“嫦娥三號(hào)”降落區(qū)濺射物空間分布關(guān)系

趙桉銘，胡騰，2，桑洋，陳嘉偉，康志忠，2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.教育部深空探測(cè)聯(lián)合研究中心月球與行星探測(cè)國(guó)際合作研究分中心，北京 100083)

0 引言

月球作為地球的衛(wèi)星，也是距離地球最近的自然天體，在能源、戰(zhàn)略、人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展等領(lǐng)域都有著不可估量的價(jià)值[1-2]。在月表復(fù)雜的地形地貌中，撞擊坑是月球表面最典型的地質(zhì)構(gòu)造；石塊是月表平整度的重要依據(jù)，也是連接原始撞擊坑和濺射物的橋梁[3]。對(duì)二者的聯(lián)合分析有利于獲取濺射物的空間分布關(guān)系，進(jìn)而為著陸區(qū)地形地貌的研究、局部地區(qū)的地質(zhì)演化提供關(guān)鍵證據(jù)。2013 年12 月14 日，“嫦娥三號(hào)”著陸器攜帶著玉兔月球車(chē)成功著陸于月球正面的雨海北部地區(qū)(坐標(biāo)為44.12°N，19.51°W，如圖1所示)，其著陸點(diǎn)位于直徑約450 m的“紫微”撞擊坑?xùn)|側(cè)，距該撞擊坑邊緣約40 m。巡視區(qū)域位于“紫微”撞擊坑濺射邊緣區(qū)域，由此為研究濺射物的空間分布關(guān)系提供了近距離的清晰影像數(shù)據(jù)。

注：★為“嫦娥三號(hào)”著陸點(diǎn)。

對(duì)于“嫦娥三號(hào)”著陸區(qū)，前人已有研究。Xiao等[4]根據(jù)超寬頻帶測(cè)月雷達(dá)采用“邊走邊探”方式，獲得著陸區(qū)月殼淺層330 m深度內(nèi)的剖面結(jié)構(gòu)特性及地質(zhì)演化圖；Li等[5]通過(guò)降落相機(jī)影像數(shù)據(jù)認(rèn)為著陸點(diǎn)位于平原高臺(tái)地的邊緣，且從西向東呈下降趨勢(shì)，地形坡度和起伏較小；Di等[6]利用巡視器影像采集了7個(gè)地點(diǎn)的石塊，指出石塊集在“紫微”撞擊坑的東側(cè)和邊緣。

為了更好地研究著陸區(qū)的地形地貌，要利用著陸區(qū)周邊的高分辨率影像來(lái)研究石塊和撞擊坑的空間分布關(guān)系。Wu等[7]利用圖像識(shí)別的方法，自動(dòng)提取了降落相機(jī)影像下的石塊，獲取了石塊的豐度模型。但石塊的樣本并不完整，邊界的區(qū)分也有一定的誤差，且并未進(jìn)行石塊和撞擊坑的聯(lián)合分析，由此說(shuō)明，“嫦娥三號(hào)”著陸區(qū)有待進(jìn)一步研究。

本文借助“嫦娥三號(hào)”降落相機(jī)的高分辨率影像，采用人工提取的方法,得到了較為完整的石塊和撞擊坑，分析了撞擊坑和石塊的空間分布關(guān)系，得到了“紫微”撞擊坑濺射的規(guī)律，最后利用地形地貌相機(jī)影像對(duì)結(jié)果進(jìn)行了實(shí)景驗(yàn)證。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

1)“嫦娥三號(hào)”降落相機(jī)鑲嵌影像。影像的地面分辨率是不均勻的，降落相機(jī)在沿主光軸方向下降的同時(shí)，分辨率從0.1 m/像素增大至0.03 m/像素；影像沒(méi)有地理參考坐標(biāo)。本文使用的鑲嵌影像來(lái)自于Wu等[7]的研究成果。

