以下文章来源于经纬石旁话遥测 ，作者应申等
本文改编自学术论文《月球地形特征认识及增强可视化》
已刊载于《武汉大学学报（信息科学版）》2023年第3期
应申1,3,4 窦小影1 毕杰皓1 陈驰2
1. 武汉大学资源与环境科学学院, 湖北 武汉, 430079
2. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室, 湖北 武汉, 430079
3. 武汉大学地理信息系统教育部重点实验室, 湖北 武汉, 430079
4. 武汉大学自然资源部数字制图与国土信息应用重点实验室, 湖北 武汉, 430079
应申
博士，教授，主要研究领域为地图学、3D GIS与三维地籍、自动驾驶高精地图、行星制图。
shy@whu.edu.cn
摘 要
长期以来人们生活在地球上，已形成了基于地球的习惯式视觉感受与空间认识，对其他星体地貌与现象的认知和识别成为新的挑战。基于月球与地球地形地貌上的差异性认知，研究地球认知转移的月球地形地貌的增强可视化，能够让人们更加直观地认识月球地形地貌。对比分析月球与地球的地形在地貌类型、地表色彩体系和地形起伏的异同性，建立基于地球认知转移的月球地形增强可视化的认知基础；构建月球与地球地形可视化要求的相似性和差异性，对撞击坑、月海、月陆、月溪等月球的典型地貌和区域地形进行了晕渲参数调整，分析月球地形在不同参数下的晕渲效果，实现月球地形增强晕渲可视化；揭示了月球地形可视化既要借鉴地球可视的认知转移（如暗色-低地形，亮色-高地形），又要打破地球特定思维造成的可视化误解（如白色-雪线、绿-植被），制作符合月球自身特征的可视化体系。
引 用
应申, 窦小影, 毕杰皓, 陈驰. 月球地形特征认识及增强可视化[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2023, 48(3): 453-462. doi: 10.13203/j.whugis20220069
近年来，各国深空探测事业高速发展，大量数据被获取，这既为行星表面可视化的研究提供了条件，又对行星地形地貌认知的相关研究提出了新的要求。中国愈加重视航天与深空探测事业的发展，当前中国深空探测的重点是月球和火星，2021年天问一号着陆器成功实现火星表面软着陆，实现了绕、落、巡的目标。月球因与地球距离最近而更受关注，是人类进一步开展深空探测的前哨站，2020年嫦娥五号卫星实现了月球风暴洋样品采集返回。欧洲航天局已制定以采样返回和载人登月为目标的赫拉克勒斯计划。美国国家航空航天局也提出“重返月球”口号，通过阿尔忒弥斯协定开展月球探测活动。月球探测活动为人们带来大量的一手数据，充分探究并科学地利用好月球探测器采集的数据成为关键，尤其是月球表面特征认识需要大量的月球地形数据支撑。
但是，长久以来人们的日常生产生活实践都发生在地球上，已经形成了基于地球的空间认知模式。在此基础上认知和识别其他星体上的地貌与现象，并使之准确、无歧义地被人们理解成为了重要的关注点。基于月球与地球地形地貌上的差异性认知，研究基于地球认知转移的月球地形地貌的增强可视化，能够让人们更加直观地认识月球地形地貌。月球地形地貌可视化最直接的形式是月球地图和地图集的编制。1609年伽利略用他发明的望远镜观察月球表面特征，阐述了月表亮区和暗区与地球上的大陆和海洋的相似特征，认识到圆形洼地（撞击坑）的地表形态是月球表面的主要特征，并制作了月球形貌草图。