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欧阳自远解读中国首幅月图拍摄与制作过程
华夏经纬网   2007-12-05 08:24:53   
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    嫦娥一号卫星于2007年10月24日成功发射并于2007年11月7日准确进入环月工作轨道后,经过12天卫星的调姿、通信链路测试等工作后,于2007年11月20日,星上CCD立体相机开机并开始了对月面拍摄。

    11月26日上午9时,嫦娥一号卫星正在进行第223圈的绕月飞行之时,党中央、国务院、中央军委举行嫦娥一号卫星第一幅月面图片(以下简称第一幅图)发布仪式,国务院总理温家宝出席了发布仪式。

    第一幅月图的发布,标志着我国首次探月工程取得圆满成功。

    第一幅图公布后,得到全球公众的广泛关注,许多媒体也邀请一些专家对第一幅图进行了部分的解释。与此同时,许多公众来电来函咨询或质疑第一幅图的一些相关问题。

    为了使广大公众更好地了解第一幅图的获取和数据的接收、处理及其所承载的信息,绕月探测工程应用科学首席科学家欧阳自远院士亲自撰写了本文。

    一、第一幅图的拍摄过程

  1、一台三线阵相机实现了三台线阵相机的功能

    常规的航空航天对地摄影只获取正视(星下点)二维图像,而要获得立体图像,通常需要用三台线阵相机。CE-1上的中科院西安光机所CCD立体相机采用了一个广角物镜和1024?1024面阵CCD的独特设计,实现了上述功能。

    在一定空间分辨率前提下,CCD相机所拍摄图像的清晰度决定于相机全系统的传递函数(简称:MTF)和信噪比。为了提高所拍摄图像清晰度,CE-1上的CCD立体相机全系统MTF从所要求的MTF大于0.2增加到0.48,信噪比从 100增加到优于200,这是获得清晰图像的关键因素之一。

    相机在工作期间的暴光时间是图像清晰、层次丰富的另一个关键要素。为了适应不同太阳高度角和月面的地形地貌、不同区域月面反照率的差异,经过详细调研、充分论证、仿真计算,制定了四个暴光时间,特别是制定了每一轨在不同纬度区域的曝光策略,从而使同一轨不同纬度时都有合适的曝光时间。

    2、相机拍摄图像的基本原理

图1 利用三线阵方式拍摄月面图像的原理示意图

    为了确保相机所拍摄的图像清晰,制定了当太阳与月面夹角大于15度时相机才开始拍摄的工作模式。

    相机工作时,CCD立体相机采用线阵推扫的方式获取月面同一目标的前视、正视和后视三条线阵的影像,即利用1024行中的第1行、第512行和第1023行分别对月面同一目标进行三次扫描拍摄:第1行数据为前视17?获取的图像,第 512行数据为正视图像,第1023行为后视17?获取的图像。形象地说就是,当相机与拍摄目标连线与垂直方向成17?时,CCD立体相机探测器的第1行获取目标的前视图像,经过大约42秒(卫星运行了约66km)后,CCD立体相机探测器的第512行获取该目标的正视图像,再经过大约42秒后,探测器的第1023行获取该目标的后视图像。这样,月面同一目标就在84秒的时间内被CCD立体相机拍摄了三幅照片,即地面目标的前视、正视和后视图像(图1)。

    二、第一幅图数据的传输

    与过去的航天测控任务不同的是,嫦娥一号卫星在远距离发送数据的过程中,存在着信号在空间衰减大、信道余量较小、地面接收困难等难题。为确保探测数据的可靠接收,由我国专门研制了两座目前我国口径最大的分别安装在中科院国家天为台北京密云和云南昆明的50米和40米数据接收天线,具备了距离40万公里、码速率3Mbps的数据接收能力。CE-1卫星的科学探测数据就是由这两座接收天线负责接收的(图2)。