2)“嫦娥二號(hào)”數(shù)字正射影像[8](digital orthophoto map，DOM)。本文采用7 m/像素DOM影像作為底層影像(CE2_GRAS_DOM_07m_D217_45N015W_A)，通過(guò)該影像為其他數(shù)據(jù)賦予地理參考坐標(biāo)(GCS_Moon_2000)。

3)月球軌道勘測(cè)器影像(lunar reconnaissance orbiter，LRO)。由于降落相機(jī)鑲嵌影像與 “嫦娥二號(hào)”DOM影像分辨率差異過(guò)大，本文引入了1.2 m/像素的LRO影像作為中間層進(jìn)行配準(zhǔn)。

4)“嫦娥三號(hào)”地形地貌相機(jī)影像[8]。本文使用的數(shù)據(jù)是地形地貌相機(jī)靜態(tài)攝像模式所拍攝的影像。本文挑選了著陸點(diǎn)東、南、西、北4個(gè)方向的影像，根據(jù)以上數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證濺射物的分布情況。

1.2 方法

本文的研究方法如圖2所示。

圖2 研究的方法

1)鑲嵌影像的配準(zhǔn)。本文所使用的著陸區(qū)鑲嵌影像沒(méi)有地理參考坐標(biāo)系，因此，使用“嫦娥二號(hào)”7 m/像素DOM影像對(duì)該影像進(jìn)行配準(zhǔn)。鑒于降落相機(jī)鑲嵌影像與“嫦娥二號(hào)”影像分辨率的巨大差異，本文引入了1.2 m/像素LRO影像作為中間層進(jìn)行配準(zhǔn)。如圖3所示，先把LRO影像配準(zhǔn)至“嫦娥二號(hào)”DOM影像上，然后將降落相機(jī)鑲嵌影像配準(zhǔn)到LRO影像上，最終賦予降落相機(jī)鑲嵌影像地理坐標(biāo)系。

圖3 數(shù)據(jù)關(guān)系示意圖

2)撞擊坑與石塊的提取。本文采用人工提取的方法對(duì)撞擊坑和石塊進(jìn)行提取，如圖4所示：①石塊和撞擊坑的光照特性相反，影像中顯示撞擊坑在靠近光照方向的邊緣處呈灰暗，而石塊在靠近光照方向的邊緣處呈明亮；②從外形上撞擊坑多呈圓狀。

注：綠色代表撞擊坑；紅色代表石塊；白色代表光照方向。

本文采用CraterTools 軟件(https：//www.geo.fu-berlin.de/en/geol/fachrichtungen/planet/software/index.html，基于ArcMap)對(duì)降落相機(jī)影像中的石塊和撞擊坑進(jìn)行了提取。為保證提取的精確度，撞擊坑與石塊提取先由3名成員分別完成，隨后對(duì)分類(lèi)不一致結(jié)果進(jìn)行討論得出最終結(jié)果。

3)統(tǒng)計(jì)方法。考慮到最終的影像數(shù)據(jù)分辨率不均的問(wèn)題，在統(tǒng)計(jì)時(shí)采用分區(qū)統(tǒng)計(jì)的方式。本文劃分了包含直徑為0.15、0.3、0.5 m及以上所有撞擊坑(石塊)的3個(gè)區(qū)域，針對(duì)上述3個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行了直徑-頻率的統(tǒng)計(jì)分析，保證相應(yīng)尺寸的撞擊坑(石塊)在該區(qū)域內(nèi)的任意位置都能得以識(shí)別，避免了分辨率不均對(duì)結(jié)果造成的影響。

