1978年5月28日，美國總統(tǒng)國家安全事務(wù)顧問布熱津斯基訪問中國，并帶來了一份特別的禮物：質(zhì)量僅1克的月巖樣品。

這份樣品被一分為二：一半珍藏在北京天文館用于參觀；另外一半用于研究。

2021年2月22日，國家博物館官微消息稱，由中國嫦娥五號月球探測器（以下簡稱“嫦娥五號”）帶回的月壤(GB93484號藏品)，已運抵國家博物館，即將面向社會公眾展出。此時距離嫦娥五號帶回約1731克月球樣品并安全著陸過去了兩個月時間，距獲贈1克月巖樣品過去了43年。

現(xiàn)在，我們有了自己從月球帶回的月壤樣品！

作為我國目前為止復(fù)雜度最高、技術(shù)跨度最大的航天系統(tǒng)工程，嫦娥五號實現(xiàn)了我國首次月面采樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會對接、攜帶樣品再返地球等多項重大突破，其成功實施，標(biāo)志著于2004年正式啟動的探月工程“繞、落、回”三步走規(guī)劃如期圓滿完成。

時間回到2020年12月1日23時11分，嫦娥五號著陸器和上升器組合體在預(yù)選著陸區(qū)成功著陸。這個夜晚，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院（以下簡稱“空天院”）研究員邸凱昌的腦海依舊被嫦娥五號填滿，就像他帶領(lǐng)的行星遙感團(tuán)隊通宵達(dá)旦攻堅的每一個夜晚一樣。

嫦娥五號在月球著陸，邸凱昌和團(tuán)隊承研的圖像分析處理軟件為嫦娥五號預(yù)選著陸區(qū)制圖、著陸點定位、采樣區(qū)重建與分析、采樣定位等提供了數(shù)據(jù)產(chǎn)品和信息支持。

嫦娥五號月球采樣的向?qū)?/p>

嫦娥五號的整個任務(wù)過程，被劃分為多達(dá)11個階段，包括：發(fā)射入軌、地月轉(zhuǎn)移、近月制動、環(huán)月飛行、著陸下降、月球工作、月面上升、交會對接與樣品轉(zhuǎn)移、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移、再入回收。

在此項艱巨復(fù)雜的任務(wù)中，行星遙感團(tuán)隊研發(fā)了視覺定位與制圖技術(shù)軟件，并在北京航天飛行控制中心（以下簡稱“北京飛控中心”）直接應(yīng)用于任務(wù)運行。

任務(wù)結(jié)束后，北京飛控中心在對空天院的感謝信中寫到：“在任務(wù)準(zhǔn)備和實施過程中，貴單位承研的圖像分析處理軟件運行穩(wěn)定、計算準(zhǔn)確，在預(yù)選著陸區(qū)制圖、著陸點定位、采樣區(qū)重建與分析、采樣定位等過程提供了數(shù)據(jù)產(chǎn)品和信息支持；軟件研制人員一線定位、精心保障軟件穩(wěn)定運行，為任務(wù)的圓滿成功作出了貢獻(xiàn)。在此，對貴單位給予中心工作的大力支持和密切配合表示衷心的感謝！”

回憶起嫦娥五號成功著陸的場景，邸凱昌臉上仍會露出興奮激動之情。

而在嫦娥五號成功著陸月面當(dāng)天，伴隨邸凱昌的除了激動，更多的還是緊張，即便他已與中國探月工程相伴十多年。“現(xiàn)在，航天活動依舊是一項高難度、高風(fēng)險的活動。嫦娥五號在月球著陸之后，后續(xù)的一些關(guān)鍵節(jié)點，如進(jìn)行月面鉆探取樣、月壤抓取取樣、樣品封裝、月面起飛、月球軌道交匯對接、攜帶樣品返回地球等，這些都是中國首次嘗試。”

