“十五五”规划纲要提出，中国航天将完成从“大国重器”到“支柱产业”、从“近地领先”到“深空领跑”的跨越。月球探测是其中的重要一环。月球南极永久阴影区可能富集水冰与挥发性物质，是国际月球探测的重要目标。针对该区域长期缺乏高分辨率地形、十米级撞击坑三维形态难以准确刻画的问题，同济大学童小华院士、叶真副教授团队提出一种精细地形支撑的小型撞击坑三维目录构建方法。该方法融合二次散射影像光度法、图形处理器（GPU）并行计算与深度学习检测，实现永久阴影区精细地形重建及小型撞击坑位置、直径、深度和深径比等参数的自动化提取。相关成果发表在《光学学报》2026年第18期，并被选为当期的封面文章。
封面解读
封面具象化呈现了月球南极永久阴影区精细地形重建与小型撞击坑目录构建场景。轨道器搭载的阴影相机通过捕获微弱间接光，实现对永久阴影区的高分辨率成像。画面中的白色光束代表太阳直射光，蓝色光束代表经月表散射后进入阴影区的间接光及探测器的成像过程。彩色三维地形模型展示了利用高分辨率影像和二次散射影像光度法重建的精细地形。在此基础上，进一步提取小型撞击坑的位置、直径、深度和深径比等三维形态参数，构建精细的小型撞击坑三维目录。该研究突破了传统低分辨率地形数据难以准确表征十米级撞击坑三维形态的局限，可为月球南极安全着陆评估、表面特性研究以及水冰与挥发物探测提供重要数据支撑。
文章链接：钱佳，叶真，肖长江，王亚琼，刘世杰，储光涵，徐聿升，冯永玖，黄荣，谢欢，童小华. 精细地形支撑的月球南极永久阴影区小型撞击坑目录构建方法[J]. 光学学报, 2026, 46(18): 1811005.
01 研究背景
月球南极永久阴影区长期处于极低温和极端光照环境，被认为是水冰与挥发性组分富集的潜在区域，也是Artemis III、嫦娥七号等任务重点关注的目标。精细地形与撞击坑三维形态信息不仅关系到着陆安全评估，也为研究月表物质迁移、风化侵蚀和区域地质演化提供重要依据。
然而，永久阴影区没有太阳直射，传统光学相机难以获得与阳照区相当的高信噪比影像。目前南纬83°以上公开的月球轨道器激光测高计（LOLA）数字高程模型空间分辨率为10 m，且约90%的区域依赖插值，十米级撞击坑的坑缘与坑底容易被平滑，难以支撑精细的深度和深径比分析。
韩国月球轨道器搭载的ShadowCam可利用坑壁和周边阳照地形形成的微弱间接光，以约1.7 m/pixel的分辨率获取永久阴影区影像，为精细重建和构建小型撞击坑三维目录提供了新的数据基础。
02 研究方法
研究中提出的基于像素级地形重建的月球南极永久阴影区（PSRs） 小型撞击坑目录精细高效构建方法由三部分构成。首先，建立二次散射影像光度法，并利用GPU并行计算加速视域分析，实现1.8 m分辨率地形的高效重建。其次，结构包含2153个人工标注阴影区撞击坑样本的数据集，并引入34012个公开月球勘测轨道器（LROC）窄角相机（NAC）撞击坑样本进行补充训练，结合YOLOv11实现小型撞击坑自动检测，并通过人工校核确保结果可靠。最后，自动提取撞击坑位置、直径与深度等形态参数，形成可直接用于统计分析的撞击坑目录。
研究团队选取月球南极Faustini撞击坑坑底约7 km×3 km的永久阴影区作为实验区。该区域邻近Artemis III候选着陆区，具有较高的探测与研究价值。
图1 研究区数据示意图。底图为LOLA DEM，红线为永久阴影区边界，紫框为研究区及ShadowCam影像覆盖范围
03 研究结果与分析
3.1 精细地形重建
研究区输入的LOLA数字高程模型（DEM）与本文生成的二次散射光度法（SS-SFS）DEM分别如图2（a）和（b）所示，图2（e）和（f）分别展示了LOLA DEM与SS-SFS DEM在同一局部区域的山体阴影图。对比可见，SS-SFS DEM 能够充分恢复细节地形，清晰呈现了ShadowCam影像（图2（g））中的小型撞击坑形态，有效弥补了LOLA DEM因高程插值而导致的地形特征缺失问题。与LOLA激光测高点对比，SS-SFS DEM的平均绝对偏差为0.243 m，说明精细地形未引入明显的整体高程偏差。
图2 研究区输入LOLA DEM与SS-SFS生成DEM的对比。（a） LOLA DEM（10m/pixel）；（b）SS-SFS DEM（1.8 m/pixel）；（c）LOLA DEM局部区域；（d）SS-SFS DEM局部区域；（e）LOLA DEM局部区域山体阴影图；（f）SS-SFS DEM局部区域山体阴影图；（g）ShadowCam 影像局部区域
3.2 小型撞击坑检测与目录构建
图3展示了研究区撞击坑自动检测并经人工检核后的空间分布结果。研究区共获得6445个有效撞击坑，直径范围为8.95~404.16 m，坑深范围为0.11~37.06 m。其中10~20 m直径段数量最多，共5680个，占目录总量的88.13%。目录的完整性截止直径约为10.72 m，约83.54%的撞击坑位于该阈值以上，表明目录具备较好的统计可靠性。
图3 叠加在ShadowCam影像上的研究区撞击坑分布
表1表明LOLA DEM难以解析十米级撞击坑的坑缘与坑底，而像素级精细地形SS-SFS DEM能够有效提取小型撞击坑三维形态参数。
表1 基于SS-SFS DEM与LOLA DEM的撞击坑形态参数统计对比
04 结论与展望
研究团队构建了精细地形支撑的永久阴影区小型撞击坑目录构建方法，有效弥补了现有公开地形产品在十米级地貌表达方面的不足。未来，该方法将拓展至更多永久阴影区，开展自动化建库和跨区域形态对比，为月球南极着陆评估、水冰分布分析和地质演化研究提供方法与数据支撑。
作者简介
叶真，同济大学长聘副教授、博士生导师，主要从事行星测绘遥感与三维形貌测图的理论、方法及应用研究。主持国家自然科学基金项目4项，发表SCI论文90余篇，获授权发明专利和软件著作权30余项。入选国家级青年人才和上海市高层次人才计划，曾获国家科技进步一等奖、上海市科技进步一等奖、美国摄影测量与遥感学会主席论文奖、全国高校GIS新锐等。
童小华，中国工程院院士，同济大学教授、副校长，上海市航天测绘遥感与空间探测重点实验室主任，国家杰出青年科学基金获得者、教育部长江学者特聘教授、中青年科技创新领军人才、国家重点研发计划项目首席，《光学学报》编委。长期从事航天测绘遥感与深空探测理论研究和工程实践，成果应用于嫦娥探月、火星探测和测绘卫星等任务。曾获国家科技进步一等奖、国家自然科学二等奖。领衔团队获批国家自然科学基金委创新研究群体、全国教育系统先进集体。
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