摘 要： 根据月球测绘的研究现状及发展趋势，对月球测绘学的概念进行了溯源与拓展。在分析月球测绘学与地球测绘学主要差异基础上，从传统测绘学科分类角度出发，综合考虑月球测绘学特殊性，重新梳理出月球测绘学主要学科专业分类，并详细介绍了每个学科专业的定义及国内外研究现状，给出了月球测绘学的五个主要应用领域及其应用展望。我国应尽早开展月球测绘理论与技术研究，形成完整的月球测绘学科体系，能够有力地促进我国空间科学技术的发展，保障后续探月工程的顺利实施。
关键词 : 月球测绘;月球探测;月球大地测量;月球摄影测量;
Abstract： According to the latest progress of the lunar surveying and mapping, this paper focuses on the discipline system of the lunar surveying and mapping. The concept of lunar surveying and mapping theory is traced and expanded. The lunar surveying and mapping has many differences with the earth surveying and mapping. This paper reconstructs the classification of the lunar surveying and mapping by considering the classification of the earth surveying and mapping as well as the particularity of the lunar surveying and mapping. The main discipline classifications are listed. The definition and research status of each discipline is sorted out in detail. Finally, five application areas of lunar surveying and mapping are prospected in this paper. It is necessary to make research on the theory of the lunar surveying and mapping. An integrated discipline system of the lunar surveying and mapping needs to be formed as soon as possible. This work will promote the development of space science in China and guarantee the implementation of the follow-up lunar exploration projects.
Keyword： Lunar surveying and mapping; Lunar exploration; Lunar geodesy; Lunar photogrammetry;
0 、引 言
月球是地球的唯一天然卫星，是人类深空探索的前哨站。人类对月球的探测大致分为三个阶段：裸眼观测阶段、近代地基观测阶段和空间探测阶段。1609年伽里略最早通过望远镜对月球进行观测，并绘制出月球第一幅正面图；1849年约翰·W·德雷珀使用天文望远镜拍摄了第一张月球可见光影像；1946年美国海军首次利用地基雷达探测月球；1959年苏联发射的Lunar 2探测器成功撞击在月球表面，成为人类首个月球探测器[1]。1969年美国Apollo 11在月球着陆，阿姆斯特朗踏出了人类在月球上的第一步。2004年我国的探月工程正式立项，按照“绕”、“落”、“回”、“勘”、“建”、“用”的实施计划，至今已完成了四期探月任务，其中CE-4着陆器与巡视器完成了人类历史上首次月球背面登陆与月表漫游。目前，中国、美国、俄罗斯、欧空局、日本、印度、英国、德国、以色列等国家均正在实施探月计划，中、美、俄等航天强国均公布了建立永久性月球科研基地的计划[2,3]。
在未来很长的一段时间内，月球仍然是人类深空探测的主要目标。虽然人类取得了一定的探月成果，但月球探测仍然是极具挑战性与创新性的系统工程。月球测绘是月球探测的首要任务，是其他探月活动的基础。在深空探测技术突飞猛进的背景下，月球测绘已形成了较为丰富的理论和技术成果，并极大地扩展了传统地球测绘学的理论体系与技术方法，因此构建较为完善的月球测绘学理论体系显得尤为必要。
