“天問一號(hào)”著陸區(qū)遙感形貌建模與制圖分析

柳思聰，童小華，劉世杰，謝 歡，趙 慧，劉大永，許 雄，葉 真，王 超，劉祥磊

（1.上海市航天測(cè)繪遙感與空間探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院，上海 200092；3.教育部深空探測(cè)聯(lián)合研究中心 同濟(jì)大學(xué)分中心，上海 200092；4.北京建筑大學(xué) 測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616）

引 言

火星探測(cè)任務(wù)可為分析火星地質(zhì)構(gòu)造及演化歷史[1]、構(gòu)建火星高精度數(shù)字高程模型[2]、開展火星表面形貌分類[3]及水冰探測(cè)[4]等科學(xué)研究提供重要的數(shù)據(jù)支撐，還能將地外行星起源與演化相關(guān)的研究成果應(yīng)用于研究地球演化過程，促進(jìn)人類對(duì)宇宙和生命起源的探索，推動(dòng)人類文明的不斷進(jìn)步。

2020年7月23日，中國(guó)“天問一號(hào)”火星探測(cè)器在海南文昌發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射，其主要由環(huán)繞器和著陸巡視器兩部分構(gòu)成，任務(wù)目標(biāo)可以概括為“環(huán)繞”“著陸”和“漫游”3個(gè)部分[5]，即通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)火星全球環(huán)繞探測(cè)及特定區(qū)域的表面巡視探測(cè)。2021年2月10日，探測(cè)器順利進(jìn)入環(huán)繞火星軌道并于2021年5月15日成功著陸于火星烏托邦平原（Utopia Planitia）南部預(yù)選著陸區(qū)，標(biāo)志著中國(guó)自主火星探測(cè)任務(wù)取得圓滿成功，使得中國(guó)成為繼美國(guó)之后第二個(gè)在火星開展表面巡視探測(cè)的國(guó)家，也是中國(guó)航天事業(yè)發(fā)展中又一極具重大意義的里程碑。截至2021年12月31日，“天問一號(hào)”環(huán)繞器在軌運(yùn)行526天，距離地球約3.5億km；“祝融號(hào)”火星車在火星表面工作225個(gè)火星日，累計(jì)行駛超過1 400 m。后續(xù)將繼續(xù)向?yàn)跬邪钇皆喜康墓藕ｊ懡唤绲貛旭偅瑢?shí)施拓展科學(xué)探測(cè)任務(wù)。

基于軌道器和巡視器所攜帶的多源遙感載荷，“天問一號(hào)”將對(duì)火星表面及次表層開展如下科學(xué)研究：①探測(cè)火星形貌特征與研究地質(zhì)構(gòu)造演化；②探測(cè)火星表面土壤特性及分析水冰分布情況；③研究火星表面物質(zhì)組成及探查礦物組成；④分析火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征；⑤探測(cè)火星磁場(chǎng)特性與分析內(nèi)部質(zhì)量分布[6]。其中，利用軌道器高分辨率遙感影像制作高精度地形和高分辨率形貌分類產(chǎn)品，是著陸安全和巡視器路徑規(guī)劃及行走的重要參考，可為火星形貌特征識(shí)別與地質(zhì)演化分析提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)研究證據(jù)，同時(shí)也是后續(xù)火星表面礦物、水冰、磁場(chǎng)等科學(xué)探索的基石。

本文面向這一重大需求，以中國(guó)首次火星探測(cè)“天問一號(hào)”著陸區(qū)域?yàn)槔?，?gòu)建了面向火星表面形貌精細(xì)建模與自動(dòng)分類技術(shù)，利用攝影測(cè)量法和明暗恢復(fù)形狀法（Shape From Shading，SFS）制作了著陸區(qū)高分辨率地形，提出用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法實(shí)現(xiàn)著陸區(qū)精細(xì)形貌制圖，并據(jù)此對(duì)比分析了著陸區(qū)附近的形貌特點(diǎn)及其在工程安全、科學(xué)探測(cè)上的重要性。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 “天問一號(hào)”著陸區(qū)研究現(xiàn)狀

