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测绘深空行星的形貌影像

2017-06-12 徐青 等 赛杰奥

考虑目前我国开展深空探测的活动能力和范围,原则上采用《中国大百科全书·航空航天卷》和GJB 421A—1997《卫星术语》中的深空定义,将深空定义为“距地球约等于或大于地月平均距离(约3.84×105 km)的宇宙空间”。

 

卫星应用、载人航天和深空探测是航天技术的三个重要应用领域。深空探测是人类拓展生存空间、寻找地外生命、探索宇宙奥秘的必然途径,也是体现一个国家航天科技能力和空间科学技术水平的重要标志。

 

测绘,由于其特殊的使命和任务特点,总是成为人类各种探测活动的先行者。在深空探测活动中也不例外,“嫦娥一号”作为我国探月工程“绕、落、回”一期工程中的首颗探月卫星,主要科学目标就是利用获得的科学探测数据进行月球测绘,制作月球表面数字地形图(DLG)、数字高程模型(DEM)和正射影像图(DOM),并在此基础上制作月球表面的三维影像图。完成这一科学目标的核心技术支撑就是航天摄影测量技术。

 

▲利用嫦娥一号激光测高数据制作的月表DEM

 

在火星和小行星探测中,人类首先的探测目标仍然是通过航天遥感测绘的手段,获得尽可能高精度和分辨率的行星表面数字形貌图和正射影像图,从而为后续的一系列探测活动奠定基础并提供基础形貌数据保障。

 

《深空行星形貌测绘的理论技术与方法》(徐青等著. 北京:科学出版社,2016.11)的编著者为核心科研团队,从“十一五”期间,承担并完成了国防预研课题和国家863 计划的相关课题。特别需要强调的是,在“十二五”期间,我们非常荣幸地有机会参加了我国首个深空探测方向上的国家973 项目——“行星表面精确着陆导航与制导控制问题研究”(课题编号:2012CB720000)的研究。在该项目首席科学家崔平远教授的统一部署下,与哈尔滨工业大学、中科院上海天文台等单位合作,承担了第一课题“行星表面地形时空表征与特征识别理论方法”的研究任务,重点解决了深空环境下,在无控制、弱轨道约束、大倾角、小基高比等复杂摄影成像,以及行星表面影像信息贫乏等困难条件下,较高精度和高效率地获取行星表面形貌及其特征并制作正射影像图的系统理论、技术和方法。此外,本书还结合了两项国家自然科学基金项目“深空目标表面形貌精细重建技术研究”(课题编号:41371436)和“火星地形测绘多源数据联合平差与密集匹配技术研究”(课题编号:41401533)的研究成果。

 

▲行星表面大气绘制效果图

星体大气的体绘制技术。该技术直接研究光线穿过三维数据场时发生的吸收、散射、反射等光学现象,使用光学模型把数据值映射为光学特性值,如颜色和不透明度。图为大气光照模型的相关参数(Rayleigh 散射常数Kr,Mie 散射常数Km,Mie 散射不对称因子g)在不同取值情况下的绘制效果。太阳光波长为:R=650nm,G=570nm,B=475nm。

 

在初步总结相关研究成果的基础上,我们首先提出深空测绘的定义。我们认为,深空测绘(技术)是获取月球和其他空间天体的形貌和影像信息并测绘其形貌图;测绘各个天体及天体之间的重力场和磁场;测定深空天体及探测器的轨道、形状、位置和大小;提供深空导航服务;收集近地及深空环境其他要素(如空间碎片、大气层、电离层、高能粒子等)的模式和数据的理论、技术、方法及其保障体系的总称。

 

深空测绘作为测绘科学与技术的一个重要发展方向,是未来测绘保障范围拓展的必然要求;深空测绘又蕴含着综合、复杂的理论和技术体系,涉及天文、导航、航天、测绘、测控等多个学科核心交叉、相互渗透的理论知识和技术方法。本书的核心内容正是以该973 项目为主的一系列相关课题的研究成果的提炼和总结。本书在结构上充分考虑了内容的系统性和完整性,全书共分8 章。

 

第1 章主要论述深空测绘的内在含义和研究意义;第2 章和第3 章分别介绍深空测绘的时空基准和行星摄影测量技术基础知识,主要为非摄影测量与遥感学科的读者介绍深空测绘和行星摄影测量的基础理论;第4~6 章分别介绍月球、火星及小行星形貌测绘的理论和方法;第7 章介绍行星形貌测绘成果在特征表征和识别、陨石坑和障碍物提取中的应用技术;第8 章论述深空测绘成果的三维可视化技术,为读者展示建立一个高度真实感的太阳系深空环境所采用的技术原理和方法。

