徐 青，耿 迅

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，鄭州 450052；2.河南大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，開封 475004；3.河南大學(xué) 河南省時空大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，鄭州 475000）

引 言

深空探測中的一個重要科學(xué)目標(biāo)是通過航天遙感測繪手段獲得高精度、高分辨率的地外天體形貌測繪產(chǎn)品，從而為后續(xù)的一系列探測活動提供基礎(chǔ)形貌數(shù)據(jù)保障[1-4]。地外天體的形貌測繪產(chǎn)品主要用于著陸區(qū)（或采樣區(qū)）選址、飛行導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等深空探測工程任務(wù)以及行星地質(zhì)構(gòu)造、形貌特征、演化歷史等科學(xué)研究[5-7]。與對地觀測領(lǐng)域的測繪技術(shù)相比，地外天體形貌測繪蘊(yùn)含著綜合、復(fù)雜的理論技術(shù)體系，涉及天文、導(dǎo)航、航天、測繪、測控等多個學(xué)科交叉、相互滲透的理論知識和技術(shù)方法[1,8]。

近年來，中國成功實施了“嫦娥”系列月球探測工程與“天問一號”火星探測工程[9-11]。結(jié)合深空探測工程任務(wù)，中國的地外天體形貌測繪技術(shù)也迅速發(fā)展，從早期使用國外公開數(shù)據(jù)的算法驗證階段進(jìn)入到依靠自主探測數(shù)據(jù)的行星遙感制圖階段，制作的地外天體形貌測繪產(chǎn)品很好地支撐了月球、火星探測任務(wù)的著陸區(qū)選址、著陸導(dǎo)航、巡視勘察等工程任務(wù)[12-17]。深空探測與行星科學(xué)緊密結(jié)合，當(dāng)前中國正在實施從深空探測大國邁向行星科學(xué)強(qiáng)國的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型[18]，而深層次的行星科學(xué)研究也需要高精度、高分辨率的地外天體形貌測繪產(chǎn)品作為支撐[19-21]。然而，由于受到制圖產(chǎn)品不足、數(shù)據(jù)處理周期長等因素的制約，許多行星科學(xué)研究只能使用早期的低分辨率制圖產(chǎn)品或者未經(jīng)幾何處理的原始遙感數(shù)據(jù)。因此，仍然需要進(jìn)一步加強(qiáng)地外天體形貌測繪技術(shù)的研究與應(yīng)用。

地外天體形貌測繪包含軌道器遙感制圖以及巡視器導(dǎo)航相機(jī)、地形相機(jī)的就位探測制圖，本文重點論述軌道器遙感制圖技術(shù)及產(chǎn)品。第1～3節(jié)分別介紹月球、火星與小行星的形貌測繪成果，第4節(jié)針對中國開展地外天體形貌測繪給出了幾點建議。本文主要介紹利用測繪相機(jī)以及激光高度計獲取的遙感數(shù)據(jù)開展地外天體形貌測繪的相關(guān)處理技術(shù)及遙感制圖產(chǎn)品，不涉及行星地質(zhì)圖繪制。

1 月球形貌測繪

20世紀(jì)六、七十年代，美國和前蘇聯(lián)實施了多次月球探測任務(wù)，月球形貌測繪技術(shù)得到初步應(yīng)用并迅速發(fā)展。1971—1972年實施的“阿波羅15號”（Apollo 15）～“阿波羅17號”（Apollo 17）任務(wù)均攜帶了測量型相機(jī)用于繪制月面地形圖，并且同步使用激光高度計獲取探測器至月面的距離信息輔助攝影測量處理。近年來，美國地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS）等機(jī)構(gòu)重新對Apollo 15～17任務(wù)獲取的膠片式影像進(jìn)行數(shù)字化處理，并制作了分辨率約為30 m/像素的局部區(qū)域數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）與數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）[22]。美國于1994年1月發(fā)射了“克萊門汀號”（Clementine）月球探測器，攜帶了紫外線/可見光相機(jī)（Ultraviolet/Visible Camera，UVVIS）、近紅外相機(jī)（Near Infrared Camera，NIR）等光學(xué)儀器以及激光測高儀，利用獲取的遙感數(shù)據(jù)制作了“克萊門汀”月球控制網(wǎng)（the Clementine Lunar Control Network，CLCN），基于43 000張UVVIS影像制作了分辨率為100 m/像素的全月數(shù)字正射影像圖[23]。2005年月球統(tǒng)一控制網(wǎng)（The Unified Lunar Control Network 2005，ULCN2005）是基于43 866幅克萊門汀影像的攝影測量處理以及早期的月球控制網(wǎng)建立的，共包含272 931個地面控制點；與CLCN相比，ULCN2005通過求解控制點的高程值進(jìn)一步提升幾何精度，其平面精度為100 m～幾km，垂直精度為100 m[24]。美國于2009年6月發(fā)射了“月球偵察軌道器”（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO），基于LRO寬角相機(jī)（Wide Angle Camera，WAC）影像數(shù)據(jù)制作了分辨率為100 m的近似全月DEM（即GLD100）與全月DOM，GLD100 DEM的覆蓋緯度范圍為-79°～79°[25]。LRO攜帶的窄角相機(jī)（Narrow Angle Camera，NAC）可以獲取分辨率為0.5～2 m的月面影像，經(jīng)過十多年的持續(xù)觀測，NAC影像數(shù)量已經(jīng)超過一百萬張，能夠覆蓋月球表面大部分區(qū)域[26]。LRO上搭載的激光高度計（Lunar Orbiter Laser Altimeter，LOLA）的測距精度為±10 cm，高程精度為±1 m，基于LOLA數(shù)據(jù)制作了240 、120、60 m等不同格網(wǎng)間距的全月DEM，LOLA DEM作為目前精度最高的月球高程控制數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于月球遙感制圖領(lǐng)域[27]。

