中國(guó)人測(cè)繪首幅月面圖背后的故事

◎ 王樹(shù)連

“ 第一幅月面圖像是繞月探測(cè)工程成功最重要的標(biāo)志之一，宣示我國(guó)千年奔月的夢(mèng)想已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)！”2007 年11 月26 日，中 國(guó)國(guó)家航天局正式公布首次月球探測(cè)工程的第一幅月面圖像。中國(guó)首幅月面圖，是中國(guó)航天科學(xué)技術(shù)工作者與測(cè)繪科學(xué)技術(shù)人員精誠(chéng)合作，利用中國(guó)航天器、探測(cè)器獲取的月面圖像研制的重要探月成果。

十幾年過(guò)去了，讓我們追憶中國(guó)首幅月面圖的研制過(guò)程，關(guān)注這一重大創(chuàng)新成果背后的故事。

全力支援

2003 年3 月的一天，承擔(dān)探月工程相機(jī)研制任務(wù)的中國(guó)科學(xué)院、西安光學(xué)精密機(jī)械研究所的研制人員登門(mén)，向中國(guó)工程院院士、西安測(cè)繪研究所研究員王任享請(qǐng)教，前者計(jì)劃在嫦娥一號(hào)上搭載兩個(gè)相機(jī)，進(jìn)行交向攝影。但是，兩個(gè)相機(jī)太重，探月工程總體要求只能搭載一個(gè)相機(jī)。對(duì)此，還不知如何是好。

王任享院士對(duì)多年在航天測(cè)繪領(lǐng)域的合作伙伴直言快語(yǔ)：“相機(jī)多，不但太重，而且攝影測(cè)量處理就會(huì)繁瑣。我認(rèn)為，可以采取三線(xiàn)推掃的一個(gè)相機(jī)方案。探月衛(wèi)星飛行時(shí)推掃攝影，同一臺(tái)相機(jī)的三個(gè)平行的CCD 線(xiàn)陣可以獲取月球表面同一目標(biāo)星下點(diǎn)地面目標(biāo)的正視、前視、后視三幅二維原始數(shù)據(jù)圖像，經(jīng)三維重構(gòu)后，即可再現(xiàn)月表三維立體影像，并據(jù)此測(cè)繪出月面影像產(chǎn)品。”

這就意味著合二為一，將擬議中的兩個(gè)攝影相機(jī)扔掉一個(gè)。一個(gè)相機(jī)重量約20 千克，嫦娥一號(hào)要飛到38 萬(wàn)千米遠(yuǎn)的月球軌道，減少20 千克的有效載荷對(duì)探月衛(wèi)星的意義十分重大。探月工程指揮部計(jì)劃采用王任享院士提出的三線(xiàn)陣CCD 相機(jī)方案。

一個(gè)相機(jī)方案是王任享院士基于衛(wèi)星攝影測(cè)量經(jīng)驗(yàn)及對(duì)三線(xiàn)陣CCD 相機(jī)攝影測(cè)量的研究心得提出的，并沒(méi)有對(duì)月面測(cè)繪做過(guò)針對(duì)性的詳細(xì)計(jì)算與分析，對(duì)于嫦娥一號(hào)這樣宏大的工程，任何方案都應(yīng)該具有不容置疑的科學(xué)性和可行性，更不能出現(xiàn)顛覆性問(wèn)題，必須要做到萬(wàn)無(wú)一失才行。王任享院士因?yàn)樽约旱姆桨副徊杉{而好多天吃不好、睡不香，日夜思考、研究方案的科學(xué)性與可行性。他利用多年來(lái)研究的實(shí)驗(yàn)性軟件，首次對(duì)120 米的像元攝影資料進(jìn)行處理，以數(shù)學(xué)模擬方法對(duì)三線(xiàn)陣CCD 相機(jī)方案作了反復(fù)測(cè)算，最終得出結(jié)論：一個(gè)相機(jī)方案是可行的。

● 中國(guó)首幅月面圖（局部）

2005 年6 月，繞月探測(cè)工程應(yīng)用系統(tǒng)指揮部的研究人員再次來(lái)到西安測(cè)繪研究所，正式簽訂了《繞月探測(cè)工程CCD 立體相機(jī)測(cè)繪能力評(píng)估》協(xié)議書(shū)和《繞月探測(cè)工程CCD 立體相機(jī)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研制》合同。

西安測(cè)繪研究所把支援中國(guó)繞月探測(cè)工程視為義不容辭的使命，調(diào)集技術(shù)骨干，成立了5 人研究小組。研究小組在王任享院士的指導(dǎo)下立即開(kāi)展評(píng)估工作與相關(guān)攝影測(cè)量處理系統(tǒng)的研制。試驗(yàn)，評(píng)估；再試驗(yàn)，再評(píng)估，直至尋求到上佳方案。這是科研項(xiàng)目論證階段必須的試錯(cuò)過(guò)程，也是一個(gè)技術(shù)方案最終被采納的重要基礎(chǔ)。特別是航天工程，每個(gè)環(huán)節(jié)都必須反復(fù)驗(yàn)證，精益求精，做到零缺陷。繞月探測(cè)工程指揮部在最后決定采用三線(xiàn)陣CCD 相機(jī)開(kāi)展探月活動(dòng)之前，希望看到西安測(cè)繪研究所基于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的具有說(shuō)服力的評(píng)估報(bào)告。

