童小華，劉世杰，謝 歡，許 雄，葉 真，馮永玖，王 超，柳思聰，金雁敏，陳 鵬，洪中華，欒奎峰

1.同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092；2.上海市航天測繪遙感與空間探測重點實驗室，上海 200092

1957年10月4日，第一顆人造地球衛(wèi)星成功發(fā)射，標志著人類進入航天時代[1]。利用星上搭載的可見光、紅外、激光、高光譜和微波等傳感器，全天候、全方位收集地表和近地空間的光譜及電磁輻射數(shù)據(jù)，探測識別地球環(huán)境和資源等信息，實現(xiàn)對地遙感觀測成為空間科學研究的重要內容[2-3]。隨著計算機網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、人工智能技術的快速發(fā)展，特別是高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大科技專項啟動以來，對地遙感觀測技術歷經(jīng)了數(shù)字化與網(wǎng)格化、智能化與自動化的發(fā)展階段[4]，取得了舉世矚目的成就，并成為獲取地理信息和提供地理信息服務的重要手段，廣泛應用于自然資源調查、生態(tài)環(huán)境保護、氣象災害預測、城市精細化管理、交通設施監(jiān)測以及國家重大工程等諸多領域[5]。

人類空間探測活動的范圍并不局限于地球。經(jīng)過數(shù)十年的探索，人類開展的空間探測活動已基本覆蓋了月球、行星、小行星和彗星等太陽系各類型天體，以揭示宇宙奧秘的新認知、新發(fā)現(xiàn)。深空探測是擴展人類知識廣度和深度的前沿方向和必然途徑。我國目前已成功實施探月工程一、二、三期[6]，實現(xiàn)了嫦娥月球探測“繞、落、回”三步走目標，以及首次火星探測任務天問一號[7]等重大深空任務，制定了針對近地小行星2016HO3采樣返回及主帶彗星133P的探測任務(預計2025年前后發(fā)射，整個計劃超過10年)[8]。

一方面，由于深空環(huán)境的復雜性、挑戰(zhàn)性及先驗信息的未知性，月球與深空探測一般遵循由遠及近、先無人后有人的發(fā)展路線。首先，借助較遠距離的繞軌衛(wèi)星通過測繪遙感獲取大范圍地理空間信息；然后，利用著陸巡視器等開展近距離的遙感觀測獲??；最后，再進行有人探測活動。因此，遙感測繪技術在深空探測中起著極為關鍵的作用，是月球與深空探測任務的主要手段和重要支撐[1]。例如，天問一號探測器在到達火星后，先在火星環(huán)繞軌道運行93 d，對預選著陸區(qū)開展詳查，為著陸火星提供足夠的地形、氣候、探測科學性等信息支撐。另一方面，深空環(huán)境的特殊性也對遙感測繪技術提出了新的要求和挑戰(zhàn)。例如，在深空探測車的行駛探測過程中，沒有地球環(huán)境下建設的道路及高精度道路地圖信息支撐，也沒有豐富的衛(wèi)星定位導航輔助，同時受限于重量和功耗，探測車的計算性能有限，搭載的測繪傳感器主要為視覺相機。這些差異使得深空環(huán)境下巡視導航測繪遙感具有獨特挑戰(zhàn)，有賴于發(fā)展新型測繪遙感技術和方法。

因此，月球與深空探測已成為了測繪遙感科學與技術的新戰(zhàn)場和前沿。在多類型的月球與深空探測任務驅動下，測繪遙感技術也得到了全新的發(fā)展，逐步形成了以環(huán)繞遙感測圖、著陸導航遙感避障、巡視導航視覺測圖為主的深空遙感測繪新技術體系。本文回顧了月球與深空遙感測繪的研究歷程和取得成果，結合未來深空探測任務需求對其技術和方法的發(fā)展進行了探討。

1 地外天體軌道器遙感測圖

遙感測圖是深空天體探測中的基礎性工作，深空探測任務幾乎都搭載了相機等傳感器來獲取地外天體表面的形貌信息，制作全球多尺度或局部高分辨率的數(shù)字高程模型等，以支持地外天體探測任務科學目標制定、地質構造及其演化科學分析、安全著陸區(qū)選取等工程任務和科學研究[6,9]。測圖精度對其應用效果和工程任務順利開展具有關鍵性影響，而深空探測中姿態(tài)軌道測量精度低、缺少高精度控制，受復雜地形和光照等環(huán)境因素影響嚴重，使得地外天體遙感測圖相對地球遙感測繪具有更大挑戰(zhàn)[10]。

