego typu misji są kompas, IMU oraz SLAM Only LiDAR (So LiDAR). Po prawidłowym ustawieniu parametrów cała misja może zostać przeliczona jednym kliknięciem. Podstawowa trajektoria Pegasus:Backpack została obliczona na podstawie informacji z kompasu i IMU. Cała misja wykorzystuje tę pierwszą trajektorię jako wartość wejściową do przetwarzania algorytmu SLAM. Orientacja chmury punktów i obrazów oraz widoki sferyczne są generowane z użyciem tej trajektorii.

Skanowanie laserowe 3D

Na Lanzarote rury lawowe zwykle rozwijają się wzdłuż tuneli na różnych głębokościach, ponieważ lawa wypływa z wielu erupcji i podąża za pęknięciami i szczelinami pozostałymi po poprzednich erupcjach. Nie zawsze jest możliwe wejście na wyższe poziomy bez sprzętu wspinaczkowego.

W ramach szkolenia CAVES 2016, zespół wykorzystał fotogrametrię – uzyskiwanie precyzyjnych pomiarów i danych 3D z co najmniej dwóch zdjęć – jako dobrą alternatywę. Jednak fotogrametria nie zawsze gwarantuje dobre wyniki, zwłaszcza bez odpowiednich warunków oświetleniowych.

Aby rozwiązać te problemy, w ramach kampanii PANGEA-X przetestowano BLK360, najmniejszy i najlżejszy skaner do obrazowania na rynku. Zespół Leica Geosystems obsługiwał go w ustalonych pozycjach, uzyskując obrazy 360° otoczenia w zaledwie trzy minuty naciskając jeden przycisk i dopasowując skany w aplikacji na tablecie.

W niecałe trzy godziny dane z obu instrumentów pozwoliły uzyskać kompletny model 3D odcinka tunelu lawowego o długości 1,3 km.

Kampania PANGEA-X wykorzystała dwie najnowsze technologie Leica Geosystems do realizacji wymagającej misji. Obie technologie dostarczyły w krótkim czasie cennych informacji i dokładnych danych do mapowania obszarów, na których nawigacja satelitarna była niedostępna.

Wersja tej historii pojawiła się po raz pierwszy na blogu Europejskiej Agencji Kosmicznej.