21世紀(jì)以來，月球探測掀起新高潮，更多的國家或航天機(jī)構(gòu)加入到了月球探測陣營。2007年9月，日本發(fā)射了“月女神”（SELenological and ENgineering Explorer，SELENE）月球探測器，搭載了線陣推掃式地形測繪相機(jī)（Terrain Camera，TC）、多光譜相機(jī)（Multiband Imager，MI）與激光高度計（LAser ALtimeter，LALT），TC相機(jī)可以獲取空間分辨率為10 m/像素的月面影像，通過融合TC影像與LRO LOLA激光測高數(shù)據(jù)，制作了分辨率為512像素/（°）（赤道區(qū)域分辨率約60 m/像素）的近似全月DEM（即SLDEM2015），覆蓋緯度范圍為-60°～60°，高程精度為3～4 m，基于MI影像數(shù)據(jù)制作了近似全月的多光譜影像拼圖，分辨率約為59 m，覆蓋±65°緯度區(qū)域[28-29]。

印度于2008年10月發(fā)射了“月船一號”（Chandrayaan-1）探測器，搭載了三線陣地形測繪相機(jī)（Terrain Mapping Camera，TMC）與激光測距儀（Lunar Laser Ranging Instrument，LLRI），TMC的影像分辨率為5 m/像素，LLRI的測距精度優(yōu)于±5 m[30]。文獻(xiàn)[31]介紹了利用Chandrayaan-1 TMC立體影像制作DEM（格網(wǎng)間距為25 m）的初步實驗結(jié)果。文獻(xiàn)[32]基于有理函數(shù)模型方法對TMC立體影像進(jìn)行了攝影測量處理，由于未使用高程控制數(shù)據(jù)，生成的DEM與LOLA DEM之間有1～2 km的系統(tǒng)誤差。印度的“月船二號”（Chandrayaan-2）探測器于2019年7月發(fā)射，雖然著陸任務(wù)失敗，但是軌道器仍然在軌運行，搭載的TMC2立體測繪相機(jī)的技術(shù)指標(biāo)與TMC類似，另外還搭載了一臺軌道器高分辨率相機(jī)（Orbiter High Resolution Camera，OHRC）用于局部區(qū)域的精細(xì)制圖，其下視影像的空間分辨率為0.25 m/像素，傾斜25°進(jìn)行立體攝影時的空間分辨率優(yōu)于0.32 m/像素[33]。印度雖然也制訂了生產(chǎn)月球全球DOM與DEM的計劃，但是目前仍未發(fā)布相關(guān)產(chǎn)品。

中國的月球探測任務(wù)起步較晚，卻在較短的時間內(nèi)取得了舉世矚目的成就?！版隙鹨惶枴保–E-1）探測器于2007年10月發(fā)射，文獻(xiàn)[14]利用CE-1激光高度計（Laser Altimeter，LAM）獲取的約912萬個有效探測數(shù)據(jù)制作了空間分辨率為3 km的全月DEM，平面精度為445 m，高程精度為60 m。文獻(xiàn)[12]對CE-1獲取的三線陣CCD影像數(shù)據(jù)進(jìn)行攝影測量處理，制作了分辨率為120 m/像素的全月DOM以及500 m格網(wǎng)間距的全月DEM，并且繪制了比例尺為1∶250萬（等高距500 m）的全月球數(shù)字地形圖?！版隙鸲枴保–E-2）探測器于2010年10月發(fā)射，利用CE-2立體影像數(shù)據(jù)進(jìn)行攝影測量處理，并使用5個月面激光反射器的已知位置作為絕對控制點，制作了C E-2全月地形產(chǎn)品（即CE2TMap2015），包括7、20、50 m 3種不同分辨率的DEM與DOM，平面相對位置精度為5 m，高程相對位置精度為2 m，通過與激光反射器的月面位置進(jìn)行對比，平面絕對位置精度為21～97 m，高程絕對位置精度為2～19 m，CE2TMap2015全月地形產(chǎn)品的空間分辨率、全月覆蓋率等指標(biāo)優(yōu)于國外同類制圖產(chǎn)品[34]。