1.1 地外天體軌道器遙感測圖研究現(xiàn)狀

目前，國際上航天強國和空間組織對月球、火星、小行星等太陽系地外天體進行了系列探測，其中月球、火星是探測重點。我國也成功實現(xiàn)了嫦娥系列月球探測和天問一號首次火星探測，并規(guī)劃了探月工程四期嫦娥六號、七號、八號及小行星探測等任務[11]。

除了早期的月球軌道器，20世紀90年代以后包含測圖任務的月球軌道器主要有1994年發(fā)射的克萊門汀(Clementine)探測器[12]、2009年美國重返月球計劃發(fā)射的月球勘測軌道器(LRO)[13]、日本2007年發(fā)射的月亮女神(SELENE)探測器[14]、印度2008年發(fā)射的月船一號(Chandrayaan-1)環(huán)繞器[15]和2019年發(fā)射的月船二號(Chandrayaan-2)的軌道器[16]、我國2007年發(fā)射的嫦娥一號、2010年發(fā)射的嫦娥二號[17]，以及后續(xù)將發(fā)射的嫦娥七號軌道器[18]等。這些軌道器一般都搭載有光學相機和激光雷達等傳感器，用于獲取全月或局部高分辨率月表地形。

利用月球軌道器遙感觀測數(shù)據(jù)，國內外研究機構制作了不同分辨率的全月或局部月球地形產(chǎn)品。如日本宇航局(JAXA)利用SELENE立體影像及激光數(shù)據(jù)制作了全月10 m分辨率DTM[19]；NASA戈達德太空飛行中心等利用SELENE地形相機影像和LRO激光數(shù)據(jù)融合生成了質量更好的DEM產(chǎn)品SLDEM2015，覆蓋南北緯60°間區(qū)域[20]；LRO/LOLA團隊利用LOLA激光高度計數(shù)據(jù)制作了118 m分辨率全月地形產(chǎn)品及覆蓋不同緯度以上的30、20、10、5 m等不同分辨率DEM，最高5 m分辨率的DEM覆蓋兩極87.5°以上區(qū)域[21]。國家天文臺利用嫦娥二號立體相機影像，結合CE-1和LRO激光數(shù)據(jù)，制作了50、20、7 m不同分辨率的全月地形產(chǎn)品CE2TMap2015[22]。為支持歐空局南極探測選址，德國宇航中心(DLR)利用LROC窄角相機影像通過攝影測量方法制作了南極沙克爾頓局部區(qū)域2 m分辨率DTM[23-24]。同濟大學、中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院、香港理工大學等多家單位利用LROC窄角相機影像對嫦娥四號、五號著陸區(qū)進行了高分辨率制圖[25-27]。針對我國后續(xù)將開展的嫦娥七號、八號等月球南極探測任務，同濟大學基于LROC窄角相機影像、LOLA激光測高等國內外多源遙感數(shù)據(jù)，制作了月球南極1.5 m分辨率三維地形，為我國月球南極探測著陸選址提供高分辨率空間信息支撐[28]。

