邸凱昌，劉 斌，辛 鑫，岳宗玉，葉樂佳

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

月球軌道器遙感觀測是月球探測的主要手段，基于軌道器遙感影像的攝影測量制圖是月球探測的基礎(chǔ)性工作，為月球地形地貌構(gòu)造分析、月球地質(zhì)環(huán)境演化等科學(xué)研究提供關(guān)鍵信息，并為月球著陸探測工程任務(wù)中的著陸區(qū)評(píng)估與選擇、著陸點(diǎn)定位、科學(xué)探測目標(biāo)確定、巡視器導(dǎo)航定位等提供重要的數(shù)據(jù)信息支撐[1-3]。國際國內(nèi)的月球探測任務(wù)不斷增多，已經(jīng)積累了大量多源、多分辨率、多重覆蓋的月球遙感影像。利用這些影像數(shù)據(jù)，基于攝影測量制圖技術(shù)，已制作出不同覆蓋范圍分辨率各異的制圖產(chǎn)品，這些產(chǎn)品在月球探測工程和科學(xué)研究中作出了巨大的貢獻(xiàn)。

月球攝影測量制圖與對(duì)地觀測制圖在原理上一致，均是通過構(gòu)建遙感影像的成像幾何模型、區(qū)域網(wǎng)平差、立體影像匹配、空間前方交會(huì)等技術(shù)手段進(jìn)行定位制圖。但是由于月球衛(wèi)星軌道和姿態(tài)測量精度低、月球表面難以獲得控制點(diǎn)、無衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)施、月球無大氣因而影像受光照條件變化影響大等受限條件，月球攝影測量制圖具有很大的挑戰(zhàn)和更大的難度[3]。另外，由于應(yīng)用場景的不同，月球攝影測量制圖與對(duì)地觀測制圖發(fā)展重點(diǎn)也不盡相同。隨著月球探測的深入開展，月球探測工程和科學(xué)研究對(duì)更高精度、更高分辨率、更好覆蓋性、更高時(shí)效性的月球攝影測量制圖技術(shù)和產(chǎn)品提出了新的需求。

21世紀(jì)以來，面向新的需求及挑戰(zhàn)，在新一輪的探月高潮推動(dòng)下，月球攝影測量技術(shù)也得到了長足的發(fā)展。本文對(duì)國際國內(nèi)月球軌道器攝影測量制圖技術(shù)進(jìn)行綜述，介紹月球全球及區(qū)域的影像拼圖、數(shù)字正射影像圖(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)等制圖產(chǎn)品，闡述月球軌道器制圖產(chǎn)品在月球探測工程與科學(xué)研究上的應(yīng)用。其中，對(duì)于筆者團(tuán)隊(duì)(中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所行星制圖與遙感團(tuán)隊(duì))在月球軌道器影像攝影測量處理中的相關(guān)技術(shù)進(jìn)展及在我國嫦娥探月工程中的應(yīng)用給予了較為詳細(xì)的介紹。最后，對(duì)月球攝影測量技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 月球攝影測量技術(shù)進(jìn)展

驅(qū)動(dòng)月球攝影測量制圖技術(shù)發(fā)展主要有兩方面的動(dòng)力。一是針對(duì)月球受限條件下的攝影測量技術(shù)進(jìn)行研究，如研究針對(duì)月球軌道器影像的幾何建模及精化方法等；另一方面是針對(duì)月球探測的工程及科研應(yīng)用需求的攝影測量制圖方法研究，如多源基準(zhǔn)統(tǒng)一的大區(qū)域制圖、數(shù)據(jù)融合制圖等方法研究。據(jù)此，本文對(duì)攝影測量技術(shù)進(jìn)展主要從幾何建模與精化、多源數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、多重覆蓋影像擇優(yōu)、遙感影像產(chǎn)品制作等方面展開。

1.1 月球遙感影像幾何建模與精化

1.1.1 軌道器影像幾何模型構(gòu)建

遙感影像成像幾何模型是描述影像上的點(diǎn)與地面點(diǎn)之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系的模型，利用軌道器影像進(jìn)行攝影測量的定位制圖，構(gòu)建影像的成像幾何模型是關(guān)鍵和基礎(chǔ)。月球影像的幾何模型與對(duì)地觀測遙感影像的模型構(gòu)建一樣也分為兩類，一類是基于共線方程原理的物理成像幾何模型，也稱嚴(yán)格成像幾何模型；另一類是與傳感器無關(guān)的通用成像幾何模型。

基于共線方程的物理成像幾何模型是根據(jù)成像原理，恢復(fù)成像時(shí)光線的幾何位置關(guān)系，從而建立像點(diǎn)與物方點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。共線方程表達(dá)月球軌道器嚴(yán)格成像幾何模型如下[4]

(1)

式中，(X,Y,Z)是對(duì)應(yīng)的物方點(diǎn)在月固坐標(biāo)系的坐標(biāo)；(xc，yc)與f是經(jīng)過畸變校正的焦平面坐標(biāo)和焦距，構(gòu)成內(nèi)方位元素；(XS,YS,ZS)是攝影中心在月固坐標(biāo)系的坐標(biāo)，為外方位線元素；Rib表示像空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至飛船本體坐標(biāo)系(body coordinate system，BCS)的旋轉(zhuǎn)矩陣，由傳感器的安裝角計(jì)算得來；Rbo表示BCS至軌道坐標(biāo)系(orbit coordinate system，OCS)間的旋轉(zhuǎn)矩陣，可用姿態(tài)計(jì)算得到；Rol表示OCS到月固坐標(biāo)系(lunar body-fixed coordinate system,LBF)的旋轉(zhuǎn)矩陣，由軌道測量參數(shù)計(jì)算得到；λ是一個(gè)比例因子。構(gòu)建月球軌道器模型的關(guān)鍵是獲取上述內(nèi)外方位元素參數(shù)。目前國外大部分月球軌道器的內(nèi)外元素參數(shù)均可由SPICE kernel[5]文件讀取。