秋天是收獲的季節(jié)。這一天，實(shí)驗(yàn)室里洋溢著歡快的氛圍。研究人員們戴著紅綠眼鏡在計(jì)算機(jī)上競(jìng)相觀看月面互補(bǔ)色立體圖像。一個(gè)直徑約20 千米、深達(dá)2 千米的月坑，如同巨大的盆缽鑲嵌在月球表面，這成為大家欣賞的亮點(diǎn)。這是王任享院士和衛(wèi)星攝影測(cè)量研究人員利用美國(guó)阿波羅飛船獲取的月球影像，采用三線(xiàn)陣推掃方法模擬的月面立體模型。接著研究小組利用阿波羅飛船獲取的月球影像及DTM（數(shù)字地形模型），按照三線(xiàn)推掃原理，摸索生成仿真嫦娥一號(hào)獲取的前視、正視、后視圖像，并據(jù)此測(cè)繪出正射影像圖、等高線(xiàn)、高程數(shù)字模型和三維景觀。深入的研究為嫦娥一號(hào)在實(shí)時(shí)傳輸獲取攝影圖像后，快速生成月面圖幾何反演產(chǎn)品打下了良好基礎(chǔ)。

● 王任享院士（中）研究衛(wèi)星圖像

第一軌月面圖

2007年10月24日，中國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)。嫦娥一號(hào)衛(wèi)星沖破云霄，奔向太空，開(kāi)始了中國(guó)首次探月之旅。經(jīng)過(guò)多次變軌飛行之后，衛(wèi)星于10月31日開(kāi)始飛向月球軌道。11月20日，衛(wèi)星進(jìn)入距離月面200千米的圓形工作軌道，揭開(kāi)了一系列探月活動(dòng)的序幕。

2007 年11 月20 日，注 定 是一個(gè)難忘的日子。金秋的余韻在初冬的北京飄散著。王任享和衛(wèi)星攝影測(cè)量研究小組的成員，帶著便攜式計(jì)算機(jī)，來(lái)到嫦娥一號(hào)地面應(yīng)用系統(tǒng)圖像接收處理中心。筆記本電腦里儲(chǔ)存了兩種方法的成套處理軟件，隨時(shí)準(zhǔn)備處理嫦娥一號(hào)傳回的圖像數(shù)據(jù)，盡快測(cè)繪出月面圖。

探月工程首席科學(xué)家歐陽(yáng)自遠(yuǎn)緊緊握著王任享的手，充滿(mǎn)期待地說(shuō)：“今天就看你們的了！”

王任享與在場(chǎng)的同仁一樣，靜靜地等待著來(lái)自太空的信息。獲取三維影像、測(cè)制月面三維地形地貌是嫦娥一號(hào)探月的首要任務(wù)。此時(shí)，王任享的淡定中暗藏忐忑。因?yàn)槭孪纫呀?jīng)進(jìn)行了審慎的先驗(yàn)評(píng)估，確認(rèn)采取的技術(shù)方案是成功的，應(yīng)該算是成竹在胸。但是，第一次面臨真刀實(shí)槍的考驗(yàn)，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)意想不到的問(wèn)題，心中自然有些擔(dān)心。

此時(shí)，王任享又想起立下“軍令狀”的時(shí)刻。那是衛(wèi)星攝影測(cè)量研究小組送交繞月探測(cè)評(píng)估報(bào)告后不久，歐陽(yáng)自遠(yuǎn)來(lái)到西安測(cè)繪研究所，看了嫦娥一號(hào)仿真影像生成的三線(xiàn)陣影像、正射影像圖、數(shù)字高程圖、數(shù)字等高線(xiàn)、紅綠互補(bǔ)的影像以及精美的三維動(dòng)畫(huà)等成果演示，高興地說(shuō)：“不久前我到印度訪問(wèn)，印度探月工程采用的也是三線(xiàn)陣推掃方案，與我們不謀而合。”他又詢(xún)問(wèn)：“為了盡快證明探月工程是成功的，緩解大家焦急等待的心情，你們能不能在拿到影像后一兩天內(nèi)就做出月面圖？”

● 第一軌反演月面正射影像圖（局部）

王任享當(dāng)即答應(yīng)：“只要能夠拿到有立體重疊的月面影像，我們保證在一兩天內(nèi)拿出成果。”

