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中国月球地形制图研究进展

曾兴国 左维 李春来 刘建军 任鑫 严韦 刘宇轩 高兴烨

曾兴国, 左维, 李春来, 刘建军, 任鑫, 严韦, 刘宇轩, 高兴烨. 中国月球地形制图研究进展[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(4): 570-578. doi: 10.13203/j.whugis20190377
引用本文: 曾兴国, 左维, 李春来, 刘建军, 任鑫, 严韦, 刘宇轩, 高兴烨. 中国月球地形制图研究进展[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(4): 570-578. doi: 10.13203/j.whugis20190377
ZENG Xingguo, ZUO Wei, LI Chunlai, LIU Jianjun, REN Xin, YAN Wei, LIU Yuxuan, GAO Xingye. Review on Progress of Lunar Topographic Mapping in China[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(4): 570-578. doi: 10.13203/j.whugis20190377
Citation: ZENG Xingguo, ZUO Wei, LI Chunlai, LIU Jianjun, REN Xin, YAN Wei, LIU Yuxuan, GAO Xingye. Review on Progress of Lunar Topographic Mapping in China[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(4): 570-578. doi: 10.13203/j.whugis20190377

中国月球地形制图研究进展

doi: 10.13203/j.whugis20190377
基金项目: 国家科技重大专项探月工程(二期)
详细信息
    作者简介:

    曾兴国,博士,主要从事月球与行星地形制图及可视化研究。zengxg@nao.cas.cn

    通讯作者: 李春来,研究员。licl@nao.cas.cn
  • 中图分类号: P283

Review on Progress of Lunar Topographic Mapping in China

Funds: The National Science and Technology Major Project, Phase Ⅱ of China's Lunar Exploration Project
More Information
    Author Bio:

    ZENG Xingguo, PhD, specializes in lunar and planetary cartography and visualization.E-mail: zengxg@nao.cas.cn

    Corresponding author: LI Chunlai, professor. E-mail: licl@nao.cas.cn
  • 摘要: 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。
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-14
  • 刊出日期:  2022-04-05

中国月球地形制图研究进展

doi: 10.13203/j.whugis20190377
    基金项目:  国家科技重大专项探月工程(二期)
    作者简介:

    曾兴国,博士,主要从事月球与行星地形制图及可视化研究。zengxg@nao.cas.cn

    通讯作者: 李春来,研究员。licl@nao.cas.cn
  • 中图分类号: P283

摘要: 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。

English Abstract

曾兴国, 左维, 李春来, 刘建军, 任鑫, 严韦, 刘宇轩, 高兴烨. 中国月球地形制图研究进展[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(4): 570-578. doi: 10.13203/j.whugis20190377
引用本文: 曾兴国, 左维, 李春来, 刘建军, 任鑫, 严韦, 刘宇轩, 高兴烨. 中国月球地形制图研究进展[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(4): 570-578. doi: 10.13203/j.whugis20190377
ZENG Xingguo, ZUO Wei, LI Chunlai, LIU Jianjun, REN Xin, YAN Wei, LIU Yuxuan, GAO Xingye. Review on Progress of Lunar Topographic Mapping in China[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(4): 570-578. doi: 10.13203/j.whugis20190377
Citation: ZENG Xingguo, ZUO Wei, LI Chunlai, LIU Jianjun, REN Xin, YAN Wei, LIU Yuxuan, GAO Xingye. Review on Progress of Lunar Topographic Mapping in China[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(4): 570-578. doi: 10.13203/j.whugis20190377
  • 月球是离地球最近的大型天体,在古代,人类只能通过肉眼观测月球,基于想象描摹月球形貌。直到近代望远镜发明之后,伽利略首次利用望远镜陆续将月球正面的坑、山、海等地物清晰地描绘下来,并制作了大小为8 cm的月球形貌草图,揭开了人类利用现代科技手段开展月球地形制图的序幕[1]

