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。     

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。     

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。     

月球软着陆点的选择与几个预选点的初步对比分析

月球软着陆探测是中国二期探月工程的主要目标,软着陆点的选择是工程实施与科学目标能否顺利完成的关键之一。克里普岩对于研究月球的起源和演化有重要意义,但由于该岩石被玄武岩所覆盖,难以利用轨道探测器开展全面深入的研究。撞击坑是研究月表以下物质成分的窗口,在克里普岩区选择条件合适的撞击坑开展软着陆探测有助于对克里普岩的深入研究。在克里普岩区选取Copernicus、Kepler及Aristarchus 3个撞击坑作为预选着陆点,并利用嫦娥一号CCD数据、LIDAR数据以及Clementine UV/VIS/NIR数据从月形月貌特征和物质组成两个方面对预选点进行了初步对比分析,以期为我国二期探月工程提供参考与依据。     

单张影像月球着陆区选取技术

提出了一种基于单张影像的月球着陆区快速选取方法.首先在分析月面光照成像模型基础上,提出了一种新的改进的光照模型和一个新的约束条件,采用明暗恢复形状(SFS)算法得到月面3维形貌;然后综合影像和得到的3维形貌,计算月面地形粗糙度,采用两步筛选的方法,选取着陆区域.实验结果表明,该方法较好地实现了着陆区的选取.     

融合嫦娥一号CCD影像与DEM数据的月球撞击坑自动提取和识别

针对现阶段月球撞击坑定量信息提取不足和误提取的问题,本文提出了一种融合CCD影像和DEM数据进行撞击坑的自动提取及识别的算法。（1）在太阳光照下,撞击坑的影像特征满足特定的规律,通过条件匹配在CCD影像中提取撞击坑;（2）在DEM中,利用撞击坑坑壁点的坡向值的连续性,对影像中误提取的撞击坑进行剔除;（3）在DEM中,利用撞击坑边缘点法向量的突变性,提取撞击坑边缘点并进行拟合,计算撞击坑的参数,通过坑底点云所占比例以及剖面线特征识别撞击坑的类型。经过“嫦娥一号”影像与DEM数据的验证,该算法在高纬度月球撞击坑分布均匀的区域应用效果较好。     

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。     

顾及月表铁元素含量的次生撞击坑识别

在对月表地质单元定年时,由于月球岩石、土壤和岩心样品数量有限,能够利用这些样品做同位素定年的地质单元范围很小,因此更大范围的月球表面的绝对年龄需要采用撞击坑尺寸频率定年法(crater size-frequency distribution,CSFD)测定.然而月球表面次生撞击坑的存在会导致CSFD得到的定年结果出现偏...     

月球地形测绘和月球大地测量(4)

主要介绍了美国在20世纪70年代著名的"阿波罗(Apollo)"登月项目,和90年代的"克莱门汀号(Clementine)"、"月球探测(LunarProspector)",以及欧共体的"SMART-1"探月航天器。1969年至1972年间阿波罗项目前后进行了17次环绕登月的各种试验,其中有6次成功登月。它们分别是"阿波罗"11,12,14,15,16,17号。"阿波罗"和以后的探月项目向科学家提供了大量的月球数据,其中有影像资料,月面和环月试验的成果,同时还进行了样本收集、月面及其周围环境的地学勘测和月球大地测量等各项工作。     

DEM Generation for Lunar Surface using Chandrayaan-1 TMC Triplet Data

Digital Elevation Model (DEM) is an important prerequisite for understanding the lunar surface. However, making accurate DEM is a very challenging task due to (a) lack of support of projection parameters in COTS packages (eg. PCI Geomatica), which are to be used in generation of Lunar DEM and (b) unavailability of Ground Control Points (GCPs). In the present study, DEM generation of lunar surface was attempted without GCPs using Rational Function (RF) model from Chandrayaan-1 TMC triplet images. In the study, a good correlation (of almost same order) is observed between Nadir-Fore (NF), Nadir - Aft (NA), Fore - Aft (FA) and Fore - Nadir - Aft (FNA) image pairs. The results suggest that DEM for lunar surface can be created without GCPs using RF model.     

