2022年 第9卷 第3期
2022, 9(3): 239-249.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220020
摘要:
太阳风、太阳高能粒子、银河宇宙线几乎可以无阻碍地到达月面，与月表发生相互作用。太阳风粒子以能量中性原子的形式被月壤散射，其过程与太阳风状态、月表电磁环境、局部地形、月壤特性等因素均有关系；银河宇宙射线、太阳高能粒子与月壤相互作用，产生以中子和伽马射线为主的反照辐射，形成特殊的月表粒子辐射环境。文章介绍了“嫦娥四号”首次在月球背面原位所测量的能量中性原子、粒子辐射环境，分析了月面ENA的能谱等特性、月球微磁层存在的观测证据及月面辐射环境的构成及其随时间的变化。结果表明，月表能量中性原子观测为认识太阳风与月球的相互作用，这为研究月球微磁层内部结构及成因提供了新的视角；而月面辐射环境的测量为未来月球探测中航天员和设备的安全保障提供了重要依据。
太阳风、太阳高能粒子、银河宇宙线几乎可以无阻碍地到达月面，与月表发生相互作用。太阳风粒子以能量中性原子的形式被月壤散射，其过程与太阳风状态、月表电磁环境、局部地形、月壤特性等因素均有关系；银河宇宙射线、太阳高能粒子与月壤相互作用，产生以中子和伽马射线为主的反照辐射，形成特殊的月表粒子辐射环境。文章介绍了“嫦娥四号”首次在月球背面原位所测量的能量中性原子、粒子辐射环境，分析了月面ENA的能谱等特性、月球微磁层存在的观测证据及月面辐射环境的构成及其随时间的变化。结果表明，月表能量中性原子观测为认识太阳风与月球的相互作用，这为研究月球微磁层内部结构及成因提供了新的视角；而月面辐射环境的测量为未来月球探测中航天员和设备的安全保障提供了重要依据。
2022, 9(3): 250-260.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210080
摘要:
在月球上布设遥感传感器能实现长期、整体、稳定的对地观测，完善现有系统的观测能力，尤其是能从地球系统外部来观测地球系统本身的演化过程，以及地球系统与外部的相互作用和影响。从科学目标、传感器技术、参数模拟和估算方法以及观测站选址4个方面详细论述了月基对地观测研究进展，围绕涉及的关键科学问题进行推进，并总结了针对传感器论证、任务设计、数据处理和信息提取提出的一系列新模型和新方法，对月基对地观测提出了一些发展建议。
在月球上布设遥感传感器能实现长期、整体、稳定的对地观测，完善现有系统的观测能力，尤其是能从地球系统外部来观测地球系统本身的演化过程，以及地球系统与外部的相互作用和影响。从科学目标、传感器技术、参数模拟和估算方法以及观测站选址4个方面详细论述了月基对地观测研究进展，围绕涉及的关键科学问题进行推进，并总结了针对传感器论证、任务设计、数据处理和信息提取提出的一系列新模型和新方法，对月基对地观测提出了一些发展建议。
2022, 9(3): 261-268.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210076
摘要:
月基雷达能对地表目标进行长时间大尺度范围的观测。根据美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）星历数据，分析了月基合成孔径雷达微波（Synthetic Aperture Radar ，SAR）平台在不同场景时对地球在时间上和空间上观测性能的差异，结合实际地月相对运动的空间关系完成了月基SAR回波的仿真。结果表明：通过月基SAR平台，可以找到位于地表的零多普勒面交线，并以此为基础实现较长时间、较大地面范围的周期性观测，用SAR回波仿真验证了其可行性。通过研究月基SAR的观测，可以为后续研究诸如地表潮汐运动、极区海冰回弹提供基础。
月基雷达能对地表目标进行长时间大尺度范围的观测。根据美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）星历数据，分析了月基合成孔径雷达微波（Synthetic Aperture Radar ，SAR）平台在不同场景时对地球在时间上和空间上观测性能的差异，结合实际地月相对运动的空间关系完成了月基SAR回波的仿真。结果表明：通过月基SAR平台，可以找到位于地表的零多普勒面交线，并以此为基础实现较长时间、较大地面范围的周期性观测，用SAR回波仿真验证了其可行性。通过研究月基SAR的观测，可以为后续研究诸如地表潮汐运动、极区海冰回弹提供基础。
