邸凱昌 劉斌 劉召芹

(中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，遙感科學(xué)國家重點實驗室，北京 100101)

火星是太陽系中最類似地球的行星，對火星的探測不僅能大大深化人類對行星起源和演化的科學(xué)認識，更是人類尋找宇宙生命的第一步。自1960年開始，以美國、蘇聯(lián)和歐盟為主，對火星進行多種探測，到目前為止，全世界共發(fā)射了44顆火星探測器，成功率不到一半。成功的探測任務(wù)獲取了火星表面大量遙感影像，目前部分任務(wù)仍然在運行并獲取數(shù)據(jù)。這些獲取的遙感數(shù)據(jù)在任務(wù)期間和任務(wù)結(jié)束以后廣泛應(yīng)用于火星科學(xué)研究，取得了重要的工程進展和大量科研成果。美國國家航空航天局(NASA)在2015年召開新聞發(fā)布會，宣布了火星存在液態(tài)水的間接證據(jù)[1]，再次激發(fā)了人們對火星探測的期待和熱情。

目前，火星探測的方式均為無人探測，尚未實現(xiàn)載人登陸探測。無人探測主要有軌道器的飛越和環(huán)繞，以及軟著陸下的著陸器和巡視器(火星車)兩大類探測方式。軌道器環(huán)繞火星運行，所搭載的光學(xué)相機、光譜儀和激光高度計等科學(xué)儀器對火星進行宏觀的大區(qū)域和全球性探測。在選定的具有科學(xué)意義和工程安全性的有限區(qū)域內(nèi)進行著陸和巡視探測，獲取更精細的就位探測結(jié)果，并為軌道器數(shù)據(jù)標(biāo)定和驗證提供參考。

火星遙感制圖是火星科學(xué)研究和探測工程任務(wù)不可或缺的基礎(chǔ)性工作，是獲取火星形貌和構(gòu)造信息的基本手段，對于研究火星的形貌特征、地質(zhì)構(gòu)造及其演化歷史具有重要的科學(xué)意義。同時，探測工程任務(wù)和科學(xué)目標(biāo)的制定、著陸區(qū)選擇、著陸后探測目標(biāo)的選擇及高效安全探測等都有賴于遙感制圖，特別是高精度三維制圖的成果及技術(shù)支撐。由于受火星軌道器的軌道和姿態(tài)測量精度低、難以獲得控制點、無衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)施、表面環(huán)境荒蕪等條件限制，火星遙感制圖與對地觀測制圖相比，具有更大的挑戰(zhàn)和難度。

本文對國際火星探測任務(wù)中的火星遙感制圖技術(shù)及制圖成果進行綜述，并對其發(fā)展趨勢和重要研究方向進行探討。但所綜述的遙感制圖聚焦在測繪制圖技術(shù)及其產(chǎn)品，包括影像拼圖、正射影像圖、數(shù)字高程模型、坡度坡向等專題產(chǎn)品，不涉及地質(zhì)填圖、地貌圖制作等內(nèi)容。

1 火星探測概述

1.1 火星探測任務(wù)統(tǒng)計

1960年至今，全世界已開展了44次火星探測工程任務(wù)，其中18次成功，3次部分成功[2]。火星探測任務(wù)中，環(huán)繞探測所占比重最大，共23次，成功10次，巡視探測所占比重最少，共6次，成功4次。這是由于相對早期的飛越探測，環(huán)繞探測所能獲取的科學(xué)價值更大；而巡視探測能獲得更精細的科學(xué)價值，但是工程難度卻最大。從任務(wù)成功率來看，飛越探測、環(huán)繞探測、著陸探測和巡視探測成功率逐步增加，雖然這些探測的工程難度是逐步增大的，但是飛越探測主要發(fā)生在火星探測早期(20世紀(jì)60-70年代)，受限于當(dāng)時的技術(shù)水平及對外太空環(huán)境的了解程度，工程成功率很低；而著陸探測和巡視探測大多發(fā)生在20世紀(jì)90年代以后，技術(shù)水平和對外太空環(huán)境的認識都有較大提升，因此工程成功率也逐步提高。

從任務(wù)時間維度劃分，可以將火星探測分為20世紀(jì)90年代前的探測與20世紀(jì)90年代以后的探測。由圖1可見[3]，20世紀(jì)90年代前的探測主要發(fā)生在1960-1975年間，分別由美國和蘇聯(lián)實施。這部分探測以工程嘗試探索為主，探測方式主要為飛越、環(huán)繞和少部分小型的著陸，總體上探測失敗率非常高；而20世紀(jì)90年代以后，火星探測出現(xiàn)了一個新的高潮，探測則逐漸以科學(xué)研究為導(dǎo)向，這期間發(fā)射成功了大量卓有成效的探測器。這些探測主要以環(huán)繞和著陸探測為主，特別是21世紀(jì)出現(xiàn)了多次非常成功的著陸巡視探測，為人類認識火星提供了珍貴的就位探測資料。隨著任務(wù)的科學(xué)導(dǎo)向，工程難度也逐步增加，然而由于科技水平和對外太空環(huán)境認知水平的提高，任務(wù)的成功率也在提升，這種提升在21世紀(jì)尤為明顯。

我國于2016年1月11日對火星探測任務(wù)批準(zhǔn)立項，計劃于2020年對火星一步實現(xiàn)繞、落、巡探測。2018年NASA將執(zhí)行洞察號(Insight)和火星立方體一號(Mars Cube One)兩個火星探測任務(wù)，分別進行著陸和飛越探測。在2020年的發(fā)射窗口，除中國外，NASA、歐洲航天局(EAS)也將發(fā)射火星著陸巡視器，阿拉伯聯(lián)合酋長國將發(fā)射火星軌道器。屆時，將會有多個軌道器和著陸巡視器同時探測火星，火星探測將迎來一個新的高潮。一些商業(yè)公司，如Space X公司近年來也關(guān)注火星探測，并計劃在幾年內(nèi)登陸火星。

