基于遥感影像的月球DEM生成技术研究

论文摘要

月球是距离地球最近的天然卫星,是人类进行深空探测向外层空间发展的最理想的跳板和中转基地,也是人类开展深空探测的首要目标。由于月球得天独厚的地理环境以及丰富的矿产资源,一直以来就是人们所争夺的焦点。近年来各国纷纷制定了探月计划,又一次掀起了探月高潮。我国于2007年发射了第一颗探月卫星——嫦娥一号,首要任务是测绘月面地形,其后继者嫦娥二号计划于2010年发射。月面地形是后续登月探测,建立月球观测站和勘查月球资源等活动不可缺少的基础信息。因此,以月球遥感影像为数据源,研究生成月面DEM的技术和方法是势在必行的。本文以目前覆盖面最全,影像质量较好的美国的“克莱门汀”(Clementine)月球影像为数据源,与其它数据相比,此数据更能满足摄影测量的要求,然而就该影像本身也存在一些问题。美国应用该数据测绘了1千米分辨率的75°S―75°N地区的月球地形。本文借助Clementine数据中的紫外可见光波段(UVVIS)影像,针对Clementine数据的特点及存在的问题,提出了解决的方法并构建了一套切实可行的基于遥感影像进行月球测图的方法,为今后应用嫦娥影像进行全月球的高精度测图提供了基础。最终,应用一款莱卡的商业摄影测量软件LPS 9.2生成了月球近南极区域约7万平方公里大小,重叠率大于60%区域的DEM和DOM。本研究的一个重要特点是如何利用现有的摄影测量软件来克服影像本身的不足和生产制作过程中的不利因素,而非研究专门的月球测图处理算法。主要工作内容包括:(1)总结概括了国内外的探月趋势以及已有的探月成果;(2)分析比较了Clementine与嫦娥一号的主要传感器,证明此试验流程和方法完全适用于嫦娥影像;(3)探讨了现有的月面控制网,针对其各自的特点,最终选择了目前定位精度最高、控制点数最多的ULCN2005月面控制网作为试验的控制源。针对PDS原始数据的存储特点,利用两种方式完成了PDS数据格式的转换工作。最终,应用本课题组开发的一套基于多种查询模式的月面控制点查询系统,查询出满足摄影测量条件的影像范围及相应ULCN2005控制点的全面信息,并从中挑选出4条轨道上的12幅Clementine影像作为试验的数据源;(4)以Clementine(UVVIS)的12幅遥感影像为试验数据源,对应的93个ULCN2005控制点进行外定向,基于LPS 9.2提出了一整套生成月面DEM和DOM的摄影测量流程与方法,并针对生产过程中的难点提出了解决方案,为今后应用嫦娥影像进行月球测绘奠定了坚实的基础。最后运用两种直观、可靠的方法对生成的月面DEM进行了质量评估。最终,生成的DEM的分辨率为4500米,垂直中误差达到1539.0772米(约0.34个像素)。此试验影像分辨率为527m,生成的DEM分辨率约是其8.5倍;美国已有的Clementine中低纬度DEM产品分辨率为1km,约是原始影像分辨率(102m)的9.8倍。因此,本试验生成的DEM结果优于美国的DEM产品,同时弥补了Clementine影像月球高纬度DEM的部分空白。最终证明该方法切实可行,完全可以应用到嫦娥影像的月球测绘当中,并可以制作出高精度的全月球DEM。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外相关领域的发展概况
• 1.2.1 国外相关领域的发展概况
• 1.2.2 国内相关领域的发展概况
• 1.3 论文的内容组织与创新点
• 2 摄影测量基本理论及探测月球三维地表的方法
• 2.1 摄影测量的基本理论
• 2.1.1 解析空中三角测量方法概述
• 2.1.2 数字地面模型的概念及其形式
• 2.1.3 DEM 误差与精度检查方法
• 2.2 探测月球三维地表的技术与方法
• 2.2.1 数字摄影测量方法
• 2.2.2 探测器激光测月
• 2.2.3 合成孔径雷达干涉测量（InSAR）
• 2.2.4 太阳系雷达观测技术
• 3 美国 CLEMENTINE 及中国嫦娥工程介绍
• 3.1 美国 Clementine 工程介绍
• 3.1.1 Clementine 任务简介
• 3.1.2 Clementine 所携带的仪器及其参数
• 3.1.3 Clementine 的主要成果
• 3.2 中国嫦娥工程介绍
• 3.2.1 嫦娥一号卫星介绍
• 3.2.2 嫦娥工程的主要任务
• 3.2.4 嫦娥一号携带的传感器
• 3.2.5 嫦娥一号的主要成果
• 3.3 Clementine 与嫦娥一号卫星的主参数对比
• 4 月面控制网的研究及应用
• 4.1 月面控制网概述
• 4.2 已建成的控制网系统
• 4.2.1 1994 统一月面控制网
• 4.2.2 “克莱门汀”月面控制网（1997）
• 4.2.3 “统一”月面控制网（2004）
• 4.2.4 2004 月球轨道器月球控制网
• 4.2.5 “统一”月面控制网（2005）
• 4.3 数据来源及 PDS 数据格式转换
• 4.3.1 数据来源
• 4.3.2 PDS 简介
• 4.3.3 PDS 数据格式转换
• 4.4 月面控制点查询系统功能介绍
• 4.4.1 ULCN2005 数据文件介绍
• 4.4.2 月面控制点查询系统
• 4.5 本章小结
• 5 月面DEM 生成及质量评估
• 5.1 总技术流程
• 5.1.1 影像选取阶段
• 5.1.2 预处理阶段
• 5.1.3 影像控制阶段
• 5.1.4 数字摄影测量处理阶段
• 5.2 投影转换
• 5.3 基于LPS 的月面 DEM 及 DOM 生成
• 5.3.1 软件平台的选择
• 5.3.2 LPS 工作流程
• 5.3.3 现存问题及解决方法
• 5.3.4 DEM 的生成难点及解决方法
• 5.3.5 DOM 的生成及拼接难点和解决方法
• 5.3.6 月球 DEM 三维显示
• 5.4 DEM 质量评价
• 5.4.1 对比度调整检查法
• 5.4.2 数值精度指标——中误差评价法
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 不足之处
• 6.3 今后工作展望
• 攻读硕士学位期间公开发表的学术论文
• 致谢
• 参考文献