创建世界上最大的火山洞穴的3D地图,以帮助未来的太空任务

案例研究

尽管相隔数十万公里,兰萨罗特岛和月球有着惊人的相似之处。这个西班牙岛屿属于大西洋的加那利群岛,拥有世界上最大的火山洞穴和类似月球景观的独特风景。事实上,该岛已经被选为宇航员在太空任务前训练的地点。最近,兰萨罗特岛的日冕熔岩管帮助欧洲航天局(European Space Agency)的团队准备探索和研究在月球和火星等行星上观察到的类似特征的洞穴。

由于地理空间技术的最新进展和创新,虚拟地理机构的Tommaso Santagata在2017年领导了几次实地调查Vigea、部署三维地面激光扫描(TLS)和移动映射解决方案,这是有史以来第一个3D复制的地球上最大的熔岩管。


探索日冕熔岩管的深处



科罗娜熔岩管位于兰萨罗特岛北部,延伸超过8.5公里,由干涸的和淹没的通道组成,有些部分超过25米宽。尽管第一次勘探和初步测绘在70年代就开始了,但它真正的扩展实际上是未知的,直到60年代初,第一次地形测量进行。由当地政府Cabildo de Lanzarote委托的这个最新、最雄心勃勃的3D扫描项目,还实施了最新的移动地图技术,这是欧洲航天局(European Space Agency) PANGAEA-X培训课程的一部分。这种培训使他们能够测试将用于未来太空任务的新仪器和技术。

为了成功执行该项目,我们在一年的时间里完成了各种现场调查,部署了各种Leica Geosystems解决方案,包括徕卡HDS7000徕卡ScanStation P40徕卡BLK360激光扫描仪,还有徕卡珀加索斯:背包移动映射解决方案。这是地球上最大的3D熔岩管复制品,绘制了5.7公里的洞穴通道。


用最新的激光扫描技术捕捉每一个细节



为了绘制熔岩管系统的地图,他们完成了三次独立的调查和超过440次的扫描。熔岩管系统由不同的部分组成,通过外部崩塌相互连接。这些塌陷被用于洞穴内部外部表面的激光扫描测量的地理参考。这是通过全球导航卫星系统(GNSS)的测量、来自西班牙地质服务局的光探测和测距(LiDAR)数据以及无人机(UAV)沿洞穴路径飞行获得的摄影测量数据实现的。

更具体地说,使用HDS7000绘制了海拔800米的通道,使用ScanStation P40绘制了大约5公里的通道。此外,在PANGAEA-X探险期间,BLK360成像激光扫描仪被部署在大约300米的高空进行扫描。

增加准确性和机动性与徕卡飞马:背包

为了生成更详细的3D地图,我们使用Pegasus:Backpack移动地图解决方案进行了调查。设计用于在地面和地下环境中捕捉3D数据,图像和点云由5个摄像头和2个激光雷达剖面仪收集。它的轻巧和符合人体工程学的结构使团队能够舒适地导航困难的地形,并立即在手持平板电脑上可视化数据。

“由于熔岩管系统的复杂和地下性质,Pegasus:Backpack被部署来获取融合SLAM数据从室外环境开始到结束都有GNSS数据,但主要是在没有卫星覆盖的情况下探索洞穴,”虚拟地理机构Vigea 3D联合创始人、兰萨罗特火山洞穴系统专家Tommaso Santagata解释说。由于任务的最长部分是在没有任何GNSS信息的情况下进行的,数据处理的第二阶段是加强使用SLAM算法记录的路径的计算,以及安装在Pegasus:Backpack上的激光雷达获得的信息。


处理数据并创建最终的3D地图



“在收集了大量的数据——仅原始激光扫描数据就相当于400gb——之后徕卡旋风然后使用3D点云处理办公软件来对齐扫描结果,并处理洞穴的统一点云。“一旦3D地图在单个点云中可用,就会生成带有熔岩管平面图和剖面图的地形图。”此外,这些数据随后被用于与地球上其他熔岩管进行比较,目的是研究月球和火星上类似的特征Autodesk AutoCAD2017软件。

除了科学目的和未来太空任务的培训,这些数据还被用于制作多媒体和互动内容,如视频动画、虚拟现实和桌面应用程序,向更广泛的公众展示Corona熔岩管系统鲜为人知的部分。只有Cueva de Los Verdes和Jameos del Agua的部分对公众开放。此外,该项目的成果在2019年Cabildo de Lanzarote组织的旅游洞穴管理活动中展示,在该活动中安装了虚拟现实支架向公众展示洞穴。


最新的探险进展:支持寻找“吃石头”细菌



2021年春,桑塔加塔回到兰萨罗特,支持一个微生物研究项目。Tubolan项目由塞维利亚自然资源和农业生物学研究所(CSIC)的地球微生物学家安娜·米勒领导,旨在研究兰萨罗特熔岩管系统中的微生物。该团队的发现将有助于那些在月球和火星上寻找生命的人,这两个星球也有熔岩系统。尽管火星和月球上的条件与地球上不同,但从理论上讲,火星和月球的洞穴系统也可以支持化能岩自养微生物,这些微生物通过利用和转化矿物质而生存和生长。在Tubolan项目的框架下,Santagata使用徕卡BLK360进行扫描和360度视频,这有助于研究洞穴的形成,并发现了比以往更多的洞穴地理。令人惊叹的视频片段可以观看VIGEA的YouTube频道

进一步阅读:
(2019)索洛,马西罗尼,马西罗尼(2019)兰萨罗特火山洞穴:了解火山-洞穴形成过程和行星洞穴的自然实验室。兰萨罗特和奇尼霍群岛地质公园:从地球到太空(第125-142页)。施普林格,可汗。

马西罗尼(2020),马西罗尼(2020),马西罗尼(2020),马西罗尼(2020)地球、月球和火星上的熔岩管:通过比较行星学揭示其大小和形态的综述.地球科学评论103288。

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