遥感制图与导航定位技术在嫦娥三号遥操作中的应用

系统介绍了嫦娥三号遥操作中基于影像的遥感制图与导航定位技术的应用方法。利用降落相机序列影像实现了嫦娥三号着陆器在嫦娥二号卫星影像上的高精度定位,并生成了着陆区高精度3维制图产品;利用导航相机立体影像生成巡视器周围地形产品,采用站间影像匹配定位和DOM匹配的方式实现了玉兔号月球车的连续高精度定位;将高精度的定位结果和制图产品应用于月球车遥操作任务规划中,为月球车的安全行驶和科学探测提供了精准的定位和3维地形信息。月球车月面巡视探测工作的顺利完成,验证了这些应用技术的可靠性。     

基于“嫦娥”卫星三线阵CCD立体相机的月球表面三维建模

＂嫦娥＂卫星三线阵CCD立体相机是实现月表地形观测的重要荷载,其以前、正、后视3种视角对月表进行连续扫描,获得南、北纬70°范围内3种不同倾角的二维推扫影像。在无月面控制点、卫星位置和姿态数据的条件下,基于数字摄影测量理论提出一种建立月表三维模型的方法：通过影像匹配获得前、正、后视二维推扫影像中的立体像对的像点坐标,在此基础上结合用准控制点后方交会解得的嫦娥卫星的空间位置和姿态数据,通过前方交会的方法解算出像元对应月面点的月球表面数字高程模型（DEM）径向高度数据,进而得到月表高程拟合模型、等高线分布图等,实现月表三维模型的建立。     

《基于明暗恢复形状的月面地形恢复》内容简介

正探月工程是中华民族历史上重大的科技工程之一。为了实现探月二期的科学与工程目标、保障月面巡视探测器安全的路径规划和实施高效的科学探测,着陆区和巡视探测区高精度的地形信息将发挥至关重要的作用。本书结合下降序列影像匹配与基于明暗恢复形状(SFS)技术完成三维地形恢复算法。算法提出了SFS反射方程的特征边缘约束条件,并以下降序列影像得到的匹配点作为控制点,对     

基于嫦娥二号数据的高分辨率影像拼接方法研究

以嫦娥二号(CE-2)DOM数据为几何纠正和色调调整底图,采用SIFT自动匹配算法实现影像精纠正,并提出一种基于直方图匹配思想的线性变换色调调整方法,最终完成嫦娥三号(CE-3)着陆区高分辨率窄角相机(LROC-NAC)影像快速拼接,为着陆点周围的地形地貌和地质构造综合分析提供数据.结果表明,该方法解决了LROC-NAC高分辨率影像快速拼接关键问题,实现了色调连续、纹理清晰、地物完整的拼接效果,具有较高的应用价值.     

基于降落相机图像的嫦娥三号着陆轨迹恢复

嫦娥三号降落相机在探测器实施软着陆的过程中获取了大量序列月面图像,这些图像不仅为公众提供了可视化的着陆过程,而且为着陆器在卫星遥感影像上的高精度定位提供了数据基础。在分析这些序列图像成像几何特性的基础上,提出一种利用降落序列图像进行嫦娥三号着陆器轨迹及姿态恢复的方法。首先通过序列影像进行自由网平差,建立各降落影像及月面的相对位置和姿态关系;然后通过量测卫星遥感影像及降落影像上月面标志物的尺寸,求解出建立的相对模型的尺度,从而恢复出序列降落影像在着陆过程中的带尺寸的位置和姿态;最后通过降落影像的密集匹配,完成着陆区域月表3维模型的重建。本文充分挖掘了降落相机的应用潜力,为嫦娥三号着陆任务中后续科学探测工作提供了高精度的数据支持。     

PS InSAR公共主影像优化选取的一种新方法

在原有的公共主影像优化选取模型的基础上,对影响干涉图相关性的3个主要参数进一步综合优化,提出并实现了一种基于三基线和最小的公共主影像优化选取新方法。理论分析和实验结果表明,与原有方法相比,新的公共主影像优化选取方法简单、可行,选取的公共主影像合理、准确。     

一种基于胡克定律的PS-InSAR公共主影像选取新方法

针对现有的PS-InSAR公共主影像选取方法未考虑时间基线、空间垂直基线和多普勒质心频率基线之间相关性对影像相干性影响的问题,该文基于物理学领域的胡克定律提出了一种利用三维弹力结构模型实现PS-InSAR公共主影像选取的新方法。模型依据三基线间的余弦夹角构造基线向量,将3个失相干因素的相干性测度进行三维映射以构建三维弹力空间,通过研究弹力大小和方向的变化实现主影像的选取。为验证三维弹力结构模型的有效性,论文选用Sentinel 1A和ENVISAT ASAR两种数据源,分别利用三维弹力结构模型、三基线和最小模型和综合相关函数模型进行主影像选取和干涉处理。研究结果表明：相较于另外两个模型,该文提出的三维弹力结构模型得到的干涉图干涉条纹清晰,相干系数均值更大,相干系数值较大的像元占比更高,采用相干系数法得到的PS点数量更多,形变反演精度较高,因此三维弹力结构模型能够有效应用于PS-InSAR公共主影像的选取。     

