月表撞擊坑分類體系及形態(tài)指標(biāo)率定研究

任 靜,李玉紅（陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院,西安 710062）

月表撞擊坑分類體系及形態(tài)指標(biāo)率定研究

任 靜,李玉紅
（陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院,西安 710062）

月表撞擊坑不僅是月球表面最明顯最典型的月貌形態(tài)單元，其形態(tài)特征、布局密度、分布區(qū)域是分析月球巖石構(gòu)造、估算月表年齡、反演月壤厚度、恢復(fù)月球的起源和演化歷史的首選切入點(diǎn)。月表撞擊坑類別劃分研究，是認(rèn)識(shí)月貌區(qū)域性差異的基礎(chǔ)，一直以來(lái)，都是月球科學(xué)研究的熱點(diǎn)。然而，由于研究的側(cè)重點(diǎn)不同，目前針對(duì)撞擊坑有很多劃分類別。因此，進(jìn)一步梳理不同的劃分方法，有助于深入月貌科學(xué)研究。本文首先對(duì)人類月球探測(cè)成果及前人相關(guān)月表科學(xué)研究成果進(jìn)行匯總，并對(duì)撞擊坑分類體系進(jìn)行梳理，選取相關(guān)形態(tài)指標(biāo)，對(duì)研究區(qū)撞擊坑不同類別特征指標(biāo)差異進(jìn)行分析。

月球探測(cè);有效載荷;撞擊坑分類

1 引言

從月球表面地貌分析的角度，通過(guò)Apollo 時(shí)期以及近年來(lái)的月球探測(cè)獲得的大量遙感數(shù)據(jù)，許多學(xué)者從不同方面開展了研究。如樊世超、張伍等運(yùn)用規(guī)則格網(wǎng)結(jié)合局部復(fù)雜地區(qū)基于TIN 的DEM建模方法對(duì)月球地貌環(huán)境的模擬，實(shí)現(xiàn)了月球表面DEM數(shù)據(jù)建模，并將其應(yīng)用于中國(guó)月球軟著陸探測(cè)工程仿真系統(tǒng)中；周增坡等基于嫦娥一號(hào)獲取的遙感影像和DEM進(jìn)行了月表形貌特征分析，發(fā)現(xiàn)月球平均高程為-742 m，最大高程點(diǎn)和最小高程點(diǎn)均位于月球的背面，月球表面相對(duì)平坦，月球高地的坡度值變化較大，月海坡度變化較小。

當(dāng)今時(shí)代，科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，衛(wèi)星離開地球進(jìn)入太空圍繞月球運(yùn)轉(zhuǎn)，月球探測(cè)器精度的不斷提高，由于計(jì)算機(jī)大容量、高速度的特點(diǎn)，使得海量數(shù)據(jù)快速有效地被處理。運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)量化模擬復(fù)雜多變的地貌形態(tài)導(dǎo)致人們對(duì)于月表形貌特征分析從定性變成定量。本文主要是月表撞擊坑分類方法依據(jù)相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)和概括。

2 月表撞擊坑形貌研究現(xiàn)狀

月球撞擊坑的宏觀分類及形態(tài)指標(biāo)率定。由于撞擊坑是月表最主要的地貌特征構(gòu)造單元，近些年對(duì)撞擊坑的研究較深入。本文主要從對(duì)撞擊坑的分類、識(shí)別、形態(tài)特征表達(dá)、揭示月球的演化特征等幾方面對(duì)近年來(lái)專家學(xué)者的相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)和概括。

撞擊坑分類與撞擊坑提取緊密相關(guān)，為研究更好的適用范圍更廣的撞擊坑提取方法，首先要充分全面的認(rèn)識(shí)撞擊坑的形貌特征，在大量觀測(cè)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理分類，對(duì)不同類型的撞擊坑設(shè)計(jì)相適應(yīng)的提取方法。本文中所收集的最早的撞擊坑分類體系確定是在1949年，由地面觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行分類。隨著繞月人造衛(wèi)星的升空，以及探測(cè)器分辨率逐漸提高，目前中國(guó)嫦娥號(hào)所拍攝的月表影像分辨率已以米為單位，豐富的數(shù)據(jù)資料為我們更好地認(rèn)識(shí)月球提供了可能。