1959年苏联借助探测器月球3号获取的数据制作了月球背面地图集，向人们揭开了月球背面的情况，科学家们陆续制作了正、背面的地图集。2004年起，中国开展月球探测计划——嫦娥工程，为行星表面地形地貌、地质构造、物质成分、次表层结构等研究提供了突破性的原始数据，根据嫦娥一号数据制作完成了《嫦娥一号全月球影像图集》以及《嫦娥一号全月球地形图集》，已形成了多精度、多媒体的地图产品。这些地图产品向人们展现了月球表面的地形特征，有助于研究人员和公众把握月球表面的形貌特征。但是，目前主流的对月球表面形貌的可视化还是基于对地球数据的加工模式，即利用Yoeli方法生成解析晕渲图，基于地球特征的地貌晕渲利用阴影和明暗变化能够显现地貌的立体感。随着深空探测事业的发展，探测器获取的数据越来越多，对正确可视化月球地形地貌、传递准确认知思维信息的要求也就越来越高，如基于地球习惯思维的绿色表示植被、蓝色表示水的认知在月球可视化上会形成错觉和不正确的推导。本文在地球地形地貌认知习惯的基础上，充分考虑月球-地球之间的异同性，探索月球地形地貌的认知特点，对月球表面地形给出详实的可视化实验，以期向研究者与用户快速、正确地传递月球地形地貌特征信息。
1 研究内容与框架
为了正确认知其他行星的地形特征，需要分析地球与其他行星认知的差异，利用人类思维和认识的迁移或重塑来探索其他星球的认知和可视化方法，根据行星自身地形特征定制地形地貌制作方法，恰当并增强可视化表达行星特有地形或要素，可为分析地质结构、元素分布提供基础底图制作方法，为开展着陆区选址、登陆等提供地形地貌可视化支撑（见图1）。在讨论中国国内对月球地形制图研究的进展时，研究人员指出现今对月球地形制图的研究还相对滞后，即虽然通过深空探测事业获取了大量数据，但相当多的数据仍处于“测而不绘”的状态。从人类地球空间认知和宇宙认识出发，开展认知增强的行星地形制图，包括以下两方面：
图 1 地球认知转移的行星制图可视化框架
1）月球与行星（如火星）与地球的认知差异性分析。人们长期以来在地球上的生产生活实践塑造了日夜、四季和地表等各种心像，形成了基于地球的空间认知。人们形成了固定的空间思维和认知，包括对远近高低的意向和反馈等，这种空间思维的基础是以太阳为参照以及地物的反射为基础。在进行认知转移时，现阶段合理的做法是基于已有的地球认知形成的习惯，结合行星自身的地形地貌特征、物质组成和光照特点，分析行星地形与地球地形存在的差异性，准确细致的差异性分析是可视化的基础。
2）地球环境影响迁移的行星地形特征认知与行星地形增强可视化。根据人类地球环境的空间认知和视觉意向，分析太阳-地球与太阳-月球/火星的行星光环境差别，融合星体地形特征，根据月球、火星等与地球的认知和视觉差异性分析，对比它们的地形特征和要素差别，综合考虑人们进行目标判别、数量判定、形状加工的能力，对近似的地物、地形和现象采用迁移认知的方法，构思月球、火星等地形意向，采用地球要素的可视化和制图手段来描绘。对差异较大的地物、现象或视觉意向，如月球的月海、环形地貌，火星的陨击坑、沙坑等，打造针对月球/火星地形、地貌特征的可视化来重塑和增强行星地形，在一定程度上颠覆或打破习惯上的空间认知，如低海拔海洋的蓝色、高海拔的白色等这些认知意向。
2 月球与地球地形特征的异同点及影响
2.1
月球与地球地貌认知的相同点
