探月工程三期项目将完成“绕、 落、 回”三个阶段中的采样返回任务, 将在未来发射嫦娥五号（CE-5）探测器, 执行月面着陆、 采样并返回地球的任务。 嫦娥五号月球矿物光谱分析仪（LMS）是探月工程三期重要的数据来源, 通过LMS光谱数据分析识别月球表面物质的矿物组成, 包括含水矿物, 同时有助于判断岩石类型, 辅助地层学分析。 为月球的形成过程、 月球地质演变及岩石-水交互作用的研究提供数据支撑。 相比于嫦娥三号红外成像光谱仪, LMS将光谱范围从450～2 400 nm扩展到了480～3 200 nm, 除了能探测月球表面主要矿物辉石、 橄榄石等, 还可以探测3 000 nm附近的羟基吸收峰特征, 为月球表面是否存在“水”提供强有力的证据。 此外, 嫦娥五号月面工作任务将获取月表以下物质, LMS可以对月表采样前后的采样区域进行光谱探测, 比较不同深度、 不同风化程度下的月壤光谱特征, 且与后期返回样品的实验室光谱对比分析。 为保证LMS月面数据的可靠性, 在探测器发射之前开展了LMS地面验证试验, 采用多种矿物及矿物混合样品, 在不同试验环境下获取LMS的探测数据, 分析研究LMS的矿物成分探测能力, 并结合标准比对仪器光谱进行光谱质量分析。 计算了所有实验样品的光谱不确定度参数。 除了具有低反射率的钛铁矿外, 所有样品都具有高质量的光谱数据。 同时, 在相同条件下, LMS光谱特征与标准比对仪器得到的光谱数据相一致, 表明LMS整体数据质量高。

基于月球样品反射光谱的月表矿物识别和成分反演能力受到月球环境的严重影响, 仅限于月球表面5％的成熟度较低的区域。 相比之下, 包含大量硅酸盐矿物的月球样品发射光谱不仅光谱特征明显, 而且受月表大气、 温差和真空等环境的影响较小, 是研究月表成分和物理特性的新途径。 因此, 对于嫦娥五号月球探测器采集的月球实地样品的发射光谱测量不仅可用于月表硅酸盐类矿物的成分分析, 而且可以作为遥感研究中可见光-近红外光谱的有效补充。 但是, 实验室发射光谱测量中最大的难题是寻找最佳的实验方法和仪器, 以便获得准确可靠的光谱数据。 研究以模拟月壤样品为测量对象, 分别在实验室大气、 氮气冷背景和模拟真空环境中, 利用TurboFT 102F和Bruker VERTEX 70V两种仪器, 设计和实施了傅里叶光谱法、 独立黑体法和反射率法三种发射率测量实验, 并利用误差传播定律和已有Apollo样品发射率光谱对实验获得的发射率光谱进行了精度分析与评定。 发现在异常复杂和困难的模拟月球真空测量环境构建完成之前, 密闭实验室环境中的反射率法发射率光谱特征最明显, 测量精度最高, 可以作为目前月球样品发射率光谱测量的最佳选择。 研究希望能为嫦娥五号采集的月球样品发射率光谱测量实验提供理论基础和技术参数。

嫦娥三号全景相机具有彩色成像模式, 在发射前需先进行彩色定标, 样本真值的获取是彩色定标的前提。 传统方法获取的颜色真值在色差值和视觉感知上都与实际值存在明显的偏差。 若直接采用该颜色值作为真值进行彩色定标, 影响定标后的色差大小和定标校正后颜色的人眼视觉感知效果。 为探索更好的颜色真值获取方法, 利用实验室内测得的D65定标光源的相对光谱功率分布, 重新定义了转换矩阵中的白点坐标, 然后基于CIE颜色计算公式, 根据格拉斯曼颜色混合定律, 对XYZ与sRGB颜色空间之间的转换矩阵进行了修正, 提高了样本真值获取的准确度。 另外利用修正后的转换矩阵对sRGB空间的三刺激值曲线进行了重新计算, 对标准转换值偏离实际值的原因进行了分析。 通过地面试验验证, 相对于传统样本真值获取方法, 利用该真值获取方法定标后A, B两相机的色差值分别降低了0.8和0.73; 定标矩阵校正在轨图像时, 色差分别降低了26.50%和34.47%, 且校正后的颜色与人眼的视觉感知效果更接近。

