“嫦娥三号”降落区溅射物空间分布关系

赵桉铭，胡腾，2，桑洋，陈嘉伟，康志忠，2

(1.中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京 100083；2.教育部深空探测联合研究中心月球与行星探测国际合作研究分中心，北京 100083)

0 引言

月球作为地球的卫星，也是距离地球最近的自然天体，在能源、战略、人类可持续发展等领域都有着不可估量的价值[1-2]。在月表复杂的地形地貌中，撞击坑是月球表面最典型的地质构造；石块是月表平整度的重要依据，也是连接原始撞击坑和溅射物的桥梁[3]。对二者的联合分析有利于获取溅射物的空间分布关系，进而为着陆区地形地貌的研究、局部地区的地质演化提供关键证据。2013 年12 月14 日，“嫦娥三号”着陆器携带着玉兔月球车成功着陆于月球正面的雨海北部地区(坐标为44.12°N，19.51°W，如图1所示)，其着陆点位于直径约450 m的“紫微”撞击坑东侧，距该撞击坑边缘约40 m。巡视区域位于“紫微”撞击坑溅射边缘区域，由此为研究溅射物的空间分布关系提供了近距离的清晰影像数据。

注：★为“嫦娥三号”着陆点。

对于“嫦娥三号”着陆区，前人已有研究。Xiao等[4]根据超宽频带测月雷达采用“边走边探”方式，获得着陆区月壳浅层330 m深度内的剖面结构特性及地质演化图；Li等[5]通过降落相机影像数据认为着陆点位于平原高台地的边缘，且从西向东呈下降趋势，地形坡度和起伏较小；Di等[6]利用巡视器影像采集了7个地点的石块，指出石块集在“紫微”撞击坑的东侧和边缘。

为了更好地研究着陆区的地形地貌，要利用着陆区周边的高分辨率影像来研究石块和撞击坑的空间分布关系。Wu等[7]利用图像识别的方法，自动提取了降落相机影像下的石块，获取了石块的丰度模型。但石块的样本并不完整，边界的区分也有一定的误差，且并未进行石块和撞击坑的联合分析，由此说明，“嫦娥三号”着陆区有待进一步研究。

本文借助“嫦娥三号”降落相机的高分辨率影像，采用人工提取的方法,得到了较为完整的石块和撞击坑，分析了撞击坑和石块的空间分布关系，得到了“紫微”撞击坑溅射的规律，最后利用地形地貌相机影像对结果进行了实景验证。

1 数据和方法

1.1 数据

1)“嫦娥三号”降落相机镶嵌影像。影像的地面分辨率是不均匀的，降落相机在沿主光轴方向下降的同时，分辨率从0.1 m/像素增大至0.03 m/像素；影像没有地理参考坐标。本文使用的镶嵌影像来自于Wu等[7]的研究成果。

2)“嫦娥二号”数字正射影像[8](digital orthophoto map，DOM)。本文采用7 m/像素DOM影像作为底层影像(CE2_GRAS_DOM_07m_D217_45N015W_A)，通过该影像为其他数据赋予地理参考坐标(GCS_Moon_2000)。

3)月球轨道勘测器影像(lunar reconnaissance orbiter，LRO)。由于降落相机镶嵌影像与 “嫦娥二号”DOM影像分辨率差异过大，本文引入了1.2 m/像素的LRO影像作为中间层进行配准。

4)“嫦娥三号”地形地貌相机影像[8]。本文使用的数据是地形地貌相机静态摄像模式所拍摄的影像。本文挑选了着陆点东、南、西、北4个方向的影像，根据以上数据来验证溅射物的分布情况。

1.2 方法

本文的研究方法如图2所示。

图2 研究的方法

1)镶嵌影像的配准。本文所使用的着陆区镶嵌影像没有地理参考坐标系，因此，使用“嫦娥二号”7 m/像素DOM影像对该影像进行配准。鉴于降落相机镶嵌影像与“嫦娥二号”影像分辨率的巨大差异，本文引入了1.2 m/像素LRO影像作为中间层进行配准。如图3所示，先把LRO影像配准至“嫦娥二号”DOM影像上，然后将降落相机镶嵌影像配准到LRO影像上，最终赋予降落相机镶嵌影像地理坐标系。

图3 数据关系示意图

2)撞击坑与石块的提取。本文采用人工提取的方法对撞击坑和石块进行提取，如图4所示：①石块和撞击坑的光照特性相反，影像中显示撞击坑在靠近光照方向的边缘处呈灰暗，而石块在靠近光照方向的边缘处呈明亮；②从外形上撞击坑多呈圆状。