火星軌道器主要包括：美國1975年發(fā)射的海盜一號、二號(Viking 1/2)[29]；1996年發(fā)射的火星全球勘探者(MGS)，搭載了火星軌道器相機(MOC)及激光高度計(MOLA)[30]；2005年發(fā)射的火星勘測軌道器(MRO)，搭載了高分辨率相機(HiRISE)和背景相機(CTX)[31]；歐空局2003年發(fā)射的火星快車(MEX)，搭載了高分辨率立體相機(HRSC)[32]；我國2020年發(fā)射的天問一號的環(huán)繞器[33]，搭載了高分辨率相機(HiRIC)等[34]。國內外研究機構利用火星軌道器遙感數(shù)據(jù)進行了火星全球或局部高分辨率制圖。如NASA戈達德太空飛行中心制作了分辨率為每度128像素的全火MOLA DEM[35]，在火星后續(xù)制圖和科學研究中被廣泛應用，常用作影像制圖的控制基準；美國地質調查局天體地質科學中心通過對HRSC立體影像和MOLA激光數(shù)據(jù)進行聯(lián)合處理，生成了200 m分辨率全火DEM[36]；倫敦大學學院的研究人員利用HRSC立體影像和MOLA激光數(shù)據(jù)構建了火星南極首個分辨率為50 m的數(shù)字地形模型和12.5 m分辨率正射影像[37]。在火星局部高分辨率地形構建方面，美國亞利桑那大學的研究人員利用火星勘測軌道器HiRISE高分辨率相機影像構建了鳳凰號任務候選著陸區(qū)米級分辨率地形產(chǎn)品[38]；歐空局利用HiRISE數(shù)據(jù)，對ExoMars漫游車著陸目標區(qū)域制作了0.25 m分辨率的數(shù)字高程模型(DTM)[39]。中國科學院國家天文臺利用我國天問一號HiRIC立體影像通過攝影測量處理生成了空間分辨率為0.7 m的DOM和空間分辨率為3.5 m的天問一號主要候選著陸區(qū)的DEM[40]。同濟大學利用火星CTX和HiRISE影像，構建了天問一號著陸區(qū)5 km×5 km范圍0.25 m分辨率DEM，為著陸區(qū)精細形貌分析提供了高分辨率地形信息[41]。

在小行星探測方面，比較領先的是日本和美國。日本2003年發(fā)射了隼鳥一號(Hayabusa)用于探測糸川小行星(Itokawa)，2014年又發(fā)射隼鳥二號(Hayabusa2)探測龍宮小行星(Ryugu)。美國2010年發(fā)射拂曉號(Dawn)探測器探測谷神星(Ceres)和灶神星(Vesta)，以及2018年發(fā)射奧西里斯探測器(OSIRIS)探索貝努小行星(Bennu)。利于小行星探測器搭載的光學相機獲取的影像，日本和美國相關研究機構研究建立糸川、龍宮和貝努等小行星的三維模型[42-44]。我國也規(guī)劃了針對近地小行星2016HO3的繞飛探測和采樣返回任務[8]。

1.2 地外天體軌道器遙感測圖關鍵技術

1.2.1 高精度全球控制網(wǎng)構建

月球和火星等地外天體遙感測圖首先需要構建全球控制網(wǎng)，為遙感測圖提供控制基準。月球和火星全球控制網(wǎng)構建主要通過對軌道器遙感觀測數(shù)據(jù)進行全球整體平差，解算外方位元素改正數(shù)及連接點物方坐標，將計算出的連接點精確三維坐標作為全球控制網(wǎng)的控制點[10]。目前國際通用的全月控制網(wǎng)為ULCN2005統(tǒng)一月面控制網(wǎng)[45]，水平位置精度為百米至千米級，高程精度為百米級。美國和蘇聯(lián)月球探測任務在月球安放的5個激光反射器，通過長期地基觀測其位置精度達厘米級，可作為月球絕對控制，但數(shù)量和分布很有限[46]。美國地質調查局通過對海盜號和水手9號影像進行平差，制作了目前國際通用的火星數(shù)字影像控制網(wǎng)(MDIM 2.1)，精度約為280 m[47]?？傮w來看，月球和火星現(xiàn)有全球控制網(wǎng)精度較低，已不能滿足后續(xù)新型軌道器高精度遙感數(shù)據(jù)制圖需求，亟須綜合利用最新多任務軌道器高分辨率高精度遙感觀測數(shù)據(jù)改進和提高全球控制網(wǎng)精度。

1.2.2 多任務全球海量異構遙感數(shù)據(jù)聯(lián)合處理

隨著地外天體軌道器數(shù)量的增加和遙感數(shù)據(jù)的不斷獲取，月球、火星等全球遙感數(shù)據(jù)量仍在持續(xù)增長[48]。由于軌道姿態(tài)測量誤差、傳感器安置和儀器本身誤差等影響，不同任務和傳感器獲取的遙感數(shù)據(jù)之間存在較大的幾何位置不一致性[49]。為了進行全球制圖，以及全球控制網(wǎng)的改進，需要對多任務全球海量異構遙感數(shù)據(jù)進行聯(lián)合處理，以消除或降低不同探測任務遙感數(shù)據(jù)之間的幾何位置偏差。聯(lián)合處理的關鍵技術包括全球多重覆蓋影像優(yōu)選、海量異構遙感數(shù)據(jù)動態(tài)組織、不同分辨率和光照條件下的異源遙感影像高精度穩(wěn)健匹配、大范圍遙感影像連接點提取和自動構網(wǎng)、多源異質遙感觀測的自適應定權、全球尺度海量遙感數(shù)據(jù)聯(lián)合平差與穩(wěn)健高效解算等。

