月球測繪學分類及應用展望

萬 剛，叢佃偉，劉 磊

(航天工程大學，北京 101416)

0 引 言

月球是地球的唯一天然衛星，是人類深空探索的前哨站。人類對月球的探測大致分為三個階段：裸眼觀測階段、近代地基觀測階段和空間探測階段。1609年伽里略最早通過望遠鏡對月球進行觀測，并繪制出月球第一幅正面圖；1849年約翰·W·德雷珀使用天文望遠鏡拍攝了第一張月球可見光影像；1946年美國海軍首次利用地基雷達探測月球；1959年蘇聯發射的Lunar 2探測器成功撞擊在月球表面，成為人類首個月球探測器[1]。1969年美國Apollo 11在月球著陸，阿姆斯特朗踏出了人類在月球上的第一步。2004年我國的探月工程正式立項，按照“繞”、“落”、“回”、“勘”、“建”、“用”的實施計劃，至今已完成了四期探月任務，其中CE-4著陸器與巡視器完成了人類歷史上首次月球背面登陸與月表漫游。目前，中國、美國、俄羅斯、歐空局、日本、印度、英國、德國、以色列等國家均正在實施探月計劃，中、美、俄等航天強國均公布了建立永久性月球科研基地的計劃[2-3]。

在未來很長的一段時間內，月球仍然是人類深空探測的主要目標。雖然人類取得了一定的探月成果，但月球探測仍然是極具挑戰性與創新性的系統工程。月球測繪是月球探測的首要任務，是其他探月活動的基礎。在深空探測技術突飛猛進的背景下，月球測繪已形成了較為豐富的理論和技術成果，并極大地擴展了傳統地球測繪學的理論體系與技術方法，因此構建較為完善的月球測繪學理論體系顯得尤為必要。

本文首先參照傳統測繪學概念，給出了月球測繪學的完整定義。然后在分析月球測繪學與地球測繪學主要差異基礎上，重新梳理出月球測繪學包含的六個主要學科專業分類，并詳細介紹了每個學科專業的定義及國內外研究現狀。最后，對月球測繪學在五個主要應用領域的未來發展進行了展望。

1 月球測繪學概念

測繪學是人類認識和利用所生存空間的重要科學，目前，測繪學已橫向發展到地球空間信息學階段。隨著人類的活動范圍由近地空間擴展到深空，測繪學縱向朝著月球測繪以及行星測繪的方向快速發展。美國NASA在1966年提出了月面測繪的概念，國內學者最早在2004年提出了月球測繪學的概念[4]。半個世紀以來國內外學者圍繞著月球測繪做了大量的研究，取得了一定的學術成果。在此過程中，月球測繪學的概念和學科分類不斷演進，月球測繪的內涵與外延也變的越來越豐富。截至目前，學界尚未對月球測繪學進行具體的定義和學科分類，月球測繪學理論體系的研究與建立已變得迫在眉睫。

參照測繪學的概念[5]，本文嘗試給出月球測繪學定義：月球測繪學屬于深空測繪學的一部分，是在地月時空框架下研究測定月面及近月空間點的三維坐標，完成月球形狀、月球重力場等確定，獲取月球表面形貌和屬性信息，編制月球目標區域的空間信息成果，為月球探測與月球資源開發利用等活動提供基礎支撐的應用學科。月球測繪學和深空測繪學均由傳統測繪學演進而來，融合了測繪學、天文學、空間物理學等學科的知識，將測繪學的研究范圍由地球及近地空間拓展到月球及地月空間，也有學者將月球測繪學納入行星科學。

月球測繪學與地球測繪學有著共同的理論基礎，傳統地球測繪學豐富的學科內涵和技術方法為月球測繪學提供了強有力的支撐，但由于人類對月球與地球開發應用需求、月球與地球表面環境、探月裝備與常規地球測繪裝備等諸多方面均存在顯著差異，月球測繪學與地球測繪學主要有如下幾點差異：

1)測繪服務內容不同。人類短期內尚不能大規模、長周期在月面生存，無法形成人類圈，因此無需通過月球測繪方法建立適合人類生存和安全的保障系統，也就無需全盤照搬地球測繪體系到月球上，當前月球測繪主要服務于地球上人類進行月球探測任務和月球資源開發利用。