Baldwin 1949年在The Face of the Moon一書中將月表撞擊坑依據(jù)邊界侵蝕程度分為影子型、廢墟型、邊界破損、邊界模糊、邊界清晰五種類型。

Wood 在 1976年 出 版 的New morphometric data for fresh lunar craters一文中對(duì)月表新鮮撞擊坑進(jìn)行了詳細(xì)的分類，在21世紀(jì)以前被認(rèn)為是最全的撞擊坑分類系統(tǒng)。從形態(tài)學(xué)和形態(tài)測(cè)量學(xué)的角度出發(fā)，考慮一級(jí)侵蝕程度，將分類體系（LPL crater types）以典型撞擊坑命名分為五類，TYC型、 TYR型、 SOS型、 BIO型、 ALC型。

ALC—（Albateginus C）又稱為“碗狀”撞擊坑，光滑的邊界，沒(méi)有坍塌斷裂。

BIO—（Biot）:指相對(duì)較小，底面平坦的撞擊坑，和ALC型撞擊坑具有相似的形貌特征及半徑范圍，但這類型撞擊坑具有平坦的地面以及斜坡與坑壁間有明顯的斷裂。

SOS—（Sosigenes）:相對(duì)比較淺而寬，坑底平坦；直徑在5-30KM之間，SOS型撞擊坑相比BIO型坑底更寬。

TRI—（Triesnecker）:具有典型的扇形墻壁的撞擊坑，直徑在15-50KM之間，稍有棱角或者扇形邊界。

TYC—（Tycho）:擁有多層環(huán)形峰，邊緣破損嚴(yán)重，坑底相對(duì)平坦，直徑在30-175KM之間。

Florensky在 The relationship between lunar crater morphology and crater size.一文中基于Lunar Orbiter和Zond-8影像，選取新鮮的撞擊坑作為研究對(duì)象，以驗(yàn)證撞擊坑半徑大小和其地貌變化的關(guān)系，以便對(duì)撞擊坑進(jìn)行分類。新鮮撞擊坑的確定是根據(jù)坑唇的銳度，內(nèi)壁的陡峭程度。作者將這些撞擊坑分為：（1）Schmidt型（2）Dawes型（3）R?mer型（4）Tycho型（5）Copernicus型 和（6）Plato型。Schmidt型撞擊坑呈簡(jiǎn)單的碗狀。直徑在幾米到幾百米的范圍內(nèi)，坑唇突出，坑壁逐漸與坑底連接，沒(méi)有明顯的分界。

1991年在A User’s Guide to the Moon一文中根據(jù)撞擊坑形態(tài)，Heike將撞擊坑分為碗型的小型撞擊坑、具中央峰的較大型撞擊坑、具多環(huán)盆地的巨型撞擊坑三類。簡(jiǎn)單撞擊坑普遍呈碗狀，有凸起的邊緣，相對(duì)較小，坑底平坦（Smith and Sanchez, 1973）。他們有光滑的邊緣坡度較小，隨著直徑的增大，大量巖石和風(fēng)化層跌入坑底簡(jiǎn)單撞擊坑逐漸變成扇形的墻壁。最好的例子是東方盆地，一部分被熔巖淹沒(méi)了。由直徑定義的各種撞擊坑形狀，工人可以區(qū)分開來(lái)，依據(jù)詳細(xì)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)集。

2014年程維明在“月表形貌特征研究進(jìn)展及趨勢(shì)分析”一文中按照形態(tài)和規(guī)模相結(jié)合的比對(duì)指標(biāo)將撞擊坑分為月海殘留型、特大復(fù)雜型、大環(huán)狀平原型、中等凹坑平原型、小規(guī)模碗型、微狀酒窩型六類。

3 撞擊坑形態(tài)指標(biāo)率定

該部分首先要手工矢量化月表撞擊坑，結(jié)合剖面圖，對(duì)其進(jìn)行量算，計(jì)算各撞擊坑徑深比、坑唇直徑坑底直徑比值，圓度，結(jié)合目視解譯的，得出不同類別撞擊坑參數(shù)特征。