本文首先参照传统测绘学概念，给出了月球测绘学的完整定义。然后在分析月球测绘学与地球测绘学主要差异基础上，重新梳理出月球测绘学包含的六个主要学科专业分类，并详细介绍了每个学科专业的定义及国内外研究现状。最后，对月球测绘学在五个主要应用领域的未来发展进行了展望。
1 、月球测绘学概念
测绘学是人类认识和利用所生存空间的重要科学，目前，测绘学已横向发展到地球空间信息学阶段。随着人类的活动范围由近地空间扩展到深空，测绘学纵向朝着月球测绘以及行星测绘的方向快速发展。美国NASA在1966年提出了月面测绘的概念，国内学者最早在2004年提出了月球测绘学的概念[4]。半个世纪以来国内外学者围绕着月球测绘做了大量的研究，取得了一定的学术成果。在此过程中，月球测绘学的概念和学科分类不断演进，月球测绘的内涵与外延也变的越来越丰富。截至目前，学界尚未对月球测绘学进行具体的定义和学科分类，月球测绘学理论体系的研究与建立已变得迫在眉睫。
参照测绘学的概念[5],本文尝试给出月球测绘学定义：月球测绘学属于深空测绘学的一部分，是在地月时空框架下研究测定月面及近月空间点的三维坐标，完成月球形状、月球重力场等确定，获取月球表面形貌和属性信息，编制月球目标区域的空间信息成果，为月球探测与月球资源开发利用等活动提供基础支撑的应用学科。月球测绘学和深空测绘学均由传统测绘学演进而来，融合了测绘学、天文学、空间物理学等学科的知识，将测绘学的研究范围由地球及近地空间拓展到月球及地月空间，也有学者将月球测绘学纳入行星科学。
月球测绘学与地球测绘学有着共同的理论基础，传统地球测绘学丰富的学科内涵和技术方法为月球测绘学提供了强有力的支撑，但由于人类对月球与地球开发应用需求、月球与地球表面环境、探月装备与常规地球测绘装备等诸多方面均存在显着差异，月球测绘学与地球测绘学主要有如下几点差异：
1)测绘服务内容不同。
人类短期内尚不能大规模、长周期在月面生存，无法形成人类圈，因此无需通过月球测绘方法建立适合人类生存和安全的保障系统，也就无需全盘照搬地球测绘体系到月球上，当前月球测绘主要服务于地球上人类进行月球探测任务和月球资源开发利用。
2)测绘装备不同。
受各种条件限制，无人化、智能化探测装备在今后一段时间仍将是月球测绘的主要装备。
3)测绘任务实施主体不同。
月球测绘所需要的数据通常需要利用发射的各类月球探测器获得，当前及今后一段时期，月球探测活动主要由国家或者大型组织主导实施，月球测绘任务实施的主体也主要由国家级科研机构主导。
4)测绘内容不同。
地球测绘学属于地球科学，月球测绘学属于行星科学，由于月球与地球空间环境的巨大差异及人类月球探测的特殊应用需求，导致行星科学不需要按照地球科学那样进行精细的分类，一些在地球科学中分属其它学科的测绘内容也可以纳入到月球测绘当中，如月球空间环境与月球地质等，因此两者测绘内容存在差异。
2 、月球测绘学分类及进展
月球测绘学的分类既要考虑到传统测绘学的学科划分，也要兼顾月球探测的特殊性。本文参考并扩展了传统测绘科学的理论体系，将月球测绘学分为月球大地测量学、月球摄影测量学、月球遥感学、月球形貌学、月球空间环境学以及月球空间信息学。
2.1 、月球大地测量学
月球大地测量学是研究月球表面及近月空间点位测定、月球形状及大小、月球时空基准建立与维持、月球重力与磁力场以及月球整体与局部运动变化的学科，是开展月球测绘相关研究的先决条件，是月球测绘学的基础。国内的陈俊勇院士带领团队在2004年开展了月球大地测量学的研究，对月球坐标系、月球大地控制网、月球重力场等进行了总结[6,7]。
与地球大地测量不同，月球大地测量的基础数据绝大部分来自于月球轨道探测器。少量的月面绝对控制点包括美国与苏联布设的5个激光反射器(A11,A14,A15,L1与L2),用于地基对月激光测距观测，测量精度可以达到厘米级。此外，由美国基于月表试验包与落月舱布设的月面无线电发射机也用于地基VLBI干涉测量，测量精度可达米级，但由于发射机属于主动设备需要持续供能，有效工作时间较短。现有月球大地控制网的主要数据来自于月球轨道探测的摄影测量加密控制点，相对位置精度可达十米或几十米级。基于以上月面控制点，人类先后建立了阿波罗月球控制网、1994年统一大地控制网、1997年克莱门汀控制网、ULCN2005控制网等，其中ULCN2005水平精度为100 m至几公里，垂直精度约100 m。由于月球背面缺少绝对控制点，因此以上月球控制网在月球背面的测量精度普遍较低。未来，我国将综合应用嫦娥系列探测影像、激光高度计、月球激光测距和月球微波测距等手段建立新一代的全月控制网。我国月球空间基准现行标准为2013年发布的《中华人民共和国国家标准：月球空间坐标系(GB/T 30112-2013)》。地月空间的拉格朗日点作为引力平衡点，也是月球大地测量学的重要研究内容，其位置的精确测定对深空对地观测与通讯均有着重要意义。