月球作为地球唯一的天然卫星，在太阳系中与地球位置相近且与地球同源，有着一些与地球相似的性质。
2.1.1
月球的自转
在太阳系的坐标中，从相对太阳的位置来说，地球及月球几乎一致。太阳-地球轨道平面与太阳-月球轨道平面法线方向相近，具有相似的南北极和相同的自转方向（见图2），这些使得太阳光照射月球和地球具有相似性，月球上的阴影分布规律和地球上类似，因此可将人们已形成的基于地球地形的认知转移到月球的阴影可视化方案中。
图 2 月球与地球轨道几何关系
2.1.2
月海与月陆的直观感受
月球与地球一样，本身并不发光，自然状态下的色彩一般是由反射的太阳光决定的。月球朝向太阳的一面所反射的太阳光照到地球上，人们就能观测到此处的地形地貌，且随着月球的公转而产生阴晴圆缺的变化。受地球引力影响，月球自转周期与绕地球公转周期相等形成潮汐锁定，使得人们在地球上始终只能看到月球的一面，被称为月球的“正面”。
伽利略用望远镜研究月球表面形貌时，发现月球表面各区域的亮度有着明显的差异：月球正面亮度较暗的区域颜色较深，在认知中自然地与地球上深蓝色的海洋联系起来，被称为月海；月球正面亮度较高的区域颜色较深，被认为与地球上的陆地相对应，被称为月陆或高地。这些直观反映了人们基于地球地形地貌认知感受，在观察月球地形地貌时所发生的转移。事实上，月球表面上月海海拔较低，月陆海拔较高，这与早期观测者的直观认识相契合；同时月海表面主要成分为玄武岩，反照率较低，而月陆表面主要成分为斜长岩，反照率较高。
从这个角度讲，在地球地形地貌认知中的深色代表低海拔、浅色代表高海拔的认知习惯可以转移到月球表面，易于理解且不会引起歧义。但此规律虽可从地球推广到月球，却不能作为普遍规律继续推广，因为不同星体表面、不同海拔区域的成分与反照率各不相同。
2.2
月球与地球地貌认知的不同点
月球与地球的地貌认知的差异性首先表现在月球表面的地形地貌类型明显区别于地球表面，月球没有地球的山川、河流、沙漠、绿地，表面物质成分差异巨大；其次是地表覆盖的自然色（可见光部分）差异较大，月球色彩单调，以灰色和黑色为主，地球地表可视的色彩认知暗示用在月球上会引起误解或错误的认知。
2.2.1
月球地形特征
中国已经制定并发布了月球参考系、水准面、海拔高程等要素的相关标准。月球表面高低起伏，最高点到最低点的高差近20km。月球表面的地形地貌主要划分为3类：月海、月陆、撞击坑。
月海被玄武岩质熔岩所覆盖，地势要比月陆低得多，平均海拔约比月球水准面低1000~3000m。月海表面平整，海拔较低，大部分海拔在-1400m以下，坡度较小，无明显阴影特征；地面反照率较小，颜色较暗。月海平原相对平坦，大部分坡度在0°~10°之间。
月陆的主要物质构成是斜长石和富镁的结晶岩套，地势较高，大部分区域高出月球水准面约2000~3000m。月陆地形起伏较大，坡度变化较大，影像特征比较复杂，色调纹理不一，月陆上广泛、较为均匀地分布着撞击坑。
月表最显著的地貌特征是表面广泛分布的撞击坑，而且大小、发育程度不同，从地形剖面上看，撞击坑的内部是下凹的形状，不同的撞击坑的具体形状不同，但基本上都是圆形下凹深坑形状。撞击坑内侧的坡度很大，为25°~50°，外侧坡度则较平缓，仅为3°~8°。撞击坑平原存在于规模较大的撞击坑底部，表面平整。月球极地深度较大的撞击坑，由于长期无法接收到太阳光存在着永久阴影区。
2.2.2
月球与地球表面覆盖特征差异
