月球測繪學(xué)分類及應(yīng)用展望

萬 剛，叢佃偉，劉 磊

(航天工程大學(xué)，北京 101416)

0 引 言

月球是地球的唯一天然衛(wèi)星，是人類深空探索的前哨站。人類對月球的探測大致分為三個(gè)階段：裸眼觀測階段、近代地基觀測階段和空間探測階段。1609年伽里略最早通過望遠(yuǎn)鏡對月球進(jìn)行觀測，并繪制出月球第一幅正面圖；1849年約翰·W·德雷珀使用天文望遠(yuǎn)鏡拍攝了第一張?jiān)虑蚩梢姽庥跋瘢?946年美國海軍首次利用地基雷達(dá)探測月球；1959年蘇聯(lián)發(fā)射的Lunar 2探測器成功撞擊在月球表面，成為人類首個(gè)月球探測器[1]。1969年美國Apollo 11在月球著陸，阿姆斯特朗踏出了人類在月球上的第一步。2004年我國的探月工程正式立項(xiàng)，按照“繞”、“落”、“回”、“勘”、“建”、“用”的實(shí)施計(jì)劃，至今已完成了四期探月任務(wù)，其中CE-4著陸器與巡視器完成了人類歷史上首次月球背面登陸與月表漫游。目前，中國、美國、俄羅斯、歐空局、日本、印度、英國、德國、以色列等國家均正在實(shí)施探月計(jì)劃，中、美、俄等航天強(qiáng)國均公布了建立永久性月球科研基地的計(jì)劃[2-3]。

在未來很長的一段時(shí)間內(nèi)，月球仍然是人類深空探測的主要目標(biāo)。雖然人類取得了一定的探月成果，但月球探測仍然是極具挑戰(zhàn)性與創(chuàng)新性的系統(tǒng)工程。月球測繪是月球探測的首要任務(wù)，是其他探月活動(dòng)的基礎(chǔ)。在深空探測技術(shù)突飛猛進(jìn)的背景下，月球測繪已形成了較為豐富的理論和技術(shù)成果，并極大地?cái)U(kuò)展了傳統(tǒng)地球測繪學(xué)的理論體系與技術(shù)方法，因此構(gòu)建較為完善的月球測繪學(xué)理論體系顯得尤為必要。

本文首先參照傳統(tǒng)測繪學(xué)概念，給出了月球測繪學(xué)的完整定義。然后在分析月球測繪學(xué)與地球測繪學(xué)主要差異基礎(chǔ)上，重新梳理出月球測繪學(xué)包含的六個(gè)主要學(xué)科專業(yè)分類，并詳細(xì)介紹了每個(gè)學(xué)科專業(yè)的定義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。最后，對月球測繪學(xué)在五個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 月球測繪學(xué)概念

測繪學(xué)是人類認(rèn)識(shí)和利用所生存空間的重要科學(xué)，目前，測繪學(xué)已橫向發(fā)展到地球空間信息學(xué)階段。隨著人類的活動(dòng)范圍由近地空間擴(kuò)展到深空，測繪學(xué)縱向朝著月球測繪以及行星測繪的方向快速發(fā)展。美國NASA在1966年提出了月面測繪的概念，國內(nèi)學(xué)者最早在2004年提出了月球測繪學(xué)的概念[4]。半個(gè)世紀(jì)以來國內(nèi)外學(xué)者圍繞著月球測繪做了大量的研究，取得了一定的學(xué)術(shù)成果。在此過程中，月球測繪學(xué)的概念和學(xué)科分類不斷演進(jìn)，月球測繪的內(nèi)涵與外延也變的越來越豐富。截至目前，學(xué)界尚未對月球測繪學(xué)進(jìn)行具體的定義和學(xué)科分類，月球測繪學(xué)理論體系的研究與建立已變得迫在眉睫。

參照測繪學(xué)的概念[5]，本文嘗試給出月球測繪學(xué)定義：月球測繪學(xué)屬于深空測繪學(xué)的一部分，是在地月時(shí)空框架下研究測定月面及近月空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，完成月球形狀、月球重力場等確定，獲取月球表面形貌和屬性信息，編制月球目標(biāo)區(qū)域的空間信息成果，為月球探測與月球資源開發(fā)利用等活動(dòng)提供基礎(chǔ)支撐的應(yīng)用學(xué)科。月球測繪學(xué)和深空測繪學(xué)均由傳統(tǒng)測繪學(xué)演進(jìn)而來，融合了測繪學(xué)、天文學(xué)、空間物理學(xué)等學(xué)科的知識(shí)，將測繪學(xué)的研究范圍由地球及近地空間拓展到月球及地月空間，也有學(xué)者將月球測繪學(xué)納入行星科學(xué)。

月球測繪學(xué)與地球測繪學(xué)有著共同的理論基礎(chǔ)，傳統(tǒng)地球測繪學(xué)豐富的學(xué)科內(nèi)涵和技術(shù)方法為月球測繪學(xué)提供了強(qiáng)有力的支撐，但由于人類對月球與地球開發(fā)應(yīng)用需求、月球與地球表面環(huán)境、探月裝備與常規(guī)地球測繪裝備等諸多方面均存在顯著差異，月球測繪學(xué)與地球測繪學(xué)主要有如下幾點(diǎn)差異：

