歐陽自遠等解讀中國首幅月圖拍攝與製作過程

圖1 利用三線陣方式拍攝月面圖像的原理示意圖

圖2 北京密雲和雲南昆明數據接收地面站接收CE-1衛星下傳數據示意圖

圖3 中國首次月球探測工程第一幅月面圖像所覆蓋的月面區域圖示

圖4 第一幅圖中19軌數據的覆蓋區域

圖5 中國首次月球探測工程第一幅月面平面圖像

　　中國探月工程首席科學家歐陽自遠、中國繞月探測工程地面部應用系統總設計師兼副總指揮李春來和中國科學院國家天文臺的鄒永廖、劉建忠、劉建軍以及中國科學院西安精密光學機械研究所楊建峯等多位科學家對“中國首次月球探測工程第一幅月面圖像”的拍攝、處理製作等進行了解讀。以下是中國科學院提供給本網的解讀全文：

　　“中國首次月球探測工程第一幅月面圖像”的初步解讀

　　嫦娥一號衛星(CE-1)於2007年10月24日成功發射並於2007年11月7日準確進入環月工作軌道後，經過12天衛星的調姿、通信鏈路測試等工作後，於2004年11月20日，星上CCD立體相機開機並開始了對月面拍攝。

　　11月26日上午9時，嫦娥一號衛星正在進行第223圈的繞月飛行之時，黨中央、國務院、中央軍委在北京航天城隆重舉行嫦娥一號衛星第一幅月面圖片(以下簡稱第一幅圖)發佈儀式，國務院總理溫家寶出席了發佈儀式。

　　第一幅月圖的發佈，標誌着我國首次探月工程取得圓滿成功。

　　第一幅圖公佈後，得到全球公衆的廣泛關注，許多媒體也邀請一些專家對第一幅圖進行了部分的解釋。與此同時，許多公衆來電來函諮詢或質疑第一幅圖的一些相關問題。

　　爲了使廣大公衆更好地瞭解第一幅圖的獲取和數據的接收、處理及其所承載的信息，繞月探測工程應用科學首席科學家歐陽自遠院士親自撰寫了本文。

　　一、第一幅圖的拍攝過程

　　1、一臺三線陣相機實現了三臺線陣相機的功能

　　常規的航空航天對地攝影只獲取正視(星下點)二維圖像，而要獲得立體圖像，通常需要用三臺線陣相機。CE-1上的CCD立體相機採用了一個廣角物鏡和10241024面陣CCD的獨特設計，實現了上述功能。

　　在一定空間分辨率前提下，CCD相機所拍攝圖像的清晰度決定於相機全系統的傳遞函數(簡稱：MTF)和信噪比。爲了提高所拍攝圖像清晰度，CE-1上的CCD立體相機全系統MTF從所要求的MTF大於0.2增加到0.48，信噪比從100增加到優於200，這是獲得清晰圖像的關鍵因素之一。

　　相機在工作期間的暴光時間是圖像清晰、層次豐富的另一個關鍵要素。爲了適應不同太陽高度角和月面的地形地貌、不同區域月面反照率的差異，經過詳細調研、充分論證、仿真計算，制定了四個暴光時間，特別是制定了每一軌在不同緯度區域的曝光策略，從而使同一軌不同緯度時都有合適的曝光時間。

　　2、相機拍攝圖像的基本原理

　　爲了確保相機所拍攝的圖像清晰，制定了當太陽與月面夾角大於15度時相機纔開始拍攝的工作模式。

　　相機工作時，CCD立體相機採用線陣推掃的方式獲取月面同一目標的前視、正視和後視三條線陣的影像，即利用1024行中的第1行、第512行和第1023行分別對月面同一目標進行三次掃描拍攝：第1行數據爲前視17獲取的圖像，第512行數據爲正視圖像，第1023行爲後視17獲取的圖像。形象地說就是，當相機與拍攝目標連線與垂直方向成17時，CCD立體相機探測器的第1行獲取目標的前視圖像，經過大約42秒(衛星運行了約66km)後，CCD立體相機探測器的第512行獲取該目標的正視圖像，再經過大約42秒後，探測器的第1023行獲取該目標的後視圖像。這樣，月面同一目標就在84秒的時間內被CCD立體相機拍攝了三幅照片，即地面目標的前視、正視和後視圖像(圖1)。

　　二、第一幅圖數據的傳輸

　　與過去的航天測控任務不同的是，嫦娥一號衛星在遠距離發送數據的過程中，存在着信號在空間衰減大、信道餘量較小、地面接收困難等難題。爲確保探測數據的可靠接收，由我國專門研製了兩座目前我國口徑最大的分別安裝在北京密雲和雲南昆明的50米和40米數據接收天線，具備了距離40萬公里、碼速率3Mbps的數據接收能力。CE-1衛星的科學探測數據就是由這兩座接收天線負責接收的(圖2)。

