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中国测绘 | 吴波教授：凭测绘问天

2023-08-21 12:42

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

原创中国测绘学会中国测绘学会收录于合集 #中国测绘杂志 140个

本文内容摘自《中国测绘》2023年第7期

——访香港理工大学土地测量与地理资讯学系副主任、深空探测研究中心副主任吴波教授

生活中，想要知道城市的距离、大厦的高度、丘陵的起伏，测绘是我们的好帮手。如果，我们需要了解的是月球、火星的地形地貌，又该如何丈量呢？事实上，人们传统认知上的测绘技术早已融合了地理信息系统、遥感技术、卫星导航等各类技术，成功从地球走向太空。

地球和深空

测绘无处不在

千年以前，满腹忧思的屈原质问于天，“天何所沓？十二焉分？日月安属？列星安陈？”千古名篇《天问》就此诞生。千年之后，“天问一号”探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，中国首次火星探测任务着陆火星圆满成功。

为什么选择乌托邦平原？

乌托邦平原位于火星北纬5度~30度的北半球，地势平坦、阳光充足；此外，乌托邦平原极有可能为古海洋与陆地的交接面，其科学探测意义高。

倒推可知，在广达一亿四千万平方千米的火星表面选择着陆点至少需要关注两个基本条件：着陆的安全和科研的价值。要选出满足两个条件的最佳着陆点，就需要对火星进行高精度、高分辨率的地形地貌测绘，详细了解火星表面的情况。

香港理工大学土地测量与地理资讯学系副主任、深空探测研究中心副主任吴波教授

这便是香港理工大学土地测量与地理资讯学系副主任、深空探测研究中心副主任吴波教授团队所承担的任务。“我们从2016年起，协助国家有关航天部门进行‘天问一号’探测任务火星全球的分析和评估，筛选可能的着陆区，对各个候选着陆区进行详细的地形、地貌、地质特征分析，协助选取着陆点。”

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吴波向记者介绍道，与对地观测相比，最直接的不同是火星没有卫星导航系统，难以获得其表面高精度的控制信息。“这就需要研究创新的方法来实现高精度的遥感测绘，如香港理工大学团队研发的摄影测量与激光测高相集成的方法，充分发挥摄影测量的平面高精度与激光测高的高程高精度的优势，协同融合，实现无绝对控制信息下的火星高精度地形测绘。”

吴波补充说：“此外，大多数火星影像缺乏丰富纹理特征，难以通过密集影像匹配获得高分辨率的数字地形模型，需要研发创新的方法来实现高分辨率的遥感测绘。我们团队研发的影像光度法能在摄影测量或激光测高结果的基础上，利用单幅或多幅高分辨率影像，实现像素级的三维地形重建，这大大改进了现有相关技术进行火星三维测绘的局限性。”

2021年2月，“天问一号”进入火星环绕轨道，其搭载的高分辨率相机对预选着陆区进行了亚米级高分辨率立体影像拍摄。吴波团队需要利用这些影像对预选着陆区进行更详细的地形地貌分析，在着陆区内优化搜索更小的着陆椭圆。3月中旬开始，这些高分辨率影像陆续传到香港理工大学，5月初要决定“天问一号”的具体着陆点，留给吴波教授和其团队时间不到两个月。

“在不到两个月的短短时间里，我们需要对有11个香港那么大的预选着陆区进行图像处理，生成高精度、高分辨率三维数字地形模型与数字正射影像，进而详细分析有可能影响着陆安全的斜坡，识别和分析数以百万计的石块，几十万个撞击坑，上千个火山锥等地貌特征。”吴波说。

时间紧、任务重、要求高，团队的每一个成员都全力以赴、精益求精、日以继夜地工作。最终成功在预选着陆区内搜索得到几个最优的着陆椭圆，“天问一号”任务团队选择了其中一个最佳的着陆椭圆。2021年5月15日，“天问一号”着陆器携带“祝融号”火星车成功着陆在最佳着陆椭圆的中心点附近！

