火星Eberswalde撞击坑三角洲矿物丰度反演

矿物的种类与含量可限定其形成时特定的地质环境,因此火星表面矿物识别和丰度反演研究对了解火星的地质构造及历史演变过程具有重要意义。Eberswalde撞击坑具有复杂的水文系统,是火星探测的热点地区,而对该地区大范围矿物反演则鲜有研究。基于紧凑型侦查成像光谱仪(CRISM)目标探测模式数据和CRISM光谱库,首先,通过高光谱数据子空间识别算法(Hysime)分析CRISM数据信号子空间,并将光谱库所有矿物光谱投影到子空间上,保留投影误差较小的光谱作为约简后的端元光谱库;然后,使用协同稀疏解混对Eberswalde撞击坑西北部三角洲地区的矿物丰度进行定量反演,得到5种原生矿物:辉石、橄榄石、斜长石、菱铁矿、硬水铝石和1种蚀变矿物透闪石,并从矿物光谱、分布分别对反演结果进行验证;最后,从矿物学的角度对可能成因做出解释,推测该区域存在接触变质作用。     

“祝融号”火星车多光谱相机岩矿类型识别的地面验证研究

中国首个自主火星探测任务“天问一号”探测器于2020-07成功发射,其搭载的中国首台火星车“祝融号”将在着陆火星后开展巡视探测,获取中国火星探测的原始科学数据。识别火星表面岩矿类型对于了解火星的大气变化、环境状态、地质演化以及生物宜居性等具有重要意义。本研究利用“祝融号”火星车搭载的多光谱相机载荷鉴定件（8个波段）在地球环境下拍摄并获取了18种火星表面岩矿的多光谱影像数据。基于该数据所开展的火星岩矿类型的识别研究可为未来基于“祝融号”多光谱相机数据进行火星表面岩矿的原位识别提供指导。本文所采用的基于多光谱影像波段运算和彩色图像HSV颜色特征直方图的岩矿识别方法,可从多光谱特征和颜色特征两个层面来识别不同类型的岩矿。所使用的多光谱影像数据是在太阳高度角约60°、拍摄高度1.8 m、拍摄角度约37°的条件下采集所得。在该实验条件下,两种识别方法共提取出12种岩矿的识别指标。基于多光谱影像波段运算可以区分出在8个特定波段下具有突出光谱特征的岩矿类型,而基于图像HSV颜色特征可区分出颜色特征分布较为集中的岩矿类型。同时,研究发现拍摄角度不同会对岩矿的识别效果产生不可忽略的影响。     

一种改进的火星车多光谱影像深度新颖目标探测方法

火星车（即巡视探测器）是对火星表面探测和科学研究的重要手段。针对火星车采集到的日益增长的遥感数据,亟需一种能够智能化地从海量影像中探测出有科学价值的新颖目标的方法。传统的新颖探测多采用基于距离测度和基于影像重建的方法,其中基于距离测度的方法逐像素计算新颖分数,未考虑空间上下文信息;基于影像重建的方法侧重对典型地貌背景进行重建,新颖性表现为影像重建误差,对小型新颖目标如钻孔、除尘点等提取效果不佳。提出一种改进的火星车多光谱影像深度新颖目标探测方法(convolution auto-encoder combined Mahalanobis distance method, CAE-M),利用全卷积自编码神经网络提取深层特征进行典型地貌重建,并联合马氏距离将新颖目标与典型地貌背景分离,充分挖掘空间维与光谱维特征,提高火星车新颖目标探测结果的准确性。实验采用好奇号火星车多光谱影像数据集,在盖尔撞击坑地表采用Reed-Xiaoli探测器、主成分分析、卷积自编码神经网络、生成对抗网络与CAE-M进行对比实验,结果表明,CAE-M在探测精度和可视化解释上均优于对比方法,在不同类别的新颖目标探测上都有着均衡稳定的表现。     

