中国人测绘首幅月面图背后的故事

◎ 王树连

“ 第一幅月面图像是绕月探测工程成功最重要的标志之一，宣示我国千年奔月的梦想已经成为现实！”2007 年11 月26 日，中 国国家航天局正式公布首次月球探测工程的第一幅月面图像。中国首幅月面图，是中国航天科学技术工作者与测绘科学技术人员精诚合作，利用中国航天器、探测器获取的月面图像研制的重要探月成果。

十几年过去了，让我们追忆中国首幅月面图的研制过程，关注这一重大创新成果背后的故事。

全力支援

2003 年3 月的一天，承担探月工程相机研制任务的中国科学院、西安光学精密机械研究所的研制人员登门，向中国工程院院士、西安测绘研究所研究员王任享请教，前者计划在嫦娥一号上搭载两个相机，进行交向摄影。但是，两个相机太重，探月工程总体要求只能搭载一个相机。对此，还不知如何是好。

王任享院士对多年在航天测绘领域的合作伙伴直言快语：“相机多，不但太重，而且摄影测量处理就会繁琐。我认为，可以采取三线推扫的一个相机方案。探月卫星飞行时推扫摄影，同一台相机的三个平行的CCD 线阵可以获取月球表面同一目标星下点地面目标的正视、前视、后视三幅二维原始数据图像，经三维重构后，即可再现月表三维立体影像，并据此测绘出月面影像产品。”

这就意味着合二为一，将拟议中的两个摄影相机扔掉一个。一个相机重量约20 千克，嫦娥一号要飞到38 万千米远的月球轨道，减少20 千克的有效载荷对探月卫星的意义十分重大。探月工程指挥部计划采用王任享院士提出的三线阵CCD 相机方案。

一个相机方案是王任享院士基于卫星摄影测量经验及对三线阵CCD 相机摄影测量的研究心得提出的，并没有对月面测绘做过针对性的详细计算与分析，对于嫦娥一号这样宏大的工程，任何方案都应该具有不容置疑的科学性和可行性，更不能出现颠覆性问题，必须要做到万无一失才行。王任享院士因为自己的方案被采纳而好多天吃不好、睡不香，日夜思考、研究方案的科学性与可行性。他利用多年来研究的实验性软件，首次对120 米的像元摄影资料进行处理，以数学模拟方法对三线阵CCD 相机方案作了反复测算，最终得出结论：一个相机方案是可行的。

● 中国首幅月面图（局部）

2005 年6 月，绕月探测工程应用系统指挥部的研究人员再次来到西安测绘研究所，正式签订了《绕月探测工程CCD 立体相机测绘能力评估》协议书和《绕月探测工程CCD 立体相机摄影测量数据处理系统研制》合同。

西安测绘研究所把支援中国绕月探测工程视为义不容辞的使命，调集技术骨干，成立了5 人研究小组。研究小组在王任享院士的指导下立即开展评估工作与相关摄影测量处理系统的研制。试验，评估；再试验，再评估，直至寻求到上佳方案。这是科研项目论证阶段必须的试错过程，也是一个技术方案最终被采纳的重要基础。特别是航天工程，每个环节都必须反复验证，精益求精，做到零缺陷。绕月探测工程指挥部在最后决定采用三线阵CCD 相机开展探月活动之前，希望看到西安测绘研究所基于科学实验的具有说服力的评估报告。

秋天是收获的季节。这一天，实验室里洋溢着欢快的氛围。研究人员们戴着红绿眼镜在计算机上竞相观看月面互补色立体图像。一个直径约20 千米、深达2 千米的月坑，如同巨大的盆钵镶嵌在月球表面，这成为大家欣赏的亮点。这是王任享院士和卫星摄影测量研究人员利用美国阿波罗飞船获取的月球影像，采用三线阵推扫方法模拟的月面立体模型。接着研究小组利用阿波罗飞船获取的月球影像及DTM（数字地形模型），按照三线推扫原理，摸索生成仿真嫦娥一号获取的前视、正视、后视图像，并据此测绘出正射影像图、等高线、高程数字模型和三维景观。深入的研究为嫦娥一号在实时传输获取摄影图像后，快速生成月面图几何反演产品打下了良好基础。

● 王任享院士（中）研究卫星图像

第一轨月面图

2007年10月24日，中国西昌卫星发射场。嫦娥一号卫星冲破云霄，奔向太空，开始了中国首次探月之旅。经过多次变轨飞行之后，卫星于10月31日开始飞向月球轨道。11月20日，卫星进入距离月面200千米的圆形工作轨道，揭开了一系列探月活动的序幕。

2007 年11 月20 日，注 定 是一个难忘的日子。金秋的余韵在初冬的北京飘散着。王任享和卫星摄影测量研究小组的成员，带着便携式计算机，来到嫦娥一号地面应用系统图像接收处理中心。笔记本电脑里储存了两种方法的成套处理软件，随时准备处理嫦娥一号传回的图像数据，尽快测绘出月面图。

