月球地形数据介绍（LOLA）

LOLA介绍

目前最新的月球地形高程数据来源于美国2009年发射的LRO探测器。

“月球勘测轨道器”(Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO)是NASA“机器人月球探测计划”的首个探测器，于2009年6月18日用宇宙神-5运载火箭发射。任务目标是绘制月球特征和月球资源网，用于未来月球前哨站的设计和建造。此外探测器还进行安全着陆地点的选择、月球资源的鉴别、月球辐射对人类的影响研究以及新技术验证等，探测器由NASA戈达德航天飞行中心(GSFC)研制，整个项目耗资约4.91亿美元，其中发射成本为1.36亿美元。

LRO任务中搭载的"月球轨道激光高度计"LOLA（Lunar Orbiter Laser Altimeter）的主要目标是测量月球表面的高度和地形。它通过发射激光脉冲并测量脉冲返回的时间来确定激光束到达月球表面和返回的时间差，从而计算出地面的高度。

下面是LOLA的一些特点和功能：

1. 测量精度：LOLA的测量精度非常高，可以测量月球表面的高度差异至少为10厘米。这使得LOLA成为研究月球地形和地貌的重要工具。
2. 数据分辨率：LOLA的数据分辨率为约5米，这意味着它可以提供非常详细的月球地形数据。
3. 应用领域：LOLA的测量数据经过严格的校准和验证，以确保其准确性和可靠性。这些数据被广泛应用于研究月球的地质演化、撞击坑形成、地壳构造等问题。它还为未来的月球探测任务提供了重要的地形和地貌信息。

地形数据通常以栅格形式存储（即通常的栅格数据），其中每个栅格单元（对应一个经纬度）都包含一个高程值。这些高程值可以用来创建三维地形模型，使科学家和研究人员能够对月球表面进行可视化和分析。

LOLA数据的处理与发布

LOLA地形数据的处理与发布主要为以下几个流程：

• 数据预处理：LOLA获取的原始数据可能需要进行预处理，包括数据格式转换、噪声去除、校准和地理定位等操作。这些步骤旨在提高数据质量和可用性。

• 数据处理和分析：经过预处理的LOLA数据可以进行进一步的处理和分析，以获得特定的科学或地理信息。例如，可以进行地形高程模型的生成、重力场分析、地质特征提取等。

• 数据产品生成：处理完的LOLA数据可以生成各种数据产品，如高程图、重力场模型、地质特征图等。这些产品通常以标准格式（如GeoTIFF、ASCII）或特定的数据格式（如PDS）发布。

• 数据发布和共享：LOLA数据和相关的数据产品可以通过研究机构的网站、数据中心或专门的数据共享平台进行发布和共享。这些平台通常提供数据下载、搜索和浏览功能，以方便用户访问和使用数据。

• 数据文档和元数据：LOLA数据的处理和发布通常伴随着相应的数据文档和元数据的生成。这些文档包括数据集的描述、数据处理方法、坐标系统、单位等信息，以帮助用户理解和正确使用数据。

数据类型和格式

在NASA的PDS系统中可以查询与下载相关的LOLA数据，数据类型主要包含以下几种：

1）EDR：实验数据记录（Experiment Data Record），即原始数据。
2）RDR：减少数据记录（Reduced Data Record），即经过校准和地理定位的数据。
3）GDR：网格数据记录（Gridded Data Record），即以网格点形式呈现的栅格数据。

对于大部分常规用户来说使用的为GDR数据。在网站上，通常提供IMG和JP2两种格式的数据供用户下载。

• IMG：GDR产品中使用的文件格式，代表标准的PDS图像存档格式，是一种包含16位有符号整数（数值范围:-32,768到32,767）的简单二进制数组，没有头部、压缩或其他特殊格式。每个IMG文件都有一个相同名称但扩展名为.LBL的PDS标签文件来描述该文件（.LBL文件是文本文件）。
• JP2：GDR产品中使用的文件格式，代表JPEG2000文件，为了方便与常用的地图制作软件工具配合使用。可以在JP2INFO.TXT中了解更多关于这种格式的信息。JP2文件也有PDS标签。
  AUX.XML：每个JPEG2000产品都附带一个名为[product]PPD_AUX.XML（用于圆柱投影）或[product]MPP_AUX.XML（用于极地投影）的文件。这个非常简短的XML文件包含某些地图程序（如ArcGIS、GDAL和Global Mapper）用于显示图像的信息。必须将其下载到工作目录并重命名为[product]PPD.JP2.AUX.XML或[product]MPP.JP2.AUX.XML，以使软件能够识别该文件。

