4月24日，中國首幅火星全球彩色影像圖在第八個中國航天日問世。這是中國首次火星探測任務(wù)中“濃墨重彩”的一筆。
(資料圖)
實體分布圖（國家航天局供圖）
天問一號環(huán)繞器中分辨率相機從2021年11月至2022年7月歷時約8個月，對火星表面實施284軌次遙感成像，實現(xiàn)了火星全球覆蓋。在此基礎(chǔ)上，地面應(yīng)用系統(tǒng)對獲取的14757幅影像數(shù)據(jù)進行處理，得到空間分辨率為76米的“全火圖”。
魯賓遜投影圖（國家航天局供圖）
基于這幅高分影像圖，著陸點附近大量的地理實體被識別出來。國際天文聯(lián)合會根據(jù)相關(guān)規(guī)則，將其中的22個地理實體以中國人口小于10萬的歷史文化名村名鎮(zhèn)如西柏坡、古絳、漠河等加以命名，將中國標(biāo)識永久刻印在火星上。
那么，“全火圖”最大的亮點是什么？上萬幅圖片如何拼出這幅火星“彩照” ？拼出這幅圖曾遇到過什么樣的難題？《中國科學(xué)報》獨家專訪了天問一號副總設(shè)計師兼地面應(yīng)用系統(tǒng)總指揮、中國科學(xué)院國家天文臺研究員李春來，地面應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計師劉建軍和地面應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計師任鑫。
全火圖的“兩大亮點”
《中國科學(xué)報》：請談?wù)勚袊状伟l(fā)布火星全球彩色影像圖的意義。
李春來：這標(biāo)志著天問一號任務(wù)第一步實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視探測的工程目標(biāo)和科學(xué)目標(biāo)圓滿完成。它將為國際同行開展火星探測和科學(xué)研究提供質(zhì)量更高的基礎(chǔ)底圖和原始數(shù)據(jù)。
《中國科學(xué)報》：這幅火星全球圖最大的亮點是什么？
李春來：這幅火星全球影像圖是用我國天問一號軌道器中分辨率相機獲得的圖像制作的。影像圖有兩個亮點：一是分辨率高；二是顏色真。
首先，它的像素分辨率達到76米。目前，國際上已有4個100%覆蓋全球表面的火星全球影像圖，其中最高分辨率只有232米。天問一號軌道器中分辨率相機在8個多月的時間內(nèi)，獲取了14757幅圖像，其中11596幅圖像即100%覆蓋了火星表面，其像素分辨率為57～120米。采用平均分辨率76米制作的火星全球影像圖在分辨率上是之前圖像3倍多，因此是目前世界已公布的分辨率最高的火星全球彩色影像圖。
同時，火星表面到底是什么樣的顏色，一直說不清，加上火星有大氣，也會影響色彩感觀。在火星圖像的處理過程中，我們進行了非常詳細的大氣校正，尤其是對于顏色的校正。我們使用了火星礦物光譜儀測量的火星表面真實的光譜數(shù)據(jù)，來校正中分辨率相機的圖像數(shù)據(jù)，使得全球影像圖的顏色最大限度地接近火星的真實顏色。可以說這個火星全球影像圖是個真彩色的影像圖。
四年攻克四大難題
《中國科學(xué)報》：火星全球影響圖是如何用上萬幅圖片拼成的？
任鑫：火星全球彩色影像圖的制作是一個非常復(fù)雜的過程，需要攝影測量與遙感、計算機圖形圖像、制圖學(xué)、地貌學(xué)、色彩學(xué)、光譜學(xué)等多學(xué)科專業(yè)知識的交叉融合，非常具有挑戰(zhàn)性，也遇到了非常多的技術(shù)困難。