2022, 9(3): 269-277.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210073
摘要:
针对现有模拟系统只是定性描述月基对地观测图像的问题，提出了一种基于严格成像模型的月基对地观测图像模拟方法，建立了像点和物点之间的定量关系，并将其应用于月基对地观测几何图像和辐射能量图像的模拟中。基于长时间序列的模拟结果，进一步分析和归纳了月球特有的轨道特性对几何图像以及辐射能量图像各自属性的影响。结果表明：基于严格成像模型的月基对地观测图像模拟算法具有可行性，准确地表达了图像特性随着月球轨道特性变化而变化的规律。该方法为月基对地观测图像的应用奠定了基础，对于后续月基不同类型的传感器的参数设计具有较大的参考意义。
针对现有模拟系统只是定性描述月基对地观测图像的问题，提出了一种基于严格成像模型的月基对地观测图像模拟方法，建立了像点和物点之间的定量关系，并将其应用于月基对地观测几何图像和辐射能量图像的模拟中。基于长时间序列的模拟结果，进一步分析和归纳了月球特有的轨道特性对几何图像以及辐射能量图像各自属性的影响。结果表明：基于严格成像模型的月基对地观测图像模拟算法具有可行性，准确地表达了图像特性随着月球轨道特性变化而变化的规律。该方法为月基对地观测图像的应用奠定了基础，对于后续月基不同类型的传感器的参数设计具有较大的参考意义。
2022, 9(3): 278-284.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210078
摘要:
月基平台以其整体性、多角度、长周期等特点，可望实现对地球整体辐射收支进行精确估算。为了评估月基平台对地球辐射能量的观测能力，建立了基于地月几何关系的一一映射算法，使用戈达德地球观测系统模型第五版（Goddard Earth Observation System model version 5，GEOS-5）数据作为模型输入，用以模拟月基视场地球向外辐射能量，从而形成对月基观测的地球辐射能量规律性认识。结果表明：月基传感器可以观测包括极区在内约178°跨度的经纬度区域；月球变轨道倾角将为地球高纬度地区提供更好的观测条件，极区观测高度角可达到60°。该模拟方法可以为观测地球向外辐射提供有效支持，为后续研究打下坚实的基础。
月基平台以其整体性、多角度、长周期等特点，可望实现对地球整体辐射收支进行精确估算。为了评估月基平台对地球辐射能量的观测能力，建立了基于地月几何关系的一一映射算法，使用戈达德地球观测系统模型第五版（Goddard Earth Observation System model version 5，GEOS-5）数据作为模型输入，用以模拟月基视场地球向外辐射能量，从而形成对月基观测的地球辐射能量规律性认识。结果表明：月基传感器可以观测包括极区在内约178°跨度的经纬度区域；月球变轨道倾角将为地球高纬度地区提供更好的观测条件，极区观测高度角可达到60°。该模拟方法可以为观测地球向外辐射提供有效支持，为后续研究打下坚实的基础。
2022, 9(3): 285-291.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210074
摘要:
针对月基辐射计参数设计的不确定性，研究了基于月基辐射计观测地球大气层顶的辐射特性。基于月基平台，将地球作为类点状辐射源进行观测，分析了月面不同位置观测特性、观测数据受观测几何影响以及观测采样特性。结果表明：月球轨道是变轨道倾角、变观测距离的，一个轨道周期内可以完成对地球全球的充分采样，满足对地球完全时空覆盖观测的条件；在月面中心区域观测获得的大气层顶辐射能量较高；建议的传感器动态范围在5.50×10−2~8.50×10−2W/m2之间，观测时间采样间隔不大于4 h，累积采样周期为一个轨道周期（27.3 d）。得到的结果为月基辐射计参数设计与观测参数确定提供了重要依据。
针对月基辐射计参数设计的不确定性，研究了基于月基辐射计观测地球大气层顶的辐射特性。基于月基平台，将地球作为类点状辐射源进行观测，分析了月面不同位置观测特性、观测数据受观测几何影响以及观测采样特性。结果表明：月球轨道是变轨道倾角、变观测距离的，一个轨道周期内可以完成对地球全球的充分采样，满足对地球完全时空覆盖观测的条件；在月面中心区域观测获得的大气层顶辐射能量较高；建议的传感器动态范围在5.50×10−2~8.50×10−2W/m2之间，观测时间采样间隔不大于4 h，累积采样周期为一个轨道周期（27.3 d）。得到的结果为月基辐射计参数设计与观测参数确定提供了重要依据。