下文以20世紀(jì)90年代為界，對前后兩個時期主要的探測任務(wù)進行介紹。

圖1 火星任務(wù)年度統(tǒng)計Fig.1 Yearly statistics of Mars missions

1.2 20世紀(jì)90年代以前的火星探測

20世紀(jì)90年代以前的火星探測，主要集中在1960-1975年間，1975年到1988年間沒有火星任務(wù)。這期間的火星任務(wù)中，美國的海盜號(Viking)任務(wù)是獲取數(shù)據(jù)最多，科學(xué)價值最大的任務(wù)。海盜號包括海盜1號(Viking-1)與海盜2號(Viking-2)兩個探測器，均包括軌道器與著陸器，主要科學(xué)任務(wù)是獲取火星表面高分辨率影像、探測火星大氣結(jié)構(gòu)及組成和探索火星上是否存在生命跡象[4-6]。Viking-1于1975年8月20日發(fā)射，1976年6月19日進入火星軌道，其著陸器在1976年7月20日在火星克里斯平原(Chryse Planitia)著陸，首次從火星表面獲取大量圖像和探測數(shù)據(jù)。Viking-2于1975年9月9日發(fā)射，1976年8月7日進入火星軌道，其著陸器在1976年9月3日在火星烏托邦平原(Utopia Planitia)著陸。Viking任務(wù)的軌道器搭載的主要科學(xué)儀器有：兩個光導(dǎo)攝像管相機，合稱為可見光成像子系統(tǒng)(VIS)、紅外光譜儀、紅外輻射熱量制圖儀；著陸器搭載的主要科學(xué)儀器有：生物學(xué)儀、氣相色譜/質(zhì)譜儀、X射線熒光光譜儀、地震儀、氣象儀、立體彩色相機、土壤分析儀、火星大氣成分分析儀[6]。從1976至1982年，Viking-1和Viking-2軌道器共獲取了5萬多幅VIS影像，覆蓋火星全球，分辨率為7～1400 m，超過一半的圖像分辨率優(yōu)于100 m。

1.3 20世紀(jì)90年代后的火星探測

20世紀(jì)90年代后的火星探測技術(shù)逐漸走向成熟，工程成功率穩(wěn)步提升的同時，科學(xué)價值也有顯著地增加。如NASA的火星全球勘探者(Mars Global Surveyor，MGS)軌道器，執(zhí)行一個任務(wù)所獲取的影像數(shù)據(jù)便多于以前所有任務(wù)所獲取數(shù)據(jù)的總和。下文以時間順序介紹20世紀(jì)90年代后較為重要的火星探測任務(wù)。

(1)火星全球勘探者(MGS)號軌道器于1996年11月發(fā)射，1997年9月成功進入火星軌道[7]。該軌道器的主要科學(xué)任務(wù)是：研究火星表面特征及地質(zhì)過程；確定表面礦物和巖石的成分、分布和物理特性，確定火星全球地形、形狀和重力場；研究火星全球磁場，探測火星天氣和大氣層熱結(jié)構(gòu)；研究火星表面與大氣的交互作用。它搭載的主要科學(xué)儀器有：火星軌道器相機(MOC)、火星軌道器激光高度計(MOLA)、熱輻射光譜儀(TES)、磁力儀與電子反射儀、無線電科學(xué)實驗超穩(wěn)定振蕩器等。MGS一直在軌運行至2006年11月，在9年多的探測過程中，獲取了海量中高分辨率影像、光譜和地形數(shù)據(jù)。MOC寬角相機影像(分辨率240～7500 m)多次重復(fù)覆蓋火星全球，窄角相機影像分辨率為1.5 ～ 12 m，覆蓋火星表面5.45%的面積[8]。MOLA測距分辨率為37.5 cm，垂直精度優(yōu)于1 m，激光點間距沿軌道方向300 m，跨軌方向4 000 m，由MOLA數(shù)據(jù)生成的火星全球地形模型被廣泛應(yīng)用[9-10]。

(2)NASA的火星探路者(Mars Pathfinder, MPF)號著陸器于1996年12月4日發(fā)射，1997年7月4日登陸火星Chryse Planitia的阿瑞斯谷(Ares Vallis)地區(qū)[11]。該著陸器的主要科學(xué)任務(wù)是：調(diào)查火星大氣、地表礦物與地質(zhì)，描繪火星地表特征，分析著陸點的巖石和土壤成分，監(jiān)測火星大氣變化。它攜帶的索杰納號巡視器(Sojourner Rover)是人類送往火星的第一部火星車。探路者號著陸器上安裝的主要科學(xué)儀器有：立體相機、大氣結(jié)構(gòu)與氣象探測儀等，巡視器上的科學(xué)儀器有：3臺導(dǎo)航相機(兩臺安置在前部、一臺安置在后部)和α質(zhì)子X射線光譜儀。

(3)火星奧德賽(Mars Odyssey, MO)號是NASA于2001年4月7日發(fā)射的軌道器，2001年10月24日進入火星軌道[12]。其主要科學(xué)任務(wù)是：確定火星表面化學(xué)元素豐度和礦物組成與分布，獲取表面礦物的高空間分辨率與高光譜影像，獲取火星表面形態(tài)信息，表征火星附近的空間輻射環(huán)境與輻射誘發(fā)的人類探索風(fēng)險。它所搭載的科學(xué)儀器有：熱輻射成像系統(tǒng)(THEMIS)，伽馬射線光譜儀(GRS)，火星環(huán)境輻射探測儀。GRS是一套三個儀器：伽瑪子系統(tǒng)、中子譜儀和高能量中子探測器。THEMIS影像可見光為5個波段、分辨率為18 m，紅外10個波段，分辨率為100 m[13]。

(4)火星快車(Mars Express, MEX)是ESA研制的第一個火星探測器，于2003年6月2日發(fā)射，2003年12月25日進入火星軌道[14]。它包括一個軌道器與一個著陸器，其中著陸器任務(wù)失敗。該探測器的主要科學(xué)任務(wù)是：獲取火星全球彩色及立體高分辨率影像，并以超高分辨率對特定區(qū)域進行拍照；研究火星全球礦物分布；探測火星淺層地下構(gòu)造；測定大氣環(huán)流與大氣成分；研究大氣與火星表面和星際介質(zhì)的相互作用；推斷火星大氣、電離層、表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。軌道器上搭載的科學(xué)儀器有：高分辨率立體相機(HRSC)，光學(xué)與紅外礦物光譜儀(OMEGA)，紫外與紅外大氣光譜儀，地下探測雷達高度儀，行星傅立葉光譜儀，太空等離子與高能原子分析儀，火星無線電科學(xué)實驗儀。HRSC影像分辨率達10 m，其超分辨率通道分辨率達2 m，獲取了火星表面可見光和近紅外9個波段的影像數(shù)據(jù)；高光譜探測儀OMEGA獲取了火星表面352個波段的光譜信息，是研究火星表面成分特征的重要數(shù)據(jù)源。