嚴(yán)格幾何模型有明確的物理意義，便于作理論分析和高精度處理，但嚴(yán)格幾何模型比較復(fù)雜，且由于影像傳感器的設(shè)計(jì)差異，往往針對(duì)每一個(gè)傳感器都要建立各自的嚴(yán)格幾何模型。另外，對(duì)于部分軌道器遙感影像(包括我國的嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào))的測軌測姿數(shù)據(jù)目前尚未完全開放，僅有部分研究團(tuán)隊(duì)能夠獲取，給建立和廣泛應(yīng)用嚴(yán)格幾何模型帶來一定的困難。為了能使月球軌道器遙感影像得到更廣泛更好的應(yīng)用，構(gòu)建其通用成像幾何模型有較高的需求。

以有理函數(shù)模型(rational function model,RFM)為代表的通用成像幾何模型具有擬合精度高、通用性好、應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)，研究有理函數(shù)模型對(duì)行星軌道器影像的適用性是十分必要的。近年來，研究者對(duì)RFM在月球和火星的適用性和精度進(jìn)行了一系列研究[6-10]。特別需要指出的是，文獻(xiàn)[8]發(fā)現(xiàn)部分行星軌道器由于軌道設(shè)計(jì)原因，TDI相機(jī)積分時(shí)間發(fā)生跳變，會(huì)直接影響傳統(tǒng)方法擬合RFM的精度，為此提出了時(shí)間變量的RFM模型與虛擬重成像影像的RFM兩種方案，有效解決了這一難題。

1.1.2 幾何模型精化

由于存在軌道誤差、姿態(tài)誤差、時(shí)間誤差、相機(jī)模型誤差等，使得構(gòu)建的嚴(yán)格幾何模型或通用幾何模型會(huì)存在誤差。模型誤差不僅使得定位出現(xiàn)偏差，且多重覆蓋及相鄰影像生產(chǎn)的產(chǎn)品在幾何上也會(huì)出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重影響月球遙感影像及制圖產(chǎn)品的應(yīng)用。月球遙感影像的幾何模型精化主要達(dá)到兩個(gè)目的，一是提高遙感影像的絕對(duì)定位精度，二是提高遙感影像間的幾何一致性，從而生產(chǎn)出幾何上無縫的制圖產(chǎn)品。由于月球上缺乏高精度的絕對(duì)控制，因此幾何模型精化常采用多數(shù)據(jù)聯(lián)合平差或大區(qū)域影像的區(qū)域網(wǎng)平差方法，主要提高數(shù)據(jù)間的一致性，特別使得平差后影像的反投影差變小，提升整體的相對(duì)定位精度，間接提升一定的絕對(duì)定位精度。

目前針對(duì)月球軌道器遙感影像的區(qū)域網(wǎng)平差處理主要以共線方程的嚴(yán)格成像幾何模型為基礎(chǔ)，建立各傳感器的成像參數(shù)精化模型，并輔助激光高度計(jì)數(shù)據(jù)、DEM等已有的地形產(chǎn)品進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)估計(jì)的平差解算，由于平臺(tái)及傳感器的不同，平差方法與平差細(xì)節(jié)也各有差異。21世紀(jì)以來主要的月球軌道器遙感數(shù)據(jù)(如表1)均有相應(yīng)的處理。

表1 21世紀(jì)以來主要的月球軌道器遙感數(shù)據(jù)

文獻(xiàn)[12]通過對(duì)多軌道影像間的偏移進(jìn)行改正，將SELENE月球探測器上攜帶的一臺(tái)地形相機(jī)(TC)影像的相對(duì)誤差由100 m降低到10 m左右，其后又通過與激光高度計(jì)(LALT)數(shù)據(jù)對(duì)比及平坦區(qū)域高差控制等約束條件對(duì)TC相機(jī)的CCD探測器的畸變模型和相機(jī)鏡頭安裝角進(jìn)行校正，使TC相機(jī)生成的DEM與LALT數(shù)據(jù)間的一倍中誤差降低到3.2 m[11]。文獻(xiàn)[13]對(duì)軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行三階和九階多項(xiàng)式擬合，建立了月船一號(hào)(Chandrayaan-1)地形制圖相機(jī)(terrain mapping camera,TMC)影像的嚴(yán)格成像幾何模型。通過對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)多項(xiàng)式的常數(shù)項(xiàng)和一次項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行了精化，利用調(diào)整外方位元素進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，消除了三線陣影像之間的不一致性。針對(duì)月球偵查軌道器相機(jī)(LROC)窄角(NAC)相機(jī)影像[14]，亞利桑那州立大學(xué)、NASA艾姆斯研究中心、亞利桑那大學(xué)、俄亥俄州立大學(xué)、德國宇航中心和柏林工業(yè)大學(xué)，以及美國地質(zhì)調(diào)查局均進(jìn)行過平差研究。這些研究團(tuán)隊(duì)或利用ISIS軟件和SOCET SET軟件，或通過自行開發(fā)研究，最終都生成高精度的地形產(chǎn)品[15]。處理過程主要包含了視準(zhǔn)軸標(biāo)定、攝影測量光束法平差、高精度地形編輯以及軌道器顫振(jitter)處理。研究表明一對(duì)或多對(duì)窄角相機(jī)立體影像平差結(jié)果像方殘差中誤差小于1個(gè)像素。立體LROC NAC影像生成的DEM與LOLA激光測高數(shù)據(jù)差異的均方根誤差不超過10 m，經(jīng)過平移后兩者基本吻合，很好地體現(xiàn)出二者數(shù)據(jù)的一致性[16]。