1.2.3 軌道器顫振探測和影響補償

平臺顫振對高分辨率遙感影像成像質量和測圖精度的影響不容忽視，月球和行星軌道器搭載了多種工作載荷，平臺顫振往往更顯著。如月球勘測軌道器LRO、火星快車MEX、火星勘測軌道器MRO等均發(fā)現(xiàn)存在顯著的顫振現(xiàn)象[38,50-52]，使得生成的DEM中存在條紋狀起伏的偽地形，影響高精度測圖和安全著陸區(qū)選取，需要對平臺顫振進行精密探測和影響補償處理。針對此問題，文獻[52—58]提出了遙感影像反演的軌道器顫振“探、分、補”系列技術方法，實現(xiàn)了優(yōu)于0.1像素的軌道器遙感影像高精度顫振探測和影響補償，消除平臺顫振對真實地形構建的影響，保障月球與火星高精度遙感測圖。

1.2.4 極區(qū)多陰影復雜環(huán)境下的高精度測圖

月球南極由于其特殊地理位置和蘊含的水冰等豐富資源，是國際月球探測的熱點區(qū)域。我國探月工程四期重點圍繞月球南極，規(guī)劃了嫦娥六號、七號和八號等南極探測任務，未來將在南極建立月球科研站[9]。月球南極著陸探測具有非常重要的科學價值，同時也面臨很大的挑戰(zhàn)[59-60]。與中低緯度地區(qū)不同，月球南極地形起伏大，陰影范圍大且動態(tài)變化，光照條件極度不均，撞擊坑內存在永久黑暗區(qū)，給著陸探測帶來了巨大挑戰(zhàn)，迫切需要高分辨率三維地形為南極著陸探測提供關鍵空間信息支撐。目前月球南極分辨率最高的數(shù)字地形模型為NASA利用LOLA激光測高數(shù)據(jù)制作的5 m分辨率DEM[61]，雖然德國宇航中心制作了2 m分辨率的DEM[23-24]，但僅是針對南極局部有光照的小區(qū)域。月球南極著陸探測需要更精細的地形空間數(shù)據(jù)支持，需綜合利用主被動光學進行聯(lián)合測圖，關鍵技術包括多陰影條件下光學影像優(yōu)選、無/弱立體條件下的影像區(qū)域網(wǎng)平差、弱紋理和弱光照條件下高精度影像匹配、影像和稀疏激光測高數(shù)據(jù)配準等。針對嫦娥七號、八號月球南極探測，文獻[28]在構建的月球南極1.5 m分辨率三維地形基礎上，建立了月球南極1.5 m高分辨率光照模型。

2 地外天體著陸導航遙感避障

地外天體著陸巡視探測正成為世界各國深空探測的重要手段，目前人類已經(jīng)實現(xiàn)了對月球、火星、小行星和彗星的著陸/附著探測[62]。由于地球和月球、火星等地外天地距離較遠，存在較大的通信時延，地面控制中心遙操作無法處理實時任務，因此，著陸過程中的自主導航與避障是決定著陸任務成敗的關鍵技術之一[63-65]。為了實現(xiàn)平穩(wěn)著陸地外天體表面，著陸器的位置、速度和姿態(tài)信息需著陸導航系統(tǒng)測量計算提供。此外，考慮到表面復雜地形情況，著陸器還需使用搭載的相應傳感器來識別著陸區(qū)中的危險障礙，確定安全著陸點并導引平穩(wěn)降落到該著陸點[66]。