研究人員綜合利用多源數(shù)據(jù)對(duì)“天問一號(hào)”著陸區(qū)開展了相關(guān)先期研究，為探測(cè)任務(wù)進(jìn)行了前、中、后期的準(zhǔn)備。文獻(xiàn)[7]使用軌道器、下降和漫游車圖像對(duì)“天問一號(hào)”著陸器進(jìn)行視覺定位，最終將著陸器位置確定為（25.066°N，109.925°E）；文獻(xiàn)[8]利用多源遙感數(shù)據(jù)對(duì)“天問一號(hào)”著陸區(qū)進(jìn)行研究，繪制了多種地貌特征指示烏托邦平原曾存在大量的水冰/揮發(fā)分，并歸納了著陸區(qū)的地質(zhì)演化歷史，為“祝融號(hào)”火星車的未來(lái)探測(cè)規(guī)劃和科學(xué)數(shù)據(jù)解譯提供重要的支撐；文獻(xiàn)[9]繪制了“天問一號(hào)”潛在著陸區(qū)烏托邦平原初步區(qū)域地質(zhì)圖，并對(duì)該區(qū)域的著陸危險(xiǎn)性進(jìn)行了初步分析；文獻(xiàn)[10]基于HiRISE和CTX影像，研究了烏托邦平原南部的風(fēng)成特征，并推測(cè)“天問一號(hào)”著陸區(qū)發(fā)生沙塵暴的概率小于3%；文獻(xiàn)[11]研究了“天問一號(hào)”著陸區(qū)火星表面溫度的空間自相關(guān)及其與近地表環(huán)境因子的時(shí)空關(guān)系，有助于了解可能危及“天問一號(hào)”著陸器在火星表面生存和運(yùn)行的復(fù)雜表面環(huán)境。

1.2 火星高精度地形制作研究現(xiàn)狀

火星遙感制圖技術(shù)中，針對(duì)軌道器影像的攝影測(cè)量幾何處理方法尤為關(guān)鍵，包括成像幾何模型的建立、影像匹配與連接點(diǎn)選取、光束法平差、生成數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）等技術(shù)環(huán)節(jié)[12]。從方法技術(shù)上，火星遙感制圖的方法可分為利用立體像對(duì)的攝影測(cè)量、使用影像與地形結(jié)合的SFS法和使用激光測(cè)高數(shù)據(jù)制作地形三大類方法。歐洲航天局（European Space Agency，ESA）“火星快車號(hào)”（Mars Express）高分辨率立體相機(jī)（High Resolution Stereo Camera，HRSC）團(tuán)隊(duì)使用攝影測(cè)量的方法，將HRSC影像處理后得到了標(biāo)定的二級(jí)影像數(shù)據(jù)、帶地圖投影的三級(jí)影像數(shù)據(jù)、DEM四級(jí)地形數(shù)據(jù)和DOM四級(jí)影像數(shù)據(jù)[13]；文獻(xiàn)[14]將火星軌道器激光測(cè)高儀（Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA）數(shù)據(jù)加入到HRSC影像數(shù)據(jù)平差模型中，獲得了水平精度4～7 m、高程精度11～15 m的地形產(chǎn)品；USGS團(tuán)隊(duì)使用ISIS和SCOCET SET軟件，對(duì)HiRISE影像進(jìn)行校正、投影、電荷耦合元件（Charge-Coupled Device，CCD）拼接、平差、匹配與DEM生成等系列處理后，生成了精度較高的地形產(chǎn)品[15]；文獻(xiàn)[16]用HRSC數(shù)據(jù)制作的地形產(chǎn)品選取出地面控制點(diǎn)，加入HiRISE非嚴(yán)密成像模型中聯(lián)合處理，得到了高分辨率DEM產(chǎn)品；文獻(xiàn)[17]以MOLA數(shù)據(jù)生成的DEM為基準(zhǔn)，配準(zhǔn)了HRSC、CTX、HiRISE 3種數(shù)據(jù)生成的DEM產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)的解放軍信息工程大學(xué)、香港理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所等團(tuán)隊(duì)也對(duì)火星遙感制圖技術(shù)開展了眾多研究，取得了系列制圖成果。目前，仍存在一些問題需要針對(duì)性地進(jìn)行研究，如針對(duì)大范圍的區(qū)域制圖時(shí)攝影測(cè)量方法與SFS方法的效率問題，以及在高分辨率影像覆蓋較少的區(qū)域如何融合多源數(shù)據(jù)制作高分辨率的地形產(chǎn)品等。