“嫦娥五號著陸時，我們在北京飛控中心參加任務(wù)，我們的首要工作是著陸點的定位和采樣區(qū)的評估，這些工作對于精度、可靠性和及時性要求都很高。”邸凱昌說。早在嫦娥五號發(fā)射之前，行星遙感團(tuán)隊研發(fā)了新的攝影測量平差和遙感制圖技術(shù)，制作了預(yù)選著陸區(qū)（413.8km×121.4km）分辨率為1.5m的無縫正射影像圖，并基于這個高分辨率大圖做了著陸區(qū)形貌分析，包括撞擊坑統(tǒng)計分析與地質(zhì)單元定年、月壤厚度估算等。

嫦娥五號著陸后，行星遙感團(tuán)隊成員與北京飛控中心同事一道，立即通過圖像匹配和視覺定位技術(shù)，使用降落相機(jī)序列圖像和之前制作好的軌道器正射影像底圖，第一時間確定了著陸器的位置，實現(xiàn)了著陸點的高精度定位。

嫦娥五號著陸區(qū)LROC NAC正射影像圖及著陸點定位結(jié)果

著陸點的高精度定位為上升器月面起飛及后續(xù)的交會對接提供了關(guān)鍵信息，同時，基于該著陸點定位結(jié)果的多源遙感影像分析能夠?qū)酉聛順悠返目茖W(xué)研究提供重要的地質(zhì)背景信息。

在月面作業(yè)期間，邸凱昌團(tuán)隊還基于視覺的月面采樣區(qū)快速分析以及采樣、放樣、裝罐、放罐過程的快速定位，為機(jī)械臂快速調(diào)整提供支持。“機(jī)械進(jìn)行采樣，達(dá)不到人的靈敏程度，因此需要對月面環(huán)境進(jìn)行分析判斷，獲取圖像數(shù)據(jù)后，地面控制站工作人員一同進(jìn)行分析，確定采樣點，發(fā)送指令采樣。完成采樣后，如何將樣品準(zhǔn)確放進(jìn)樣品罐，視覺定位技術(shù)提供了有力支撐。”邸凱昌介紹道。

用遙感技術(shù)進(jìn)行對地觀測對許多人來說并不陌生，據(jù)邸凱昌介紹，早在二十世紀(jì)五六十年代，遙感技術(shù)已開始應(yīng)用于月球和深空探測。

由于月球與地球環(huán)境大不相同，遙感技術(shù)在月球與地球的應(yīng)用上有許多不同之處。“由于月球衛(wèi)星軌道和姿態(tài)測量精度低、月球表面難以獲得控制點、月球無衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)施、月球無大氣因而影像受光照條件變化影響大等受限條件，月球遙感制圖及導(dǎo)航定位具有很大的挑戰(zhàn)和更大的難度。另外，由于應(yīng)用場景和需求的不同，月球遙感制圖與對地觀測制圖發(fā)展重點也不盡相同。”邸凱昌說。

隨著月球探測的深入開展，在月球嚴(yán)酷的環(huán)境中，月球探測工程和科學(xué)研究對更高精度、更高分辨率、更好覆蓋性、更高時效性的月球攝影測量與遙感技術(shù)和產(chǎn)品提出了新的需求。

雖然月球上的攝影測量與地球上的對地觀測存在很大不同，邸凱昌認(rèn)為二者存在著緊密聯(lián)系并且應(yīng)該相互促進(jìn)。“一方面，我們把地球上已有的技術(shù)和經(jīng)驗應(yīng)用到探月工程上，同時在解決月球上的應(yīng)用難題過程中，拓展攝影測量與遙感技術(shù)體系，反過來也可以支持?jǐn)z影測量技術(shù)的對地觀測應(yīng)用。”

“嫦娥五號工程任務(wù)完成得非常成功。對月球樣品的科學(xué)研究才剛開始。此次的著陸采樣區(qū)域是國際上從未踏足的地質(zhì)年齡相當(dāng)年輕的區(qū)域，對樣品的深入研究及與多源遙感數(shù)據(jù)綜合分析后將會陸續(xù)產(chǎn)生重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，非常值得期待。”對于此次探月之后的科學(xué)研究，邸凱昌滿懷期待。

