嫦娥一號(hào)衛(wèi)星于2007年10月24日成功發(fā)射并于2007年11月7日準(zhǔn)確進(jìn)入環(huán)月工作軌道后，經(jīng)過(guò)12天衛(wèi)星的調(diào)姿、通信鏈路測(cè)試等工作后，于2007年11月20日，星上CCD立體相機(jī)開機(jī)并開始了對(duì)月面拍攝。
11月26日上午9時(shí)，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星正在進(jìn)行第223圈的繞月飛行之時(shí)，黨中央、國(guó)務(wù)院、中央軍委舉行嫦娥一號(hào)衛(wèi)星第一幅月面圖片（以下簡(jiǎn)稱第一幅圖）發(fā)布儀式，國(guó)務(wù)院總理溫家寶出席了發(fā)布儀式。
第一幅月圖的發(fā)布，標(biāo)志著我國(guó)首次探月工程取得圓滿成功。
第一幅圖公布后，得到全球公眾的廣泛關(guān)注，許多媒體也邀請(qǐng)一些專家對(duì)第一幅圖進(jìn)行了部分的解釋。與此同時(shí)，許多公眾來(lái)電來(lái)函咨詢或質(zhì)疑第一幅圖的一些相關(guān)問(wèn)題。
為了使廣大公眾更好地了解第一幅圖的獲取和數(shù)據(jù)的接收、處理及其所承載的信息，繞月探測(cè)工程應(yīng)用科學(xué)首席科學(xué)家歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士親自撰寫了本文。
一、第一幅圖的拍攝過(guò)程
1、一臺(tái)三線陣相機(jī)實(shí)現(xiàn)了三臺(tái)線陣相機(jī)的功能
常規(guī)的航空航天對(duì)地?cái)z影只獲取正視（星下點(diǎn)）二維圖像，而要獲得立體圖像，通常需要用三臺(tái)線陣相機(jī)。CE-1上的中科院西安光機(jī)所CCD立體相機(jī)采用了一個(gè)廣角物鏡和1024?1024面陣CCD的獨(dú)特設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了上述功能。
在一定空間分辨率前提下，CCD相機(jī)所拍攝圖像的清晰度決定于相機(jī)全系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（簡(jiǎn)稱：MTF）和信噪比。為了提高所拍攝圖像清晰度，CE-1上的CCD立體相機(jī)全系統(tǒng)MTF從所要求的MTF大于0.2增加到0.48，信噪比從100增加到優(yōu)于200，這是獲得清晰圖像的關(guān)鍵因素之一。
相機(jī)在工作期間的暴光時(shí)間是圖像清晰、層次豐富的另一個(gè)關(guān)鍵要素。為了適應(yīng)不同太陽(yáng)高度角和月面的地形地貌、不同區(qū)域月面反照率的差異，經(jīng)過(guò)詳細(xì)調(diào)研、充分論證、仿真計(jì)算，制定了四個(gè)暴光時(shí)間，特別是制定了每一軌在不同緯度區(qū)域的曝光策略，從而使同一軌不同緯度時(shí)都有合適的曝光時(shí)間。
2、相機(jī)拍攝圖像的基本原理
圖1 利用三線陣方式拍攝月面圖像的原理示意圖
為了確保相機(jī)所拍攝的圖像清晰，制定了當(dāng)太陽(yáng)與月面夾角大于15度時(shí)相機(jī)才開始拍攝的工作模式。
相機(jī)工作時(shí)，CCD立體相機(jī)采用線陣推掃的方式獲取月面同一目標(biāo)的前視、正視和后視三條線陣的影像，即利用1024行中的第1行、第512行和第1023行分別對(duì)月面同一目標(biāo)進(jìn)行三次掃描拍攝：第1行數(shù)據(jù)為前視17?獲取的圖像，第512行數(shù)據(jù)為正視圖像，第1023行為后視17?獲取的圖像。形象地說(shuō)就是，當(dāng)相機(jī)與拍攝目標(biāo)連線與垂直方向成17?時(shí)，CCD立體相機(jī)探測(cè)器的第1行獲取目標(biāo)的前視圖像，經(jīng)過(guò)大約42秒（衛(wèi)星運(yùn)行了約66km）后，CCD立體相機(jī)探測(cè)器的第512行獲取該目標(biāo)的正視圖像，再經(jīng)過(guò)大約42秒后，探測(cè)器的第1023行獲取該目標(biāo)的后視圖像。這樣，月面同一目標(biāo)就在84秒的時(shí)間內(nèi)被CCD立體相機(jī)拍攝了三幅照片，即地面目標(biāo)的前視、正視和后視圖像（圖1）。