图2 北京密云和云南昆明数据接收地面站接收CE-1卫星下传数据示意图

    CE-1卫星探测数据的接收必须是卫星处于测控系统喀什站和青岛站的可跟踪和可控的可见弧段内以及进入地面应用系统密云50米数据接收站和昆明站40米天线数据接收站的可接收弧段内才能进行的,四站同时跟踪卫星信号。在喀什站、青岛站对卫星精确测控的辅助下,CCD立体相机拍摄获得的图像数据通过卫星上的有效载荷数据处理系统存储、编码,然后传送至卫星发射机,通过星上定向天线以固定频率向地球发送,北京密云地面站和昆明地面站同时接收下传数据,并通过专用的光纤通信网络实时传输到坐落在中国科学院国家天文台的地面应用系统总部后,进行数据的分析、处理与研究的。

    三、第一幅图的处理与制作流程

    CCD立体相机所拍摄的月面图像是以位流数据的形式传下来的,这些数据只有经过分析处理、制作成图后,一般公众才能看得懂。

    1、 单轨月面图像的制作处理流程单轨月面图像的制作流程主要包括如下步骤:

    1) 利用原始数据,进行信道处理、提取CCD立体相机源包数据;

    2) 通过排序、去重复,形成CCD立体相机单次过境的最优源包数据,对优化后的源包数据进行解包;

    3) 进行物理量转换和格式重整处理,形成前视、正视和后视三条线阵的数据;

    4) 利用地面定标数据,消除CCD立体相机光、机、电等系统误差的影响,进行辐射定标处理得到的二维图像。

    5) 进行图像增强处理,去除噪声、对比度拉伸、亮度调整,最终形成二维平面图像。

    2、19轨数据镶嵌处理流程19轨数据镶嵌处理流程主要包括如下步骤:

    1) 图像的粗几何校正:在上述单轨月面图像的基础上,利用轨道和姿态数据,进行粗几何校正,得到19轨数据在月面上的大致位置。

    2) 图像的几何精纠正:从Clementine BaseMap分幅数据中找到相应位置的影像数据作为控制定位底图,对19轨数据分别进行几何精纠正;

    3) 图像的镶嵌和匀色:以饱和度、对比度、亮度较好的影像为标准,进行色调和对比度调整,将相邻两轨影像进行镶嵌。

    4) 19轨数据图像的镶嵌:由于第一幅图区域位于中高纬度区,相邻轨道数据重叠率较高,对于多次重叠的地区,选用图像质量相对较好的数据参与镶嵌,最终形成了第一幅月面图。

    四、第一幅图覆盖的区域

    为了尽快让公众看到CE-1卫星所获取的月面图像,以及考虑到三维立体图的制造和拼接工作较为繁杂,需要的时间较长,因此决定:第一幅图以二维月面图像的形式公布。

    1、第一轨拍摄时间与覆盖区域

    CE -1卫星获得的第一轨图像,是从北京时间2007年11月20日16时49分00秒222毫秒开始由南往北进行拍照,起始位置位于月球正面东部靠近南极的地区,拍照结束时间是17时27分00秒302毫秒,总时长为38分0秒80毫秒。图像幅宽约为60km,曝光时间为7毫秒,像元分辨率120m。第一轨所拍摄的图像长度27113行,约3253km,覆盖面积约195180km2(图3),覆盖区域的位置如表1所示。

图3 中国首次月球探测工程第一幅月面图像所覆盖的月面区域图示

    2、第一幅图中19轨数据的拍摄时间和覆盖区域

    CCD立体相机开机后,1至19轨数据的拍摄时间和星下点经纬度范围如表1所示,其中:经纬度的计算采用的是粗星历和对月粗姿态数据,精度有一定的误差;后续处理将利用事后精密星历和惯性精姿态数据,精度将得到一定的提高。

表1 19轨数据的拍摄时间和覆盖区域

    3、第一幅图的选择

     根据数据下传质量,决定第一轨下传的数据应该作为第一幅图的成图内容。为了保持物理上的第一幅图与发布的第一幅图一致,特别是考虑图幅应以方正形式发布以达到美观的目的。决定从11月20日16:49到11月22日7:57获得的19轨数据中,挑选每轨的正视图像,截取0~5000行数据,并最终完成了宽约280km、长约460km的第一幅图的制作工作。
   
    第一幅图所覆盖的真实区域如图4所示。

图4 第一幅图中19轨数据的覆盖区域

    五、第一幅图的初步解读

    第一幅图(图5)大约位于东经83度到东经57度、南纬70度到南纬54度的区域,图幅宽约280公里、长约460公里。图像覆盖区域属于月球高地,分布有不同大小、形态、结构和形成年代的撞击坑。