 

附录一至附录三供读者参考,附录的内容与全书各个章节内容构成了深空星体遥感测绘的完整的理论体系、技术原理和方法手段。

 

▲“图塔蒂斯”小行星三维重建的效果图

结合“嫦娥二号”所获取的“图塔蒂斯”小行星影像及其辅助数据,重建了该小行星的三维模型。

 

本书第1 章由徐青撰写,第2、8 章由周杨、蓝朝桢、李建胜撰写,第3、6 章由邢帅撰写,第4 章由何钰撰写,第5 章由耿迅撰写,第7 章由王栋撰写。此外,施群山博士、李鹏程博士、康宁硕士,博士研究生侯一凡、吕亮、卢万杰,硕士研究生葛忠孝、沈鹏、江腾达、王丹菂、李鹏也为本书作出了重要贡献。全书由徐青、邢帅统稿,徐青定稿。

 

致谢

除了编著者外,本书的完成还凝结了许多专家和学者的研究成果和辛勤劳动。


 在书稿完成之际,首先感谢中国工程院院士、解放军信息工程大学地理空间信息学院王家耀教授对深空测绘研究方向的热忱关心和一贯支持,特别感谢他老人家在深空探测973 项目立项中的鼎力支持。


 着重感谢解放军信息工程大学地理空间信息学院姜挺教授、龚志辉教授、马东洋副教授、江刚武副教授在深空测绘等课题中作出的重要贡献;感谢航天科技集团五院研发部王立研究员、宋政吉研究员、宋海丰所长、徐立宏副处长为深空测绘课题所作出的辛勤努力和大力支持;感谢总参测绘研究所史世平研究员在深空探测课题中作出的贡献。

 

感谢以龚建村研究员为首的国家863-703 主题全体专家组成员和办公室对作者所在研究团队在深空探测领域的项目立项与研究工作的长期支持、指导和帮助。

 

感谢北京理工大学宇航学院副院长、973 项目首席科学家崔平远教授、徐瑞副教授、乔栋副教授、尚海滨副教授、朱圣英副教授、高艾讲师,以及由他们率领的973项目科研团队对我们的全力支持、亲密协作和无私帮助。

 

感谢哈尔滨工业大学深空探测基础研究中心崔祜涛教授,以及他的科研团队对我们的热心指导和帮助;感谢中科院上海天文台金双根研究员对我们研究工作的大力协助。

 

此外,本书的完成还得到了军事测绘导航工程重点实验室和智慧中原地理信息技术河南省协同创新中心的大力支持。

我国的深空探测还刚刚起步,任重道远;深空测绘,开路先行,责无旁贷。深空测绘的研究仅仅有了一个良好的开端。由于作者的理论和技术水平有限,学术视野所限,更缺乏深空探测工程的切身体验和实践,加上作者承担的相关科研任务的成果总结只是代表了某一方面的成果。故本书中难免有许多不妥之处,敬请广大读者批评指正。

 


本文摘编自《深空行星形貌测绘的理论技术与方法》(徐青徐青 邢帅 周杨 蓝朝桢 耿迅 何钰 李建胜 王栋著. 责任编辑:苗李莉 朱海燕 李静. 北京:科学出版社,2016.11)一书“前言”,有删减,标题为编者所加。

 

ISBN 978-7-03-049436-8

 

深空探测是人类拓展生存空间、寻找地外生命、探索宇宙奥秘的必然途径,也是体现一个国家航天科技能力和空间科学技术水平的重要标志。经过50 多年的探索,人类开展的深空探测活动已基本覆盖了月球、太阳、七大行星、小行星和彗星等太阳系各类天体。我国已成为第三个实现地外天体软着陆的国家,且已将火星探测和小行星探测列入未来的深空探测计划之中。形貌测绘是人类各种探测活动的先行者,也是各项深空探测活动的一项重要基础工作。本书在国家973 计划、863 计划、自然科学基金项目的支持下,对深空行星形貌测绘的理论技术与方法的研究成果进行了梳理,总结阐述深空测绘的概念、理论、系统、技术方法等,重点解决深空环境下,在无控制、弱轨道约束、大倾角、小基高比等复杂摄影成像以及行星表面影像信息贫乏等困难条件下,较高精度和高效率地获取行星表面形貌及其特征并制作正射影像图的系统理论、技术和方法,并构建用于深空测绘成果展示与深空探测活动分析的深空环境可视化仿真系统。


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(本文编辑:刘四旦)



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