趙桉銘，胡騰，2，桑洋，陳嘉偉，康志忠，2

(1.中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 100083；2.教育部深空探測聯(lián)合研究中心月球與行星探測國際合作研究分中心，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、人類可持續(xù)發(fā)展等領域都有著不可估量的價值[1-2]。在月表復雜的地形地貌中，撞擊坑是月球表面最典型的地質構造；石塊是月表平整度的重要依據，也是連接原始撞擊坑和濺射物的橋梁[3]。對二者的聯(lián)合分析有利于獲取濺射物的空間分布關系，進而為著陸區(qū)地形地貌的研究、局部地區(qū)的地質演化提供關鍵證據。2013 年12 月14 日，“嫦娥三號”著陸器攜帶著玉兔月球車成功著陸于月球正面的雨海北部地區(qū)(坐標為44.12°N，19.51°W，如圖1所示)，其著陸點位于直徑約450 m的“紫微”撞擊坑東側，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系提供了近距離的清晰影像數(shù)據。

注：★為“嫦娥三號”著陸點。

對于“嫦娥三號”著陸區(qū)，前人已有研究。Xiao等[4]根據超寬頻帶測月雷達采用“邊走邊探”方式，獲得著陸區(qū)月殼淺層330 m深度內的剖面結構特性及地質演化圖；Li等[5]通過降落相機影像數(shù)據認為著陸點位于平原高臺地的邊緣，且從西向東呈下降趨勢，地形坡度和起伏較??；Di等[6]利用巡視器影像采集了7個地點的石塊，指出石塊集在“紫微”撞擊坑的東側和邊緣。

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研究石塊和撞擊坑的空間分布關系。Wu等[7]利用圖像識別的方法，自動提取了降落相機影像下的石塊，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，且并未進行石塊和撞擊坑的聯(lián)合分析，由此說明，“嫦娥三號”著陸區(qū)有待進一步研究。

本文借助“嫦娥三號”降落相機的高分辨率影像，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影像對結果進行了實景驗證。

1 數(shù)據和方法

1.1 數(shù)據

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

2)“嫦娥二號”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)，通過該影像為其他數(shù)據賦予地理參考坐標(GCS_Moon_2000)。

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

4)“嫦娥三號”地形地貌相機影像[8]。本文使用的數(shù)據是地形地貌相機靜態(tài)攝像模式所拍攝的影像。本文挑選了著陸點東、南、西、北4個方向的影像，根據以上數(shù)據來驗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。本文所使用的著陸區(qū)鑲嵌影像沒有地理參考坐標系，因此，使用“嫦娥二號”7 m/像素DOM影像對該影像進行配準。鑒于降落相機鑲嵌影像與“嫦娥二號”影像分辨率的巨大差異，本文引入了1.2 m/像素LRO影像作為中間層進行配準。如圖3所示，先把LRO影像配準至“嫦娥二號”DOM影像上，然后將降落相機鑲嵌影像配準到LRO影像上，最終賦予降落相機鑲嵌影像地理坐標系。

圖3 數(shù)據關系示意圖

2)撞擊坑與石塊的提取。本文采用人工提取的方法對撞擊坑和石塊進行提取，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)對降落相機影像中的石塊和撞擊坑進行了提取。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，隨后對分類不一致結果進行討論得出最終結果。

3)統(tǒng)計方法。考慮到最終的影像數(shù)據分辨率不均的問題，在統(tǒng)計時采用分區(qū)統(tǒng)計的方式。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個區(qū)域，針對上述3個區(qū)域分別進行了直徑-頻率的統(tǒng)計分析，保證相應尺寸的撞擊坑(石塊)在該區(qū)域內的任意位置都能得以識別，避免了分辨率不均對結果造成的影響。

依據上述處理可見，直徑0.5 m以上的撞擊坑(石塊)的可識別范圍為整個研究區(qū)域(紅色區(qū)域)，因此，為避免分辨率不均對結果的影響，本文采用分區(qū)的方法對0.5 m以上的撞擊坑和石塊進行對比分析。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個區(qū)域[9-10]。此外，由于影像數(shù)據存在缺失(降落架遮擋導致)，本文以“紫微”撞擊坑為圓心，繪制2個同心圓，保證8個區(qū)域的面積相等，在研究石塊和撞擊坑的分布時，將根據此方法進行統(tǒng)計。