2.1 地外天體著陸導航遙感避障研究現(xiàn)狀

自主著陸導航必須獲得探測器著陸過程中在慣性系下的絕對位置、速度和姿態(tài)信息。月球探測任務中，美國的Apollo探測器采用了慣性測量單元(IMU)、雷達高度計和多普勒速度傳感器的組合導航方式[67]。蘇聯(lián)的Lunar探測器也采用陀螺、加速度計、多普勒測速儀和測高儀的組合導航方式[68]。我國的嫦娥系列探測器等采用了結合IMU、激光測距儀和微波測距測速傳感器的導航方式[69]?；鹦翘綔y任務中，美國海盜號、鳳凰號及好奇號等著陸探測器均搭載有雷達高度計確定高度和多普勒雷達測量著陸器的速度[70]，我國天問一號探測器火星EDL過程的導航模塊同樣采用IMU和測距測速敏感器[71]。NASA開發(fā)了著陸器視覺系統(tǒng)(LVS)[72]，成功應用于Mars 2020著陸探測器的軟著陸自主導航。目前成功開展的小行星附著采樣任務中都采用了基于光學影像的自主導航方式[73]，例如日本隼鳥2號任務和美國奧西里斯號任務[74-75]。

早期的月球著陸探測任務如Lunar系列月球探測器都不具備避障能力，導致著陸的成功率非常低，只有阿波羅月球探測器由宇航員肉眼觀察和人工操縱完成了障礙探測與規(guī)避工作。早期的火星著陸探測任務，例如勇氣號和機遇號通過氣囊的方式著陸、而鳳凰號和好奇號通過提前選擇高概率安全著陸區(qū)來避開大障礙，都不具備自主著陸避障能力[69]。我國嫦娥三號著陸器首次成功實現(xiàn)了利用機器視覺的地外天體軟著陸自主避障，采用兩級接力的避障模式，包括基于光學影像的粗略障礙識別和基于激光三維成像敏感器的精細障礙識別，最終確定最終安全目標著陸點[63]。同濟大學建設了月球與深空探測精密測繪綜合實驗場，首次建立了多波束激光虛擬焦點嚴密成像模型[76]，提出了多法向大平面和球面控制的激光成像敏感器系統(tǒng)全參數(shù)整體檢校技術及顧及障礙物測量誤差的雙螺旋安全著陸區(qū)優(yōu)選方法[77]，用于嫦娥三號、四號、五號及火星天問一號任務著陸懸停精避障探測的地面驗證。

2.2 地外天體著陸導航遙感避障關鍵問題

2.2.1 高可信的慣導/測距/測速組合導航

慣性導航通過陀螺和加速度計數(shù)據(jù)根據(jù)姿態(tài)運動學方程進行航位推算，可以積分得到探測器的位置、速度和姿態(tài)信息[78]。單獨的慣性導航會受進入段初始參數(shù)誤差、IMU漂移和隨機誤差、外部環(huán)境擾動等因素影響而隨時間發(fā)散產(chǎn)生誤差累積，結合慣導基礎測量和測距測速修正的組合導航方式是深空軟著陸導航的常用手段[79]。然而，高動態(tài)過程和未知環(huán)境等復雜情況下的著陸自主導航仍需要高容錯的慣導外推和多源融合導航方案。例如，我國嫦娥五號上升器姿態(tài)推算利用了旋轉矢量優(yōu)化四子樣補償算法，以消除微顫振引起的圓錐運動誤差，速度推算采用了優(yōu)化四子樣補償算法，以減弱劃槳效應誤差[80]。針對火星EDL過程開傘時明顯喘振效應的問題，天問一號著陸器導航系統(tǒng)設計了特定的導航基準重構和引力方向修正方法[71]。