依據(jù)上述處理可見(jiàn)，直徑0.5 m以上的撞擊坑(石塊)的可識(shí)別范圍為整個(gè)研究區(qū)域(紅色區(qū)域)，因此，為避免分辨率不均對(duì)結(jié)果的影響，本文采用分區(qū)的方法對(duì)0.5 m以上的撞擊坑和石塊進(jìn)行對(duì)比分析。如圖5所示，以“紫微”撞擊坑為中心，將研究區(qū)域按照方位角劃分為Ⅰ～Ⅷ 8個(gè)區(qū)域[9-10]。此外，由于影像數(shù)據(jù)存在缺失(降落架遮擋導(dǎo)致)，本文以“紫微”撞擊坑為圓心，繪制2個(gè)同心圓，保證8個(gè)區(qū)域的面積相等，在研究石塊和撞擊坑的分布時(shí)，將根據(jù)此方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

注：★為“嫦娥三號(hào)”著陸點(diǎn)。

4)濺射物分布情況的驗(yàn)證。通過(guò)上述統(tǒng)計(jì)方法對(duì)“嫦娥三號(hào)”著陸區(qū)的石塊和撞擊坑進(jìn)行分析后，本文利用地形地貌相機(jī)對(duì)濺射物的分布情況進(jìn)行了實(shí)景驗(yàn)證。如圖6所示，本文分別挑選了著陸點(diǎn)東、南、西、北4個(gè)方向的影像，對(duì)實(shí)際場(chǎng)景下撞擊坑和石塊的分布情況與研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證石塊和撞擊坑在降落區(qū)的分布。

圖6 地形地貌相機(jī)數(shù)據(jù)

2 結(jié)果與分析

2.1 石塊

本文提取石塊2 363個(gè)，直徑范圍為0.1～2.3 m，并且劃分包含直徑為0.15、0.3、0.5 m及以上所有石塊的3個(gè)區(qū)域。針對(duì)如圖7所示的3個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行研究，由表1可知，3個(gè)區(qū)域撞擊坑的數(shù)量都隨撞擊坑直徑的增大而減少。

圖7 石塊的提取結(jié)果與區(qū)域劃分結(jié)果

表1 各區(qū)域石塊直徑和數(shù)量的關(guān)系

由圖7可知，0.5 m以上的石塊可識(shí)別的范圍可以覆蓋研究區(qū)域，為避免分辨率不均對(duì)結(jié)果造成的影響，本文只針對(duì)包含0.5 m以上石塊的區(qū)域進(jìn)行分析。

如圖8所示，Ⅳ、Ⅴ區(qū)石塊數(shù)量較少，向兩側(cè)區(qū)域數(shù)量逐漸增多。結(jié)合石塊覆蓋面積、體積的關(guān)系，可發(fā)現(xiàn)相較于其他區(qū)域，Ⅰ～Ⅲ區(qū)石塊覆蓋面積和體積較大，分別占總數(shù)的65.2%、61.4%；Ⅳ～Ⅵ區(qū)石塊覆蓋面積小，占總數(shù)的11.1%；Ⅶ～Ⅷ區(qū)石塊的覆蓋面積與體積較大，分別占總數(shù)的23.7%、24.7%。

圖8 0.5 m以上范圍內(nèi)石塊分布關(guān)系

綜上所述，Ⅳ～Ⅵ 2區(qū)石塊中小石塊較多，主要以直徑0.5 m以下石塊為主；Ⅰ～Ⅲ區(qū)石塊也較多，但是以直徑大于0.5 m的石塊為主；Ⅶ～Ⅷ區(qū)石塊相對(duì)較少，也以直徑大于0.5 m的石塊為主。由于石塊的數(shù)量及大小是判斷濺射多少的重要依據(jù)，因此，本文推測(cè)“紫微”撞擊坑的濺射可能存在方向性。

結(jié)合圖9結(jié)果可知，以“嫦娥三號(hào)”著陸點(diǎn)為中心，半徑8 m的范圍內(nèi)沒(méi)有直徑0.5 m以上的石塊，說(shuō)明著陸點(diǎn)周?chē)匦蜗鄬?duì)平坦。

