EPSL: 嫦娥五号着陆区撞击坑普查及其意义

原创岳宗玉行星科学

编者按：

中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室贾萌娜博士，中科院比较行星学卓越创新中心及类地行星先导专项骨干成员、中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室岳宗玉研究员、邸凯昌研究员及其合作作者利用Lunar Reconnaissance Orbiter 探测器携带的Narrow Angle Camera获取的765幅影像制作了嫦娥五号预着陆区的1.5m分辨率的无缝正射影像图，在此基础上提取了32277个直径大于200 m的撞击坑，对这些撞击坑的形态特征、区域分布做了系统分析，并估算了该区不同地质单元的年龄。这些工作对于即将开展的嫦娥五号探测任务具有两方面的重要意义：

（1）对该区域的撞击坑进行普查能够为嫦娥五号着陆地点的形貌和地质构造等方面提供重要信息；

（2）本研究得到的该区域的撞击坑大小频数关系结合嫦娥五号取回的样品年龄可以优化月球撞击坑年代关系。

月球是人类开展深空探测的前哨站，为人类了解太阳系类地行星的形成与演化提供了独特平台，尤其是其表面保留了自月球形成以来的绝大部分撞击坑而使其成为研究太阳系撞击历史的最佳场所。我国即将开展嫦娥五号月球采样返回任务，月球表面大大小小的撞击坑将是着陆器直接看到的最主要的地貌景观，因此，对这些撞击坑事先进行普查是一项重要的基础性工作。

工欲善其事，必先利其器。想要对局部区域的撞击坑做一个详细的普查首先要找到合适的遥感影像；美国发射的Lunar Reconnaissance Orbiter 探测器携带的Narrow Angle Camera获取的影像是目前分辨率最高的月球轨道器影像（分辨率0.5m~2m）而且几乎覆盖全球，因此这种数据就成为我们进行着陆区高分辨率制图和撞击坑普查的理想数据选择。

然而，由于轨道和姿态测量误差的影响，相邻轨道的影像对月表目标的位置和大小测量经常存在不一致，数据的高分辨率也导致数据量特别大，而且同一地区可能存在多幅影像，这都给着陆区高分辨率制图带来了挑战。我们从2000多幅影像中精心挑选了质量较好、太阳高度角近似一致的765幅影像，开发了专门的大区域高分辨无缝制图技术，制作了1.5m分辨率的全区无缝正射影像图 (Di et al., 2019)。这个高分辨率正射影像图就成为了我们开展撞击坑普查的工作底图，它共有224721列 × 44945行，覆盖范围为413.8 km × 121.4 km，并且已经与SLDEM2015月球高程产品相配准。这个产品是平面影像图，对应的高程可以方便地从SLDEM2015中读取。

接下来就是提取撞击坑。虽然有很多种自动提取的方法，我们还是选择使用ArcGIS插件CraterTools进行人机交互提取，然后让其他人检查，虽然这种方法费时费力，但是比较可靠，而且在提取过程中便于对一些特殊的撞击坑进行标注。为了提取的撞击坑比较精确，我们开发了一个ArcGIS插件，可以随时方便地将当前屏幕的位置设置为局部投影中心。这种工作虽然枯燥，但通过这个过程也能对撞击坑有更直观的认识。我们共识别和提取了174297个撞击坑，其中直径大于100 m的有 140796个，直径大于200 m有32277个。为了保证数据的完整性和统计的可靠性，后面的统计分析中我们仅使用了直径大于200m的撞击坑。

图1. (a) 制作的研究区正射影像底图；(b) 研究区划分的地质单元 (Qian et al., 2018)；(c) 提取的直径大于200 m的撞击坑。

在行星科学公众号“Icarus: 月表定年原理以及东海盆地的年龄”一文中已经介绍了利用撞击坑大小-频数关系对月表进行定年的基本原理，因为只有对同一地质单元进行定年才有意义，因此首先要划出地质单元，研究中我们采用了Qian et al. (2018)的地质单元划分结果。图1显示了我们制作的底图、研究区地质单元划分、以及提取的撞击坑。

有了这些撞击坑，接下来就可以做一些统计分析工作了。这里重点介绍我们做的两项分析工作：

（1）撞击坑大小-频数统计及定年；

（2）主坑与次坑的深径比。

表1列出了这9个地质单元的年龄以及相应的N(1)值，地质年龄获取的方法在“Icarus: 月表定年原理以及东海盆地的年龄”一文中已经讲过了，这里重点说一下N(1)值，它表示直径大于1 km的撞击坑的累积分布规律。如果大家还记得撞击坑年代曲线是怎么得到的，那么可以知道这个结果的重要意义：它可以优化多年前建立的撞击坑年代曲线，尤其是可能填补从前数据中的空白部分，再联想到这个函数可以推广到整个类地行星表面的定年工作中，因此嫦娥五号采样返回工程将在这方面具有极高的价值。

表1. 研究区9个地质单元的年龄以及相应的N(1)值。这里的地质单元名称可参见Qian et al. (2018).

图2 展示了主坑与次坑的深度与直径的关系，可以看出，主坑的深径比确实要比次坑的大一些，也就是说撞击速度较高时形成的撞击坑的深径比要大一些，这与室内超高速撞击实验观测相吻合，对我们判断一个撞击坑是否为次坑提供了一些信息。这对于嫦娥五号工程任务的意义在哪里呢？我们知道，嫦娥五号将抓取与钻取一些月表样品，然而，返回的样品可能不是本地的样品，如果我们发现样品是在某个次坑附近，就需要找到主坑，以便追踪样品来源，从而更加精确地确定样品测量的年龄所代表的区域。

图2. (a) 主坑（红色）与次坑（黑色）的直径与深度关系图；（b）主坑（红色）与次坑（黑色）的深径比与直径的关系。

原文链接：

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

参考文献

1. Jia, M., Yue, Z., Di, K., Liu, B., Liu, J., Michael, G., 2020. A catalogue of impact craters larger than 200 m and surface age analysis in the Chang’e-5 landing area. Earth and Planetary Science Letters, 541, 116272.

2. Di, K., Jia, M., Xin, X., Wang, J., Liu, B., Li, J., Xie, J., Liu, Z., Peng, M., Yue, Z., Liu, J., Chen, R., Zhang, C., 2019. High-resolution large-area digital orthophoto map generation using LROC NAC images. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 85, 481-491.

3. Qian, Y., Xiao, L., Zhao, S., Zhao, J., Huang, J., Flahaut, J., Martinot, M., Head, J. W., Hiesinger, H., Wang, G., 2018. Geology and scientific significance of the Rümker region in northern Oceanus Procellarum: China’s Chang’E-5 Landing Region. Journal of Geophysical Research: Planets, 123, 1407-1430.

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