(5)火星探測車(Mars Exploration Rover, MER)任務(wù)是NASA于2003實施的火星著陸和巡視探測任務(wù)，包括勇氣號(Spirit)和機遇號(Opportunity)兩輛相同的火星車；勇氣號于2003年6月10日發(fā)射，2004年1月3日登陸火星表面古謝夫撞擊坑(Gusev Crater)；機遇號于2003年7月7日發(fā)射，2004年1月25日登陸火星表面位于子午高原(Meridiani Planum)的老鷹撞擊坑(Eagle Crater)[15-17]。火星車的主要科學(xué)任務(wù)是：①搜索保存過去水活動跡象的巖石和土壤樣品，特別是那些與水相關(guān)的過程產(chǎn)生的沉積礦物；②探測著陸區(qū)周圍的礦物組分與分布；③探測形成著陸區(qū)當(dāng)?shù)氐匦蔚孛埠突瘜W(xué)成分的地質(zhì)活動；④驗證火星軌道器對火星表面觀測的準(zhǔn)確度與精度；⑤搜尋含鐵礦物，識別并定量分析特定的含水或水成礦物的相對含量；⑥刻畫巖石和土壤的礦物成分和描述紋理特征以確定其成因；⑦尋找液態(tài)水存在的環(huán)境條件及其地質(zhì)線索，評估這些環(huán)境能否有利于支持生命的存在。其搭載的主要儀器有：全景相機(Pancam)、導(dǎo)航相機(Navcam)、避障相機(Hazcam)、α粒子X射線光譜儀(APXS)、穆斯堡爾光譜儀(MB)、巖石打磨工具(RAT)、微型熱輻射光譜儀(Mini-TES)、顯微成像儀(MI)。其中，Pancam和Navcam立體影像廣泛應(yīng)用于火星車行駛路徑上的地形制圖和火星車導(dǎo)航定位[16-19]。

(6)鳳凰號(Phoenix)著陸器由NASA于2007年8月4日發(fā)射，2008年5月25日登陸火星北極附近的綠谷地區(qū)(Green Valley)，主要科學(xué)任務(wù)是：研究火星北極地區(qū)水的歷史，尋找適合微生物生命生存的環(huán)境[20]。其上搭載的主要科學(xué)儀器有：機械臂(RA)、機械臂相機(RAC)、表面立體成像儀(SSI)、熱量和逸出氣體分析儀(TEGA)、火星降落成像儀(MARDI)、顯微鏡電化學(xué)與傳導(dǎo)性分析儀(MECA)、氣象站(MS)。

(7)火星勘測軌道器(Mars Reconnaissance Orbiter，MRO)是NASA于2005年8月12日發(fā)射的火星探測器，2006年3月10日進入火星軌道。其主要科學(xué)任務(wù)是：獲取火星表面高分辨率影像為未來著陸任務(wù)選址，研究火星氣候、地質(zhì)特征，探索極地冰蓋中是否有液態(tài)水存在提供數(shù)據(jù)參考[21]。其搭載的主要儀器有：高分辨率成像科學(xué)實驗相機(HiRISE)，背景相機(CTX)，火星彩色相機(MARCI)，緊湊型火星偵察成像光譜儀(CRISM)，火星氣候探測器(MCS)，淺地層雷達(SHARAD)。HiRISE影像的分辨率高達0.25 m，CRISM則提供了544個波段分辨率為18 m的高光譜數(shù)據(jù)，它們?yōu)檠芯炕鹦潜砻嫘蚊病⒌V物成分、氣候變遷、火山活動、水的存在形式等提供了必備的數(shù)據(jù)。

(8)好奇號(Curiosity)火星車是NASA“火星科學(xué)實驗室”(Mars Science Laboratory，MSL)任務(wù)的主要組成部分，于2011年11月26日發(fā)射，2012年8月6日成功登陸火星蓋爾撞擊坑(Gale Crater)?？茖W(xué)任務(wù)包括：①確定火星表面有機碳化合物的性質(zhì)和類別；②調(diào)查火星表面構(gòu)成生命基礎(chǔ)的元素(碳，氫，氮，氧，磷和硫)；③識別可能代表了受生物過程影響的土壤和大氣特征；④調(diào)查火星表面的化學(xué)成分、同位素和礦物組成的近地表物質(zhì)，解釋成巖成土過程；⑤評估4億年來火星大氣的演化過程；⑥確定水和二氧化碳目前的狀態(tài)、分布和循環(huán)過程；⑦研究火星表面輻射特性，包括銀河系的輻射、宇宙輻射、太陽質(zhì)子事件和次級中子[22]。其搭載的主要科學(xué)儀器有：桅桿相機(MastCam)、化學(xué)相機(ChemCam)、導(dǎo)航相機、避障相機、降落相機(MARDI)、APXS、化學(xué)和礦物學(xué)分析儀(CheMin)、火星樣本分析設(shè)備(SAM)、中子反照率動態(tài)探測器(DAN)、火星手持成像儀(MAHLI)、巡視器環(huán)境監(jiān)測站(REMS)、除塵工具(DRT)、輻射評估探測器(RAD)。

(9)火星大氣和揮發(fā)演化(Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN，MAVEN)任務(wù)是第一個直接測量火星大氣的軌道器任務(wù)。NASA于2013年11月18日發(fā)射，2014年9月22日進入軌道，MAVEN攜帶了8種科學(xué)儀器：磁力儀(Magnetometer)、中性氣體和離子質(zhì)譜儀(NGIMS)、朗繆爾探針和波探測儀器(LPW)、紫外成像光譜儀(IUS)、太陽風(fēng)電子分析儀(SWEA)、太陽風(fēng)離子分析儀(SWIA)、太陽能量粒子探測儀(SEP)、超熱和熱離子組成分析儀(STATIC)。它們正在對火星上的大氣層進行測量。MAVEN可以降落到離火星約129 km的高空，采樣火星上的整個大氣層的樣本，還能為火星上的著陸器和巡視器提供通信支持。

