Universität zu Köln

Studying Martian Dust Devils by Applying Pattern Recognition Algorithms to Multi-Mission Camera Images

Stanzel, Christina (2007) Studying Martian Dust Devils by Applying Pattern Recognition Algorithms to Multi-Mission Camera Images. PhD thesis, Universität zu Köln.

[img]
Preview
PDF
Download (8Mb) | Preview

    Abstract

    A pattern recognition and classification software was developed to detect dust devils automatically in surface images from Mars. The amount of images taken by spacecraft orbiting Mars is increasing continuously and the expenditure of time is too high to search every image for spatially and temporally highly variable features like dust devils. The pattern recognition method was therefore used to conduct a completely new kind of search for dust devils. Images from the three different Mars missions Viking, Mars Global Surveyor and Mars Express can be processed and for the first time automatically scanned for the desired objects. Viking images including dust devils were used as the database to filter unique dust devil features and the derived parameters built the feature vector. Various Classification methods have been tested resulting in a two-layer perceptron (neural network) as the best classifier. Necessary adjustments and increments complete the software so that it can be applied to Mars Global Surveyor Mars Orbiter Camera (MOC), Mars Express High Resolution Stereo Camera (HRSC) and probably coming images from future missions. It was shown that the standard dust devil is filtered and correctly classified. The two main features, the bright spot representing the dust column and the shadow, must be filterable from the background. Crater rims and hills are the most false-positive objects. Three regions, Amazonis Planitia, Syria Planum and Chryse Planitia have been searched for dust devils by applying the software to all HRSC images available for these areas. Together with images where it was known before that dust devils are included, a total of 205 dust devils were analysed. A detailed statistics was prepared listing their diameters and heights, and for the first time the forward speeds of dust devils. The time of day, the season and the locations are noted as well. The mean diameter is 230 m, the height is 660 m on average. They occur from late morning to late afternoon following the daily insolation. Most dust devils have been observed in spring and summer of the respective hemisphere, but formation in autumn and especially in winter was also seen. Dust devils move with the ambient wind, even at high speeds, which were formerly thought to be the reason that dust devil occurrence is suppressed. The computed speeds can be used as an indirect measurement of the near-surface wind speeds. Dust devils evolve wherever the atmospheric conditions are suitable and are not limited to certain regions or altitudes. A preference for dust devil activity can be seen in the 50 to 60 degree latitude range due to the ascending branch of the Hadley circulation. The high frequency of dust devils in the Amazonis Planitia region that was observed before can not be verified so far. The southern part of Chryse Planitia seems to be a region favourably for dust devil formation. The lifetimes of dust devils are a few minutes but increase with larger sizes and were measured up to 30 min. All derived characteristics were used to compute the dust lifting rates by a typical HRSC dust devil, which resulted in most reliable values between 9.39E-04 to 2.35E-01 kg/m2/a. This suggests a significant contribution of dust devils to the dust cycle on Mars. A comparison between dust devils analysed by the rover Spirit and those detected by HRSC revealed that most results complement each other suggesting that future dust devil studies should be performed with both methods, from the surface with a lander and with orbiter images.