一种结合语义分割模型和图割的街景影像变化检测方法

由于街景影像具有地物尺度多样化、地物界限不明确、地物光谱信息复杂等问题,造成应用统计方法、机器学习等方法对复杂度高的街景影像变化检测性能欠佳. 因此提出一种结合语义分割模型和图割（GC）的街景影像变化检测方法. 该方法首先采用Camvid数据集训练DeeplabV3+网络得到的迁移学习模型对两个时期的街景影像进行语义分割;然后采用GC方法实现消除天空和植被等对街景影像的影响;接着采用变化向量分析（CVA）获取差异影像,最后对差异影像进行二值化和精度评价. 研究结果表明,提出的方法总体精度优于大津法（OTSU）、K均值法、Segnet网络迁移学习模型方法和DeeplabV3+网络迁移学习模型方法,是一种可行的街景影像变化检测方法.      

基于RPC近似核线约束的CE-1影像匹配方法

"嫦娥一号"(简称CE-1)是中国自主研制并发射的首个月球探测器,卫星搭载的传感器是一个三线阵CCD立体相机,其主要科学目标是获取月球表面三维影像。根据三线阵影像以及月面影像的特点,为了能够得到密集度较高且分布均匀的同名点对,采用了一种基于RPC近似核线约束的影像匹配方法,结果表明基于核线约束的影像匹配方法较之传统二维影像匹配总体耗时短且具有较高的精度与可靠性。     

改进SFS的月面撞击坑三维恢复算法研究

为了实现探月二期中单幅影像条件下的月面撞击坑三维地形恢复,文章基于Lommel-Seeliger反射模型,提出了正则化约束的明暗恢复形状(SFS)三维恢复算法,以特征边缘线点的梯度比例作为起算,演化得到撞击坑内部所有点的梯度比例,实现了反射方程的正则化.采用实际月面撞击坑影像和模拟影像验证分析,结果证明本文提出的算法优于Tsai算法,能够有效地实现月面撞击坑地形的三维恢复.     

月表空间环境因子动态建模驱动的探测区选取

针对在复杂的月表环境下及时高效地选择合适的探测区域这一问题,考察已有的月球探测研究资料,分析了可能影响到科学探测的月球空间环境因子,在此基础上开发了一个可对环境因子动态建模并应用模型自动选取探测区的GIS系统。基于该系统,构建了一个针对嫦娥三号着陆区附近探测区域选取的评价模型,并将其成功应用于嫦娥三号巡视器科学探测目标的选取工作。     

月球表面实时温度模型

国外相关研究结果表明,月球表面的光度学稳定度可达10^-8/年,是自由空间内稳定的辐射参考源,可用于星载遥感仪器的外定标。与基于地球表面目标观测的在轨定标方法相比,最大的优势在于在轨月球观测信息中没有大气辐射的贡献,大气窗区和非窗区处理方式几乎一致。同时,作为整体发射率稳定的自然天体,月球表面的温度范围在90—390 K之间,完全满足通常对地观测探测的动态范围要求。月球复杂的表面辐射特性,是制约对月定标技术发展的主要原因之一。月球表面辐射特性与月表发射率、月表温度密切相关。月表温度分布是月球重要的热物理参数之一,是月球表面热演化模型的必要边界条件,同时也是研究月球表面发射谱的关键参数。获取月表温度的方法大致可以分为两大类：直接测量温度数据和建立物理模型预测。直接测量温度数据又可以细分为下面3种方法：地基遥感测量、绕月探测卫星遥感测量、登陆月球直接测量表面温度。地基观测的空间分辨率很低,只能反映出一大片区域的平均温度;另外两种方法花费巨大,且不能对全月的温度变化进行长期的观测。月表温度物理模型基于热传导理论,结合月壤样本的热物理参数,将月球当成半无限固体,根据Stefan-Boltzmann定律和能量守恒定律,得到月表物理温度和太阳辐照度、月球内部热流的关系。太阳辐照度是月表温度分布的最重要的因素。本文以天文计算为基础,准确描述月表有效太阳辐照度与太阳常数、太阳辐射入射角以及日月距离之间的关系,建立一个可以计算任意时刻、任意经纬度坐标点的月表温度模型,从而有助于准确描述月表辐射特性。与风云二号G星的观测结果对比,该模型可以准确描述月相的变化。阿波罗15号首次开展了一系列探索月球的科学试验,其中在登月点附近开展的月表热流试验是ALSEP（Apollo Lunar Surface Experiments Package）的重要组成部分。月表热流试验提供了登月点附近长时间的月表温度数据,通过与阿波罗15号实测数据进行对比,当太阳高度角大于0°时,该模型可以准确描述月球表面的温度变化;当太阳高度角在一定范围内时,模型的温度误差在1 K以内。     

Automatic Graben Detection in Lunar Images Using Hessian Technique

Lunar surface exploration is increasing rapidly with priority being given to precision of lunar soft landing. Lunar soft landing is achieved when craters and grabens are used as navigational landmarks. Grabens are formed from localized tensional stress fields or from near-surface dike emplacement. These tectonic features tend to have consistently straight or accurate parallel-striking walls bounded by steep, inward-dipping normal faults. Aiming at navigational application, a novel approach for automatic graben detection based on Hessian technique has been implemented on Digital Terrain Model (DTM) of lunar image. The Hessian technique uses gradient change as a key parameter to identify grabens. Adaptive Binarization using Otsu method is used to extract graben features from the Hessian image. Features such as small grabens and craters are removed using morphological operations, resulting in significant appearance of grabens. The experiment is conducted in different DTM images of lunar surface and the results indicate 90 % of the grabens are detected. The statistical results are evaluated based on visual interpretation, for both automatic and manual graben detection. It is observed that the proposed automatic graben detection technique gives better results than the manual detection.     