注：★為“嫦娥三號(hào)”著陸點(diǎn)。

上述分析表明：①分別針對(duì)包含直徑0.15、0.3、0.5 m及以上所有石塊的區(qū)域進(jìn)行研究后，石塊的數(shù)量隨直徑的增大而減小；②在著陸點(diǎn)周?chē)? m以內(nèi)沒(méi)有直徑小于0.5 m的石塊，從石塊的分布來(lái)看，著陸點(diǎn)附近的地形較平坦；③通過(guò)對(duì)整個(gè)區(qū)域直徑0.5 m以上的石塊進(jìn)行研究，可發(fā)現(xiàn)Ⅰ～Ⅲ區(qū)、Ⅶ～Ⅷ區(qū)石塊的平均直徑較大、數(shù)量較多，Ⅳ、Ⅴ 2區(qū)石塊的平均直徑較小、數(shù)量較少，這可能與“紫微”撞擊坑的濺射方向有關(guān)。

2.2 撞擊坑

本文共提取2 564個(gè)撞擊坑，直徑范圍為0.1～16.9 m，并且劃分包含直徑0.15、0.3、0.5 m以上所有撞擊坑的3個(gè)區(qū)域。針對(duì)如圖10所示的3個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行研究，由表2可知，3個(gè)區(qū)域撞擊坑的數(shù)量隨撞擊坑直徑的增大而呈減少趨勢(shì)。

圖10 撞擊坑的提取結(jié)果與區(qū)域劃分結(jié)果

表2 各區(qū)域撞擊坑直徑和數(shù)量的關(guān)系

由于1.8 m以上撞擊坑的面積較大，會(huì)對(duì)整體的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，因此，本文選擇0.5～1.8 m的撞擊坑作為研究對(duì)象。如圖11所示，針對(duì)0.5 m以上的撞擊坑所在區(qū)域進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Ⅱ～Ⅴ區(qū)的撞擊坑在數(shù)量和面積的關(guān)系上相差不大。而在Ⅵ～Ⅷ區(qū)，從Ⅵ區(qū)開(kāi)始，撞擊坑的數(shù)量有明顯的增加，雖然之后的Ⅶ、Ⅷ 2區(qū)撞擊坑數(shù)量在下降，但結(jié)合撞擊坑覆蓋面積的關(guān)系，可以看出，撞擊坑的平均直徑在增加。上述結(jié)果表明，從Ⅰ區(qū)到Ⅷ區(qū)，0.5 m以上撞擊坑的分布呈現(xiàn)出平均直徑由大變小再變大的趨勢(shì)。

圖11 0.5 m以上范圍內(nèi)撞擊坑分布關(guān)系

結(jié)合圖12的結(jié)果，著陸點(diǎn)附近0.5 m以上的撞擊坑較少，撞擊坑的平均直徑較小，說(shuō)明此處沒(méi)有明顯的起伏，比較適宜著陸以及巡視器的巡視工作。

注：★為“嫦娥三號(hào)”著陸點(diǎn)。

上述分析表明：①分別針對(duì)包含直徑0.15、0.3、0.5 m及以上所有撞擊坑的區(qū)域進(jìn)行研究后，撞擊坑的數(shù)量隨直徑的增大而減小；②通過(guò)對(duì)整個(gè)區(qū)域0.5 m以上的撞擊坑進(jìn)行研究，可發(fā)現(xiàn)Ⅴ區(qū)撞擊坑的平均直徑較小，從Ⅴ區(qū)向兩側(cè)看，撞擊坑的平均直徑在增大，由于撞擊坑的大小和數(shù)量是判斷濺射多少的參考依據(jù)，本文認(rèn)為上述結(jié)果可能與“紫微”撞擊坑的濺射方向有關(guān)。

