中国测绘丨人类的未来在无限的太空中间——访香港理工大学土地测量与地理资讯学系教授吴波

2021-04-11 14:18 来源:澎湃新闻·澎湃号·政务

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原创 中国测绘学会 中国测绘学会
本文内容摘自《中国测绘》2021年第3期“嫦娥应悔偷灵药,碧海青天夜夜心。”
“如何不觅长生药,只记霓裳一曲归。”
脍炙人口的诗句背后,是无限的惆怅和遗憾。
欲归不能,欲往难达。……
数千年后,人类终于在地球和月球间搭起了“桥梁”,有去有回。
从航海时代到太空时代,日月新天。
人类的世界究竟还有多大的想象?
30年、50年后,人类在太空中旅行会不会不再是一件遥不可及的事情?
太空有无限的资源,人类的未来便在无限的太空中间。
拨通微信,千里外的吴波接受了《中国测绘》的专访。吴波是香港理工大学土地测量与地理资讯学系(LSGI)教授,LSGI是国际知名的地球空间信息科学学系之一。
吴波于2006年获得武汉大学摄影测量与遥感专业博士学位,后在美国俄亥俄州立大学从事研究工作,曾参与美国航空航天局(NASA)的月球与火星探测任务项目,2009年加入香港理工大学,长期从事摄影测量、行星测绘、行星科学研究,十多年来一直在协助国家航天部门做一些探测任务相关的工作。我国月球探测任务(嫦娥三号、四号、五号)与火星探测任务的着陆区地形地貌分析与着陆点评估选取工作,吴波和他的团队都是主要参与者之一。

护航“嫦娥们”精准着陆
“嫦娥工程”是我国探月工程的总称,于2004年正式启动,分为“无人月球探测”“载人登月”和“建立月球基地”三个阶段。嫦娥一号进行了绕月飞行并探测,嫦娥三号在月面进行软着陆,嫦娥五号完成月球土壤采样,嫦娥七号将模拟载人登月……
“嫦娥一号没有着陆要求,嫦娥二号时期,我们已经开始做一部分工作了,真正开始是从嫦娥三号,到后面的嫦娥四号、五号一系列。”吴波说。
月球的表面积约3800万平方千米,相当于近4个中国那么大。要在这么大的面积上选取一片着陆区?面对一切的未知,究竟应该选哪里呢?嫦娥姐妹们陆续奔月,应该分别部署在哪些位置更合适呢?
在哪里着陆有讲究
除了大,月球的表面还是什么样子呢?有句玩笑话“你的脸就像月球表面一样”,大家一定都不陌生吧,说的就是满眼的坑坑洼洼,疙疙瘩瘩。
在这种情况下,选准一块好的着陆区是非常重要的,一是安全性,二是科学价值。着陆的区域要较为平整,坡度一般不能超过15度,撞击坑与石块不能分布太密,否则可能影响着陆安全;此外,最好能着陆在更具科学研究价值的区域,能通过在着陆区的就位探测了解其矿物与物质成分,揭示月球地质演化历史……
吴波团队的任务就是:进行高精度和高分辨率的三维地形测绘及地貌分析,研究评估着陆区的地形地貌特征,协助国家航天部门选取嫦娥的着陆点。

“我们通过摄影测量、激光测高等技术手段对多源遥感数据进行精细处理,获取三维模型,分析其表面坡度、粗糙度,识别区域内的撞击坑、石块、沟堑、断裂带等信息,这些因素将会影响着陆区域的选择。”吴波说。
在服务嫦娥四号着陆区选择时,吴波团队与中国空间技术研究院(中国航天科技集团公司五院,以下简称“航天五院”)的工程师们研究了两块面积分别约有1500平方千米的地域,收集了超过40万个撞击坑及逾2万块岩石的信息。

