月表圖斑數字量化分類方法研究*

陳 墾,廖 平, 王玉川, 肖鵬飛, 王 勇, 苗 放

(1.四川省國土勘測規劃研究院，四川 成都 610045;2.北京大學數字中國研究院政策與戰略研究中心，北京 100871;3.成都理工大學 空間信息技術研究所，四川 成都 610059)

月表圖斑數字量化分類方法研究*

陳 墾1,廖 平1, 王玉川1, 肖鵬飛1, 王 勇1, 苗 放2,3

(1.四川省國土勘測規劃研究院，四川 成都 610045;2.北京大學數字中國研究院政策與戰略研究中心，北京 100871;3.成都理工大學 空間信息技術研究所，四川 成都 610059)

圖斑是月球表面的重要特征之一，對月球科學研究及月表制圖具有重要意義。現有的圖斑分類技術主要基于手動的經驗判斷為主，存在效率較低和主觀性較強等問題，以月表圖斑影像幾何特征分類研究為導向，利用面向圖像信息提取的需求進行綜合分析，提出一種基于大小、邊緣清晰度、曲率、寬窄(坑唇)、中央復雜度和深度等六因子的“六位十級”月表圖斑影像幾何特征數字量化方法。為實現快速、智能、自動判識提供理論基礎；為開展月表形貌和構造的綜合研究提供依據；為開展月表的形成、演化以及制圖研究提供技術支持。

六位十級；判識因子；幾何特征；嫦娥一號數據；月表圖斑

隨著空間技術的迅猛發展，人類在長期的月球探測過程中，對月表形狀、近地環境和表面特征等取得了詳細的數據支撐[1]。月表圖斑主要是由撞擊體高速撞擊月表，強烈挖掘月表物質形成的。目前，在該研究領域中，主要是通過對具有影像特征的月表圖斑進行識別，并采用科學的分類標準和算法對其重疊順序進行判別。國內外學者對月表圖斑識別及月表圖斑重疊順序判別進行了探討，提出了一些模型和技術方法[2]；但尚缺乏一套基于幾何特征數字量化方法的科學有效的月表圖斑分類方法，通過對月表圖斑形態研究進而分析其形成原因和演化過程尚有難度。目前，學者對形態萬千的圖斑的研究僅停留于其形態分析上，沒有一套標準進行量化處理和分析，對其重疊順序也尚不能做到科學、準確的判斷。基于月表圖斑的復雜度是一個非常重要的幾何特征，它能夠從宏觀上揭示關于月球的一些屬性特性和空間分布特征[3-4]。

1 六位十級數字量化分類法

根據現有的研究狀態、設備條件以及統計數據，針對現有的月表圖斑幾何特征分類方案中存在的不足，較全面地提出了描述月表圖斑影像和幾何特征的數字量化標準——六位數字十級分級法。此方法簡單描述如下：第1個數字，根據圖斑直徑大小量化為0～9等級；第2個數字，根據圖斑的邊緣清晰度量化為0～9等級；第3個數字，根據圖斑連續度和圓規則度量化為0～9等級；第4個數字，根據圖斑坑壁寬度半徑比量化為0～9等級；第5個數字，根據中央峰結構等復雜度量化為為0～9等級；第6個數字，根據圖斑深度量化為0～9等級；最后形成圖斑的形態特征標準量化命名法的標準格式為XXXXXX型圖斑。

1.1 大小因子的選取與建立

月表圖斑在形成初期多為近似圓形的坑結構，對于圖斑的幾何形態可以把它近似地定義為圓形。圓形幾何形態之間存在差異性的最重要原因就是圓形形態的直徑大小不同，因此，定義月表圖斑6位數分級命名法的第1個因素就是直徑大小因素。該因素在影像數據上的特征是指月表圖斑邊緣2點之間的最大距離。

目前，學者對于月表圖斑直徑大小的分類標準大概有下述4種：1)1978年，Chuck Wood 和Leif Andersson按直徑大小對月表圖斑進行分類，一共有5種情況(ALC、BIO、SOS、TRI和TYC)；2)直徑>1 km的圖斑的總面積，約占整個月表表面積的7%～10%；直徑為15～20 km的圖斑稱為碗型圖斑，直徑>15 km的圖斑形態將趨于復雜；直徑>35 km的圖斑一般都發育有中央峰；3)按照圖斑的直徑大小進行分類的方法分為簡單圖斑、復雜圖斑和撞擊盆地；4)USGS分類法按照圖斑的直徑大小分為簡單圖斑、復雜圖斑和多環狀盆地。