注：绿色代表撞击坑；红色代表石块；白色代表光照方向。

本文采用CraterTools 软件(https：//www.geo.fu-berlin.de/en/geol/fachrichtungen/planet/software/index.html，基于ArcMap)对降落相机影像中的石块和撞击坑进行了提取。为保证提取的精确度，撞击坑与石块提取先由3名成员分别完成，随后对分类不一致结果进行讨论得出最终结果。

3)统计方法。考虑到最终的影像数据分辨率不均的问题，在统计时采用分区统计的方式。本文划分了包含直径为0.15、0.3、0.5 m及以上所有撞击坑(石块)的3个区域，针对上述3个区域分别进行了直径-频率的统计分析，保证相应尺寸的撞击坑(石块)在该区域内的任意位置都能得以识别，避免了分辨率不均对结果造成的影响。

依据上述处理可见，直径0.5 m以上的撞击坑(石块)的可识别范围为整个研究区域(红色区域)，因此，为避免分辨率不均对结果的影响，本文采用分区的方法对0.5 m以上的撞击坑和石块进行对比分析。如图5所示，以“紫微”撞击坑为中心，将研究区域按照方位角划分为Ⅰ～Ⅷ 8个区域[9-10]。此外，由于影像数据存在缺失(降落架遮挡导致)，本文以“紫微”撞击坑为圆心，绘制2个同心圆，保证8个区域的面积相等，在研究石块和撞击坑的分布时，将根据此方法进行统计。

注：★为“嫦娥三号”着陆点。

4)溅射物分布情况的验证。通过上述统计方法对“嫦娥三号”着陆区的石块和撞击坑进行分析后，本文利用地形地貌相机对溅射物的分布情况进行了实景验证。如图6所示，本文分别挑选了着陆点东、南、西、北4个方向的影像，对实际场景下撞击坑和石块的分布情况与研究结果进行对比，验证石块和撞击坑在降落区的分布。

图6 地形地貌相机数据

2 结果与分析

2.1 石块

本文提取石块2 363个，直径范围为0.1～2.3 m，并且划分包含直径为0.15、0.3、0.5 m及以上所有石块的3个区域。针对如图7所示的3个区域分别进行研究，由表1可知，3个区域撞击坑的数量都随撞击坑直径的增大而减少。

图7 石块的提取结果与区域划分结果

表1 各区域石块直径和数量的关系

由图7可知，0.5 m以上的石块可识别的范围可以覆盖研究区域，为避免分辨率不均对结果造成的影响，本文只针对包含0.5 m以上石块的区域进行分析。

如图8所示，Ⅳ、Ⅴ区石块数量较少，向两侧区域数量逐渐增多。结合石块覆盖面积、体积的关系，可发现相较于其他区域，Ⅰ～Ⅲ区石块覆盖面积和体积较大，分别占总数的65.2%、61.4%；Ⅳ～Ⅵ区石块覆盖面积小，占总数的11.1%；Ⅶ～Ⅷ区石块的覆盖面积与体积较大，分别占总数的23.7%、24.7%。

图8 0.5 m以上范围内石块分布关系

综上所述，Ⅳ～Ⅵ 2区石块中小石块较多，主要以直径0.5 m以下石块为主；Ⅰ～Ⅲ区石块也较多，但是以直径大于0.5 m的石块为主；Ⅶ～Ⅷ区石块相对较少，也以直径大于0.5 m的石块为主。由于石块的数量及大小是判断溅射多少的重要依据，因此，本文推测“紫微”撞击坑的溅射可能存在方向性。

结合图9结果可知，以“嫦娥三号”着陆点为中心，半径8 m的范围内没有直径0.5 m以上的石块，说明着陆点周围地形相对平坦。

注：★为“嫦娥三号”着陆点。

上述分析表明：①分别针对包含直径0.15、0.3、0.5 m及以上所有石块的区域进行研究后，石块的数量随直径的增大而减小；②在着陆点周围8 m以内没有直径小于0.5 m的石块，从石块的分布来看，着陆点附近的地形较平坦；③通过对整个区域直径0.5 m以上的石块进行研究，可发现Ⅰ～Ⅲ区、Ⅶ～Ⅷ区石块的平均直径较大、数量较多，Ⅳ、Ⅴ 2区石块的平均直径较小、数量较少，这可能与“紫微”撞击坑的溅射方向有关。

2.2 撞击坑

本文共提取2 564个撞击坑，直径范围为0.1～16.9 m，并且划分包含直径0.15、0.3、0.5 m以上所有撞击坑的3个区域。针对如图10所示的3个区域分别进行研究，由表2可知，3个区域撞击坑的数量随撞击坑直径的增大而呈减少趋势。