就月球局部區(qū)域遙感制圖制圖，文獻(xiàn)[35]利用765幅LRO NAC影像制作了分辨率為1.5 m/像素的“嫦娥五號”（CE-5）著陸區(qū)正射影像拼圖，平面相對位置精度優(yōu)于1個像元。LROC（Lunar Reconnaissance Orbiter Camera）團(tuán)隊使用USGS ISIS行星遙感影像處理軟件對10 581張LRO NAC影像進(jìn)行幾何糾正處理，利用格網(wǎng)間距為30 m的LOLA DEM作為參考，制作了北緯60°到北極點的大范圍影像拼圖，分辨率為2 m/像素[36]。文獻(xiàn)[37]利用陰影恢復(fù)形狀（Shape from Shading，SfS）技術(shù)進(jìn)行月球表面局部區(qū)域的高精細(xì)制圖，可以生成逐像素分辨率的DEM數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[38]融合攝影測量與SfS技術(shù)，利用LRO NAC影像制作了“嫦娥四號”（CE-4）、CE-5著陸區(qū)的高分辨率DEM產(chǎn)品。

深空探測巡視器上的導(dǎo)航、地形相機(jī)也可以用于繪制著陸區(qū)或者巡視區(qū)域的制圖產(chǎn)品，輔助探測任務(wù)的路徑規(guī)劃以及行星科學(xué)分析。文獻(xiàn)[39]分析了CE-3導(dǎo)航相機(jī)的測圖能力，研發(fā)了基于導(dǎo)航相機(jī)立體影像的三維地形快速重建算法，并應(yīng)用于CE-3巡視器的路徑規(guī)劃。文獻(xiàn)[40]利用CE-4巡視器導(dǎo)航相機(jī)影像數(shù)據(jù)自動生成了2 cm/像素的DEM與DOM數(shù)據(jù)，用于巡視區(qū)域的障礙物識別以及路徑規(guī)劃。文獻(xiàn)[41]綜合利用CE-2正射影像、LRO NAC正射影像以及CE-4降落相機(jī)、監(jiān)視相機(jī)影像進(jìn)行特征匹配與視覺測量處理，確定CE-4著陸點位置為（177.588°E，45.457°S）。

雖然月球全球形貌測繪產(chǎn)品的精度與分辨率已經(jīng)得到不斷提升，但是不同探測任務(wù)制作的測繪產(chǎn)品由于參考基準(zhǔn)、控制數(shù)據(jù)以及處理方法的差異，存在不同程度的幾何誤差。基于CE-2、SELENE、Chandrayaan-1/2與LRO NAC、LOLA等遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，理論上能夠制作出分辨率為2～5 m/像素的全月DOM以及更高分辨率的全月DEM，將進(jìn)一步促進(jìn)月球科學(xué)研究，但是涉及數(shù)百萬張影像的多探測任務(wù)數(shù)據(jù)融合處理仍然是一項極具挑戰(zhàn)性的研究課題。文獻(xiàn)[42]提出了利用多探測任務(wù)數(shù)據(jù)構(gòu)建新一代月球全球控制網(wǎng)的總體技術(shù)框架。表1列出了典型月球探測任務(wù)的遙感制圖產(chǎn)品。

表1 典型月球探測任務(wù)遙感制圖產(chǎn)品Table 1 Typical lunar exploration projects and lunar mapping products