探月工程首席科学家欧阳自远紧紧握着王任享的手，充满期待地说：“今天就看你们的了！”

王任享与在场的同仁一样，静静地等待着来自太空的信息。获取三维影像、测制月面三维地形地貌是嫦娥一号探月的首要任务。此时，王任享的淡定中暗藏忐忑。因为事先已经进行了审慎的先验评估，确认采取的技术方案是成功的，应该算是成竹在胸。但是，第一次面临真刀实枪的考验，会不会出现意想不到的问题，心中自然有些担心。

此时，王任享又想起立下“军令状”的时刻。那是卫星摄影测量研究小组送交绕月探测评估报告后不久，欧阳自远来到西安测绘研究所，看了嫦娥一号仿真影像生成的三线阵影像、正射影像图、数字高程图、数字等高线、红绿互补的影像以及精美的三维动画等成果演示，高兴地说：“不久前我到印度访问，印度探月工程采用的也是三线阵推扫方案，与我们不谋而合。”他又询问：“为了尽快证明探月工程是成功的，缓解大家焦急等待的心情，你们能不能在拿到影像后一两天内就做出月面图？”

● 第一轨反演月面正射影像图（局部）

王任享当即答应：“只要能够拿到有立体重叠的月面影像，我们保证在一两天内拿出成果。”

君子一言，驷马难追。正常情况下，如此短的时间是很难测绘出地形图的。一方面，因为月面影像处理必须有外方位元素。获取外方位元素的通常做法是依靠卫星测定的轨道坐标，或星载星敏感器测定的姿态角，或月面控制点，这些数据在一两天内是拿不到的。另一方面，面对全新的月球影像资料，已有的处理系统再成熟也可能遇到新问题，需要耗费时间通过反复试验研究解决。

为尽快拿出月面图，王任享和研究小组决定采取应急的特殊方法，解决或暂时绕开这些难题。采取的方法称为反演法，即在摄影测量坐标系内，回放立体模型，仅仅利用影像本身计算摄影坐标系的外方位元素。根据这一思路，王任享带领研究人员采用了两种解算方法：一种叫自由外方位元素法，一种叫等效框幅法。这两种方法经过试验均取得了成功。

2007 年11 月20 日，时钟来到19 点，嫦娥一号卫星搭载的CCD 相机面对月面，开机摄像，并开始向地面传输数据。23 点，数百千米长的月面摄影图像数据传输完毕。面对中国航天器第一次传来的月面数据，在场人员的心情非常激动。

研究小组成员立即分组对嫦娥一号传回的第一轨影像数据进行处理。笔记本电脑在测绘人员手中就像一张纸、一支笔，描绘着一根根曲线，拼接着一帧帧图像。王任享与王建荣、李晶两位工程师一起，进行三线阵影像平差计算，重建外方位元素、DEM 采集、等高线、正射影像生成及互补色立体影像制作。望着测标点在月面立体模型表面游走，王任享产生了俯视月球的豪迈感。

2007 年11 月21 日 凌 晨1 点多，王任享把测绘好的正射影像图、三维立体图、互补色立体图、等高线图等演示于图像接收处理中心大厅。在场的研究人员凝神望着中国人测绘的月面图，片刻就是一阵骚动。“我们成功了！”大家彼此祝贺着。

原计划接到月面图像后一两天测出月面图，实际上仅仅用了不到3 个小时。速度之快，超出了在场焦急等待结果的人们的预期。

欧阳自远再次握住王任享的手。王任享如释重负地说：“今夜总算完成了你交给的任务。”欧阳自远也十分激动 ：“这么快，完全出乎意料，谢谢大家！谢谢大家！”

首幅月面图

一幅月面图由若干轨图像“无缝拼接”而成。王任享及其卫星摄影测量研究团队，利用嫦娥一号传回的第一轨图像数据和反演法，测制出月面正射影像图、三维立体图、互补色立体图、等高线图等，为首幅月面图的制作提供了宝贵经验。

2007 年11 月21 日，在 探 月工程地面应用系统的布置下，相关数据处理人员完成了19 轨正视影像的处理，并利用成套的处理软件直接拼接成图，作为向国务院汇报和向媒体首次发布的月球探测资料。从发布的首幅月面图上，可以看到：月面地形影像十分清晰，明暗色调和谐，大大小小的月坑一目了然。

王任享望着首幅月面图，自豪地说：“美国阿波罗探月的图像分辨率是100 米，嫦娥一号图像分辨率是120 米。阿波罗用胶片照相，并在卫星上自动冲洗，随后变成电子信号用模拟信号传回地球。嫦娥一号是面阵的数码摄影，是数字传输，效率与质量自然更好。中国首幅月面图证明，中国航天测绘迈上了月球测绘的新台阶。”