新技术实现前所未有的月球测绘精度

科学家们开发出了从阴影到形状的增强技术，大大提高了绘制月球表面地图的效率和准确性。这项创新为任务规划人员提供了更详细的地图，特别是对月球南极等具有挑战性的地形。这幅以月球表面的国际天文学联合会（IAU）302号环形山为特色的斜视图是阿波罗10号宇航员于1969年5月拍摄的。图片来源：美国国家航空航天局

布朗大学学者本杰明-博特莱特（Benjamin Boatwright）和詹姆斯-海德（James Head）的研究成果于5月28日发表在《行星科学杂志》（Planetary Science Journal）上，介绍了一种名为"从阴影到形状"（shape-from-shading）的绘图技术的改进。该技术用于创建月球地形的详细模型，勾勒出环形山、山脊、斜坡和其他地表危险。通过分析光线照射月球不同表面的方式，研究人员可以从二维图像的合成图中估算出物体或表面的三维形状。 

加强月球安全与探索

精确的地图可以帮助月球任务规划人员确定安全着陆点和科学兴趣区，使任务操作更加顺利和成功。

布朗大学地球、环境与行星科学系博士后研究员、新论文的第一作者博特莱特说："它能帮助我们更好地了解那里到底有什么。"我们需要了解月球表面光照不足的地形，比如月球南极的阴影区，NASA的阿耳特弥斯（Artemis）任务就瞄准了那里。这将使自主着陆软件能够导航并避开可能危及任务的危险，如大石头和巨砾。因此需要尽可能高分辨率的地表地形图模型，因为细节越多越好。"

伊纳不规则赤褐色斑块的现有模型（A、C、D）与研究中更详细、更清晰的阴影形状模型（B、E）的对比。资料来源：B.Boatwright，NASA/戈达德太空飞行中心/梅斯研究中心 简化绘图过程

然而，精确地图的绘制过程是劳动密集型的，在涉及复杂的光照条件、不准确的阴影解释和处理地形变化时有其局限性。布朗大学的研究人员对"从阴影看形状"技术的改进主要集中在解决这些问题上。

学者们在研究报告中概述了如何利用先进的计算机算法将大部分过程自动化，并显著提高模型的分辨率。研究人员说，新软件为月球科学家提供了工具，使他们能够以更快的速度绘制出包含更多细节的月球表面大图。 

月球绘图的先进技术

波特莱特说："从阴影到形状要求你使用的图像彼此完全对齐，这样一张图像中的特征在另一张图像中的位置就完全相同，这样才能建立起这些信息层，但目前的工具还不能让你随便给它一堆图像，它就能吐出一个完美的产品。我们采用了一种图像对齐算法，它能在一张图像中找出特征，并试图在另一张图像中找到相同的特征，然后将它们对齐，这样你就不必坐在那里手动追踪多张图像中的兴趣点，这需要花费大量的时间和脑力。"

研究人员还采用了质量控制算法和额外的过滤器来减少对齐过程中的异常值，这些工具可以确保对齐的图像匹配，并移除对齐效果不佳的图像。通过只选择最终可用的图像，这样可以提高质量，并将精度降低到亚米级分辨率。这样的速度还可以检查更大的表面区域，从而提高这些地图的制作水平。 

对比与未来应用

研究人员将他们绘制的地图与其他现有地形模型进行比较，寻找月球表面特征的差异或误差，以此评估地图的准确性。他们发现，与传统技术生成的地图相比，利用从阴影到形状的改进方法生成的地图更加精确，能显示月球表面地形更微妙的特征和变化。

在这项研究中，研究人员主要使用了月球轨道激光高度计和月球勘测轨道相机的数据，这些数据来自美国宇航局月球勘测轨道器上的仪器。

科学家们计划使用他们改进的"从阴影到形状"软件（shape-from-shading）制作月球地图，并希望其他人也能在建模工作中使用该软件。这也是他们使用开源算法制作该工具的原因。 

对月球探测的影响

曾参与阿波罗计划的布朗大学地质科学教授海德说："这些新的地图产品大大优于我们在阿波罗任务期间的探索规划，它们将极大地改进阿耳特弥斯和机器人任务的任务规划和科学回报。"

研究人员希望这一新工具能够提高美国国家航空航天局（NASA）和世界各地航天机构目前对月球科学和探索的兴趣。

博特莱特说："让所有人都能使用这类工具，可以获得大量信息。这是一种平等的科学方式"。

编译自/scitechdaily