從嫦娥三號到嫦娥五號，十年探月，砥礪前行

1985年，邸凱昌考入武漢測繪科技大學(xué)（后并入武漢大學(xué)）攝影測量與遙感專業(yè)。四年后，他開始攻讀碩士學(xué)位。碩士畢業(yè)后，邸凱昌在原地礦部航空物探遙感中心參加工作，三年后，他回到母校讀博，師從李德仁與李德毅兩位院士。讀博期間，邸凱昌跟隨李德仁院士去美國參加的一次國際學(xué)術(shù)會議讓他大開眼界，因而產(chǎn)生了出國深造的念頭，并得以在2000年成行。

他來到美國俄亥俄州立大學(xué)土木環(huán)境工程與測量系從事攝影測量與遙感研究工作，主要研究領(lǐng)域為高精度火星車定位導(dǎo)航與地形測圖、高分辨率衛(wèi)星幾何定位處理及海岸帶測圖等，期間他還參加了勇氣號和機(jī)遇號火星車探測任務(wù)，在火星車導(dǎo)航定位與地形制圖中發(fā)揮了重要的作用。自那時起，邸凱昌的科研事業(yè)風(fēng)生水起。

2008年，作為中科院“百人計劃”入選者，邸凱昌回到了祖國，到中科院遙感應(yīng)用研究所任研究員、博士生導(dǎo)師，并成立行星遙感團(tuán)隊（行星制圖與遙感實驗室）。

行星制圖與遙感實驗室有固定研究人員8名（其中研究員3名、副研究員3名和助理研究員2名），博士與碩士研究生近10名，是一個精干的團(tuán)隊。

彼時，中科院遙感應(yīng)用研究所及國內(nèi)測繪遙感界的遙感應(yīng)用基本都是對地觀測，對月球和行星遙感的研究和應(yīng)用十分薄弱。我國大力發(fā)展月球與深空探測，需要行星遙感的研究與應(yīng)用突破，機(jī)會與挑戰(zhàn)都擺在了邸凱昌面前。在這樣的情況下，邸凱昌與中國探月工程結(jié)緣，并一同走過了十多年時間。

在嫦娥三號和嫦娥四號月球著陸巡視任務(wù)中，邸凱昌帶領(lǐng)的行星遙感團(tuán)隊突破了大區(qū)域多源行星遙感數(shù)據(jù)高精度制圖、深空探測車視覺導(dǎo)航定位與環(huán)境感知關(guān)鍵技術(shù)。

邸凱昌參加嫦娥四號任務(wù)時的工作場景

在嫦娥三號、嫦娥四號工程中，技術(shù)和軟件成果在北京飛控中心業(yè)務(wù)化應(yīng)用于著陸點定位、地形重建、障礙識別、月球車導(dǎo)航定位等關(guān)鍵任務(wù)，為工程作出了重要貢獻(xiàn)，取得了重大社會效益。兩次任務(wù)中，邸凱昌與團(tuán)隊面對的還是多個“國內(nèi)首次”的挑戰(zhàn)，但他們頂住壓力，順利完成了任務(wù)：

例如，使用導(dǎo)航相機(jī)立體圖像，在月球車行駛過程的每個導(dǎo)航點，自動生成分辨率為0.02m的局部數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像圖（DOM），并在這些圖件的基礎(chǔ)上進(jìn)行地形分析和障礙識別，用于支持月球車路徑規(guī)劃。

再如，在獲取可全景立體圖像的某些停泊點，自動生成高分辨率DEM，用于表面特征分析和科學(xué)目標(biāo)選擇。像在嫦娥四號任務(wù)中，利用玉兔二號月球車全景相機(jī)立體圖像自動生成了三個停泊點處的三個0.05m分辨率的DEM，并根據(jù)視覺定位技術(shù)確定的月球車精確位置合并為一個更大的DEM（380×390m），這個DEM在著陸區(qū)地形演化的研究中發(fā)揮了重要作用。