    月球地形图是月球表面的地理位置、形状和起伏形态在水平面上的投影图,是月球地物形态和地貌的统称。真正意义上的月球地形制图离不开近现代人类开展的月球探测计划。1959年,苏联发射月球3号(Luna 3),成功飞越月球表面,首次获取月球背面影像,在60~70年代又陆续发射了多颗卫星。与此同时,美国则发射了徘徊者、勘测者、月球轨道器和阿波罗系列探测器,实现了绕月探测、着陆探测、采样返回及载人登月等划时代的任务,获取了大量的形貌数据[2-5]。自美国1994年发射克莱门汀探测器以来,月球探测掀起了新的高潮,各国陆续发射了月球勘探者号 [6]、智慧1号 [7]、月亮女神号 [8]、嫦娥一/二/三/四号 [9-15]、月船一号/二号 [16-17]、月球勘察轨道器(lunar reconnaissance orbiter,LRO)[18]、圣杯等探测器[19],积累了海量的高分辨率月球形貌数据[6-25]。其中,美国LRO携带的窄轨相机获取的影像数据分辨率为0.5 m,宽轨相机获取的影像分辨率为100 m[18];由日本月亮女神号上搭载的地形相机获取的镶嵌影像数据制作的地形产品分辨率达到7.4 m[20]。月球形貌探测数据的获取为开展月球地形制图研究提供了基础数据。许多国外的制图学家据此开展月球地形制图及相关研究,例如根据阿波罗月球数据,文献[26]制作了早期的月球形貌地图集;文献[27]根据阿波罗17号的着陆区数据制作了相应的地形图;文献[28-29]根据克莱门汀计划获取的数据制作了克莱门汀月球形貌地图集;文献[30]根据Kaguya计划制作了月球全月地形地貌地图;文献[31-32]基于Lunar Orbiter数据制作了月球高分辨率数字影像图集。

    中国的月球地形制图研究是随着嫦娥月球探测工程的开展而发展起来的。一方面是为了满足月球探测任务中对着陆区域选取、探测器导航等工程任务的需要,另一方面则是服务于月球形貌、地质等科学研究,同时也为了促进中国月球探测数据和国外数据的应用共享。基于此,本文开展了详细的月球地形制图研究,对月球制图标准编研、月球形貌地图产品研制、月球制图理论与技术研究等方面进行了具体论述。

    • 在开展嫦娥月球探测任务之初,中国国内在月球地形制图领域的研究还处于空白阶段。在实际的工作中,只能采用国外的月球探测数据,沿用国外的月球制图技术和相应标准,或者借鉴针对地球制图的技术和标准。随着2007年嫦娥一号的成功发射,国内学者开始利用嫦娥月球数据开展月球地形制图,并发现国外的月球制图标准或已有的地球制图的相关标准尚不能完全满足中国的月球地形制图工作需求。在概念基础层面,国内一直缺乏基本的月球形貌的相关中文术语,对于月球形貌的分类界定在国际上没有统一的标准,对于月球形貌的表达也缺乏相应的依据;在数据处理和制图技术层面,虽然国际上已有月面控制网等月球空间基础[33-34],但由于缺乏与国外月球数据的空间数据转换标准,导致与国外数据进行数据融合存在一定的困难,同时由于嫦娥月球探测数据覆盖率全和分辨率高的特点,早期的国外标准也并不能完全满足对嫦娥数据的月球多尺度、高分辨率精细制图的需求。

      制图标准的缺乏给中国的月球地形制图研究带来了较大的困难。为解决这一问题,在嫦娥月球探测工程项目和空间科学及其应用标准化技术委员会(空标委)的支持下,国内学者开展了具体的月球制图标准研究工作。在基础理论概念层面,文献[35-36]研究并制定了月球与行星科学及其应用术语,月球地形图要素分类、代码与图式等两项国家标准,解决了在月球地形制图领域缺乏科学术语、缺乏月球地形制图表达依据的问题;在数据处理和制图技术层面,文献[37-45]基于国内研究制定了月球空间坐标系、月球影像平面图制作规范等9项国家标准,解决了针对嫦娥月球数据处理及多尺度、高分辨率制图问题。