　　CE-1衛星探測數據的接收必須是衛星處於測控系統喀什站和青島站的可跟蹤和可控的可見弧段內以及進入地面應用系統密雲50米數據接收站和昆明站40米天線數據接收站的可接收弧段內才能進行的，四站同時跟蹤衛星信號。在喀什站、青島站對衛星精確測控的輔助下，CCD立體相機拍攝獲得的圖像數據通過衛星上的有效載荷數據處理系統存儲、編碼，然後傳送至衛星發射機，通過星上定向天線以固定頻率向地球發送，北京密雲地面站和昆明地面站同時接收下傳數據，並通過專用的光纖通信網絡實時傳輸到坐落在中國科學院國家天文臺的地面應用系統總部後，進行數據的分析、處理與研究的。

　　三、第一幅圖的處理與製作流程

　　CCD立體相機所拍攝的月面圖像是以位流數據的形式傳下來的，這些數據只有經過分析處理、製作成圖後，一般公衆才能看得懂。

　　1、單軌月面圖像的製作處理流程

　　單軌月面圖像的製作流程主要包括如下步驟：

　　1)利用原始數據，進行信道處理、提取CCD立體相機源包數據；

　　2)通過排序、去重複，形成CCD立體相機單次過境的最優源包數據，對優化後的源包數據進行解包；

　　3)進行物理量轉換和格式重整處理，形成前視、正視和後視三條線陣的數據；

　　4)利用地面定標數據，消除CCD立體相機光、機、電等系統誤差的影響，進行輻射定標處理得到的二維圖像。

　　5)進行圖像增強處理，去除噪聲、對比度拉伸、亮度調整，最終形成二維平面圖像。

　　2、19軌數據鑲嵌處理流程

　　19軌數據鑲嵌處理流程主要包括如下步驟：

　　1)圖像的粗幾何校正：在上述單軌月面圖像的基礎上，利用軌道和姿態數據，進行粗幾何校正，得到19軌數據在月面上的大致位置。

　　2)圖像的幾何精糾正：從Clementine BaseMap分幅數據中找到相應位置的影像數據作爲控制定位底圖，對19軌數據分別進行幾何精糾正；

　　3)圖像的鑲嵌和勻色：以飽和度、對比度、亮度較好的影像爲標準，進行色調和對比度調整，將相鄰兩軌影像進行鑲嵌。

　　4)19軌數據圖像的鑲嵌：由於第一幅圖區域位於中高緯度區，相鄰軌道數據重疊率較高，對於多次重疊的地區，選用圖像質量相對較好的數據參與鑲嵌，最終形成了第一幅月面圖。

　　四、第一幅圖覆蓋的區域

　　爲了儘快讓公衆看到CE-1衛星所獲取的月面圖像，以及考慮到三維立體圖的製造和拼接工作較爲繁雜，需要的時間較長，因此決定：第一幅圖以二維月面圖像的形式公佈。

　　1、第一軌拍攝時間與覆蓋區域

　　CE-1衛星獲得的第一軌圖像，是從北京時間2007年11月20日16時49分00秒222毫秒開始由南往北進行拍照，起始位置位於月球正面東部靠近南極的地區，拍照結束時間是17時27分00秒302毫秒，總時長爲38分0秒80毫秒。圖像幅寬約爲60km，曝光時間爲7毫秒，像元分辨率120m。第一軌所拍攝的圖像長度27113行，約3253km，覆蓋面積約195180km2(圖3)，覆蓋區域的位置如表1所示。

　　2、第一幅圖中19軌數據的拍攝時間和覆蓋區域

　　CCD立體相機開機後，1至19軌數據的拍攝時間和星下點經緯度範圍如表1所示，其中：經緯度的計算採用的是粗星曆和對月粗姿態數據，精度有一定的誤差；後續處理將利用事後精密星曆和慣性精姿態數據，精度將得到一定的提高。

　　3、第一幅圖的選擇

　　根據數據下傳質量，決定第一軌下傳的數據應該作爲第一幅圖的成圖內容。爲了保持物理上的第一幅圖與發佈的第一幅圖一致，特別是考慮圖幅應以方正形式發佈以達到美觀的目的。決定從11月20日16：49到11月22日7:57獲得的19軌數據中，挑選每軌的正視圖像，截取0~5000行數據，並最終完成了寬約280km、長約460km的第一幅圖的製作工作。