針對(duì)嫦娥一號(hào)(CE-1)和嫦娥二號(hào)(CE-2)影像的幾何模型及其精化，我國學(xué)者已展開諸多研究。文獻(xiàn)[17—18]利用理論推演與數(shù)值仿真探討了EFP(等效框幅相片)光束法平差，并對(duì)CE-1三線陣CCD影像進(jìn)行處理。文獻(xiàn)[19]通過結(jié)合影像姿態(tài)角常差改正和激光高度計(jì)(LAM)軌道交叉點(diǎn)平差實(shí)現(xiàn)二者更高精度的配準(zhǔn)，配準(zhǔn)后影像與LAM數(shù)據(jù)的高程差值平均值在物方從200 m降低至3.21 m，LAM數(shù)據(jù)點(diǎn)投影到像方同名點(diǎn)的不一致降低到0.1像素。文獻(xiàn)[20]通過曲面擬合進(jìn)行高差約束，實(shí)現(xiàn)了CE-1單軌CCD影像與LAM數(shù)據(jù)的聯(lián)合光束法平差，平差后像方誤差由18個(gè)像素降低到1個(gè)像素左右。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于嚴(yán)格幾何模型的CE-2自檢校光束法平差方法，相鄰軌平差后影像間的不一致從20個(gè)像素減小到子像素。文獻(xiàn)[21]以LOLA數(shù)據(jù)作為控制基準(zhǔn)，推估出CE-2影像的外方位元素，并利用多軌影像進(jìn)行聯(lián)合平差處理，將影像間的不一致降低到子像素。

以上均為基于嚴(yán)格成像幾何模型的精化，在基于有理函數(shù)模型精化方面，文獻(xiàn)[22]對(duì)4000列×15 000行TMC影像使用有理函數(shù)模型進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，使像方誤差達(dá)到3～5像素，與美國LOLA激光高度計(jì)數(shù)據(jù)比較，采樣點(diǎn)高差基本在百米以內(nèi)。針對(duì)CE-1、CE-2及LROC NAC影像利用有理函數(shù)模型進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，使得平差后反投影差都能達(dá)到子像素[7,9-10,23]，并生產(chǎn)出高精度的DEM及DOM產(chǎn)品。

1.2 多源數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

不同月球探測任務(wù)、不同傳感器獲取了大量的影像及地形數(shù)據(jù)，利用多源數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖，可以充分結(jié)合不同數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。但是，多源軌道器數(shù)據(jù)間普遍地存在定位偏差，為了實(shí)現(xiàn)月球多源數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)統(tǒng)一，不同源影像與DEM、DEM與DEM間的配準(zhǔn)受到廣泛關(guān)注與研究。

目前針對(duì)月球影像與DEM的配準(zhǔn)主要基于3類匹配方法：三維表面匹配、基于聯(lián)合平差方法的匹配，以及結(jié)合輻射信息的基于窗口的匹配。三維表面匹配方法主要應(yīng)用于立體影像通過攝影測量方法制作生成的DEM與參考高程數(shù)據(jù)之間，通過計(jì)算兩個(gè)高程數(shù)據(jù)間的7個(gè)變換參數(shù)(旋轉(zhuǎn)、平移、縮放參數(shù))進(jìn)行匹配，間接實(shí)現(xiàn)立體影像與高程數(shù)據(jù)之間的配準(zhǔn)[19]。該方法可以實(shí)現(xiàn)立體像對(duì)與高程數(shù)據(jù)的高精度匹配，但并不適用于單幅影像與高程數(shù)據(jù)間的匹配。聯(lián)合平差方法是指匹配與平差同時(shí)求解，在計(jì)算立體像對(duì)幾何模型參數(shù)的同時(shí)，令DEM高程值與立體像對(duì)前方交會(huì)得到的高程值的高程差最小為高程約束，并作為區(qū)域網(wǎng)平差的附加觀測，從而精化模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)影像與高程數(shù)據(jù)的匹配[20-21]。除上述兩種應(yīng)用較多的方法外，還有少數(shù)學(xué)者將輻射信息引入影像與地形數(shù)據(jù)的匹配中。首先基于月表反照率模型與地形數(shù)據(jù)生成模擬影像數(shù)據(jù)，通過模擬影像與實(shí)際影像匹配，間接實(shí)現(xiàn)地形數(shù)據(jù)與影像的匹配[24-25]。該方法通過構(gòu)建模擬影像，實(shí)現(xiàn)了影像與地形數(shù)據(jù)基于窗口的匹配，提高了匹配精度，匹配精度可達(dá)子像素。