2 火星形貌測繪

火星形貌測繪技術(shù)一直是深空測繪領(lǐng)域的研究重點[2，43]。美國于20世紀(jì)70年代成功實施了“海盜1號”（Viking 1）與“海盜2號”（Viking 2）火星探測任務(wù)，兩個“海盜號”探測器均攜帶了（Visual Imaging System，VIS）相機(jī)，共獲取超過6萬張影像數(shù)據(jù)。針對“海盜號”任務(wù)的遙感數(shù)據(jù)處理工作從20世紀(jì)70年代末一直持續(xù)至20世紀(jì)初。USGS制作了1∶500萬、1∶200萬比例尺火星全球地形圖以及1∶200萬～1∶5萬等多種不同比例尺的局部區(qū)域地形圖。USGS基于“海盜號”影像制作了分辨率為231 m/像素的火星全球數(shù)字影像圖（Mars Digital Image Model，MDIM1.0），位置精度約±6 km。20世紀(jì)初，USGS又使用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)對“海盜號”影像進(jìn)行處理，并于2004年發(fā)布了新版本的MDIM 2.1，包括全色與彩色火星全球DOM，分辨率為231 m/像素，位置精度提升至200 m（約1個像素）[44-45]。美國“火星全球勘測者”（Mars Global Surveyor，MGS）探測器于1996年11月發(fā)射，搭載了火星軌道器相機(jī)（Mars Orbiter Camera，MOC）以及激光高度計（Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA），MOC相機(jī)包括寬角相機(jī)與窄角相機(jī)[3]，共獲取了超過24萬張影像，基于MOLA獲取的超過6億個激光點數(shù)據(jù)制作了格網(wǎng)間距約為463 m的火星全球DEM（即MOLA DEM），平面精度約±100 m，高程精度約±1 m[46]。MOLA DEM作為目前精度最高的火星高程控制數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于火星遙感制圖領(lǐng)域[47]。美國“奧德賽”（Odyssey）火星探測器于2001年4月發(fā)射，亞利桑那州立大學(xué)（Arizona State University）利用熱輻射成像光譜儀（Thermal Emission and Imaging Spectrometer，THEMIS）影像數(shù)據(jù)制作了紅外波段白天的全球DOM以及夜晚的近似全球DOM（覆蓋-60°～60°緯度區(qū)域），影像分辨率約100 m/像素，平面精度約±100 m（即1個像素）[48]。美國“火星偵察軌道器”（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）于2005年8月發(fā)射，搭載了背景相機(jī)（Context Camera，CTX）與高分辨率成像科學(xué)實驗相機(jī)（High Resolution Imaging Science Experiment，HiRISE）。CTX影像的分辨率為6～10 m/像素，已經(jīng)覆蓋約82%的火星表面，HiRISE影像的分辨率最高可達(dá)25 cm/像素[49]，目前僅覆蓋約2.4%的火星表面[50]。MRO仍然在軌運行，已傳回超過110萬張HiRISE影像與10萬張CTX影像。基于MRO CTX影像數(shù)據(jù)制作了5 m/像素的火星全球DOM拼圖，但是未進(jìn)行整體光束法平差[51]。HiRISE相機(jī)焦平面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由14條線陣CCD拼接而成（10個紅色波段、2個藍(lán)綠波段、2個近紅外波段），文獻(xiàn)[52]建立了HiRISE相機(jī)的嚴(yán)密幾何模型，并處理生成了“勇氣號”（Spirit）探測器巡視區(qū)域格網(wǎng)間距為1 m的DEM。文獻(xiàn)[4]介紹了HiRISE影像的幾何檢校、軟件開發(fā)、處理流程，并生成了“鳳凰號”（Phoenix）探測器預(yù)選著陸區(qū)格網(wǎng)間距為1 m的DEM。

在火星局部區(qū)域遙感制圖方面，美國地質(zhì)勘探局（United States Geological Survey，USGS）、美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）等機(jī)構(gòu)基于MGS MOC、MRO CTX、MRO HiRISE影像數(shù)據(jù)制作了大量的預(yù)選著陸區(qū)DOM與DEM產(chǎn)品，用于著陸區(qū)選址以及安全性評估[53-55]。文獻(xiàn)[56]基于MRO CTX影像制作了39個區(qū)域的正射影像拼圖，分辨率為5 m/像素，用于未來載人火星探測任務(wù)的著陸區(qū)選址。文獻(xiàn)[7]利用MRO CTX影像與MRO HiRISE影像制作了Mars 2020預(yù)選著陸區(qū)〔“耶澤羅”撞擊坑（Jezero crater）〕的高分辨率DEM與DOM產(chǎn)品，用于支持著陸系統(tǒng)的地形相對導(dǎo)航技術(shù)（Terrain Relative Navigation，TRN），輔助探測器著陸過程中的避障操作。