1)測繪服務(wù)內(nèi)容不同。人類短期內(nèi)尚不能大規(guī)模、長周期在月面生存，無法形成人類圈，因此無需通過月球測繪方法建立適合人類生存和安全的保障系統(tǒng)，也就無需全盤照搬地球測繪體系到月球上，當(dāng)前月球測繪主要服務(wù)于地球上人類進(jìn)行月球探測任務(wù)和月球資源開發(fā)利用。

2)測繪裝備不同。受各種條件限制，無人化、智能化探測裝備在今后一段時(shí)間仍將是月球測繪的主要裝備。

3)測繪任務(wù)實(shí)施主體不同。月球測繪所需要的數(shù)據(jù)通常需要利用發(fā)射的各類月球探測器獲得，當(dāng)前及今后一段時(shí)期，月球探測活動(dòng)主要由國家或者大型組織主導(dǎo)實(shí)施，月球測繪任務(wù)實(shí)施的主體也主要由國家級科研機(jī)構(gòu)主導(dǎo)。

4)測繪內(nèi)容不同。地球測繪學(xué)屬于地球科學(xué)，月球測繪學(xué)屬于行星科學(xué)，由于月球與地球空間環(huán)境的巨大差異及人類月球探測的特殊應(yīng)用需求，導(dǎo)致行星科學(xué)不需要按照地球科學(xué)那樣進(jìn)行精細(xì)的分類，一些在地球科學(xué)中分屬其它學(xué)科的測繪內(nèi)容也可以納入到月球測繪當(dāng)中，如月球空間環(huán)境與月球地質(zhì)等，因此兩者測繪內(nèi)容存在差異。

2 月球測繪學(xué)分類及進(jìn)展

月球測繪學(xué)的分類既要考慮到傳統(tǒng)測繪學(xué)的學(xué)科劃分，也要兼顧月球探測的特殊性。本文參考并擴(kuò)展了傳統(tǒng)測繪科學(xué)的理論體系，將月球測繪學(xué)分為月球大地測量學(xué)、月球攝影測量學(xué)、月球遙感學(xué)、月球形貌學(xué)、月球空間環(huán)境學(xué)以及月球空間信息學(xué)。

2.1 月球大地測量學(xué)

月球大地測量學(xué)是研究月球表面及近月空間點(diǎn)位測定、月球形狀及大小、月球時(shí)空基準(zhǔn)建立與維持、月球重力與磁力場以及月球整體與局部運(yùn)動(dòng)變化的學(xué)科，是開展月球測繪相關(guān)研究的先決條件，是月球測繪學(xué)的基礎(chǔ)。國內(nèi)的陳俊勇院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在2004年開展了月球大地測量學(xué)的研究，對月球坐標(biāo)系、月球大地控制網(wǎng)、月球重力場等進(jìn)行了總結(jié)[6-7]。

與地球大地測量不同，月球大地測量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)絕大部分來自于月球軌道探測器。少量的月面絕對控制點(diǎn)包括美國與蘇聯(lián)布設(shè)的5個(gè)激光反射器(A11,A14,A15,L1與L2)，用于地基對月激光測距觀測，測量精度可以達(dá)到厘米級。此外，由美國基于月表試驗(yàn)包與落月艙布設(shè)的月面無線電發(fā)射機(jī)也用于地基VLBI干涉測量，測量精度可達(dá)米級，但由于發(fā)射機(jī)屬于主動(dòng)設(shè)備需要持續(xù)供能，有效工作時(shí)間較短。現(xiàn)有月球大地控制網(wǎng)的主要數(shù)據(jù)來自于月球軌道探測的攝影測量加密控制點(diǎn)，相對位置精度可達(dá)十米或幾十米級?；谝陨显旅婵刂泣c(diǎn)，人類先后建立了阿波羅月球控制網(wǎng)、1994年統(tǒng)一大地控制網(wǎng)、1997年克萊門汀控制網(wǎng)、ULCN2005控制網(wǎng)等，其中ULCN2005水平精度為100 m至幾公里，垂直精度約100 m。由于月球背面缺少絕對控制點(diǎn)，因此以上月球控制網(wǎng)在月球背面的測量精度普遍較低。未來，我國將綜合應(yīng)用嫦娥系列探測影像、激光高度計(jì)、月球激光測距和月球微波測距等手段建立新一代的全月控制網(wǎng)。我國月球空間基準(zhǔn)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為2013年發(fā)布的《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn):月球空間坐標(biāo)系(GB/T 30112-2013)》。地月空間的拉格朗日點(diǎn)作為引力平衡點(diǎn)，也是月球大地測量學(xué)的重要研究內(nèi)容，其位置的精確測定對深空對地觀測與通訊均有著重要意義。

