稀疏数字地形模型约束下基于影像明暗与阴影恢复形状的精细月球地表三维重建

Lunar terrain information is essential for lunar exploration missions and lunar scientific investigations. Traditional techniques for derivation of 3D terrain information, such as Photogrammetry, require stereo images covering the same area with different view angles, and it is difficult to obtain digital terrain models with pixel-level resolution from photogrammetric techniques. For extraterrestrial planets such as the Moon, high-resolution stereoscopic images are rare. For example, NASA's Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) Narrow Angle Camera (NAC) is able to acquire images with a very high resolution of 0.5 m/pixel, however, the LRO NAC collected only near-nadir monocular images in the major regions of the Moon. This research proposes a pixel-level lunar surface reconstruction method based on high-resolution monocular images. The research objectives include development of a novel shape-from-shading method for lunar imagery that incorporates line-sensor geometry and variations in surface-reflectance behavior, development of image shadow constraints and its integration with the shape-from-shading method, and development of an integrated approach of shape from shading and shadows constrained by existing low-resolution digital terrain model for high-resolution lunar surface reconstruction. The research results from this project will provide new visions for derivation of 3D lunar terrain information. It will provide a new approach for lunar surface reconstruction in addition to the traditional photogrammetric techniques, which will contribute to the advances of planetary mapping science. The proposed research of this project will directly contribute to future lunar lander, vehicle/robot, and astronaut exploration missions of China.

月球地形信息对于月球探测任务和科学研究至关重要，传统的摄影测量技术需要利用具有不同视角的立体影像来获取三维地形信息，其生成的数字地形模型也难以达到像素级的分辨率。对于月球等地外天体而言，高分辨率立体影像资源稀少，如美国月球勘测轨道器的高分辨率(0.5米/像素)窄角相机在月表绝大部分区域仅获取单目正视影像。本项目提出基于高分辨单目影像进行像素级月表精细三维重建的方法，研究内容包括：研究适应可变表面反射特性的月球线阵影像基于明暗恢复形状的方法模型，研究影像阴影约束条件及其与基于明暗恢复形状方法的集成，研究利用已有低分辨率稀疏数字地形模型来约束基于明暗与阴影恢复形状的方法以实现像素级精细的月表三维重建。本项目的研究成果将为月球三维地形信息获取提供新思路，在传统的基于摄影测量的方法之外提供一个新途径，促进行星测绘科学的进步。本项目的研究成果将直接为中国未来的月球着陆、探测车及载人探测任务做出贡献。

月球地形信息对于月球探测任务和科学研究至关重要，传统的摄影测量技术需要利用具有不同视角的立体影像来获取三维地形信息，其生成的数字地形模型也难以达到像素级的分辨率。对于月球等地外天体而言，高分辨率立体影像资源稀少，如美国月球勘测轨道器的高分辨率(0.5米/像素)窄角相机在月表绝大部分区域仅获取单目正视影像。本项目研究了基于高分辨单目影像进行像素级月表精细三维重建的方法，研究内容包括：研发适应可变表面反射特性的月球线阵影像基于明暗恢复形状的方法模型，研发影像阴影约束条件及其与基于明暗恢复形状方法的集成，研发利用已有低分辨率稀疏数字地形模型来约束基于明暗与阴影恢复形状的方法以实现像素级精细的月表三维重建。本项目还研究开发了上述方法与算法的软件原型系统，并在有关月球探测任务的候选着陆区进行了高分辨率三维表面建模的应用。本项目的研究成果为月球三维地形信息获取提供了新方法，在传统的基于摄影测量的方法之外提供了一个新途径，促进行星遥感与测绘科学的进步。本项目的研究成果将为中国未来的月球着陆、探测车及载人探测任务做出贡献。