1.3 火星表面形貌分類研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于火星軌道器影像及其生成的DEM/DOM地形數(shù)據(jù)，對(duì)火星形貌分類開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[18]利用數(shù)字地面模型（Digital Terrain Model，DTM）數(shù)據(jù)，通過非監(jiān)督方法對(duì)提取的組合特征向量進(jìn)行聚類，將火星新梅里亞高地（Terra Cimmeria）區(qū)域的形貌分成高地、隕石坑、低地、高起伏區(qū)域和管道5種類別；文獻(xiàn)[19]根據(jù)MOLA DEM上紋理、凸凹度和坡度3種特征屬性，采用無(wú)監(jiān)督聚類方法將火星薩希斯（Tharsis）區(qū)域地形分成9大類；文獻(xiàn)[20]在多源軌道器數(shù)據(jù)（如HRSC、MOLA）上提取多種具有區(qū)分性的特征，利用貝葉斯分類器和boosting分類器，將地形特征劃分為平原、低地、斜坡、火山4類，將風(fēng)蝕地區(qū)劃分成常規(guī)風(fēng)蝕、吹蝕兩類，將地質(zhì)特征劃分成平原、撞擊物質(zhì)、撞擊坑底部、斜坡、峽谷、山脈六大類；文獻(xiàn)[21]和文獻(xiàn)[22]采用深度全卷積語(yǔ)義分割網(wǎng)絡(luò)Deeplab，對(duì)“火星2020”（Mars 2020）任務(wù)8個(gè)候選著陸區(qū)，利用HiRISE影像將其形貌類別分成17大類，為候選著陸區(qū)可通行性分析做了前期準(zhǔn)備。由于火星表面形貌類型復(fù)雜，對(duì)其形貌進(jìn)行精細(xì)遙感分類制圖是著陸器安全選址和巡視器長(zhǎng)距離行走的關(guān)鍵。如巡視器路徑規(guī)劃中需要考慮不同形貌區(qū)域的可通行性，坡度變化明顯的撞擊坑、密集分布的大塊巖石區(qū)幾乎很難通行，深沙區(qū)域容易導(dǎo)致車輪的打滑、下沉，有棱角的巖石會(huì)對(duì)車輪有磨損等。

2 研究區(qū)和數(shù)據(jù)集

2.1 研究區(qū)簡(jiǎn)介

“天問一號(hào)”火星探測(cè)器的著陸區(qū)位于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)[23]。烏托邦平原是火星北部低地最大的公認(rèn)撞擊盆地，直徑約3 200 km，是一片廣袤的熔巖平原，分布有隕石坑、風(fēng)成山脊和一些巨石。該區(qū)域也是“海盜2號(hào)”（Viking 2）在火星上的著陸與探索區(qū)域[24]。烏托邦平原的低海拔、清晰地形和潛在地下水冰的存在，使其成為火星探測(cè)任務(wù)的著陸候選區(qū)和高價(jià)值科學(xué)探測(cè)區(qū)域。

2.2 HiRISE數(shù)據(jù)

HiRISE是NASA“火星勘測(cè)軌道飛行器”（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）上搭載的科學(xué)成像儀器，是一種推掃式成像傳感器，具有14個(gè)CCD（10個(gè)紅波段、2個(gè)藍(lán)綠波段和2個(gè)近紅外波段）。每個(gè)CCD由跨軌道方向的2 048個(gè)像素和沿軌道方向的128個(gè)像素組成，其中10個(gè)紅色光譜（700 nm）的CCD位于中間[25]。HiRISE可提供高達(dá)0.25 m/像素的超高分辨率影像[26]。自2006年以來(lái)，HiRISE已獲取超過48 000幅圖像，已被廣泛用于研究火星撞擊坑、火山學(xué)、構(gòu)造作用、河流等，并提供前所未有的高清火星表面形貌細(xì)節(jié)[27]。HiRISE相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 HiRISE和HiRIC相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of HiRISE and HiRIC instruments

2.3 HiRIC數(shù)據(jù)

高分辨率相機(jī)（High Resolution Imaging Camera，HiRIC）是中國(guó)“天問一號(hào)”火星探測(cè)器上搭載的主要載荷之一。HiRIC焦面探測(cè)器包含2個(gè)線陣TDI CCD探測(cè)器和2個(gè)面陣CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductors）探測(cè)器，分別實(shí)現(xiàn)推掃成像和面陣或視頻成像。其主要用于獲取火星表面軌道高度在265～800 km且太陽(yáng)高度角不小于10°時(shí)感興趣區(qū)域的高清光學(xué)圖像[28]。TDI CCD可以獲取全色圖像和多光譜圖像。全色波段CCD推掃成像是HiRIC默認(rèn)在軌探測(cè)模式。全色分辨率在高度265 km處可達(dá)0.5 m，幅寬9 km，以支持對(duì)火星形貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)及地質(zhì)演化的研究[23,29-30]。HiRIC相關(guān)參數(shù)如表1所示。