2.3 撞擊坑石塊的耦合分析

針對(duì)Ⅰ～Ⅷ區(qū)0.5 m以上的石塊和撞擊坑進(jìn)行分析，由圖13可知，Ⅳ、Ⅴ 2區(qū)的石塊和撞擊坑數(shù)量較少，所占面積也很小。相比之下，Ⅳ、Ⅴ 2區(qū)兩側(cè)幾個(gè)區(qū)域石塊和撞擊坑的分布有明顯增多的趨勢(shì)。在Ⅰ～Ⅲ區(qū)，0.5 m以上的石塊和撞擊坑分布較多，并且它們的平均直徑也較大，在Ⅵ～Ⅷ區(qū)，0.5 m以上的石塊和撞擊坑在數(shù)量上有所增加，雖然沒(méi)有Ⅰ～Ⅲ區(qū)明顯，但二者的面積有明顯增加，說(shuō)明Ⅵ～Ⅷ區(qū)石塊和撞擊坑的平均直徑較大。

圖13 0.5 m以上撞擊坑石塊耦合分析

上述結(jié)果表明，0.5 m以上的石塊和撞擊坑在Ⅰ～Ⅲ區(qū)、Ⅵ～Ⅷ區(qū)分布較多，在Ⅳ、Ⅴ 2區(qū)分布較少，說(shuō)明“紫微”撞擊坑的濺射存在方向性，石塊和撞擊坑分布較多的地方也就是濺射物較為集中的地方，即Ⅰ～Ⅲ區(qū)、Ⅵ～Ⅷ區(qū)處于濺射區(qū)。而“嫦娥三號(hào)”恰巧著陸在Ⅳ、Ⅴ 2區(qū)的邊界位置，這里的石塊和撞擊坑尺寸較小，濺射物較少，地形相對(duì)平坦。

2.4 地形地貌相機(jī)影像對(duì)比分析

由圖6可知，在“嫦娥三號(hào)”著陸器的北側(cè)，距離較近的位置分布有較多直徑較小的石塊，距離較遠(yuǎn)的地方分布有較多直徑較大的石塊；在著陸器的南側(cè)，整體石塊的數(shù)量較少；在著陸器的西側(cè)，距離較近的位置石塊相對(duì)較少，但在距離較遠(yuǎn)的位置分布有大而密集的石塊，地勢(shì)有明顯的起伏；在著陸器的東側(cè)，石塊較少，但存在一些直徑較大的撞擊坑。

由以上結(jié)果對(duì)比撞擊坑和石塊耦合分析的結(jié)果可知，著陸的中心區(qū)域石塊和撞擊坑的整體直徑相對(duì)較小，在距著陸點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方，向北側(cè)方向石塊較多，平均直徑較大，向南側(cè)方向，石塊也相對(duì)較多，但相比北側(cè)有所減少。以上規(guī)律與上文撞擊坑石塊的耦合分析相吻合，驗(yàn)證了本文的結(jié)論。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提取了更加完整的“嫦娥三號(hào)”著陸區(qū)降落相機(jī)影像下的撞擊坑和石塊，通過(guò)劃分直徑為0.15、0.3、0.5 m及以上所有石塊(撞擊坑)的區(qū)域分別進(jìn)行研究，避免了影像分辨率不均對(duì)結(jié)果的影響，最終本文得出以下結(jié)論：在排除分辨率不均的影響后，石塊(撞擊坑)的數(shù)量隨直徑的增大而減小；“紫微”撞擊坑的濺射是有方向性的；著陸點(diǎn)恰好位于2個(gè)濺射區(qū)之間，在著陸的中心區(qū)域該區(qū)的地形較為平坦。通過(guò)利用地形地貌相機(jī)影像進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果符合上述結(jié)論。

在本文的基礎(chǔ)上可以對(duì)比分析“嫦娥三號(hào)”及“嫦娥四號(hào)”濺射物的分布情況，即處于濺射區(qū)和非濺射區(qū)的石塊和撞擊坑的空間分布關(guān)系，進(jìn)而找到濺射物濺射的一些規(guī)律。

致謝：本文所用“嫦娥三號(hào)”降落相機(jī)鑲嵌影像來(lái)自于香港理工大學(xué)吳波教授的成果(https：//doi.org/10.1029/2017JE005496)。