4月24日，中國首幅火星全球彩色影像圖在第八個中國航天日問世。這是中國首次火星探測任務中“濃墨重彩”的一筆。

實體分布圖（國家航天局供圖）

天問一號環繞器中分辨率相機從2021年11月至2022年7月歷時約8個月，對火星表面實施284軌次遙感成像，實現了火星全球覆蓋。在此基礎上，地面應用系統對獲取的14757幅影像數據進行處理，得到空間分辨率為76米的“全火圖”。

魯賓遜投影圖（國家航天局供圖）

基于這幅高分影像圖，著陸點附近大量的地理實體被識別出來。國際天文聯合會根據相關規則，將其中的22個地理實體以中國人口小于10萬的歷史文化名村名鎮如西柏坡、古絳、漠河等加以命名，將中國標識永久刻印在火星上。

那么，“全火圖”最大的亮點是什么？上萬幅圖片如何拼出這幅火星“彩照” ？拼出這幅圖曾遇到過什么樣的難題？《中國科學報》獨家專訪了天問一號副總設計師兼地面應用系統總指揮、中國科學院國家天文臺研究員李春來，地面應用系統總設計師劉建軍和地面應用系統副總設計師任鑫。

全火圖的“兩大亮點”

《中國科學報》：請談談中國首次發布火星全球彩色影像圖的意義。

李春來：這標志著天問一號任務第一步實現火星環繞、著陸和巡視探測的工程目標和科學目標圓滿完成。它將為國際同行開展火星探測和科學研究提供質量更高的基礎底圖和原始數據。

《中國科學報》：這幅火星全球圖最大的亮點是什么？

李春來：這幅火星全球影像圖是用我國天問一號軌道器中分辨率相機獲得的圖像制作的。影像圖有兩個亮點：一是分辨率高；二是顏色真。

首先，它的像素分辨率達到76米。目前，國際上已有4個100%覆蓋全球表面的火星全球影像圖，其中最高分辨率只有232米。天問一號軌道器中分辨率相機在8個多月的時間內，獲取了14757幅圖像，其中11596幅圖像即100%覆蓋了火星表面，其像素分辨率為57～120米。采用平均分辨率76米制作的火星全球影像圖在分辨率上是之前圖像3倍多，因此是目前世界已公布的分辨率最高的火星全球彩色影像圖。

同時，火星表面到底是什么樣的顏色，一直說不清，加上火星有大氣，也會影響色彩感觀。在火星圖像的處理過程中，我們進行了非常詳細的大氣校正，尤其是對于顏色的校正。我們使用了火星礦物光譜儀測量的火星表面真實的光譜數據，來校正中分辨率相機的圖像數據，使得全球影像圖的顏色最大限度地接近火星的真實顏色?？梢哉f這個火星全球影像圖是個真彩色的影像圖。

四年攻克四大難題

《中國科學報》：火星全球影響圖是如何用上萬幅圖片拼成的？

任鑫：火星全球彩色影像圖的制作是一個非常復雜的過程，需要攝影測量與遙感、計算機圖形圖像、制圖學、地貌學、色彩學、光譜學等多學科專業知識的交叉融合，非常具有挑戰性，也遇到了非常多的技術困難。

我們從2019年4月就開始了火星全球彩色影像圖的研制工作，2021年11月前完成了數據處理算法試驗和軟件的研制和準備，2022年7月前通過部分在軌數據分析，制定了數據處理方案和流程，到2023年4月完成了全火圖的數據生產和質量檢查，整個過程歷時4年時間。

《中國科學報》：制作這幅圖像時遇到了怎樣的挑戰？是如何克服的？

劉建軍：全火星數據處理和制圖的技術困難和挑戰主要有四個方面。

一是多變的成像條件對成像質量產生了顯著的影響?；鹦侵車\罩著大氣層，經常伴隨有各種沙塵活動，還會出現云等天氣現象，這使得中分辨率相機圖像中包含了大氣、沙塵和云等的反射信息。另外，由于拍攝的時間不同，成像時刻的太陽高度角也不同。這些因素使得原始圖像的顏色、亮度、清晰度、對比度等受到不同程度的影響，在相鄰圖像之間存在明顯差異，而且這些差異會隨著成像季節、地理緯度、成像時刻的不同而變化。我們通過建立適用于中分相機的大氣校正和光度校正模型，改善了這些影響。

二是缺乏火星顏色的定量化認識?？茖W家普遍認為火星為一顆“紅色”星球，也利用維京號軌道器遙感數據制作了空間分辨率232米的火星全球“彩色”影像圖，但是該顏色并不是嚴格意義上的“真彩色”圖像（光譜并非嚴格的紅綠藍），因此火星的準確顏色到底是什么，我們并沒有準確的概念。中分辨率相機是一個彩色相機，上天前我們采用國際標準照明委員會標準色度學CIE標準在地面進行了顏色標定，尤其是使用了另一臺有效載荷——火星礦物光譜儀測量的火星表面的真實光譜數據，對中分辨率相機的圖像數據進行了顏色校正，使得全球影像圖的顏色最大限度地接近火星表面的真實顏色，提高了人類對火星真實顏色的定量化認識，這是制作“真彩色”火星全球影像圖關鍵步驟之一。

