月表图斑数字量化分类方法研究*

陈 垦,廖 平, 王玉川, 肖鹏飞, 王 勇, 苗 放

(1.四川省国土勘测规划研究院，四川 成都 610045;2.北京大学数字中国研究院政策与战略研究中心，北京 100871;3.成都理工大学 空间信息技术研究所，四川 成都 610059)

月表图斑数字量化分类方法研究*

陈 垦1,廖 平1, 王玉川1, 肖鹏飞1, 王 勇1, 苗 放2,3

(1.四川省国土勘测规划研究院，四川 成都 610045;2.北京大学数字中国研究院政策与战略研究中心，北京 100871;3.成都理工大学 空间信息技术研究所，四川 成都 610059)

图斑是月球表面的重要特征之一，对月球科学研究及月表制图具有重要意义。现有的图斑分类技术主要基于手动的经验判断为主，存在效率较低和主观性较强等问题，以月表图斑影像几何特征分类研究为导向，利用面向图像信息提取的需求进行综合分析，提出一种基于大小、边缘清晰度、曲率、宽窄(坑唇)、中央复杂度和深度等六因子的“六位十级”月表图斑影像几何特征数字量化方法。为实现快速、智能、自动判识提供理论基础；为开展月表形貌和构造的综合研究提供依据；为开展月表的形成、演化以及制图研究提供技术支持。

六位十级；判识因子；几何特征；嫦娥一号数据；月表图斑

随着空间技术的迅猛发展，人类在长期的月球探测过程中，对月表形状、近地环境和表面特征等取得了详细的数据支撑[1]。月表图斑主要是由撞击体高速撞击月表，强烈挖掘月表物质形成的。目前，在该研究领域中，主要是通过对具有影像特征的月表图斑进行识别，并采用科学的分类标准和算法对其重叠顺序进行判别。国内外学者对月表图斑识别及月表图斑重叠顺序判别进行了探讨，提出了一些模型和技术方法[2]；但尚缺乏一套基于几何特征数字量化方法的科学有效的月表图斑分类方法，通过对月表图斑形态研究进而分析其形成原因和演化过程尚有难度。目前，学者对形态万千的图斑的研究仅停留于其形态分析上，没有一套标准进行量化处理和分析，对其重叠顺序也尚不能做到科学、准确的判断。基于月表图斑的复杂度是一个非常重要的几何特征，它能够从宏观上揭示关于月球的一些属性特性和空间分布特征[3-4]。

1 六位十级数字量化分类法

根据现有的研究状态、设备条件以及统计数据，针对现有的月表图斑几何特征分类方案中存在的不足，较全面地提出了描述月表图斑影像和几何特征的数字量化标准——六位数字十级分级法。此方法简单描述如下：第1个数字，根据图斑直径大小量化为0～9等级；第2个数字，根据图斑的边缘清晰度量化为0～9等级；第3个数字，根据图斑连续度和圆规则度量化为0～9等级；第4个数字，根据图斑坑壁宽度半径比量化为0～9等级；第5个数字，根据中央峰结构等复杂度量化为为0～9等级；第6个数字，根据图斑深度量化为0～9等级；最后形成图斑的形态特征标准量化命名法的标准格式为XXXXXX型图斑。

1.1 大小因子的选取与建立

月表图斑在形成初期多为近似圆形的坑结构，对于图斑的几何形态可以把它近似地定义为圆形。圆形几何形态之间存在差异性的最重要原因就是圆形形态的直径大小不同，因此，定义月表图斑6位数分级命名法的第1个因素就是直径大小因素。该因素在影像数据上的特征是指月表图斑边缘2点之间的最大距离。

目前，学者对于月表图斑直径大小的分类标准大概有下述4种：1)1978年，Chuck Wood 和Leif Andersson按直径大小对月表图斑进行分类，一共有5种情况(ALC、BIO、SOS、TRI和TYC)；2)直径>1 km的图斑的总面积，约占整个月表表面积的7%～10%；直径为15～20 km的图斑称为碗型图斑，直径>15 km的图斑形态将趋于复杂；直径>35 km的图斑一般都发育有中央峰；3)按照图斑的直径大小进行分类的方法分为简单图斑、复杂图斑和撞击盆地；4)USGS分类法按照图斑的直径大小分为简单图斑、复杂图斑和多环状盆地。