二、第一幅圖數(shù)據(jù)的傳輸
與過(guò)去的航天測(cè)控任務(wù)不同的是，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星在遠(yuǎn)距離發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中，存在著信號(hào)在空間衰減大、信道余量較小、地面接收困難等難題。為確保探測(cè)數(shù)據(jù)的可靠接收，由我國(guó)專門研制了兩座目前我國(guó)口徑最大的分別安裝在中科院國(guó)家天為臺(tái)北京密云和云南昆明的50米和40米數(shù)據(jù)接收天線，具備了距離40萬(wàn)公里、碼速率3Mbps的數(shù)據(jù)接收能力。CE-1衛(wèi)星的科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)就是由這兩座接收天線負(fù)責(zé)接收的（圖2）。
圖2 北京密云和云南昆明數(shù)據(jù)接收地面站接收CE-1衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)示意圖
CE-1衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)的接收必須是衛(wèi)星處于測(cè)控系統(tǒng)喀什站和青島站的可跟蹤和可控的可見弧段內(nèi)以及進(jìn)入地面應(yīng)用系統(tǒng)密云50米數(shù)據(jù)接收站和昆明站40米天線數(shù)據(jù)接收站的可接收弧段內(nèi)才能進(jìn)行的，四站同時(shí)跟蹤衛(wèi)星信號(hào)。在喀什站、青島站對(duì)衛(wèi)星精確測(cè)控的輔助下，CCD立體相機(jī)拍攝獲得的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星上的有效載荷數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)存儲(chǔ)、編碼，然后傳送至衛(wèi)星發(fā)射機(jī)，通過(guò)星上定向天線以固定頻率向地球發(fā)送，北京密云地面站和昆明地面站同時(shí)接收下傳數(shù)據(jù)，并通過(guò)專用的光纖通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)阶湓谥袊?guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的地面應(yīng)用系統(tǒng)總部后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、處理與研究的。
三、第一幅圖的處理與制作流程
CCD立體相機(jī)所拍攝的月面圖像是以位流數(shù)據(jù)的形式傳下來(lái)的，這些數(shù)據(jù)只有經(jīng)過(guò)分析處理、制作成圖后，一般公眾才能看得懂。
1、 單軌月面圖像的制作處理流程單軌月面圖像的制作流程主要包括如下步驟：
1) 利用原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行信道處理、提取CCD立體相機(jī)源包數(shù)據(jù)；
2) 通過(guò)排序、去重復(fù)，形成CCD立體相機(jī)單次過(guò)境的最優(yōu)源包數(shù)據(jù)，對(duì)優(yōu)化后的源包數(shù)據(jù)進(jìn)行解包；
3) 進(jìn)行物理量轉(zhuǎn)換和格式重整處理，形成前視、正視和后視三條線陣的數(shù)據(jù)；
4) 利用地面定標(biāo)數(shù)據(jù)，消除CCD立體相機(jī)光、機(jī)、電等系統(tǒng)誤差的影響，進(jìn)行輻射定標(biāo)處理得到的二維圖像。
5) 進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，去除噪聲、對(duì)比度拉伸、亮度調(diào)整，最終形成二維平面圖像。
2、19軌數(shù)據(jù)鑲嵌處理流程19軌數(shù)據(jù)鑲嵌處理流程主要包括如下步驟：