“天问一号”在火星上首次留下了中国印迹，作为我国首个火星探测任务，其圆满成功象征着我国星际探测征程迈出了重要一步。

在着陆成功后的媒体采访中，吴波也分享了自己的喜悦之情：“天问一号”火星探测任务创造了深空探测的历史，因为从来没有一个国家可以在这么短的时间内，第一次就完成“绕、落、巡”这三个非常重要的任务。美国完成这个三步走的战略，大概用了20年的时间，中国一次任务就能够完成，这是非常伟大的成就，中国创造了历史。

月球到火星

技术创新飞跃

在“天问一号”任务之前，吴波教授团队就已经参与了国家“嫦娥”探月工程。从2011年起，吴波团队就通过大量的月球遥感数据为国家的“嫦娥三号”“嫦娥四号”任务进行着陆区的地形地貌分析，利用创新的月球地形测绘和地貌分析技术评估选取安全且具科学价值的着陆点。2019年初，“嫦娥四号”成功登陆月球背面，测绘技术在探月工程上的成功应用也为火星“问天”任务做好了准备。

月球和火星在探测方面的挑战有着异曲同工之处。为了帮助“天问一号”在火星上安全着陆，吴波教授及其团队总结过往经验还研发了“基于人工智能的地貌特征识别提取方法”。该方法能从高清图像中自动高效提取陨石坑和石块等地貌特征，以作更精确的分析。相较于过去用人眼去逐一识别陨石坑和石块的方法，依托人工智能让识别效率有了极大提升。

吴波教授（左）团队研发创新的地形测量及地貌分析方法，协助选取火星着陆点（下图）容启亮教授（右）的团队则研发出精密的太空仪器——落火状态监视相机（火星相机），拍摄火星的周遭环境及火星车的状况

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吴波说：“我们利用这项人工智能技术，在一个半月内从高清图像中分析了分布在预选着陆区内的200多万块岩石、67万个陨石坑、上千个火山锥，不仅高效，准确率更达到了85%。”

在今年的“中国航天日”上，中国工程院院士、中国探月工程总设计师吴伟仁，我国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥，对未来我国深空探测领域的规划和亮点进行解析：

未来5年，我国将继续实施月球探测工程。“嫦娥六号”计划于2024年前后发射，“嫦娥七号”计划于2026年前后发射，准备在月球南极着陆。

目前，“天问一号”环绕器继续在遥感使命轨道开展科学探测。“天问二号”则预计于2025年前后发射，将对近地小行星2016HO3开展伴飞探测并取样返回。

未来，我国还准备开展木星系及天王星等行星际探测，太阳以及太阳系边际探测。

从月球到火星，再到其他更远的小天体，深空探测的发展对测绘提出了更新、更高的要求。正如吴波所言，很多常规的测绘手段，是不能直接拿到月球、火星、小天体探测任务中来使用的，必须要不断创新。

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对于如何支持和参与国家接下来的深空探测计划，吴波说：“月球南极会是未来世界各国对月球进行探测的热点，‘嫦娥七号’会在月球南极开展综合勘察，‘嫦娥八号’计划在月球南极进行科研站关键技术验证等任务。”

他指出月球南极光照条件极端，太阳高度角非常低，这就对遥感技术提出了新的要求：“如何保证遥感手段在月球南极这种极端环境能够进行高精度测绘。传统的摄影测量技术在这种情况下存在非常大的局限性，合成孔径雷达技术如何更好地用于月球南极永久阴影区的探测也还有待深入研究。”

“又比如，‘天问二号’任务计划对小行星进行探测，小行星非常小，形状不规则，自转速度快，它的遥感数据怎么获取？如何有效地进行三维建模？测绘坐标系如何建立……这些都是新的具备挑战性的工作。”挑战接踵而至，吴波和其团队也正在积极准备。

