◎ 王樹連

“ 第一幅月面圖像是繞月探測工程成功最重要的標志之一，宣示我國千年奔月的夢想已經(jīng)成為現(xiàn)實！”2007 年11 月26 日，中 國國家航天局正式公布首次月球探測工程的第一幅月面圖像。中國首幅月面圖，是中國航天科學技術(shù)工作者與測繪科學技術(shù)人員精誠合作，利用中國航天器、探測器獲取的月面圖像研制的重要探月成果。

十幾年過去了，讓我們追憶中國首幅月面圖的研制過程，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，承擔探月工程相機研制任務(wù)的中國科學院、西安光學精密機械研究所的研制人員登門，向中國工程院院士、西安測繪研究所研究員王任享請教，前者計劃在嫦娥一號上搭載兩個相機，進行交向攝影。但是，兩個相機太重，探月工程總體要求只能搭載一個相機。對此，還不知如何是好。

王任享院士對多年在航天測繪領(lǐng)域的合作伙伴直言快語：“相機多，不但太重，而且攝影測量處理就會繁瑣。我認為，可以采取三線推掃的一個相機方案。探月衛(wèi)星飛行時推掃攝影，同一臺相機的三個平行的CCD 線陣可以獲取月球表面同一目標星下點地面目標的正視、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，將擬議中的兩個攝影相機扔掉一個。一個相機重量約20 千克，嫦娥一號要飛到38 萬千米遠的月球軌道，減少20 千克的有效載荷對探月衛(wèi)星的意義十分重大。探月工程指揮部計劃采用王任享院士提出的三線陣CCD 相機方案。

一個相機方案是王任享院士基于衛(wèi)星攝影測量經(jīng)驗及對三線陣CCD 相機攝影測量的研究心得提出的，并沒有對月面測繪做過針對性的詳細計算與分析，對于嫦娥一號這樣宏大的工程，任何方案都應(yīng)該具有不容置疑的科學性和可行性，更不能出現(xiàn)顛覆性問題，必須要做到萬無一失才行。王任享院士因為自己的方案被采納而好多天吃不好、睡不香，日夜思考、研究方案的科學性與可行性。他利用多年來研究的實驗性軟件，首次對120 米的像元攝影資料進行處理，以數(shù)學模擬方法對三線陣CCD 相機方案作了反復(fù)測算，最終得出結(jié)論：一個相機方案是可行的。

● 中國首幅月面圖（局部）

2005 年6 月，繞月探測工程應(yīng)用系統(tǒng)指揮部的研究人員再次來到西安測繪研究所，正式簽訂了《繞月探測工程CCD 立體相機測繪能力評估》協(xié)議書和《繞月探測工程CCD 立體相機攝影測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研制》合同。

西安測繪研究所把支援中國繞月探測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下立即開展評估工作與相關(guān)攝影測量處理系統(tǒng)的研制。試驗，評估；再試驗，再評估，直至尋求到上佳方案。這是科研項目論證階段必須的試錯過程，也是一個技術(shù)方案最終被采納的重要基礎(chǔ)。特別是航天工程，每個環(huán)節(jié)都必須反復(fù)驗證，精益求精，做到零缺陷。繞月探測工程指揮部在最后決定采用三線陣CCD 相機開展探月活動之前，希望看到西安測繪研究所基于科學實驗的具有說服力的評估報告。

秋天是收獲的季節(jié)。這一天，實驗室里洋溢著歡快的氛圍。研究人員們戴著紅綠眼鏡在計算機上競相觀看月面互補色立體圖像。一個直徑約20 千米、深達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。這是王任享院士和衛(wèi)星攝影測量研究人員利用美國阿波羅飛船獲取的月球影像，采用三線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），按照三線推掃原理，摸索生成仿真嫦娥一號獲取的前視、正視、后視圖像，并據(jù)此測繪出正射影像圖、等高線、高程數(shù)字模型和三維景觀。深入的研究為嫦娥一號在實時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，中國西昌衛(wèi)星發(fā)射場。嫦娥一號衛(wèi)星沖破云霄，奔向太空，開始了中國首次探月之旅。經(jīng)過多次變軌飛行之后，衛(wèi)星于10月31日開始飛向月球軌道。11月20日，衛(wèi)星進入距離月面200千米的圓形工作軌道，揭開了一系列探月活動的序幕。