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。     

中国月球地形制图研究进展

月球地形制图是了解月球形貌构造,开展月球工程探测及科学研究的基础性工作。自从发射嫦娥一号月球探测卫星以来,中国正式步入月球与行星制图研究的行列。首先,回顾了国内外月球探测与地形制图的基本情况;然后,结合中国嫦娥工程中在月球地形制图领域的研究工作,从月球地形制图标准体系建设、月球地形制图产品研制、月球地形制图理论及技术研究3个方面介绍了中国在月球地形制图领域开展的研究进展和取得的初步成果;最后,总结了当前月球地形制图研究领域中存在的关键理论和技术难题,并探讨了下一步亟需开展的研究工作,可为中国未来的月球地形制图研究提供借鉴。     

月球圈层空间立体网格技术研究

选定月固坐标系为月球圈层空间网格的坐标基础,根据月球结构及其人造月球卫星轨道分布情况划分月球基准圈层面,采用剖分曲线l和b对月球圈层面进行层次细分,实现对圈层面层次细分。然后,结合圈层径等距细分对月球圈层体进行层次细分,实现对圈层体层次细分,建立月球圈层空间立体网格模型。采用Hilbert曲线填充算法,实现对月球圈层网格统一编码,编码效率较高,为网格数据组织奠定基础。     

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。     

月球制图的投影选择与设计

月球地图投影是月球地图数学基础的主要内容,月球地图投影选择与设计是月球测绘的基础性和前瞻性工作.本文提出了月球地图投影系统设计的基本原则,选择与设计了适应月球全球、月球区域、月球大中比例尺的多层次、多尺度、多类型的月球地图投影系列,初步构建了月球地图投影的基本框架.     

全月球撞击坑的空间分布模式

以基于嫦娥探月工程公开数据识别的全月球直径大于500 m的106 016个撞击坑为研究对象,划分月海、月陆、经向、纬向研究区域,采用核密度估计与Ripley's K函数的规格化函数-L函数相结合的GIS点模式分析方法,研究全月球撞击坑的空间模式。研究结果表明,全月球撞击坑分布形成了三个聚集中心,南北两极核密度低,东半球核密度高,西半球核密度低,北半球核密度高,南半球核密度低;月陆地区的核密度大于月海地区的核密度,在撞击坑直径范围1~500 km范围内,月陆地区的撞击坑数量是月海地区平均水平的5倍;全月球撞击坑的L（d）曲线随距离变化的过程中在总体上呈现先增后减的态势,经向、纬向研究区位在不同空间尺度上的聚集程度存在差异。     

月球地形测绘和月球大地测量(5)

主要介绍月球地形测绘和月球大地测量的情况。第一部分论述了月球大地测量(Selenodesy)的定义和方法。月球大地测量的一个特点是它的观测数据绝大部分都要依靠航天探测器或环月、绕月卫星来获取。月球大地测量的内容可以考虑有三个方面:一是在月球上给出一个有确定定义的坐标参考系,并在其中布测一个控制网;二是确定这一月球参考系的大地测量几何和物理常数;三是求定月球的外部重力场。第二部分介绍月球地形测绘。重点介绍了月球地形的特点,它大体分为月海、月陆、环形山等三种类型。     

An Approach to Single Image Automatic Orientation and Point Determination by Using Ortho-Images and a Dtm

This paper describes an approach to single image automatic orientation and point determination by using current ortho-images and a DTM, and the experience gained in its implementation. The procedure proposed automatically extracts and matches feature points in evenly distributed patches on aerial images and ortho-images. A large number of image measurements (up to several thousand) are obtained in this process and are included in a robust space resection to determine the orientation parameters of the aerial image. For point determination with a single image, a method is formalised which integrates the DTM interpolation into the space resection so that the 3D ground coordinates of the image points can be determined in a unified mathematical model. Tests and analyses of this method show that the large number of automatic image measurements relieves the requirement for complicated and precise feature extraction and matching methods. The ground points obtained from single image intersection have an accuracy of approximately 1 pixel in planimetry, which fulfils the requirement for ortho-image updating. The elevation accuracy is mainly dependent on the quality of the current DTM and the interpolation method applied to it.     

月球航天探测和月球测绘

对月球航天探测的主要情况作了回顾,概要介绍月球地形测绘和月球大地测量.首先介绍月球大地测量(Selenodesy)的定义和方法.月球大地测量的特点是它的观测数据绝大部分都要依靠航天探测器或环月、绕月卫星来获取.月球大地测量的内容可以考虑有三个方面:一是在月球上给出一个有确定定义的坐标参考系,并在其中布测一个控制网;二是确定这一月球参考系的大地测量几何和物理常数;三是求定月球的外部重力场.最后概述月球地形测绘的特点.     

一种基于嫦娥一号CCD影像的影像匹配方法

月球测绘是完成月球探测任务的基础保障。这里提出了一种适合于CE-1获取的CCD影像的多尺度约束自动匹配方法。首先利用SURF算子提取影像上特征点;然后进行基于准核线和最小欧式距离约束的影像匹配;最后采用随机采样算法对误匹配点进行剔除而得到同名点信息。实验结果表明,该匹配方法提取的同名点有利于CE-1月球影像DEM的生成。