2022, 9(3): 292-299.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210079
摘要:
针对月球南极的月基平台选址问题，选取表面光照、对地观测条件和坡度作为主要参考因素，评估月表太阳能及热环境条件、科学数据获取能力及构建难度；基于地形数据和日、地、月三者的轨道数据建立的月面光照及月基对地观测一体化几何模型对7个重点区域（M1~M7）开展研究，将光照率大于80%且对地观测率大于30%的月面位置作为月基平台初选区，分析其坡度条件并开展分级评价。研究结果：结合各初选区特点最终推荐了3个优选级较高的月面区域作为选址区，分别位于德·杰 拉许（De Gerlache）撞击坑东部边缘（M1内），斯维德鲁普（Sverdrup）撞击坑与沙克尔顿（Shackleton）撞击坑之间的山顶处（M4内），以及Shackleton撞击坑与斯莱特（Slater）撞击坑之间的山顶处（M7内）。该研究可为后续的月球南极探测任务提供参考。
针对月球南极的月基平台选址问题，选取表面光照、对地观测条件和坡度作为主要参考因素，评估月表太阳能及热环境条件、科学数据获取能力及构建难度；基于地形数据和日、地、月三者的轨道数据建立的月面光照及月基对地观测一体化几何模型对7个重点区域（M1~M7）开展研究，将光照率大于80%且对地观测率大于30%的月面位置作为月基平台初选区，分析其坡度条件并开展分级评价。研究结果：结合各初选区特点最终推荐了3个优选级较高的月面区域作为选址区，分别位于德·杰 拉许（De Gerlache）撞击坑东部边缘（M1内），斯维德鲁普（Sverdrup）撞击坑与沙克尔顿（Shackleton）撞击坑之间的山顶处（M4内），以及Shackleton撞击坑与斯莱特（Slater）撞击坑之间的山顶处（M7内）。该研究可为后续的月球南极探测任务提供参考。
2022, 9(3): 300-310.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210162
摘要:
地外天体的形貌测绘产品为深空探测工程任务的顺利实施以及各种行星科学研究提供基础地理信息数据，用于着陆区选址、巡视器路径规划、行星地质与地貌分析等。对月球、火星、小行星探测任务中有代表性的形貌测绘技术与遥感制图成果进行了总结，重点梳理了利用测绘相机、激光高度计等科学仪器获取月球与行星表面的数字正射影像图与数字高程模型的研究现状。结合中国开展地外天体形貌测绘的实际需求，针对标准制定、数据共享、关键技术瓶颈、数据处理技术体系等方面给出了几点建议。
地外天体的形貌测绘产品为深空探测工程任务的顺利实施以及各种行星科学研究提供基础地理信息数据，用于着陆区选址、巡视器路径规划、行星地质与地貌分析等。对月球、火星、小行星探测任务中有代表性的形貌测绘技术与遥感制图成果进行了总结，重点梳理了利用测绘相机、激光高度计等科学仪器获取月球与行星表面的数字正射影像图与数字高程模型的研究现状。结合中国开展地外天体形貌测绘的实际需求，针对标准制定、数据共享、关键技术瓶颈、数据处理技术体系等方面给出了几点建议。
2022, 9(3): 311-320.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210161
摘要:
为解决月球、火星等行星表面缺乏高分辨率数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）而造成的坡度低估问题，提出一种坡度变化率因子参与建模的低分辨率坡度补偿方法。方法对现有坡度补偿模型进行改进，在补偿模型中引入了坡度变化率参数，以提升坡度补偿的精度；利用月球和火星数据进行方法验证，选取覆盖多种地形的月球和火星低分辨率DEM，利用改进的方法进行坡度补偿，并利用高分辨率DEM生成的坡度做验证。实验结果表明：补偿后坡度较补偿前能更好地表征月球和火星表面的地形特征，且考虑坡度变化率的改进方法比传统的线性补偿方法更加有效。基于此方法，给出了适用于月球多地形的整体坡度补偿模型参数以及分级补偿模型参数，并对覆盖“天问一号”着陆点50 km×50 km的低分辨率火星坡度数据进行了补偿及分析应用。