探月衛(wèi)星的精密定軌需要精確的月球重力場參數(shù)；反過來，衛(wèi)星軌道攝動(dòng)精確測定后，能夠提高月球重力場參數(shù)精度[8]。當(dāng)前月球重力主要通過對繞月飛行器的攝動(dòng)觀測進(jìn)行測量，方法有點(diǎn)質(zhì)量法和球諧系數(shù)法等。2011年9月，美國發(fā)射的GRAIL探測衛(wèi)星采用精度更高的衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤模式，解算得到660階次重力模型GRGM660PRIM。我國基于嫦娥數(shù)據(jù)，研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重力場模型CEGM-01、CEGM-02[9]。月球磁場主要通過月球軌道器的磁力儀與電子反射計(jì)進(jìn)行測量，NASA根據(jù)Lunar Prospector探測器的測量數(shù)據(jù)，繪制了人類第一幅月殼磁場圖，磁場的空間分辨率為4 km。在Apollo探月活動(dòng)中，宇航員在月面使用重力儀與磁力儀多次測量了月球局部重力與磁力。迄今為止，所有探測結(jié)果均表明月球沒有全球性偶合磁場，且大部分區(qū)域磁場微弱。隨著空間運(yùn)載能力的提升和月球基地的建設(shè)，未來將搭載月面測量設(shè)備進(jìn)行局部區(qū)域的高精度重力與磁力測量。

2.2 月球攝影測量學(xué)

月球攝影測量學(xué)是利用月球軌道探測器或巡視器采集月球表面的多類型影像以及激光測高計(jì)等數(shù)據(jù)，對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、量測，提取目標(biāo)物幾何與物理信息，生成DOM、DEM、地形圖等測繪成果的學(xué)科。

月面攝影測量與傳統(tǒng)攝影測量的技術(shù)路線是一致的，主要包括建立影像的內(nèi)外定向，建立核線影像，影像匹配、區(qū)域網(wǎng)平差以及DOM與DEM等數(shù)字成果的生產(chǎn)。由于月球表面是典型的非結(jié)構(gòu)化場景且紋理匱乏，全月范圍內(nèi)視角與光照等成像條件差異很大，因此月球攝影測量對圖像匹配算法提出了更高的要求。此外，與傳統(tǒng)攝影測量不同，月球影像的外定向初值無法使用GNSS等位姿傳感器獲取，常使用多普勒雷達(dá)、激光測距和脈沖星觀測等方式進(jìn)行相片定位，使用恒星跟蹤儀進(jìn)行定向。目前，月球攝影測量學(xué)的研究主要集中于月表大范圍制圖、多源數(shù)據(jù)匹配與平差、小范圍區(qū)域制圖與著陸器定位，以及基于巡視器影像的避障、導(dǎo)航與制圖技術(shù)等。

隨著嫦娥系列探測器的發(fā)射，我國也取得了豐碩的月球攝影測量成果。我國CE-1所搭載的激光高度計(jì)共獲取了月表約912萬個(gè)測高數(shù)據(jù)，所生成的數(shù)字高程模型CLTM-s的平面定位精度為445 m(1σ)，高程測量精度為60 m(1σ)。目前，美國LRO衛(wèi)星的LOLA激光測高計(jì)性能最優(yōu)，測距精度為0.5 m，共獲得2×109個(gè)月表高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成的全月數(shù)字高程模型LDEM平面精度為20 m，高程精度為1 m；以及月表坡度圖、粗糙度圖等測繪產(chǎn)品。與月球影像生成的測繪產(chǎn)品相比，激光測高數(shù)據(jù)生成的月表DEM高程精度優(yōu)、平面精度差、數(shù)據(jù)分辨率有限，因此多將二者結(jié)合可生成更高質(zhì)量的月表測繪成果。

李春來團(tuán)隊(duì)基于CE-1的120 m分辨率立體影像與激光測高數(shù)據(jù)生成了100 m～1.5 km分辨率的全月DOM與3 km分辨率的DEM，并制作了1∶250萬、等高距500 m的月球數(shù)字地形圖，高程精度與平面精度分別達(dá)到120 m(1σ)和192 m(1σ)；此后，基于CE-2同類數(shù)據(jù)制作了7 m分辨率的DOM以及分辨率優(yōu)于30 m的月球DEM，通過降低探測器的軌道高度(由100 km降低為15 km)，獲取了“虹灣”區(qū)域1.3 m分辨率影像并制作了1.5 m分辨率的局部影像產(chǎn)品以及高分辨率局部地形數(shù)據(jù)，為CE-3的降落提供月表測繪依據(jù)[10]。邸凱昌團(tuán)隊(duì)使用CE-3降落相機(jī)影像生成著陸區(qū)0.03 m分辨率的DOM并完成著陸器的精確定位，基于月兔巡視器所攜帶的全景相機(jī)、導(dǎo)航相機(jī)與避障相機(jī)，使用近景攝影測量與SLAM技術(shù)，獲取了漫游區(qū)域厘米與亞米級別的地形數(shù)據(jù)[11]。