行星遥感影像目标识别与分类进展

从行星遥感海量数据中对地形地貌特征进行识别和分类,是行星科学研究中的一项重要基础工作。本文综述了自实施月球和深空探测任务以来,国际、国内采用行星影像数据进行地形地貌识别与分类技术的研究进展。首先,从月球、火星以及其他行星探测任务3个方面,对相关的探测任务和获取的影像数据进行简介。然后,在介绍通用目标识别与分类方法研究进展的基础上,分别详细阐述了月球、火星、其他行星影像数据的目标识别与分类研究进展,具体包括：（1）在月球影像目标识别与分类研究进展中,从月球表面环形构造识别,线性构造识别,以及地形分类几个方面展开详述;（2）在火星影像目标识别与分类研究进展中,从构造地貌,风成地貌,水成地貌,其他地貌的识别与地形分类几个方面的研究进展进行详述;（3）其他行星影像目标识别与分类研究进展中,从太阳系的其他类地行星和小行星的影像目标识别与地形分类研究进展进行阐述,其中针对小行星近距离飞越探测、绕飞探测、附着就位探测和表面采样返回等探测方式,分别介绍了对其影像数据的目标识别与地形分类的研究进展。最后,对行星遥感影像目标识别和分类技术的未来发展方向进行了展望和探讨。     

火星形貌摄影测量技术研究

火星形貌测绘是火星探测的基本任务,高精度的火星形貌数据是火星探测器着陆区选址以及着陆器自主导航的重要保障。火星探测工程不能利用 GNSS 等手段对探测器进行精密定轨,无控制点数据辅助定位,且火星表面影像纹理信息贫乏,导致火星形貌测绘面临许多难题。本文对火星形貌摄影测量涉及的探测遥感影像几何处理、火星表面影像与激光测高数据联合平差、火星表面影像密集匹配以及火星形貌 DEM的自动提取等技术进行了研究。论文主要研究内容与结果如下。     

基于MGS测图段部分弧段的精密定轨及火星重力场模型解算

火星探测器精密定轨关联到火星探测任务的成功实施并为其科学目标的顺利完成提供保障,火星重力场研究除了为精密定轨服务外,还是进行火星内部结构、火星表面质量迁移及火星形成和演化的重要约束条件。基于火星探测器精密定轨及火星重力场研究的重要意义,本文利用MGS（Mars Global Surveyor）测图任务阶段近两个月的轨道跟踪数据进行了解算分析,对精密定轨结果进行了精度评价。在此基础上,进行了火星重力场模型解算,通过轨道残差、火星自由空气重力异常等方式对解算模型进行了精度评价,结果表明解算模型合理。这一研究为我国即将发射的火星探测计划“萤火一号”轨道跟踪数据用于火星重力场研究打下了基础。     

火星地形测图

火星地形数据是火星探测的基础数据,从登陆点的选择到表面形态学的定量分析,从火星漫游车的行进到火星物质采掘都离不开影像和三维地形数据。本文论述了火星地形测图的最新进展,分析了火星全球勘探者、火星快车、火星勘测轨道器等环火星轨道器的测图传感器性能、数据处理技术以及火星地形测图产品,指出了火星地形测图未来发展的一些趋势。     

“火星快车”出发

2003年底或2004年初，我们将会看到一个真实的科学“入侵”火星的情景——届时将会有不少于6艘的国际性宇宙飞船会聚火星，对这颗被认为是太阳系中惟一有较大可能发现过去或现在存在生命的星球，展开前所未有的探测。“火星快车”——欧洲航天局(ESA）     

火星表面亮温的时空变化特征分析

利用3个火星轨道器获取的热红外波段探测数据,分析了火星表面亮温在时间维上的年际和季节性变化规律,以及空间维上随地形和纬度的变化特征。研究结果表明:(1)5个火星年的表面亮温年际变化幅度均未超出轨道器热红外波段探测数据的精度范围。(2)火星南半球表面亮温的季节性变化幅度大,远日点时期表面亮温随季节的变化基本符合正弦规律且年际差异小,而近日点则有多处明显偏离正弦规律且年际差异较大;北半球表面亮温的季节性变化幅度远小于南半球,且季节特征不明显,受全球性尘暴影响而引起的夜间升温要大于夏季太阳辐射能增加引起的升温。(3)在同一时段,盆地、峡谷等低海拔地形的表面亮温较高,而山峰、高原、台地等高海拔地形的表面亮温一般较低;Olympus Mons地区的表面亮温与高程之间存在相关系数为–0.9072的负相关关系,线性拟合的结果表明该区域海拔每上升1 km,表面亮温下降约1.4 K。(4)表面亮温随纬度的变化总体上满足低纬度高于高纬度的规律,但受到地形等因素的影响,表面亮温最大值出现在偏离赤道的35°S位置,而赤道附近纬度的表面亮温最小值要小于临近稍高纬度位置的最小值;从赤道到两极同纬度表面亮温的差异逐渐减小。     