为解决月球、火星等行星表面缺乏高分辨率数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）而造成的坡度低估问题，提出一种坡度变化率因子参与建模的低分辨率坡度补偿方法。方法对现有坡度补偿模型进行改进，在补偿模型中引入了坡度变化率参数，以提升坡度补偿的精度；利用月球和火星数据进行方法验证，选取覆盖多种地形的月球和火星低分辨率DEM，利用改进的方法进行坡度补偿，并利用高分辨率DEM生成的坡度做验证。实验结果表明：补偿后坡度较补偿前能更好地表征月球和火星表面的地形特征，且考虑坡度变化率的改进方法比传统的线性补偿方法更加有效。基于此方法，给出了适用于月球多地形的整体坡度补偿模型参数以及分级补偿模型参数，并对覆盖“天问一号”着陆点50 km×50 km的低分辨率火星坡度数据进行了补偿及分析应用。
2022, 9(3): 321-328.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210068
摘要:
“嫦娥五号”采样点周缘区域分布有吕姆克山（Mons Rümker）和梅朗（Mairan）火山穹窿构造。通过“嫦娥”影像和地形数据对两类穹窿的形貌特征和形成因素对比研究，讨论穹窿的划分标准。共计圈定了Mons Rümker 13个月海穹窿和Mairan所在的4个非月海穹窿，并计算了穹窿形成过程中的岩浆流变学参数。结果表明：Mons Rümker月海穹窿较为低缓，按照坡度和高度划分为Mons Rümker第一类月海穹窿（坡度均< 5°，高度200~400 m）和Mons Rümker第二类月海穹窿（坡度5°~7°，高度300~600 m），其中第二类较高陡的月海穹隆具有较高的黏度和更低的喷发速率。 Mairan非月海穹窿更为高陡，其岩浆喷发速率低于Mons Rümker月海穹窿，岩浆粘度较高，流动性较差，喷发周期较长；在空间上，Mairan所在的4个非月海穹窿呈线性展布，其物质成分和形成时间相近，表明彼此关联的可能性很大。
“嫦娥五号”采样点周缘区域分布有吕姆克山（Mons Rümker）和梅朗（Mairan）火山穹窿构造。通过“嫦娥”影像和地形数据对两类穹窿的形貌特征和形成因素对比研究，讨论穹窿的划分标准。共计圈定了Mons Rümker 13个月海穹窿和Mairan所在的4个非月海穹窿，并计算了穹窿形成过程中的岩浆流变学参数。结果表明：Mons Rümker月海穹窿较为低缓，按照坡度和高度划分为Mons Rümker第一类月海穹窿（坡度均< 5°，高度200~400 m）和Mons Rümker第二类月海穹窿（坡度5°~7°，高度300~600 m），其中第二类较高陡的月海穹隆具有较高的黏度和更低的喷发速率。 Mairan非月海穹窿更为高陡，其岩浆喷发速率低于Mons Rümker月海穹窿，岩浆粘度较高，流动性较差，喷发周期较长；在空间上，Mairan所在的4个非月海穹窿呈线性展布，其物质成分和形成时间相近，表明彼此关联的可能性很大。
2022, 9(3): 329-337.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210123
摘要:
利用火星5 m分辨率的火星背景相机数字正摄影像图（Context Camera Digital Orthophoto Map，CTX DOM）及“天问一号”轨道器获取的高分影像数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）产品数据，在以着陆区点为中心的20×20 km2范围内，对“天问一号”着陆点附近的撞击坑分布密度、撞击坑的深度、深径比等进行定量分析，着重从火星车着陆区的撞击地貌入手，对着陆区的地质背景进行解译分析研究，结果表明：着陆点周边20 km范围内，除了包含大规模的小型撞击坑以及大量的横向风成脊外，还存在很多凹锥、构造脊和沟槽；火星着陆区表面的撞击坑大部分是二次坑或是已退化的撞击坑，深径比介于0.001~0.136之间。研究对着陆区地质地貌特征的深入分析，可为乌托邦平原（Utopia Planitia）的地质演化历史研究提供支撑。
利用火星5 m分辨率的火星背景相机数字正摄影像图（Context Camera Digital Orthophoto Map，CTX DOM）及“天问一号”轨道器获取的高分影像数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）产品数据，在以着陆区点为中心的20×20 km2范围内，对“天问一号”着陆点附近的撞击坑分布密度、撞击坑的深度、深径比等进行定量分析，着重从火星车着陆区的撞击地貌入手，对着陆区的地质背景进行解译分析研究，结果表明：着陆点周边20 km范围内，除了包含大规模的小型撞击坑以及大量的横向风成脊外，还存在很多凹锥、构造脊和沟槽；火星着陆区表面的撞击坑大部分是二次坑或是已退化的撞击坑，深径比介于0.001~0.136之间。研究对着陆区地质地貌特征的深入分析，可为乌托邦平原（Utopia Planitia）的地质演化历史研究提供支撑。