未來，隨著我國新一代全月控制網(wǎng)的建立以及高性能傳感器的應(yīng)用，我國月球攝影成果的精度與分辨率將進(jìn)一步提高。此外，雖然LOLA數(shù)據(jù)生成的SLDEM分辨率低于我國產(chǎn)品，但由于80%以上格網(wǎng)中都有激光測高數(shù)據(jù)，因此SLDEM仍然是同類產(chǎn)品中的主要評價(jià)參考。未來將LOLA等數(shù)據(jù)與嫦娥系列所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理將有效提高我國攝影測量產(chǎn)品的精度。

2.3 月球遙感學(xué)

月球遙感學(xué)是利用非接觸傳感器探測月球輻射或反射的電磁波特征，進(jìn)行月球表面屬性與幾何信息的處理、提取、分析與應(yīng)用的一門學(xué)科。月球遙感學(xué)是獲取月球形貌與構(gòu)造信息的基本手段，對研究月球的形貌特征、地質(zhì)構(gòu)造、礦產(chǎn)分布以及月球演化具有重要的科學(xué)意義[12-13]。目前，月球遙感的研究主要集中于月球礦物反演、月表幾何特征提取與環(huán)境分析等。

根據(jù)不同的科學(xué)任務(wù)，月球探測器攜帶不同的傳感器完成對月遙感，常見載荷包括γ與X射線譜儀、激光測高計(jì)、測月雷達(dá)、多波段相機(jī)和成像光譜儀等。美國最新發(fā)射的LRO與LCROSS月球探測器使用多光譜相機(jī)生成全月多光譜影像，反演鈦鐵礦分布；使用中子探測器反演月壤中的氫元素分布；使用紫外成像光譜儀獲取月表永久陰影區(qū)域的光譜數(shù)據(jù)反演水冰含量[14]。法文哲團(tuán)隊(duì)對LRO的InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比較極區(qū)與非極區(qū)回波異?？拥慕y(tǒng)計(jì)特性，對月球極區(qū)存在水冰的觀點(diǎn)提出了新的挑戰(zhàn)[15]。我國CE-1使用干涉式成像光譜儀獲取了月表19%覆蓋的32通道多光譜影像，生成FeO等7種化學(xué)成分的分布專題圖以及斜長石等4種礦物的分布專題圖[16]；使用月表微波輻射計(jì)獲取月表溫度反演月壤厚度，估測氦-3資源儲(chǔ)量。CE-3的月兔巡視器搭載紅外成像光譜儀和粒子激發(fā)X射線譜儀研究月表物質(zhì)成分。童小華團(tuán)隊(duì)建立了多光譜等月球遙感設(shè)備的地面試驗(yàn)場完成設(shè)備幾何檢校與輻射定標(biāo)，提高遙感數(shù)據(jù)精度，并完成了著陸器遙感避障探測實(shí)驗(yàn)，為我國探月工程提供重要支撐[17]。

此外，地基觀測也是月球遙感的重要手段。月球的地基觀測主要依靠地球表面的射電望遠(yuǎn)鏡和天線網(wǎng)絡(luò)，可使用VLBI、VLA與VLBA等技術(shù)獲取月球發(fā)射或反射的微波，進(jìn)行成像觀測、月球結(jié)構(gòu)探測和月表物質(zhì)反演。我國的深空探測雷達(dá)可以獲取月表30 m分辨率的遙感影像。美國的GEER地基成像雷達(dá)可獲取月球南極暗區(qū)距離向4 m分辨率、方位向5 m分辨率的遙感影像，并通過分析回波信號(hào)的極化率反演水冰含量[18]。

目前，月球遙感成果普遍缺少驗(yàn)證信息，未來隨著載人登月任務(wù)的實(shí)施，結(jié)合月表采樣結(jié)果可大幅提高遙感結(jié)果的有效性；此外，融合多源月球遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，將進(jìn)一步提高月球遙感的解譯精度。

2.4 月球形貌學(xué)

月球形貌學(xué)是研究月球表面起伏形態(tài)、分布規(guī)律、內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)、演化歷史和開發(fā)利用的學(xué)科，識(shí)別與劃分月球形貌類型是月球形貌學(xué)的基本研究任務(wù)[19]。月球的形貌特征主要由早期地質(zhì)活動(dòng)、外來天體撞擊、月面溫差，太陽風(fēng)與宇宙射線等空間天氣因素導(dǎo)致，因此月球形貌學(xué)不僅可以揭示月球的形態(tài)特征與分布，還可為探究月球起源與演化提供依據(jù)。

月球形貌的分類主要可以分為基于形態(tài)特征的分類、基于地質(zhì)類型的分類以及基于物質(zhì)特征與年齡特征的分類等。月球形貌特征識(shí)別方法主要包括基于地形因子的識(shí)別法，遙感數(shù)據(jù)與地形綜合識(shí)別法以及人工判讀法[20]。月球形貌的研究成果主要集中于月球撞擊坑形貌特征的識(shí)別與分析、月球形貌構(gòu)造區(qū)劃與月貌專題圖的編制。