2)測繪裝備不同。受各種條件限制，無人化、智能化探測裝備在今后一段時間仍將是月球測繪的主要裝備。

3)測繪任務實施主體不同。月球測繪所需要的數據通常需要利用發射的各類月球探測器獲得，當前及今后一段時期，月球探測活動主要由國家或者大型組織主導實施，月球測繪任務實施的主體也主要由國家級科研機構主導。

4)測繪內容不同。地球測繪學屬于地球科學，月球測繪學屬于行星科學，由于月球與地球空間環境的巨大差異及人類月球探測的特殊應用需求，導致行星科學不需要按照地球科學那樣進行精細的分類，一些在地球科學中分屬其它學科的測繪內容也可以納入到月球測繪當中，如月球空間環境與月球地質等，因此兩者測繪內容存在差異。

2 月球測繪學分類及進展

月球測繪學的分類既要考慮到傳統測繪學的學科劃分，也要兼顧月球探測的特殊性。本文參考并擴展了傳統測繪科學的理論體系，將月球測繪學分為月球大地測量學、月球攝影測量學、月球遙感學、月球形貌學、月球空間環境學以及月球空間信息學。

2.1 月球大地測量學

月球大地測量學是研究月球表面及近月空間點位測定、月球形狀及大小、月球時空基準建立與維持、月球重力與磁力場以及月球整體與局部運動變化的學科，是開展月球測繪相關研究的先決條件，是月球測繪學的基礎。國內的陳俊勇院士帶領團隊在2004年開展了月球大地測量學的研究，對月球坐標系、月球大地控制網、月球重力場等進行了總結[6-7]。

與地球大地測量不同，月球大地測量的基礎數據絕大部分來自于月球軌道探測器。少量的月面絕對控制點包括美國與蘇聯布設的5個激光反射器(A11,A14,A15,L1與L2)，用于地基對月激光測距觀測，測量精度可以達到厘米級。此外，由美國基于月表試驗包與落月艙布設的月面無線電發射機也用于地基VLBI干涉測量，測量精度可達米級，但由于發射機屬于主動設備需要持續供能，有效工作時間較短。現有月球大地控制網的主要數據來自于月球軌道探測的攝影測量加密控制點，相對位置精度可達十米或幾十米級。基于以上月面控制點，人類先后建立了阿波羅月球控制網、1994年統一大地控制網、1997年克萊門汀控制網、ULCN2005控制網等，其中ULCN2005水平精度為100 m至幾公里，垂直精度約100 m。由于月球背面缺少絕對控制點，因此以上月球控制網在月球背面的測量精度普遍較低。未來，我國將綜合應用嫦娥系列探測影像、激光高度計、月球激光測距和月球微波測距等手段建立新一代的全月控制網。我國月球空間基準現行標準為2013年發布的《中華人民共和國國家標準:月球空間坐標系(GB/T 30112-2013)》。地月空間的拉格朗日點作為引力平衡點，也是月球大地測量學的重要研究內容，其位置的精確測定對深空對地觀測與通訊均有著重要意義。

探月衛星的精密定軌需要精確的月球重力場參數；反過來，衛星軌道攝動精確測定后，能夠提高月球重力場參數精度[8]。當前月球重力主要通過對繞月飛行器的攝動觀測進行測量，方法有點質量法和球諧系數法等。2011年9月，美國發射的GRAIL探測衛星采用精度更高的衛-衛跟蹤模式，解算得到660階次重力模型GRGM660PRIM。我國基于嫦娥數據，研制了具有自主知識產權的重力場模型CEGM-01、CEGM-02[9]。月球磁場主要通過月球軌道器的磁力儀與電子反射計進行測量，NASA根據Lunar Prospector探測器的測量數據，繪制了人類第一幅月殼磁場圖，磁場的空間分辨率為4 km。在Apollo探月活動中，宇航員在月面使用重力儀與磁力儀多次測量了月球局部重力與磁力。迄今為止，所有探測結果均表明月球沒有全球性偶合磁場，且大部分區域磁場微弱。隨著空間運載能力的提升和月球基地的建設，未來將搭載月面測量設備進行局部區域的高精度重力與磁力測量。

2.2 月球攝影測量學

月球攝影測量學是利用月球軌道探測器或巡視器采集月球表面的多類型影像以及激光測高計等數據，對以上數據進行處理、量測，提取目標物幾何與物理信息，生成DOM、DEM、地形圖等測繪成果的學科。