根据国内外已有的对月表图斑的研究成果和相应的统计数据，对现在普遍应用的直径大小分类标准的区间进行综合分析判断，将月表图斑的直径大小定性分析界定为微型、小型、中型、大型和特大型。定量分析为0、1(微型)，2、3(小型)，4、5(中型)，6、7(大型)和8、9(特大型)。结合已获得的影像数据，设定其分辨率R，图斑的实际直径大小D，影像数据上直径所代表的像元数目N，根据表达式N=D/R，来具体判断图像中所表示的图斑的大小因子分类所属级别。通过这种分类方法，弥补了之前学者简单地根据直径大小进行图斑分类的不足。大小因子分类法图形实例见表1。

表1 大小因子分类法图形实例

1.2 边缘清晰度因子的选取与建立

目前，对于边缘清晰度的定义和研究还处于初始阶段。月表图斑边缘的清晰情况可以很好地反映其形成过程中是否重复遭受外力，并为月表表面环境分析提供实物参考。在研究月表边缘清晰度时，主要从空域、频域和信息论3个方面对月表图斑边缘清晰情况进行分类。边缘清晰度的定性与定量描述见表2。

表2 边缘清晰度的定性与定量描述

1.3 曲率因子的选取与建立

曲率是几何体不平坦程度的一种衡量，曲率半径越大，圆弧越平缓；曲率半径越小，圆弧越陡。由于大多数的图斑都为圆形或椭圆形，曲率便是图斑分类标准体系中一个很好的分级标准因子。可以采用边缘曲线连续性和曲率变化率对半径多次采样，并进行估测和判断弧度的缺失程度，然后根据图斑的图像特征与上述3个特征的契合度来定义所属级别。形成分级列表见表3。

表3 月表图斑曲率因子等级划分

1.4 宽窄(坑唇)因子的选取与建立

通过对月表图斑坑唇明显的差异进行分析，根据坑唇宽度所占坑半径的比例，选取平均宽度进行各类坑唇的比较，依据其大小形状特征，对宽窄(坑唇)因子定性定量进行分类(见表4)。

表4 月表图斑宽窄因子定性定量分析

1.5 中央复杂度因子的选取与建立

复杂度是对事物复杂性的一种程度描述，它帮助人们在定性了解事物复杂性的基础上，对事物做进一步地掌握、处理与分析。目前，在国内外还没有一个通用的标准来描述图斑的复杂度。本文对月表图斑数据进行定量和定性的分析，研究其空间分布规律针对图像数据本身的特点，准确描述图像的复杂程度，更好地进行图像处理与分析工作。

通过对图斑中央复杂度的分析，定性地将其特征划分为简单、复杂和特别复杂(十分复杂或者紊乱)3级，定量划分为0～9共计10级。基本划分见表5。

表5 月表图斑中央复杂度等级划分图示

1.6 深度因子的选取与建立

除了上述对图斑形态分布分类的筛选标准，深度作为月表图斑一个重要的几何特征，也是描述和识别月表图斑必不可少的因子。根据日本“月亮女神”号飞船获得的月表上南极-艾托肯盆地(SPA)的相关数据显示，其深度>8.05 km，但是当前普遍以激光测距数据以及月表DEM模型为主的研究月球表面地形月貌特征的方法费时费力并且精度不高；因此，可以利用高分辨率、高精度、高时间分辨率、多光谱和低费用的航空或卫星遥感影像，结合计算机技术分析图斑深度。利用遥感技术的图像数据制作的月球表面三维影像，可以进行月表月貌单元的划分、月表三维地形图以及相关专题地图的编制，进行月表图斑的形态、大小和分布特征等信息的提取，为研究提供可靠信息[5]。

2 数字月球平台

数字月球平台由应用层、平台服务层、接口层和解析处理层组成。借助此平台，可以实现包括月表地理标注、月表空间数据的加载与展示、场景漫游、交互操作和分布式数据集成等；同时，也可以针对目前的软件使用趋势，将数字月表平台移植到Java环境，实现嫦娥一号数据加载，完成相关功能开发(如飞行、测距和查询等)，并能在此平台上实现全月DEM数据的加载和六位码相关功能的开发工作。结合本平台和“六位十级”方法对哥白尼图斑进行具体研究。月表哥白尼纪(Copernican)起始于10亿年前，是月表上最年轻的地质时代[6]。哥白尼图斑(9.7°N，20.0°W)位于风暴洋的中东部，靠近月表赤道。它形成于雨海纪填充后的一次撞击事件，大约在(800±40)Ma之前[7]。通过数字月表平台对已有影像数据的分析发现，其直径大约为93 km；边缘周缘平滑；曲率变化明显，但较模糊；坑唇宽度中等；坑底北西部相对平坦，但是其他区域凹凸不平，在坑底的丘陵地带也存在一些链状坑和沟槽，链状坑的深度多为5 m，也有深达14 m。结合这一情况，根据“六位十级”方法对该坑进行标注为：95646X(由于深度因子研究尚未完成，暂用X表示)。