探月卫星的精密定轨需要精确的月球重力场参数；反过来，卫星轨道摄动精确测定后，能够提高月球重力场参数精度[8]。当前月球重力主要通过对绕月飞行器的摄动观测进行测量，方法有点质量法和球谐系数法等。2011年9月，美国发射的GRAIL探测卫星采用精度更高的卫-卫跟踪模式，解算得到660阶次重力模型GRGM660PRIM。我国基于嫦娥数据，研制了具有自主知识产权的重力场模型CEGM-01、CEGM-02[9]。月球磁场主要通过月球轨道器的磁力仪与电子反射计进行测量，NASA根据Lunar Prospector探测器的测量数据，绘制了人类第一幅月壳磁场图，磁场的空间分辨率为4 km。在Apollo探月活动中，宇航员在月面使用重力仪与磁力仪多次测量了月球局部重力与磁力。迄今为止，所有探测结果均表明月球没有全球性偶合磁场，且大部分区域磁场微弱。随着空间运载能力的提升和月球基地的建设，未来将搭载月面测量设备进行局部区域的高精度重力与磁力测量。
2.2 、月球摄影测量学
月球摄影测量学是利用月球轨道探测器或巡视器采集月球表面的多类型影像以及激光测高计等数据，对以上数据进行处理、量测，提取目标物几何与物理信息，生成DOM、DEM、地形图等测绘成果的学科。
月面摄影测量与传统摄影测量的技术路线是一致的，主要包括建立影像的内外定向，建立核线影像，影像匹配、区域网平差以及DOM与DEM等数字成果的生产。由于月球表面是典型的非结构化场景且纹理匮乏，全月范围内视角与光照等成像条件差异很大，因此月球摄影测量对图像匹配算法提出了更高的要求。此外，与传统摄影测量不同，月球影像的外定向初值无法使用GNSS等位姿传感器获取，常使用多普勒雷达、激光测距和脉冲星观测等方式进行相片定位，使用恒星跟踪仪进行定向。目前，月球摄影测量学的研究主要集中于月表大范围制图、多源数据匹配与平差、小范围区域制图与着陆器定位，以及基于巡视器影像的避障、导航与制图技术等。
随着嫦娥系列探测器的发射，我国也取得了丰硕的月球摄影测量成果。我国CE-1所搭载的激光高度计共获取了月表约912万个测高数据，所生成的数字高程模型CLTM-s的平面定位精度为445 m(1σ),高程测量精度为60 m(1σ)。目前，美国LRO卫星的LOLA激光测高计性能最优，测距精度为0.5 m, 共获得2×109个月表高程点数据，生成的全月数字高程模型LDEM平面精度为20 m, 高程精度为1 m; 以及月表坡度图、粗糙度图等测绘产品。与月球影像生成的测绘产品相比，激光测高数据生成的月表DEM高程精度优、平面精度差、数据分辨率有限，因此多将二者结合可生成更高质量的月表测绘成果。
李春来团队基于CE-1的120 m分辨率立体影像与激光测高数据生成了100 m～1.5 km分辨率的全月DOM与3 km分辨率的DEM,并制作了1∶250万、等高距500 m的月球数字地形图，高程精度与平面精度分别达到120 m(1σ)和192 m(1σ);此后，基于CE-2同类数据制作了7 m分辨率的DOM以及分辨率优于30 m的月球DEM,通过降低探测器的轨道高度(由100 km降低为15 km),获取了“虹湾”区域1.3 m分辨率影像并制作了1.5 m分辨率的局部影像产品以及高分辨率局部地形数据，为CE-3的降落提供月表测绘依据[10]。邸凯昌团队使用CE-3降落相机影像生成着陆区0.03 m分辨率的DOM并完成着陆器的精确定位，基于月兔巡视器所携带的全景相机、导航相机与避障相机，使用近景摄影测量与SLAM技术，获取了漫游区域厘米与亚米级别的地形数据[11]。
未来，随着我国新一代全月控制网的建立以及高性能传感器的应用，我国月球摄影成果的精度与分辨率将进一步提高。此外，虽然LOLA数据生成的SLDEM分辨率低于我国产品，但由于80%以上格网中都有激光测高数据，因此SLDEM仍然是同类产品中的主要评价参考。未来将LOLA等数据与嫦娥系列所获取的数据进行联合处理将有效提高我国摄影测量产品的精度。
2.3 、月球遥感学
月球遥感学是利用非接触传感器探测月球辐射或反射的电磁波特征，进行月球表面属性与几何信息的处理、提取、分析与应用的一门学科。月球遥感学是获取月球形貌与构造信息的基本手段，对研究月球的形貌特征、地质构造、矿产分布以及月球演化具有重要的科学意义[12,13]。目前，月球遥感的研究主要集中于月球矿物反演、月表几何特征提取与环境分析等。
根据不同的科学任务，月球探测器携带不同的传感器完成对月遥感，常见载荷包括γ与X射线谱仪、激光测高计、测月雷达、多波段相机和成像光谱仪等。美国最新发射的LRO与LCROSS月球探测器使用多光谱相机生成全月多光谱影像，反演钛铁矿分布；使用中子探测器反演月壤中的氢元素分布；使用紫外成像光谱仪获取月表永久阴影区域的光谱数据反演水冰含量[14]。法文哲团队对LRO的InSAR数据进行分析，比较极区与非极区回波异常坑的统计特性，对月球极区存在水冰的观点提出了新的挑战[15]。我国CE-1使用干涉式成像光谱仪获取了月表19%覆盖的32通道多光谱影像，生成FeO等7种化学成分的分布专题图以及斜长石等4种矿物的分布专题图[16];使用月表微波辐射计获取月表温度反演月壤厚度，估测氦-3资源储量。CE-3的月兔巡视器搭载红外成像光谱仪和粒子激发X射线谱仪研究月表物质成分。童小华团队建立了多光谱等月球遥感设备的地面试验场完成设备几何检校与辐射定标，提高遥感数据精度，并完成了着陆器遥感避障探测实验，为我国探月工程提供重要支撑[17]。