月面攝影測量與傳統攝影測量的技術路線是一致的，主要包括建立影像的內外定向，建立核線影像，影像匹配、區域網平差以及DOM與DEM等數字成果的生產。由于月球表面是典型的非結構化場景且紋理匱乏，全月范圍內視角與光照等成像條件差異很大，因此月球攝影測量對圖像匹配算法提出了更高的要求。此外，與傳統攝影測量不同，月球影像的外定向初值無法使用GNSS等位姿傳感器獲取，常使用多普勒雷達、激光測距和脈沖星觀測等方式進行相片定位，使用恒星跟蹤儀進行定向。目前，月球攝影測量學的研究主要集中于月表大范圍制圖、多源數據匹配與平差、小范圍區域制圖與著陸器定位，以及基于巡視器影像的避障、導航與制圖技術等。

隨著嫦娥系列探測器的發射，我國也取得了豐碩的月球攝影測量成果。我國CE-1所搭載的激光高度計共獲取了月表約912萬個測高數據，所生成的數字高程模型CLTM-s的平面定位精度為445 m(1σ)，高程測量精度為60 m(1σ)。目前，美國LRO衛星的LOLA激光測高計性能最優，測距精度為0.5 m，共獲得2×109個月表高程點數據，生成的全月數字高程模型LDEM平面精度為20 m，高程精度為1 m；以及月表坡度圖、粗糙度圖等測繪產品。與月球影像生成的測繪產品相比，激光測高數據生成的月表DEM高程精度優、平面精度差、數據分辨率有限，因此多將二者結合可生成更高質量的月表測繪成果。

李春來團隊基于CE-1的120 m分辨率立體影像與激光測高數據生成了100 m～1.5 km分辨率的全月DOM與3 km分辨率的DEM，并制作了1∶250萬、等高距500 m的月球數字地形圖，高程精度與平面精度分別達到120 m(1σ)和192 m(1σ)；此后，基于CE-2同類數據制作了7 m分辨率的DOM以及分辨率優于30 m的月球DEM，通過降低探測器的軌道高度(由100 km降低為15 km)，獲取了“虹灣”區域1.3 m分辨率影像并制作了1.5 m分辨率的局部影像產品以及高分辨率局部地形數據，為CE-3的降落提供月表測繪依據[10]。邸凱昌團隊使用CE-3降落相機影像生成著陸區0.03 m分辨率的DOM并完成著陸器的精確定位，基于月兔巡視器所攜帶的全景相機、導航相機與避障相機，使用近景攝影測量與SLAM技術，獲取了漫游區域厘米與亞米級別的地形數據[11]。

未來，隨著我國新一代全月控制網的建立以及高性能傳感器的應用，我國月球攝影成果的精度與分辨率將進一步提高。此外，雖然LOLA數據生成的SLDEM分辨率低于我國產品，但由于80%以上格網中都有激光測高數據，因此SLDEM仍然是同類產品中的主要評價參考。未來將LOLA等數據與嫦娥系列所獲取的數據進行聯合處理將有效提高我國攝影測量產品的精度。

2.3 月球遙感學

月球遙感學是利用非接觸傳感器探測月球輻射或反射的電磁波特征，進行月球表面屬性與幾何信息的處理、提取、分析與應用的一門學科。月球遙感學是獲取月球形貌與構造信息的基本手段，對研究月球的形貌特征、地質構造、礦產分布以及月球演化具有重要的科學意義[12-13]。目前，月球遙感的研究主要集中于月球礦物反演、月表幾何特征提取與環境分析等。

根據不同的科學任務，月球探測器攜帶不同的傳感器完成對月遙感，常見載荷包括γ與X射線譜儀、激光測高計、測月雷達、多波段相機和成像光譜儀等。美國最新發射的LRO與LCROSS月球探測器使用多光譜相機生成全月多光譜影像，反演鈦鐵礦分布；使用中子探測器反演月壤中的氫元素分布；使用紫外成像光譜儀獲取月表永久陰影區域的光譜數據反演水冰含量[14]。法文哲團隊對LRO的InSAR數據進行分析，比較極區與非極區回波異常坑的統計特性，對月球極區存在水冰的觀點提出了新的挑戰[15]。我國CE-1使用干涉式成像光譜儀獲取了月表19%覆蓋的32通道多光譜影像，生成FeO等7種化學成分的分布專題圖以及斜長石等4種礦物的分布專題圖[16]；使用月表微波輻射計獲取月表溫度反演月壤厚度，估測氦-3資源儲量。CE-3的月兔巡視器搭載紅外成像光譜儀和粒子激發X射線譜儀研究月表物質成分。童小華團隊建立了多光譜等月球遙感設備的地面試驗場完成設備幾何檢校與輻射定標，提高遙感數據精度，并完成了著陸器遙感避障探測實驗，為我國探月工程提供重要支撐[17]。