高精度的月球車定位對于月球車路徑規(guī)劃和接近科學(xué)目標(biāo)至關(guān)重要。車載航位推算系統(tǒng)，包括車輪里程表和慣性測量單元，可以實時提供月球車的位置，但由于車輪打滑和慣性測量單元漂移會有較大的定位誤差。行星遙感團(tuán)隊開發(fā)了兩種視覺定位技術(shù)，即跨站點視覺定位和DOM匹配技術(shù)，利用導(dǎo)航相機(jī)圖像對月球車進(jìn)行高精度定位。

玉兔二號月球車前12個月晝的行駛路線圖

作為嫦娥三號備份星的嫦娥四號，首次在月球背面登陸與巡視勘察，但也與嫦娥三號有著多處不同。比如在著陸環(huán)境方面，嫦娥四號的著陸區(qū)為月球背面靠近南極的馮·卡門撞擊坑，著陸區(qū)在中低分辨率影像圖上遠(yuǎn)看比較平坦，但在高分辨率影像圖上看布滿大大小小的撞擊坑，崎嶇不平。因此，嫦娥四號的著陸和月面行駛具有更大的挑戰(zhàn)性。

嫦娥四號著陸區(qū)LROC NAC正射影像圖及著陸點定位結(jié)果

從嫦娥三號到嫦娥四號，邸凱昌與團(tuán)隊進(jìn)一步提升了算法的可靠性，并用更多數(shù)據(jù)進(jìn)行測試驗證，為月球車安全精確行駛保駕護(hù)航。

同時，從嫦娥三號到嫦娥四號，載荷的安置也發(fā)生了一些變化。為此，在嫦娥四號執(zhí)行任務(wù)中，行星遙感團(tuán)隊還完成了一次緊急的軟件功能“升級”。

嫦娥三號任務(wù)的玉兔號月球車與嫦娥四號任務(wù)的玉兔二號月球車在月球表面

執(zhí)行嫦娥四號任務(wù)的玉兔二號月球車，沒有可活動的機(jī)械臂來安裝光譜儀，因此紅外成像光譜儀固定安裝在月球車車體前部，由于光譜儀視場角很小，要對準(zhǔn)一個小的科學(xué)目標(biāo)（如石塊）進(jìn)行光譜探測需要移動和旋轉(zhuǎn)月球車整個車體，在一定距離之外做路徑規(guī)劃時一方面要在復(fù)雜的地形中精準(zhǔn)行駛到目標(biāo)物面前，還要保證光譜儀對準(zhǔn)目標(biāo)才能獲取光譜數(shù)據(jù)。如何更精確地進(jìn)行路徑規(guī)劃從而減少車體調(diào)整對準(zhǔn)目標(biāo)的次數(shù)？

針對這一新需求，團(tuán)隊成員與北京飛控中心反復(fù)研究，提出通過位置預(yù)測加視場投影的方法驗證和輔助路徑規(guī)劃。有了解題思路后，行星遙感團(tuán)隊馬不停蹄抓緊增加功能并調(diào)試，按照規(guī)劃路徑行駛時，根據(jù)車體的位置與姿態(tài)、車體固連的光譜儀的位置與視場角，提前預(yù)測能否達(dá)到目標(biāo)物面前即可精準(zhǔn)獲取其數(shù)據(jù)。這極大減少了光譜儀為對準(zhǔn)目標(biāo)物而調(diào)整整個車體的位置與姿態(tài)的動作。增加的預(yù)測功能，通過攝影測量投影和視覺定位技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了科學(xué)目標(biāo)探測的效率。

“大家頂著那么大的壓力，在一天的時間中趕出來這么一個功能，事實證明，這個功能非常重要，也很有效。”從邸凱昌平緩的語速中，卻依舊讓人感受到那時的緊張與成功的喜悅。

邸凱昌與團(tuán)隊的研制成果在嫦娥五號著陸、采樣的兩天時間中發(fā)揮了重要作用，為此，他們準(zhǔn)備了兩年。“雖然在嫦娥三號和嫦娥四號積累了經(jīng)驗，等到嫦娥五號時，我們依舊要解決多個‘首次問題’。開發(fā)算法后，我們進(jìn)行了大量的測試。”