我們從2019年4月就開始了火星全球彩色影像圖的研制工作，2021年11月前完成了數(shù)據(jù)處理算法試驗和軟件的研制和準備，2022年7月前通過部分在軌數(shù)據(jù)分析，制定了數(shù)據(jù)處理方案和流程，到2023年4月完成了全火圖的數(shù)據(jù)生產(chǎn)和質(zhì)量檢查，整個過程歷時4年時間。
《中國科學(xué)報》：制作這幅圖像時遇到了怎樣的挑戰(zhàn)？是如何克服的？
劉建軍：全火星數(shù)據(jù)處理和制圖的技術(shù)困難和挑戰(zhàn)主要有四個方面。
一是多變的成像條件對成像質(zhì)量產(chǎn)生了顯著的影響。火星周圍籠罩著大氣層，經(jīng)常伴隨有各種沙塵活動，還會出現(xiàn)云等天氣現(xiàn)象，這使得中分辨率相機圖像中包含了大氣、沙塵和云等的反射信息。另外，由于拍攝的時間不同，成像時刻的太陽高度角也不同。這些因素使得原始圖像的顏色、亮度、清晰度、對比度等受到不同程度的影響，在相鄰圖像之間存在明顯差異，而且這些差異會隨著成像季節(jié)、地理緯度、成像時刻的不同而變化。我們通過建立適用于中分相機的大氣校正和光度校正模型，改善了這些影響。
二是缺乏火星顏色的定量化認識?？茖W(xué)家普遍認為火星為一顆“紅色”星球，也利用維京號軌道器遙感數(shù)據(jù)制作了空間分辨率232米的火星全球“彩色”影像圖，但是該顏色并不是嚴格意義上的“真彩色”圖像（光譜并非嚴格的紅綠藍），因此火星的準確顏色到底是什么，我們并沒有準確的概念。中分辨率相機是一個彩色相機，上天前我們采用國際標(biāo)準照明委員會標(biāo)準色度學(xué)CIE標(biāo)準在地面進行了顏色標(biāo)定，尤其是使用了另一臺有效載荷——火星礦物光譜儀測量的火星表面的真實光譜數(shù)據(jù)，對中分辨率相機的圖像數(shù)據(jù)進行了顏色校正，使得全球影像圖的顏色最大限度地接近火星表面的真實顏色，提高了人類對火星真實顏色的定量化認識，這是制作“真彩色”火星全球影像圖關(guān)鍵步驟之一。
三是相比地球和月球，火星軌道測量精度低，而且沒有高精度火星位置基準，如何實現(xiàn)全火星圖像在全球范圍的像素級“無縫”鑲嵌，是一大技術(shù)難題。由于火星軌道器的測控距離最遠達到了約4億公里，軌道測量精度只有幾百米到幾公里，使得中分相機原始影像在火星地表的位置偏差達到了幾個到幾十個像素，有些地方甚至達到了幾百個像素。我們采用了光束法平差技術(shù)，將火星全球作為一個整體平差網(wǎng)絡(luò)，對原始軌道測量數(shù)據(jù)進行了優(yōu)化，使得中分相機圖像的位置偏差降低到了一個像素以內(nèi)，實現(xiàn)了像素級的“無縫”鑲嵌。同時，采用最小二乘平差技術(shù)，在全球范圍內(nèi)對所有參與全球制圖的圖像數(shù)據(jù)進行勻色處理，提高了火星全球“一張圖”的整體品質(zhì)。
四是數(shù)據(jù)質(zhì)量的嚴格控制。2021年11月至2022年7月，中分辨率相機共獲得了14757幅圖像，這些影像數(shù)據(jù)實現(xiàn)了火星全球的多次覆蓋。我們制定了數(shù)據(jù)優(yōu)選策略，建立了嚴格的質(zhì)量檢查體系，從中篩選了質(zhì)量和分辨率最優(yōu)且可以實現(xiàn)火星全球100%覆蓋的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理過程中對于位置偏差、顏色偏差、亮度和對比度偏差、紋理細節(jié)等進行了多級檢查，確保了全球影像圖的質(zhì)量水平。
