王任享:中國第一軌月面圖的誕生

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作者:王樹連(筆名:寓公劍)

出處:惠天地》測繪名家故事專欄

王任享,中國工程院院士,攝影測量與遙感專家,我國航天測繪的主要開拓者與奠基人。

 

  2007年10月24日,西昌衛星發射場。嫦娥1號衛星沖破云霄,奔向太空,開始了中國首次探月之旅。經過多次變軌飛行之后,衛星于10月31日開始飛向月球軌道。11月5日,嫦娥1號衛星開始繞月飛行。11月20日,衛星進入距離月面200千米的圓形工作軌道,揭開了一系列的探月活動的序幕。 

  金秋的余韻在初冬的北京飄散著。11月20日,在這個難忘的日子,中國工程院王任享院士和衛星攝影測量研究小組的成員,帶著便攜式計算機,來到嫦娥1號地面應用系統圖像接收處理中心,準備利用當天晚上回傳的月面圖像數據盡快測繪出月面圖。探月工程首席科學家歐陽自遠院士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(中)

   王任享此時的淡定中暗藏著忐忑。因為,事先已經進行了審慎的先驗評估,確認采取的技術方案是成功的,可謂成竹在胸。但是,第一次面臨真刀實槍的考驗,會不會出現意想不到的問題,心中也有些擔心。

  王任享與在場的同仁一樣,靜靜地等待著來自太空的信息,情不自禁地回憶起參加探月工程的歲月。那是2003年3月的一天,承擔探月相機研制任務的是中國科學院西安光學精密機械研究所的研制人員登門向王任享請教,稱計劃在嫦娥1號搭載兩個相機,進行交向攝影,兩個相機太重,工程總體要求只能一個相機。王任享對多年的合作伙伴直言快語:“相機多,攝影測量處理就會繁瑣,可采取三線推掃的一個相機方案。衛星飛行時推掃攝影,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據圖像,經三維重構后,即可再現月表三維立體影像。并據此測繪出影像產品?!边@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1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星的意義十分重大。探月工程指揮部計劃采用三線陣CCD相機方案。一個相機方案是在咨詢下,基于衛星攝影測量經驗及對三線陣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1號這樣宏大的工程,任何方案都應該具有不容置疑的科學性和可行性,更不能出現顛覆性的問題,要做到萬無一失才行。王任享因為自己的方案被采納而好多天吃不好,睡不香,日夜思考、研究自己提出的方案的科學性與可行性。王任享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,以數學模擬方法對三線陣CCD相機方案作了反復測算,最終得出結論:一個相機方案是可行的。

  2005年6月,繞月探測工程應用系統指揮部的研究人員再次來到測繪研究所,請求予以協助,并與測繪研究所簽訂了《繞月探測工程CCD立體相機測繪能力評估》協議書和《繞月探測工程CCD立體相機攝影測量數據處理系統研制》合同。測繪研究所把助力中國繞月探測工程視為義不容辭的使命,調集技術骨干,成立了王新義、趙斐、王建榮、李晶、陳剛等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攝影測量處理系統的研制。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,也是一個技術方案最終被采納的重要基礎。特別是航天工程,每個環節都必須反復驗證,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。一天,實驗室里洋溢著歡快的氣氛。研究人員們戴著紅綠眼睛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2千米月坑如同巨大的盆缽鑲嵌在月球表面,成為大家欣賞的亮點。這是王任享院士和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(數字地形模型),摸索按照三線推掃原理,生成仿真嫦娥1號獲取的前視、正視、后視圖像,并據此測繪出正射影像圖和等高線、高程數字模型和三維景觀的成熟途徑。從而為嫦娥1號實傳獲取攝影圖像后,快速生成月面圖幾何反演產品打下了良好基礎。

   王任享帶領的衛星攝影測量課題組送交繞月探測評估報告后不久,歐陽自遠院士來到研究所,看了嫦娥1號仿真影像生成的三線陣影像、正射影像圖、數字高程圖、數字等高線、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?!睂ν跞蜗碚f:“為了盡快證明探月工程是成功的,緩解大家焦急等待的心情,你能不能在拿到影像后一兩天內就做出月面圖?”

  王任享當即答應:“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拿出成果。

  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來的。因為,一方面,月面影像處理必須有外方位元素,而傳回的圖像分辨率只有120米。獲取外方位元素的通常做法是依靠衛星測定的軌道坐標,或星載的星敏感器測定的姿態角,或月面控制點,這些數據在一兩天內是拿不到的。另一方面,面對全新的月球影像資料,已有的處理系統再成熟也可能遇到新問題,需要耗費時間通過反復試驗研究解決。為盡快拿出月面圖,王任享和攝影測量研究小組決定采取應急的特殊方法,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,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。根據這一思路,王任享帶領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。這兩種方法經過試驗均取得了成功。

  王任享和攝影測量研究小組攜帶的“筆記本”電腦里儲存了兩種方法的成套處理軟件,隨時準備處理來自嫦娥1號傳回的圖像數據。

  時鐘來到19點,嫦娥1號衛星搭載的CCD相機面對月面,開機攝像,并開始向地面傳輸數據。23點,數百千米長的月面攝影圖像數據傳輸完畢。面對中國航天器首次傳來的月面數據,在場的人員心情非常激動。王任享迅速選擇了第一軌上一段質量上乘的圖像,攝影測量小組成員便立即分組對嫦娥1號傳回的第一軌影像數據進行處理。王任享院士與王建榮工程師、李晶工程師一起,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,王任享產生了俯視月球的豪邁感。王新義高工與趙婓工程師也將月面衛星圖像生成互補色立體影像?!肮P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,拼接著一幅幅圖像。采用攝影測量過程中含自動剔除粗差的全自動化作業,僅用兩個多小時就完成了包含6條航線(航線寬度均為61千米)的第一幅月球幾何反演產品。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?!”大家彼此祝賀著。

  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果的人們的預期。歐陽自遠院士又一次握住王任享院士的手。王任享如釋重負地說:“今夜總算完成了你交給的任務?!?/strong>歐陽院士也十分激動:“這么快,完全出乎意料,謝謝大家!謝謝大家!”

  王任享及其衛星攝影測量研究團隊,利用嫦娥1號傳回的第一軌圖像數據和反演法,測制的月面正射影像圖、三維立體圖、互補色立體圖、等高線圖等,為月面圖的制作提供了經驗。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第一幅月面圖像。這幅圖是中國的航天科學技術工作者與測繪科學技術工作者利用中國的航天器、探測器獲取的月面圖像制作的月面圖,“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成為現實”!

誦讀人:空天院 研究生 樊慧晶

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