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

探月工程首席科學家歐陽自遠緊緊握著王任享的手，充滿期待地說：“今天就看你們的了！”

王任享與在場的同仁一樣，靜靜地等待著來自太空的信息。獲取三維影像、測制月面三維地形地貌是嫦娥一號探月的首要任務(wù)。此時，王任享的淡定中暗藏忐忑。因為事先已經(jīng)進行了審慎的先驗評估，確認采取的技術(shù)方案是成功的，應(yīng)該算是成竹在胸。但是，第一次面臨真刀實槍的考驗，會不會出現(xiàn)意想不到的問題，心中自然有些擔心。

此時，王任享又想起立下“軍令狀”的時刻。那是衛(wèi)星攝影測量研究小組送交繞月探測評估報告后不久，歐陽自遠來到西安測繪研究所，看了嫦娥一號仿真影像生成的三線陣影像、正射影像圖、數(shù)字高程圖、數(shù)字等高線、紅綠互補的影像以及精美的三維動畫等成果演示，高興地說：“不久前我到印度訪問，印度探月工程采用的也是三線陣推掃方案，與我們不謀而合?！彼衷儐枺骸盀榱吮M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?！?/p>

君子一言，駟馬難追。正常情況下，如此短的時間是很難測繪出地形圖的。一方面，因為月面影像處理必須有外方位元素。獲取外方位元素的通常做法是依靠衛(wèi)星測定的軌道坐標，或星載星敏感器測定的姿態(tài)角，或月面控制點，這些數(shù)據(jù)在一兩天內(nèi)是拿不到的。另一方面，面對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題，需要耗費時間通過反復(fù)試驗研究解決。

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，解決或暫時繞開這些難題。采取的方法稱為反演法，即在攝影測量坐標系內(nèi)，回放立體模型，僅僅利用影像本身計算攝影坐標系的外方位元素。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)過試驗均取得了成功。

2007 年11 月20 日，時鐘來到19 點，嫦娥一號衛(wèi)星搭載的CCD 相機面對月面，開機攝像，并開始向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。23 點，數(shù)百千米長的月面攝影圖像數(shù)據(jù)傳輸完畢。面對中國航天器第一次傳來的月面數(shù)據(jù)，在場人員的心情非常激動。

研究小組成員立即分組對嫦娥一號傳回的第一軌影像數(shù)據(jù)進行處理。筆記本電腦在測繪人員手中就像一張紙、一支筆，描繪著一根根曲線，拼接著一幀幀圖像。王任享與王建榮、李晶兩位工程師一起，進行三線陣影像平差計算，重建外方位元素、DEM 采集、等高線、正射影像生成及互補色立體影像制作。望著測標點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 點多，王任享把測繪好的正射影像圖、三維立體圖、互補色立體圖、等高線圖等演示于圖像接收處理中心大廳。在場的研究人員凝神望著中國人測繪的月面圖，片刻就是一陣騷動?！拔覀兂晒α耍　贝蠹冶舜俗ＹR著。

原計劃接到月面圖像后一兩天測出月面圖，實際上僅僅用了不到3 個小時。速度之快，超出了在場焦急等待結(jié)果的人們的預(yù)期。

歐陽自遠再次握住王任享的手。王任享如釋重負地說：“今夜總算完成了你交給的任務(wù)?！睔W陽自遠也十分激動 ：“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“無縫拼接”而成。王任享及其衛(wèi)星攝影測量研究團隊，利用嫦娥一號傳回的第一軌圖像數(shù)據(jù)和反演法，測制出月面正射影像圖、三維立體圖、互補色立體圖、等高線圖等，為首幅月面圖的制作提供了寶貴經(jīng)驗。

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，作為向國務(wù)院匯報和向媒體首次發(fā)布的月球探測資料。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：“美國阿波羅探月的圖像分辨率是100 米，嫦娥一號圖像分辨率是120 米。阿波羅用膠片照相，并在衛(wèi)星上自動沖洗，隨后變成電子信號用模擬信號傳回地球。嫦娥一號是面陣的數(shù)碼攝影，是數(shù)字傳輸，效率與質(zhì)量自然更好。中國首幅月面圖證明，中國航天測繪邁上了月球測繪的新臺階?！?/p>