此外，地基观测也是月球遥感的重要手段。月球的地基观测主要依靠地球表面的射电望远镜和天线网络，可使用VLBI、VLA与VLBA等技术获取月球发射或反射的微波，进行成像观测、月球结构探测和月表物质反演。我国的深空探测雷达可以获取月表30 m分辨率的遥感影像。美国的GEER地基成像雷达可获取月球南极暗区距离向4 m分辨率、方位向5 m分辨率的遥感影像，并通过分析回波信号的极化率反演水冰含量[18]。
目前，月球遥感成果普遍缺少验证信息，未来随着载人登月任务的实施，结合月表采样结果可大幅提高遥感结果的有效性；此外，融合多源月球遥感数据，结合大数据分析技术，将进一步提高月球遥感的解译精度。
2.4 、月球形貌学
月球形貌学是研究月球表面起伏形态、分布规律、内部物质结构、演化历史和开发利用的学科，识别与划分月球形貌类型是月球形貌学的基本研究任务[19]。月球的形貌特征主要由早期地质活动、外来天体撞击、月面温差，太阳风与宇宙射线等空间天气因素导致，因此月球形貌学不仅可以揭示月球的形态特征与分布，还可为探究月球起源与演化提供依据。
月球形貌的分类主要可以分为基于形态特征的分类、基于地质类型的分类以及基于物质特征与年龄特征的分类等。月球形貌特征识别方法主要包括基于地形因子的识别法，遥感数据与地形综合识别法以及人工判读法[20]。月球形貌的研究成果主要集中于月球撞击坑形貌特征的识别与分析、月球形貌构造区划与月貌专题图的编制。
早在20世纪70年代美国地质调查局就根据月球遥感影像与雷达探测数据编制了全月1∶500万地质地貌图。日本发射的Lunar-A探测器，通过在月球正/背面分别释放贯入深度为0.915～1.525 m的月壤探针，记录月震强度与传递时间，测量月球内部构造。康志忠团队根据CE-1干涉成像光谱数据、DOM、DEM以及遥感分析结果编制了1∶250万虹湾幅地质图[21]。中国研究人员还根据CE-1与CE-2的微波探测数据绘制月壤厚度专题图；根据“月兔1”与“月兔2”巡视器获取的月表以下140 m和10 m深度的测月雷达数据绘制了局部区域的浅表层结构图。目前程维明研究团队正在综合嫦娥系列已有成果编制全月覆盖的“1∶250万月球数字地质图”和“1∶250万月球构造图”[22]。
由于月球地质构造与类型单元多是根据遥感反演结果推定的，缺少实地验证，使得月球形貌解译具有一定的不确定性。此外，内外营力对月球形貌的作用机理与影响，月球形貌与月球资源分布的耦合关系还需细致、深入的研究。
2.5、 月球空间环境学
月球空间环境学是空间物理学的分支，主要利用月球空间飞行器探测和研究近月、地月空间中的物理过程及其对探月活动影响的学科，研究对象为大气、电离层、重力场、磁场、宇宙射线、太阳风、微流星撞击等空间现象，是在日地空间探测技术快速发展下诞生的一门新兴学科[23]。
地月空间环境是月球探测器故障、测控与通信质量、宇航员健康以及月面活动安全的主要影响因素。早在Apollo探月时期，月球轨道探测器便搭载场和粒子传感器进行了月球空间探测，此后美国的Lunar Prospector、WIND探测器分别在不同轨道对近月空间的等离子分布进行测量。日本的SELENE探测器携带磁场与等离子体测量仪获取月表100 km处的太阳风等离子体参数，研究地月磁场的作用机理。欧空局支持的Lumio项目，通过在地月L2点对月球陨石撞击闪光进行观测，绘制微流星撞击全貌。2016年我国成立了地球物理学会行星物理专业委员，月球空间环境的研究也进入了快速发展期。CE-1与CE-2携带太阳高能粒子探测器与太阳风离子探测器，对近月空间威胁卫星安全的高能粒子种类、通量与能谱进行测量，并对月球探测器的单粒子效应、卫星充电效应进行研究；通过对近月空间太阳风的速度、密度与温度进行测量，研究其时间演化特征以及对月球的影响，发现了月球微磁层的存在[24]。此外，CE-1与CE-2还使用微波探测仪获取全月的微波亮温图，研究月球表层与次表层的物理特征、能量交换与演化过程，在国际探月活动中具有里程碑意义[3]。CE-4的着陆器与巡视器分别携带中子/辐射剂量探测仪和中性原子探测仪，研究着陆区与巡视区的粒子辐射环境与月球大气的形成机理，携带低频射电谱仪探测日地空间的射电特征。王赤团队基于嫦娥系列探测成果，对月球空间环境探测进行了系统的归纳与总结，具有重要参考价值[25]。
月球空间的环境要素是随时空变化而相互影响的。目前受限于载荷性能、运载与通讯能力无法充分解译，未来发展多要素综合探测与数据分析技术，星载智能数据处理技术以及立方星低成本探测器技术将有效解决以上问题。
2.6 、月球空间信息学