多源DEM配準(zhǔn)研究也是進(jìn)行多源數(shù)據(jù)基準(zhǔn)統(tǒng)一制圖的關(guān)鍵技術(shù)。目前DEM配準(zhǔn)技術(shù)主要基于三維最小二乘表面匹配方法。該方法的主要思想為根據(jù)不同的算法建立三維點(diǎn)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系構(gòu)建誤差方程，通過求解轉(zhuǎn)換參數(shù)實(shí)現(xiàn)DEM間的匹配。例如迭代最鄰近點(diǎn)法(iterative closest point，ICP)以點(diǎn)對(duì)間的三維距離最小構(gòu)建誤差方程[26]、最小高差法(least Z-difference，LZD)以點(diǎn)對(duì)間的高程差最小構(gòu)建誤差方程[27]。這兩種方法是三維表面匹配的主流算法，在月球DEM配準(zhǔn)方面也得到了一定應(yīng)用[28]。此外，基于撞擊坑、山脊線等特征的匹配算法也同樣適用于月球DEM間的匹配[29]，但該方法并不適用于特征貧乏地區(qū)。

針對(duì)異源數(shù)據(jù)匹配難題，本團(tuán)隊(duì)提出了一種同時(shí)考慮輻射信息以及幾何信息的軌道器影像與參考DEM數(shù)據(jù)匹配方法[25]。由于軌道器影像與參考DEM數(shù)據(jù)的匹配精度同時(shí)受匹配連接點(diǎn)及模型精度的影響，在二者分辨率差異大的情況下，匹配過程中引入幾何模型約束可以提高匹配精度?；诖耍趥鹘y(tǒng)最小二乘匹配的基礎(chǔ)上，基于遙感影像的通用成像幾何模型，利用影像自身的內(nèi)部幾何一致性信息，在進(jìn)行原始影像與通過參考DEM數(shù)據(jù)計(jì)算得出的模擬影像單像匹配的同時(shí)，求解有理函數(shù)模型的精化參數(shù)與匹配點(diǎn)，從而提高影像與參考DEM數(shù)據(jù)的匹配精度，進(jìn)而為后續(xù)大區(qū)域制圖等應(yīng)用提供高精度控制點(diǎn)。LROC NAC影像與參考DEM的配準(zhǔn)試驗(yàn)表明該方法配準(zhǔn)精度優(yōu)于特征匹配法、ASIFT匹配法和傳統(tǒng)的最小二乘匹配法[25]。

1.3 多重覆蓋影像擇優(yōu)

多重覆蓋影像中選擇出最優(yōu)的影像組合是大區(qū)域制圖研究的首要任務(wù)。文獻(xiàn)[30]從影像重疊范圍、空間分辨率、光照條件、立體強(qiáng)度、太陽經(jīng)度及光譜范圍等方面闡述了立體影像選擇的限制條件。文獻(xiàn)[31—32]在利用LROC NAC影像進(jìn)行地形制圖時(shí)，選擇了側(cè)擺角在0°～30°或交會(huì)角在10°～45°的影像。上述研究主要針對(duì)影響影像立體制圖定位精度的因素，包括立體幾何強(qiáng)度、影像匹配條件等，但是所給出的約束條件基本上都是通過經(jīng)驗(yàn)得出，沒有詳細(xì)地定量分析不同因素與影像匹配精度、定位精度等的相互關(guān)系。對(duì)于影像匹配條件的描述一般都是采用定性的方式，主要集中于立體交會(huì)強(qiáng)度和匹配精度對(duì)于定位制圖精度的影響，尚沒有分析立體交會(huì)強(qiáng)度與匹配誤差之間關(guān)系的研究。

本團(tuán)隊(duì)利用月球表面最高分辨率的LROC NAC數(shù)據(jù)展開了多源多重覆蓋影像定位精度的研究。選取了7景Apollo 11號(hào)和9景嫦娥三號(hào)著陸區(qū)多重覆蓋的影像，首先研究不同立體像對(duì)組合的定位精度。在以往的研究中并未考慮交會(huì)角引起的匹配精度變化，本研究系統(tǒng)論證了立體交會(huì)角、匹配精度(用相關(guān)系數(shù)表征)和定位精度的耦合關(guān)系，得出在交會(huì)角小于10°時(shí)，交會(huì)角對(duì)定位精度起決定性作用，而當(dāng)交會(huì)角大于10°時(shí)，影像匹配誤差對(duì)定位精度影響更大的結(jié)論(如圖 1所示)。

圖1 立體影像交會(huì)角與定位精度和匹配精度的關(guān)系[23]Fig.1 The relationship between the convergence angle and the positional error, the convergence angle and the image correlation coefficient for Apollo-11 and CE-3 landing site

在此基礎(chǔ)上，本文還首次定量分析了不同影像獲取參數(shù)，如影像光照條件差異、影像行列分辨率差異等對(duì)于匹配精度的影響。影像的光照差異是通過陰影頂端距離(shadow-tip distance，DSH)來定量化描述的。DSH的定義是假設(shè)待計(jì)算陰影差異的兩張影像上分別存在單位高的立柱，在兩張影像的光照條件下分別形成的兩個(gè)陰影，則兩個(gè)陰影頂端的距離稱為DSH。影像行列方向分辨率的差異可以通過像素縱橫比來描述，它是指影像行方向和列方向地面采樣距離的比值。研究表明，影像匹配精度隨陰影頂端距離和影像縱橫比之比的增加都呈現(xiàn)線性下降關(guān)系。影像的匹配精度又直接影響最終的立體定位精度，因此在制圖影像選擇過程中，除了考慮影像交會(huì)角對(duì)定位結(jié)果的影響外，還需要考慮影像光照條件、影像縱橫比之比等因素的影響。

