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基于嫦娥二号立体影像的全月高精度地形重建

李春来 刘建军 任鑫 严韦 左维 牟伶俐 张洪波 苏彦 温卫斌 谭旭 张晓霞 王文睿 付强 耿良 张广良 赵葆常 杨建峰 欧阳自远

李春来, 刘建军, 任鑫, 严韦, 左维, 牟伶俐, 张洪波, 苏彦, 温卫斌, 谭旭, 张晓霞, 王文睿, 付强, 耿良, 张广良, 赵葆常, 杨建峰, 欧阳自远. 基于嫦娥二号立体影像的全月高精度地形重建[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(4): 485-495. doi: 10.13203/j.whugis20170400
引用本文: 李春来, 刘建军, 任鑫, 严韦, 左维, 牟伶俐, 张洪波, 苏彦, 温卫斌, 谭旭, 张晓霞, 王文睿, 付强, 耿良, 张广良, 赵葆常, 杨建峰, 欧阳自远. 基于嫦娥二号立体影像的全月高精度地形重建[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(4): 485-495. doi: 10.13203/j.whugis20170400
LI Chunlai, LIU Jianjun, REN Xin, YAN Wei, ZUO Wei, MU Lingli, ZHANG Hongbo, SU Yan, WEN Weibin, TAN Xu, ZHANG Xiaoxia, WANG Wenrui, FU Qiang, GENG Liang, ZHANG Guangliang, ZHAO Baochang, YANG Jianfeng, OUYANG Ziyuan. Lunar Global High-precision Terrain Reconstruction Based on Chang'e-2 Stereo Images[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(4): 485-495. doi: 10.13203/j.whugis20170400
Citation: LI Chunlai, LIU Jianjun, REN Xin, YAN Wei, ZUO Wei, MU Lingli, ZHANG Hongbo, SU Yan, WEN Weibin, TAN Xu, ZHANG Xiaoxia, WANG Wenrui, FU Qiang, GENG Liang, ZHANG Guangliang, ZHAO Baochang, YANG Jianfeng, OUYANG Ziyuan. Lunar Global High-precision Terrain Reconstruction Based on Chang'e-2 Stereo Images[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(4): 485-495. doi: 10.13203/j.whugis20170400

基于嫦娥二号立体影像的全月高精度地形重建

doi: 10.13203/j.whugis20170400
基金项目: 

国家自然科学基金 41371414

国家自然科学基金 11503055

详细信息
    作者简介:

    李春来, 研究员, 主要从事天体化学、行星科学、行星遥感等方面的研究。licl@nao.cas.cn

    通讯作者: 刘建军, 博士, 研究员。liujj@nao.cas.cn
  • 中图分类号: P228;P23

Lunar Global High-precision Terrain Reconstruction Based on Chang'e-2 Stereo Images

Funds: 

the National Natural Science Foundation of China 41371414

the National Natural Science Foundation of China 11503055

More Information
    Author Bio:

    LI Chunlai, professor, specializes in cosmochemistry, planetary sciences, and planetary remote sensing. E-mail: licl@nao.cas.cn

    Corresponding author: LIU Jianjun, PhD, professor. E-mail: liujj@nao.cas.cn
  • 摘要: 提出了一种针对嫦娥二号高分辨率立体影像的全月处理方法,采用5个激光反射器的月面位置作为绝对控制点,制作了一个新的全月地形产品(CE2TMap2015),包括7 m、20 m和50 m 3种不同分辨率类型的数据,实现了全月球范围内的无缝镶嵌和高精度绝对定位,数字高程模型(DEM)和数字正射影像(DOM)均实现了全月球覆盖。在评估CE2TMap2015地形数据产品平面位置精度和高程精度的基础上,与SLDEM2013、GLD100和LOLA DEM等全月地形产品进行了比较,结果显示CE2TMap2015地形数据产品在空间分辨率、全月覆盖率、数据连续性、绝对定位精度和地貌结构细节表达等方面与其他全月地形产品相比具有明显的优势,可广泛用于月球科学研究和应用。
  • 图  1  CE-2两线阵立体相机成像原理图

    Figure  1.  Imaging Principle of CE-2 Two-Line Stereo Camera

    图  2  CE-2 CCD立体影像数据全球立体处理流程图

    Figure  2.  Data Processing Flow of Global Lunar Topographic Product Using CE-2 CCD Stereo Images

    图  3  CE-2 DEM和LOLA DEM高程偏差分布图

    Figure  3.  Distribution Map of Elevation Deviation Between CE-2 DEM and LOLA DEM

    图  4  CE-2 DOM与GLD100 DOM平面位置偏差分布图

    Figure  4.  Distribution Map of Horizontal Position Deviation Between CE-2 DOM and GLD100 DOM

    图  5  4种地形数据的第谷撞击坑DEM彩色晕渲图

    Figure  5.  Terrain Shading Map of Crater Tycho Using 4 Types of Global Lunar Terrain Products

    图  6  Kaguya TC相机受图像幅宽影响出现的覆盖漏缝示意图

    Figure  6.  Schematic Diagram of Coverage Hole of Kaguya TC Images Caused by Imaging Width

    图  7  Kaguya TC相机未获取立体图像出现的覆盖漏洞示意图

    Figure  7.  Schematic Diagram of Coverage Hole of Kaguya TC Images Caused by Missing Stereo Images

