【微课堂】月球遥感制图技术回顾

原创 radi 空天信息

从1958年开始至今，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，我国嫦娥二号轨道器获取的7m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LRO任务的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 - 2m)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。

月球遥感制图对于研究月球的形貌特征、地质构造及其演化历史具有重要的科学意义；同时，探月工程任务科学目标的制定、着陆区选择、着陆后探测目标的选择及高效安全探测等都有赖于遥感制图的成果及技术支撑。

由于月球卫星轨道和姿态测量精度低、难以获得控制点、无卫星导航定位设施、表面环境荒芜等受限条件，月球遥感制图与对地观测制图相比具有很大的挑战和更大的难度。

本期【微课堂】具体介绍国际国内月球探测任务的月球遥感制图技术及制图成果。

月球遥感制图技术

一、月球坐标系统建立

月球的全球坐标系可以分为惯性坐标系和月固坐标系两类，惯性坐标系用于确定飞行器的位置和姿态，月固坐标系用于对月球面特征进行定位和制图。J2000月心惯性坐标系以月球质心为原点，X、Y、Z三轴指向分别平行于J2000地心惯性坐标系X、Y、Z三轴指向的右手直角坐标系。月固坐标系又分为月固直角坐标系和月固大地坐标系两种。月固直角坐标系中较为常用的是平地球/极轴坐标系,该坐标系以月球质心为原点，月球赤道面为基本平面，X轴在基本平面内指向本初子午线与基本平面的交点，Z轴垂直于基本平面指向北极，Y轴与X和Z轴组成右手直角坐标系。月固(月球)大地坐标系以月球质心为原点，月球赤道面为基本平面，用大地经度、大地纬度和大地高表示月面点位置的坐标系。月固坐标系和惯性坐标系间的关系可由月球旋转参数确定。

二、控制网建立

月球全球控制网是月球探测制图的控制基准，也是对月球进行形貌研究的重要基础数据。目前国际上通用的月球全球控制网是统一月球控制网2005(Unified Lunar Control Network 2005，ULCN 2005)。ULCN 2005是1994年建立的统一月球控制网(ULCN)和1997年建立的克莱门汀月球控制网(Clementine Lunar Control Network，CLCN)的集成与升级，包含了43,866幅克莱门汀影像以及早期的阿波罗、水手10号、伽利略号等影像，共 272,931个三维控制点(影像中的连接点)，采用摄影测量区域网平差的方法解算影像姿态的改正值及影像连接点的三维坐标，其水平精度为100 m至几km，垂直精度约100 m，这是当时国际上最大规模的行星控制网。

三、摄影测量几何模型与区域网平差技术

月球轨道器的严格几何模型一般采用基于共线方程的数学模型，其建立过程分为内定向和外定向。内定向指的是由各CCD影像上的像点坐标(像点行列号)转换成以像主点为中心的焦平面坐标的过程；外定向则是指由影像焦平面坐标经一系列坐标转换得到月固坐标系下地面点坐标的过程。目前针对轨道器遥感影像的区域网平差处理主要以共线方程的严密成像几何模型为基础，建立各传感器的成像参数精化模型，并辅助激光高度计数据、DEM等已有的地形产品进行最优参数估计的平差解算。由于平台及传感器的不同，平差方法与平差细节也各有差异。

以有理函数模型(Rational Function Model, RFM)为代表的通用几何模型在对地观测领域已得到了研究并广泛应用于高分辨率影像的几何处理。有理函数模型具有拟合精度高、通用性好、应用方便等优点。利用有理函数模型为基础的行星区域网平差处理也有相关的报道。

四、激光高度计数据交叉点平差

月球轨道器激光测高会在不同时间点经过行星表面的同一位置，这个位置称为轨道交叉点(crossover)。由于轨道误差以及测量过程的误差，两次不同时间点不同轨道上对同一地点产生的高度测量值出现差值，这个差值称为交叉点不符值(crossover difference)。利用交叉点不符值对测高观测值进行平差是削弱径向轨道误差的基本方法，传统上称之为交叉点平差。

月球全球制图产品

一、轨道器影像全球制图产品

亚利桑那州立大学(ASU)负责LRO相机的团队与德国宇航中心(DLR)合作，基于LRO宽角相机69,000个立体像对制作了100 m 分辨率的月球全球地形模型(Global Lunar DTM 100 m topographic model, GLD100)，由于极区阴影的影响，GLD100覆盖南北纬79，占月表总面积98.2%，其估计高程精度为10-20 m。该团队还利用2009年11月至2011年2月间获取的15,000幅宽角相机影像制作了分辨率为100 m的全球影像拼图(LROC WA Global Mosaic 100 m)，其中非极区部分利用GLD 100做了投影校正，极区部分利用LOLA DEM模型进行投影校正。