3 形貌建模與制圖分析方法

3.1 高分辨率三維地形建模方法

針對(duì)高分辨率HiRISE影像數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行多個(gè)CCD的拼接、校正、添加星歷信息等預(yù)處理，然后利用光束法平差修正影像數(shù)據(jù)的外方位元素。進(jìn)行密集匹配后得到初始視差圖，然后對(duì)初始視差圖進(jìn)行亞像素的細(xì)化，通過前方交會(huì)生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，內(nèi)插得到初始的DEM。

利用初始DEM和HiRISE單幅影像數(shù)據(jù)，結(jié)合光照參數(shù)、相機(jī)參數(shù)等，建立影像的反照模型、估算光源方向，根據(jù)反照模型進(jìn)行渲染與影像進(jìn)行比較，列出成本函數(shù)并對(duì)DEM進(jìn)行數(shù)值迭代，最終得到細(xì)化后的高分辨率地形結(jié)果。通過分別引入亮度約束、平滑度約束和初始地形約束作為正則化約束，構(gòu)建基于SFS的成本函數(shù)（共k副影像），通過最小化成本函數(shù)（式1），優(yōu)化表面地形h(x,y)

SFS得到的DEM結(jié)果與HiRISE影像具有同級(jí)別分辨率。本文構(gòu)建的高分辨率三維地形建模方法流程如圖1所示。

圖1 所構(gòu)建的高分辨率三維地形建模流程Fig.1 High-resolution DEM construction process

3.2 高分辨率形貌分類方法

HiRISE影像分辨率可達(dá)0.25 m，“天問一號(hào)”HiRIC影像分辨率為0.7 m（軌道高度約370 km）。在亞米級(jí)高分辨率影像上，能夠清晰地分辨出著陸區(qū)的撞擊坑、孤立沙丘、巖石、光滑及粗糙風(fēng)化層等細(xì)致火星表面形貌特征。這些復(fù)雜形貌特征分布區(qū)既是火星車巡視與科學(xué)探測(cè)的感興趣區(qū)，同時(shí)也是其行走潛在的障礙與風(fēng)險(xiǎn)所在。但大范圍區(qū)域人工標(biāo)記這些類別耗時(shí)費(fèi)力，且標(biāo)記結(jié)果受人主觀因素影響較大。目前深度學(xué)習(xí)方法被廣泛應(yīng)用于遙感影像的分類與目標(biāo)識(shí)別中，如經(jīng)典的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)VGG，具有復(fù)雜和有效的特征表示能力，可直接使用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和分類，無(wú)需使用人工設(shè)計(jì)的特征[31]。

本文制作高分辨率形貌分類方法的流程如圖2所示。其中，使用類似于VGG的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行火星高分辨率軌道器影像的形貌分類。所構(gòu)建的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示，其中Conv[3×3]:64表示卷積核大小為3×3，特征圖個(gè)數(shù)為64，BN代表批歸一化層，使用的Relu激活函數(shù)，F(xiàn)C 1 000表示全連接層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 000，ClassNum為樣本類別數(shù)，使用SoftMax進(jìn)行最終分類。首先針對(duì)每個(gè)標(biāo)記的訓(xùn)練樣本像素點(diǎn)，選擇周圍一定大?。ㄈ?1×31）的Patch，輸入到網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練，利用訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)對(duì)全尺度影像進(jìn)行分類。試驗(yàn)中使用Adam優(yōu)化器，學(xué)習(xí)率為0.000 1，批次大小設(shè)置為128。

圖2 構(gòu)建的高分辨率形貌分類方法流程圖Fig.2 The flow chart of the proposed high-resolution topography classification method

圖3 所使用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.3 Convolutional neural network architecture

