月球亮温观测的「高空间」与「高时间」两难
月球亮温蕴含月表及浅层月壤的热学与介电信息，是月球热环境研究的关键参数。然而受卫星成像系统固有权衡的制约，任何单一传感器都难以同时实现高时间分辨率与高空间分辨率：CE-2 MRM 具备全月面微波穿透探测能力，却空间分辨率粗糙、混合像元显著、时空分布不连续；LRO Diviner 红外亮温空间分辨率高、覆盖完整，但仅响应月表极浅层辐射且存在设备周期性故障与高纬可靠性问题。与此同时，成熟的时空融合方法在地球陆地、大气场景已形成完整技术体系，在月球遥感领域的落地却十分有限。
微波亮温时空分辨率与覆盖不足
MRM 受窄带工作频带、有限天线孔径与仪器设计限制等固有约束，获取的数据空间分辨率粗糙、混合像元效应明显，空间分布与时间采集间隔均不连续。CE-2 单时相微波亮温数据平均覆盖度仅约 30%，观测时段分布不均，无法实现全天时均匀覆盖，观测盲区与轨道间隙明显，难以支撑连续、高精度的月表热物理行为监测。
既有建模策略缺乏充分验证
过往研究主要通过插值技术或经验校准方法开展全球月球亮温制图，强调辐射校正与基本作图流程，往往忽略太阳入射角、当地时间与季节效应对亮温变率的影响。自时间-角度变换概念引入以来，多数建模策略假设给定纬度上亮温变化模式在时空上一致，全球亮温模拟常依赖理想化的日亮温周期模型，这类假设缺乏地面真实值或高分辨率参考数据集的充分验证，其泛化性与准确性受到质疑。
地球时空融合模型难以适配月球
亮温数据通常为单通道数据，不存在高光谱意义上的光谱变化，沿用地球场景的光谱差异权重并不适用；月球无大气、强辐射、高真空，且无源微波传感器空间分辨率常在千米尺度，必须顾及月球表面曲率，用平面距离计算像元空间权重会带来偏差。具备多源协同与高精度重构能力的先进融合方法在月球遥感中的成熟方案相对匮乏。
3.0 GHz 频段为 25 km
观测时段分布不均
3.0 / 7.8 / 19.35 / 37.0 GHz
累计采集 2 401 道亮温数据
改进 STARFM：三步递进式时空自适应融合框架
本研究以构建兼顾月球球面几何特性与表面热物理时空异质性的多源亮温时空自适应融合框架为目标，遵循「多源数据统一处理与特征分析—时空关系建模与微波亮温模拟—改进 STARFM 时空融合与精度验证」的三步递进式技术路线。核心改进在于：针对亮温单通道特性剔除光谱差异权重、保留时空权重，并引入月球球面距离公式（月球半径 r = 1 737.1 km）替代平面距离，将像元间平面距离转换为大圆距离，从而对滑动窗口内相邻像元实现更精确的空间加权。
多源亮温数据统一处理与基础分析
针对 CE-2 MRM 微波亮温与 LRO Diviner 红外亮温原始数据，开展时角转换、辐射归一化处理及空间插值等预处理，统一时间基准与空间尺度；计算多源多波段月球亮温分布结果，并统计分析微波与红外亮温在时空维度上的相关关系，为后续关系建模提供基础。
顾及时空特征的亮温关系建模与模拟
以 LRO Diviner Channel 7 红外亮温与 CE-2 37 GHz 微波亮温为输入，通过时角转换得到太阳方位角与入射角并与红外亮温统计匹配；采用高分辨率 LOLA DEM 提取高程、坡度、坡向等空间变量，结合月球当地时间、太阳几何等时间特征以及地表成分，建立顾及纬度、当地时间、季节效应的数理统计模型，反演生成高时空一致性的模拟微波亮温数据集，并通过定性与定量分析评估模拟精度。
STARFM 模型的月球化改进
在 STARFM 框架内引入多项优化：利用已知的模拟 BT(x, y, t_k) 与 t_k 时刻实测 BT，对目标时相 t_0 的预测模拟亮温进行校正，得到与 t_0 观测值一致的高分辨率亮温分布；由于亮温数据为单通道、不存在光谱变化，仅计算像元的时空权重，合并权重贡献 C = T × d；空间距离权重 d 采用月球球面距离公式计算，顾及月球表面曲率，将平面距离转换为大圆距离。