(10)ESA的“生物火星”(ExoMars)探測器計劃是一系列任務(wù)，用來認識和探測火星曾經(jīng)或現(xiàn)在是否存在生命。其中第一個任務(wù)是氣體探測軌道器(Trace Gas Orbiter，TGO)，于2016年3月14日發(fā)射，2016年10月19日入軌。該任務(wù)主要為探測火星大氣層中甲烷及其他可能存的小濃度氣體。該任務(wù)還有一個進入大氣層、下降和著陸(EDL)模塊，但是在進入火星大氣層后，預(yù)期著陸前TGO與ESA失去了聯(lián)系，著陸失敗。

2 火星遙感制圖技術(shù)

2.1 火星坐標(biāo)系統(tǒng)建立

火星的全球坐標(biāo)系分為慣性坐標(biāo)系和星固坐標(biāo)系兩類，慣性坐標(biāo)系用于確定探測器的位置和姿態(tài)，星固坐標(biāo)系用于對火星表面特征進行定位和制圖，星固坐標(biāo)系又分星固直角坐標(biāo)系和星固大地坐標(biāo)系。

J2000火星星心慣性坐標(biāo)系，又稱J2000火星星心平地球赤道坐標(biāo)系，以火星質(zhì)心為原點，X、Y、Z三軸指向分別平行于J2000地心慣性坐標(biāo)系X、Y、Z三軸指向的右手直角坐標(biāo)系。

火星星固直角坐標(biāo)系(簡稱火星星固坐標(biāo)系)以火星質(zhì)心為原點，火星赤道面為基本平面，X軸在基本平面內(nèi)指向本初子午線與基本平面的交點，Z軸垂直于基本平面指向北極，Y軸與X軸和Z軸組成右手直角坐標(biāo)系?；鹦堑谋境踝游缇€定義為過艾里-0(Airy-0)撞擊坑(直徑約500 m)中心的經(jīng)線[23]。J2000火星星心慣性坐標(biāo)系與火星星固直角坐標(biāo)系關(guān)系如圖2所示。

注：圖中XMBF、YMBF、ZMBF分別為火星星固坐標(biāo)系3個坐標(biāo)軸的指向，X MJ2000、YMJ2000、ZMJ2000為火星星心慣性坐標(biāo)系3個坐標(biāo)軸的指向。 圖2 火星坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Mars coordinates systems

火星星固大地坐標(biāo)系(又稱火星大地坐標(biāo)系)以火星質(zhì)心為原點，火星赤道面為基本平面，用大地經(jīng)度、大地緯度和大地高表示火星表面點位置的坐標(biāo)系。常用的火星參考橢球有旋轉(zhuǎn)橢球體和正球體，旋轉(zhuǎn)橢球體的赤道半徑為3 396.19 km、極半徑為3 376.20 km，正球體的半徑為3 389.50 km[24-25]。與兩種參考橢球體相對應(yīng)，火星大地坐標(biāo)系分為兩種：一是采用地理緯度和向西為正的經(jīng)度的橢球體大地坐標(biāo)系；二是采用球心(火星質(zhì)心)緯度和向東為正的經(jīng)度的球體大地坐標(biāo)系。以往的火星制圖常用前一種大地坐標(biāo)系；隨著MOLA數(shù)據(jù)采用球心緯度和向東為正的經(jīng)度，并且由于MOLA數(shù)據(jù)作為目前精度最高的全球高程控制數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用，火星球體大地坐標(biāo)系開始得到更普遍的使用。大地高定義為火星表面點沿法線方向到參考橢球面的距離，當(dāng)參考橢球面為正球體表面時，火星表面點半徑減去火星正球體半徑即得到大地高。

2.2 全球控制網(wǎng)建立

火星全球控制網(wǎng)即分布在火星全球表面的具有精確三維坐標(biāo)的控制點集，它們是火星探測中定位和制圖的控制基準(zhǔn)。目前，國際上通用的火星全球控制網(wǎng)是美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)建立的火星MIDIM 2.1控制網(wǎng)，它是在早期火星控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上[26-27]，升級改進得到的一個基于攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差的火星全球控制網(wǎng)，包含了1054幅美國水手9號(Mariner-9)和5317幅Viking軌道器影像，選擇了37 652個影像控制點，見圖3(a)，它們至火星質(zhì)心的半徑值通過MOLA數(shù)據(jù)內(nèi)插得到，并在控制網(wǎng)迭代解算過程中，根據(jù)MOLA先驗精度加以限制；另外還選取了1232個MOLA控制點，見圖3(b)，它們的平面位置在迭代解算過程中固定不變，控制網(wǎng)解算的精度(殘差均方根誤差)為Viking影像1.3像素、火星表面280 m[28]。MIDIM 2.1火星全球控制網(wǎng)的輸入輸出及解算過程文件可以從USGS的網(wǎng)站上下載[29]。

圖3 MDIM2.1火星全球控制點分布圖Fig.3 Distribution of control points of MDIM 2.1

2.3 軌道器遙感影像的攝影測量處理技術(shù)