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Eine Mustererkennungs- und Klassifikationssoftware wurde entwickelt, um Staubteufel automatisch in Bildern der Marsoberfläche zu detektieren. Da die Quantität an Bildern, die Raumsonden aus dem Orbit von Mars aufnehmen, stetig wächst, ist der Zeitaufwand viel zu hoch, um jedes Bild nach räumlich und zeitlich sehr variablen Objekten wie Staubteufeln zu durchsuchen. Aus diesem Grund wurde die Methode der Mustererkennung benutzt, um eine völlig neue Art der Suche nach Staubteufeln durchzuführen. Bilder der drei Marsmissionen Viking, Mars Global Surveyor und Mars Express können prozessiert und erstmals automatisch nach den gewünschten Objekten durchsucht werden. Viking Bilder, die Staubteufel enthalten, wurden als Datenbasis benutzt, um eindeutige Staubteufelmerkmale zu extrahieren und die erhaltenen Parameter bildeten den Merkmalsvektor. Verschiedene Klassifikationsmethoden wurden getestet und ein zweischichtiges Perzeptron (neuronales Netz) erzielte die besten Ergebnisse als Klassifikator. Notwendige Anpassungen und Erweiterungen komplettieren die Software, so dass sie auch auf Mars Global Surveyor Mars Orbiter Camera (MOC), Mars Express High Resolution Stereo Camera (HRSC) und eventuell noch folgende Bilder zukünftiger Missionen angewendet werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass der Standard-Staubteufel gefiltert und korrekt klassifiziert wird. Die zwei Hauptmerkmale, der helle Fleck, der die Staubsäule darstellt, und der Schatten, müssen aus dem Bildhintergrund herausgefiltert werden können. Kraterränder und Hügel stellen die Objekte dar, die am häufigsten als Staubteufel missklassifiziert werden. Die drei Regionen, Amazonis Planitia, Syria Planum und Chryse Planitia, wurden nach Staubteufeln durchsucht, indem die Software auf alle HRSC Bilder angewendet wurde, die diese Gebiete abdecken. Insgesamt wurden 205 Staubteufel analysiert, inklusive Staubteufel aus Bildern, von denen schon vorher bekannt war, dass sie welche beinhalten. Eine detaillierte Statistik wurde erstellt, die Durchmesser und Höhen beinhaltet, und ebenso zum ersten Mal die Vorwärtsgeschwindigkeit von Staubteufeln. Die Tageszeit, Jahreszeit und Ort der Staubteufelentdeckungen sind ebenfalls erfasst. Der mittlere Durchmesser beträgt 230 m, die Höhe ist im Mittel 660 m. Das Staubteufel-Vorkommen richtet sich nach der täglichen Sonneneinstrahlung und beginnt am späten Vormittag und reicht bis zum späten Nachmittag. Die meisten wurden im Frühling und Sommer der jeweiligen Hemisphäre beobachtet, aber ihre Enstehung wurde ebenso im Herbst und speziell auch im Winter gesehen. Staubteufel bewegen sich mit dem Umgebungswind vorwärts, sogar bei hohen Windgeschwindigkeiten, was früher als Hinderungsgrund verstanden wurde, dass Staubteufel sich überhaupt bilden können. Die berechneten Staubteufel-Geschwindigkeiten können als indirekte Messungen der bodennahen Windgeschwindigkeiten gesehen werden. Staubteufel entwickeln sich, wo immer die atmosphärischen Bedingungen günstig sind, und beschränken sich nicht auf bestimmte Gebiete oder Höhenlagen. Ein Vorzugsgebiet für Staubteufelaktivität scheint es allerdings zwischen 50 und 60 Grad südlicher Breite aufgrund des aufsteigenden Astes der Hadley-Zirkulation zu geben. Das zuvor beobachtete häufige Vorkommen von Staubteufeln in Amazonis Planitia konnte bis jetzt nicht bestätigt werden. Der südliche Teil von Chryse Planitia scheint eine Region zu sein, die sich vorteilhaft auf die Entstehung von Staubteufeln auswirkt. Die Dauer von Staubteufeln beträgt nur ein paar Minuten, wächst aber mit der Größe an und erreichte bis zu 30 min. Alle ermittelten Staubteufel-Merkmale wurden benutzt, um die Staubheberate eines typischen HRSC Staubteufels zu berechnen. Die verlässlichsten Werte ergaben 9.39E-04 bis 2.35E-01 kg/m2/a. Dies weist auf einen deutlichen Beitrag zum Staub-Zyklus auf dem Mars durch Staubteufel hin. Ein Vergleich zwischen Staubteufeln, die vom Rover Spirit fotografiert wurden, und denen, die von HRSC gesehen wurden, ergab, dass sich die meisten Ergebnisse ergänzen. Dies impliziert für die Zukunft, dass Staubteufel am besten mit beiden Methoden untersucht werden, von der Oberfläche aus mit einem Lander und mit Bildern aus dem Orbit.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Stanzel, Christinastanzel@geo.uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-21865
    Subjects: Earth sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Mars , Staubteufel , Planeten , MeteorologieGerman
    Mars , Dust Devils , Planets , MeteorologyEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Geophysik und Meteorologie
    Language: English
    Date: 2007
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 28 October 2007
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 10 Dec 2007 08:22:54
    Referee
    NameAcademic Title
    Pätzold, MartinPriv.-Doz. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2186

    Actions (login required)

    View Item