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究區(qū)域

該研究所用數(shù)據(jù)為由美國(guó)LRO探測(cè)器上LOLA—月球軌道飛行器激光測(cè)高儀獲得的圖像數(shù)據(jù)制成的DEM模型，空間分辨率為118.45m。相比利用嫦娥一號(hào)上的激光高度計(jì)獲得的數(shù)據(jù)制作的DEM模型500m的空間分辨率要精確很多，是目前可以獲得的較高精度月表DEM數(shù)據(jù)。

研究區(qū)為月表北緯15-30，經(jīng)度30-60之間的區(qū)域。如圖1。

3.2 月表撞擊坑形貌指標(biāo)

本研究選取三個(gè)特征參數(shù)對(duì)研究區(qū)月表撞擊坑特征進(jìn)行描述，結(jié)合Wood的撞擊坑分類體系進(jìn)行分類，得出不同類別撞擊坑的參數(shù)特征。

利用“深徑比”來(lái)刻畫撞擊坑的陡峭程度，進(jìn)一步推斷撞擊坑的年齡；

圖1 人工矢量化提取研究區(qū)撞擊坑分類

圖2 不同類別撞擊坑徑深比

由圖2可知，從ALC型到TRI型撞擊坑總體趨勢(shì)是徑深比逐漸減小，即撞擊坑坑壁陡峭程度逐漸降低，撞擊坑越來(lái)越平坦，表明撞擊坑受重力侵蝕等影響越大，坑壁破損程度越大，撞擊坑年齡越老。特別是TRI型，撞擊坑接近平坦。四類撞擊坑在該參數(shù)上的呈規(guī)律性遞減，故徑深比是區(qū)分四類撞擊坑的重要依據(jù)。

圖3 不同類別撞擊坑坑口坑底直徑比

圖3中，ALC型撞擊坑與另外三種類型在該參數(shù)上有明顯的差異；ALC型撞擊坑口坑底直徑比相對(duì)較大，撞擊坑“錐體截?cái)唷背潭认鄬?duì)較小，撞擊坑年齡相對(duì)較小。BIO型撞擊坑該參數(shù)平均值要大于另外兩種類型。可以用該參數(shù)將ALC型撞擊坑明顯區(qū)分出來(lái)。具體區(qū)別看圖4。

4 結(jié)論與討論

本文首先對(duì)人類月球探測(cè)及前人月表科學(xué)研究成果進(jìn)行總結(jié)，為后續(xù)研究做鋪墊。

月表撞擊坑作為月球表面最主要的地貌特征，月表撞擊坑類別劃分研究，是認(rèn)識(shí)月貌區(qū)域性差異的基礎(chǔ)，故本文又對(duì)經(jīng)典的月表撞擊坑分類體系進(jìn)行了梳理。

為更全面的認(rèn)識(shí)月表撞擊坑形貌特征，本文基于LRO影像，以月表緯度帶北緯15-30經(jīng)度帶30-60的區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，以Baldwin的撞擊坑分類體系為參照，選取徑深比、坑口坑底直徑比、圓度三個(gè)常用的月表形態(tài)指標(biāo)參數(shù)為依據(jù)，對(duì)不同類別的撞擊坑進(jìn)行規(guī)律分析。發(fā)現(xiàn)坑口坑底直徑比能很好的將ALC型撞擊坑區(qū)分出來(lái);而對(duì)于徑深比參數(shù)從ALC型到TRI型撞擊坑有明顯的遞減的趨勢(shì);圓度參數(shù)可明顯區(qū)分ALC型與TRI型撞擊坑。

圖4 典型撞擊坑剖面

[1]Cook A C,Spudis P D, Robinson M S, et al. Lunar topography and basins mapped using a Clementine stereo digital elevation model［J］.Lunar and planetary science,2002, 33:1281-1282.

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[4]周增坡,程維明,周成虎,等.基于“嫦娥一號(hào)”的月表形貌特征分析與自動(dòng)提取[J].科學(xué)通報(bào),2011,56（1）:18-26.

任靜（1994-），女，山東德州人，大學(xué)本科，研究方向:地理信息系統(tǒng),自然地理學(xué)。