月球空间信息学是以月球和近月空间为主要研究对象，基于空间科学与信息科学的技术手段，存储、处理、分析、表达和传输月球时空信息，研究月球空间各部分的作用机理、时空变换关系的学科。月球空间信息学研究主要集中于空间数据存储与管理、空间数据服务与共享、多源异构数据的配准与融合、空间信息的分析与解译，以及空间信息的可视化。研究成果包括月球空间信息系统以及月球虚拟仿真产品。
各国深空研究机构开发的数字月球平台多属于浏览级项目，主要功能是对月球表面形貌、遥感反演结果与语义等测绘成果进行显示，便于用户浏览与查询相关数据，以NASA的Word Wind、Google公司的Google Moon、中国国家天文台的Moon GIS Map等最具代表性。其中，空间数据的存储、管理、共享与发布多是基于NASA的PDS(Planetary Data System)体系标准，该体系以其实用性、规范性与可扩展性得到了世界各国的支持[26]。此外，为了实现月球测绘数据的可视化与分析，NASA开发了mVTK可视化工具，实现了LRO等卫星数据的三维显示、快速投影变换以及部分空间分析方法，并推出了具有一定空间分析功能的Moon Trek开源数字月球项目。与浏览级不同，平台级产品除了数据管理与可视化外，还具有态势推演、生成数据报告等功能，有较强的分析与扩展能力，以美国的STK(Satellite Tool Kit)软件最具代表性，支持深空探测任务的设计、测试、发射、运行与任务应用，被各国深空探测机构广泛使用。装备级产品主要是面向特定应用场景，服务于模拟训练的仿真系统，强调人员与装备在高沉浸的环境中的操作与交互，是随着VR/AR技术不断发展起来的。NASA早在2010年使用VR技术对宇航员进行训练。此后，NASA与三星基于AR技术合作开发了主动响应式重力卸载系统(Active Response Gravity Offload System),用于人员在微重力环境下的舱外漫游训练[27]。目前，NASA正组织NASA SUITS挑战赛，使用AR技术为登月宇航服设计虚拟显示系统，服务于宇航员舱外活动。2018年美国Astroreality公司推出了Lunar AR的月球模型与对应的APP,使用AR技术创建了一个具有交互式的3D月球复刻品，满足天文爱好者与太空探索者对月表特征、探月活动的了解。
目前，我国还缺少类似STK的自主产品，月球空间信息系统在多源异构信息的管理与融合、月球数据与服务的共享、大数据可视化分析等方面的功能较弱。未来，机器学习、MR(Mixed Reality)等计算机视觉技术将会大幅改善现有系统性能。
3 、月球测绘学应用领域
3.1、 行星科学研究
宇宙天体起源演化是自然科学中的基本问题，是深空探测的首要科学目的。月球作为距离地球最近的行星，研究月球形貌、重力场、月质构造、月表元素与辐射特征分布等月球测绘成果将为地月起源以及其他行星演化提供重要支撑。
通过在月球背面进行低频射电天文观测，精确测量来自太阳、行星和其它宇宙天体电波信号，对研究天体演化具有重要科学意义。2019年1月3日，我国CE-4探测器在月球背面着陆，搭载低频射电探测仪的三根5 m天线已开始工作，随着观测数据的积累与分析，未来会有新的成果展现出来。此外，利用月基与地基VLBI台站组网观测，凌日或凌大行星的河外射电源光线偏折、引力时延效应是地基基线的几十倍，对广义相对论引力理论的检验能力会大幅提升，对γ常数的测量精度也会比目前最好测量结果提高一个数量级[3]。
3.2 、月面登陆点选择及高精度着陆
月面登陆点选址及高精度着陆要综合考虑月表地形、月壤厚度、着陆区光照与辐射环境、局部磁场与重力异常，以及探月任务性质等因素，需要月球摄影测量、月球大地测量、月球形貌、月球遥感以及空间环境等测绘成果的支撑。月球空间信息系统与仿真也可为登陆点选址提供空间分析手段，对着陆过程进行模拟推演。
近年来，月球登陆点的选址是各国月球探测器的主要目标[28]。日本SELENE使用地形测绘相机与激光高度计完成月表高精度测绘，并结合测月雷达完成月表2 km厚度的地质构造的分析，辅助月球重力场测量与月球登陆点选址[29]。美国的LRO卫星在低轨使用LOLA激光测高计与LROC月球轨道侦查相机等传感器获取登月备选区域的地形坡度、粗糙度以及区域高分辨率全色影像，此外使用紫外线等光谱设备与中子探测器分析月表的光照环境与元素分布，为登陆点选址提供依据[30]。我国CE-4登陆区选址时，通过分析月表500 m分辨率的DEM后初步选定9个平坦区域作为备选区，分别对备选区进行地质地貌、月壳与月壤厚度、月尘分布、温度与光照环境、粒子辐射以及元素分布等因素分析后最终选择艾特肯盆地中的S5作为登陆点[31]。
登陆器的高精度着陆普遍基于降落相机摄影测量成果与已有的高分辨DOM或DEM数据匹配的方式完成[32]。目前，高精度着陆多使用LRO卫星窄角度相机NAC获取的月面影像摄影测量成果(影像分辨率为0.5～2.1 m),以及LOLA激光测高计生成的数字高程模型(分辨率为20 m, 局部区域优于1 m),我国基于以上数据完成CE-3登陆器20 m精度的定位，辅助着陆控制。