君子一言，駟馬難追。正常情況下，如此短的時(shí)間是很難測(cè)繪出地形圖的。一方面，因?yàn)樵旅嬗跋裉幚肀仨氂型夥轿辉亍＋@取外方位元素的通常做法是依靠衛(wèi)星測(cè)定的軌道坐標(biāo)，或星載星敏感器測(cè)定的姿態(tài)角，或月面控制點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)在一兩天內(nèi)是拿不到的。另一方面，面對(duì)全新的月球影像資料，已有的處理系統(tǒng)再成熟也可能遇到新問(wèn)題，需要耗費(fèi)時(shí)間通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)研究解決。

為盡快拿出月面圖，王任享和研究小組決定采取應(yīng)急的特殊方法，解決或暫時(shí)繞開(kāi)這些難題。采取的方法稱(chēng)為反演法，即在攝影測(cè)量坐標(biāo)系內(nèi)，回放立體模型，僅僅利用影像本身計(jì)算攝影坐標(biāo)系的外方位元素。根據(jù)這一思路，王任享帶領(lǐng)研究人員采用了兩種解算方法：一種叫自由外方位元素法，一種叫等效框幅法。這兩種方法經(jīng)過(guò)試驗(yàn)均取得了成功。

2007 年11 月20 日，時(shí)鐘來(lái)到19 點(diǎn)，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星搭載的CCD 相機(jī)面對(duì)月面，開(kāi)機(jī)攝像，并開(kāi)始向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。23 點(diǎn)，數(shù)百千米長(zhǎng)的月面攝影圖像數(shù)據(jù)傳輸完畢。面對(duì)中國(guó)航天器第一次傳來(lái)的月面數(shù)據(jù)，在場(chǎng)人員的心情非常激動(dòng)。

研究小組成員立即分組對(duì)嫦娥一號(hào)傳回的第一軌影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。筆記本電腦在測(cè)繪人員手中就像一張紙、一支筆，描繪著一根根曲線(xiàn)，拼接著一幀幀圖像。王任享與王建榮、李晶兩位工程師一起，進(jìn)行三線(xiàn)陣影像平差計(jì)算，重建外方位元素、DEM 采集、等高線(xiàn)、正射影像生成及互補(bǔ)色立體影像制作。望著測(cè)標(biāo)點(diǎn)在月面立體模型表面游走，王任享產(chǎn)生了俯視月球的豪邁感。

2007 年11 月21 日 凌 晨1 點(diǎn)多，王任享把測(cè)繪好的正射影像圖、三維立體圖、互補(bǔ)色立體圖、等高線(xiàn)圖等演示于圖像接收處理中心大廳。在場(chǎng)的研究人員凝神望著中國(guó)人測(cè)繪的月面圖，片刻就是一陣騷動(dòng)。“我們成功了！”大家彼此祝賀著。

原計(jì)劃接到月面圖像后一兩天測(cè)出月面圖，實(shí)際上僅僅用了不到3 個(gè)小時(shí)。速度之快，超出了在場(chǎng)焦急等待結(jié)果的人們的預(yù)期。

歐陽(yáng)自遠(yuǎn)再次握住王任享的手。王任享如釋重負(fù)地說(shuō)：“今夜總算完成了你交給的任務(wù)。”歐陽(yáng)自遠(yuǎn)也十分激動(dòng) ：“這么快，完全出乎意料，謝謝大家！謝謝大家！”

首幅月面圖

一幅月面圖由若干軌圖像“無(wú)縫拼接”而成。王任享及其衛(wèi)星攝影測(cè)量研究團(tuán)隊(duì)，利用嫦娥一號(hào)傳回的第一軌圖像數(shù)據(jù)和反演法，測(cè)制出月面正射影像圖、三維立體圖、互補(bǔ)色立體圖、等高線(xiàn)圖等，為首幅月面圖的制作提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2007 年11 月21 日，在 探 月工程地面應(yīng)用系統(tǒng)的布置下，相關(guān)數(shù)據(jù)處理人員完成了19 軌正視影像的處理，并利用成套的處理軟件直接拼接成圖，作為向國(guó)務(wù)院匯報(bào)和向媒體首次發(fā)布的月球探測(cè)資料。從發(fā)布的首幅月面圖上，可以看到：月面地形影像十分清晰，明暗色調(diào)和諧，大大小小的月坑一目了然。

王任享望著首幅月面圖，自豪地說(shuō)：“美國(guó)阿波羅探月的圖像分辨率是100 米，嫦娥一號(hào)圖像分辨率是120 米。阿波羅用膠片照相，并在衛(wèi)星上自動(dòng)沖洗，隨后變成電子信號(hào)用模擬信號(hào)傳回地球。嫦娥一號(hào)是面陣的數(shù)碼攝影，是數(shù)字傳輸，效率與質(zhì)量自然更好。中國(guó)首幅月面圖證明，中國(guó)航天測(cè)繪邁上了月球測(cè)繪的新臺(tái)階。”