以上結(jié)論對(duì)多重覆蓋區(qū)立體制圖影像選擇具有指導(dǎo)意義，對(duì)軌道器影像傳感器設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)獲取方式設(shè)計(jì)也具有參考價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了多影像立體定位精度研究，表明選擇部分影像用于交會(huì)定位精度優(yōu)于用所有影像的定位精度。為此筆者還提出了一種漸進(jìn)式選取最優(yōu)影像的方法，在多重覆蓋影像區(qū)獲得最高的定位精度[23]。

1.4 月球遙感影像產(chǎn)品制作技術(shù)

1.4.1 立體影像DEM產(chǎn)品制作

立體影像DEM制作主要流程都基本為影像模型構(gòu)建及定向、立體匹配和三維生成及DEM內(nèi)插。針對(duì)行星遙感影像DEM生產(chǎn)的軟件主要有NASA開源軟件Ames Stereo Pipeline(ASP)[33]、商業(yè)攝影測量軟件SOCET SET、意大利帕爾馬大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的Dense Matcher[34]及香港理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的PLANETARY3D[10]等。在DEM產(chǎn)品生產(chǎn)中，立體匹配效果往往是影響DEM質(zhì)量的關(guān)鍵。

立體匹配方法依據(jù)是否考慮到全局約束可分為局部匹配方法與全局匹配方法。局部匹配方法缺乏平滑約束，在遮擋以及紋理信息匱乏區(qū)域匹配質(zhì)量不佳?；谌帜芰孔钚』娜制ヅ浞椒ㄓ捎诩尤肓巳旨s束，匹配質(zhì)量較局部匹配大大增加。文獻(xiàn)[35]提出的半全局匹配算法(SGM)，利用多方向動(dòng)態(tài)規(guī)劃近似全局的能量最優(yōu)，在效率和精度上均取得了較好效果，目前被廣泛應(yīng)用[10,33]。為了提高匹配的可靠性與速度，月球立體影像的匹配常常采用核線約束、從粗到精策略和三角網(wǎng)約束等匹配策略以提高匹配成功率及精度。文獻(xiàn)[36]首先建立影像間的核線約束關(guān)系，再利用基于灰度的圖像匹配方法進(jìn)行密集匹配，利用嫦娥二號(hào)影像數(shù)據(jù)，制作了全月DEM。文獻(xiàn)[21]將7 m分辨率的嫦娥二號(hào)數(shù)據(jù)與LOLA數(shù)據(jù)相結(jié)合，生成了虹灣地區(qū)20 m分辨率的DEM，其在地形建模的過程中，利用物方三角網(wǎng)約束了搜索范圍。

1.4.2 多源數(shù)據(jù)融合的DEM產(chǎn)品制作

采用多源地形數(shù)據(jù)通過融合處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的信息互補(bǔ)，最終使得融合后的DEM信息量增加，達(dá)到質(zhì)量優(yōu)于融合前地形數(shù)據(jù)的效果。在月球探測中，DEM融合研究相對(duì)較少，一般選取月球激光高度計(jì)數(shù)據(jù)與立體影像生成的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，月球激光高度計(jì)數(shù)據(jù)的獲取相較于影像不受光照影響，尤其在太陽入射角較低的高緯度地區(qū)及永久陰影區(qū)可以獲取更為精確的高程信息；而由于立體影像分辨率較高，可以獲取更為密集的三維數(shù)據(jù)，尤其在赤道地區(qū)激光點(diǎn)數(shù)據(jù)較為稀疏，此時(shí)立體影像生成的DEM可以發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)，將兩類數(shù)據(jù)融合可以得到更高質(zhì)量的DEM產(chǎn)品。文獻(xiàn)[37]通過將SELENE地形相機(jī)生成的DEM配準(zhǔn)至LOLA，并用其補(bǔ)充了LOLA激光點(diǎn)軌跡間數(shù)據(jù)的缺失，生成了融合后的DEM產(chǎn)品(SLDEM2015)，與LOLA DEM、GLD100比較表明，融合后的DEM具有更加豐富的細(xì)節(jié)與紋理。

1.4.3 大區(qū)域DOM產(chǎn)品制作

在月球軌道器影像獲取過程中，軌道器的定軌定姿精度有限，造成獲取的影像間存在著幾何不一致性，這種不一致性對(duì)基于高分辨率影像的制圖結(jié)果會(huì)產(chǎn)生更大的影響。此外，由于月球目前缺乏高精度的控制基準(zhǔn)，已有的不同制圖產(chǎn)品間也存在著一定的幾何不一致性，本團(tuán)隊(duì)在嫦娥四號(hào)、嫦娥五號(hào)任務(wù)的需求下，研發(fā)出一種分塊策略和區(qū)域網(wǎng)平差相結(jié)合的技術(shù)方法同時(shí)解決影像間的不一致性和影像與DEM之間的位置差異[38]。除幾何不一致性外，由于軌道器影像獲取時(shí)光照條件的差異，影像間輻射信息也存在著差異，從而對(duì)最終影像制圖產(chǎn)品的目視效果產(chǎn)生不良影響。該方法通過在每個(gè)分塊內(nèi)部，采用平面區(qū)域網(wǎng)平差方法，減小LROC NAC影像間和影像與DEM間的幾何偏差。在分塊平差的基礎(chǔ)上，大區(qū)域采用基于薄板樣條(TPS)模型的幾何糾正方法，在虛擬控制點(diǎn)的輔助下，可以在保持制圖精度不變的條件下得到高精度的配準(zhǔn)結(jié)果，完成分塊影像間的幾何不一致性糾正，并對(duì)影像間輻射不一致進(jìn)行校正，從而得到幾何和輻射無縫的大區(qū)域制圖產(chǎn)品。