从太空中看，地球上大部分区域被海水覆盖，是蓝色的星球。地表上不仅有自然植被覆盖，还有人类活动痕迹（见图3（a））。与地球不同，月球没有大气层，也没有海洋水体；月球表面没有森林、草地，只有光秃秃的月壤覆盖在表层。在地球上能够见到的具有地带性特征的植被在月球地表上不存在；月表上只有地形的高低起伏，没有自然植被的景观（见图3（b），来自国家航天局），没有类似于地球上的流水塑造的地貌。尽管月球上地名是按照地球的习惯命名的，但是实际的语义含义却差异巨大。如地球上海洋被海水覆盖，但月海是月球上反射率小、较暗的区域，并没有水体分布。月球上很多被称为山脉的构造是根据地球上山脉名称命名的。月球山脉的海拔也很高，没有垂直地带性的植被，更没有雪线的存在，这个直接影响地形彩色晕渲设计。
图 3 月球与地球的表面覆盖差异
可见光环境下，地球陆地上由于植被类型不同、颜色各异，地球表面丰富多样（见图3（a））。人们在地球陆地上能够观察到绿色的森林、草地，黄色的沙漠、黄土地貌及白色的雪山。再加上人类对地表的改造，使人们形成了对地表颜色的视觉印象。在黑暗的宇宙环境下，月球更接近暗灰色，表面没有植被，没有生物活动，因此月球表面色彩较为匮乏，它只是一个灰色的星体（见图3（b））。
人们在地球的长期实践中，对地物色彩已经形成了一套特定的心理模型。在地球地形地貌可视化中形成了习惯用色或颜色暗示，如蓝色表示水体，海洋、河流都使用不同亮度的蓝色。在可视化时，使用人们在生活中看到的地物色彩会产生更好的认知效果；在行星可视化时，要区分利用视觉色彩和抽象色彩来进行表达。
2.2.3
月球与地球表面地形地貌差异
地球表面地貌按照成因分类，可分为构造地貌、堆积地貌、侵蚀地貌等；按照作用动力不同，有河流地貌、冰川地貌、岩溶地貌等。地球地貌在形态上有平原、山地、丘陵、高原、盆地等基本的地貌类型（见图4（a））。月球的地貌类型比较简单，月海、月陆和撞击坑是月球的主要地貌类型（见图4（b））。月球上与水有关的地貌都没有水体覆盖，只是形态上有些相似。比如，月溪是月球上比较窄的黑色裂缝。传统意义上月海包括月洋、月湖、月沼、月湾，在物质组成的成分上基本相同。月球地貌与地球地貌存在巨大差别，认识到这些差异性，才能使用恰当的方法对月球地形进行地形增强可视化，从而更直观、高效地向读者传达月球地形特征信息。
图 4 月球与地球的地貌特征差异
3 月球地形特征的增强可视化
晕渲图通过阴影明暗对比得到具有立体感的地形图，在表达地形地貌上具有直观性，晕渲中阴影、颜色和地形夸大的恰当结合，能够增强地貌形态的立体感知。由于在太阳系中的环境类似，地球晕渲的方法可以借鉴到月球使用，但是要考虑月球覆盖和地形要素的特性和突出性，表现出其差异性。
月球的典型地貌晕渲需要恰当地体现地貌的形态特征，在高低起伏表达和色彩运用上增强地貌立体形态。地球地貌晕渲中不同的地势对应不同的色彩，暖色表达地势高的区域，冷色表达地势低的区域，或者按不同地貌类型设色，或者按照地理景观分类赋予不同的颜色。但是月球表面没有植被覆盖，对于月海、撞击坑这些完全不同的地貌，色彩运用上应有所区分。月球典型地貌可视化需要正确展示典型地貌的立体形态和高低起伏特征，比如撞击坑是下凹的形态，在晕渲效果上，不能给人上凸的感觉，光照阴影、地形的夸张比例都要充分塑造立体感，以及月表的高低起伏变化。本文从光源、高程协调和色彩3个角度对撞击坑、月海和月陆进行实验讨论。本文采用的中国探月工程数据发布与信息服务系统的月球数字高程模型数据，由嫦娥二号的电荷耦合器件（charge coupled device，CCD）立体相机于2010年获得，分辨率为50m/像素。