嫦娥二号影像密集匹配及DEM制作方法

嫦娥二号卫星搭载了一台两线阵CCD立体相机,以线阵推扫成像方式获取了覆盖全月球的7 m分辨率影像。与嫦娥一号影像相比,影像分辨率大大提高,月表地貌细节更加丰富,制作高分辨率月表DEM更加复杂而困难,现有的基于嫦娥影像制作方法难以满足应用需求。针对嫦娥二号影像特点,在基于RPC模型生成近似核线影像基础上,进行金字塔影像匹配,实现了原始影像的逐像素匹配;计算匹配点的月面坐标后,采用基于反距离插值方法生成月表三维地形;对于图像阴影等地形漏洞,采用基于径向基函数进行插值填补。试验结果表明,该方法生成的月表三维地形DEM数据,能准确真实地表达高分辨率的月表地形地貌细节,并较好地应用于嫦娥二号全月球三维地形DEM数据产品的生产任务中。     

月球遥感制图回顾与展望

对月球探测任务、月球遥感制图技术与产品进行综述。从1958年开始,全世界已开展126次(其中70次成功)月球探测工程任务,其中月球遥感制图是其必需的基础性工作。由于月球环境的特殊性,其遥感制图技术与对地观测制图相比具有很大的挑战和更大的难度。目前,中国嫦娥二号轨道器获取的7 m分辨率立体影像是覆盖全月球分辨率最高的立体影像数据,美国月球侦察轨道器LRO任务的激光雷达高度计LOLA数据是精度和密度最高的激光测高数据,LRO NAC影像的分辨率最高(0.5—2 m)但未覆盖全球。在各个探测任务中,基于月球遥感数据和摄影测量技术,已经制作了大量的全球及区域的影像拼图、正射影像图和数字高程模型等制图产品。对月球遥感制图技术发展进行展望,探讨了利用国际多探测任务数据建立新一代控制网和进行精细制图的必要性及技术思路。     

月面巡视探测器立体影像的多核CPU并行快速匹配

月面巡视探测器立体影像的摄影测量处理是获取月面三维信息实现巡视器定位导航的重要手段之一。影像匹配是地面近景摄影测量实现自动化处理的关键,本文研究了基于积分影像的单机多核并行匹配算法,实现了月面巡视器模拟影像的快速匹配。试验表明该方法能显著地缩短匹配时间,达到较高的加速比和效率。     

面向区域成像任务的环月卫星侧摆角优化方法

面向月表大区域成像任务需求，提出了拼接成像侧摆角优化方法。针对区域覆盖率计算，提出了基于矢量多边形逻辑运算的成像覆盖率快速计算方法，可在保证计算精度的同时降低计算复杂度；构建拼接成像任务侧摆角优化模型，采用基于sigmoid函数的自适应遗传算法求解；并采用两组仿真数据验证了该优化算法的可行性。     

一种基于三维形貌的深空星体表面撞击坑自动提取方法

类地深空星体表面撞击坑的自动提取对着陆区选择、自主导航、星体演变研究具有重要意义。以三维形貌数据为基础,提出了一种基于等值线关系分析与形态学精确拟合的深空星体表面撞击坑自动提取方法。首先,从三维形貌数据中提取并保留满足圆度约束的等高线;其次,依据撞击坑的空间形态特征,分析这些等高线之间的相互关系,以初步确定撞击坑的位置;最后,应用形态学分析方法精确确定它们的边缘和位置信息。以月球月海带区域和火星水手峡谷东部区域的DEM数据进行实验,结果表明该方法与传统的撞击坑提取方法相比,具有更高的正确率、稳定性和实时性。     

基于局部坐标系的嫦娥二号月面影像自动拼接方法

针对嫦娥二号影像分辨率高、数据量大的特点,提出了一种新的投影坐标系-局部坐标系。该坐标系建立过程简单,便于数据管理,投影后的影像变形极小。通过转换可将单轨的DOM和DEM进行分解,并生成各局部坐标系对应的分块DOM和DEM。创建了分块数据后,基于重叠影像同名像点,以有理多项式作为校正模型,采用一种全局优化方法来校正重叠影像坐标偏差,使校正后各影像能够很好地配准。校正只在影像子网内进行,各子网间互不影响,有效地控制了误差的传递。实验表明,该拼接方法可以在微机上有效地对海量月表影像进行拼接处理,并达到很好的拼接效果,最终生成全景三维月图。