早在20世紀(jì)70年代美國地質(zhì)調(diào)查局就根據(jù)月球遙感影像與雷達(dá)探測數(shù)據(jù)編制了全月1∶500萬地質(zhì)地貌圖。日本發(fā)射的Lunar-A探測器，通過在月球正/背面分別釋放貫入深度為0.915～1.525 m的月壤探針，記錄月震強(qiáng)度與傳遞時(shí)間，測量月球內(nèi)部構(gòu)造?？抵局覉F(tuán)隊(duì)根據(jù)CE-1干涉成像光譜數(shù)據(jù)、DOM、DEM以及遙感分析結(jié)果編制了1∶250萬虹灣幅地質(zhì)圖[21]。中國研究人員還根據(jù)CE-1與CE-2的微波探測數(shù)據(jù)繪制月壤厚度專題圖；根據(jù)“月兔1”與“月兔2”巡視器獲取的月表以下140 m和10 m深度的測月雷達(dá)數(shù)據(jù)繪制了局部區(qū)域的淺表層結(jié)構(gòu)圖。目前程維明研究團(tuán)隊(duì)正在綜合嫦娥系列已有成果編制全月覆蓋的“1∶250萬月球數(shù)字地質(zhì)圖”和“1∶250萬月球構(gòu)造圖”[22]。

由于月球地質(zhì)構(gòu)造與類型單元多是根據(jù)遙感反演結(jié)果推定的，缺少實(shí)地驗(yàn)證，使得月球形貌解譯具有一定的不確定性。此外，內(nèi)外營力對月球形貌的作用機(jī)理與影響，月球形貌與月球資源分布的耦合關(guān)系還需細(xì)致、深入的研究。

2.5 月球空間環(huán)境學(xué)

月球空間環(huán)境學(xué)是空間物理學(xué)的分支，主要利用月球空間飛行器探測和研究近月、地月空間中的物理過程及其對探月活動(dòng)影響的學(xué)科，研究對象為大氣、電離層、重力場、磁場、宇宙射線、太陽風(fēng)、微流星撞擊等空間現(xiàn)象，是在日地空間探測技術(shù)快速發(fā)展下誕生的一門新興學(xué)科[23]。

地月空間環(huán)境是月球探測器故障、測控與通信質(zhì)量、宇航員健康以及月面活動(dòng)安全的主要影響因素。早在Apollo探月時(shí)期，月球軌道探測器便搭載場和粒子傳感器進(jìn)行了月球空間探測，此后美國的Lunar Prospector、WIND探測器分別在不同軌道對近月空間的等離子分布進(jìn)行測量。日本的SELENE探測器攜帶磁場與等離子體測量儀獲取月表100 km處的太陽風(fēng)等離子體參數(shù)，研究地月磁場的作用機(jī)理。歐空局支持的Lumio項(xiàng)目，通過在地月L2點(diǎn)對月球隕石撞擊閃光進(jìn)行觀測，繪制微流星撞擊全貌。2016年我國成立了地球物理學(xué)會(huì)行星物理專業(yè)委員，月球空間環(huán)境的研究也進(jìn)入了快速發(fā)展期。CE-1與CE-2攜帶太陽高能粒子探測器與太陽風(fēng)離子探測器，對近月空間威脅衛(wèi)星安全的高能粒子種類、通量與能譜進(jìn)行測量，并對月球探測器的單粒子效應(yīng)、衛(wèi)星充電效應(yīng)進(jìn)行研究；通過對近月空間太陽風(fēng)的速度、密度與溫度進(jìn)行測量，研究其時(shí)間演化特征以及對月球的影響，發(fā)現(xiàn)了月球微磁層的存在[24]。此外，CE-1與CE-2還使用微波探測儀獲取全月的微波亮溫圖，研究月球表層與次表層的物理特征、能量交換與演化過程，在國際探月活動(dòng)中具有里程碑意義[3]。CE-4的著陸器與巡視器分別攜帶中子/輻射劑量探測儀和中性原子探測儀，研究著陸區(qū)與巡視區(qū)的粒子輻射環(huán)境與月球大氣的形成機(jī)理，攜帶低頻射電譜儀探測日地空間的射電特征。王赤團(tuán)隊(duì)基于嫦娥系列探測成果，對月球空間環(huán)境探測進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納與總結(jié)，具有重要參考價(jià)值[25]。

月球空間的環(huán)境要素是隨時(shí)空變化而相互影響的。目前受限于載荷性能、運(yùn)載與通訊能力無法充分解譯，未來發(fā)展多要素綜合探測與數(shù)據(jù)分析技術(shù)，星載智能數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及立方星低成本探測器技術(shù)將有效解決以上問題。

2.6 月球空間信息學(xué)

月球空間信息學(xué)是以月球和近月空間為主要研究對象，基于空間科學(xué)與信息科學(xué)的技術(shù)手段，存儲(chǔ)、處理、分析、表達(dá)和傳輸月球時(shí)空信息，研究月球空間各部分的作用機(jī)理、時(shí)空變換關(guān)系的學(xué)科。月球空間信息學(xué)研究主要集中于空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、空間數(shù)據(jù)服務(wù)與共享、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)與融合、空間信息的分析與解譯，以及空間信息的可視化。研究成果包括月球空間信息系統(tǒng)以及月球虛擬仿真產(chǎn)品。