2022, 9(3): 338-347.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220005
摘要:
综合利用火星轨道器多源遥感影像数据，构建了火星表面形貌精细建模与自动分类方法。 结合摄影测量法与明暗恢复形状法（Shape From Shading，SFS）研究制作了“天问一号”着陆区域的高分辨率三维地形，并通过深度卷积神经网络对着陆区形貌类别及其分布进行分类分析。地形剖面分析结果表明，所提出方法制作的高精度地形数据与中、美两国已发布的火星高分辨率数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）产品相比，高程误差均值分别为1.866 m和1.074 m，均具有较高一致性。此外，通过形貌及制图综合分析可以看出，着陆点附近坡度在3°以下，着陆点附近地表的起伏程度不大于30 cm，以此验证了“天问一号”着陆区整体地势平缓、形貌类别较单一，符合探测器安全着陆的需求。国产“天问一号”高分辨率相机数据制作的地形及分类结果可有效应用于着陆及巡视探测区的形貌特征分析，联合HiRISE等多源火星遥感数据，可为后续“祝融号”巡视器科学探测提供重要的基础数据和参考信息。
综合利用火星轨道器多源遥感影像数据，构建了火星表面形貌精细建模与自动分类方法。 结合摄影测量法与明暗恢复形状法（Shape From Shading，SFS）研究制作了“天问一号”着陆区域的高分辨率三维地形，并通过深度卷积神经网络对着陆区形貌类别及其分布进行分类分析。地形剖面分析结果表明，所提出方法制作的高精度地形数据与中、美两国已发布的火星高分辨率数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）产品相比，高程误差均值分别为1.866 m和1.074 m，均具有较高一致性。此外，通过形貌及制图综合分析可以看出，着陆点附近坡度在3°以下，着陆点附近地表的起伏程度不大于30 cm，以此验证了“天问一号”着陆区整体地势平缓、形貌类别较单一，符合探测器安全着陆的需求。国产“天问一号”高分辨率相机数据制作的地形及分类结果可有效应用于着陆及巡视探测区的形貌特征分析，联合HiRISE等多源火星遥感数据，可为后续“祝融号”巡视器科学探测提供重要的基础数据和参考信息。
2022, 9(3): 348-356.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210002
摘要:
对地外天体表面的遥感影像进行摄影测量处理是制作行星制图产品的主要技术途径。然而，现有行星摄影测量方法在处理长条带线阵推扫式遥感影像时存在效率较低与适用性有限等问题。设计了基于快速几何纠正的线阵推扫式行星遥感影像的摄影测量处理方法并自主研发了相应的软件模块，在建立线阵影像严密几何模型的基础上，利用快速反投影算法进行几何纠正，并开展多线程程序设计进一步提升正射影像图生成效率。首先在快速几何纠正生成的近似正射影像上进行匹配获取连接点，然后再利用严密几何模型将连接点转换至原始影像空间，有效地解决了大数据量线阵推扫式行星遥感影像的连接点控制网构建问题。利用月球侦察轨道器NAC影像与火星快车HRSC影像开展试验验证，处理生成了“嫦娥四号”（Chang'E-4）着陆区与Mars 2020预选着陆区局部区域的正射影像图与数字高程模型，与USGS ISIS软件相比，所提方法显著提升了线阵推扫式行星遥感影像的处理效率。
对地外天体表面的遥感影像进行摄影测量处理是制作行星制图产品的主要技术途径。然而，现有行星摄影测量方法在处理长条带线阵推扫式遥感影像时存在效率较低与适用性有限等问题。设计了基于快速几何纠正的线阵推扫式行星遥感影像的摄影测量处理方法并自主研发了相应的软件模块，在建立线阵影像严密几何模型的基础上，利用快速反投影算法进行几何纠正，并开展多线程程序设计进一步提升正射影像图生成效率。首先在快速几何纠正生成的近似正射影像上进行匹配获取连接点，然后再利用严密几何模型将连接点转换至原始影像空间，有效地解决了大数据量线阵推扫式行星遥感影像的连接点控制网构建问题。利用月球侦察轨道器NAC影像与火星快车HRSC影像开展试验验证，处理生成了“嫦娥四号”（Chang'E-4）着陆区与Mars 2020预选着陆区局部区域的正射影像图与数字高程模型，与USGS ISIS软件相比，所提方法显著提升了线阵推扫式行星遥感影像的处理效率。