3.1
光源
1）撞击坑。选取一个典型撞击坑，在固定方位角为315°时，通过调整不同的太阳高度角（20°、30°、40°）来改变整个撞击坑晕渲效果（见图5）。太阳高度角为20°时，图面整体亮度太小，颜色暗淡，阳坡面展示效果不好。太阳高度角为40°时，图面整体亮度过大，阳坡面的高亮面积太大，阳坡面和阴坡面的阴影对比强烈，分界线明显，导致阳坡面的地形细节没有表达出来。太阳高度角为30°时，光照亮度合适，阳坡面与阴坡面的对比明显，撞击坑坑沿外侧的地形起伏清晰。
图 5 撞击坑不同太阳高度角和方位角的晕渲效果
通常撞击坑是下凹的圆形坑，坡向几乎均匀分布。实验中固定太阳高度角为30°，改变光源方向（西北方向315°、东北方向45°、西南方向135°、东南方向225°）的效果。方位角不同，阴影的方向和位置不同，北侧光源下的撞击坑阴影在南侧，塑造的撞击坑地形效果立体效果明显，表达出下凹地形的视觉感受，而南侧光源下塑造易有倒置现象，不宜采用。
2）月海。月海的地形比较平坦，高程变化大的地方位于月海中的撞击坑和凸起的小山丘。光源的不同高度角对月海的整体亮度影响较大，如图6所示，高度角分别为20°、30°、40°时月海亮度依次增加（方位角为315°），40°时月海较亮，月海中的山丘和撞击坑形态清晰。
图 6 月海不同太阳高度角和方位角的晕渲效果
目视可得北侧光源对月海中的山丘和撞击坑能较好地保持对应的上凸和下凹的视觉感受。月溪的宽度与高差都不大，蜿蜒曲折，形状上类似地球上的沟谷。西北、东北光源下的月溪有下凹的视觉效果，西南、东南光源的月溪给人上凸的视觉感受。
3）月陆。月陆的高程高于月海地区，高差起伏较大，分布着较多的碗状撞击坑。光源高度角为30°时，图面明暗对比明显，阴坡面与阳坡面明暗对比明显，地形细节表达清晰（见图7）。西北、东北光源下月陆地形中的撞击坑给人下凹视觉感受，西南、东南光源下的隆起地形有下凹感，撞击坑有上凸的视觉感受。
图 7 月陆不同太阳高度角和方位角的晕渲效果
3.2
垂直比例调整
高程垂直比例参数用来调整地形起伏的夸张程度，加大垂直比例能提高高差，形成较大的阴影区，增强晕渲的立体感，但过大的垂直比例参数会使得地形晕渲效果失真。一般对平坦地区采用不夸大或者较小的垂直比例参数，对地形起伏大区域可适当加大垂直比例参数系数，能够更好地展现地形起伏特征。
1）撞击坑。实验中撞击坑内部高差范围为2000m，撞击坑的坑沿内侧的坡度比坑沿外侧坡度大，坑沿内侧的坡度在25°以上，坑底及撞击坑四周的地貌坡度在10°以下（见图8）。垂直高程放大比例参数分别设置为1、3、5、7、9、11的效果见图9。可见，无夸大时撞击坑整体较为圆滑。在垂直比例参数为3、5时，撞击坑立体形态效果突出，坑沿隆起构造与周围地形区分明显，坑沿两侧的坡度对比明显。当垂直比例参数大于5时，整个图面的阴影面积较大，撞击坑坑沿分界线更加清晰、形状突出，坑沿外侧的隆起程度更加突出，但是会产生在坑沿两侧坡度相似的视觉感受；同时，撞击坑周围坡度较小的区域地形被过度夸大，给人地形非常破碎的感受。
图 8 撞击坑的坡度分布图
图 9 不同垂直比例参数下撞击坑晕渲效果