4 結(jié)果與分析

4.1 高分辨率地形制圖結(jié)果與分析

目前NASA HiRISE團(tuán)隊(duì)已發(fā)布了“天問一號(hào)”著陸點(diǎn)附近的1m/像素的高分辨率DEM產(chǎn)品，中國(guó)國(guó)家航天局也利用“天問一號(hào)”軌道器HiRIC數(shù)據(jù)制作了3.5 m/像素的著陸點(diǎn)附近DEM產(chǎn)品。本文利用HiRISE數(shù)據(jù)，采用提出的結(jié)合攝影測(cè)量與SFS的地形制圖方法，自主制作了“天問一號(hào)”著陸點(diǎn)附近5.2 km×4.7 km范圍內(nèi)0.25 m/像素的高分辨率DEM，其結(jié)果如圖4所示。為進(jìn)一步驗(yàn)證所制作DEM的有效性和可用性，選取著陸區(qū)域相互間隔1 km的東西（D、E、F）和南北（A、B、C）方向上多組剖面線處高程值（如圖4中紅線所示）。NASA發(fā)布的NASA-HiRISE-DEM和CNSA發(fā)布的“天問一號(hào)”CNSA-HiRIC-DEM地形產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖5（a）～（f）所示。通過6個(gè)剖面高程對(duì)比及均值誤差統(tǒng)計(jì)，可以看出基于本文方法制作的DEM與NASA-HiRISE-DEM在高程上差異均值為1.866 m，與CNSA-HiRIC-DEM的高程平均差異均值為1.074 m，一致性較高，可用于后續(xù)高精度地形分析與輔助決策。

圖4 本文制作的“天問一號(hào)”著陸區(qū)高分辨率DEM（0.25m/像素）Fig.4 High-resolution DEM (0.25m/ Pixel) that made in this paper of Tianwen-1 landing area

圖5 本文方法制作的DEM地形數(shù)據(jù)與公開發(fā)布產(chǎn)品在不同剖面上高程值對(duì)比Fig.5 The elevation values comparison in different sections of DEM data produced by our method and published products

根據(jù)圖4所示本文制作的DEM地形數(shù)據(jù)，對(duì)“天問一號(hào)”著陸點(diǎn)附近區(qū)域的坡度和粗糙度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。從圖6（a）生成的坡度圖中可以看出，著陸點(diǎn)附近區(qū)域整體地形坡度在3°以下，全局上較為平坦；此外，用半徑1.25m的圓逐像素計(jì)算圓內(nèi)最大最小高程差值來(lái)進(jìn)行粗糙度分析，從圖6（b）粗糙度結(jié)果圖中可以看出，著陸點(diǎn)附近地表的起伏程度不大于30 cm，整體地勢(shì)相對(duì)平緩，符合火星探測(cè)器在該區(qū)域安全著陸和后期巡視探測(cè)的工程需求。

圖6 本文制作的“天問一號(hào)”著陸區(qū)地形產(chǎn)品坡度及粗糙度圖Fig.6 The slope map and roughness map of the terrain products in Tianwen-1 landing area produced in this paper

4.2 高分辨率地形分類結(jié)果與分析

本文利用“天問一號(hào)”著陸區(qū)附近的HiRISE和HiRIC軌道器高分辨率影像進(jìn)行試驗(yàn)，影像分辨率分別為0.25 m和0.7 m，所選區(qū)域尺寸大小分別為2 979像素×5 602像素和7 448像素×6 723像素。根據(jù)研究區(qū)的形貌特征、火星車巡視探測(cè)中可能的感興趣區(qū)以及巡視過程中的潛在障礙，本文將研究區(qū)形貌劃分成光滑風(fēng)化層、粗糙表面（包括粗糙風(fēng)化層、石場(chǎng)等）和沙丘3種類別，具體示例如圖7所示。軌道器高分辨率影像上形貌類別樣本標(biāo)記信息見表2。

表2 數(shù)據(jù)描述及訓(xùn)練樣本個(gè)數(shù)Table 2 Data description and number of training samples

圖7 “天問一號(hào)”著陸區(qū)表面形貌類別及示例Fig.7 Topography categories and examples in Mars Tianwen-1 landing zone

圖8展示利用本文提出的類VGG卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在兩種火星軌道器數(shù)據(jù)上獲得的形貌分類制圖結(jié)果，并將其局部結(jié)果進(jìn)行放大以進(jìn)一步對(duì)比和評(píng)估?？梢钥闯?，著陸點(diǎn)附近的形貌類別分布主要由光滑風(fēng)化層、孤立的沙丘和由石場(chǎng)、粗糙風(fēng)化層等粗糙表面所構(gòu)成。其中，光滑風(fēng)化層為主要形貌類別；沙丘、成片存在的巖石區(qū)、孤立裸露巖石和小型撞擊坑等影響著陸和巡視安全的潛在障礙目標(biāo)類別，在研究區(qū)零散分布，也都能被構(gòu)建的深度分類方法很好地自動(dòng)識(shí)別出。