“除了解決技術(shù)本身的難點，我們還完成了大量的軟件升級換代工作。與此同時，我們還在數(shù)字月球系統(tǒng)中進(jìn)行了大量的仿真模擬，多方面確保嫦娥五號任務(wù)的執(zhí)行。”邸凱昌介紹道。

而說到其中最難忘的事，邸凱昌抬起頭來，思緒似乎飛到了地球以外，飛到了月球甚至更遙遠(yuǎn)的宇宙。采訪中一直回答專業(yè)且迅速的他，短暫停頓，似有千言萬語，但只說了三個字：“太多了。”

從嫦娥三號到嫦娥五號，為了圓滿完成了任務(wù)，少不了“挑燈夜戰(zhàn)”。2020年，除了面對嫦娥五號探測實施的壓力，還要面對疫情的影響。“加班是常有的，在項目的一些關(guān)鍵節(jié)點以及遇到困難時，通宵也是常態(tài)。巨大的壓力下，人的情緒也會隨著項目節(jié)點發(fā)生變化，現(xiàn)在，大家已經(jīng)適應(yīng)了這個過程。經(jīng)過不斷地測試直至項目完成，那時候就會覺得所有付出都值得。”

“十年來，我們團(tuán)隊也鍛造成為一個技術(shù)過硬、團(tuán)結(jié)奮進(jìn)的團(tuán)隊，得到了各方面的認(rèn)可和贊許。”邸凱昌說。“團(tuán)隊的劉召芹博士在突破關(guān)鍵技術(shù)，組織大家完成開發(fā)軟件方面貢獻(xiàn)很大，成果突出，執(zhí)行嫦娥四號任務(wù)后他在空天院激烈的職稱評定競爭中晉升為研究員。”邸凱昌真心為團(tuán)隊成員的收獲感到高興。

為項目任務(wù)全力以赴的同時，邸凱昌也與團(tuán)隊成員、項目成員加深了信任。長期的協(xié)作不僅讓他們共同攻克項目難關(guān)，也讓他們在今后的科研中相互成就。

“我們團(tuán)隊的研究方向是行星遙感，或者叫深空探測遙感，遙感領(lǐng)域從事這個方向研究的人并不多，我們能夠始終堅持這個方向，面向國際學(xué)術(shù)前沿開展研究，面向國家重大需求開發(fā)行星遙感制圖與導(dǎo)航定位關(guān)鍵技術(shù)，為國家的重大工程作了一點小小的貢獻(xiàn)，我們很高興，也非常自豪。”邸凱昌保持了一貫的謙虛。

對于遙感技術(shù)在月球與深空探測國家重大工程中如何發(fā)揮作用，邸凱昌認(rèn)為，行星遙感技術(shù)的核心是要把多平臺（軌道器、著陸器、巡視器）獲取的多類型遙感數(shù)據(jù)（影像、光譜、激光測高等）處理轉(zhuǎn)換成有價值的信息產(chǎn)品，支撐工程任務(wù)實施和行星科學(xué)研究，提高探測能力和對行星的科學(xué)認(rèn)知水平。在行星數(shù)據(jù)—信息—知識的價值鏈條中，遙感處于中間位置。加強(qiáng)與前端數(shù)據(jù)獲取和后端行星科學(xué)研究的結(jié)合，行星遙感技術(shù)可以發(fā)揮更大作用。

在研發(fā)遙感制圖和視覺導(dǎo)航定位技術(shù)用于工程任務(wù)的同時，行星遙感團(tuán)隊利用嫦娥四號就位探測影像與光譜數(shù)據(jù)，在著陸區(qū)馮·卡門坑地形演化、著陸區(qū)礦物、著陸區(qū)太空風(fēng)化與月壤成熟度等方面取得多項成果和重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)，對于認(rèn)識月球背面地質(zhì)演化歷史和深部物質(zhì)具有重大意義，其研究成果還入選了國家航天局公布的嫦娥四號原創(chuàng)性成果。