    表  1  CE-2两线阵立体相机主要技术指标

    Table  1.   Performance Parameters of CE-2 Two-Line Stereo Camera

    名称 指标
    像素数 6 144像素/行(两线阵)
    相机焦距 144.3 mm
    线阵立体角 前视:+7.98°,后视: -17.2°
    光谱范围 0.45~0.52 μm
    量化等级 8 bit
    像元尺寸 10.1 μm × 10.1 μm
    增益选择 3档可选择(0.7,1.0,2.0)
    积分级数 5档(16级、32级、48级、64级及96级)
    下载: 导出CSV

    表  2  嫦娥二号全月地形数据产品CE2TMap2015的组成

    Table  2.   List of CE-2 Global Lunar Topographic Products(CE2TMap2015)

    产品集命名 投影方式 空间分辨率/m 图幅数 存储格式 数据量
    CE2_TMap_DEM_7m
    CE2_TMap_DOM_7m
    极区方位投影
    正轴等角墨卡托投影
    7 844
    844
    GeoTIFF
    GeoTIFF
    3 TB
    750 GB
    CE2_TMap_DEM_20m
    CE2_TMap_DOM_20m
    CE2_TMap_DEM_50m
    CE2_TMap_DOM_50m
    极区方位投影
    兰伯特正形圆锥投影
    正轴等角墨卡托投影
    20
     
    50
    188
    188
    188
    GeoTIFF
    GeoTIFF
    GeoTIFF
    GeoTIFF
    400 GB
    100 GB
    68 GB
    17 GB
    CE2_TMap_GDEM_50m
    CE2_TMap_GDOM _50m
    简单圆柱投影 50 全月镶嵌
    全月镶嵌
    Erdas IMG
    Erdas IMG
    88 GB
    22 GB
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    表  3  4种全月地形数据产品与5个激光反射器的月面位置偏差/m

    Table  3.   Lunar Position Deviations of 5 Laser Reflectors Between 4 Types of Global Lunar Terrain Products/m

    落月舱 CE2TMap2015 GLD100 LOLA DEM SLDEM2013
    平面位置偏差 高程偏差 平面位置偏差 高程偏差 高程偏差 平面位置偏差 高程偏差
    Apollo11 60 2 259 1 0 254 2
    Apollo 14 97 2 237 4 9 232 8
    Apollo 15 53 8 530 3 1 537 4
    Luna 17 21 10 67 16 4 918 5
    Luna 21 81 19 104 1 25 65 4
    平均值 62 8 239 5 8 401 5
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-11
  • 刊出日期:  2018-04-05

基于嫦娥二号立体影像的全月高精度地形重建

doi: 10.13203/j.whugis20170400
    基金项目:

    国家自然科学基金 41371414

    国家自然科学基金 11503055

    作者简介:

    李春来, 研究员, 主要从事天体化学、行星科学、行星遥感等方面的研究。licl@nao.cas.cn

    通讯作者: 刘建军, 博士, 研究员。liujj@nao.cas.cn
  • 中图分类号: P228;P23

摘要: 提出了一种针对嫦娥二号高分辨率立体影像的全月处理方法,采用5个激光反射器的月面位置作为绝对控制点,制作了一个新的全月地形产品(CE2TMap2015),包括7 m、20 m和50 m 3种不同分辨率类型的数据,实现了全月球范围内的无缝镶嵌和高精度绝对定位,数字高程模型(DEM)和数字正射影像(DOM)均实现了全月球覆盖。在评估CE2TMap2015地形数据产品平面位置精度和高程精度的基础上,与SLDEM2013、GLD100和LOLA DEM等全月地形产品进行了比较,结果显示CE2TMap2015地形数据产品在空间分辨率、全月覆盖率、数据连续性、绝对定位精度和地貌结构细节表达等方面与其他全月地形产品相比具有明显的优势,可广泛用于月球科学研究和应用。

English Abstract

李春来, 刘建军, 任鑫, 严韦, 左维, 牟伶俐, 张洪波, 苏彦, 温卫斌, 谭旭, 张晓霞, 王文睿, 付强, 耿良, 张广良, 赵葆常, 杨建峰, 欧阳自远. 基于嫦娥二号立体影像的全月高精度地形重建[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(4): 485-495. doi: 10.13203/j.whugis20170400
引用本文: 李春来, 刘建军, 任鑫, 严韦, 左维, 牟伶俐, 张洪波, 苏彦, 温卫斌, 谭旭, 张晓霞, 王文睿, 付强, 耿良, 张广良, 赵葆常, 杨建峰, 欧阳自远. 基于嫦娥二号立体影像的全月高精度地形重建[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(4): 485-495. doi: 10.13203/j.whugis20170400
LI Chunlai, LIU Jianjun, REN Xin, YAN Wei, ZUO Wei, MU Lingli, ZHANG Hongbo, SU Yan, WEN Weibin, TAN Xu, ZHANG Xiaoxia, WANG Wenrui, FU Qiang, GENG Liang, ZHANG Guangliang, ZHAO Baochang, YANG Jianfeng, OUYANG Ziyuan. Lunar Global High-precision Terrain Reconstruction Based on Chang'e-2 Stereo Images[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(4): 485-495. doi: 10.13203/j.whugis20170400
Citation: LI Chunlai, LIU Jianjun, REN Xin, YAN Wei, ZUO Wei, MU Lingli, ZHANG Hongbo, SU Yan, WEN Weibin, TAN Xu, ZHANG Xiaoxia, WANG Wenrui, FU Qiang, GENG Liang, ZHANG Guangliang, ZHAO Baochang, YANG Jianfeng, OUYANG Ziyuan. Lunar Global High-precision Terrain Reconstruction Based on Chang'e-2 Stereo Images[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(4): 485-495. doi: 10.13203/j.whugis20170400
  • 月球地形数据是描述月球基本特征的主要探测数据之一,是人类理解月球内部结构和月表演化历史的基础数据。结合月球遥感图像和地形数据,可以划分月球地形和地貌类型单元,统计撞击坑的形态、大小和密度,计算月球表面年龄,分析月球表面的地质和构造活动。结合月球地形数据和重力场信息,可以解算月壳厚度、月壳和月幔密度等与月球内部圈层结构相关的月球物理参数。高精度的月表地形数据在近年月球探测任务中也扮演着十分重要的角色,如月球探测轨道的优化设计、着陆点的选取、巡视器的月面导航等。