根據國內外已有的對月表圖斑的研究成果和相應的統計數據，對現在普遍應用的直徑大小分類標準的區間進行綜合分析判斷，將月表圖斑的直徑大小定性分析界定為微型、小型、中型、大型和特大型。定量分析為0、1(微型)，2、3(小型)，4、5(中型)，6、7(大型)和8、9(特大型)。結合已獲得的影像數據，設定其分辨率R，圖斑的實際直徑大小D，影像數據上直徑所代表的像元數目N，根據表達式N=D/R，來具體判斷圖像中所表示的圖斑的大小因子分類所屬級別。通過這種分類方法，彌補了之前學者簡單地根據直徑大小進行圖斑分類的不足。大小因子分類法圖形實例見表1。

表1 大小因子分類法圖形實例

1.2 邊緣清晰度因子的選取與建立

目前，對于邊緣清晰度的定義和研究還處于初始階段。月表圖斑邊緣的清晰情況可以很好地反映其形成過程中是否重復遭受外力，并為月表表面環境分析提供實物參考。在研究月表邊緣清晰度時，主要從空域、頻域和信息論3個方面對月表圖斑邊緣清晰情況進行分類。邊緣清晰度的定性與定量描述見表2。

表2 邊緣清晰度的定性與定量描述

1.3 曲率因子的選取與建立

曲率是幾何體不平坦程度的一種衡量，曲率半徑越大，圓弧越平緩；曲率半徑越小，圓弧越陡。由于大多數的圖斑都為圓形或橢圓形，曲率便是圖斑分類標準體系中一個很好的分級標準因子。可以采用邊緣曲線連續性和曲率變化率對半徑多次采樣，并進行估測和判斷弧度的缺失程度，然后根據圖斑的圖像特征與上述3個特征的契合度來定義所屬級別。形成分級列表見表3。

表3 月表圖斑曲率因子等級劃分

1.4 寬窄(坑唇)因子的選取與建立

通過對月表圖斑坑唇明顯的差異進行分析，根據坑唇寬度所占坑半徑的比例，選取平均寬度進行各類坑唇的比較，依據其大小形狀特征，對寬窄(坑唇)因子定性定量進行分類(見表4)。

表4 月表圖斑寬窄因子定性定量分析

1.5 中央復雜度因子的選取與建立

復雜度是對事物復雜性的一種程度描述，它幫助人們在定性了解事物復雜性的基礎上，對事物做進一步地掌握、處理與分析。目前，在國內外還沒有一個通用的標準來描述圖斑的復雜度。本文對月表圖斑數據進行定量和定性的分析，研究其空間分布規律針對圖像數據本身的特點，準確描述圖像的復雜程度，更好地進行圖像處理與分析工作。

通過對圖斑中央復雜度的分析，定性地將其特征劃分為簡單、復雜和特別復雜(十分復雜或者紊亂)3級，定量劃分為0～9共計10級。基本劃分見表5。

表5 月表圖斑中央復雜度等級劃分圖示

1.6 深度因子的選取與建立

除了上述對圖斑形態分布分類的篩選標準，深度作為月表圖斑一個重要的幾何特征，也是描述和識別月表圖斑必不可少的因子。根據日本“月亮女神”號飛船獲得的月表上南極-艾托肯盆地(SPA)的相關數據顯示，其深度>8.05 km，但是當前普遍以激光測距數據以及月表DEM模型為主的研究月球表面地形月貌特征的方法費時費力并且精度不高；因此，可以利用高分辨率、高精度、高時間分辨率、多光譜和低費用的航空或衛星遙感影像，結合計算機技術分析圖斑深度。利用遙感技術的圖像數據制作的月球表面三維影像，可以進行月表月貌單元的劃分、月表三維地形圖以及相關專題地圖的編制，進行月表圖斑的形態、大小和分布特征等信息的提取，為研究提供可靠信息[5]。