此外，地基觀測也是月球遙感的重要手段。月球的地基觀測主要依靠地球表面的射電望遠鏡和天線網絡，可使用VLBI、VLA與VLBA等技術獲取月球發射或反射的微波，進行成像觀測、月球結構探測和月表物質反演。我國的深空探測雷達可以獲取月表30 m分辨率的遙感影像。美國的GEER地基成像雷達可獲取月球南極暗區距離向4 m分辨率、方位向5 m分辨率的遙感影像，并通過分析回波信號的極化率反演水冰含量[18]。

目前，月球遙感成果普遍缺少驗證信息，未來隨著載人登月任務的實施，結合月表采樣結果可大幅提高遙感結果的有效性；此外，融合多源月球遙感數據，結合大數據分析技術，將進一步提高月球遙感的解譯精度。

2.4 月球形貌學

月球形貌學是研究月球表面起伏形態、分布規律、內部物質結構、演化歷史和開發利用的學科，識別與劃分月球形貌類型是月球形貌學的基本研究任務[19]。月球的形貌特征主要由早期地質活動、外來天體撞擊、月面溫差，太陽風與宇宙射線等空間天氣因素導致，因此月球形貌學不僅可以揭示月球的形態特征與分布，還可為探究月球起源與演化提供依據。

月球形貌的分類主要可以分為基于形態特征的分類、基于地質類型的分類以及基于物質特征與年齡特征的分類等。月球形貌特征識別方法主要包括基于地形因子的識別法，遙感數據與地形綜合識別法以及人工判讀法[20]。月球形貌的研究成果主要集中于月球撞擊坑形貌特征的識別與分析、月球形貌構造區劃與月貌專題圖的編制。

早在20世紀70年代美國地質調查局就根據月球遙感影像與雷達探測數據編制了全月1∶500萬地質地貌圖。日本發射的Lunar-A探測器，通過在月球正/背面分別釋放貫入深度為0.915～1.525 m的月壤探針，記錄月震強度與傳遞時間，測量月球內部構造。康志忠團隊根據CE-1干涉成像光譜數據、DOM、DEM以及遙感分析結果編制了1∶250萬虹灣幅地質圖[21]。中國研究人員還根據CE-1與CE-2的微波探測數據繪制月壤厚度專題圖；根據“月兔1”與“月兔2”巡視器獲取的月表以下140 m和10 m深度的測月雷達數據繪制了局部區域的淺表層結構圖。目前程維明研究團隊正在綜合嫦娥系列已有成果編制全月覆蓋的“1∶250萬月球數字地質圖”和“1∶250萬月球構造圖”[22]。

由于月球地質構造與類型單元多是根據遙感反演結果推定的，缺少實地驗證，使得月球形貌解譯具有一定的不確定性。此外，內外營力對月球形貌的作用機理與影響，月球形貌與月球資源分布的耦合關系還需細致、深入的研究。

2.5 月球空間環境學

月球空間環境學是空間物理學的分支，主要利用月球空間飛行器探測和研究近月、地月空間中的物理過程及其對探月活動影響的學科，研究對象為大氣、電離層、重力場、磁場、宇宙射線、太陽風、微流星撞擊等空間現象，是在日地空間探測技術快速發展下誕生的一門新興學科[23]。

