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第26章 嫦娥一号(3)

$为月球画肖像

由于月球表面45亿年以来一直受到各类小天体物质的强烈轰击,表面覆盖了一层3—20米厚的尘土与角砾,真正的基岩物质露出的较少。因此,月球成分、地质构造、内部结构和演化等诸多信息不得不从其地形地貌中提取,这就使探测地形地貌有了更深层次的内涵。

例如,通过月球地形地貌的探测与研究,可以划分月球表面的基本地貌单位、划分月球的断裂和环形构造,进而分析月球全球构造格架,探讨月球地质构造演化史;通过月球地形地貌的探测与研究,可测量和分析月球撞击坑的形态、大小、分布、密度等,为类地行星表面年龄的划分和早期演化历史的研究提供基本数据。尤其是对一些典型撞击坑,分析其成坑机制、反演其撞击过程,探讨并区分撞击成因和火山成因的环形构造特征,进而探讨类地行星早期撞击演化的共性与特性;通过地形地貌与地质构造特征的分析,演绎和研究质量瘤的分布特征和月球内部质量不均匀演化的模型;通过月球地形地貌的探测与研究,还可以为月球探测后续工程(如着陆点、月球基地等的选择)提供基础性科学数据等。因此,月球地形地貌特征可以为月球本身现状、演化历史提供最直接的证据,对其表面形貌特征的探测、辨识、划分与研究,一直是国际月球探测的最重要内容之一。

17—18世纪,许多人用望远镜观测月面的形貌与结构,并手绘月面图,这导致了研究月面上各种特征地形的位置、命名、形态和构造规律等的分支学科——月面学的诞生。然而,人眼并不是理想和客观的信息接收器,它往往会存在这样或那样的错觉,带有相当严重的主观性。我们的日常生活中也不乏这样的例子。对比17—18世纪出版的几本手绘月面图著作,可以看出不同的作者所绘的月面图往往在细节上存在许多差异,这也是人眼的主观性造成的。那么怎样才能获得更客观的月面图和某些月面结构的特写图像呢?

从19世纪下半叶开始,照相方法被广泛用于天文学中。为此,在世界各国的天文台中,原先用肉眼观测的目视望远镜往往被改装成专门用于拍摄天体的照相望远镜。

1880年后,在对月球的观测方面,也都采用明胶干片来拍摄照片,用目视望远镜进行肉眼观测已经退居十分次要的地位。

20世纪中叶,随着彩色摄影技术、遥控遥测技术和航天技术的发展,月球的照相观测又进入了一个新的时代。美国和苏联都先后为月球照下了更为清晰的图像,为人们研究月球提供了宝贵的资料与素材。

但这一切依然让欧阳自远感觉粗糙,他希望得到品质更高、细节更为丰富的全立体月球图像,中国自行研发的CCD立体相机则以极其优异的工作表现成全了欧阳自远这个心愿。

立体相机是进行立体成像的关键组成部分。由于在日常生活中很难接触到,一般人可能会对立体相机感觉比较陌生,但事实上这项技术已经诞生很久了。早在古希腊时代,欧几里得就已经发现,人们左右眼所看到的景物是不同的,这也是人们能够洞察立体空间的主要原因,用现代术语就是双眼视差,这也是立体影像的基本原理。

由于月球表面坎坷不平,普通相机所拍摄到的平面图像不能获得视线深度方向上的影像数据,因此需要使用立体相机。CCD,也称电荷耦合器件,是可用于立体相机的一种重要组成部分。它是一种光敏半导体器件,其上的感光单元将接收到的光线转换为电荷量,而且电荷量大小与入射光的强度成正比。这样,矩阵排列的感光单元构成的面阵CCD便可传感图像。CCD现在被广泛应用于数码相机和数码摄像机中,同时也在天文望远镜、扫描仪和条形码读取器中有应用。

嫦娥一号所使用的CCD立体相机在研制中采用了许多创新技术,如首次提出采用一个大视场光学系统和一片大面阵CCD芯片。它用一台相机取代三台相机,能够实现拍摄物的三维立体成像。立体相机在工作时,采集CCD的输出,分别获取前视、正视、后视图像,随后进行处理,形成立体图像。CCD立体相机以自推扫模式工作,为了重构月表立体影像的需要,在设计上做了特殊处理。

卫星在飞行时,CCD立体相机沿飞行方向对月表目标进行推扫,可以得到月表目标三个不同角度的图像。由于立体相机固定在卫星上不能自由转动,所以它只是随卫星与月球间的相对运动而移动,对月球表面进行扫描。这台CCD立体相机还以设备的小型化和轻量化提高了对空间环境的适应能力,它降低了有效载荷的重量,这使得火箭的发射能力、卫星的体积和重量及其他配套设施的改造等一系列技术问题的实现难度得以降低。

CCD立体相机拍摄的图像,通过信号传输系统传回地面后,相关技术人员再对这些图片进行处理,即“三维重建”,就可以绘制出月表的三维立体影像。

原本欧阳自远还有些担心,月球南北极光线极暗,是不是会影响图像的清晰度,但没想到相机性能极好,经过589轨地不间断工作,中国人得到了自己的第一张全月球照片,而且还是世界上最好、最完整的月球立体全图。

获取完整的月球立体影像资料不仅是为了让大家能看到月球的地貌图片,还具有深远的研究价值。科学家可以根据这些立体画面划分月球表面的构造和地貌单位,制作月球断裂和环形影像纲要图,勾画月球地质构造演化史,并为下一步月球车以及载人登月选择着落地点提供科学依据。

$嫦娥一号硕果累累

除了通过CCD立体相机获得国际上变形程度最低、位置精度最高、图像色调最一致和空间覆盖最完整的全月球影像图,成为新的月球“标准像”之外,嫦娥一号还获得了数个领先世界的成果,可谓硕果累累。

第一个需要提到的就是与CCD立体相机并肩工作的激光高度计,激光高度计每一秒钟向月面发射一次激光束,激光束到达月面反射到嫦娥一号的激光接收器,精确测定激光往返的时间,可以获得月面的高程。激光高度计共获得了约916万个月表测高数据,是目前国际上最多的测高采样数据,制作了空间分辨率为3千米左右的全月球数字高程模型。利用覆盖全月球的嫦娥一号立体相机三线阵CCD数据,采用三线阵数字摄影测量方法,解算了全月球的地形数据,制作了全月球三维数字地形产品,数据全球平差的平面中误差为192米,高程中误差为120米;全月球数字高程模型空间分辨率达500米,等高线数据的等高距达500米。全月球数字地形图产品(包括数字高程模型DEM、正射影像和数字等高线图)在数据覆盖范围、平面定位与高程精度、空间分辨率等方面均明显优于国际现有全月球数字地形产品。

第二,建立了月球影像数据和激光高度计数据的处理方法。

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