各國深空研究機(jī)構(gòu)開發(fā)的數(shù)字月球平臺(tái)多屬于瀏覽級項(xiàng)目，主要功能是對月球表面形貌、遙感反演結(jié)果與語義等測繪成果進(jìn)行顯示，便于用戶瀏覽與查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，以NASA的Word Wind、Google公司的Google Moon、中國國家天文臺(tái)的Moon GIS Map等最具代表性。其中，空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、共享與發(fā)布多是基于NASA的PDS(Planetary Data System)體系標(biāo)準(zhǔn)，該體系以其實(shí)用性、規(guī)范性與可擴(kuò)展性得到了世界各國的支持[26]。此外，為了實(shí)現(xiàn)月球測繪數(shù)據(jù)的可視化與分析，NASA開發(fā)了mVTK可視化工具，實(shí)現(xiàn)了LRO等衛(wèi)星數(shù)據(jù)的三維顯示、快速投影變換以及部分空間分析方法，并推出了具有一定空間分析功能的Moon Trek開源數(shù)字月球項(xiàng)目。與瀏覽級不同，平臺(tái)級產(chǎn)品除了數(shù)據(jù)管理與可視化外，還具有態(tài)勢推演、生成數(shù)據(jù)報(bào)告等功能，有較強(qiáng)的分析與擴(kuò)展能力，以美國的STK(Satellite Tool Kit)軟件最具代表性，支持深空探測任務(wù)的設(shè)計(jì)、測試、發(fā)射、運(yùn)行與任務(wù)應(yīng)用，被各國深空探測機(jī)構(gòu)廣泛使用。裝備級產(chǎn)品主要是面向特定應(yīng)用場景，服務(wù)于模擬訓(xùn)練的仿真系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)人員與裝備在高沉浸的環(huán)境中的操作與交互，是隨著VR/AR技術(shù)不斷發(fā)展起來的。NASA早在2010年使用VR技術(shù)對宇航員進(jìn)行訓(xùn)練。此后，NASA與三星基于AR技術(shù)合作開發(fā)了主動(dòng)響應(yīng)式重力卸載系統(tǒng)(Active Response Gravity Offload System)，用于人員在微重力環(huán)境下的艙外漫游訓(xùn)練[27]。目前，NASA正組織NASA SUITS挑戰(zhàn)賽，使用AR技術(shù)為登月宇航服設(shè)計(jì)虛擬顯示系統(tǒng)，服務(wù)于宇航員艙外活動(dòng)。2018年美國Astroreality公司推出了Lunar AR的月球模型與對應(yīng)的APP，使用AR技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)具有交互式的3D月球復(fù)刻品，滿足天文愛好者與太空探索者對月表特征、探月活動(dòng)的了解。

目前，我國還缺少類似STK的自主產(chǎn)品，月球空間信息系統(tǒng)在多源異構(gòu)信息的管理與融合、月球數(shù)據(jù)與服務(wù)的共享、大數(shù)據(jù)可視化分析等方面的功能較弱。未來，機(jī)器學(xué)習(xí)、MR(Mixed Reality)等計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)將會(huì)大幅改善現(xiàn)有系統(tǒng)性能。

3 月球測繪學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 行星科學(xué)研究

宇宙天體起源演化是自然科學(xué)中的基本問題，是深空探測的首要科學(xué)目的。月球作為距離地球最近的行星，研究月球形貌、重力場、月質(zhì)構(gòu)造、月表元素與輻射特征分布等月球測繪成果將為地月起源以及其他行星演化提供重要支撐。

通過在月球背面進(jìn)行低頻射電天文觀測，精確測量來自太陽、行星和其它宇宙天體電波信號(hào)，對研究天體演化具有重要科學(xué)意義。2019年1月3日，我國CE-4探測器在月球背面著陸，搭載低頻射電探測儀的三根5 m天線已開始工作，隨著觀測數(shù)據(jù)的積累與分析，未來會(huì)有新的成果展現(xiàn)出來。此外，利用月基與地基VLBI臺(tái)站組網(wǎng)觀測，凌日或凌大行星的河外射電源光線偏折、引力時(shí)延效應(yīng)是地基基線的幾十倍，對廣義相對論引力理論的檢驗(yàn)?zāi)芰?huì)大幅提升，對γ常數(shù)的測量精度也會(huì)比目前最好測量結(jié)果提高一個(gè)數(shù)量級[3]。

3.2 月面登陸點(diǎn)選擇及高精度著陸

月面登陸點(diǎn)選址及高精度著陸要綜合考慮月表地形、月壤厚度、著陸區(qū)光照與輻射環(huán)境、局部磁場與重力異常，以及探月任務(wù)性質(zhì)等因素，需要月球攝影測量、月球大地測量、月球形貌、月球遙感以及空間環(huán)境等測繪成果的支撐。月球空間信息系統(tǒng)與仿真也可為登陸點(diǎn)選址提供空間分析手段，對著陸過程進(jìn)行模擬推演。