火星遙感影像制圖技術(shù)中，軌道器影像的攝影測量幾何處理技術(shù)尤為關(guān)鍵，包括成像幾何模型的建立、影像匹配與鏈接點選取、光束法平差、生成數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像圖(DOM)等技術(shù)環(huán)節(jié)。USGS的Kirk等人[30]對MOC窄角影像進行了光束法平差，制作了勇氣號、機遇號火星車著陸區(qū)及部分候選著陸區(qū)的高分辨率DEM和DOM[30-31]。HRSC團隊對HRSC影像數(shù)據(jù)進行了一系列攝影測量處理，分別生成標(biāo)定后影像數(shù)據(jù)Level-2、地圖投影影像數(shù)據(jù)Level-3、DEM 3D數(shù)據(jù)Level-4、DOM影像數(shù)據(jù)Level-4等[32]。柏林工業(yè)大學(xué)的Albertz等人對HRSC影像建立了光束法平差模型，對外方位元素進行常差改正，并將MOLA數(shù)據(jù)加入到平差之中，將物方的不一致性從水平方向的10～18 m、高程方向的35～39 m降低到水平方向的4～7 m、高程方向的11～15 m[33]。USGS使用自己研發(fā)的ISIS軟件，對HiRISE影像進行輻射校正、幾何投影(包括去除衛(wèi)星姿態(tài)顫振的影響)，并將多個CCD影像拼接成一幅影像，轉(zhuǎn)入攝影測量軟件SOCET SET中進行處理，SOCET SET對HiRISE拼接影像進行光束法平差、匹配、DEM生成和編輯等處理[34]。Kim等人以光束法平差處理后生成的HRSC正射影像作為地面控制基準(zhǔn)，對MOC窄角影像進行了非嚴(yán)格的幾何建模并進行了校正[35]，并用一種基于非嚴(yán)格傳感器模型對HiRISE影像進行處理，利用HRSC立體影像派生出的地面控制數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，生成了高分辨率DEM[36]，進一步地以MOLA數(shù)據(jù)生成的DEM為基準(zhǔn)，對HRSC、CTX、HiRISE三種數(shù)據(jù)立體影像各自生成的DEM進行面匹配，從而實現(xiàn)了對火星多個擬著陸區(qū)地形數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)融合[37]。NASA的Ames實驗室團隊使用Ames Stereo Pipeline軟件對多個區(qū)域的HiRISE CCD影像進行光束法和影像匹配，生成DEM和正射影像[38-39]。俄亥俄州立大學(xué)的Li等人[40]以單個CCD為處理單元建立了嚴(yán)格幾何模型，在立體影像間以及單個CCD之間的重疊區(qū)間自動選取連接點，通過光束法平差，將像方誤差由4.4個像素降低到0.85個像素，并生成了勇氣號火星車著陸區(qū)的高分辨率無縫DEM和正射影像。我國解放軍信息工程大學(xué)[41-42]、香港理工大學(xué)[43]、中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所[44-46]等團隊也對火星制圖中遙感數(shù)據(jù)制圖技術(shù)進行了研究。

2.4 著陸器與巡視器影像的攝影測量處理技術(shù)

火星著陸與巡視器攝影測量處理技術(shù)，主要集中體現(xiàn)在火星探路者號(MPF)和勇氣號與機遇號火星車(MER)任務(wù)中，好奇號火星車影像的攝影測量處理基本上沿用了MER影像處理的方法。針對MPF任務(wù)數(shù)據(jù)，Kirk等人[47]開發(fā)了基于相機與光譜儀數(shù)據(jù)處理集成軟件ISIS和攝影測量軟件SOCET SET相結(jié)合的MPF著陸器立體全景影像攝影測量處理流程，包括立體相機相對定向、全景影像網(wǎng)平差、三維地形制圖等過程；Di等人[48]提出了一種基于連接地面影像(著陸器影像和巡視器影像)的影像網(wǎng)平差方法，實現(xiàn)了著陸區(qū)的制圖與巡視器的定位。在MER火星車探測任務(wù)中，火星車所攜帶的導(dǎo)航、全景和避障立體相機展現(xiàn)了對火星表面環(huán)境及科學(xué)目標(biāo)精細制圖的能力，NASA的噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)開發(fā)了以火星車站點為單元的攝影測量處理流水線，自動生成了多種類型和規(guī)格的地形制圖產(chǎn)品，如DEM、DOM、坡度圖、深度圖、表面法向量圖、表面粗糙度圖等[49]；俄亥俄州立大學(xué)制圖與地理信息系統(tǒng)實驗室開發(fā)了基于火星車影像光束法平差的一系列攝影測量技術(shù)，將火星車行駛路徑上不同站點獲取的影像連接起來用于大區(qū)域的高精度地形制圖和火星車全程定位[50-53]，在MER任務(wù)實施過程中，這些制圖產(chǎn)品與火星車定位信息一起直接用于火星車的路徑規(guī)劃，也廣泛用于對探測區(qū)域和目標(biāo)的科學(xué)研究。Olson和Abi-Rached[54]研究了面向地形測圖的長基線立體視覺方法；Di和Peng[55]研究了火星車長基線測圖的理論精度，并開發(fā)了長基線三維測圖的方法。

值得一提的是，勇氣號和機遇號火星車上的顯微圖像也被應(yīng)用于立體地形制作[56]，這些顯微圖像廣泛應(yīng)用于研究火星土壤和巖石的顆粒與精細結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生顯著的科學(xué)價值，值得我國未來月球車和火星車借鑒參考。

3 火星遙感制圖產(chǎn)品

3.1 火星全球制圖產(chǎn)品

1)全球影像制圖產(chǎn)品

美國地質(zhì)調(diào)查局利用4600余幅Viking圖像在攝影測量平差的基礎(chǔ)上，制作了火星全球數(shù)字影像拼圖(MDIM)，分辨率為256像素/(°)(赤道上相當(dāng)于約230 m/像素)，其最新版本是2005年發(fā)布的MDIM-2.1[28]。MOC相機的研制者馬林空間科學(xué)系統(tǒng)公司(MSSS)利用MOC寬角影像制作了分辨率為256 像素/(°)的火星全球影像拼圖[57-58]。火星奧德賽[12]所搭載的熱輻射成像系統(tǒng)(THEMIS)影像可見光有5個波段，分辨率18 m，紅外10個波段，分辨率100 m[13]，NASA分別在2006年與2010年發(fā)布了256像素/(°)與593像素/(°)(赤道上相當(dāng)于約100 m/像素)的白天和晚上THEMIS熱紅外波段(12.57 μm)全火星影像鑲嵌圖，供火星研究者下載使用[59]。

2)全球地形制圖產(chǎn)品

NASA戈達德航天中心(Goddard Space Flight Center, GSFC)及相關(guān)團隊利用MOLA，從1999年至2001年獲取的6億多個激光測高點經(jīng)過了軌道交叉點平差[10,60]，制作了分辨率為128像素/(°)(赤道上相當(dāng)于463 m/像素)的火星全球DEM(如圖4所示)，MOLA DEM在火星科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用，并常用作影像制圖的控制基準(zhǔn)。