通过提供IMG格式，用户可以直接访问原始的16位有符号整数数据，并使用PDS标签了解数据的详细信息。而JP2格式则更适合在流行的地图软件工具中使用，因为JPEG2000格式在图像压缩和展示方面具有较好的性能和广泛的支持。因此，用户根据需要选择IMG或JP2格式的数据。

投影坐标系

在LOLA数据中，主要采用" simple cylindrical projection"（简单柱面投影）和" polar stereographic projection"（极方位立体投影）两种投影坐标系，在PDS数据中常简称为“cylindrical”和“polar”。其中，月球全球区域的地形数据一般采用“simple clylindrical projection”，月球南北极的地形数据采用“polar stereographic projection”，在下载数据的时候需要注意这两者的含义和区别。

SIMPLE CYLINDRICAL

它是一种简化的柱面投影，也是常用的等距柱面投影（equidistant cylindrical projection）。在Simple Cylindrical投影中，地球或其他行星的经度和纬度坐标被映射到图像的x和y坐标上。在投影系中，经度线和纬度线是相互垂直，且间距相等的。对于全球范围而言，经度是纬度的2倍，因此对应的栅格数据的宽度（经度）是高度（纬度）的两倍，见下图。

简单柱面投影的定义包括以下参数：

• 原点经度（Center Longitude）：确定投影的中央经度，通常选择行星表面的一个特定经度作为原点。
• 比例因子（Scale Factor）：用于控制地理坐标与图像坐标之间的比例关系，以确保地理位置在图像中的投影保持尺度一致。
• false_easting和false_northing：这些参数用于在x和y方向上对坐标进行平移，以确保投影后的图像在给定的图像坐标系中的位置

POLAR STEREOGRAPHIC

极方位立体投影（Polar Stereographic Projection）主要用于将地球或其他行星的极区域（北极或南极）投影到一个平面上。

极射影投影通过将地球表面的经纬线投影到以极点为中心的平面上，来实现对极区域的表示。在极射影投影中，极点是投影的中心，极线（经线）是从极点出发的线，而纬线则变成从极点出发的弧线。


极射影投影的定义包括以下参数：

• 中央经度（Central Meridian）：确定投影的中央经度，通常选择极区域的一个特定经度作为中央经度。
• 纬度原点（Latitude of Origin）：确定投影的纬度原点，即极点所对应的纬度。
• 比例因子（Scale Factor）：用于控制地理坐标与投影坐标之间的比例关系，以确保地理位置在投影中的尺度一致。
• false_easting和false_northing：这些参数用于在x和y方向上对坐标进行平移，以确保投影后的图像在给定的图像坐标系中的位置。

极射影投影在极区域附近具有较小的形变，并且能够保持极点附近的角度和形状。然而，随着距离极点的增加，形变逐渐增大。

数据下载与浏览

LOLA数据可通过PDS网站下载，其中GDR数据可通过以下两种方式获取：

1. 列表方式或ftp方式
   https://pds-geosciences.wustl.edu/lro/lro-l-lola-3-rdr-v1/lrolol_1xxx/DATA/LOLA_GDR
   列表或ftp方式直接以文件夹方式将所有的数据显示出来，用户根据需要点击进去响应的目录。数据类型包含JP2、IMG、Float等格式。
   
2. 网页浏览方式
   https://pds-geosciences.wustl.edu/lro/lro-l-lola-3-rdr-v1/lrolol_1xxx/BROWSE/LOLA_GDR/
   网页方式可以浏览地形的预览图，并根据不同的精度选择下载对应格式的数据。下图给出了南极（“极方位立体投影”）的地形数据，对于-87.5°以上的范围，分别给出了5mpp、10mpp和20m三种分辨率，对应的数据格式有JP2和IMG两种（包含对应的LBL文件）。
   
   注意，以上两种下载方式的数据源都是同一个数据。每一个GDR数据都提供不同分辨率，分辨率越大，则数据量越大。