双输入时空融合与精度验证
将模拟微波亮温与 CE-2 实测微波亮温作为双输入，生成高时空分辨率、全月无缝覆盖的月球微波亮温融合数据集；采用交叉验证、误差分析等方法，以融合亮温为估计值、CE-2 MRM 实测亮温为参考值，通过决定系数、均方根误差与结构相似性指数进行精度验证与质量评价，并在多个历史着陆区开展时序一致性独立检验。
CE-2 MRM 与 LRO Diviner 多源数据
CE-2 于 2010 年 10 月 1 日发射，沿距月面约 100 km 的极轨椭圆轨道飞行，轨道周期约 118 分钟，相邻轨道赤道间距约 32.7 km，回归周期接近一个月；MRM 工作于 3.0、7.8、19.35、37.0 GHz，各波段灵敏度 0.5 K，本研究采用穿透深度约 30 cm 的 37.0 GHz 通道 2c 级亮温数据（已完成几何校正与系统定标，2010 年 10 月—2011 年 5 月共 2 401 道）。Diviner 为 LRO 九通道推扫辐射计，覆盖约 0.3~400 μm，测温范围 40~400 K，沿轨空间分辨率约 320 m、垂轨约 160 m；本研究选用光谱范围 25~41 μm、信噪比高的通道 7，数据取自 2009—2016 年全球累积产品 GCP。另使用 LOLA DEM 提取地形变量。
虹湾局部验证与全月重建配置
选取虹湾地区作为局部时空融合结果的重点展示与验证区域：该区位于月球雨海西北部，地势平缓开阔、月壤覆盖均匀，玄武岩地形可有效降低地形辐射干扰，且已有嫦娥三号着陆器实地探测数据与长时序 CE-2 微波、LRO Diviner 红外多源观测资料。模拟数据由空间分辨率 0.5° 的月球亮温模型生成，为每个 0.5°×0.5° 网格单元提供近乎完整的时序亮温信息；融合时每隔 2 h 选取一个时间点作为目标时相，虹湾区域与全月面均按该配置重建，着陆区时序验证的融合亮温每 0.5 h 输出一个数据点。
实验结果：R²≈0.90、RMSE≈5 K 的全月无缝重建
以改进 STARFM 模型融合得到的月球微波亮温为估计值、CE-2 MRM 实测微波亮温为参考值开展定量验证，并在虹湾局部区域、全月面尺度与历史着陆区三个层次上检验模型的精度、空间可迁移性与时序一致性。
多时相散点紧密聚集于 1:1 线
数值偏差小、反演精度高
空间纹理与热分布结构保持良好
较原始条带数据提升约 70%
| 数据源 | 空间分辨率 | 时间与覆盖特性 | 探测深度 | 精度表现与局限 |
|---|---|---|---|---|
| CE-2 MRM 37.0 GHz 实测微波亮温 |
15 km（3.0 GHz 为 25 km） | 2010 年 10 月—2011 年 5 月共 2 401 道；单时相平均覆盖度约 30%，观测时段分布不均 | 约 30 cm 浅层月壤 | 灵敏度 0.5 K；混合像元效应显著，空间分布与时间采集间隔不连续 |
| LRO Diviner Channel 7 红外亮温 |
沿轨约 320 m，垂轨约 160 m | 2009—2016 年全球累积产品 GCP；全球覆盖更完整、条带范围更广 | 月表极浅层（毫米级）热辐射 | 测温范围 40~400 K；存在设备周期性故障、高纬数据可靠性差、噪声异常与时空空缺 |
| 改进 STARFM 融合微波亮温数据集 |
0.5°（每 0.5°×0.5° 网格单元） | 时间分辨率 0.25 h，每 2 h 重建一个目标时相；全月面无缝覆盖率 100% | 继承 37.0 GHz 约 30 cm 浅层探测能力 | R²≈0.90、RMSE≈5 K、SSIM≥0.95；着陆区时序一致性误差小于 5 K |