圖4 MOLA數(shù)據(jù)全球DEM產(chǎn)品Fig.4 Global DEM product from MOLA data

ESA火星快車探測器上搭載的高分辨率立體相機(HRSC)已獲取了超過12 334軌數(shù)據(jù)，其中平均分辨率18.3 m的覆蓋區(qū)超過火星全球表面的95.4%，而分辨率在54 m以內(nèi)的覆蓋度達到99%[61]，由于相機的多線陣推掃式的設(shè)計[62]，使得該數(shù)據(jù)能通過立體攝影測量處理，獲取火星表面的三維地形信息。HRSC儀器科學(xué)團隊正擬使用該數(shù)據(jù)生成火星全球50 m 數(shù)字地形模型(DTM)和12.5 m的DOM，根據(jù)該團隊最新報告，已生產(chǎn)出MC-11-E區(qū)(USGS將火星分為30個投影區(qū)，MC-11-E為第11區(qū)的一部分，分區(qū)詳細情況參見文獻[63]的高分辨率DTM與DOM[64]。

3.2 火星局部高分辨率制圖產(chǎn)品

1)軌道器影像局部高分辨率制圖產(chǎn)品

多個探測任務(wù)團隊及相關(guān)科研團隊已經(jīng)利用軌道器影像制作了大量的局部區(qū)域高分辨率DEM和DOM，主要包括火星候選著陸區(qū)以及有顯著科學(xué)價值的區(qū)域，所采用的高分辨率圖像有MOC窄角相機影像(分辨率1.5～3 m)、HRSC影像(分辨率10 m和2 m)、CTX影像(分辨率10 m)和HIRISE影像(分辨率0.25 m)。

在火星探測及科學(xué)研究任務(wù)過程中，從著陸點的選擇到著陸點定位及地形地貌定量分析均離不開高精度的地形信息，特別是高分辨率DEM的支持。Kirk等人利用MOC窄角相機影像生成預(yù)選著陸區(qū)的高精度數(shù)字高程模型用于著陸區(qū)的選擇，提供地形及坡度信息用于火星探測任務(wù)著陸安全性評估，MOC立體像對生成DEM的平面分辨率達到3個像素(10 m/pixel)，高程精度達到0.22像素匹配誤差，坡度誤差1°～3°[30-31]。

另外，USGS和俄亥俄州立大學(xué)制圖與地理信息系統(tǒng)實驗室，利用HiRISE立體影像生成了勇氣號著陸區(qū)的正射影像及數(shù)字高程模型，用于著陸點的定位和制圖。圖5為勇氣號著陸區(qū)一對HiRISE立體影像，分辨率為0.26 m和0.27 m，立體交會角為19.8°；圖6為利用立體影像生成的DEM三維渲染圖；圖7為正射影像疊加到DEM上的三維渲染圖(高程夸大系數(shù)為2)[40]。

注：圖中不同顏色代表不同高程。圖6 HiRISE立體影像生成的勇氣號著陸區(qū)DEMFig.6 DEM of the Spirit rover landing site generated from HiRISE stereo images

圖7 HiRISE立體影像生成的勇氣號著陸區(qū)DOM疊加在DEM上顯示 Fig.7 HiRISE DOM the Spirit rover landing site draped on the corresponding DEM

目前，分辨率最高的火星軌道器影像是HiRISE影像，迄今為止，美國亞利桑那大學(xué)的HiRISE團隊陸續(xù)生產(chǎn)和發(fā)布了400多個局部區(qū)域的DTM產(chǎn)品及相對應(yīng)的DOM產(chǎn)品，DTM分辨率高達1 m，DOM分辨率高達0.25 m，可在HiRISE官方網(wǎng)站下載[65]。

2)著陸與巡視器制圖產(chǎn)品

火星車導(dǎo)航定位和制圖的業(yè)務(wù)化運行過程可以用空間數(shù)據(jù)處理的周期來描述，一個周期即一個火星日(稱為sol，比24 h的地球日長約40 min)。首先，火星車根據(jù)上傳的工作計劃行駛到感興趣的區(qū)域或目標(biāo)，獲取圖像及其它數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)降厍虻纳羁站W(wǎng)；JPL的多任務(wù)圖像處理實驗室(MIPL)對接收的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，生成一系列的制圖和定位產(chǎn)品供火星車遙操作操作團隊使用[49]，并將數(shù)據(jù)和處理結(jié)果分發(fā)到有關(guān)的大學(xué)和研究中心，進行進一步的多種科學(xué)和工程分析。

MIPL火星車數(shù)據(jù)預(yù)處理產(chǎn)品包括多級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，火星車原始數(shù)據(jù)經(jīng)無線電下傳后由MIPL快速解碼生成0級數(shù)據(jù)產(chǎn)品(EDRs)，由EDRs進一步生成的系列產(chǎn)品稱為簡化數(shù)據(jù)記錄產(chǎn)品(RDRs)。RDRs又分為三類：單影像派生產(chǎn)品、立體影像派生產(chǎn)品、多影像產(chǎn)品[49]。圖8展示了典型的立體影像派生產(chǎn)品。圖8(a)為XYZ(X—紅，Y—綠，Z—藍)影像產(chǎn)品，等高線為0.1 m間隔；圖8(b)為距離圖，等高線為0.1 m間隔；圖8(c)為表面法向量產(chǎn)品圖；圖8(d)為可通達圖；圖8(e)為坡度圖，藍色表示平坦，紅色表示陡峭；圖8(f)為太陽能量圖，藍色表示多，紅色表示少[49]。

俄亥俄州立大學(xué)制圖與地理信息系統(tǒng)實驗室在光束法平差的基礎(chǔ)上，進一步生成單站點或多站點拼接的DEM、DOM、坡度圖、坡向圖、等高線圖及三維渲染圖等，用于火星車探測的科學(xué)和工程任務(wù)。圖9為勇氣號火星車著陸區(qū)的Methuselah巖石露頭的DEM三維顯示，圖10為對應(yīng)的DOM，它們由勇氣號火星車全景相機影像生成[18]。