同波束VLBI测量下的天问一号火星车定位及精度分析

针对中国天问一号火星探测任务中的火星车定位问题,进行了相关方法的研究和精度分析。根据现有测控条件,考虑到火星车无地面测距数据,提出了利用轨道器和火星车的同波束甚长基线干涉测量（same-beam very long baseline interferometry,SBI）数据对火星车进行定位的方法。由于利用SBI联合轨道器测距数据无法在定轨定位的同时解算差分相时延模糊度,分析了在固定轨道器的轨道情况下,仅利用SBI数据进行火星车定位。结果表明,火星车定位误差随着轨道器的轨道精度提高而减小,如果轨道器的轨道精度从1 km提升到100 m或10 m,6 h SBI数据可以将火星车定位精度提高到数百米,同时,增加数据弧段可进一步提高定位精度,当对着陆器高程方向进行约束时,定位精度会有明显改善。     

Remote Sensing for Martian Studies: Inferences from Syrtis Major

Remote sensing techniques have proved to be highly efficient in the exploration of Mars. Availability of several sensors operating across the electromagnetic spectrum on-board orbiters, landers and rovers has helped better understand the surface and atmospheric conditions on the Red planet. This article summarises the application potential of the sensors operating in different wavelength regions for Martian surface studies. Mars unlike Earth allows for utilizing remote sensing techniques in the complete thermal infrared region, owing to narrow absorption regions from a singularly dominant CO₂ atmosphere which facilitate detailed lithological mapping. This work also reviews various methodologies adopted till date to study the lithology, mineralogy and fluvial geomorphology including inferences from Syrtis Major volcanic construct. It is evident from the studies, Syrtis Major has well developed fluvial channels mostly attributed to lava flows. However, spectroscopic studies reveal the presence of hydroxylated and hydrated minerals which indicate that lava might not be the sole factor resulting in channel generation in the construct. Future space missions with high resolution payloads targeting this volcanic construct are indispensable to study these channels in detail.     

Identification of hydrothermal alteration minerals associated with geothermal system using ASTER and Hyperion satellite data: a case study from Yankari Park,NE Nigeria

Concealed and fossilized geothermal systems are not characterized by obvious surface manifestations like hotsprings and fumaroles, therefore, could not be easily identifiable using conventional techniques. In this investigation, the applicability of Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) and Hyperion data-sets were evaluated in discriminating hydrothermal alteration minerals associated with geothermal systems as a proxy in identifying subtle Geothermal systems at Yankari Park, Nigeria. Feature-oriented principal component selection, spectral angle mapper, linear spectral unmixing were applied to ASTER data based on spectral characteristics of hydrothermal alteration key minerals for a systematic selective extraction of the information of interest. Analytical imaging and geophysics-developed processing methods were applied to Hyperion data for mapping iron oxide/hydroxide minerals and clay mineral assemblages in hydrothermal alteration zones. The results indicate that ASTER and Hyperion could be complemented for reconnaissance stage of targeting subtle alteration mineral assemblages associated with geothermal systems.     

Identification of hydrocarbon microseepage induced alterations with spectral target detection and unmixing algorithms

Hydrocarbon micro and macro seeps alter chemical and mineral composition of the Earth’s surface, providing prospects for detection with remote sensing tools. There have been several studies focusing on mapping these anomalies by utilizing ever evolving multispectral and hyperspectral imaging instruments, which has proven their capacity for mapping both hydrocarbons and hydrocarbon-induced alterations so far. These studies broadly comprise of methods like calculating band ratios, spectral angle mapping, spectral feature fitting, and principal component analysis as detection techniques. However, there is a lack of concentration on advanced signature based detection algorithms and unmixing methods for mapping surface manifestations of hydrocarbon microseeps. Signature based detection algorithms utilize target spectra to correlate with each pixel’s spectrum in order to allocate possible target locations. Unmixing methods, on the other hand, require no input spectra beforehand, aiming to resolve each pixel’s spectral constituents and their corresponding abundance fractions. In this paper, the potential of all these methods in mapping microseepage related anomalies are evaluated by implementing and comparing them for Gemrik Anticline, one of the prospective hydrocarbon exploration fields in Turkey. Hence, it provides a complete knowledge on determination surface manifestations of hydrocarbon microseeps with the help of well known supervised target detection algorithms and hyperspectral unmixing algorithms. The study area is located in the Southeastern Anatolia, between the cities of Adıyaman and Şanlıurfa. The spectral signatures were collected with Analytical Spectral Devices Inc. (ASD) spectrometer during the field studies conducted by Avcıoğlu (2010), to be utilized as an input to the signature based detection algorithms as well as a reference to select the related abundance map among the outputs of unmixing methods. Advanced Space Borne Thermal Emission and Radiometer (ASTER) image of the study region, with an atmospheric correction before running the algorithms, is selected for the applications. Among the applied algorithms, Simplex Identification via Split Augmented Lagrangian (SISAL) is selected as a base of comparison, as it possess minimum calculated error metrics in the experiments. Another unmixing method, the Minimum Volume Simplex Algorithm (MVSA), and signature-based techniques, Desired Target Detection and Classification Algorithm (DTDCA) & Spectral Matched Filter (SMF) follow the success of the SISAL, respectively. The Crosta technique, which is performed as a conventional approach for experimental comparisons, has also shown its capability, succeeding these algorithms. The study provides an overall assessment for methodologies to be used for hydrocarbon microseepage mapping, which also serves guidance for further exploration studies in the region. The potential of ASTER data for hydrocarbon-induced alterations is also emphasized as a cost effective tool for the future applications.     