2 數字月球平臺

數字月球平臺由應用層、平臺服務層、接口層和解析處理層組成。借助此平臺，可以實現包括月表地理標注、月表空間數據的加載與展示、場景漫游、交互操作和分布式數據集成等；同時，也可以針對目前的軟件使用趨勢，將數字月表平臺移植到Java環境，實現嫦娥一號數據加載，完成相關功能開發(如飛行、測距和查詢等)，并能在此平臺上實現全月DEM數據的加載和六位碼相關功能的開發工作。結合本平臺和“六位十級”方法對哥白尼圖斑進行具體研究。月表哥白尼紀(Copernican)起始于10億年前，是月表上最年輕的地質時代[6]。哥白尼圖斑(9.7°N，20.0°W)位于風暴洋的中東部，靠近月表赤道。它形成于雨海紀填充后的一次撞擊事件，大約在(800±40)Ma之前[7]。通過數字月表平臺對已有影像數據的分析發現，其直徑大約為93 km；邊緣周緣平滑；曲率變化明顯，但較模糊；坑唇寬度中等；坑底北西部相對平坦，但是其他區域凹凸不平，在坑底的丘陵地帶也存在一些鏈狀坑和溝槽，鏈狀坑的深度多為5 m，也有深達14 m。結合這一情況，根據“六位十級”方法對該坑進行標注為：95646X(由于深度因子研究尚未完成，暫用X表示)。

3 結語

提出了一種月表圖斑影像幾何特征數字量化方法。客觀描述圖斑的幾何特征、分析重疊順序，為圖斑影像特征的分類提供了科學的分類準則，為月表特征值批量入庫做基礎準備，為進一步月表研究提供標準和依據。圖斑在月表的分布密度可以用來推斷月表地質單元的年齡，不僅可以對月表的圖斑形態進行詳盡的描述和解釋，還可以協助人們對形成圖斑的可能原因和演化模型的整體性和規律性有進一步認識。基于數字月表平臺，輔助“六位十級”法，對月表圖斑影像特征做量化特征，對不同類別的圖斑開展研究工作。通過分析圖斑的直徑大小、邊緣清晰度、曲率、坑唇的寬窄、中央復雜度和深度，系統、科學地分析其成因。借助數字月表平臺實現全月研究、3D加載、自由旋轉、空間分析以及對現有各種月表平臺的高度集成，使得相關研究工作更加直觀、方便。有利于進一步開展圖斑的統計分析及分布特征研究，從而使人類對月表形貌特征的分析和認識更加深入，有助于提高對星球撞擊的認識，能夠在一定的程度上反應撞擊月表的小天體的分布，為繪制精準的月貌圖形提供基礎數據和技術支撐。

[1] Ronca L B.An introduction to the geology of the moon [J].Proceedings of the Geologists Association,1966,77(1):101-125.

[2] 歐陽自遠.我國月表探測的總體科學目標與發展戰略[J].地球科學進展，2004,19(3):351-358.

[3] 歐陽自遠.月表探測的進展與中國的月表探測[J].地質科技情報，2004,23(4):1-5.

[4] 陳俊勇, 章傳銀, 黨亞民.月表航天探測和月表測繪[J].測繪學報，2005,34(3):189-195.

[5] 葛之江, 殷禮明, 林宗堅.月表遙感立體測繪技術的發展[J].航天返回與遙感，2005,26(2):11-21.

[6] Hiesinger H, Head J W, Wolf U, et al. Ages and stratigraphy of mare basalts in Oceanus Procellarum, Mare Nubium, Mare Cognitum, and Mare Insularum[J]. J. Geophys Res,2003,108(E7)：5065.

[7] Stoffler D, Ryder G. Stratigraphyand isotope ages of lunar geologic units: Chronological standard for the inner solar system[J]. Space Sci Rev, 2001,96: 9-54.

*863項目(2010AA122202)

責任編輯馬彤

ResearchonDigitalQuantitativeClassificationMethodoftheLunarSurfaceSpots

CHEN Ken1, LIAO Ping1, WANG Yuchuan1, XIAO Pengfei1, WANG Yong1, MIAO Fang2,3

(1.Sichuan Institute of Land Planning and Survey, Chengdu 610045, China；2. Policy and Strategy Center,Institute of Digital Earth, Peking University, Beijing 100871, China；3. Spatial Information Technology Institute,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

The impact craters have the important meaning to the moon with scientific research and drawings. The existing classification technology of impact craters is based on manual experience judgment problem such as low efficiency and strong subjectivity. As it being a guide, that comprehensive analysis with image information extraction, putting forward a kind of six-ten-level geometrical characteristic methods based on the moon impact craters which combined with size, edge of clarity,curvature,pit lip,central complexity and depth. The paper wants to achieve rapid, intelligent and automatic theoretical foundation knowledge, to develop the moon morphology and structure of the comprehensive research provide the basis, and for the development of the formation and evolution of the moon and drawing research provides the technical support.

six-ten-level，identifing factors，geometrical characteristic，Chang′e-One data，lunar surface spot

TP 753

：A

陳墾(1986-)，男，博士，工程師，主要從事國土勘測規劃及應用等方面的研究。

2015-02-17