近年來，月球登陸點(diǎn)的選址是各國月球探測器的主要目標(biāo)[28]。日本SELENE使用地形測繪相機(jī)與激光高度計(jì)完成月表高精度測繪，并結(jié)合測月雷達(dá)完成月表2 km厚度的地質(zhì)構(gòu)造的分析，輔助月球重力場測量與月球登陸點(diǎn)選址[29]。美國的LRO衛(wèi)星在低軌使用LOLA激光測高計(jì)與LROC月球軌道偵查相機(jī)等傳感器獲取登月備選區(qū)域的地形坡度、粗糙度以及區(qū)域高分辨率全色影像，此外使用紫外線等光譜設(shè)備與中子探測器分析月表的光照環(huán)境與元素分布，為登陸點(diǎn)選址提供依據(jù)[30]。我國CE-4登陸區(qū)選址時(shí)，通過分析月表500 m分辨率的DEM后初步選定9個(gè)平坦區(qū)域作為備選區(qū)，分別對備選區(qū)進(jìn)行地質(zhì)地貌、月殼與月壤厚度、月塵分布、溫度與光照環(huán)境、粒子輻射以及元素分布等因素分析后最終選擇艾特肯盆地中的S5作為登陸點(diǎn)[31]。

登陸器的高精度著陸普遍基于降落相機(jī)攝影測量成果與已有的高分辨DOM或DEM數(shù)據(jù)匹配的方式完成[32]。目前，高精度著陸多使用LRO衛(wèi)星窄角度相機(jī)NAC獲取的月面影像攝影測量成果(影像分辨率為0.5～2.1 m)，以及LOLA激光測高計(jì)生成的數(shù)字高程模型(分辨率為20 m，局部區(qū)域優(yōu)于1 m)，我國基于以上數(shù)據(jù)完成CE-3登陸器20 m精度的定位，輔助著陸控制。

未來，隨著新一代的月球大地控制網(wǎng)的建立，以及高性能傳感器的應(yīng)用，月球測繪可以為登陸點(diǎn)選址與著陸提供高精準(zhǔn)、全面的信息保障。

3.3 月球資源勘測

月球資源勘測是各航天大國的首要探月目標(biāo)。測定月球資源的位置與規(guī)模需要月球地質(zhì)與形貌、月球局部磁場、月球遙感反演結(jié)果以及月球空間信息等月球測繪成果的支撐。

由于月球基本沒有大氣，遙感探測時(shí)不需要進(jìn)行大氣修正就可以獲得真實(shí)的光譜信息與溫度信息。因此，遙感是當(dāng)前月球資源探測的主要手段。NASA使用LRO衛(wèi)星所攜帶的7通道多光譜相機(jī)繪制了全月多光譜影像，用以研究月球資源尤其是鈦鐵礦分布。日本使用SELENE衛(wèi)星所攜帶的熒光X射線分光計(jì)與光譜剖面儀測定月表巖石種類與元素分布。我國使用CE-1的微波探測器測量月壤的輻射亮度，反演月壤厚度并評估氦-3儲(chǔ)量[33]。除了軌道器遙感外，我國還使用CE-3所攜帶的月兔巡視器搭載紅外成像光譜儀和粒子激發(fā)X射線儀對月表Mg,Al,Si等11種元素進(jìn)行勘測。月表還有豐富的太陽能資源，月球范圍內(nèi)的太陽輻射大約是12 Mkw，月球測繪中的月球光照分布、數(shù)字地形等成果可以有效輔助月表光伏發(fā)電站的選址與建設(shè)。

目前，由于缺少月表采樣分析，基于遙感的資源勘測結(jié)果的有效性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。未來，新一代月球大地基準(zhǔn)的建立、載人登月以及月面基礎(chǔ)設(shè)施的完善將有效提高月球資源儲(chǔ)量與分布的測定精度，提高資源勘測與利用的水平。

3.4 月球基地及月基天文臺(tái)建設(shè)

建立月基設(shè)施是各國未來探月活動(dòng)的核心任務(wù)。月球攝影測量、月球遙感以及月球空間環(huán)境信息可以為月基設(shè)施建設(shè)提供地形、溫度、光照、輻射防護(hù)等環(huán)境信息支撐[34]。高精度月球大地基準(zhǔn)可有效保障月基設(shè)施的選址與施工。月球信息系統(tǒng)與仿真可為月基設(shè)施的建設(shè)提供方案模擬與分析。

目前，美國、俄羅斯、日本與印度等國家均公布了月球基地建設(shè)計(jì)劃。2016年我國提出在月球南極建設(shè)和運(yùn)營人類首個(gè)標(biāo)志性共享平臺(tái)和基礎(chǔ)設(shè)施的建議，國際月球科研站建設(shè)提上日程[3]，2030年前將實(shí)現(xiàn)長時(shí)段、較大規(guī)模的科學(xué)探測、技術(shù)試驗(yàn)與月球資源開發(fā)利用；2045年前實(shí)現(xiàn)全面、大規(guī)模的科學(xué)探測、技術(shù)試驗(yàn)與月球資源開發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)人類長期駐留，完成月球基地建設(shè)。我國研究人員也通過對月球南極區(qū)域的地形、光照、輻射環(huán)境與通信條件等綜合因素分析，探索月球基地的選址方法。