2 月球制圖產(chǎn)品

2.1 全月或大區(qū)域制圖產(chǎn)品

21世紀(jì)以來的幾次探測任務(wù)中基本都搭載了可以獲取地形數(shù)據(jù)的立體相機(jī)或激光高度計(jì)，利用這些數(shù)據(jù)制作生成了不同分辨率的全月DEM產(chǎn)品，產(chǎn)品的分辨率和精度如表2所示。

目前月球的全球影像制圖產(chǎn)品主要包括克萊門汀號(hào)(Clementine)全月正射影像拼接圖、LROC WAC全月正射影像拼接圖、嫦娥一號(hào)全月影像圖、嫦娥二號(hào)全月影像圖、SELENE地形相機(jī)(terrain camera，TC)全月正射影像拼圖等，如表3所示。

表2 月球全球DEM制圖產(chǎn)品

表3 月球全球DOM制圖產(chǎn)品

為支持Lunar Mapping and Modeling Project (LMMP)，美國地質(zhì)調(diào)查局利用LROC NAC數(shù)據(jù)對(duì)月球兩極85.5°～90°范圍進(jìn)行了有控制的拼接影像圖制作[45]，拼接圖的分辨率為1.0 m/pixel，控制點(diǎn)來源于LOLA極區(qū)10 m分辨率的DTM，采用ISIS軟件對(duì)影像進(jìn)行輻射校正、幾何校正、光束法平差、正射校正以及最終的拼接等處理，但其制圖范圍較小，且沒有考慮光照影響。

在上述工作的基礎(chǔ)上，美國地質(zhì)調(diào)查局、亞利桑那州立大學(xué)、NASA艾姆斯研究中心等團(tuán)隊(duì)利用LROC NAC影像對(duì)月球的北極和南極進(jìn)一步開展了有控制的拼接制圖工作[46-47]。美國地質(zhì)調(diào)查局的制圖范圍是南北緯85°～90°，使用的控制數(shù)據(jù)是LOLA激光點(diǎn)。為考慮不同光照條件，將影像按照太陽經(jīng)度每10°的間隔進(jìn)行分類，最終得到36幅考慮光照的拼接圖，以及綜合所有極區(qū)影像的無縫拼接圖。該成果有望成為月球極區(qū)新一代的高精度基準(zhǔn)圖[47]，但目前該成果尚未發(fā)布。

覆蓋月球北半球60°到極點(diǎn)范圍的LROC NAC拼接圖LROC Northern Polar Mosaic (LNPM) 于2014年發(fā)布[48]。LNPM共涉及10 581幅NAC影像，分辨率可達(dá)到2 m，總覆蓋面積可達(dá)2.54×106km2。該拼接產(chǎn)品仍然采用ISIS軟件完成，以LOLA得到的30 m分辨率的DEM作為基準(zhǔn)，但影像間的幾何偏差仍大量存在。

為滿足嫦娥四號(hào)(CE-4)、嫦娥五號(hào)(CE-5)工程任務(wù)需求，本團(tuán)隊(duì)基于1.4節(jié)中大區(qū)域制圖方法，制作了CE-4著陸區(qū)和備選著陸區(qū)[49]及CE-5預(yù)著陸區(qū)無縫大區(qū)域正射影像圖[38]。其中CE-4著陸區(qū)正射影像拼圖分辨率為0.9 m(51 km×30 km)[49]，用于著陸區(qū)形貌和地質(zhì)構(gòu)造分析[50]，著陸后作為參考影像底圖之一用于著陸點(diǎn)定位和支持巡視器路徑規(guī)劃等[51]。CE-5覆蓋范圍為20°(經(jīng)度)×4°(緯度)，截至2017年12月，該區(qū)域共覆蓋LROC NAC影像2000多幅，根據(jù)影像太陽方位角大于180°、入射角在40°～80°等條件共篩選得到735幅NAC影像，對(duì)于余下無法覆蓋區(qū)域則采用太陽方位角小于180°的影像進(jìn)行補(bǔ)充，所選影像的平均分辨率約為1.5 m。選擇SLDEM2015為控制基準(zhǔn)來提供區(qū)域網(wǎng)平差的控制點(diǎn)和地形糾正的基準(zhǔn)，垂直精度為3～4 m。圖2展示了所制作的分辨率為1.5 m的DOM，圖像大小224 721列×44 945行。該圖是目前為止利用LROC NAC影像生產(chǎn)的最大范圍無縫月球正射影像圖。

圖2 嫦娥五號(hào)預(yù)著陸區(qū)正射影像圖[38](分辨率1.5 m，簡單圓柱投影)Fig.2 Seamless DOM mosaic of the Chang’E-5 planned landing area[38](pixel size 1.5 m, simple cylindrical projection)

2.2 局部區(qū)域高精度產(chǎn)品

月球高分辨率局部影像制圖產(chǎn)品主要數(shù)據(jù)源為LROC NAC影像，LROC通過側(cè)擺獲取部分重點(diǎn)區(qū)域的立體影像。多個(gè)團(tuán)隊(duì)利用LROC NAC影像生產(chǎn)了精度及分辨率最高的DOM與DEM產(chǎn)品，均可在http:∥wms.lroc.asu.edu/lroc下載。產(chǎn)品涉及的LROC NAC影像從兩對(duì)到幾十對(duì)不等，數(shù)據(jù)總覆蓋范圍極其有限。除此之外，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)利用1.5 m嫦娥二號(hào)立體影像制作了嫦娥三號(hào)著陸區(qū)的高分辨率DEM和DOM。