歐洲的“火星快車號”（Mars EXpress，MEX）探測器搭載了高分辨率立體相機(jī)（High Resolution Stereo Camera，HRSC），HRSC是多線陣推掃式測繪相機(jī)，在一個焦平面上安置了5條全色線陣、4條多光譜線陣（紅、綠、藍(lán)與近紅外）探測器[57]，下視影像分辨率最高可達(dá)12.5 m/像素，目前分辨率優(yōu)于50 m/像素的影像數(shù)據(jù)已經(jīng)覆蓋約97%的火星表面[58]，但是僅有約30%的HRSC影像處理至Level 4級DEM、DOM產(chǎn)品。早期的MEX HRSC制圖產(chǎn)品僅進(jìn)行了單個條帶的平差處理，因此不同條帶之間存在較大的幾何位置誤差，HRSC團(tuán)隊雖然有計劃制作火星全球DOM（12.5 m/像素）與DEM（50 m/像素），但是目前僅完成了MC-11的東半部區(qū)域[59]。USGS融合MEX HRSC立體影像與MGS MOLA激光測高數(shù)據(jù)制作了格網(wǎng)間距為200 m的火星全球DEM，也是目前分辨率最高的火星全球DEM[60]。歐洲的ExoMars 2016 TGO探測器于2016年3月發(fā)射，搭載的彩色與立體表面成像系統(tǒng)（Colour and Stereo Surface Imaging System，CaSSIS）采用面陣推掃式（push-frame）工作模式，通過旋轉(zhuǎn)鏡頭實現(xiàn)立體觀測，交會角為22.4°，立體影像攝影時間差為46.9 s，文獻(xiàn)[61]建立了CaSSIS影像的攝影測量處理流程，并研發(fā)了相應(yīng)的軟件模塊。

印度“曼加里安號”（Mangalyaan）火星探測器于2013年11月發(fā)射，攜帶了火星彩色相機(jī)（Mars Color Camera，MCC）與熱紅外成像光譜儀（Thermal Infrared Imaging Spectrometer，TIS），MCC影像的分辨率為15 m～4 km[62]。文獻(xiàn)[63]介紹了基于MCC影像制作火星表面影像拼圖的過程，包括輻射處理、幾何處理、SPICE計算（用于計算攝影幾何條件）、地形改正等步驟，通過將MCC影像自動配準(zhǔn)至MDIM2.1影像圖獲取控制信息。

阿聯(lián)酋的“希望號”（Hope）火星探測器于2020年7月發(fā)射，攜帶有多波段相機(jī)（Emirates eXploration Imager，EXI）、近紅外光譜儀（Emirates Mars InfaRed Spectrometer，EMIRS）以及紫外線光譜儀（Emirates Mars Ultraviolet Spectrometer，EMUS），該任務(wù)主要是對火星大氣、氣候等開展研究，目前仍未見到相關(guān)制圖產(chǎn)品發(fā)布。

中國“天問一號”火星探測器一次任務(wù)實現(xiàn)了“繞、著、巡”探測，任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)之一是研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征，探測器搭載了中分辨率相機(jī)與高分辨率相機(jī)，中分辨率相機(jī)在400 km軌道高度時的影像分辨率優(yōu)于100 m[11]，計劃基于中分辨率相機(jī)影像數(shù)據(jù)制作分辨率為60 m/像素的火星全球DOM。文獻(xiàn)[64]介紹了“天問一號”火星多光譜相機(jī)的地面幾何標(biāo)定工作，先使用張正友標(biāo)定算法提供相機(jī)標(biāo)定參數(shù)初值，然后用改進(jìn)的Heikkil?算法完成精確幾何標(biāo)定。文獻(xiàn)[10]利用現(xiàn)有火星地形、影像數(shù)據(jù)與地質(zhì)單元圖，綜合工程條件約束與科學(xué)價值，選擇了中國火星探測任務(wù)的8個優(yōu)先著陸區(qū)。中國科學(xué)院月球與深空探測重點實驗室利用“天問一號”軌道器的高分辨率相機(jī)影像數(shù)據(jù)制作了備選著陸區(qū)0.7 m/像素的DOM以及3.5 m/像素的DEM；在此基礎(chǔ)上中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院行星制圖與遙感實驗室以及北京航天飛行控制中心等團(tuán)隊綜合利用“天問一號”軌道器影像、著陸器下降序列影像以及火星車巡視器影像對祝融號火星車著陸點進(jìn)行了精確定位，坐標(biāo)為（109.925°E，25.066°N）[65]。文獻(xiàn)[66]利用500余張MEX HRSC條帶影像進(jìn)行攝影測量處理，結(jié)合HRSC多線陣影像特點設(shè)計了連接點控制網(wǎng)自動提取與粗差剔除方案，基于DOM影像匹配自動分析初始幾何定位精度，并采用二階多項式模型修正外方位元素誤差，制作了分辨率為12.5 m/像素的“天問一號”預(yù)選著陸區(qū)正射影像拼圖，相對幾何定位精度優(yōu)于1個像素（見圖1）。