      目前中国已经累计形成了12项月球与行星数据处理与制图领域的相关国家标准,初步建立了面向嫦娥月球数据的中国月球制图标准体系,有力地支持了中国的月球与深空探测工程任务,保障了后续的月球与行星科学研究。空标委组织武汉大学、信息工程大学、中国科学院地理科学与资源研究所等国内数十家制图研究相关单位专家进行评审和确认,通过评审成为国家标准的有11项,剩下的一项标准月球中文地名与代码和还处于审批当中。

    • 嫦娥一号至四号获取了丰富的月球全月和局部影像、地形数据。其中,嫦娥一号全月数字正射影像(digital orthophoto map,DOM)数据分辨率为120 m,相对定位优于240 m,平面定位精度为100 m~1.5 km[9],全月数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据分辨率为500 m,高程精度为60 m,平面精度约为445 m[10];嫦娥二号全月DOM和DEM数据分辨率达到7 m,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[11-12];嫦娥三号和嫦娥四号着陆区局部区域地形数据分辨率达到厘米级 [14-15]。利用这些数据,文献[46-50]设计制作了《嫦娥一号全月球影像图集》《嫦娥一号全月球地形图集》《嫦娥二号高分辨率月球影像图集》《嫦娥二号高分辨率月球虹湾地貌图集》《嫦娥三号着陆区地形地貌》共计5本月球形貌图集。

      《嫦娥一号全月球影像图集》于2010年设计制作,采用数据为嫦娥一号全月DOM影像数据。该图集将全月球划分为188个图幅,分图幅进行详细形貌展示。

      2012年,李春来等[47]利用嫦娥一号获取的全月DEM和等高线数据制作并发布了比例尺为1∶175万的《嫦娥一号全月球地形图集》。该图集同样将全月球分为188个图幅,分幅图采用等高线表示地物的高程信息,采用假彩色晕渲图展现了月表的起伏状态。为了精细表现分幅图中主要地形特征,克服地球地形晕渲图色彩表达月球地形的缺陷,该图集根据月表高程的范围,将月球地形划分为深海、浅海、平原、丘陵、高山5种形貌类型进行高程(编码)设色,并对月海、撞击坑、月溪等17类主要地名和海拔最值进行了标注。受国际制图分会主席Henrik的邀请,在2013年第26届德累斯顿国际地图制图大会上,《嫦娥一号全月球地形图集》参与专业图集类评比,经过国际地图权威评审团综合评比,认为该图集实现了技术创新,精细地表达了月球地形,并荣获地图集专业评比第三名的殊荣。

      2012年,李春来等[48]还利用嫦娥二号获取的DOM和DEM数据,设计制作了《嫦娥二号高分辨率月球影像图集》。该图集主要展示了月球表面虹湾区域典型形貌,以中国人名字命名的月球形貌和部分典型的月球形貌区域。

      2014年,基于嫦娥二号虹湾地区的嫦娥二号DOM数据和DEM(逐像元匹配获取),李春来等[49]设计制作了《嫦娥二号高分辨率月球虹湾形貌图集》。该图集采用晕渲图配合影像的展现形式表现虹湾地区,特别是该区域内嫦娥三号着陆区域周边的形貌特征。

      2018年,基于嫦娥三号着陆区地形及影像数据,李春来等[50]设计制作了《嫦娥三号着陆区地形地貌》。该图集从着陆区的选取、着陆区地形数据获取与处理、着陆区地形特征等方面详细展示了嫦娥三号着陆区域的形貌特征。

    • 在纸质版月球地图集的基础上,中国还制作了多种形式的多媒体月图产品,§2.1提到的月球形貌图集都已经进行了电子化。此外,中国还研制了二维、三维形式展现的在线交互式月球网络地图(底图采用嫦娥一号全月影像数据),访问网址为http://moon.bao.ac.cn/moonGisMap.search。针对近年来手机移动端浏览方式,曾兴国等[51]研究了面向移动端的三维月球可视化方法,并制作了用于月球形貌地图展示的三维月图APP(底图采用嫦娥一号全月影像数据,月球地名参考文献[47])。

