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中国测绘 | 凌宗成教授：用遥感数据剖析行星机理

2023-09-03 10:11

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 146个

本文内容摘自《中国测绘》2023年第7期

测绘遥感技术自诞生以来，就是我们认知地球和环境的重要技术手段之一，随着天、空、地一体化遥感体系的构建，我们对于地球尤其是地表的认知已经精细至厘米级。而且随着遥感载荷的不断丰富，借助遥感技术手段对地表以下进行感知和监测已经成为现实。

对于我们生活的地球，我们常常忽视其也是太阳系中的一颗行星，因此，我们能够运用测绘遥感技术手段建立对地球的精细化认知，那么也必然能够将测绘遥感技术手段带到地外行星，并逐步建立对地外行星的深度认知。

山东大学空间科学与物理学院教授、行星科学团队课题组长凌宗成

凌宗成就是致力于用遥感技术相关数据探测和“解剖”地外行星的科技工作者。凌宗成教授是山东大学空间科学与物理学院教授、行星科学团队课题组长，他长期从事行星物质遥感与实验研究，研究兴趣涵盖行星遥感与光谱学、陨石及天体化学、行星地质与环境、行星光谱载荷技术、行星数据系统（PDS）与智能应用、行星资源勘查与利用等。本期我们邀请凌宗成教授围绕深空探测和测绘遥感技术的应用等话题，为读者进行权威解读和分析。

记者：近年来，“嫦娥”登月、“天问”探火，我国深空探测领域呈现“加速度”式发展，在行星探测领域，您有过深入的科研和项目实践。那么，您认为，深空探测领域在今天被高度重视并加速发展的内在原因有哪些？

凌宗成：深空探测是人类探索宇宙奥秘和扩展生存空间的重要途径。深空探测是当今国际科技竞争的制高点，人类探测器所能到达的地方，就是深空探测的边疆，例如我们已经知道“旅行者一号”甚至已经飞行到太阳系日球层边界，令人震惊。我们国家航天科技已经取得了巨大成功，实现了月球探测的绕、落、回，以及火星的绕、落、巡，未来也持续部署了探月四期、天问二号等深空探测任务。

但是相对美国、欧空局等发达国家或组织，我们仍然存在较大差距。我认为深空探测在国内被高度重视并发展的原因主要在于：

1、国际航天科技竞争的使然和必然趋势，世界主要国家纷纷加大深空探测领域的科技投入。例如美国2017年提出重返月球计划（Artemis计划）将宇航员送上月球。我们国家也正在推动和实施探月四期和载人月球探测等计划。目前月球已成为国际深空探测焦点。

2、我国科技自立自强和航天强国的必然选择和重要抓手。我国航天任务将牵引科技的颠覆性发展，孕育先进的科技雏形，带动我国高端装备制造、新一代信息技术、新能源等新兴产业与市场的发展，提升我国科技水平和经济效益。

3、相关单位和有识之士的积极推动。我国深空探测和行星科学研究面临重要发展机遇，目前国内开展相关研究的队伍正在快速壮大，通过行星科学研究推动我国深空探测技术发展，引领国家自立自强，是科学家面临的机遇，也是肩负的使命。

记者：结合您的科研和项目经验，在深空探测实践中，探测器主要面临着哪些挑战？与对地观测相比，科研团队需要解决哪些新的难点问题？

凌宗成：我主要关注成像光谱观测有效载荷方面的工作。我觉得与对地观测相比，行星探测主要的难题在于行星地表真值的确定。首先，在地球上可以很方便地进行现场勘查和校验，为对地遥感提供真值，但在月球探测中，只能采用月球采样点和就位探测数据作为真值，数量相对较少，采用载人行星探测的方式能够开展更全面、精细、灵活的行星“野外考察”，但其成本高昂，目前大部分处于规划阶段。

记者：结合您的科研和项目经验，请您介绍下，对地外天体环绕遥感测图、着陆导航遥感避障、巡视环境感知与视觉导航定位等需求具体是如何实现的？

凌宗成：首先解答一下如何获取遥感图像数据。我以月球遥感图像进行举例说明，一般采用轨道器光谱仪进行推扫或凝视成像的方式获取月球探测光谱图像数据，结合这些数据和实验室研究，能够反演月表矿物和元素组成。

在导航避障方面，以“玉兔二号”月球车为例，一方面，地面科研人员可以根据导航相机的图像，生成坡度图和障碍图，进而发送指令进行“驾驶”；另一方面，月球车也可以通过半自主的模式实现安全巡视。