2）月海、月溪、月陆。针对月海、月溪、月陆每个数据区的高程分配和地形特征，可以定制设置不同部位或不同高程段的垂直变化系数来增强各自特征的突出。对平坦的月海地区和高程变化明显的地貌分别采用不同的垂直比例参数，既能显示月海平坦区域地形起伏特征，又能增强月海中山丘和撞击坑的清晰度（见图10），图 10中月海平坦部分的垂直比例参数为1.2，明显起伏部分的垂直比例参数为3；同时，月溪的阴影明显（见图11），月陆起伏加强明暗对比突出、起伏特征增强（见图12）。通过变比例尺地形特征增强，强化了地貌的渲染效果，对所有的地形地貌都具有超分辨率清晰化效应。
图 10 月海在不同垂直比例参数下的晕渲效果对比
图 11 月溪在不同垂直比例参数下的晕渲效果对比
图 12 月陆在不同垂直比例参数下的晕渲效果对比
3.3
色彩调整
色彩是视觉传达中最具有感染力的因素，图面的第一感受是色彩，地球地形色彩常从自然地理的角度出发，分析地表覆盖的颜色，一般采用大自然象征色进行彩色晕渲。月球的表面没有地表植被的色彩，灰色月壤覆盖月表，整个月球呈暗灰色。为适应月球表面自然的色彩特征，可以使用灰色系进行晕渲。月球的亮度特征是月海较暗，月陆较亮，因此可以选择越高越亮的灰色晕渲方案。
图13（a）中选择了灰色晕渲方案，从15%灰度起，以3%的灰度值为间隔设置灰度颜色。大范围月球地形晕渲中主要表现在色彩上，地球与月球的地表覆盖完全不一样，在地形图颜色选择上需要考虑人们在地球生活中形成的习惯的视觉意向，月球地形可视化用色体系不能直接套用地球地形图，地球地形图色系中代表植被的绿色色彩用于月球地形图表达中会产生误解。采用彩色系进行晕渲时，一方面要充分利用色彩的转移性认知应用，如冷暖色系对应高程的高低特征，这种设色能够从色彩心理上进一步营造地形的高低起伏，如图13（b）。蓝色和黄色从视觉上有地球上陆地和海洋的联想，比较符合人们对地球上陆地、海洋的地貌认知思维，只是月海没有水体。另一方面，要回避转移性的错误认知，如白色联想雪线、蓝色与水关联（图13（b）的蓝色系）等，采用色谱色阶进行地形渲染，对月表地形的高低起伏特征变化表达清晰，颜色没有特别含义，如图13（c）采用灰色和棕黄色渐变：海拔低于0m的月海采用灰色更能体现月球表面没有水的特点，避免给人湿润的感觉；海拔高于0m的月海（月陆）使用越高越浓的棕黄色，棕黄色给人干燥的感觉，符合月球表面没有流水的特点，也更加贴近月球表面没有植被覆盖的特点。
图 13 不同色系下的月球地貌渲染
4 结语
地球和月球相对太阳的类似行星参数使得人们从地形认知转移到月貌认知，可借鉴地貌晕渲技术来可视化月貌情况。但是，月球上地貌类型相对匮乏，月海海拔较低且地势比较平坦，月陆海拔较高且地势起伏度较大，月球表面大小不一的撞击坑等是与地球区别明显的地形特征，因此在月球地形晕渲可视化时注重增强月球地形特点。月球与地球在地表覆盖及地表色彩上存在着差异，月球表面无任何植被和水体，地形认知要突出差异性，因此在月球地形可视化中不能直接套用地球地形可视化的色彩体系，避免联想到植被、水的误解，宜采用灰色、棕色等刻画月表玄武岩、斜长岩等矿物构造特征。
分析探索其他行星认知与地球的差异，利用人类思维和认识的迁移或重塑来探索行星制图和可视化是具有挑战性的研究，基于晕渲和增强的月球地形可视化可为探索行星、飞行器着陆区选址和月面机器人行驶路径等提供地形地貌可视化支撑。
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