    • 2010年,中国设计制作了直径分别为20 cm、32 cm和106 cm的月球仪,这些月球仪采用嫦娥一号DEM和DOM数据进行了融合,并利用特殊的地图制图技术对月表地形进行了立体增强,在光电技术支持下,以达到“远观月球起伏形态,近辨月表奇异形貌”的视觉效果。其中20 cm尺寸的月球仪在2011年第25届巴黎国际地图制图大会获得金奖。

    • 月表没有大气、没有水系、不存在生物活动的迹象,在这种环境下形成的月球形貌体系虽然相对简单,但却有其特色,不能套用地球的形貌体系及其表达方法。早期月球及行星科学家通常按照月表的反射率将月球划分为高地和月海两种形貌,将反射率较高、起伏较大、海拔较高的区域称为月球高地,而将反射率较低、起伏平缓、地势较低的区域称为月海。随着人类月球探测活动的推动,月球形貌研究的逐渐深入,国际上已经定义并归类的月球地貌形态包括月球山脊、月球山脉、月海等共18类[47]。在此基础上,文献[36]结合月球探测和科学研究对地形制图需要,对该体系进行了扩充,并重新按照空间定位基础、探测器及附属设施、自然地形要素、人工地形要素的方式对月球形貌体系进行了详细的梳理和定义,共总结出4个大类、12个中类、56个小类的月球常见形貌要素,即月球地形图要素分类、代码与图式国家标准。

      在注记地名符号研究方面,鉴于国际天文联合会已经对月球的主要形貌进行了拉丁文的命名,文献[47]研究了这些地名的中文译写规则,形成与拉丁文地名一一对应的月球中文地名体系,即月球中文地名与代码标准草案。围绕这些形貌要素、注记,文献[47] 主要从符号设计理念、符号样式、颜色设计等方面研究了月球形貌的地图表达方法。月球形貌要素符号的设计需要充分考虑月球自然条件特点,便于将符号与实际地物进行对应,同时还须区分与地球地貌的联系;在颜色设计方面,针对月球的二元形貌体系进行设色,文献[47]在设计针对月表高程的设色时,采用由棕黄(暖色调)到深蓝(冷色调)的色带表示由高到低的月球高程,取得了良好的视觉效果。

    • 嫦娥任务获取的立体影像数据和激光高度计数据都可以支持全月制图。月球全球制图技术的难点主要在于月球上高精度月面控制点较少,需要进行较多的影像几何处理、配准校正,同时开展全月平差以提高数据精度。在此方面,国内的许多学者都开展了针对性的研究。2008年,文献[9-10]利用嫦娥一号立体影像数据进行图像拼接、几何校正、光度校正,制作得到中国首次月球探测工程全月球影像图,影像分辨率达120 m,同时利用嫦娥一号激光高度计数据进行全月球平差,制作了嫦娥一号全月球地形图,该图水平定位精度为445 m,高程精度为60 m;2010年,文献[11]继续利用嫦娥二号立体影像数据,制作得到嫦娥二号全月球影像图和嫦娥二号全月球地形图,分辨率均达到7 m;文献[52-56]利用嫦娥一号激光高度计数据,制作了相应的全月球DEM地形图。

    • 嫦娥二号探测器利用立体相机在月球虹湾区域获取了32轨分辨率为1.5 m的立体影像数据,嫦娥三号搭载的降落相机、全景相机、地形地貌相机对嫦娥三号着陆点(19.51°W,44.12°N)周边区域进行了高分辨率成像,同样嫦娥四号也利用相应的载荷获取了其着陆点周边区域(177.60°E,45.44°S)高精度形貌数据,可以支持月表局部区域的高精度制图[14-15]。对月表局部区域进行高分辨率制图技术的难点在于高精度影像的密集匹配、地形融合、地形恢复等,针对这些方面,文献[57-60]开展了针对性的研究。

      利用上述数据和制图方法,文献[9-11]制作了月球虹湾区域高分辨率影像图。文献[14-1557]、文献[61-62]分别制作了嫦娥三号、嫦娥四号着陆区形貌地图;文献[60]通过融合中国嫦娥一号、日本月亮女神和美国LRO测高数据,显著提高了嫦娥五号预着陆区吕姆克山区域的DEM精度,开展了嫦娥五号预着陆区的地形制图工作。