图10 撞击坑的提取结果与区域划分结果

表2 各区域撞击坑直径和数量的关系

由于1.8 m以上撞击坑的面积较大，会对整体的结果产生较大的影响，因此，本文选择0.5～1.8 m的撞击坑作为研究对象。如图11所示，针对0.5 m以上的撞击坑所在区域进行分析，发现Ⅱ～Ⅴ区的撞击坑在数量和面积的关系上相差不大。而在Ⅵ～Ⅷ区，从Ⅵ区开始，撞击坑的数量有明显的增加，虽然之后的Ⅶ、Ⅷ 2区撞击坑数量在下降，但结合撞击坑覆盖面积的关系，可以看出，撞击坑的平均直径在增加。上述结果表明，从Ⅰ区到Ⅷ区，0.5 m以上撞击坑的分布呈现出平均直径由大变小再变大的趋势。

图11 0.5 m以上范围内撞击坑分布关系

结合图12的结果，着陆点附近0.5 m以上的撞击坑较少，撞击坑的平均直径较小，说明此处没有明显的起伏，比较适宜着陆以及巡视器的巡视工作。

注：★为“嫦娥三号”着陆点。

上述分析表明：①分别针对包含直径0.15、0.3、0.5 m及以上所有撞击坑的区域进行研究后，撞击坑的数量随直径的增大而减小；②通过对整个区域0.5 m以上的撞击坑进行研究，可发现Ⅴ区撞击坑的平均直径较小，从Ⅴ区向两侧看，撞击坑的平均直径在增大，由于撞击坑的大小和数量是判断溅射多少的参考依据，本文认为上述结果可能与“紫微”撞击坑的溅射方向有关。

2.3 撞击坑石块的耦合分析

针对Ⅰ～Ⅷ区0.5 m以上的石块和撞击坑进行分析，由图13可知，Ⅳ、Ⅴ 2区的石块和撞击坑数量较少，所占面积也很小。相比之下，Ⅳ、Ⅴ 2区两侧几个区域石块和撞击坑的分布有明显增多的趋势。在Ⅰ～Ⅲ区，0.5 m以上的石块和撞击坑分布较多，并且它们的平均直径也较大，在Ⅵ～Ⅷ区，0.5 m以上的石块和撞击坑在数量上有所增加，虽然没有Ⅰ～Ⅲ区明显，但二者的面积有明显增加，说明Ⅵ～Ⅷ区石块和撞击坑的平均直径较大。

图13 0.5 m以上撞击坑石块耦合分析

上述结果表明，0.5 m以上的石块和撞击坑在Ⅰ～Ⅲ区、Ⅵ～Ⅷ区分布较多，在Ⅳ、Ⅴ 2区分布较少，说明“紫微”撞击坑的溅射存在方向性，石块和撞击坑分布较多的地方也就是溅射物较为集中的地方，即Ⅰ～Ⅲ区、Ⅵ～Ⅷ区处于溅射区。而“嫦娥三号”恰巧着陆在Ⅳ、Ⅴ 2区的边界位置，这里的石块和撞击坑尺寸较小，溅射物较少，地形相对平坦。

2.4 地形地貌相机影像对比分析

由图6可知，在“嫦娥三号”着陆器的北侧，距离较近的位置分布有较多直径较小的石块，距离较远的地方分布有较多直径较大的石块；在着陆器的南侧，整体石块的数量较少；在着陆器的西侧，距离较近的位置石块相对较少，但在距离较远的位置分布有大而密集的石块，地势有明显的起伏；在着陆器的东侧，石块较少，但存在一些直径较大的撞击坑。

由以上结果对比撞击坑和石块耦合分析的结果可知，着陆的中心区域石块和撞击坑的整体直径相对较小，在距着陆点较远的地方，向北侧方向石块较多，平均直径较大，向南侧方向，石块也相对较多，但相比北侧有所减少。以上规律与上文撞击坑石块的耦合分析相吻合，验证了本文的结论。

3 结束语

本文提取了更加完整的“嫦娥三号”着陆区降落相机影像下的撞击坑和石块，通过划分直径为0.15、0.3、0.5 m及以上所有石块(撞击坑)的区域分别进行研究，避免了影像分辨率不均对结果的影响，最终本文得出以下结论：在排除分辨率不均的影响后，石块(撞击坑)的数量随直径的增大而减小；“紫微”撞击坑的溅射是有方向性的；着陆点恰好位于2个溅射区之间，在着陆的中心区域该区的地形较为平坦。通过利用地形地貌相机影像进行验证，结果符合上述结论。

在本文的基础上可以对比分析“嫦娥三号”及“嫦娥四号”溅射物的分布情况，即处于溅射区和非溅射区的石块和撞击坑的空间分布关系，进而找到溅射物溅射的一些规律。

致谢：本文所用“嫦娥三号”降落相机镶嵌影像来自于香港理工大学吴波教授的成果(https：//doi.org/10.1029/2017JE005496)。