    月球轨道器获取的影像数据和激光高度计测距数据是制作月球地形图两类最重要的数据源[1-3]。近20年来,美国的Clementine、月球勘探者(Lunar Reconnaissance Orbiter, LRO),日本的Kaguya/ SELENE、中国的Chang’E-1(CE-1)、Chang’E-2(CE-2)和印度的Chandrayaan-1等月球探测任务,搭载了不同类型的相机和激光高度计对月球表面地形开展探测,获取了大量不同分辨率的地形数据[4]

    1994年1月25日发射的Clementine探测器,第一次成功完成了全月地形数据的获取,其搭载的激光高度计(laser image detection and ranging, LiDAR)总共获取了72 548个测距值。利用这些测量数据已制作了空间分辨率为7.5 km的数字高程模型(digital elevation model, DEM),覆盖了79°S~82.9°N之间的月面区域[2]。另外,Clementine探测器上搭载了紫外/可见光相机(ultraviolet-visible spectroscopy, UVVIS),该相机总共获取了大约60万幅图像,覆盖全月面,特别是对月球两极地区进行了多次重复覆盖,这些重复覆盖的图像可以组成立体像对,利用其中约9万幅立体图像,已制作了空间分辨率为1 km,覆盖月球两极点附近30°范围内的DEM数据[5]。同时,采用摄影测量方法,联合处理UVVIS图像,LiDAR测距数据,Apollo、Mariner 10和Galileo等月球探测任务获取的图像,以及地基望远镜图像,建立了月球统一控制网(the unified lunar control network 2005,ULCN2005),并制作了空间分辨率为1.8 km的全月DEM数据[6]

    2007年9月14日,Kaguya月球探测器成功发射,其上携带的地形相机(terrain camera,TC)线阵宽度为4 096像元,正常情况下采用3 504像元获取图像。受轨道高度、地形起伏和图像幅宽的影响,使得相机影像在月球背面赤道附近存在许多覆盖漏缝。利用日本对外发布的数据进行统计分析,原始影像的全月覆盖率为92.4%,在100 km环月轨道获得的影像空间分辨率约为9.2~10.3 m。利用这些立体影像,制作了空间分辨率为7.4 m的全月DEM数据,图像未覆盖区域的地形数据采用其上搭载的Multi-band Imager (MI)相机图像制作,该相机图像空间分辨率为20 m;极点附近图像中存在地形阴影的地区采用了美国LRO LOLA DEM数据进行填补,该全月DEM数据称作“SELENE and LRO Elevation Model (SLDEM)”[7]。另外,Kaguya上搭载的激光高度计(laser altimeter, LALT)获取了大约1 000多万个测距数据,测距精度为5 m,利用其中约670万个测量数据,已制作了空间分辨率为1.8 km的全月DEM数据[8]

    2007年10月24日发射的CE-1是中国首颗月球探测器,其上搭载了一台三线阵立体相机,在200 km高的轨道上总共获取了1 000多轨前视、正视和后视3个视角的立体影像,空间分辨率为120 m,实现了全月面100%的覆盖。利用其中628轨影像数据,采用线阵影像摄影测量的方法制作了空间分辨率为500 m的全月DEM数据和空间分辨率为120 m的全月数字正射影像图(digital orthophoto map, DOM)[9],分别命名CE1_TMap_GDEM_500m和CE1_TMap_GDOM_120m。CE-1上搭载的激光高度计(LAM)用于测量星下点方向探测器与月面的距离,测距精度为5 m,总共获取了大约1 000多万个测距数据。利用其中912万个测量数据,已制作了空间分辨率为3 km的全月DEM数据[10],命名为CE1_TMap_GDEM_3000m。嫦娥一号全月地形产品统称为CE1TMap2009。

    Chandrayaan-1探测器发射于2008年10月22日,其上搭载了一台地形制图相机(terrain mapping camera, TMC)和一台激光高度计获取月球表面地形数据。TMC也是一台三线阵相机,从前视、正视和后视3个视角方向获取立体影像,在100 km高度的环月轨道上,空间分辨率为5 m。整个任务期间,TMC相机获取了月表部分地区的立体影像,利用这些数据制作了局部区域的DEM数据[11]