基于单次散射反照率的矿物高光谱稀疏解混

矿物的混合多属于致密型混合,在可见光—短波红外波段的混合呈现非线性特征,同时由于矿物混合的复杂性以及图像中完全纯净的像元可能不存在等原因,使得从图像上提取端元具有较大不确定性。本文根据矿物单次散射反照率的线性可加性,提出一种基于矿物单次散射反照率光谱库的稀疏解混算法,利用Hapke模型将矿物反射率转换成矿物单次散射反照率,构建矿物单次散射反照率光谱库,以半监督的方式通过稀疏回归的方法从光谱库中寻找最优端元组合,并估算混合像元中各端元的丰度。利用RELAB矿物混合光谱库进行算法验证,结果表明,丰度反演的平均绝对误差为3.12%;将本文方法应用于美国内华达州铜矿区的AVIRIS高光谱图像数据,所得丰度图与美国地质勘探局USGS矿物识别结果具有较好的一致性。本文算法不需要从图像提取端元,并且考虑到了矿物的非线性混合特征,能够得到较高的反演精度,在近地行星和卫星表面岩矿成分的探测等领域具有较好的应用前景。     

热红外遥感火星矿物填图方法初步研究及应用

利用热辐射光谱仪（TES）数据,对火星进行热红外遥感矿物填图。通过对几种典型填图方法的简要介绍,结合火星环境及方法的使用条件,对填图结果进行简单比较,初步分析了填图方法的差异性,为火星矿物填图的进一步研究提供了基础,并为方法和模型的进一步改进提供了依据。     

天宫一号高光谱数据相关检测法蚀变信息提取

天宫一号高光谱成像仪是目前中国空间分辨率和光谱综合指标最高的星载光谱成像仪.针对天宫一号高光谱数据,提出了一种基于波段相关检测的蚀变信息提取方法.该方法在对天宫一号高光谱数据进行波段相关检测提取蚀变异常特征波段的基础上,结合异常探测、端元提取和光谱匹配等方法的各自优势进行天高一号高光谱数据的蚀变信息提取.利用该法成功提取了天宫一号高光谱数据中的Al-OH矿物蚀变异常及4种蚀变矿物,结果表明该方法可以有效提取天宫一号高光谱数据中的蚀变信息,有助于天宫一号高光谱数据在地质矿产资源调查中发挥巨大的应用潜力.     

新疆哈密三种典型蚀变矿物的HyMap高光谱遥感信息提取

利用机载的可见光、近红外及短波红外成像光谱(ＨyMap)数据,对新疆哈密地区岩矿信息识别方法进行研究。基于方解石、 绿泥石和绢云母3种常见蚀变矿物的光谱特征,在遥感数据定标和反射率图像转换的基础上,应用光谱角度模型（SAM）分类法进行自 动匹配识别和信息提取。通过掩膜技术进行方解石、绿泥石和绢云母矿物填图,并结合实验室光谱数据库光谱进行了验证。     

线性混合模型的光谱解混算法综述

混合像元的存在不仅影响了基于高光谱图像的地物识别和分类精度,而且已经成为遥感科学向定量化发展的主要障碍。目前的混合像元分解算法大多采用线性混合模型,其关键步骤为端元提取。文中从线性混合模型的定义出发,总结了近年来提出的端元提取算法,并重点对SMACC、VCA、SGA等算法进行了深入的分析,最后总结了混合像元分解的发展趋势。