圖1 中國“天問一號”火星探測任務(wù)預(yù)選著陸區(qū)正射影像拼圖[66]Fig.1 The orthophoto mosaics for candidate landing regions of Chinese Tianwen-1[66]

當(dāng)前火星全球DOM、DEM產(chǎn)品的分辨率仍然在百米級，還不能很好地滿足火星科學(xué)研究的實際需要，融合多個探測任務(wù)遙感數(shù)據(jù)制作火星全球遙感制圖產(chǎn)品的需求更為迫切?；贛EX HRSC、MRO CTX以及中國“天問一號”遙感數(shù)據(jù)有望制作出分辨率為5～50 m/像素的火星全球DOM以及20～100 m/像素的火星全球DEM。由于火星距離地球更遠(yuǎn)且缺少高精度的絕對控制數(shù)據(jù)，火星遙感制圖與月球遙感制圖相比難度更大。在未獲取火星自主探測任務(wù)數(shù)據(jù)之前，國內(nèi)研究人員利用國外公開的火星探測任務(wù)數(shù)據(jù)開展預(yù)先研究，在通用相機(jī)模型構(gòu)建、影像幾何糾正、連接點自動提取、光束法平差等攝影測量處理核心技術(shù)方面積累經(jīng)驗[67-70]。表2列出了典型火星探測任務(wù)的遙感制圖產(chǎn)品。

表2 典型火星探測任務(wù)遙感制圖產(chǎn)品Table 2 Typical Mars exploration projects and Mars mapping products

3 小行星形貌測繪

小行星較好地保存了太陽系早期形成和演化歷史的痕跡，是當(dāng)前國際深空探測領(lǐng)域的研究熱點[71]。獲取小行星表面高精度的遙感制圖產(chǎn)品與三維模型對于評估采樣區(qū)的安全性與科學(xué)價值以及飛行導(dǎo)航等工程操作都具有重要意義。近年來，以美國“奧西里斯號”（OSIRIS-REx）、日本“隼鳥2號”（Hayabusa 2）為代表的小行星采樣返回任務(wù)均十分重視小行星的遙感制圖工作[72-73]，小行星遙感制圖產(chǎn)品也為工程任務(wù)的順利實施提供了重要支撐。中國小行星探測工程已經(jīng)選定目標(biāo)，即通過一次探測任務(wù)實現(xiàn)近地小行星2016HO3的取樣返回以及主帶彗星133P的繞飛探測。

美國首個小行星探測器“近地小行星交會”（Near Earth Asteroid Rendezvous-shoemaker，NEAR）于1996年2月發(fā)射，目標(biāo)是探測近地小行星愛神星（433 Eros），任務(wù)攜帶了多光譜相機(jī)（MultiSpectral Imager，MSI）與與激光測高儀（NEAR Laser Rangefinder，NLR）。2000年2月NEAR探測器飛抵Eros，經(jīng)過約1年的遙感觀測共獲取了超過16萬張影像，分辨率為1～19 m，基于MSI影像處理生成了分辨率為10 m的全球DOM以及分辨率為1 m的局部區(qū)域DOM[74]。文獻(xiàn)[75]使用立體光度法重建了Eros的三維形狀模型，并生成了地標(biāo)圖用于探測器高精度導(dǎo)航。

歐洲航天局（European Space Agency，ESA）的“羅塞塔號”（Rosetta）探測器于2004年03月發(fā)射，目標(biāo)是探測67P彗星，包括“羅塞塔”探測器與“菲萊”（Philae）著陸器，探測器上攜帶有OSIRIS相機(jī)，可以獲取0.2～20 m/像素的影像。2014年11月，“菲萊”著陸器成功登陸67P彗星。67P彗星大小為4.1 km×3.3 km×1.8 km，且形狀極不規(guī)則，基于OSIRIS窄視場相機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)制作了67P彗星的三維形狀模型，用于輔助著陸區(qū)選址與著陸導(dǎo)航[76]。

美國“黎明號”（Dawn）探測器于2007年9月發(fā)射，任務(wù)探測目標(biāo)是灶神星（Vesta）與谷神星（Ceres）。針對Vesta與Ceres的繞飛探測均采用了高軌測圖軌道（High Altitude Mapping Orbit，HAMO）與低軌測圖軌道（Low Altitude Mapping Orbit，LAMO）兩種方案。利用“黎明號”獲取的遙感影像數(shù)據(jù)制作了Vesta與Ceres的全球遙感制圖產(chǎn)品，即60 m/像素的Vesta全球DOM與93 m/像素的Vesta全球DEM以及140 m/像素的Ceres全球DOM與137 m/像素的Ceres全球DEM[77-80]。