2.2.2 基于光學成像傳感器的著陸導航

引入地外天體表面成像信息為著陸導航提供了有效可靠的途徑，通過對序列成像數(shù)據(jù)進行處理分析可以得到著陸探測器的導航信息。光學成像傳感器自主導航根據(jù)所采用傳感器的不同分為主動式和被動式兩類[81]。主動式采用激光雷達掃描探測器著陸三維環(huán)境，具有分辨率高、精度高、不受光照條件約束的優(yōu)勢，可直接獲得著陸區(qū)域的三維地形進行導航定位。美國NASA為自主著陸和避障技術項目(ALHAT)研制了Flash面陣激光成像雷達及基于激光成像雷達的地形相對導航關鍵技術，并進行了實測驗證[82]。相比激光雷達，被動式的光學相機具有功耗低、質量體積小、技術成熟度高、使用范圍不受高度約束的優(yōu)勢。Mars 2020著陸過程采用的地形相對導航通過提取已知區(qū)域的陸標特征點，結合IMU的測量信息和濾波算法實現(xiàn)探測器的最優(yōu)運動估計[72]。文獻[83]提出了基于IMU、測距測速數(shù)據(jù)和陸標圖像的多源信息融合自主導航方法，其中包括了影像與影像庫特征匹配的視覺絕對導航及序列圖像特征匹配與跟蹤的視覺相對導航。日本隼鳥2號在探測器最后附著階段，通過投放人工導航陸標，并對這些陸標進行實時跟蹤，進而根據(jù)下降序列影像間陸標跟蹤結果估算探測器位姿，實現(xiàn)視覺相對導航[75]。美國奧西里斯號在下降附著階段，利用立體光度法構建的三維地形特征數(shù)據(jù)庫以及飛行器當前位姿信息和當前時刻光照信息等實時渲染生成導航參考圖像，通過與真實拍攝影像進行特征提取與匹配，根據(jù)匹配結果估計探測器的位姿信息，實現(xiàn)視覺絕對導航[74]。面向我國將開展的小行星采樣返回任務中的著陸導航定位問題，文獻[84]提出了一種地形匹配高精度定位導航方法，重點突破了高精度局部形狀重建、自適應地形特征生成、地形特征匹配導航定位等關鍵技術。

2.2.3 光學成像著陸自主遙感避障

障礙識別與安全著陸區(qū)選取是著陸自避障的關鍵技術，未來科學驅動的深空探測任務(如月球南極或小行星探測)需要在潛在的高科學價值區(qū)域內軟著陸，這些著陸區(qū)狹窄且地形條件更加復雜，對著陸障礙物檢測的性能和著陸點選擇的效率提出了更高的要求[85]。針對光學影像粗避障的障礙識別難題，筆者團隊提出了一種結合影像紋理特征和幾何特征的障礙識別方法，通過撞擊坑和石塊表現(xiàn)出的特定亮暗分布特征來探測大尺寸障礙。針對激光數(shù)據(jù)精避障的安全著陸區(qū)快速選取難題，提出了激光點云快速規(guī)整化和三維地形障礙快速探測方法，構建了任意視場雙螺旋安全著陸區(qū)選取方法，實現(xiàn)了極短時間內激光三維最優(yōu)安全著陸區(qū)的精確選取。

3 地外天體巡視遙感環(huán)境感知與導航定位

3.1 月球與火星就位巡視探測研究現(xiàn)狀

天體巡視器就位探測是深空探測的重要手段，能夠有效支撐地外天體科學探測等研究。但地外天體表面往往環(huán)境復雜且通信受限，需要巡視器自身具有較高的環(huán)境精細感知與行進決策的自主能力。當前的巡視探測任務主要集中在月球和火星，自1970年世界首輛地外天體巡視器月球車1號成功發(fā)射以來，已經(jīng)有10臺無人巡視器成功登錄月球/火星，其中4臺在月球、6臺在火星(表1)。其中，2019年成功著陸的玉兔二號月球車是人類首次實現(xiàn)的月球背面著陸[85]，搭載于天問一號火星探測器的祝融號是我國首個在火星表面開展巡視探測工作的巡視器。

表1 月球/火星無人巡視器

3.2 地外天體巡視器探測需求與關鍵技術

地外天體無人探測車的長時間安全運行，需要其能夠在未知環(huán)境下尋找到風險最小的行進路線，為完成預定科學探測任務提供支撐。巡視器主要是通過自身所配備的相機、慣導、雷達等傳感器，并結合軌道器、著陸器、飛行器等其他外部探測器的輔助來實現(xiàn)環(huán)境的自主感知與導航定位，為控制系統(tǒng)開展障礙規(guī)避、路徑選擇等提供決策支持，保障無人探測車的自主安全巡視[86]。