    2009年6月18日发射的LRO探测器,其上搭载的激光高度计(lunar orbiter laser altimeter,LOLA)是目前月球探测任务中精度最高的激光测高设备,测距精度为10 cm,沿LOLA星下点轨迹方向相邻采样点间距约10~12 m,赤道处LOLA星下点轨迹间距平均约1~2 km,LOLA总共获取了约3.2亿个激光测高数据。利用这些观测值制作了几种不同分辨率(7.580 km、1.895 km、473.8 m、236.9 m、118.5 m、59.2 m和29.6 m)的全月DEM数据[12]。LRO上还搭载了2台相机,即宽视场相机(wide-angle camera, WAC)和窄视场相机(narrow-angle camera, NAC),在50 km环月轨道上,WAC图像空间分辨率为100 m,NAC则用于对月表进行0.5~2.0 m的高分辨率成像。这两台相机可以利用相邻轨道对同一个月面目标的多角度图像构成立体像对,采用摄影测量的方法,能够制作局部地区的月表地形数据。目前, 利用WAC相机获取的69 000个立体像对处理已得到了空间分辨率为100 m的DEM和DOM(GLD100),覆盖了79°S~79°N之间的月面区域[13]。利用NAC相机获取的一些局部月面区域的立体像对,也制作了空间分辨率为m级的DEM数据[14]

    CE-2任务是继CE-1任务后中国第二颗月球探测器,于2010年10月1日发射,是中国月球软着陆探测任务的技术先导星,其上搭载了一台立体相机用于月表地形探测。立体相机是一台两线阵相机,从前视和后视两个视角方向获取立体影像[15-18]。CE-2环月任务轨道有100 km×15 km极轨椭圆轨道和100 km×100 km的极轨圆轨道两种类型。第一种轨道用于CE-3任务虹湾预选着陆区的高分辨率成像,在约15 km轨道高度上获取了32轨立体影像,空间分辨率优于1.5 m。第二种轨道主要用于全月地形数据的获取,在100 km轨道高度上,立体相机的空间分辨率为7 m,整个任务期间共获取了600多轨立体影像[19]。这些影像数据是近年月球探测任务中覆盖最全的高分辨率月球立体影像,在制作高质量月面地形数据方面具有巨大的潜力。本文利用这些立体影像数据制作了一个新的全月地形数据产品,以下详细描述数据处理方法和该地形数据产品。

    • 立体相机是CE-2的主要载荷,其科学探测目标是获取全月立体影像数据和虹湾预选着陆区高分辨率立体影像。该相机采用时间延时电荷耦合元件(time-delay and integrate charge coupled device detector, TDI CCD),以线阵推扫成像方式,沿探测器飞行方向获取前视和后视两个视角的影像数据,相应的立体角分别为7.98°和-17.2°,基高比为0.45。两条线阵共用一套光学系统,平行安装在焦平面上,像元数为6 144像元,像元尺寸大小为10.1 μm×10.1 μm,主要技术指标见表 1

      表 1  CE-2两线阵立体相机主要技术指标

      Table 1.  Performance Parameters of CE-2 Two-Line Stereo Camera

      名称 指标
      像素数 6 144像素/行(两线阵)
      相机焦距 144.3 mm
      线阵立体角 前视:+7.98°,后视: -17.2°
      光谱范围 0.45~0.52 μm
      量化等级 8 bit
      像元尺寸 10.1 μm × 10.1 μm
      增益选择 3档可选择(0.7,1.0,2.0)
      积分级数 5档(16级、32级、48级、64级及96级)

      在100 km轨道高度,半径为1 737.4 km的标准月球正球体参考面上,立体相机的空间分辨率为7 m,成像幅宽约为43 km(图 1);在15 km高轨道上,立体相机的空间分辨率为1.5 m,成像幅宽约为9.2 km[17-19]。原始图像数据采用SPIHT(set partitioning in hierarchical trees)[20]在轨实时压缩后下传地面,包括无压缩、2:1压缩、4:1压缩和8:1压缩等4种模式,可由地面指令进行设置。

      图  1  CE-2两线阵立体相机成像原理图

      Figure 1.  Imaging Principle of CE-2 Two-Line Stereo Camera

    • CE-2两线阵立体相机于北京时间2010年10月24日16时49分在100 km轨道上首次开机工作,成功获取了月表 7m分辨率的影像数据。10月26日,CE-2探测器成功进入近月点15 km、远月点100 km极轨椭圆试验轨道,对虹湾预选着陆区开展高分辨率成像试验,经过约2 d的环月飞行,总共获取了16轨空间分辨率约1.5 m的影像数据。10月29日,CE-2探测器重新返回100 km的极轨圆形环月轨道,11月2日开始获取7 m分辨率的影像数据,截止12月20日,共获取了370轨立体影像。至此CE-2探测器完成了第一阶段的影像获取任务,除两极点附近外其他地区均有两线阵立体影像覆盖。2011年4月22日,CE-2探测器调整了轨道倾角,开始了第二阶段影像获取任务,截止5月20日在100 km轨道上共获取了168轨立体影像,实现了7 m分辨率影像的全月100%覆盖。之后,CE-2探测器再次调整轨道高度,降至100 km×15 km极轨椭圆轨道,对虹湾地区进行了第二次高分辨率成像,又获取了16轨空间分辨率约1.5 m的影像数据。至此,CE-2号立体相机共获取了600多轨立体影像数据,完成了全部影像数据的获取任务[19]