日本“隼鳥2號”探測器于2014年12月發(fā)射，攜帶有ONC光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)、激光雷達(dá)等多個遙感觀測設(shè)備。2018年6月，“隼鳥2號”抵達(dá)龍宮（Ryugu）小行星，共獲取約1 500張遙感影像，基于立體攝影測量處理方法對龍宮小行星表面進(jìn)行三維重建并制作遙感制圖產(chǎn)品，用于采樣區(qū)選擇以及安全性評估[73]。

“奧西里斯號”探測器于2016年9月發(fā)射，是美國第一個小行星采樣返回任務(wù)，探測器于2018年12月開始繞貝努（Bennu）小行星飛行，并近距離拍攝照片。貝努小行星直徑約500 m，是對地球構(gòu)成威脅的近地小天體?！皧W西里斯號”任務(wù)團(tuán)隊利用1年多的時間獲取遙感影像，并制作了全球及采樣區(qū)的高分辨率遙感制圖產(chǎn)品[72]（見圖2）。

圖2 貝努小行星全球正射影像拼圖Fig.2 The global digital orthophoto mosaics of Bennu

中國的小行星探測工程正在計劃實施中。與月球、火星等較大的天體相比，小行星的形貌測繪具有更大的技術(shù)難度，主要難點包含不規(guī)則小行星的攝影任務(wù)規(guī)劃與全球制圖、小行星精細(xì)三維地形獲取、小行星自轉(zhuǎn)參數(shù)的精確測定等內(nèi)容?，F(xiàn)階段可以充分利用國外已有小行星探測任務(wù)獲取的遙感數(shù)據(jù)開展試驗驗證，突破關(guān)鍵技術(shù)難點。

4 未來技術(shù)發(fā)展分析

1）加快地外天體形貌測繪技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立與應(yīng)用推廣。當(dāng)前，由于國內(nèi)外不同深空探測任務(wù)所采用的坐標(biāo)基準(zhǔn)、處理方法、制圖方式等不同，導(dǎo)致深空測繪制圖產(chǎn)品在實際應(yīng)用時出現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)不兼容、幾何配準(zhǔn)誤差大等問題，不便于綜合應(yīng)用多探測任務(wù)數(shù)據(jù)開展科學(xué)分析。許多行星科學(xué)研究人員以及深空探測工程技術(shù)人員并不精通測繪領(lǐng)域的地圖投影、坐標(biāo)系統(tǒng)等專業(yè)內(nèi)容。因此有必要在地外天體形貌測繪的數(shù)據(jù)格式、相機(jī)模型、處理方法、坐標(biāo)系統(tǒng)、制圖方法等多個方面建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并在行星科學(xué)以及深空探測工程領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。

2）探索開放與共享深空探測任務(wù)原始影像數(shù)據(jù)與相關(guān)輔助數(shù)據(jù)的方法。目前，基于“嫦娥一號”“嫦娥二號”探測任務(wù)數(shù)據(jù)制作的月球影像圖以及DEM等制圖產(chǎn)品已經(jīng)及時向公眾發(fā)布，基于“天問一號”火星探測任務(wù)數(shù)據(jù)的遙感制圖工作正在開展。當(dāng)前，中國月球、火星探測任務(wù)的原始數(shù)據(jù)僅向地面應(yīng)用系統(tǒng)以及科學(xué)家團(tuán)隊開放。隨著中國深空探測任務(wù)的開展以及深層次行星科學(xué)研究的更大需求，將會有更多的行星遙感數(shù)據(jù)需要處理，建議進(jìn)一步開放深空探測任務(wù)原始數(shù)據(jù)，從而更廣泛地利用現(xiàn)有對地觀測領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員、處理經(jīng)驗與軟硬件設(shè)施等，也可以更好地向全世界推廣中國的深空探測任務(wù)數(shù)據(jù)成果，進(jìn)一步彰顯中國在深空探測領(lǐng)域的技術(shù)實力。

3）圍繞地外天體形貌測繪的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸開展攻關(guān)，獲取更高分辨率、更高精度的深空測繪制圖產(chǎn)品。相關(guān)技術(shù)難點包括多探測任務(wù)遙感數(shù)據(jù)融合處理方法、全球制圖大規(guī)模連接點控制網(wǎng)的自動化建立、大規(guī)模光束法平差的高效穩(wěn)健計算方法、融合激光測高與影像數(shù)據(jù)的聯(lián)合平差方法、不規(guī)則小天體的遙感制圖方法等。