3.2.1 巡視器自主環(huán)境遙感感知

巡視器的環(huán)境感知主要包括地形三維重建與障礙識別。蘇聯(lián)的月球車1號和2號主要是以相機獲取的影像為參考，依賴地面控制人員的目視解譯及遠程控制實現(xiàn)月表運動，之后的無人巡視器開始廣泛使用基于視覺的地形三維重建技術實現(xiàn)巡視器的自主避障與導航[87]。地形三維重建是巡視器行走與探測的基礎，主要是利用搭載的導航、全景和避障相機等獲取的雙目立體影像進行三維制圖，生成巡視器周圍較大范圍的地形信息，最終形成如數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)、地表粗糙度圖、坡度圖等制圖產(chǎn)品。結合巡視器位姿信息等，可以支撐路徑規(guī)劃任務以保障巡視器的安全運行[88]。地形三維重建任務的基本原理是利用立體相機獲取的圖像對，通過立體匹配算法計算出同名像點并得到視差圖，然后基于前方交會獲取物方點在空間中的三維坐標信息，并進一步生成局部范圍的數(shù)字高程模型，為判斷場景中障礙物、巡視器導航定位提供有力支持[86]。

美國的勇氣號、機遇號、好奇號三者在視覺導航硬件、立體匹配算法等方面基本一致，三維重建任務中均采用了以絕對值算法為匹配測度的立體匹配算法[87,89]。中國的玉兔號/玉兔二號生成DEM產(chǎn)品的主要流程則是：將獲取的立體影像結合影像的姿態(tài)和方位參數(shù)生成核線影像;對立體影像進行稀疏匹配并利用光束法平差優(yōu)化影像的位姿信息；在稀疏特征點的基礎上進行密集匹配獲得密集匹配點，進而利用影像位姿信息進行前方交會，求取密集匹配點的三維坐標；根據(jù)三維點覆蓋范圍進行矩形分塊并使用克里金插值法生成站點區(qū)域的DEM[90]。障礙識別則主要是基于立體相機影像及其派生產(chǎn)品，最基本的方法是通過立體影像生成的數(shù)字高程模型進行障礙探測，其已在工程任務中廣泛使用。

3.2.2 巡視器自主視覺導航定位

巡視器高精度空間定位是其順利開展各類探測與研究任務的重要前提[91]?，F(xiàn)有的巡視器定位方法主要包括無線電定位法[92]、航跡推算定位法[93]、天文定位法[94]、視覺定位法[95]4種方法[86]。隨著人工智能、計算機視覺等相關領域的高速發(fā)展，現(xiàn)有的巡視器控制系統(tǒng)都廣泛集成了基于視覺信息的導航定位模塊，依賴巡視器搭載的立體相機實現(xiàn)地外天體巡視器的自主導航定位[96-97]。

視覺里程計是視覺定位法的典型代表，通過獲取巡視器連續(xù)的立體影像再利用匹配方法尋找前后幀立體影像間的同名點，進而根據(jù)同名點分布位置計算序列影像間的巡視器位姿變化信息來實現(xiàn)巡視器的連續(xù)定位[98]。此外，視覺里程計還能夠進一步與巡視器自帶的慣導、輪速計數(shù)據(jù)進行融合以提升巡視器定位的精度及可靠性，如玉兔號月球車利用視覺與慣導相結合的方式實現(xiàn)了局部導航定位1%的精度[99]。美國的勇氣號和機遇號同樣結合了兩者的優(yōu)勢，以降低在地形較光滑或斜坡等地巡視器車輪打滑所引入的誤差并提升定位性能[100]。我國的天問一號火星車也采用了視覺里程計定位技術，提高自主導航定位精度[101]。此外，距離較近的相鄰導航站點間獲取的立體影像也可用于解算巡視器相對位姿的變化，該方法已應用于我國玉兔號月球車定位[102-104]。近年來，以SLAM(simultaneous localization and mapping)技術為代表的新型視覺導航定位方法得到了快速的發(fā)展和廣泛的應用，形成了豐富的視覺導航定位解決方案，如Mono-SLAM、ORB-SLAM系列等[105]。其中，閉環(huán)檢測通常是SLAM系統(tǒng)中的核心關鍵技術之一，它的成功應用有效消除了視覺里程計引入的相對誤差累積。但針對地外天體巡視探測等通常來說為無回訪的任務，閉環(huán)檢測往往難以適用，從而限制了SLAM技術在深空探測中的應用。