“嫦娥三号和五号都是在月球正面着陆,嫦娥四号是月背着陆,对我们来说,月背着陆难度更大,这也是人类探测器首次在月球背面的软着陆。”吴波说,“正面着陆可借力地球上的测量站与远洋测量船联合测控,月背着陆则无法与地球通过无线电直接通讯,非常具有挑战性。”
“着陆后我们必须对着陆点进行精确定位,还必须知道着陆点周围地形的详细情况、对太阳的遮挡、对中继卫星的遮挡会是怎样的情况,这将影响着陆后几天甚至一段时间任务的规划、月球车的探测等。”吴波补充说。吴波在西昌卫星发射中心嫦娥四号发射场
在嫦娥四号着陆后两个小时内,吴波团队顺利完成了上述工作并将结果及时提供给国家航天部门,团队同时还对着陆点附近进行更高分辨率、更高精度的详细地形三维测绘,以支持着陆器以及月球车后续的一些探测任务。
嫦娥五号的着陆区预选为月表正面(面向地球的一侧)的风暴洋,着陆点就在风暴洋西北部的吕姆克山附近,位于嫦娥三号在虹湾的着陆点以西约700千米。
据资料显示,风暴洋是月球上最大的月海,南北约2500千米,是一片广阔的灰色平原,由远古火山喷发形成的玄武岩构成。
“一般月球的火山活动大约在30~40亿年前,过了这个时期,火山活动基本停止,月球慢慢冷却下来。”吴波说,“过去美国、前苏联的着陆区都是在非常老龄的火山喷发后形成的玄武岩表面,嫦娥五号选择了着陆在一个更为年轻的区域。”
“我们通过遥感数据的研究,发现嫦娥五号着陆区的年龄可能只有15亿年左右。如果后续通过月壤样品的研究证实这一结果,将具有很大的科学意义,将能回答月球火山活动究竟是何时结束的?月球“发电机”是何时停止的?月球年代学模型是否需要校正等等关键问题。”吴波说。
更为年轻的着陆区域,为科研工作者研究月球的近期活动提供了新鲜的土壤。月球上是否还曾有过其他痕迹,将来能不能在月球上建立一个基地,作为中转站进行更加深远的探测……
每一个地点背后都有一种可能。
预选着陆区有难度
既然着陆区如此重要,那么要怎么精确圈定出着陆范围呢?测绘又能在其中起到怎样的作用呢?
着陆区的大范围一般会框定在边长几十千米或者几百千米内。
十年前协助嫦娥三号选取着陆点时,当时预选出了300千米×90千米的着陆区域,吴波团队要把预选着陆区内所有密密麻麻的撞击坑识别出来,还有数不清的石块也要识别出来,那些大小从厘米到米不等的石块,简直比繁星还要多。月球表面着陆点
当时还没能成熟应用人工智能(AI)技术,摄影测量虽然能够帮助生成三维地形数据,但没有办法自动识别这些物体,吴波请了十几个学生,在GIS软件里人工标记撞击坑与石块,光这一项工作,就花了好几个月时间,“效率非常低,但是不做又不行”。

吴波还告诉记者,相比在地球上的测绘,月球上最主要的困难是缺乏控制信息,没有精密的控制网,也没有GNSS帮助获取控制点,这为获取月表高精度三维地形带来困难。“上世纪60~70年代,美国实行阿波罗计划时,陆续在月球上放置了若干激光反射镜,这几个点相当于月球表面的绝对控制点。”
其次是月球重力场。水准面是重力场的等位面,对月球重力场了解的局限,直接影响月球大地水准面模型的建立。
以上是两个最直接、最明显的困难。还有就是测量方法的问题,由于月球的特殊性,在地球上的一些传统测量手段可能就会面临一些短板。
此外,光照也是不可忽视的问题,不仅影响图像的拍摄,由于月球没有大气层,对图像的后期处理也会与地球上不一样。
吴波团队将图像数据与激光测高数据进行融合处理,充分利用激光测量高程精度好、摄影测量平面精度高的优势,研发了多源遥感数据集成的月球三维测绘新技术,可一并处理不同来源和类型的遥感数据,构建高精度三维模型。吴波团队还研发了创新的影像明暗恢复形状方法,利用单幅图像与已有低分辨率三维模型进行逐像素的三维重建,生成高分辨率三维模型。这些技术已成功应用于嫦娥三号、四号、五号的着陆区地形地貌分析。
“除了传统的土地测量外,现代测量学利用地理信息系统、遥感技术、全球导航卫星系统等科技早已走出地球,进入太空。吴波以创新思维,突破传统三维测绘技术的瓶颈,再次让理大的科研成果登上国家舞台。”香港理工大学官网对此作出评价。
AI加持,星际探测更加智能
当年投入十数人,花费几个月时间去识别月表撞击坑和石块以协助嫦娥三号选取着陆点的窘境如今已得到大大缓解,这一切都依赖于近年来人工智能(AI)技术的飞速发展。
AI的加持,可正确自动识别90%的撞击坑,大大提高了效率,节省了人力。