地月空間環境是月球探測器故障、測控與通信質量、宇航員健康以及月面活動安全的主要影響因素。早在Apollo探月時期，月球軌道探測器便搭載場和粒子傳感器進行了月球空間探測，此后美國的Lunar Prospector、WIND探測器分別在不同軌道對近月空間的等離子分布進行測量。日本的SELENE探測器攜帶磁場與等離子體測量儀獲取月表100 km處的太陽風等離子體參數，研究地月磁場的作用機理。歐空局支持的Lumio項目，通過在地月L2點對月球隕石撞擊閃光進行觀測，繪制微流星撞擊全貌。2016年我國成立了地球物理學會行星物理專業委員，月球空間環境的研究也進入了快速發展期。CE-1與CE-2攜帶太陽高能粒子探測器與太陽風離子探測器，對近月空間威脅衛星安全的高能粒子種類、通量與能譜進行測量，并對月球探測器的單粒子效應、衛星充電效應進行研究；通過對近月空間太陽風的速度、密度與溫度進行測量，研究其時間演化特征以及對月球的影響，發現了月球微磁層的存在[24]。此外，CE-1與CE-2還使用微波探測儀獲取全月的微波亮溫圖，研究月球表層與次表層的物理特征、能量交換與演化過程，在國際探月活動中具有里程碑意義[3]。CE-4的著陸器與巡視器分別攜帶中子/輻射劑量探測儀和中性原子探測儀，研究著陸區與巡視區的粒子輻射環境與月球大氣的形成機理，攜帶低頻射電譜儀探測日地空間的射電特征。王赤團隊基于嫦娥系列探測成果，對月球空間環境探測進行了系統的歸納與總結，具有重要參考價值[25]。

月球空間的環境要素是隨時空變化而相互影響的。目前受限于載荷性能、運載與通訊能力無法充分解譯，未來發展多要素綜合探測與數據分析技術，星載智能數據處理技術以及立方星低成本探測器技術將有效解決以上問題。

2.6 月球空間信息學

月球空間信息學是以月球和近月空間為主要研究對象，基于空間科學與信息科學的技術手段，存儲、處理、分析、表達和傳輸月球時空信息，研究月球空間各部分的作用機理、時空變換關系的學科。月球空間信息學研究主要集中于空間數據存儲與管理、空間數據服務與共享、多源異構數據的配準與融合、空間信息的分析與解譯，以及空間信息的可視化。研究成果包括月球空間信息系統以及月球虛擬仿真產品。

各國深空研究機構開發的數字月球平臺多屬于瀏覽級項目，主要功能是對月球表面形貌、遙感反演結果與語義等測繪成果進行顯示，便于用戶瀏覽與查詢相關數據，以NASA的Word Wind、Google公司的Google Moon、中國國家天文臺的Moon GIS Map等最具代表性。其中，空間數據的存儲、管理、共享與發布多是基于NASA的PDS(Planetary Data System)體系標準，該體系以其實用性、規范性與可擴展性得到了世界各國的支持[26]。此外，為了實現月球測繪數據的可視化與分析，NASA開發了mVTK可視化工具，實現了LRO等衛星數據的三維顯示、快速投影變換以及部分空間分析方法，并推出了具有一定空間分析功能的Moon Trek開源數字月球項目。與瀏覽級不同，平臺級產品除了數據管理與可視化外，還具有態勢推演、生成數據報告等功能，有較強的分析與擴展能力，以美國的STK(Satellite Tool Kit)軟件最具代表性，支持深空探測任務的設計、測試、發射、運行與任務應用，被各國深空探測機構廣泛使用。裝備級產品主要是面向特定應用場景，服務于模擬訓練的仿真系統，強調人員與裝備在高沉浸的環境中的操作與交互，是隨著VR/AR技術不斷發展起來的。NASA早在2010年使用VR技術對宇航員進行訓練。此后，NASA與三星基于AR技術合作開發了主動響應式重力卸載系統(Active Response Gravity Offload System)，用于人員在微重力環境下的艙外漫游訓練[27]。目前，NASA正組織NASA SUITS挑戰賽，使用AR技術為登月宇航服設計虛擬顯示系統，服務于宇航員艙外活動。2018年美國Astroreality公司推出了Lunar AR的月球模型與對應的APP，使用AR技術創建了一個具有交互式的3D月球復刻品，滿足天文愛好者與太空探索者對月表特征、探月活動的了解。

目前，我國還缺少類似STK的自主產品，月球空間信息系統在多源異構信息的管理與融合、月球數據與服務的共享、大數據可視化分析等方面的功能較弱。未來，機器學習、MR(Mixed Reality)等計算機視覺技術將會大幅改善現有系統性能。