未来，随着新一代的月球大地控制网的建立，以及高性能传感器的应用，月球测绘可以为登陆点选址与着陆提供高精准、全面的信息保障。
3.3 、月球资源勘测
月球资源勘测是各航天大国的首要探月目标。测定月球资源的位置与规模需要月球地质与形貌、月球局部磁场、月球遥感反演结果以及月球空间信息等月球测绘成果的支撑。
由于月球基本没有大气，遥感探测时不需要进行大气修正就可以获得真实的光谱信息与温度信息。因此，遥感是当前月球资源探测的主要手段。NASA使用LRO卫星所携带的7通道多光谱相机绘制了全月多光谱影像，用以研究月球资源尤其是钛铁矿分布。日本使用SELENE卫星所携带的荧光X射线分光计与光谱剖面仪测定月表岩石种类与元素分布。我国使用CE-1的微波探测器测量月壤的辐射亮度，反演月壤厚度并评估氦-3储量[33]。除了轨道器遥感外，我国还使用CE-3所携带的月兔巡视器搭载红外成像光谱仪和粒子激发X射线仪对月表Mg, Al, Si等11种元素进行勘测。月表还有丰富的太阳能资源，月球范围内的太阳辐射大约是12 Mkw, 月球测绘中的月球光照分布、数字地形等成果可以有效辅助月表光伏发电站的选址与建设。
目前，由于缺少月表采样分析，基于遥感的资源勘测结果的有效性还需进一步验证。未来，新一代月球大地基准的建立、载人登月以及月面基础设施的完善将有效提高月球资源储量与分布的测定精度，提高资源勘测与利用的水平。
3.4、 月球基地及月基天文台建设
建立月基设施是各国未来探月活动的核心任务。月球摄影测量、月球遥感以及月球空间环境信息可以为月基设施建设提供地形、温度、光照、辐射防护等环境信息支撑[34]。高精度月球大地基准可有效保障月基设施的选址与施工。月球信息系统与仿真可为月基设施的建设提供方案模拟与分析。
目前，美国、俄罗斯、日本与印度等国家均公布了月球基地建设计划。2016年我国提出在月球南极建设和运营人类首个标志性共享平台和基础设施的建议，国际月球科研站建设提上日程[3],2030年前将实现长时段、较大规模的科学探测、技术试验与月球资源开发利用；2045年前实现全面、大规模的科学探测、技术试验与月球资源开发利用，实现人类长期驻留，完成月球基地建设。我国研究人员也通过对月球南极区域的地形、光照、辐射环境与通信条件等综合因素分析，探索月球基地的选址方法。
月球自转周期长、无全球磁场、大气密度比地球大气密度低14个数量级，月基天文观测优势明显。美国和欧洲均计划在月面或中继卫星上建立观测站，对数十个地球半径范围内的物理现象开展遥感测量，并长期获取地球圈层宏观数据[3]。我国CE-3探测器搭载的极紫外相机曾对地球等离子电子层变化进行了观测[35]。此外，月基平台每天可观测地球的所有区域，且每个区域1天内的连续观测时间不少于10 h, 不足之处在于现有月基平台对地球云量和植被指数等的分辨率仅为1 km。
未来，随着我国月球基准观测系统以及新一代月球控制网的建立，我国将打破美国在深空测绘基准上的垄断与封锁，为月基设施建设提供更加准确的行星历表、岁差、章动参数与空间坐标系等时空基准。
3.5 、月面无人平台定位及导航
月面无人平台是月球近距离与接触式探测的主要手段。月面无人平台的自主定位与导航主要有惯性定位导航、无线电定位导航、天文定位导航与视觉定位导航等[36]。
惯性定位导航因受积累误差的影响，不适合长距离、长时间运行，可通过引入月基天文观测数据与地形数据等位置信息降低积累误差[37];无线电定位导航一般需要月面无人平台主动发射电磁波，多用于登陆器与巡视器之间的相对定位，定位导航精度较低，可使用地基射电望远镜与VLBI技术对登陆器进行定位跟踪，结合10 m分辨率的着陆点地形图，最终实现月球车10 m精度的定位[38]。天文导航的主要观测对象是太阳或其他恒星，可在其他导航方式失效时为月面无人平台提供位置和姿态信息，但天文定位定向需要车辆在静止下进行观测，因此多与惯性导航与视觉导航结合使用；视觉导航以SLAM为主要方法，同样面临误差累计的问题，可使用月球地形特征匹配与月球大地控制信息，结合多传感器融合算法与神经网络算法降低SLAM的积累误差，导航精度为分米级[39,40]。此外，月球仿真系统可为无人机平台的定位与导航算法提供逼真的模拟与测试环境。
4 、结 论
测绘学是人类认识与改造生存空间的基础，随着人类深空探测技术的发展，测绘科学必将从认知地球表面与地球临近空间发展到认知月球乃至深空。月球测绘学是测绘学的最新发展，是研究地月空间信息获取、处理、描述和应用的一门综合性学科，是人类深空探测的基础。
