中科院遙感所:火星含水礦物高光譜目標探測算法研究

2020-08-06 中科譜光


中科院遙感所:火星含水礦物高光譜目標探測算法研究

2020年7月23日12時41分,我國首個火星探測器在海南文昌航天發射場點火升空。這標誌著,我國首次火星探測任務「天問一號」正式實施。


中科院遙感所:火星含水礦物高光譜目標探測算法研究

「天問一號」是我國邁向比月球更遠的深空探測的第一步,是我國首次自主火星探測任務,更是中國航天走向深空的裡程碑工程,舉國關注。除了要實現火星制動捕獲、探測器進入,天問一號還肩負著「繞」「落」「巡」的三連任務及許多工程目標和科學目標,實屬全球首次。


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自上個世紀以來,天文學家就一直在尋找除地球之外適合人類居住的星球,其中最熱門候選就是火星。火星跟地球一樣有近24小時的晝夜交替,再加上已探測到火星上面存在有山川峽谷和水痕化石,如此相似是否就真的說明火星適合人類居住呢?


一、尋找火星宜居環境是火星探測的首要科學問題


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  • 工程目標

「天問一號」的工程目標是實現火星環繞探測和巡視探測,以便獲取火星探測科學數據,實現我國在深空探測領域的技術跨越;同時建立獨立自主的深空探測工程體系,推動我國深空探測活動可持續發展。

  • 科學目標

「天問一號」的科學目標,主要是實現對火星形貌與地質構造特徵、表面土壤物質特徵與水冰分布、大氣電離層及氣候與環境、物理場與內部結構等的探測研究。通過樣本和數據的獲取與分析可以得出火星環境發展狀態結論,進而推算出人類究竟有沒有可能將火星當做「第二家園」


二、火星上的水環境演化與生命發展


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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研究員邸凱昌表示:「水往往會孕育出生命形態,人類最關心的問題就是火星上的水和生命!」他指出,以往與火星形貌、礦物等相關研究顯示,火星歷史上是存在大量液態水的,甚至可能曾存在廣闊的海洋,但現在火星為何變成了乾枯的「沙漠星球」,以前的水如何形成,後來又如何消失?火星作為太陽系中與地球最相似的行星,它的今天是否將預示著地球的明天?這些重大的科學問題都有待進一步解答。

  • 研究含水礦物對了解火星地表水巖交互、圈定宜居環境、尋找生命有重要意義

目前已發現存在層狀矽酸鹽、含水矽酸鹽、蒸發鹽、碳酸鹽和硫酸鹽成分,其中最常見的含水礦物是Fe/Mg層狀矽酸鹽,從年代來看,火星含水礦物主要分布在古老的諾亞紀地層;從地形來看,含水礦物主要分布在撞擊坑的中央峰或濺射毯中。


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火星含水礦物遙感探測的新發現與成像光譜儀的發展密不可分,利用火星模擬土壤(Mars Global Simulant,MGS)與綠脫石、蒙脫土、高嶺石、透石膏和方解石這5種含水礦物以不同體積分數兩端元混合。


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研究表明:

  • 火星土壤對含水礦物光譜特徵具有抑制作用

隨著含水礦物豐度降低,含水礦物吸收深度降低,吸收寬度變大,吸收位置發生偏移。

  • 火星土壤對不同強度的吸收特徵的抑制作用存在差異

吸收深度越深的特徵受火星土壤的影響越小,而弱吸收特徵會隨著MGS增加而消失

  • 火星土壤對吸收特徵和複合(多)吸收特徵的影響不同

如透石膏1.45μm三峰吸收、高嶺石2.2μm的雙吸收特徵受MGS影響更大。


三、火星含水礦物高光譜目標探測算法研究取得突破性進展


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通過充分分析火星探測器回傳的海量地表數據,挖掘其中蘊含的信息,進行多學科的深入研究,能幫助科學家們通過火星了解地球。

數據分析和研究有多種方法,不同學科領域各具特色。以火星形貌研究為例,中科院空天信息研究院通過遙感數據解譯分析、數值模擬或物理模擬實驗、火星與地球類似形貌對比研究等多手段、多角度「還原」出了火星形貌特徵和形成過程。


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  • 通過模擬土壤中的5種含水礦物光譜,來研究火星土壤對含水礦物特徵光譜的影響,獲取的光譜數據可作為其他火星含水礦物信息提取研究的標準數據。
  • 研究多任務學習的稀疏與低秩表達目標探測算法,充分利用目標和背景像元的分布特點,緩解了相鄰波段光譜冗餘性,有效的抑制背景信號,改善了探測精度;
  • 研究顧及目標幹擾和空譜信息的目標探測算法,提取高光譜圖像的空譜特徵,抑制了目標幹擾問題,提高了算法性能,且探測結果幾乎不受圖像條帶噪聲影響。


四、深空經構築我國先發優勢


目前,我國近空經濟已經形成規模,特別是衛星遙感領域市場需求充足,產業鏈較為完善。隨著探月、探火等重要國家任務的推進,我國航天氛圍持續提升,此時實時釋放商業需求,近空與深空結合,商業航天才「圓滿」。


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而近年公布的一大批標誌性科技創新成果也讓世人對「中國創造」刮目相看,特別是關於高光譜遙感領域的「深度」布局,使得一系列重大項目與國家科技重大專項遠近結合、梯次接續,在未來我國還會考慮更高層次的科技探索,如空間飛行器在軌服務、空天地一體化網絡布局等深空空間的進一步開發利用。

我國需抓緊科技創新來引領發展,打破行業壁壘與技術壟斷,逐步進入價值鏈的高端,形成新的技術軌道和範式,從而避免跌入「中等陷阱」。




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