3 月球測繪學應用領域

3.1 行星科學研究

宇宙天體起源演化是自然科學中的基本問題，是深空探測的首要科學目的。月球作為距離地球最近的行星，研究月球形貌、重力場、月質構造、月表元素與輻射特征分布等月球測繪成果將為地月起源以及其他行星演化提供重要支撐。

通過在月球背面進行低頻射電天文觀測，精確測量來自太陽、行星和其它宇宙天體電波信號，對研究天體演化具有重要科學意義。2019年1月3日，我國CE-4探測器在月球背面著陸，搭載低頻射電探測儀的三根5 m天線已開始工作，隨著觀測數據的積累與分析，未來會有新的成果展現出來。此外，利用月基與地基VLBI臺站組網觀測，凌日或凌大行星的河外射電源光線偏折、引力時延效應是地基基線的幾十倍，對廣義相對論引力理論的檢驗能力會大幅提升，對γ常數的測量精度也會比目前最好測量結果提高一個數量級[3]。

3.2 月面登陸點選擇及高精度著陸

月面登陸點選址及高精度著陸要綜合考慮月表地形、月壤厚度、著陸區光照與輻射環境、局部磁場與重力異常，以及探月任務性質等因素，需要月球攝影測量、月球大地測量、月球形貌、月球遙感以及空間環境等測繪成果的支撐。月球空間信息系統與仿真也可為登陸點選址提供空間分析手段，對著陸過程進行模擬推演。

近年來，月球登陸點的選址是各國月球探測器的主要目標[28]。日本SELENE使用地形測繪相機與激光高度計完成月表高精度測繪，并結合測月雷達完成月表2 km厚度的地質構造的分析，輔助月球重力場測量與月球登陸點選址[29]。美國的LRO衛星在低軌使用LOLA激光測高計與LROC月球軌道偵查相機等傳感器獲取登月備選區域的地形坡度、粗糙度以及區域高分辨率全色影像，此外使用紫外線等光譜設備與中子探測器分析月表的光照環境與元素分布，為登陸點選址提供依據[30]。我國CE-4登陸區選址時，通過分析月表500 m分辨率的DEM后初步選定9個平坦區域作為備選區，分別對備選區進行地質地貌、月殼與月壤厚度、月塵分布、溫度與光照環境、粒子輻射以及元素分布等因素分析后最終選擇艾特肯盆地中的S5作為登陸點[31]。

登陸器的高精度著陸普遍基于降落相機攝影測量成果與已有的高分辨DOM或DEM數據匹配的方式完成[32]。目前，高精度著陸多使用LRO衛星窄角度相機NAC獲取的月面影像攝影測量成果(影像分辨率為0.5～2.1 m)，以及LOLA激光測高計生成的數字高程模型(分辨率為20 m，局部區域優于1 m)，我國基于以上數據完成CE-3登陸器20 m精度的定位，輔助著陸控制。

未來，隨著新一代的月球大地控制網的建立，以及高性能傳感器的應用，月球測繪可以為登陸點選址與著陸提供高精準、全面的信息保障。

3.3 月球資源勘測

月球資源勘測是各航天大國的首要探月目標。測定月球資源的位置與規模需要月球地質與形貌、月球局部磁場、月球遙感反演結果以及月球空間信息等月球測繪成果的支撐。

由于月球基本沒有大氣，遙感探測時不需要進行大氣修正就可以獲得真實的光譜信息與溫度信息。因此，遙感是當前月球資源探測的主要手段。NASA使用LRO衛星所攜帶的7通道多光譜相機繪制了全月多光譜影像，用以研究月球資源尤其是鈦鐵礦分布。日本使用SELENE衛星所攜帶的熒光X射線分光計與光譜剖面儀測定月表巖石種類與元素分布。我國使用CE-1的微波探測器測量月壤的輻射亮度，反演月壤厚度并評估氦-3儲量[33]。除了軌道器遙感外，我國還使用CE-3所攜帶的月兔巡視器搭載紅外成像光譜儀和粒子激發X射線儀對月表Mg,Al,Si等11種元素進行勘測。月表還有豐富的太陽能資源，月球范圍內的太陽輻射大約是12 Mkw，月球測繪中的月球光照分布、數字地形等成果可以有效輔助月表光伏發電站的選址與建設。

目前，由于缺少月表采樣分析，基于遙感的資源勘測結果的有效性還需進一步驗證。未來，新一代月球大地基準的建立、載人登月以及月面基礎設施的完善將有效提高月球資源儲量與分布的測定精度，提高資源勘測與利用的水平。