三是相比地球和月球，火星軌道測量精度低，而且沒有高精度火星位置基準，如何實現全火星圖像在全球范圍的像素級“無縫”鑲嵌，是一大技術難題。由于火星軌道器的測控距離最遠達到了約4億公里，軌道測量精度只有幾百米到幾公里，使得中分相機原始影像在火星地表的位置偏差達到了幾個到幾十個像素，有些地方甚至達到了幾百個像素。我們采用了光束法平差技術，將火星全球作為一個整體平差網絡，對原始軌道測量數據進行了優化，使得中分相機圖像的位置偏差降低到了一個像素以內，實現了像素級的“無縫”鑲嵌。同時，采用最小二乘平差技術，在全球范圍內對所有參與全球制圖的圖像數據進行勻色處理，提高了火星全球“一張圖”的整體品質。

四是數據質量的嚴格控制。2021年11月至2022年7月，中分辨率相機共獲得了14757幅圖像，這些影像數據實現了火星全球的多次覆蓋。我們制定了數據優選策略，建立了嚴格的質量檢查體系，從中篩選了質量和分辨率最優且可以實現火星全球100%覆蓋的數據，數據處理過程中對于位置偏差、顏色偏差、亮度和對比度偏差、紋理細節等進行了多級檢查，確保了全球影像圖的質量水平。

《中國科學報》：此次國際天文聯合會以22個中國歷史文化名鎮名村命名的火星上地理實體位置大致位于火星什么地方？這是否是中國地理命名首次登上火星？

任鑫：此次以22個中國歷史文化名鎮名村命名的火星地名都在祝融號火星車著陸點附近，位于火星北半球，烏托邦平原南部。天問一號（祝融火星車）著陸點的地理位置是東經109.9，北緯25.1，這一經緯度值類似于廣西桂林市在地球上的位置。這些地名包括了1個方山、2個溝、3個穹丘和16個環形坑。

除了我國開展自主命名的火星地名之外，此前火星上還有24個與中國相關的地名，這些地名最早是在1973年為體現火星地名國際化而由國際天文聯合會命名的。

東西半球正射投影圖（國家航天局供圖）

展示三大能力提升

《中國科學報》：從2008年11月嫦娥一號拍攝的中國第一幅全月球影像圖到今天的第一幅火星全球影像圖。您如何看待這15年來中國深空影響探測方面的技術進步？

李春來：我國的深空探測從月球走向火星，研制的月球和火星全球影像圖是這15年來中國深空探測科學和技術進步的一個縮影。

2008年11月，我國發布嫦娥一號120米分辨率全月球影像圖；2012年2月，發布迄今世界上分辨率最高的嫦娥二號7米分辨率全月球影像圖；2019年1月，嫦娥四號獲得世界第一張近距離拍攝的月背影像圖；今天我們發布了76米分辨率火星全球影像圖。這一過程體現了我國深空探測整體技術水平和科研實力的躍升。

一是地外天體科學數據獲取能力大幅提升?；鹦黔h繞器既要完成火星車的中繼通信，又要完成全球遙感探測，多任務規劃、多任務軌道設計極其復雜，有效載荷技術也得到了跨越式的發展；

二是行星際測控和通信能力提升。從地月距離38萬千米到地火距離最遠4億千米，相比月球，地球與火星之間最遠通信距離增加了1000倍。同等條件下，地火之間的信號強度降低到地月之間的100萬分之一。通過多面天線組陣測控和異地組陣數據接收等技術，我們實現了4億公里遠時2Mbps的高效數據接收，有效保障了火星探測數據的接收。

三是探測數據處理和研究能力的提升。從月球到火星圖像的處理，體現了很多數據處理和研究能力的提升，包括行星圖像校正、幾何定位、拼接鑲嵌、全球平差等。為確保圖像色彩真實，我們采用了譜分辨率更高的多光譜數據對中分相機數據進行了色彩校正，獲得了火星“真彩色”的全球影像圖。

《中國科學報》：如何看待火星全球影像圖對于下一步火星探測的意義？

李春來：此次全球影像圖基于攝影測量原理制作而成，實現了影像圖與火星表面特征地物之間空間幾何位置的嚴密一致，為后續火星探測任務提供了一個全新的、高精度的控制網，能夠為火星地形地貌分析、地質演化歷史研究等提供準確的位置信息。76米的高分辨率使它能夠識別更加精細的火星表面細節，為后續火星探測任務科學目標選取、探測路徑規劃等提供支撐。與現有火星影像圖進行對比分析，能夠為火星表面形貌時變特征研究等提供參考。

墨卡托投影加方位投影圖（國家航天局供圖）

(《中國科學報》記者甘曉、王敏對本文亦有貢獻)