《中國科學(xué)報》：此次國際天文聯(lián)合會以22個中國歷史文化名鎮(zhèn)名村命名的火星上地理實體位置大致位于火星什么地方？這是否是中國地理命名首次登上火星？
任鑫：此次以22個中國歷史文化名鎮(zhèn)名村命名的火星地名都在祝融號火星車著陸點附近，位于火星北半球，烏托邦平原南部。天問一號（祝融火星車）著陸點的地理位置是東經(jīng)109.9，北緯25.1，這一經(jīng)緯度值類似于廣西桂林市在地球上的位置。這些地名包括了1個方山、2個溝、3個穹丘和16個環(huán)形坑。
除了我國開展自主命名的火星地名之外，此前火星上還有24個與中國相關(guān)的地名，這些地名最早是在1973年為體現(xiàn)火星地名國際化而由國際天文聯(lián)合會命名的。
東西半球正射投影圖（國家航天局供圖）
展示三大能力提升
《中國科學(xué)報》：從2008年11月嫦娥一號拍攝的中國第一幅全月球影像圖到今天的第一幅火星全球影像圖。您如何看待這15年來中國深空影響探測方面的技術(shù)進步？
李春來：我國的深空探測從月球走向火星，研制的月球和火星全球影像圖是這15年來中國深空探測科學(xué)和技術(shù)進步的一個縮影。
2008年11月，我國發(fā)布嫦娥一號120米分辨率全月球影像圖；2012年2月，發(fā)布迄今世界上分辨率最高的嫦娥二號7米分辨率全月球影像圖；2019年1月，嫦娥四號獲得世界第一張近距離拍攝的月背影像圖；今天我們發(fā)布了76米分辨率火星全球影像圖。這一過程體現(xiàn)了我國深空探測整體技術(shù)水平和科研實力的躍升。
一是地外天體科學(xué)數(shù)據(jù)獲取能力大幅提升?；鹦黔h(huán)繞器既要完成火星車的中繼通信，又要完成全球遙感探測，多任務(wù)規(guī)劃、多任務(wù)軌道設(shè)計極其復(fù)雜，有效載荷技術(shù)也得到了跨越式的發(fā)展；
二是行星際測控和通信能力提升。從地月距離38萬千米到地火距離最遠4億千米，相比月球，地球與火星之間最遠通信距離增加了1000倍。同等條件下，地火之間的信號強度降低到地月之間的100萬分之一。通過多面天線組陣測控和異地組陣數(shù)據(jù)接收等技術(shù)，我們實現(xiàn)了4億公里遠時2Mbps的高效數(shù)據(jù)接收，有效保障了火星探測數(shù)據(jù)的接收。
三是探測數(shù)據(jù)處理和研究能力的提升。從月球到火星圖像的處理，體現(xiàn)了很多數(shù)據(jù)處理和研究能力的提升，包括行星圖像校正、幾何定位、拼接鑲嵌、全球平差等。為確保圖像色彩真實，我們采用了譜分辨率更高的多光譜數(shù)據(jù)對中分相機數(shù)據(jù)進行了色彩校正，獲得了火星“真彩色”的全球影像圖。
《中國科學(xué)報》：如何看待火星全球影像圖對于下一步火星探測的意義？
李春來：此次全球影像圖基于攝影測量原理制作而成，實現(xiàn)了影像圖與火星表面特征地物之間空間幾何位置的嚴密一致，為后續(xù)火星探測任務(wù)提供了一個全新的、高精度的控制網(wǎng)，能夠為火星地形地貌分析、地質(zhì)演化歷史研究等提供準確的位置信息。76米的高分辨率使它能夠識別更加精細的火星表面細節(jié)，為后續(xù)火星探測任務(wù)科學(xué)目標(biāo)選取、探測路徑規(guī)劃等提供支撐。與現(xiàn)有火星影像圖進行對比分析，能夠為火星表面形貌時變特征研究等提供參考。
墨卡托投影加方位投影圖（國家航天局供圖）
(《中國科學(xué)報》記者甘曉、王敏對本文亦有貢獻)
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