      CE-2获取的影像数据均由地面应用系统(ground research and application system, GRAS)的50 m和40 m天线数据接收站进行数据接收,数据传输码速率为12 Mbps。数据落地后由地面应用系统进行辐射校正、光度校正和几何定位等预处理后,以PDS格式(planetary data system)进行存储和对外发布。

      本文从这些影像数据中选取了384轨立体影像用于全月地形数据的制作。

    • CE-2探测器发射前在实验室标定了相机的焦距、像主点位置等内方位元素,根据内方外元素可以计算每个CCD像元在相机坐标系中的指向。同时,测量了相机坐标系与探测器坐标系之间的旋转矩阵和偏移矩阵,据此可以实现相机坐标系和探测器坐标系之间的转换。为了保证影像成像时刻的时间精度,相机为每一扫描行数据均提供了成像时刻数据,可以内插计算出每一行成像时刻对应的探测器轨道和姿态参数。

      轨道和姿态测量数据在摄影测量数据处理中作为相机的外方位元素,是实现原始图像数据绝对定位的输入参数。CE-2探测器的轨道数据由北京航天飞行控制中心(Beijing Aerospace Control Centre, BACC)提供,采用J2000坐标系,位置测量精度为400 m(3σ),径向精度为60 m(3σ)。CE-2探测器的姿态测量系统采用星敏感器和陀螺组合测量的方式,测定探测器平台在J2000坐标系下的惯性姿态,测量精度优于0.03°(3σ),稳定度优于0.000 5°/s。为了进一步分析外方位元素带来的定位误差,在相邻轨道立体影像重叠区选取了大量均匀分布的同名像点,采用摄影测量前方交会的方法计算了这些同名像点在不同影像条带上的月面三维坐标[21]。分析结果显示,相邻影像条带平面位置偏差和高程偏差的平均值为163 m和63 m,分别是原始图像分辨率的23.3倍和9倍,在一些局部地区甚至达到了上百倍,原始轨道和姿态测量数据存在明显的测量误差。

      在摄影测量数据处理中需要引入高精度控制点,实现处理结果的绝对定位。ULCN2005是目前公认的质量最好的月球控制网,共有272 931个控制点,但其平面位置精度从100 m到几公里,高程精度为几百米,是CE-2图像分辨率的14倍以上,无法满足其高精度绝对定位的要求[6]。目前,月面上已放置的5个激光反射器(Apollo 11,Apollo 14,Apollo 15,Lunokhod 1和Lunokhod 2),是月面位置测量精度最高的人工标志点,与之对应的落月舱位置可以在LRO NAC高分辨率影像识别,因此可以根据落月舱与激光反射器的相对位置关系,计算落月舱的月面位置,精度约为30 m[22-27]

      本文以落月舱位置作为月面控制点;采用的月球参考系为平地球/极轴坐标系,该坐标系与J2000坐标之间转换用到的月心位置、月球旋转参数和天平动参数等采用JPL DE421星历数据;采用的高程参考面为半径1 737.4 km的正球体表面[28]

    • CE-2探测器轨道和姿态测量数据中存在明显的测量误差,严重影响了全月地形数据产品的制作精度。摄影测量光束法平差技术常用于对原始外方位元素进行优化处理,解算地面三维坐标,是保证外方位元素和地面点坐标在空间位置上高精度和一致性的一种有效的技术手段[29]。基于该技术,本文提出了一种适用于CE-2立体相机两线阵立体影像的全月球立体处理方法,用于全月地形数据的制作,数据处理流程见图 2

      图  2  CE-2 CCD立体影像数据全球立体处理流程图

      Figure 2.  Data Processing Flow of Global Lunar Topographic Product Using CE-2 CCD Stereo Images

    • 本文选取的CE-2立体影像数据,覆盖了全月面,数据总量约2 TB。每个影像条带在月面上的纬度跨度为90°S ~90°N,约77万个扫描行,月面覆盖长度约5 458 km,称为长条带影像。考虑到影像数据月面覆盖范围广、数据量大、投影变形等影响,以及计算的便捷性和可实现性等因素,将全月面划分为382个测区,测区之间保持一定的重叠度。根据测区边界信息,将原始长条带影像进行裁切,得到6 689轨短条带影像,每个短条带影像覆盖月面的长度约为212 km。

    • 首先采用尺度不变特征变换(scale invariant feature transform,SIFT)特征匹配方法提取所有短条带影像重叠区域的初始同名像点,然后采用最小二乘影像匹配方法对初始同名像点进行精匹配,使用随机抽样一致(random sample consensus,RANSAC)算法剔除粗差[30-32]。初始同名像点的月面三维坐标采用前方交会方法计算,当月面三维坐标与使用CE-2立体相机的严格成像模型反投影计算的结果残差超过5个像素时,该同名像点也作为粗差点剔除。为了进一步提高这些初始同名像点的质量,在数字摄影测量工作站上进行人工立体检查与编辑,对一些同名像点分布较稀疏的图像重叠区进行人工加密。共选取影像连接点15 347 366个,其中同一条带内前后视影像重叠区的条带内连接点有10 966 663个,相邻条带重叠区的条带间连接点有4 380 703个。