月球自轉(zhuǎn)周期長、無全球磁場、大氣密度比地球大氣密度低14個(gè)數(shù)量級，月基天文觀測優(yōu)勢明顯。美國和歐洲均計(jì)劃在月面或中繼衛(wèi)星上建立觀測站，對數(shù)十個(gè)地球半徑范圍內(nèi)的物理現(xiàn)象開展遙感測量，并長期獲取地球圈層宏觀數(shù)據(jù)[3]。我國CE-3探測器搭載的極紫外相機(jī)曾對地球等離子電子層變化進(jìn)行了觀測[35]。此外，月基平臺(tái)每天可觀測地球的所有區(qū)域，且每個(gè)區(qū)域1天內(nèi)的連續(xù)觀測時(shí)間不少于10 h，不足之處在于現(xiàn)有月基平臺(tái)對地球云量和植被指數(shù)等的分辨率僅為1 km。

未來，隨著我國月球基準(zhǔn)觀測系統(tǒng)以及新一代月球控制網(wǎng)的建立，我國將打破美國在深空測繪基準(zhǔn)上的壟斷與封鎖，為月基設(shè)施建設(shè)提供更加準(zhǔn)確的行星歷表、歲差、章動(dòng)參數(shù)與空間坐標(biāo)系等時(shí)空基準(zhǔn)。

3.5 月面無人平臺(tái)定位及導(dǎo)航

月面無人平臺(tái)是月球近距離與接觸式探測的主要手段。月面無人平臺(tái)的自主定位與導(dǎo)航主要有慣性定位導(dǎo)航、無線電定位導(dǎo)航、天文定位導(dǎo)航與視覺定位導(dǎo)航等[36]。

慣性定位導(dǎo)航因受積累誤差的影響，不適合長距離、長時(shí)間運(yùn)行，可通過引入月基天文觀測數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)等位置信息降低積累誤差[37]；無線電定位導(dǎo)航一般需要月面無人平臺(tái)主動(dòng)發(fā)射電磁波，多用于登陸器與巡視器之間的相對定位，定位導(dǎo)航精度較低，可使用地基射電望遠(yuǎn)鏡與VLBI技術(shù)對登陸器進(jìn)行定位跟蹤，結(jié)合10 m分辨率的著陸點(diǎn)地形圖，最終實(shí)現(xiàn)月球車10 m精度的定位[38]。天文導(dǎo)航的主要觀測對象是太陽或其他恒星，可在其他導(dǎo)航方式失效時(shí)為月面無人平臺(tái)提供位置和姿態(tài)信息，但天文定位定向需要車輛在靜止下進(jìn)行觀測，因此多與慣性導(dǎo)航與視覺導(dǎo)航結(jié)合使用；視覺導(dǎo)航以SLAM為主要方法，同樣面臨誤差累計(jì)的問題，可使用月球地形特征匹配與月球大地控制信息，結(jié)合多傳感器融合算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法降低SLAM的積累誤差，導(dǎo)航精度為分米級[39-40]。此外，月球仿真系統(tǒng)可為無人機(jī)平臺(tái)的定位與導(dǎo)航算法提供逼真的模擬與測試環(huán)境。

4 結(jié) 論

測繪學(xué)是人類認(rèn)識(shí)與改造生存空間的基礎(chǔ)，隨著人類深空探測技術(shù)的發(fā)展，測繪科學(xué)必將從認(rèn)知地球表面與地球臨近空間發(fā)展到認(rèn)知月球乃至深空。月球測繪學(xué)是測繪學(xué)的最新發(fā)展，是研究地月空間信息獲取、處理、描述和應(yīng)用的一門綜合性學(xué)科，是人類深空探測的基礎(chǔ)。

本文對月球測繪學(xué)概念進(jìn)行了溯源與拓展，重新梳理了月球測繪學(xué)學(xué)科專業(yè)分類，并對月球測繪學(xué)在五個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。月球測繪是我國爭奪制天權(quán)、維護(hù)空間秩序、捍衛(wèi)國家核心利益與和平開發(fā)月球的重要前提。月球測繪是一項(xiàng)國家級的戰(zhàn)略工程，我國應(yīng)盡快開展月球測繪學(xué)科體系研究與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，形成完整的月球測繪保障體系，培養(yǎng)一支月球測繪學(xué)科專門人才隊(duì)伍，積極開展月球基準(zhǔn)和月球信息系統(tǒng)建設(shè)，構(gòu)建月球數(shù)字化測繪空間，加大力度開展月基天文臺(tái)、全月面測繪、地月空間環(huán)境體系等應(yīng)用研究，為探月工程和其他深空探測任務(wù)的進(jìn)行提供強(qiáng)有力的基礎(chǔ)保障。