　　五、第一幅圖的初步解讀

　　第一幅圖(圖5)大約位於東經83度到東經57度、南緯70度到南緯54度的區域，圖幅寬約280公里、長約460公里。圖像覆蓋區域屬於月球高地，分佈有不同大小、形態、結構和形成年代的撞擊坑。

　　由於第一幅圖是在很短的時間裏經過初步的處理後製作出來的，目前更多地還只能從其地形地貌以及所分佈的位置，結合已有的資料，對其地質背景和地貌類型等信息進行很初步的解讀。

　　1、第一幅圖的地質背景

　　月球的大地構造單元粗略可以劃分爲三個地體，即斜長巖質高地地體(FHT)、風暴洋克里普巖質地體(KREEP)和南極愛肯特地體(SPA)。第一幅圖位於斜長巖質高地地體的外圍，稱爲低鐵低釷的斜長巖質高地地體(FHT-O)。從第一幅圖所在區域形成年代的資料看，是在42-38億年間，屬於酒海紀。

　　根據已有的探測結果，酒海紀的岩石是以高地斜長巖爲主，主要礦物爲斜長石，次要礦物有橄欖石、尖晶石、輝石、鈦鐵礦和金屬鐵等。具有較高的鋁和鈣。

　　有關第一幅圖更詳細的物質成分信息，我們將根據CE-1衛星上伽碼射線譜儀、X射線譜儀和干涉成像光譜儀探測數據的分析、處理後，予以解讀。

　　2、第一幅圖的地貌類型與特徵

　　第一幅圖位於月球南部的高地地區，高地是指通常用肉眼在月面上看到的比較明亮的區域，主要由斜長巖組成，岩石的反射率略高，月面上平常用肉眼看到的暗黑色斑塊，稱爲“月海”。月海實質上是一種超大型的撞擊坑，是寬廣的平原，被反射率較低、顏色較深的玄武岩所覆蓋。

　　第一幅圖像中佈滿了大大小小的圓形或近圓形的撞擊坑。據統計，月球表面直徑大於一公里的撞擊坑有33000以上。從圖中可以看出，高地地區撞擊坑分佈密集，右上部顏色較暗的撞擊坑被後期的玄武岩所覆蓋，撞擊坑的分佈比較稀疏。

　　集合已有的資料，第一幅圖覆蓋區域的斜長巖高地大致形成於42-39億年間，撞擊坑分佈密度較大，而覆蓋在撞擊坑中的玄武岩形成年齡大致爲39-38億年，撞擊坑分佈密度略小。

　　從第一幅圖中可以看出，撞擊坑的形成年齡不同：大的撞擊坑內有較爲年輕的小型撞擊坑，如右中部的吉爾坑的邊緣和內部分佈有衆多的小型撞擊坑；新的撞擊坑形態發育完整，使周圍老的撞擊坑變形如吉爾坑下部的兩個撞擊坑。

　　從第一幅圖中還可以看出，撞擊坑的形態各異，初步可劃分爲：

　　1)碗型坑。這是一種最簡單的撞擊坑，直徑一般在10-20公里以內。

　　2)具有中央錐的撞擊坑。中央錐發育在撞擊坑的中心部位，其高度一般比撞擊坑壁略低，中央錐是撞擊體高速挖掘成坑後由於應力反彈而形成，如圖左中部的龐特庫蘭特坑下方的撞擊坑。

　　3)玄武岩後期充填的平底坑。由於玄武岩反射率較低、形成年齡比撞擊坑晚，充填撞擊坑而形成，如圖上方的漢諾坑及其右下側的撞擊坑。

　　4)多環撞擊坑。大型撞擊挖掘成坑後，坑內壁產生地層倒轉、斷裂發育、坑壁塌方形成階梯狀的多環形態，如圖中的龐特庫蘭特坑。

　　六、關於“第一幅全月面二維平面圖和三維立體圖產生的時間”問題

　　根據地球遙感製圖的實際經驗，要製作出全球二維圖通常在獲取所有數據後還需要6個月至1年的時間，而三維立體圖的製造則需更長的時間。

　　按照目前CE-1衛星的飛控計劃和CCD立體相機的工作安排，在CCD立體相機所獲取的所有數據都可用的前提下，在2008年1月31日前，可獲取不包括月球兩極地區在內(80-90度範圍)的月面其它區域的圖像數據。這樣，第一幅不含極區的月面二維圖像至少還需半年以後才能製作出來，而三維圖像則需更長的時間。

　　如果要獲取全月面的二維平面圖，則需利用激光高度計的探測數據來補充和融合，這樣，首幅全月面二維平面圖最早可望在2008年12月製作出來。同樣，首幅全月面三維立體圖的製造則需更長的時間。