     图5 中国首次月球探测工程第一幅月面平面图像

    由于第一幅图是在很短的时间里经过初步的处理后制作出来的,目前更多地还只能从其地形地貌以及所分布的位置,结合已有的资料,对其地质背景和地貌类型等信息进行很初步的解读。

  1、第一幅图的地质背景

    月球的大地构造单元粗略可以划分为三个地体,即斜长岩质高地地体(FHT)、风暴洋克里普岩质地体(KREEP)和南极爱肯特地体(SPA)。第一幅图位于斜长岩质高地地体的外围,称为低铁低钍的斜长岩质高地地体(FHT-O)。从第一幅图所在区域形成年代的资料看,是在42-38亿年间,属于酒海纪。

    根据已有的探测结果,酒海纪的岩石是以高地斜长岩为主,主要矿物为斜长石,次要矿物有橄榄石、尖晶石、辉石、钛铁矿和金属铁等。具有较高的铝和钙。有关第一幅图更详细的物质成分信息,我们将根据CE-1卫星上伽码射线谱仪、X射线谱仪和干涉成像光谱仪探测数据的分析、处理后,予以解读。

  2、第一幅图的地貌类型与特征

    第一幅图位于月球南部的高地地区,高地是指通常用肉眼在月面上看到的比较明亮的区域,主要由斜长岩组成,岩石的反射率略高,月面上平常用肉眼看到的暗黑色斑块,称为“月海”。月海实质上是一种超大型的撞击坑,是宽广的平原,被反射率较低、颜色较深的玄武岩所覆盖。

    第一幅图像中布满了大大小小的圆形或近圆形的撞击坑。据统计,月球表面直径大于一公里的撞击坑有33000以上。从图中可以看出,高地地区撞击坑分布密集,右上部颜色较暗的撞击坑被后期的玄武岩所覆盖,撞击坑的分布比较稀疏。

    集合已有的资料,第一幅图覆盖区域的斜长岩高地大致形成于42-39亿年间,撞击坑分布密度较大,而覆盖在撞击坑中的玄武岩形成年龄大致为39-38亿年,撞击坑分布密度略小。从第一幅图中可以看出,撞击坑的形成年龄不同:大的撞击坑内有较为年轻的小型撞击坑,如右中部的吉尔坑的边缘和内部分布有众多的小型撞击坑;新的撞击坑形态发育完整,使周围老的撞击坑变形如吉尔坑下部的两个撞击坑。

    从第一幅图中还可以看出,撞击坑的形态各异,初步可划分为:

    1)碗型坑。这是一种最简单的撞击坑,直径一般在10-20公里以内。

    2)具有中央锥的撞击坑。中央锥发育在撞击坑的中心部位,其高度一般比撞击坑壁略低,中央锥是撞击体高速挖掘成坑后由于应力反弹而形成,如图左中部的庞特库兰特坑下方的撞击坑。

    3)玄武岩后期充填的平底坑。由于玄武岩反射率较低、形成年龄比撞击坑晚,充填撞击坑而形成,如图上方的汉诺坑及其右下侧的撞击坑。

    4)多环撞击坑。大型撞击挖掘成坑后,坑内壁产生地层倒转、断裂发育、坑壁塌方形成阶梯状的多环形态,如图中的庞特库兰特坑。

    六、关于“第一幅全月面二维平面图和三维立体图产生的时间”问题

    根据地球遥感制图的实际经验,要制作出全球二维图通常在获取所有数据后还需要6个月至1年的时间,而三维立体图的制造则需更长的时间。

    按照目前CE-1卫星的飞控计划和CCD立体相机的工作安排,在CCD立体相机所获取的所有数据都可用的前提下,在2008年1月31日前,可获取不包括月球两极地区在内(80-90度范围)的月面其它区域的图像数据。这样,第一幅不含极区的月面二维图像至少还需半年以后才能制作出来,而三维图像则需更长的时间。

    如果要获取全月面的二维平面图,则需利用激光高度计的探测数据来补充和融合,这样,首幅全月面二维平面图最早可望在2008年12月制作出来。同样,首幅全月面三维立体图的制造则需更长的时间。

来源:人民网

 

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