3 结语

提出了一种月表图斑影像几何特征数字量化方法。客观描述图斑的几何特征、分析重叠顺序，为图斑影像特征的分类提供了科学的分类准则，为月表特征值批量入库做基础准备，为进一步月表研究提供标准和依据。图斑在月表的分布密度可以用来推断月表地质单元的年龄，不仅可以对月表的图斑形态进行详尽的描述和解释，还可以协助人们对形成图斑的可能原因和演化模型的整体性和规律性有进一步认识。基于数字月表平台，辅助“六位十级”法，对月表图斑影像特征做量化特征，对不同类别的图斑开展研究工作。通过分析图斑的直径大小、边缘清晰度、曲率、坑唇的宽窄、中央复杂度和深度，系统、科学地分析其成因。借助数字月表平台实现全月研究、3D加载、自由旋转、空间分析以及对现有各种月表平台的高度集成，使得相关研究工作更加直观、方便。有利于进一步开展图斑的统计分析及分布特征研究，从而使人类对月表形貌特征的分析和认识更加深入，有助于提高对星球撞击的认识，能够在一定的程度上反应撞击月表的小天体的分布，为绘制精准的月貌图形提供基础数据和技术支撑。

[1] Ronca L B.An introduction to the geology of the moon [J].Proceedings of the Geologists Association,1966,77(1):101-125.

[2] 欧阳自远.我国月表探测的总体科学目标与发展战略[J].地球科学进展，2004,19(3):351-358.

[3] 欧阳自远.月表探测的进展与中国的月表探测[J].地质科技情报，2004,23(4):1-5.

[4] 陈俊勇, 章传银, 党亚民.月表航天探测和月表测绘[J].测绘学报，2005,34(3):189-195.

[5] 葛之江, 殷礼明, 林宗坚.月表遥感立体测绘技术的发展[J].航天返回与遥感，2005,26(2):11-21.

[6] Hiesinger H, Head J W, Wolf U, et al. Ages and stratigraphy of mare basalts in Oceanus Procellarum, Mare Nubium, Mare Cognitum, and Mare Insularum[J]. J. Geophys Res,2003,108(E7)：5065.

[7] Stoffler D, Ryder G. Stratigraphyand isotope ages of lunar geologic units: Chronological standard for the inner solar system[J]. Space Sci Rev, 2001,96: 9-54.

*863项目(2010AA122202)

责任编辑马彤

ResearchonDigitalQuantitativeClassificationMethodoftheLunarSurfaceSpots

CHEN Ken1, LIAO Ping1, WANG Yuchuan1, XIAO Pengfei1, WANG Yong1, MIAO Fang2,3

(1.Sichuan Institute of Land Planning and Survey, Chengdu 610045, China；2. Policy and Strategy Center,Institute of Digital Earth, Peking University, Beijing 100871, China；3. Spatial Information Technology Institute,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

The impact craters have the important meaning to the moon with scientific research and drawings. The existing classification technology of impact craters is based on manual experience judgment problem such as low efficiency and strong subjectivity. As it being a guide, that comprehensive analysis with image information extraction, putting forward a kind of six-ten-level geometrical characteristic methods based on the moon impact craters which combined with size, edge of clarity,curvature,pit lip,central complexity and depth. The paper wants to achieve rapid, intelligent and automatic theoretical foundation knowledge, to develop the moon morphology and structure of the comprehensive research provide the basis, and for the development of the formation and evolution of the moon and drawing research provides the technical support.

six-ten-level，identifing factors，geometrical characteristic，Chang′e-One data，lunar surface spot

TP 753

：A

陈垦(1986-)，男，博士，工程师，主要从事国土勘测规划及应用等方面的研究。

2015-02-17