    • 月面上已放置的5个激光反射器(Apollo 11,Apollo 14,Apollo 15,Lunokhod 1和Lunokhod 2),是迄今为止月面位置测量精度最高的人工标志点。月面激光反射器的尺寸小于1 m,在目前高分辨率的月球遥感影像上无法识别,但落月舱或月球车可以在图像上识别。美国国家航空宇航局(NASA)官方网站公布了这5个落月舱在LRO窄角相机高分辨率图像上的识别结果,据此可以量测出在CE-2原始图像上的像素位置。根据激光反射器与落月舱的相对位置关系,计算出激光反射器对应落月舱的月面位置,定位精度约为30 m,作为本文方法的月面控制点[22-27]

    • 本文提出的全月球平差处理方法是基于摄影测量光束法平差技术建立的。光束法误差方程是一种非线性模型,通过迭代计算未知数。为了确保平差结果的稳定性和可靠性,需要精度较好的外方位元素初始值作为输入条件。因此,进行全月球光束法处理前,本文先对全月影像数据进行全月球独立模型法平差处理,初步优化外方位元素,为全月球光束法平差提供精度较高的输入参数。研究结果表明,探测器的飞行轨迹距离较短时,其位置与姿态数据可以采用多项式模型进行表达[33],本文采用6阶切比雪夫多项式拟合计算上述短条带影像任意扫描时刻对应的外方位元素。

      首先,进行外方位元素的初步优化处理。根据§1.3可知,CE-2立体相机原始外方位元素存在非常明显的位置偏差,但这种位置偏差可以通过计算单立体模型相对月心的旋转矩阵和比例尺系数来改善。单立体模型是指每个短条带立体影像(由前视图像和后视图像组成)对应的月面模型,全月球共划分了6 689个单立体模型。以这些单立体模型作为平差单元,进行全月球独立模型法平差,计算每个单立体模型的旋转矩阵和比例尺系数。使用这些参数对原始外方位元素进行坐标变换,得到初步优化的外方位元素。前方交会计算结果表明,全月球独立模型法平差后,条带间连接点的平面位置和高程偏差的平均值分别达到25 m和17 m(小于4个像素),标准差相对平差前分别减少了6.5倍和3.7倍,原始外方位元素的精度和不一致性得到了明显改善。

      第二步进行全月球光束法平差处理。初步优化后的外方位元素仍然存在一定的误差,本文采用n阶切比雪夫多项式描述外方位元素的误差项,多项式的阶数在平差过程中根据收敛情况自动确定,该多项式系数将作为相机自检校系数或附加参数。将初步优化后的外方位元素、5个控制点坐标、连接点图像坐标和根据前方交会计算的连接点月面坐标作为观测值,进行全月球光束法平差处理,迭代计算外方位元素误差模型参数、相机自检校参数和连接点月面坐标。初步优化的外方位元素值加上误差模型计算的误差即为全月球平差得到外方位元素的最终值。前方交会计算结果表明,条带间连接点处平面位置和高程偏差的平均值分别为5 m和2 m(小于1个像素),标准差分别为4 m和5 m,比平差前分别减少了32.6倍和31.5倍,极大地改善了原始外方位元素的精度和不一致性。与5个激光反射器月面位置相比,平面位置偏差在21~97 m之间,高程偏差在2~19 m之间。因此,采用本文提出的全月球平差方法,实现了CE-2影像数据在全月球范围内的无缝镶嵌和高精度绝对定位,最终优化后的外方位元素用于全月地形数据产品的制作[34]

    • 利用每个单立体模型的外方位元素,建立其前视图像和后视图像之间的核线约束关系,以此作为同名像点搜索的约束条件。采用基于灰度的图像匹配算法,在原始分辨率的立体图像上进行逐像素匹配,并根据自检校参数对匹配的像素坐标进行改正。利用前方交会的方法计算每个同名像点的月面三维坐标,并根据单立体模型所在测区的投影参数转换为月面投影坐标,采用反距离加权法(inverse distance weighted,IDW)制作每个单立体模型的规则格网DEM数据,空间分辨率为7 m。在纬度大于70°的高纬地区,由于地形起伏导致原始图像上存在一些光照阴影区域,造成有效光学图像的缺失,不能直接解算出DEM数据。这些地区的DEM数据采用基于径向基函数(radial basis function,RBF)的曲面拟合算法,根据邻近位置的地形数据插值计算[35]得到。两极点3.4°范围内,地形阴影面积大,采用联合处理CE-1激光高度计、LRO LOLA等探测数据的方法,填补极点附近由于地形阴影导致的地形覆盖漏洞,实现了DEM数据全月球覆盖。

      根据CE-2立体相机严格几何成像模型,利用DEM数据对前视影像进行正射纠正处理,制作了每个单立体模型的DOM数据,空间分辨率为7 m。将每个测区的所有单立体模型的DEM和DOM数据进行镶嵌处理,制作了每个测区7 m分辨率的镶嵌DEM和DOM数据,并采用重采样的方法,制作了每个测区分辨率为20 m和50 m的镶嵌数据。