“机器学习、深度学习可自动识别月球、火星表面的撞击坑,人所要做的工作,就是最后进行一遍筛选,查漏补缺,不再需要用眼睛一个个去识别、标注了,既提高了效率,也提高了准确度。”
“这是今后发展的趋势,我们希望AI能够越来越多地应用在测绘遥感领域中,这也是我们团队这些年来一直在做的工作。”吴波说。
香港理工大学在AI的研究和应用上走在前面。学校先后与阿里云成立联合研究中心,推动人工智能行业应用;与英国皇家艺术学院签署谅解备忘录,共同成立人工智能设计实验室;学校还开设了人工智能课程供学生选择,师生们的研究成果在首届全国人工智能大赛中荣获一等奖(全国仅两名)。
AI究竟有多智能?
仅以嫦娥五号探测器为例,中国探月工程首席科学家欧阳自远介绍说,嫦娥五号通过人工智能自主决策,着陆前在月球表面拍照,判断着陆点能否保证探测器四脚降落在一致的水平上。探测器“非常聪明,它一直在计算、挑剔,边走边找,最后作出判断和决策”。吴波与研究生在航天五院协助嫦娥四号探测器着陆分析
吴波团队就是协助航天五院,完成了着陆区地形地貌分析与着陆点评估选取这一探测任务中的重要环节。“嫦娥们”奔月着陆后,另一支重要的测绘力量中科院空天信息创新研究院便参与到月球车如何定位导航、如何行进等工作中来。

“希望更多测绘、遥感、GIS领域的工作者们奉献专业知识、技能到航天事业中来。”吴波说,“在这个过程中,测绘可以做很多事情。”
谈及与深空探测对应的学科发展和人才培养,吴波表示,欧美很多院校很早就有地球与行星科学系,也有很多学者从事行星测绘遥感的研究与教学工作,我国在这一块有些差距。
中国科学院大学(UCAS)于2018年在国内率先启动了建设行星学科作为一级学科的申请,并将地球科学学院正式更名为地球与行星科学学院。
“像坐飞机出国那样去到月球、火星”,这种体验或许未来不是梦。

一步一个脚印开启星际探测新征程
2月22日,习近平总书记会见探月工程嫦娥五号任务参研参试人员代表并参观月球样品和探月工程成果展览,充分肯定探月工程特别是嫦娥五号任务取得的成就。总书记强调,要弘扬探月精神,发挥新型举国体制优势,勇攀科技高峰,服务国家发展大局,一步一个脚印开启星际探测新征程,不断推进中国航天事业创新发展,为人类和平利用太空作出新的更大贡献。
在祖国宏大的星际探测新征程中,吴波和他的团队既像一颗螺丝钉,也像一颗闪亮的星,坚守岗位,迸发力量。
记者:“嫦娥工程”的后续任务,你们还会继续参与么?
吴波:我们现在也在协助航天五院为“嫦娥工程”的后续任务做准备。探月工程四期要在月球南极地区开展嫦娥六号采样返回、嫦娥七号极区综合勘察、嫦娥八号月球科研站关键技术验证等任务。由于月球南极的极端光照条件与地形地貌特征,我们要在前期工作的基础上,做进一步的创新性研发,利用测绘、遥感、GIS技术协助分析着陆区域,既考虑它的探测安全性,又考虑它的科学价值。我们也会继续参与后续的火星探测和小天体探测。
记者:对火星和小天体的探测,与嫦娥工程有什么不同?
吴波:虽然我们对月球的测绘困难重重,但毕竟也有很多年探测基础。但对火星尤其是小天体探测来说,测绘遥感很多方面还存在空白。
记者:大家对火星的探测还有一些了解,对小天体的探测,又是出于怎样的考虑呢?
吴波:我国对小天体(包括近地小行星和主带星)的探测将在2024年前后正式开始,届时会发射探测器进行小天体着陆或环绕探测。地球上水是从哪里来的,我们的生命是怎么形成的这些根本性的问题届时会不会得到回答,我们还不知道,但探测小天体是有价值的,为什么呢?小天体上可能有水冰和有机物质的存在,地球上的水有可能就是小行星撞击地球,通过大量的撞击带来的。小天体探测近年来非常火热,美国、日本的探测任务都已经从小行星带回了样本。
记者:从嫦娥工程到探测火星、小天体,测绘技术的发展方向和趋势是什么?
吴波:很多常规的测绘手段,是不能直接拿到月球、火星、小天体探测上来使用的,必须做改进。
例如,小天体非常小,形状不规则,自转速度快,它的测绘坐标系要怎么建立,图像要怎么获取,如何有效地进行三维建模,这些都是迫在眉睫的工作。
这些年来,我们一直在不断改进提升我们的技术,我们也希望有更多的单位参与到探测任务中来,大家集思广益,各展所长,为我们国家的航天深空探测贡献力量。
文 / 本刊记者 林溪 图 / 受访者提供
原标题:《中国测绘丨人类的未来在无限的太空中间——访香港理工大学土地测量与地理资讯学系教授吴波》
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