嫦娥五號著陸區撞擊坑普查及其意義 | 微課堂

近期，中國科學院空天信息創新研究院遙感科學國家重點實驗室賈萌娜博士、嶽宗玉研究員、邸凱昌研究員及其合作者利用Lunar Reconnaissance Orbiter 探測器攜帶的Narrow Angle Camera獲取的765幅影像製作了嫦娥五號預著陸區的1.5m解析度的無縫正射影像圖，在此基礎上提取了32277個直徑大於200 m的撞擊坑，對這些撞擊坑的形態特徵、區域分布做了系統分析，並估算了該區不同地質單元的年齡。

這些工作對於即將開展的嫦娥五號探測任務具有兩方面的重要意義。一是對該區域的撞擊坑進行普查能夠為嫦娥五號著陸地點的形貌和地質構造等方面提供重要信息；二是本研究得到的該區域的撞擊坑大小頻數關係結合嫦娥五號取回的樣品年齡可以優化月球撞擊坑年代關係。

月球是人類開展深空探測的前哨站，為人類了解太陽系類地行星的形成與演化提供了獨特平臺，尤其是其表面保留了自月球形成以來的絕大部分撞擊坑而使其成為研究太陽系撞擊歷史的最佳場所。我國即將開展嫦娥五號月球採樣返回任務，月球表面大大小小的撞擊坑將是著陸器直接看到的最主要的地貌景觀，因此，對這些撞擊坑事先進行普查是一項重要的基礎性工作。

工欲善其事，必先利其器。想要對局部區域的撞擊坑做一個詳細的普查首先要找到合適的遙感影像。美國發射的Lunar Reconnaissance Orbiter 探測器攜帶的Narrow Angle Camera獲取的影像是目前解析度最高的月球軌道器影像（解析度0.5m~2m）而且幾乎覆蓋全球，因此這種數據就成為我們進行著陸區高解析度製圖和撞擊坑普查的理想數據選擇。

然而，由於軌道和姿態測量誤差的影響，相鄰軌道的影像對月表目標的位置和大小測量經常存在不一致，數據的高解析度也導致數據量特別大，而且同一地區可能存在多幅影像，這都給著陸區高解析度製圖帶來了挑戰。我們從2000多幅影像中精心挑選了質量較好、太陽高度角近似一致的765幅影像，開發了專門的大區域高分辨無縫製圖技術，製作了1.5m解析度的全區無縫正射影像圖 (Di et al., 2019)。這個高解析度正射影像圖就成為了開展撞擊坑普查的工作底圖，它共有224721列 × 44945行，覆蓋範圍為413.8 km × 121.4 km，並且已經與SLDEM2015月球高程產品相配準。這個產品是平面影像圖，對應的高程可以方便地從SLDEM2015中讀取。

接下來就是提取撞擊坑。雖然有很多種自動提取的方法，我們還是選擇使用ArcGIS插件CraterTools進行人機互動提取，然後讓其他人檢查，雖然這種方法費時費力，但是比較可靠，而且在提取過程中便於對一些特殊的撞擊坑進行標註。

為了提取的撞擊坑比較精確，我們開發了一個ArcGIS插件，可以隨時方便地將當前屏幕的位置設置為局部投影中心。這種工作雖然枯燥，但通過這個過程也能對撞擊坑有更直觀的認識。我們共識別和提取了174297個撞擊坑，其中直徑大於100 m的有 140796個，直徑大於200 m有32277個。為了保證數據的完整性和統計的可靠性，後面的統計分析中我們僅使用了直徑大於200m的撞擊坑。

圖1. (a) 製作的研究區正射影像底圖；(b) 研究區劃分的地質單元 (Qian et al., 2018)；(c) 提取的直徑大於200 m的撞擊坑

因為只有對同一地質單元進行定年才有意義，因此首先要劃出地質單元。研究中，我們採用了Qian et al. (2018)的地質單元劃分結果。圖1顯示了我們製作的底圖、研究區地質單元劃分、以及提取的撞擊坑。有了這些撞擊坑，接下來就可以做一些統計分析工作了。這裡重點介紹我們做的兩項分析工作：（1）撞擊坑大小-頻數統計及定年；（2）主坑與次坑的深徑比。

表1列出了這9個地質單元的年齡以及相應的N(1)值，N(1)值表示直徑大於1 km的撞擊坑的累積分布規律，具有重要的意義：它可以優化多年前建立的撞擊坑年代曲線，尤其是可能填補從前數據中的空白部分，再聯想到這個函數可以推廣到整個類地行星表面的定年工作中，因此嫦娥五號採樣返回工程將在這方面具有極高的價值。

表1. 研究區9個地質單元的年齡以及相應的N(1)值。這裡的地質單元名稱可參見Qian et al. (2018).

圖2 展示了主坑與次坑的深度與直徑的關係。可以看出，主坑的深徑比確實要比次坑的大一些，也就是說撞擊速度較高時形成的撞擊坑的深徑比要大一些，這與室內超高速撞擊實驗觀測相吻合，對我們判斷一個撞擊坑是否為次坑提供了一些信息。這對於嫦娥五號工程任務的意義在哪裡呢？我們知道，嫦娥五號將抓取與鑽取一些月表樣品，然而，返回的樣品可能不是本地的樣品，如果我們發現樣品是在某個次坑附近，就需要找到主坑，以便追蹤樣品來源，從而更加精確地確定樣品測量的年齡所代表的區域。

圖2. (a) 主坑（紅色）與次坑（黑色）的直徑與深度關係圖；（b）主坑（紅色）與次坑（黑色）的深徑比與直徑的關係

原文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X20302156?via%3Dihub

以上內容由遙感科學國家重點實驗室嶽宗玉提供。