3.4 月球基地及月基天文臺建設

建立月基設施是各國未來探月活動的核心任務。月球攝影測量、月球遙感以及月球空間環境信息可以為月基設施建設提供地形、溫度、光照、輻射防護等環境信息支撐[34]。高精度月球大地基準可有效保障月基設施的選址與施工。月球信息系統與仿真可為月基設施的建設提供方案模擬與分析。

目前，美國、俄羅斯、日本與印度等國家均公布了月球基地建設計劃。2016年我國提出在月球南極建設和運營人類首個標志性共享平臺和基礎設施的建議，國際月球科研站建設提上日程[3]，2030年前將實現長時段、較大規模的科學探測、技術試驗與月球資源開發利用；2045年前實現全面、大規模的科學探測、技術試驗與月球資源開發利用，實現人類長期駐留，完成月球基地建設。我國研究人員也通過對月球南極區域的地形、光照、輻射環境與通信條件等綜合因素分析，探索月球基地的選址方法。

月球自轉周期長、無全球磁場、大氣密度比地球大氣密度低14個數量級，月基天文觀測優勢明顯。美國和歐洲均計劃在月面或中繼衛星上建立觀測站，對數十個地球半徑范圍內的物理現象開展遙感測量，并長期獲取地球圈層宏觀數據[3]。我國CE-3探測器搭載的極紫外相機曾對地球等離子電子層變化進行了觀測[35]。此外，月基平臺每天可觀測地球的所有區域，且每個區域1天內的連續觀測時間不少于10 h，不足之處在于現有月基平臺對地球云量和植被指數等的分辨率僅為1 km。

未來，隨著我國月球基準觀測系統以及新一代月球控制網的建立，我國將打破美國在深空測繪基準上的壟斷與封鎖，為月基設施建設提供更加準確的行星歷表、歲差、章動參數與空間坐標系等時空基準。

3.5 月面無人平臺定位及導航

月面無人平臺是月球近距離與接觸式探測的主要手段。月面無人平臺的自主定位與導航主要有慣性定位導航、無線電定位導航、天文定位導航與視覺定位導航等[36]。

慣性定位導航因受積累誤差的影響，不適合長距離、長時間運行，可通過引入月基天文觀測數據與地形數據等位置信息降低積累誤差[37]；無線電定位導航一般需要月面無人平臺主動發射電磁波，多用于登陸器與巡視器之間的相對定位，定位導航精度較低，可使用地基射電望遠鏡與VLBI技術對登陸器進行定位跟蹤，結合10 m分辨率的著陸點地形圖，最終實現月球車10 m精度的定位[38]。天文導航的主要觀測對象是太陽或其他恒星，可在其他導航方式失效時為月面無人平臺提供位置和姿態信息，但天文定位定向需要車輛在靜止下進行觀測，因此多與慣性導航與視覺導航結合使用；視覺導航以SLAM為主要方法，同樣面臨誤差累計的問題，可使用月球地形特征匹配與月球大地控制信息，結合多傳感器融合算法與神經網絡算法降低SLAM的積累誤差，導航精度為分米級[39-40]。此外，月球仿真系統可為無人機平臺的定位與導航算法提供逼真的模擬與測試環境。

4 結 論

測繪學是人類認識與改造生存空間的基礎，隨著人類深空探測技術的發展，測繪科學必將從認知地球表面與地球臨近空間發展到認知月球乃至深空。月球測繪學是測繪學的最新發展，是研究地月空間信息獲取、處理、描述和應用的一門綜合性學科，是人類深空探測的基礎。

本文對月球測繪學概念進行了溯源與拓展，重新梳理了月球測繪學學科專業分類，并對月球測繪學在五個主要應用領域的未來發展進行了展望。月球測繪是我國爭奪制天權、維護空間秩序、捍衛國家核心利益與和平開發月球的重要前提。月球測繪是一項國家級的戰略工程，我國應盡快開展月球測繪學科體系研究與關鍵技術攻關，形成完整的月球測繪保障體系，培養一支月球測繪學科專門人才隊伍，積極開展月球基準和月球信息系統建設，構建月球數字化測繪空間，加大力度開展月基天文臺、全月面測繪、地月空間環境體系等應用研究，為探月工程和其他深空探測任務的進行提供強有力的基礎保障。