“高光譜數(shù)據(jù)礦物反演和太空風(fēng)化分析等重要成果主要是我的學(xué)生芶盛博士做的，嫦娥四號在月球背面獲取的寶貴數(shù)據(jù)有力地促進(jìn)了我國行星遙感和行星科學(xué)領(lǐng)域青年人才的培養(yǎng)。”說起團(tuán)隊成員的科研成果，邸凱昌不吝肯定。

在深空探測中的更多作為

邸凱昌的辦公室，窗明幾凈，辦公桌上除了電腦還有月球儀和火星儀，旁邊提示板上是月球著陸區(qū)高分辨率影像圖，書柜里滿滿的書籍，書籍旁邊擺放著幾張月球探測器、探測器登陸月球留下的足跡的照片。采訪中，邸凱昌轉(zhuǎn)動月球儀、火星儀為記者講述他的“星辰征程”，他總能一下子找到月球與火星上相關(guān)的位置，娓娓而談。
邸凱昌領(lǐng)銜的行星遙感團(tuán)隊總的研究方向是行星遙感，下設(shè)四個具體的研究方向：行星攝影測量、行星表面遙感探測、行星地質(zhì)過程機(jī)理與比較行星學(xué)、遙操作環(huán)境感知與導(dǎo)航定位。

“概略地說，這四個具體方向分別解決在哪里(Where)、是什么(What)、為什么(Why)、什么探測(How)的問題，簡稱“3W1H”問題。”邸凱昌說。

其中第一和第四個方向的關(guān)鍵技術(shù)已成功應(yīng)用于嫦娥三號、四號和五號探月任務(wù)，也會應(yīng)用于天問一號火星探測任務(wù)中的著陸和巡視探測。

邸凱昌認(rèn)為，就像我們面前有一座山，人類自然地想去攀登、想去更高處看風(fēng)景的天性。科學(xué)家進(jìn)行行星科學(xué)的研究，一方面是出于好奇的天性，對于行星和宇宙的研究，拓寬人類認(rèn)知邊界的同時，也將提升對自身生活所在地球的認(rèn)知。

“與此同時，國家的航天工程作為一個系統(tǒng)化的工程，在支持科學(xué)探索的同時，無疑會促進(jìn)一系列戰(zhàn)略高技術(shù)的發(fā)展，并帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其中很多高技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用最終也會走進(jìn)千家萬戶的生活。而對月球和行星資源和能源的利用，在不遠(yuǎn)的未來也將不再僅存于科幻小說中。我們的研究，除了好奇心，更多的要面向任務(wù)需求。”邸凱昌說道。

國家航天局副局長、探月工程副總指揮吳艷華在新聞發(fā)布會上介紹到：“以嫦娥五號任務(wù)圓滿完成為起點，我國探月工程四期和行星探測工程將接續(xù)實施。”

目前，首次火星探測任務(wù)天問一號正在奔火的征程；嫦娥六號、七號、八號，小行星探測、火星取樣返回、木星系探測等工程任務(wù)也將按計劃陸續(xù)實施。”可以預(yù)見的是，邸凱昌與行星遙感團(tuán)隊的智慧與創(chuàng)造也將繼續(xù)伴隨我國月球和深空探測任務(wù)持續(xù)發(fā)光發(fā)熱。

面對未來，邸凱昌希望腳踏實地加強(qiáng)行星遙感關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用的同時，繼續(xù)開展比較行星學(xué)的研究。“比如，在技術(shù)方面，繼續(xù)提升月球車與火星車的智能化水平與感知能力，提升行駛的安全性與效率；在科學(xué)認(rèn)知方面，通過火星與地球形貌和演化的比較研究，深化對行星的科學(xué)認(rèn)識。”