本文对月球测绘学概念进行了溯源与拓展，重新梳理了月球测绘学学科专业分类，并对月球测绘学在五个主要应用领域的未来发展进行了展望。月球测绘是我国争夺制天权、维护空间秩序、扞卫国家核心利益与和平开发月球的重要前提。月球测绘是一项国家级的战略工程，我国应尽快开展月球测绘学科体系研究与关键技术攻关，形成完整的月球测绘保障体系，培养一支月球测绘学科专门人才队伍，积极开展月球基准和月球信息系统建设，构建月球数字化测绘空间，加大力度开展月基天文台、全月面测绘、地月空间环境体系等应用研究，为探月工程和其他深空探测任务的进行提供强有力的基础保障。
参考文献
[1]欧阳自远月球科学概论[M]北京:中国宇航出版社, 2005:1-6.
[2]果琳丽,平,朱思涌,等载人月球基地工程[M].北京:中国宇航出版社, 2013:20-53.
[3]刘继忠,邹永廖铸就辉煌中国探月工程科学成果[M].北京:中国宇航出版社, 2019:1763-1770.
[4]孔祥元,张松林，魏二虎,等.“嫦娥"工程与月球测绘学[J.大地测量与地球动力学, 2004,24(1):117-120 .[Kong Xiang-yuan,Zhang Song-lin,Wei Er-hu,et al.The goddess of the moo
n's project with lunar geodesy[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics 2004,24(1):117-120.]
[5]宁津生，陈俊勇,李德仁,等测绘学概论[M]武汉:武汉大学出版社, 2008:9-11.
[6]陈俊勇月球大地测量学的进展[].大地测量与地球动力学, 2004,24(3): 1-6. [Chen Jun-yong. Progress in lunar geodesy[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics ,2004,24(3):1-6.]
[7]陈俊勇月球地形测绘和月球大地测量(J].测绘科学, 2004.29(2)-1-5 [Chen Jun-yong. Topography surveying and geodesy on the moon[J] Science of Surveying and Mapping,2004,
29(2):1-5.]
[8]郑伟,许厚泽,钟敏,等月球重力场模型研究进展和我国将来月球卫星力梯度计划实施[J]测绘科学, 2012,37(2):5-9.[Zheng Wei,Xu Hou-ze Zhong Min,et al.Progress in lunar gra
vitational field models and operation of future lunar stllite gravity gradiometry mission in China[J] Science of Surveying and Mapping.2012,37(2):5-9.]
[9]钟振基于重力/地形导纳的月球物理参数反演和月球热模型研究[D].武汉:武汉大学, 2013.[Zhong Zhen.Lunar geophysical parameters inversion with the application of gravity/topo
graphy admittance and research in the thermal evolution of the moon[D] Wuhan:Wuhan University,2013.]
[10]李春来嫦娥-号三线阵CCD数据摄影测量处理及全月球数字地形图[J]测绘学报, 2013.42(6)-:853-860 [Li Chun-lai. Photogrammetric processing and lunar global topographic map
from the Chang'E-13 line- array CCD data[J] Acta Geodaetica et CartographicaSinica,2013,42(6):853-860.]
[11] Liu Z Q,Di K C,Peng M.et al.High precision landing site mapping and rover localization for Chang'e-3 mission[J] Science China(Physics Mechanics & Astronomy),2015,58(1):
145-155.
[12]邸凯昌,刘斌，刘召芹,等.月球遥感制图回顾与展望[J].遥感学报, 2016,20(5):1230-1242. [Di Kai-chang,Liu Bin,Liu Zhao-qin.et al. Review and prospect of lunar mapping using r
emote sensing data[J] Journal of Remote Sensing ,2016,20(5)-:1230-1242.]