圖9（a）展示了中國(guó)“祝融號(hào)”火星車巡視路線和巡視區(qū)域[32]，并將其與本文在HiRISE、HiRIC軌道器數(shù)據(jù)上的形貌分類結(jié)果疊加顯示，結(jié)果如圖9（b）、（c）所示?？梢钥吹剑捎谟跋穹直媛实膬?yōu)勢(shì)，HiRISE影像（0.25 m）能夠更好地區(qū)分一些形貌細(xì)節(jié)特征，如小型巖石塊和小型撞擊坑等，對(duì)于精細(xì)化的形貌分析是國(guó)產(chǎn)HiRIC數(shù)據(jù)的有力補(bǔ)充。但因其分辨率過高，也會(huì)不可避免地引入孤立點(diǎn)的噪聲，在一定程度上會(huì)影響制圖的精度和效果。在HiRIC影像（0.7 m）上，中等尺度的形貌特征更加顯著，而火表目標(biāo)的形態(tài)及輪廓更為清晰（如孤立沙丘等）?！白Ｈ谔?hào)”火星車在實(shí)際巡視探測(cè)行走過程中，基本避開了障礙目標(biāo)區(qū)域，如沙丘、巖石、小型撞擊坑等（見圖9），實(shí)現(xiàn)了截至2021年12月31日超過225個(gè)火星日的安全巡視探測(cè)任務(wù)。通過對(duì)著陸巡視區(qū)域形貌特征及其分布的細(xì)致分析，可以為火星車的持續(xù)安全行走提供重要參考信息，如可以優(yōu)先選擇光滑風(fēng)化層區(qū)域，繞過或者避開零散分布的小型撞擊坑、陡坡和巖石區(qū)域等。同時(shí)，也可以為下階段尋找感興趣的科學(xué)探測(cè)潛在目標(biāo)區(qū)域提供重要的參考數(shù)據(jù)。

圖9 “祝融號(hào)”火星車巡視路線與HiRISE、HiRIC形貌分類結(jié)果疊加對(duì)比圖Fig.9 Zhurong rover patrol route and its overlapping with HiRISE and HiRIC topography classification results

5 結(jié) 論

本文利用國(guó)內(nèi)外火星軌道器多源高分辨率遙感影像，研究構(gòu)建了火星表面形貌精細(xì)建模與自動(dòng)分類方法。使用攝影測(cè)量和SFS法制作了“天問一號(hào)”著陸區(qū)的高分辨率三維地形，并構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)的形貌分類方法對(duì)著陸區(qū)形貌類別及分布進(jìn)行了制圖分析。本文制作的高精度地形數(shù)據(jù)在6個(gè)剖面上與NASA和CNSA官方發(fā)布的DEM產(chǎn)品均具有較高一致性，高程差異均值分為1.866 m和1.074 m。通過制作的地形數(shù)據(jù)和形貌分類結(jié)果分析可得，著陸點(diǎn)附近坡度在3°以下，著陸點(diǎn)附近地表的起伏程度不大于30 cm，可以得出“天問一號(hào)”著陸區(qū)整體地勢(shì)平緩，形貌類別較單一，符合探測(cè)器安全著陸和安全巡視的工程需求。但火星車在實(shí)際巡視探測(cè)過程中仍需繞行或者避開如沙丘、巖石、小型撞擊坑等諸多障礙。后續(xù)“祝融號(hào)”巡視器科學(xué)探測(cè)可結(jié)合高分辨率地形及形貌分類結(jié)果進(jìn)行綜合考量。

致 謝

本文中“天問一號(hào)”軌道器高分辨率相機(jī)HiRIC數(shù)據(jù)和CNSA-HiRIC-DEM地形產(chǎn)品由中國(guó)月球與深空探測(cè)工程地面應(yīng)用系統(tǒng)處理制作，由中國(guó)國(guó)家航天局提供（http://moon.bao.ac.cn）；HiRISE高分辨率軌道器影像和NASA-HiRISE-DEM均下載自https://www.uahirise.org/。