圖8 疊加到避障相機影像上的制圖產(chǎn)品Fig.8 Mapping products overlaid on Hazcam image

圖9 勇氣號著陸區(qū)Methuselah巖石露頭DEMFig.9 3D view of the DEM of Methuselah outcrop at the Spirit landing site

圖10 勇氣號著陸區(qū)Methuselah巖石露頭DOMFig.10 DOM of Methuselah outcrop at the Spirit landing site

圖11為Endurance隕石坑DEM的三維顯示[53]，圖12為其等高線圖[53]。圖9、11、12的坐標(biāo)均為著陸區(qū)局部坐標(biāo)。由于該隕石坑直徑為156 m，用一個攝站的Pancam全景立體圖像無法精確測繪距離遠的一側(cè)坡上的地形。為解決這一問題，應(yīng)用了4個攝站的影像數(shù)據(jù)集成測圖(圖11中標(biāo)有攝站位置)，一是在西部邊緣所拍攝的Pancam全景立體圖像，二是在東南部邊緣所拍攝的Pancam全景立體圖像，另外兩組數(shù)據(jù)是在隕石坑底部兩個位置拍攝的Pancam全景單幅圖像，它們構(gòu)成長基線立體像對進行三維測圖。多攝站集成測圖的關(guān)鍵是對所有有關(guān)圖像進行光束法平差，以提高測圖精度和一致性。如此生成的Endurance隕石坑DEM在選擇火星車進坑、坑內(nèi)行駛和出坑路徑以及在對該隕石坑詳盡的科學(xué)研究中都發(fā)揮了重要的作用[53]。

圖11 Endurance隕石坑DEM三維透視圖Fig.11 3D view of the DEM of Endurance crater

圖12 Endurance 隕石坑等高線圖Fig.12 Contour map of Endurance crater

圖13是Husband山頂DEM、等高線和火星車路徑的三維顯示，上面疊加等高線及行駛路線[18]。此DEM是從第576到609個火星日，由勇氣號火星車用Navcam和Pancam在多個攝站拍攝的全景立體圖像，經(jīng)平差后綜合處理而成，覆蓋230 m×180 m的范圍，DEM地面分辨率為0.5 m[18]。該DEM和派生出的等高線圖和坡度圖在規(guī)劃到山頂和內(nèi)盆地的路徑時發(fā)揮了重要作用。

為使勇氣號火星車在當(dāng)?shù)囟鞎r能夠得到充分的太陽照射而保持足夠的電能，專門制作了向北坡度圖來表征在南北方向上的坡度。圖14是在Husband山頂、內(nèi)盆地和“本壘”(Home Plate)地區(qū)的向北坡度圖[66]，其中背景圖是用軌道器圖像生成的向北坡度圖，中心的小圖由火星車圖像生成。由于勇氣號和機遇號火星車在赤道以南，朝北的坡即為向陽坡。向北坡度圖與一般坡度圖相結(jié)合選取從Husband 山頂經(jīng)過內(nèi)盆地到“本壘”的路徑，既保證了勇氣號行駛在安全的坡度上不致翻車，又保證行駛在向陽的坡度上獲取足夠的太陽能度過冬天。

圖13 Husband山多站DEM拼接圖Fig.13 DEM generated from multiple panoramas taken in the Husband Hill summit area

圖14 在Husband山頂、內(nèi)盆地和“本壘”地區(qū)的向北坡度圖Fig.14 North-facing slope map of Husband Hill summit, inner basin, and Home Plate

圖15為全景和導(dǎo)航相機融合后的面片圖[67]，圖16為地形面片顯示屏幕快照[49]。地形面片圖也用于規(guī)劃者規(guī)劃火星車的行駛路線及火星車上儀器設(shè)備的操作[67]。通過XYZ點云影像獲取三維坐標(biāo)構(gòu)建三角網(wǎng)而生成，很多情況下，需要將導(dǎo)航立體相機、全景立體相機和避障立體相機獨立生成的面片圖合成一個統(tǒng)一的多分辨率的地形面片圖以便于更大范圍的規(guī)劃應(yīng)用。

圖15 全景和導(dǎo)航相機融合后的面片圖Fig.15 Merged PanCam and NavCam mesh

圖16 地形面片顯示屏幕快照Fig.16 Screen shot showing terrain mesh being used for arm targeting

全景影像鑲嵌圖是將多個影像無縫拼接成一幅視角更大的圖像，鑲嵌圖根據(jù)投影方式的不同有圓柱投影鑲嵌圖、極坐標(biāo)投影鑲嵌圖。如圖17為勇氣號火星車424火星日獲取的圓柱投影鑲嵌圖，其中(a)為左相機全色影像鑲嵌圖，(b)為左右相機影像形成的紅藍立體影像鑲嵌圖[49]。

圖17 全景影像鑲嵌圖Fig.17 Panoramic image mosaics

4 火星遙感制圖技術(shù)發(fā)展展望

1)火星多源多重覆蓋遙感數(shù)據(jù)全球制圖

火星全球的數(shù)字制圖產(chǎn)品分辨率均在百米量級，已不能很好地滿足各種火星探測工程任務(wù)及全球尺度更高精度科學(xué)研究的需求。隨著覆蓋全火星的更高分辨率遙感立體數(shù)據(jù)的陸續(xù)獲取，研究制作更高精度、更精細的火星全球制圖產(chǎn)品已勢在必行，其科學(xué)和工程應(yīng)用意義重大；而目前利用多源、多重覆蓋遙感數(shù)據(jù)進行火星全球制圖的攝影測量處理技術(shù)還不夠完善，特別在多源火星影像高精度幾何模型構(gòu)建與精化、火星特定環(huán)境的多源數(shù)據(jù)匹配、多源多重覆蓋擇優(yōu)構(gòu)網(wǎng)方法技術(shù)等方面上還鮮有研究。在已有火星高精度幾何處理技術(shù)基礎(chǔ)上，借鑒對地觀測中大區(qū)域遙感影像幾何處理的相關(guān)經(jīng)驗，針對火星全球定位制圖中數(shù)據(jù)的特有問題，進行多源多重覆蓋下攝影測量定位制圖精度與可靠性方面的理論研究，并對多源多重覆蓋下最優(yōu)影像組合的選擇、多源數(shù)據(jù)的模型構(gòu)建與精化、多源多尺度數(shù)據(jù)的匹配、大區(qū)域數(shù)據(jù)平差方法等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，將是火星遙感制圖領(lǐng)域的重要研究方向。