    • 考虑到文件存储格式、数据大小、投影变形、使用便携性、数据发布等因素,全月地形数据产品采用地理分幅格网的方式进行组织,每个分幅格网覆盖范围内的数据产品,由§2.5制作的测区数据镶嵌而成,相邻分幅产品设置了50个像素的重叠区,以确保全月数据产品的完整性。全月地形数据产品命名为“CE2TMap2015”,由DEM和DOM数据组成,包括7 m、20 m和50 m 3种分辨率的数据产品子集。7 m分辨率地形数据产品共有844个分幅,20 m分辨率产品共有188个分幅,50 m分辨率产品包括188个分幅产品和1幅全月镶嵌产品。每个分幅产品包括DEM数据、DOM数据、坐标信息和投影信息等4个文件。表 2给出了CE-2地形数据产品的主要信息,总数据量大小约为4.4 TB。分幅产品命名为CE2_GRAS_XXX_AA_BB_CC_V.ext,其中,CE2表示嫦娥二号任务;GRAS表示数据制作单位,即地面应用系统;XXX表示产品数据类型,即DEM或DOM;AA表示分辨率;BB表示图幅号;CC表示图幅中心经纬度;V表示产品版本;ext表示产品格式后缀。这些DEM和DOM产品对全月面的覆盖达到了100%,通过探月工程数据发布网站对外发布(http://moon.bao.ac.cn)。

      表 2  嫦娥二号全月地形数据产品CE2TMap2015的组成

      Table 2.  List of CE-2 Global Lunar Topographic Products(CE2TMap2015)

      产品集命名 投影方式 空间分辨率/m 图幅数 存储格式 数据量
      CE2_TMap_DEM_7m
      CE2_TMap_DOM_7m
      极区方位投影
      正轴等角墨卡托投影
      7 844
      844
      GeoTIFF
      GeoTIFF
      3 TB
      750 GB
      CE2_TMap_DEM_20m
      CE2_TMap_DOM_20m
      CE2_TMap_DEM_50m
      CE2_TMap_DOM_50m
      极区方位投影
      兰伯特正形圆锥投影
      正轴等角墨卡托投影
      20
       
      50
      188
      188
      188
      GeoTIFF
      GeoTIFF
      GeoTIFF
      GeoTIFF
      400 GB
      100 GB
      68 GB
      17 GB
      CE2_TMap_GDEM_50m
      CE2_TMap_GDOM _50m
      简单圆柱投影 50 全月镶嵌
      全月镶嵌
      Erdas IMG
      Erdas IMG
      88 GB
      22 GB
    • 由美国行星数据系统发布的LDEM_1024地形产品是目前精度最好的全月DEM数据之一,由LRO LOLA获取的激光测距数据制作而成,空间分辨率为30 m。为了方便与CE-2全月DEM数据的比较,将这两种DEM数据分别重采样为空间分辨率为1 km的全月DEM数据,并转换为相同的投影方式进行存储。为了减少空间位置的不一致性给两类DEM数据高程偏差统计带来的影响,数据比较前以CE-2 DEM数据为控制底图,对LOLA DEM数据进行了几何配准处理。计算了这两种DEM数据的高程偏差,图 3为CE-2 DEM和LOLA DEM高程偏差分布图。统计结果表明,高程偏差的平均值为43 m,标准差为110 m,可见这两种数据具有较好的一致性。

      图  3  CE-2 DEM和LOLA DEM高程偏差分布图

      Figure 3.  Distribution Map of Elevation Deviation Between CE-2 DEM and LOLA DEM

      GLD100DOM是目前精度最好的全月DOM数据之一,由LRO WAC相机获取的图像数据制作而成,空间分辨率为100 m。利用CE-2 DOM和GLD100DOM数据,在全月球范围内人工选取了839个检查点数据,根据两种DOM上检查点处的经纬度坐标,计算了这两种数据的平面位置偏差,图 4为CE-2 DOM和GLD100 DOM平面位置偏差分布图。统计结果表明,由于月球背面无控制点,位置偏差相对较大;总体而言,两种数据平面位置偏差的平均值为354 m,标准差为228 m,平面位置具有较好的一致性。

      图  4  CE-2 DOM与GLD100 DOM平面位置偏差分布图

      Figure 4.  Distribution Map of Horizontal Position Deviation Between CE-2 DOM and GLD100 DOM

      NASA官方网站公布了5个激光反射器对应的落月舱在LRO窄角相机高分辨率图像上的识别结果(https://history.nasa.gov/alsj/alsjcoords.html),据此我们确认了它们在CE-2 DOM、GLD100 DOM、LOLA DEM、以及SLDEM 2013上的图像位置,量测它们在这4类地形数据上的平面位置和高程值,计算这些坐标值与5个落月舱月面位置之间的偏差。从表 3的分析结果可以看出,与5个激光反射器月面位置相比,CE2TMap2015平面位置偏差在21~97 m之间,高程偏差在2~19 m之间;GLD100地形数据的平面位置偏差在67~530 m之间,高程偏差在1~16 m之间;LOLA DEM的高程偏差在0~25 m之间;SLDEM2013地形数据平面位置偏差在65~918 m之间,高程偏差在2~8 m之间。可见,这4种地形数据高程偏差大小基本相当,CE2TMap2015平面位置偏差明显小于其他3种地形数据,是平面位置精度最高的产品。