干涉型成像光谱仪是嫦娥1号(CE-1)卫星的重要设备, 用于分析月球表面物质成分含量及其分布, 目前所得到的2B级科学数据的光谱分辨率为325 cm-1, 转化为波长分辨率表示后各谱段不一样, 第一个波段为7.6 nm, 最后一个波段为29 nm, 这引入两个问题: (1）与地面波谱库中用于标定和比对的光谱分辨率描述方式不一致; (2）由于波段窄而进入的信号少, 造成短波光谱信噪比差。 基于CE-1干涉成像光谱仪光谱重建模型, 讨论了波长分辨率与截止函数的关系, 提出了一种随波长及波长分辨率变化的可调截止函数, 并选取相应Sinc函数进行切趾, 实现了波段覆盖范围内任意指定波长分辨率的光谱数据重建。 利用该方法对CE-1号在轨0B数据进行处理, 得到了29 nm等波长高光谱图像, 采用光谱信噪、 主成分分析和无监督分类等方法对重建结果与同区域2级科学数据进行比对, 结果表明: 短波波段光谱信噪比提高了4倍, 平均提高了2.4倍, 基于光谱特征的分类结果一致, 数据质量大大改善。 EWSR方法的优点有: (1）在保持光谱信息量的情况下, 虽然牺牲部分光谱分辨率, 但提高短波波段的光谱信噪比; (2）实现了在波段覆盖范围内任意指定波长位置或任意设定波长分辨率的光谱数据重建。

针对嫦娥三号极紫外相机影像由于缺少控制点约束而无法沿用地球遥感影像几何定位方法的现状, 研究了极紫外相机的工作原理、涉及的坐标系统及其转换关系, 提出了一种基于星上遥测参数和严格坐标转换关系的几何定位方法, 进行了影像数据几何定位及定位精度分析.研究结果表明, 该方法能够解算影像拍摄时刻极紫外相机光轴在太阳磁层坐标系中的指向, 以及着陆器在该坐标系中的位置, 精确定位影像中地球质心的位置, 校正相机光轴指向在原始影像中对应的位置, 确保极紫外相机探测数据的科学应用价值, 实现嫦娥三号空间环境探测的科学目标.

为实现嫦娥三号月球车全景相机图像的无缝镶嵌，针对全景相机序列图像光照不均、月表影像的特殊性等问题，提出了一种基于加速稳健特征(SURF)算法的嫦娥三号全景相机图像全景镶嵌方法。采用SURF算法提取特征点，用SURF描述子的欧氏距离作为判定度量进行特征匹配。求取相邻两幅图像间的变换矩阵，并利用Levenberg-Marquardt非线性优化算法进行优化。采用基于线性插值的渐入渐出方法对图像重叠区域进行融合，实现月表图像的无缝镶嵌。结果显示，该方法针对嫦娥三号全景相机图像实现了快速准确的镶嵌，生成的镶嵌图满足月球车探测目标选取及路径规划的需求。

针对嫦娥一号探月卫星2C级月面成像，提出了基于待配点最优模板选择的二次函数形变补偿迭代匹配方法。仿真表明它能有效地适应地形起伏引起的图像形变，匹配精度较高且稳定性好。在标准相关匹配的基础上结合所提出的方法完成了下视图与前、后视图的精确匹配，采用三视约束机制和顺序检验机制保证了匹配的稳健性。分析了线阵相机成像的仿射近似模型，并以此为基础实现同轨三视重建。基于邻轨下视图同名特征点，采用RANSAC方法估计邻轨三维坐标转换参数，完成邻轨拼接。实验结果表明，三维重建的月貌图能够更好地表达月球表面的形状和地形。

本文提出了一种可以衡量带通傅里叶频率系数的低频含量大小的环形条带对比度定义，以该对比度为基础的影像增强方法有效改善了降质月面影像视觉效果，有利于降质月面影像数据的后续处理及应用。借助改进的遗传算法实现了综合考虑绝对质量测度及相对质量测度的增强参数的自适应优化选取。实验结果表明本文方法不仅保持了原始数据的基本信息还提高了其各项绝对质量测度，但由于遗传算法优化处理时计算量较大，本文方法还存在计算速度较慢的不足。Domain of Degraded Image Achieved by Chang’E-1 Orbiter