日本SELENE任务利用其搭载的地形测绘相机(TC)在100公里轨道高对全月进行分辨率为10 m的高分辨率立体成像。Haruyama等通过对多轨道影像间的偏移进行改正，将TC相机影像的相对误差由100 m降低到10 m左右，全月球DTM和正射影像已经发布。

我国CE-1轨道器CCD立体相机实现了月球表面影像的100%覆盖，2008年11月12日公开发布了主要利用下视影像拼接而成的“中国首次月球探测工程全月球影像图”(分辨率为120 m/像素)，在图像几何定位中引入了7 km分辨率的DEM数据用于地形校正，图像数据的轨间相对定位精度在2个像元(240 m)，全月影像图的平面定位精度约为100m-1.5km。CE-2轨道器CCD立体相机获取了覆盖全球的7 m分辨率的立体影像，如图 1为利用CE-2 7m分辨率立体影像生成的DEM和DOM。

图 1. CE-2 7m分辨率立体影像生成的月球全球DEM（上）和DOM（下）（Li 等, 2015）

二、轨道器激光高度计数据全球制图产品

日本SELENE搭载的激光高度计在为期一年的运行中获取了约1100万个月面测高点，Araki 等利用这些测高点制作了分辨率优于0.5°的全月地形图，根据此数据得到月球表面最大高差为19.81Km。

中国的CE-1绕月探测卫星搭载的激光高度计获取了1397轨测高数据，共约912万个月面测高点。平劲松等对CE-1两个月正飞阶段的激光观测数据进行了处理，获取了CE-1月球全球地形模型CLTM-s01，李春来等制作了空间分辨率3 km的全月DEM模型，平面定位精度为445m，高程精度为60同，根据此数据得到月球表面最大高差为19.807 km。胡文敏等对CE-1激光高度计获取的912万个测高点数据中的141,000个交叉点平差后生成了全月球DEM。

NASA戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center, GSFC)及相关团队用LOLA获取的海量激光测高点陆续制作了不同分辨率月球全球DEM，例如利用2009年7月至2013年7月间获取的65亿多个激光点制作了256像素/度(赤道上约120 m/像素)的全球高程模型，据估计平面精度为20 m，高程精度为1 m，激光高度计数据经过了轨道交叉点平差处理并用于LRO轨道精化。目前用LOLA数据制作的最高分辨率的月球全球DEM是1024像素/度(赤道上30 m/像素)。

月球局部高分辨率制图产品

一、轨道器影像制作的局部高分辨率正射影像图和DEM

目前利用轨道器影像制作的月球局部高分辨率正射影像与DEM中，精度及分辨率最高的为LRO窄角(NAC)立体影像生产的DEM与DOM。部分地区 DEM分辨率在1.5m以上，DOM分辨率在0.5 m以上。

目前利用LRO NAC影像生产的局部地区包括Apollo各着陆区、月球车着陆区、CE-3号着陆区的DEM、DOM均可在http://wms.lroc.asu.edu/lroc下载，如图 2为LRO NAC影像生成的Apollo15号着陆区三维影像图（红色框区域为着陆点），DEM和DOM的原始分辨率分别为2.0 m和0.5 m，在DOM中，着陆舱和载人月球车行驶痕迹清晰可见。CE-2在CE-3的预选着陆区(雨海虹湾区)获取了分辨率优于1.5 m的高分辨率图像，中国科学院国家天文台团队利用1.5m立体影像制作了CE-3着陆区DEM和DOM用于支持CE-3着陆后的科学规划。

图2. LRO NAC 影像生成的Apollo 15号着陆区三维影像（DOM叠加到DEM）及着陆区DOM

二、着陆器降落相机和巡视器相机制作的着陆区DEM和DOM

利用月球着陆器和巡视器获得的影像对着陆区进行高分辨率制图可以获取着陆探测区域精细的形貌信息。在CE-3任务中，利用着陆器降落相机序列影像生成了着陆区高精度三维制图产品，分辨率高达0.05 m，为玉兔号月球车导航定位提供了比CE-2 DOM更精细的底图；在每一个停泊点，利用月球车导航相机获取的影像自动生成了DEM 、DOM（环形影像为月球车位于着陆器顶部时导航相机影像生成的DOM）、坡度图等地形制图产品，用于支持月球车行驶路径规划。