    • 相对于地球,月球表面纹理匮乏、地貌种类较少、地形要素较为单调,如何突出月球地形特征成为月球地形可视化的研究重点。针对此,许多学者主要从纹理融合、地形增强等方面开展了不同的研究。文献[63]提出了一种利用月表影像融合彩色晕渲的地形可视化方法,月表在可见光仍呈灰度影像,将彩色晕渲分解为色调-饱和度-亮度(hue-saturation-intensity,HSI)或CMYK(cyan,magenta,yellow,black)彩色空间,再利用月球影像替换彩色空间中的部分通道,形成融合之后的地形可视化图像。融合之后得到的地形图可以展现具有晕渲的立体效果,又更能反映月球实际形貌特征。针对于大比例尺地形可视化,文献[64]研究提出了一种基于色差与地形同步渐变的地形增强可视化方法。该方法可以更好地突出月表局部区域的地形变化特征,尤其是在较小范围内的高程变化的细节。

    • 目前,中国在月球地形数据获取方面已取得了巨大进展,然而对月球地形制图的研究却相对滞后,许多数据处于“测而不绘”的状态。为满足后续月球探测对于多尺度、高精度月球形貌地图的需要,更好地支持全月球形貌相关研究,对于月球地形制图而言,目前还亟需继续研究以下问题:

      1)多源月球探测数据融合

      目前,嫦娥月球数据与国外月球探测数据各具优势。嫦娥月球数据在全月表覆盖最全,整体精度较高;美国LRO等任务在局部月球区域有分辨率达到米级甚至精度更高的数据,而且其部分数据在获取时的太阳高度角较低,对于地形起伏较小的区域,成像质量更好。如果能将嫦娥数据与之进行融合,则可以得到分辨率更高、质量更好的数据。在进行嫦娥三号着陆探测任务时,有学者研究了多源月球数据影像拼接融合的问题[14],但现有的方法只能做到半自动,即使利用算法可以进行大致几何定位和初步的光度融合,但精确的拼接融合和匀色需要大量的人工纠正处理工作。研究效率更高、成图效果更好的多源月球探测数据融合制图方法是一个亟待解决的问题。

      2)月球形貌要素定量指标体系与自动化提取

      地球形貌体系不仅有定性的界定,也有定量的指标。相对来说,月球形貌体系虽然较为简单,也定性地界定了基础的月球形貌要素,但除了月球环形坑等形貌有了一些定量的指标体系,对于大多数形貌要素,并没有更加具体的定量指标。文献[65]基于影像分类的方法研究了月海与高地的划分,但这些研究仅仅是提取了部分月海和高地的边界,对于月海地貌和高地地貌如何划分的定性指标体系研究尚未明确。如何基于这些界定,提取量化的形貌指标,进而开展成体系的自动化的月球形貌要素的提取,制作内容更加丰富的月球形貌地图,也是月球地形制图的下一个研究目标。

      3)海量月球数据的自动化多尺度综合制图

      月球探测获取了海量的月球探测数据,而针对于不同的用图需求,往往需要不同尺度的月球形貌地图。然而对于大多数的用图人员,如何从海量月球数据中筛选出合适的形貌数据,处理并制作所需地图并非易事。现有情况下,主要还是由专业的制图人员人工进行,效率较低。如何基于用图需求,提供服务式的数据筛选,并自动进行数据的几何、辐射、光谱处理得到满足所需的对应尺度的形貌地图,是月球地形制图的另一个研究难点。

    • 月球与行星制图学是地图学在新时期同月球与深空探测研究紧密结合而形成的一个新的研究领域,而月球地形制图研究则是这一领域的第一步。本文对嫦娥工程中的月球地形制图研究情况进行了回顾,在此基础上,对现有的嫦娥月球形貌图研究的标准成果、制图产品成果、制图技术等进行了简要的梳理,并根据相应的研究分析,指出了目前中国月球形貌图制图研究中亟需继续研究的问题,可为未来的月球地形制图研究提供借鉴。

参考文献 (65)

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