吴波在采访中不断强调“创新”二字，在他看来，除了在传统的测绘、遥感、地理信息技术方面不断创新外，机器学习、深度学习等技术在深空探测领域的大数据、自动化、智能化分析中更是有着巨大潜力。此外，测绘遥感技术的实时化、芯片化也在深空探测领域有着迫切的需求，有待进一步突破。

虚拟到实境

宇宙触手可及

月球我们尚能肉眼清晰可见，可对于大多数人来说，火星更像是一种遥不可及的存在。普罗大众对深空探测并无现实感，直面密密麻麻的数据还可能让人退避三舍。为了让公众更好地了解国家在深空探测领域所取得的成果，吴波团队研发了一套虚拟实境系统，基于真实月球和火星表面的图像和数据，还原月球和火星着陆过程的各个阶段，在月球和火星表面各着陆区漫游。

这些数据都是吴波团队多年来参与“嫦娥三号”“嫦娥四号”“嫦娥五号”以及“天问一号”等国家探月、探火等航天重大工程任务所积累下来的，通过真实数据的三维重建和虚拟现实设备，把月球、火星着陆区的虚拟实境交互式地展现给公众。

记者有幸在香港太空馆的宇宙展览厅里亲身感受到了这一系统，亲自体验了一场“探月落火”。戴上VR头盔，握住手柄，你就“坐”在了火星探测器上，距火星表面50千米、10千米……逐渐降落，直至“站”在了火星上，眼前是一望无垠的太空。为什么要探索太空？在这一刻有了答案。当你指尖触碰到来自太空的陨石，当你亲自坐在太空椅上，当你全身感受到火箭引擎的推动力，当你戴上VR眼镜，“站在”月球、火星上，你就会明白人类对浩瀚星河的渴望。

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在吴波看来，兴趣是驱动一个人前进的最强内动力。他的本科专业其实并非测绘，在硕士研究生阶段才接触到GIS，到了博士阶段又对摄影测量产生了浓厚的兴趣。

“在武汉大学学习摄影测量与遥感期间，有一次一位著名的美国华裔教授来校做报告，那是我第一次见识到摄影测量还能用于火星探测，帮助火星车进行测图定位，觉得这个很有意思。”吴波回忆道。于是博士毕业后，吴波申请去了那位教授的实验室做博士后研究，期间有机会参与了美国有关火星与月球探测任务项目。

“2009年回到香港后，正好又赶上国家开始了‘嫦娥’系列月球探测任务，这么些年就一路做下来了。现在回想，这其中有几次关键的选择我都跟随了自己内心的兴趣。”

在宇宙展览厅里，等待体验这套系统的队伍里大人小孩都有。当他们“踏上”月球、火星，宇宙变得触手可及，对宇宙求知的火焰是否就在这一刻被点燃了呢？

测绘技术正是让宇宙变得触手可及的叩门砖。测绘遥感在未来的深空探测中依旧是中流砥柱，大有可为。从翱翔太空到脚踏实地，在深空探测中不断创新的测绘遥感技术，同样可以应用于智慧城市和实景三维建设中，技术的成功转化也正应了吴波造福于民的希望：“在协助国家有关航天部门开展未来对月球、火星、小行星等探测任务的同时，也能积极推动新技术新设备的民用转化，造福社会。”

最近，香港理工大学整合不同领域的专家与资源，专门成立了深空探测研究中心，还与中国航天推进技术研究院签署合作协议，共同成立先进空天推进技术联合研究中心，期望为国家的航天事业作出更大的贡献。

“随着人类科学技术的发展，我们从自给自足到望向星空是自然而然的事情。正如过去的大航海时代让我们人类的足迹遍布全球，未来的大航天时代也必将让人类走向太空，来到无垠的宇宙。”吴波如是说。

END

文 / 本刊记者关晓晴图 / 受访者提供

编辑：张永超

初审：齐阳

审核：彭震中

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