注：★為“嫦娥三號”著陸點。

4)濺射物分布情況的驗證。通過上述統(tǒng)計方法對“嫦娥三號”著陸區(qū)的石塊和撞擊坑進行分析后，本文利用地形地貌相機對濺射物的分布情況進行了實景驗證。如圖6所示，本文分別挑選了著陸點東、南、西、北4個方向的影像，對實際場景下撞擊坑和石塊的分布情況與研究結果進行對比，驗證石塊和撞擊坑在降落區(qū)的分布。

圖6 地形地貌相機數(shù)據

2 結果與分析

2.1 石塊

本文提取石塊2 363個，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個區(qū)域。針對如圖7所示的3個區(qū)域分別進行研究，由表1可知，3個區(qū)域撞擊坑的數(shù)量都隨撞擊坑直徑的增大而減少。

圖7 石塊的提取結果與區(qū)域劃分結果

表1 各區(qū)域石塊直徑和數(shù)量的關系

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

如圖8所示，Ⅳ、Ⅴ區(qū)石塊數(shù)量較少，向兩側區(qū)域數(shù)量逐漸增多。結合石塊覆蓋面積、體積的關系，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以上范圍內石塊分布關系

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，因此，本文推測“紫微”撞擊坑的濺射可能存在方向性。

結合圖9結果可知，以“嫦娥三號”著陸點為中心，半徑8 m的范圍內沒有直徑0.5 m以上的石塊，說明著陸點周圍地形相對平坦。

注：★為“嫦娥三號”著陸點。

上述分析表明：①分別針對包含直徑0.15、0.3、0.5 m及以上所有石塊的區(qū)域進行研究后，石塊的數(shù)量隨直徑的增大而減小；②在著陸點周圍8 m以內沒有直徑小于0.5 m的石塊，從石塊的分布來看，著陸點附近的地形較平坦；③通過對整個區(qū)域直徑0.5 m以上的石塊進行研究，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。

2.2 撞擊坑

本文共提取2 564個撞擊坑，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個區(qū)域。針對如圖10所示的3個區(qū)域分別進行研究，由表2可知，3個區(qū)域撞擊坑的數(shù)量隨撞擊坑直徑的增大而呈減少趨勢。

圖10 撞擊坑的提取結果與區(qū)域劃分結果

表2 各區(qū)域撞擊坑直徑和數(shù)量的關系

由于1.8 m以上撞擊坑的面積較大，會對整體的結果產生較大的影響，因此，本文選擇0.5～1.8 m的撞擊坑作為研究對象。如圖11所示，針對0.5 m以上的撞擊坑所在區(qū)域進行分析，發(fā)現(xiàn)Ⅱ～Ⅴ區(qū)的撞擊坑在數(shù)量和面積的關系上相差不大。而在Ⅵ～Ⅷ區(qū)，從Ⅵ區(qū)開始，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，但結合撞擊坑覆蓋面積的關系，可以看出，撞擊坑的平均直徑在增加。上述結果表明，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。

圖11 0.5 m以上范圍內撞擊坑分布關系

結合圖12的結果，著陸點附近0.5 m以上的撞擊坑較少，撞擊坑的平均直徑較小，說明此處沒有明顯的起伏，比較適宜著陸以及巡視器的巡視工作。

注：★為“嫦娥三號”著陸點。

上述分析表明：①分別針對包含直徑0.15、0.3、0.5 m及以上所有撞擊坑的區(qū)域進行研究后，撞擊坑的數(shù)量隨直徑的增大而減??；②通過對整個區(qū)域0.5 m以上的撞擊坑進行研究，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，本文認為上述結果可能與“紫微”撞擊坑的濺射方向有關。

2.3 撞擊坑石塊的耦合分析

針對Ⅰ～Ⅷ區(qū)0.5 m以上的石塊和撞擊坑進行分析，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)兩側幾個區(qū)域石塊和撞擊坑的分布有明顯增多的趨勢。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，雖然沒有Ⅰ～Ⅲ區(qū)明顯，但二者的面積有明顯增加，說明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”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，地形相對平坦。

2.4 地形地貌相機影像對比分析

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

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

3 結束語

本文提取了更加完整的“嫦娥三號”著陸區(qū)降落相機影像下的撞擊坑和石塊，通過劃分直徑為0.15、0.3、0.5 m及以上所有石塊(撞擊坑)的區(qū)域分別進行研究，避免了影像分辨率不均對結果的影響，最終本文得出以下結論：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；著陸點恰好位于2個濺射區(qū)之間，在著陸的中心區(qū)域該區(qū)的地形較為平坦。通過利用地形地貌相機影像進行驗證，結果符合上述結論。

在本文的基礎上可以對比分析“嫦娥三號”及“嫦娥四號”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系，進而找到濺射物濺射的一些規(guī)律。

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