4）借鑒美國在深空探測任務(wù)數(shù)據(jù)處理中形成的PDS+SPICE+ISIS的經(jīng)驗，建立中國自主開放的地外天體遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)體系。由于PDS行星遙感影像格式在國內(nèi)外深空探測任務(wù)中已經(jīng)有較好的應(yīng)用基礎(chǔ)，中國深空探測任務(wù)的影像數(shù)據(jù)也采用了PDS格式。SPICE庫使得美國深空探測任務(wù)輔助數(shù)據(jù)的存儲與處理更加標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、系統(tǒng)化，也方便科學(xué)研究人員應(yīng)用。構(gòu)建深空探測任務(wù)輔助數(shù)據(jù)系統(tǒng)（包括文件格式以及處理函數(shù)庫）也是中國深空探測領(lǐng)域的一項重要的基礎(chǔ)性工作。另外，隨著中國深空探測任務(wù)數(shù)量逐漸增多，為了提升深空探測任務(wù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的復(fù)用性，中國也很有必要構(gòu)建類似USGS ISIS的行星遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，從而更好地支撐深空探測任務(wù)數(shù)據(jù)處理與科學(xué)應(yīng)用。

5）充分利用對地觀測領(lǐng)域的遙感影像處理軟件、成熟的工程技術(shù)經(jīng)驗以及專業(yè)技術(shù)人員，并結(jié)合行星遙感影像的特點有針對性地研發(fā)行星攝影測量軟件系統(tǒng)。當(dāng)前，由于缺少坐標(biāo)基準(zhǔn)、不支持行星數(shù)據(jù)格式、無法轉(zhuǎn)換輔助數(shù)據(jù)等原因，許多對地觀測領(lǐng)域中的商業(yè)、開源遙感影像處理軟件還無法直接應(yīng)用于深空探測任務(wù)的數(shù)據(jù)處理。但是行星攝影測量處理的基本理論與對地觀測領(lǐng)域是相同的，因此可以結(jié)合行星遙感影像的特點，將對地觀測領(lǐng)域的軟件系統(tǒng)進(jìn)行改造、擴(kuò)展以便應(yīng)用于行星遙感影像處理。而且對地觀測領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員在遙感數(shù)據(jù)處理中積累的豐富的工程實踐經(jīng)驗也可以應(yīng)用于深空探測任務(wù)。例如USGS普遍采用SOCET SET商業(yè)攝影測量軟件處理行星遙感數(shù)據(jù)。因此，有必要針對行星遙感影像處理開發(fā)相應(yīng)的軟件接口，在相機(jī)模型方面可以采用通用相機(jī)模型或者將衛(wèi)星影像的嚴(yán)密幾何模型轉(zhuǎn)換為有理函數(shù)模型，從而便于使用更多的對地觀測領(lǐng)域的遙感影像處理軟件。

6）進(jìn)一步加強(qiáng)深空探測與行星科學(xué)的學(xué)科體系建設(shè)，結(jié)合深空探測重大工程任務(wù)的實施，帶動相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。行星遙感制圖產(chǎn)品是開展行星科學(xué)研究的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，建議有條件的高校開設(shè)地外天體形貌測繪的研究方向或者專業(yè)課程，有利于讓從事深空探測工程任務(wù)與行星科學(xué)研究的技術(shù)人員具備遙感數(shù)據(jù)處理與制圖產(chǎn)品應(yīng)用的專業(yè)知識，從而在開展工程論證、方案設(shè)計以及行星地質(zhì)、地貌分析等工作中更好地應(yīng)用深空測繪的制圖產(chǎn)品。

5 結(jié) 論

本文介紹了月球、火星、小行星探測任務(wù)中有代表性的形貌測繪技術(shù)及遙感制圖產(chǎn)品。中國在月球、火星探測方面取得了很大成功，已經(jīng)公開發(fā)布了月球遙感制圖產(chǎn)品。利用“天問一號”火星探測任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行火星全球制圖、預(yù)先開展小行星遙感制圖技術(shù)難點攻關(guān)是中國當(dāng)前地外天體形貌測繪的研究重點。結(jié)合工程任務(wù)的實施，中國在地外天體遙感數(shù)據(jù)處理方面已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗，未來也需要進(jìn)一步做好任務(wù)原始數(shù)據(jù)（含輔助數(shù)據(jù)）的共享開放以及可復(fù)用的遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)建等基礎(chǔ)性工作，讓深空探測任務(wù)獲取的遙感數(shù)據(jù)更好地支撐工程任務(wù)與行星科學(xué)研究。