從以上現(xiàn)有的月球影像制圖成果中可以看出，全球制圖成果分辨率為幾十米至百米量級(jí)一般較低，無法用于著陸探測任務(wù)的規(guī)劃和局部精細(xì)地形地貌的研究。局部制圖成果分辨率為米級(jí)，但覆蓋范圍極為有限。

3 應(yīng) 用

3.1 工程應(yīng)用

月球著陸探測任務(wù)前需要進(jìn)行著陸區(qū)選址，以確保著陸器的安全著陸。選址過程需要同時(shí)兼顧科學(xué)探測目標(biāo)、工程能力以及著陸區(qū)環(huán)境(光照、通視性、物質(zhì)成分)等因素，月球軌道器全球或局部高精度制圖產(chǎn)品在著陸區(qū)選址評(píng)價(jià)過程中起到了重要的作用。影響月球選址的原始條件復(fù)雜多樣，通過月球DEM可以計(jì)算得到預(yù)選著陸區(qū)的坡度、粗糙度、地形起伏度、光照遮擋等地形信息，通過高分辨率的影像圖可以分析著陸區(qū)的地貌類型和石塊豐度等，為探測器著陸安全和巡視器工作規(guī)劃提供支撐。

針對(duì)月球著陸區(qū)選址，國際國內(nèi)學(xué)者均進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[52]基于月球正射影像、LOLA地形制圖數(shù)據(jù)及礦物豐度等遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合科學(xué)目標(biāo)[53]，提出了29處月球探測預(yù)選區(qū)。我國的嫦娥四號(hào)任務(wù)實(shí)現(xiàn)了人類探測器首次月球背面軟著陸探測，嫦娥二號(hào)影像與DEM產(chǎn)品在著陸區(qū)評(píng)估與選址方面發(fā)揮了重要作用。文獻(xiàn)[54]結(jié)合SLDEM2015以及由LROC NAC生成的DOM，綜合考慮了坡度、撞擊坑、石塊分布及地勢(shì)遮擋因素，建立了著陸區(qū)評(píng)價(jià)及篩選模糊模型，篩選出了安全著陸區(qū)，并通過嫦娥四號(hào)任務(wù)成功驗(yàn)證了方法的有效性。文獻(xiàn)[55]結(jié)合地形及礦物豐度圖對(duì)嫦娥三號(hào)、四號(hào)著陸區(qū)進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)月球背面地形進(jìn)行了軟著陸探測影響分析，發(fā)現(xiàn)嫦娥三號(hào)、四號(hào)著陸區(qū)環(huán)境差異較大，證實(shí)了嫦娥四號(hào)探測器可以適應(yīng)月球背面的地形變化。

月球軌道器攝影測量制圖技術(shù)及產(chǎn)品在著陸器及月表特征點(diǎn)高精度定位也有廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[56]利用多重覆蓋LROC NAC影像對(duì)以往月球著陸器和其他月表設(shè)備(如激光角反射器)進(jìn)行了定位。本團(tuán)隊(duì)以嫦娥二號(hào)DOM、LROC NAC影像及DOM為底圖，對(duì)嫦娥三號(hào)、四號(hào)的著陸器進(jìn)行了高精度定位[51,57]。圖3是以LROC NAC底圖為基準(zhǔn)的嫦娥四號(hào)著陸點(diǎn)定位圖[51]。

3.2 月球形貌特征分析

月球軌道器影像攝影測量制圖產(chǎn)品在形貌特征及演化研究中得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外都有大量的研究成果。限于篇幅，這里僅給出幾個(gè)在撞擊坑、月壤、石塊等方面的研究案例。

目前除了對(duì)Apollo工程與Luna任務(wù)取回月球樣品進(jìn)行同位素定年外，對(duì)月球其余地方的年齡沒有直接的證據(jù)。文獻(xiàn)[58—60]研究了月球不同區(qū)域的撞擊坑大小頻率分布規(guī)律。文獻(xiàn)[59]進(jìn)一步將Apollo和Luna采樣區(qū)域的撞擊坑統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律與樣品的同位素結(jié)果相結(jié)合，得到了利用月球表面撞擊坑大小頻率的關(guān)系推導(dǎo)絕對(duì)定年的經(jīng)驗(yàn)公式。目前，這種方法已經(jīng)用于對(duì)月表玄武巖[61]、月球皺脊[62]、月球大型盆地[63]等地質(zhì)年齡的研究。近年來，文獻(xiàn)[64—65]利用獲取的高分辨率數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化利用撞擊坑統(tǒng)計(jì)進(jìn)行絕對(duì)定年的方法。

結(jié)合嫦娥四號(hào)工程任務(wù)應(yīng)用需求，本團(tuán)隊(duì)在LROC NAC正射影像圖上(圖3(a))識(shí)別量測了直徑大于3.6 m的撞擊坑11 787個(gè)，其中11 449個(gè)直徑大于5 m，4057個(gè)大于10 m，28個(gè)大于100 m(用淺藍(lán)色標(biāo)出)，見圖4[50]。這些密布的撞擊坑對(duì)于研究該區(qū)表面演化過程及地質(zhì)年齡有重要意義，同時(shí)在月球車的科學(xué)探測任務(wù)規(guī)劃和行駛路徑規(guī)劃也具有重要的參考作用。