      表 3  4种全月地形数据产品与5个激光反射器的月面位置偏差/m

      Table 3.  Lunar Position Deviations of 5 Laser Reflectors Between 4 Types of Global Lunar Terrain Products/m

      落月舱 CE2TMap2015 GLD100 LOLA DEM SLDEM2013
      平面位置偏差 高程偏差 平面位置偏差 高程偏差 高程偏差 平面位置偏差 高程偏差
      Apollo11 60 2 259 1 0 254 2
      Apollo 14 97 2 237 4 9 232 8
      Apollo 15 53 8 530 3 1 537 4
      Luna 17 21 10 67 16 4 918 5
      Luna 21 81 19 104 1 25 65 4
      平均值 62 8 239 5 8 401 5

      此外,在月面上选取了几个局部区域,比较上述4种全月地形数据中不同地貌结构的细节特征。图 5(a)~5(d)分别是利用CE2TMap2015、SLDEM2013、LOLA DEM和GLD100地形数据制作的第谷撞击坑(43.4°S,11.3°W)的彩色晕渲图。从图 5中可知,CE2TMap2015和SLDEM2013对月表地貌结构的表达均比较精细,中央峰表面的山脊、撞击坑底部的线性裂纹、边缘塌陷痕迹、直径小于1.5 km的小撞击坑等地貌结构清晰可辨,而这些特征在LOLA DEM和GLD100地形数据中显示比较粗糙和模糊,有些特征只有部分显示。LOLA星下点轨迹间距在这两个地区的大小约1 km,DEM数据中星下点痕迹在图中显示比较明显。

      图  5  4种地形数据的第谷撞击坑DEM彩色晕渲图

      Figure 5.  Terrain Shading Map of Crater Tycho Using 4 Types of Global Lunar Terrain Products

      与SLDEM2013地形数据比较而言,CE2TMap2015覆盖更完整。Kaguya携带的TC相机受图像幅宽影响,特别是在月球背面赤道附近相邻两轨图像无重叠,出现大量覆盖漏缝,通过插值得到地形数据;而一些未获取立体像对的区域,采用MI相机、LOLA DEM数据制作,空间分辨率明显低于周围地形数据,图 67分别是1.5°S、165.5°W附近和58.2°N、7.3°E附近的两类数据对比情况。

      图  6  Kaguya TC相机受图像幅宽影响出现的覆盖漏缝示意图

      Figure 6.  Schematic Diagram of Coverage Hole of Kaguya TC Images Caused by Imaging Width

      图  7  Kaguya TC相机未获取立体图像出现的覆盖漏洞示意图

      Figure 7.  Schematic Diagram of Coverage Hole of Kaguya TC Images Caused by Missing Stereo Images

    • 近20年来,美国、欧空局、日本、中国和印度等先后共开展了12次月球探测活动,实现了对月球全球性与综合性的勘察探测,获取了覆盖全月球不同分辨率的影像和地形数据。CE-2任务获取的空间分辨率为7 m的两个视角的立体影像数据,实现了全月面的100%覆盖,是目前覆盖最全的高分辨率月球立体影像,在制作高质量月面地形数据方面具有巨大的潜力。

      本文选取了384轨长条带立体影像,用于全月地形数据处理。考虑到影像数据月面覆盖范围广、数据量大、投影变形等影响,以及计算的便捷性和可实现性等因素,将这些长条带影像裁切为6 689轨短条带影像。基于摄影测量立体处理技术,提出了适用于CE-2立体影像的全球立体处理方法,采用5个激光反射器的月面位置作为绝对控制点,制作了空间分辨率为7 m的全月地形数据,实现了DEM和DOM数据全月球100%覆盖。该地形产品命名为“CE2TMap2015”,包括7 m、20 m和50 m 3种不同分辨率类型的数据。

      本文统计分析了条带间连接点处相邻立体模型的位置偏差,CE-2全月地形产品的平面相对位置偏差的平均值为5 m,标准差为4 m;高程相对偏差的平均值为2 m,标准差为5 m,均小于原始图像的1个像元大小,相对于全球立体处理前分别减少了32.6倍和31.5倍,极大地改善了数据产品的定位精度。与5个激光反射器月面位置(月面绝对控制点)相比,平面绝对位置偏差在21~97 m之间,好于SLDEM2013、GLD100和LOLA DEM等全月地形产品,高程偏差在2~19 m之间,与其他全月地形产品相当。CE2TMap2015与SLDEM2013在月表地貌结构细节特征表达方面比较一致,明显好于GLD100和LOLA DEM地形产品;CE2TMap2015采用月表连续覆盖的立体影像制作,在数据连续性和覆盖率上好于SLDEM2013。

      本文制作的CE-2全月地形数据产品实现了全球范围内的无缝镶嵌和高精度绝对定位,在空间分辨率、全月覆盖率、数据连续性、绝对定位精度和地貌结构细节表达等方面与其他全月地形产品相比具有明显的优势,可广泛用于各种月球科学研究和应用,如月球地形和地貌类型单元划分,撞击坑的形态、大小和密度统计,月表年龄计算,月表坡度和粗糙度计算,图像数据的正射纠正处理等。

参考文献 (35)

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