1) 圖像的粗幾何校正：在上述單軌月面圖像的基礎(chǔ)上，利用軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行粗幾何校正，得到19軌數(shù)據(jù)在月面上的大致位置。
2) 圖像的幾何精糾正：從Clementine BaseMap分幅數(shù)據(jù)中找到相應(yīng)位置的影像數(shù)據(jù)作為控制定位底圖，對(duì)19軌數(shù)據(jù)分別進(jìn)行幾何精糾正；
3) 圖像的鑲嵌和勻色：以飽和度、對(duì)比度、亮度較好的影像為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行色調(diào)和對(duì)比度調(diào)整，將相鄰兩軌影像進(jìn)行鑲嵌。
4) 19軌數(shù)據(jù)圖像的鑲嵌：由于第一幅圖區(qū)域位于中高緯度區(qū)，相鄰軌道數(shù)據(jù)重疊率較高，對(duì)于多次重疊的地區(qū)，選用圖像質(zhì)量相對(duì)較好的數(shù)據(jù)參與鑲嵌，最終形成了第一幅月面圖。
四、第一幅圖覆蓋的區(qū)域
為了盡快讓公眾看到CE-1衛(wèi)星所獲取的月面圖像，以及考慮到三維立體圖的制造和拼接工作較為繁雜，需要的時(shí)間較長(zhǎng)，因此決定：第一幅圖以二維月面圖像的形式公布。
1、第一軌拍攝時(shí)間與覆蓋區(qū)域
CE-1衛(wèi)星獲得的第一軌圖像，是從北京時(shí)間2007年11月20日16時(shí)49分00秒222毫秒開始由南往北進(jìn)行拍照，起始位置位于月球正面東部靠近南極的地區(qū)，拍照結(jié)束時(shí)間是17時(shí)27分00秒302毫秒，總時(shí)長(zhǎng)為38分0秒80毫秒。圖像幅寬約為60km，曝光時(shí)間為7毫秒，像元分辨率120m。第一軌所拍攝的圖像長(zhǎng)度27113行，約3253km，覆蓋面積約195180km2（圖3），覆蓋區(qū)域的位置如表1所示。
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| 圖3 中國(guó)首次月球探測(cè)工程第一幅月面圖像所覆蓋的月面區(qū)域圖示 |
2、第一幅圖中19軌數(shù)據(jù)的拍攝時(shí)間和覆蓋區(qū)域
CCD立體相機(jī)開機(jī)后，1至19軌數(shù)據(jù)的拍攝時(shí)間和星下點(diǎn)經(jīng)緯度范圍如表1所示，其中：經(jīng)緯度的計(jì)算采用的是粗星歷和對(duì)月粗姿態(tài)數(shù)據(jù)，精度有一定的誤差；后續(xù)處理將利用事后精密星歷和慣性精姿態(tài)數(shù)據(jù)，精度將得到一定的提高。
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| 表1 19軌數(shù)據(jù)的拍攝時(shí)間和覆蓋區(qū)域 |
3、第一幅圖的選擇
根據(jù)數(shù)據(jù)下傳質(zhì)量，決定第一軌下傳的數(shù)據(jù)應(yīng)該作為第一幅圖的成圖內(nèi)容。為了保持物理上的第一幅圖與發(fā)布的第一幅圖一致，特別是考慮圖幅應(yīng)以方正形式發(fā)布以達(dá)到美觀的目的。決定從11月20日16：49到11月22日7:57獲得的19軌數(shù)據(jù)中，挑選每軌的正視圖像，截取0~5000行數(shù)據(jù)，并最終完成了寬約280km、長(zhǎng)約460km的第一幅圖的制作工作。
第一幅圖所覆蓋的真實(shí)區(qū)域如圖4所示。
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| 圖4 第一幅圖中19軌數(shù)據(jù)的覆蓋區(qū)域 |
五、第一幅圖的初步解讀
第一幅圖（圖5）大約位于東經(jīng)83度到東經(jīng)57度、南緯70度到南緯54度的區(qū)域，圖幅寬約280公里、長(zhǎng)約460公里。圖像覆蓋區(qū)域?qū)儆谠虑蚋叩兀植加胁煌笮 ⑿螒B(tài)、結(jié)構(gòu)和形成年代的撞擊坑。
圖5 中國(guó)首次月球探測(cè)工程第一幅月面平面圖像
由于第一幅圖是在很短的時(shí)間里經(jīng)過(guò)初步的處理后制作出來(lái)的，目前更多地還只能從其地形地貌以及所分布的位置，結(jié)合已有的資料，對(duì)其地質(zhì)背景和地貌類型等信息進(jìn)行很初步的解讀。