圖4 嫦娥四號(hào)著陸區(qū)撞擊坑分布圖(范圍同圖3(a))Fig.4 Distribution of impact craters in the CE-4 landing area (the extent is the same as the Fig.3(a))

月壤是月球表面一種松散的碎屑層，它與底部的基巖在強(qiáng)度方面具有明顯的差異，這種差異性將使撞擊坑形成過程中的沖擊波在界面上進(jìn)行反射和透射，其結(jié)果是形成平底撞擊坑、同心環(huán)撞擊坑、臺(tái)階撞擊坑這些特殊形態(tài)的撞擊坑[65]。因此，可以利用這些撞擊坑的形態(tài)來推斷月壤的厚度[66]。圖5是在嫦娥五號(hào)著陸區(qū)識(shí)別出的同心環(huán)撞擊坑及估算出的月壤厚度圖[67]。

石塊是月球表面一種典型精細(xì)地貌，可以提供月球表面構(gòu)造演化、地質(zhì)年齡等信息。目前利用月球高分辨率影像能夠提取石塊的大小及分布規(guī)律[68]，這能夠?yàn)樵虑虮砻娴牡刭|(zhì)演化以及探測車的安全行駛提供重要信息，并且，提取撞擊坑周圍石塊的分布規(guī)律可以得到最近(20 Ma)形成的撞擊坑的絕對(duì)年齡信息[69]。亞米級(jí)和米級(jí)分辨率的軌道器影像為識(shí)別和量測石塊提供了可能。除了人工識(shí)別與量測外，利用高分辨率影像與DEM進(jìn)行形貌特征(如石塊、撞擊坑等)的自動(dòng)提取與識(shí)別也是研究的熱點(diǎn)[70-71]。

4 未來發(fā)展方向展望與探討

月球探測的新一輪熱潮正在形成，包括我國在內(nèi)的世界航天大國紛紛制定新的軌道器探測、著陸巡視探測、載人登月、建立月球基地等計(jì)劃。隨著工程任務(wù)的持續(xù)開展和月球科學(xué)研究的不斷深入，月球軌道器影像攝影測量制圖技術(shù)與應(yīng)用也必將得到更大的發(fā)展。

4.1 參考框架與絕對(duì)定位精度提升

受限于絕對(duì)參考精度及高精度控制點(diǎn)(激光角反射器)數(shù)量，目前月球攝影測量制圖技術(shù)在絕對(duì)定位精度上依然受限。目前國際上通用的月球全球控制網(wǎng)ULCN 2005水平精度為100 m至幾千米，垂直精度約100 m，總體精度較低。隨著載人登月、月球基地等任務(wù)的實(shí)施，參考框架與絕對(duì)定位精度的需求將更加迫切，面向提高參考框架與絕對(duì)定位精度的月球軌道器探測及攝影測量技術(shù)會(huì)相應(yīng)發(fā)展。

4.2 大區(qū)域高分辨率影像定位制圖

目前月球最高分辨率的影像為LROC NAC影像，但立體覆蓋非常有限。為滿足今后月球探測的需求，新的探測任務(wù)將會(huì)搭載分辨率更高(米級(jí)和亞米級(jí))、立體覆蓋更全(全球覆蓋)的傳感器(如我國規(guī)劃中的嫦娥七號(hào))。隨著分辨率的增高，攝影測量中考慮的誤差因素也將增多(如Jitter的影響將更顯著)。面向新的更高分辨率、更高精度的探測，月球軌道器影像攝影測量技術(shù)隨之而發(fā)展，大區(qū)域乃至全球高分辨率測圖技術(shù)是其中主要的研究方向。

4.3 多數(shù)據(jù)融合的精細(xì)制圖

在新的工程和科研的需求下，對(duì)月球形貌分析的需求必將向精度更高、更精細(xì)、覆蓋更全等方面發(fā)展，這就需要集成多源數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)制圖。多重覆蓋影像、影像與激光高度計(jì)、影像與雷達(dá)數(shù)據(jù)等的融合制圖均會(huì)是今后重要的研究方向。

4.4 海量月球影像的自動(dòng)攝影測量處理

目前持續(xù)增長的海量月球遙感影像數(shù)據(jù)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)的人機(jī)交互處理的能力，大量的數(shù)據(jù)獲取后存檔而無法及時(shí)處理分析。因此，海量月球影像的自動(dòng)攝影測量處理是急需突破的關(guān)鍵技術(shù)和重要的研究方向，包括自動(dòng)制作DEM、DOM等標(biāo)準(zhǔn)化的制圖產(chǎn)品，以及月表地物地貌的自動(dòng)識(shí)別與專題圖制作等。除了攝影測量核心技術(shù)需要更加自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化以外，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)將會(huì)推動(dòng)這一方向的發(fā)展。

4.5 月球制圖標(biāo)準(zhǔn)

為了更好地綜合利用各國月球的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行攝影測量制圖產(chǎn)品制作和共享，十分有必要建立和完善國際月球制圖標(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(dá)、數(shù)據(jù)格式與編碼等。這些標(biāo)準(zhǔn)和共享的實(shí)現(xiàn)，有賴于有效的國際合作，需要相關(guān)業(yè)務(wù)主管部門、國際組織和科學(xué)工作者的共同努力。