此外，在已知衛(wèi)星DEM或局部地形等外部參考信息的情況下，也可以影像匹配定位的方式將巡視器獲取的影像與軌道器、降落器、飛行器等獲取的空中影像進行匹配，從而確定巡視器在地圖中的位置。JPL于1997年提出了綜合利用軌道器、著陸器、巡視器等多源影像數(shù)據(jù)協(xié)同生成DEM以實現(xiàn)地圖構建和導航定位的概念[106]。文獻[107]利用火星巡視器影像獲取的DEM等實現(xiàn)了與軌道器HiRISE影像的高精度匹配，定位精度可優(yōu)于衛(wèi)星影像一個像素。在美國Mars 2020任務中，除了常規(guī)的地面巡視器外，NASA還將一架名為機智號的無人機送往了火星[108-109]。據(jù)此，文獻[108]提出了一種空地影像匹配算法對巡視器在無人機生成的局部地圖中的位置進行估計。針對利用無人機探測具有大氣條件的地外天體這一新途徑，筆者團隊提出了一種軌道器-無人機-巡視器影像協(xié)同的多分辨率影像匹配絕對定位框架，能夠有效地實現(xiàn)軌道器全局坐標系下的巡視器絕對定位。在同濟大學月球與深空探測精密測繪綜合實驗場開展了巡視器定位仿真試驗，試驗結果驗證了本文的可行性，能夠為后續(xù)我國開展類似工程任務提供參考。

4 總結與展望

深空探測是世界各航天強國進行空間探索和科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略制高點，我國在深空探測領域取得了舉世矚目的成就，其中測繪遙感為深空探測任務的成功提供了關鍵的空間信息技術支撐，深空探測已成為測繪遙感科學與技術的前沿和新戰(zhàn)場。結合目前現(xiàn)狀分析和未來深空探測任務需求，地外天體測繪遙感還面臨多方面的挑戰(zhàn)和發(fā)展突破。

在環(huán)繞遙感測圖方面，結合大數(shù)據(jù)、云計算、深度學習等新技術，對影像、激光等海量軌道器遙感數(shù)據(jù)的自動化處理和融合測圖是亟須突破的關鍵技術。月球與火星等地外天體已有全球控制網(wǎng)精度不高，需要利用最新獲取的遙感數(shù)據(jù)進行全球構網(wǎng)平差提高全球控制網(wǎng)精度，這對于未來深空載人探測和科研站建設尤為重要。此外，我國探月工程四期圍繞月球南極開展，亟須研究南極多陰影復雜環(huán)境下的精細三維測圖方法，為我國月球南極探測提供精準空間信息支撐。

在著陸導航避障方面，未來探測任務將著陸探測先驗知識缺失或不完備的天體或區(qū)域為著陸自主導航避障帶來巨大挑戰(zhàn)，例如月球南極探測、木星探測、未知環(huán)境小行星探測等，此外，采樣返回、精確定點著陸等科學探測任務將對自主導航避障技術提出更高的性能要求。因此，提高自主導航避障的智能化和精細化是后續(xù)研究的主要目標，多源傳感器最優(yōu)融合的著陸導航與主被動式光學成像綜合的遙感避障等技術方面仍需重點深入研究，從而實現(xiàn)深空著陸探測全過程系統(tǒng)級的自主導航遙感避障。

在巡視器環(huán)境感知與導航定位方面，早期巡視任務為保障巡視器安全往往選擇平坦地形作為探測路線，未來探測任務將進一步考慮地形復雜但科考價值豐富的目標。面向更加復雜環(huán)境下的巡視器自主感知與導航定位需求，需要進一步綜合利用多源多傳感器數(shù)據(jù)提升環(huán)境感知與導航定位的精度，同時充分利用以深度學習、SLAM等為代表的人工智能技術，進一步提升巡視器自主探測能力，保障巡視器在各種極端環(huán)境下的安全高效運行。

致謝：感謝國家航天局探月與航天工程中心、中國航天科技集團、中國科學院等單位的合作。參與本文工作的還有同濟大學航天測繪遙感與深空探測研究團隊的其他成員，在此一并表示感謝。