[13] Kirk R L,Archinal B A,Gaddis L R,et al.Cartography for lunar exploration:2008 status and mission plans[J].International Archives of the Photogrammetry Remote Sensing & Spatial Information Sciences, 2008,37(4): 1473-1480.
[14]郑永春,邹永廖,付晓辉. LRO和L CROSS探月计划:科学探测的分析与启示J].航天器工程, 201,20(4):117-129.[Zheng Yong-chun,Zou Yong-liao,Fu Xiao-hui.LRO and LROSS m
ission:overview and enlightenment for future lunar exploration[J] Spacecraft Engineering,2011,20(4):117-129.]
[15] Fa W,Cai Y.Circular polarization ratio characteristics of impact craters from mini-RF observations and implications for ice detection at the polar regions of the moon[J]Journalof Geophysical Research:Planets,2013, 118(8):1582-1608.
[16] Shuai T,Zhang X,Zhang L,et al.Mapping global lunar abundance of plagioclase, clinopyroxeneand olivine with interference imaging spectrometer hyperspectral data considering space weathering effect[J].Icarus 2013,222 (1):401-410.
[17] Zhao W,Tong X.Xie H,et al. Simulation experiment on landing site selection using a simple geometric approach[J] The International Archives of Photogrammetry,Remote Sensing and Spatial Information Sciences,2017, 42(3):213-218.
[18] Bruzzone L,Plaut J J,Alberti G,et al.Rime:radar for icy moon exploration[C].International Geoscience and Remote Sensing Symposium,Quebec ,Canada,July 13-18,2014.
[19]程维明,周增坡,万丛,等月球形貌科学概论[M]北京:地质出版社, 2016.23-28.
[20] Rosenburg M A.Aharonson O,Head J W,et al Global surface slopes and roughness of the moon from the lunar orbiter laser altimneter[J]. Journal of Geophysical Research:Planets, 2011,116(E2):1-11.
[21] Kang Z z,Luo Z F,Hu T,et al.Automatic extraction and identification of lunar impact craters based on optical data and DEMs acquired by the Chang'E satelltes[J]IEE JournaI of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,2015,8(10):4751-4761.
[2]程维明,刘樯漪,王娇,等全月球形貌类型分类方法初探[I]地球科学进展, 2018.33(9);885-897 [Cheng Wei-ming,Liu Qiang-yi,Wang Jiao,et al.A preliminary study of lassificati
on method on lunar topography and landforms[J] Advances in Earth Science,2018,33(9):885-897.]
[23]魏勇， 戎昭金,钟俊,等比较行星物理[J]地球科学进展，2017,32(1):15-20 [Wei Yong,Rong Zha-jin,Zhong Jun,et al. Comparative planetary space physics[J].Advances in Eart
h Science,2017,32(1):15-20.]
[24]中国科学院月球与深空探测总体部月球与深空探测[M].广州:广东科技出版社, 2014:686-710.
[25]王赤,张贤国,徐欣锋,等中国月球及深空空间环境探测[J]深空探测学报, 2019.6(2):105-118.[Wang Chi,Zhang Xian-guo,Xu Xin-feng.et al.The lunar and deep space environm
ent exploration in China[J] Journal of Deep Space Exploration,2019,6(2):105-118.]
[26] Mcmahon S K.Overview of the planetary data system[J] Planetary and Space Science,1996. 4(1):3-12.
[27] Tian K, Endo M,Urata M,et al.Development of a multi-viewpoint AR-based mobile learning system for supporting lunar observation[C].International Conference on Signal-image Technology & Internet-based Systems .Kyoto,Japan,December 2-5,2013.
[28]林晓辉,于文进基于凸优化理论的含约束月球定点着陆轨道优化[J].宇航学报, 2013,34(7):901-908 (Lin Xiao-hui,Yu Wen-jin. Constrainedtrajectory optimiz ation for lunar pin-point
landing based on convex optimization theory[J]. Journal of Astronautics,2013,34(7):901-908.]
[29] Kato M, Sasaki S,Tanaka K,et al.The Japanese lunar mission SEL ENE:Science goals and present status[J] Advances in Space Research,2008 42(2):294-300.
[30] Vondrak R,Keller J,Chin G,et al.Lunar reconnaissance orbiter (LRO):observations for lunar exploration and science[J].Space Science Reviews ,2010,150():7-22.
[31]乔乐，刘小倩,赵健楠,等.月球雨海地区三个着陆点的地质特征对比研究[].中国科学: 物理学力学天文学， 2016,46<2):31-45 [Qiao Le,Liu Xiao-qian,Zhao Jian-nan,et al Geologic
al investigations of Luna 17 .Apollo 15 and Chang'E-3 landing sites at mare imbrium of the moon[J]. Scientia Sinica Physica,Mechanica& Astronomica,2016,46(2):31-45.1