2)火星全球控制網(wǎng)的改進

國際上對火星遙感制圖常用的是火星MIDIM 2.1控制網(wǎng)。21世紀(jì)新獲取的軌道器影像的分辨率、定軌定姿精度、激光測高精度和密度相比于構(gòu)建MIDIM 2.1控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)源都有顯著提高，但MIDIM 2.1控制網(wǎng)精度較低，已不能很好地滿足新獲取軌道器數(shù)據(jù)制圖對控制基準(zhǔn)的要求。因此有必要研究基于多探測任務(wù)遙感數(shù)據(jù)改進火星全球控制網(wǎng)的方法，消除和減小不同探測任務(wù)數(shù)據(jù)空間位置的不一致，更好地綜合利用各國探測任務(wù)獲取的最新火星探測數(shù)據(jù)進行火星科學(xué)研究。改進火星全球控制網(wǎng)涉及到多項關(guān)鍵技術(shù)，如多源軌道器影像幾何模型構(gòu)建、多源影像匹配與全球影像網(wǎng)構(gòu)建、全球影像網(wǎng)與激光測高數(shù)據(jù)的聯(lián)合平差等，需要在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上改進或研發(fā)。

3)海量火星遙感數(shù)據(jù)的自動處理與信息挖掘

目前，多個探測任務(wù)獲取的火星遙感數(shù)據(jù)量激增，已經(jīng)遠遠超出了人工處理的能力，大量的數(shù)據(jù)獲取后存檔，沒有及時處理和充分利用。因此開發(fā)海量火星遙感數(shù)據(jù)自動處理和信息挖掘技術(shù)，構(gòu)建基于標(biāo)準(zhǔn)化處理流程的生產(chǎn)線，將是火星遙感制圖領(lǐng)域的重要研究方向。例如，可以建立影像幾何校正的標(biāo)準(zhǔn)流程，對于新獲取的圖像，根據(jù)相應(yīng)的軌道位置和傳感器姿態(tài)信息自動建立成像幾何模型，將原始圖像自動校正成帶地圖投影的影像地圖；可以建立立體影像三維制圖的標(biāo)準(zhǔn)流程，對于新獲取的圖像，自動搜索同一地區(qū)可構(gòu)成立體像對的圖像，進而自動進行圖像匹配和平差，然后自動生成DEM和DOM；可以建立火星表面變化檢測標(biāo)準(zhǔn)流程，通過同一區(qū)域不同時間獲取的圖像的自動配準(zhǔn)、特征提取和變換檢測，發(fā)現(xiàn)火星表面的變化特征。建立了這些標(biāo)準(zhǔn)化處理生產(chǎn)線，就可大大提高數(shù)據(jù)處理的效率，自動生成相應(yīng)的信息產(chǎn)品，而不必人工逐一處理。除了火星遙感制圖技術(shù)自身的發(fā)展外，近年來興起的云計算、大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)將為該方向的發(fā)展起到有力的推動作用。

4)火星車實時長距離導(dǎo)航定位與制圖

目前，火星車的探測方式普遍采用的是火星表面數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)回傳至地球控制中心、地面數(shù)據(jù)處理、指令上傳的運行方式，每個行駛單元(幾米至幾十米)都要依賴于地面的數(shù)據(jù)處理與規(guī)劃，包括定位制圖的處理。這種運行方式自身的限制加之火星與地球間通信延時較長，因而火星車探測效率較低，沒有充分發(fā)揮火星車的行駛能力和數(shù)據(jù)獲取能力。未來火星車探測方式，必然要向自動化和智能化方向發(fā)展，火星車實時長距離導(dǎo)航定位與制圖是其中的一項關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)長距離自主避障，再加上行駛過程中的信息挖掘和科學(xué)目標(biāo)識別，就可顯著提升火星車的探測能力。對于未來智能化的火星車，科學(xué)家在遙感制圖產(chǎn)品或火星車圖像指定了幾百米甚至更遠的科學(xué)目標(biāo)，火星車就可以自主地鎖定目標(biāo)、避開障礙、安全地行駛到指定的科學(xué)目標(biāo)前進行就位探測，在行駛過程中，火星車還有能力自主發(fā)現(xiàn)一些有興趣的目標(biāo)進行數(shù)據(jù)獲取。

5)數(shù)據(jù)共享與國際合作

為了更好地綜合利用各國的探測數(shù)據(jù)進行遙感制圖和科學(xué)研究，十分有必要通過有效的國際合作，建立和完善國際火星制圖標(biāo)準(zhǔn)，包括坐標(biāo)系、控制網(wǎng)、制圖系列比例尺的確定、地圖投影、地物的分類與表達、數(shù)據(jù)格式與編碼等。在遵循共同標(biāo)準(zhǔn)的前提下，火星探測數(shù)據(jù)和遙感制圖產(chǎn)品的及時發(fā)布與共享，是各國共同促進火星科學(xué)研究和推動技術(shù)進步的應(yīng)有選擇，這有賴于各國相關(guān)業(yè)務(wù)主管部門的政策支持，以及國際組織和科學(xué)工作者的共同努力。

5 結(jié)束語

本文對國際火星探測任務(wù)、火星遙感制圖技術(shù)與產(chǎn)品的發(fā)展進行了綜述，并對火星遙感制圖技術(shù)的發(fā)展進行了展望，期望為我國從事火星探測和火星遙感制圖研究和業(yè)務(wù)的同行們提供一些參考信息。目前火星全球影像制圖產(chǎn)品分辨率在百米量級，全球DEM分辨率約460 m；軌道器數(shù)據(jù)制作的局部區(qū)域DEM和DOM分辨率為幾十米至米級；著陸區(qū)和巡視器數(shù)據(jù)制作的局部DEM和DOM分辨率為厘米級。面對多任務(wù)獲取的具有不同成像特性和不同定位定姿精度的海量火星遙感數(shù)據(jù)，遙感制圖的方法技術(shù)有待進一步深化和突破，其重點是提高遙感制圖的精度、可靠性和自動化水平，以支持更多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和新的工程任務(wù)的實施。

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