1、第一幅圖的地質(zhì)背景
月球的大地構(gòu)造單元粗略可以劃分為三個(gè)地體，即斜長(zhǎng)巖質(zhì)高地地體(FHT)、風(fēng)暴洋克里普巖質(zhì)地體（KREEP）和南極愛(ài)肯特地體（SPA）。第一幅圖位于斜長(zhǎng)巖質(zhì)高地地體的外圍，稱為低鐵低釷的斜長(zhǎng)巖質(zhì)高地地體（FHT-O）。從第一幅圖所在區(qū)域形成年代的資料看，是在42-38億年間，屬于酒海紀(jì)。
根據(jù)已有的探測(cè)結(jié)果，酒海紀(jì)的巖石是以高地斜長(zhǎng)巖為主，主要礦物為斜長(zhǎng)石，次要礦物有橄欖石、尖晶石、輝石、鈦鐵礦和金屬鐵等。具有較高的鋁和鈣。有關(guān)第一幅圖更詳細(xì)的物質(zhì)成分信息，我們將根據(jù)CE-1衛(wèi)星上伽碼射線譜儀、X射線譜儀和干涉成像光譜儀探測(cè)數(shù)據(jù)的分析、處理后，予以解讀。
2、第一幅圖的地貌類型與特征
第一幅圖位于月球南部的高地地區(qū)，高地是指通常用肉眼在月面上看到的比較明亮的區(qū)域，主要由斜長(zhǎng)巖組成，巖石的反射率略高，月面上平常用肉眼看到的暗黑色斑塊，稱為“月海”。月海實(shí)質(zhì)上是一種超大型的撞擊坑，是寬廣的平原，被反射率較低、顏色較深的玄武巖所覆蓋。
第一幅圖像中布滿了大大小小的圓形或近圓形的撞擊坑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，月球表面直徑大于一公里的撞擊坑有33000以上。從圖中可以看出，高地地區(qū)撞擊坑分布密集，右上部顏色較暗的撞擊坑被后期的玄武巖所覆蓋，撞擊坑的分布比較稀疏。
集合已有的資料，第一幅圖覆蓋區(qū)域的斜長(zhǎng)巖高地大致形成于42-39億年間，撞擊坑分布密度較大，而覆蓋在撞擊坑中的玄武巖形成年齡大致為39-38億年，撞擊坑分布密度略小。從第一幅圖中可以看出，撞擊坑的形成年齡不同：大的撞擊坑內(nèi)有較為年輕的小型撞擊坑，如右中部的吉爾坑的邊緣和內(nèi)部分布有眾多的小型撞擊坑；新的撞擊坑形態(tài)發(fā)育完整，使周圍老的撞擊坑變形如吉爾坑下部的兩個(gè)撞擊坑。
從第一幅圖中還可以看出，撞擊坑的形態(tài)各異，初步可劃分為：
1）碗型坑。這是一種最簡(jiǎn)單的撞擊坑，直徑一般在10-20公里以內(nèi)。
2）具有中央錐的撞擊坑。中央錐發(fā)育在撞擊坑的中心部位，其高度一般比撞擊坑壁略低，中央錐是撞擊體高速挖掘成坑后由于應(yīng)力反彈而形成，如圖左中部的龐特庫(kù)蘭特坑下方的撞擊坑。
3）玄武巖后期充填的平底坑。由于玄武巖反射率較低、形成年齡比撞擊坑晚，充填撞擊坑而形成，如圖上方的漢諾坑及其右下側(cè)的撞擊坑。
4）多環(huán)撞擊坑。大型撞擊挖掘成坑后，坑內(nèi)壁產(chǎn)生地層倒轉(zhuǎn)、斷裂發(fā)育、坑壁塌方形成階梯狀的多環(huán)形態(tài)，如圖中的龐特庫(kù)蘭特坑。
六、關(guān)于“第一幅全月面二維平面圖和三維立體圖產(chǎn)生的時(shí)間”問(wèn)題
根據(jù)地球遙感制圖的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，要制作出全球二維圖通常在獲取所有數(shù)據(jù)后還需要6個(gè)月至1年的時(shí)間，而三維立體圖的制造則需更長(zhǎng)的時(shí)間。
按照目前CE-1衛(wèi)星的飛控計(jì)劃和CCD立體相機(jī)的工作安排，在CCD立體相機(jī)所獲取的所有數(shù)據(jù)都可用的前提下，在2008年1月31日前，可獲取不包括月球兩極地區(qū)在內(nèi)（80-90度范圍）的月面其它區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)。這樣，第一幅不含極區(qū)的月面二維圖像至少還需半年以后才能制作出來(lái)，而三維圖像則需更長(zhǎng)的時(shí)間。
如果要獲取全月面的二維平面圖，則需利用激光高度計(jì)的探測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)補(bǔ)充和融合，這樣，首幅全月面二維平面圖最早可望在2008年12月制作出來(lái)。同樣，首幅全月面三維立體圖的制造則需更長(zhǎng)的時(shí)間。 |