记者：在您参与行星探测相关科研项目中，您印象最深的是哪些？期间遇到哪些难题，又是如何解决的？

凌宗成：我主要参加了“嫦娥一号”至“嫦娥五号”和“天问一号”的相关数据处理。行星遥感光谱数据的解译，其多解性、数据前期校正和数据解译水平决定了解译结果的可靠性。因此我们特别关注数据的初步处理过程，例如分辨真实信号和仪器效应造成的虚假信号，这对精确反演行星表面物质含量影响很大。

以基金委专项项目为例，我曾经开展“嫦娥四号”的数据解译，我们在处理可见近红外成像数据时，发现由于月球车外涂层的镀银聚酰亚胺膜反射太阳光造成了其在820纳米附近存在光的吸收现象，这导致月壤的1微米吸收峰变宽变深，对反演月壤物质成分造成影响。

我们针对这一问题，筛除外涂层反射光强的探测像元，避免了反射光很强的探测区域对平均光谱的影响，最终保证了数据的准确性。同时我们利用实验室研制的模拟月壤，利用“嫦娥四号”光谱仪备份样机的数据，摸清了仪器效应并建立了各类模型，约束实际的月球物质组成，并提出了着陆区物质来源的新假说。

凌宗成（中）带领团队成员进行行星科学分析研究

记者：您能否分享下，是如何进入深空探测这一研究领域的，期间对您影响较大的人或事是什么？

凌宗成：我是2006年进入这一领域的，在美国圣路易斯华盛顿大学留学期间，在王阿莲教授、Bradley Jolliff教授、Raymond Arvidson教授等人的培养下，从物理学跨入行星科学领域，开展月球和火星样品研究，博士毕业后到国家天文台地面应用系统，在欧阳自远院士、李春来研究员、刘建忠研究员等人的指导下，深入参与了“嫦娥”工程，进行“嫦娥一号”干涉成像光谱仪数据的校正和反演方法研究，针对月球表面Fe（铁）、Ti（钛）元素分布特征，获得一定的科学认识。这些宝贵的经历使我获得了成长，有机会进入到深空探测这一国家着力推动的前沿科技领域，我对我国深空探测事业的未来充满期待和憧憬。

记者：站在技术发展的视角看，您认为，深空探测的发展对于测绘遥感技术的创新发展提出了哪些新的需求？

凌宗成：我认为多种探测数据的融合和人工智能（AI）的引入是未来的发展趋势。首先，随着深空探测领域的发展，用于物质成分探测的载荷多样、数据类型复杂，单一数据获取的信息有限，通过多源数据的融合可取长补短，获得更全面可靠的反演结果。

其次，行星探测数据量呈井喷式增长，这对传统数据处理方法和挖掘能力提出了较大的挑战。因此，基于科学家的先验知识引入人工智能，尤其是大模型的构建、ChatGPT等人工智能算法的快速发展，使得行星科学的研究范式已经在逐步发生改变，我们需要拥抱这种改变，积极探索深入研究，才能在未来的技术发展中赢得主动。

记者：结合您的研究方向，目前，在深空探测领域，还有哪些有待进一步突破的技术方向？请您介绍下。

凌宗成：我对光谱类载荷比较熟悉，目前用于深空探测的光谱载荷种类比较多，但随着深空探测和科学认识的不断发展，对光谱载荷也提出了新的需求，需要开发全新的光谱探测载荷，尤其是多种光谱探测技术的联合应用，可在节省探测资源的前提下进行更精细、全面的探测，获取人类探索太阳系的全新科学认识。

记者：如今，欧美国家及中国都将深空探测作为重要发展方向，那么，下一步，在深空探测相关技术领域，您和您的团队将在哪些研究方向上持续发力，有哪些规划和思考？

凌宗成：我和我的团队会继续开展行星遥感研究。一方面，我们以“天问”系列行星探测任务和“嫦娥”后续月球探测任务等返回的科学数据为主，扎实推进数据解译，逐步深化对太阳系行星物质组成与成因演化的认识。

另外一方面，我们也会重视样品分析，采用电子探针等实验手段精细分析地外样品，为遥感探测研究行星演化提供确切的地面真值。我认为只有通过遥感和样品分析的深入融合，才能突破单一技术手段的局限，避免“盲人摸象”带来的偏见，在行星科学未知领域探索新发现。

END

文 / 本刊记者陈阳图 / 受访者提供

编辑：张永超

初审：齐阳