时空不连续性显著降低
以虹湾地区为例，每隔 2 h 选取一个目标时相重建 CE-2 实测微波亮温：融合结果在所有时间阶段均实现高分辨率的全空间覆盖，显著降低了原始 CE-2 观测中存在的时空不连续性。融合亮温的空间分布与月球地形吻合良好，在融合影像中可清晰识别虹湾地区的多个大型撞击坑，表明模型对月表热非均质细节具备良好还原能力。
覆盖率提升约 70%，日循环特征清晰
将模型扩展至全球并每 2 h 重建一次，融合数据集以 0.5° 空间分辨率实现 100% 全球覆盖，较原始 CE-2 MRM 条带数据（覆盖率不足 30%）提升约 70%。空间上呈赤道高、两极低的纬度梯度，正午赤道附近亮温达 270 K，夜间下降约 50 K；时间维度上有效捕获日循环特征，正午与夜间亮温差异达 220 K，与 Diviner 红外亮温及 CE-2 实测结果一致。
绝对误差限制在 ±5 K 以内
选取 Apollo 系列（美国）、Luna 系列（前苏联）与嫦娥系列（中国）等地理与地质条件多样的历史着陆点开展独立评估，融合亮温每 0.5 h 输出一个数据点，可详细描述整个日热循环。时间剖面与经验测量的相位对准与幅度一致，即使在存在微小差异的时段，绝对误差通常也被限制在 ±5 K 以内，完全在月球微波热遥感数据的可接受范围内。
改进的 STARFM 模型通过融合多源数据，将月球微波亮温的空间覆盖率从不足 30% 提升至 100%，同时保持 R²≈0.90、RMSE≈5 K 的高精度，为月球热环境分析、月壤参数反演及未来任务规划提供了高时空分辨率的数据支撑。
三大贡献、应用价值与未来议程
本研究以月球微波亮温数据的时空融合为目标，基于 LRO Diviner 模拟得到的月球微波亮温数据并结合 CE-2 MRM 实测数据，在 STARFM 方法改进的基础上融合生成了高时空分辨率的全月月球微波亮温数据集，突破了实测微波亮温在时空分辨率与覆盖范围上的限制。
构建月球化的时空融合框架
针对现有遥感融合模型无法适配月球无大气、球面几何的特殊环境问题，剔除光谱差异权重、保留时空权重，并以月球球面距离公式替代平面距离，构建面向月球亮温重建的时空自适应融合框架，充分挖掘微波与红外观测数据的互补优势。
生成全月无缝亮温数据集
实现月球微波亮温数据在 0.5° 空间分辨率与 0.25 h 时间分辨率下的全月无缝覆盖，融合数据集决定系数 R²≈0.90、均方根误差 RMSE≈5 K、结构相似性指数 SSIM≥0.95，均表现优异，时序连贯、空间无缝。
完成多区域独立精度验证
依托多区域实测与模拟数据完成精度校验：在 Apollo、Luna 及 CE 系列探测器着陆区的验证中，时序一致性验证误差小于 5 K，融合值与实测值的相关性与结构一致性均较强，凸显模型在长期月球热环境监测中的实际适用性与科学可靠性。
应用价值
该数据集可靠性高、精度良好，可为月球热环境动态分析、月壤参数反演、水冰探测等研究提供高精度数据支撑，并支持月表热建模、地下结构分析等下游应用；对月球地质勘探、着陆点优选及月球基地建设具有重要参考价值，也可服务于未来着陆器或漫游车的任务规划。研究团队来自山东科技大学测绘与空间信息学院、国家卫星气象中心、许健民气象卫星创新中心等单位。
局限与未来
当前工作主要基于 CE-2 MRM 37.0 GHz 单一通道与 Diviner 通道 7 数据，模型普适性仍有提升空间。未来将把融合模型进一步扩展至多源异构数据（如红外-微波联合反演），并推广至 CE-2 MRM 的其他波段，推动月球科学研究的精细化与多源化发展，为反演月壤厚度、成分等地表地质特征提供更丰富的数据支持，对加深对地球和其他天体微波遥感特征的认识具有重要意义。