前言

月球是地球惟一的天然卫星,是距离地球最近的天体,是人类开展深空探测的首选目标。20世纪50年代出现航天技术后,月球就成为美国和原苏联进行太空竞赛的舞台。进入20世纪90年代,月球探测迎来新的一轮高潮。除美国和俄罗斯外,有更多的国家加入,包括欧洲一些国家、日本和印度。我国于2007年10月24日成功发射嫦娥一号月球探测卫星,标志着我国已经进入世界具有独立深空探测能力的国家行列。     

基于ArcGIS的月球虹湾地区数字地质图编制研究

虹湾幅月球数字地质图是中国首次编制的关于月球地质演化的地质图,应用的主要数据资料来源于"中国首次月球探测工程"嫦娥一号CCD影像数据、DEM数据,结合Clementine750nm影像数据,主要月坑的高分辨率图片,同时结合前人的研究成果,如主要矿物元素含量分布图、多波段反射率特征分布图等编制完成。所有的数据处理应用的是ArcMap平台,同时结合使用了MapGIS软件和Photoshop软件,数据模型采用Geodatabase地理数据模型。详细介绍了基于ArcGIS平台编制月球数字地质图的工作流程,编制方法及依据、编制规则及数据库的建立等,为今后开展月球数字地质图的编制积累了经验。     

月球数字地质图的编制与研究

中国月球数字地质图的编制是利用嫦娥一号、嫦娥二号月球科学探测数据和其他已有月球地质资料与研究成果,通过对月球岩石成分、地质构造和形成时代等要素的研究,应用Arc GIS平台编制1∶250万月球地质图,并建立数字地质图空间数据库。本文通过对月球典型地区地质图的编制与研究,制定了月球数字地质图的编图方案、流程与图示图例,建立了Geodatabase空间数据库,为有效地对数字地质图进行更新与管理,开展月球地质综合研究、编制全月球地质图及未来开展其他天体的地质编图工作奠定了基础。通过地质图编制与大量月球资料的综合集成研究,对月球形成与构造演化进行了初步的探讨。     

月表撞击坑自动识别与提取的新方法及其应用

月表撞击坑是月球最显著的地质构造特征。随着不同月球探测器探测数据的丰富与数据质量的提高,月表地质信息挖掘成为月球科学领域重要的研究内容。月表分布广泛的撞击事件的撞击机理研究和月表地质单元的地质年龄的判定等科学问题都离不开对撞击坑的研究。因此,对撞击坑进行识别和特征参数提取是挖掘以上月表地质隐含信息的基础和关键。针对目前用于撞击坑识别和特征参数提取的方法存在效率低下、应用范围有限等种种缺陷,提出了一种新的月表环形构造识别和特征参数提取方法,并且实现了定量自动化处理。首先,根据撞击坑环形构造特征,利用坡度指数提取坑壁多边形矢量要素;其次,提出并采用环形构造最小外包矩形法提取撞击坑的伪中心与伪直径;然后,以伪中心为中心点向外搜寻并确定撞击坑坑缘顶点;最后,利用三点定圆法确定撞击坑的中心位置和直径大小。以嫦娥一号CCD相机影像数据和利用CCD立体相机制作的DEM数据为数据源,选取不同区域、不同类型的月表撞击坑进行试验,并将计算结果与目前研究成果进行对比。结果验证表明,此方法可以推广到月表其他表面,并可应用于月表撞击坑形成机理研究和利用撞击坑大小频率分布测量的方法确定月表地质单元的地质年龄工作中。     

基于嫦娥一号卫星数据的柏拉图(Plato)月坑地质研究

通过CCD图像对Plato坑周围区域的线性地貌进行解译和构造方位统计,发现2组明显的线性构造优选方向,一组为NNE—SSW向,一组NWW—SEE向。分析后认为,这是在早期区域应力场作用下形成的,之后受到雨海事件和Plato事件的影响发生再活动,但是区域总体构造格架基本保持不变。使用IIM光谱研究发现,溅射物造成了Plato坑西部和东部在光谱上的差异。坑底玄武岩相对月海玄武岩基性物质含量要低,结合DEM分析认为坑底玄武岩并非从单点溢出。通过对Plato坑壁因垮塌而出露基岩的光谱研究和对本区域平底型月坑宽深比的统计,认为本区域属于高地与月海过渡的地区,在物质成分上受到雨海堆积物的影响而含有较多的低反射率基性物质。最后尝试性地对该地区的地质演化过程进行了推演,得出对本地区地质演化的粗略认识。     

月球钻探取样技术研究进展

“嫦娥5号”探测器的成功发射，揭开了我国月球采样返回的序幕。面对当前月球（未来深空）探测的需求，钻进技术作为能够获取深层地质样品的最常用手段，受到越来越多的关注。然而，地球环境下的常规钻探机具与工艺在面对月球（太空）环境时并不能直接进行应用。基于此，本文就当前各国月球钻探技术的研究进展进行了广泛调研与分析，具体包括真实月壤的性能及模拟月壤的研发、月球环境对钻进的影响、月球钻探机具结构和月球钻探规程的探索等几个方面；并对未来月球钻探技术的发展进行了分析思考。     

月面高精度控制点在嫦娥一号和嫦娥二号原始影像上的定位

全月制图是嫦娥一期工程4个基本目标之一。实现高精度月面制图需要建立一个统一的月面控制网,高精度控制点在嫦娥影像上的定位对于月面控制网的建立有着至关重要的意义。分析了现有月面控制网的基本情况及高精度月面控制点位置与精度,确定了落月舱及精度最高的5个棱镜控制点在嫦娥一号和嫦娥二号月球02级原始影像上的位置。定位过程充分利用落月舱在LRO和嫦娥影像上的共同特征,及落月舱局部区域月面环形坑的相对位置关系。通过几何定位与影像纠正的方法确定了控制点的图上位置,达到了约1个像素的定位精度。     

月球虹湾幅(LQ-4)地质图的编制

应用中国首次月球探测工程所获得的嫦娥一号(Change-I)CCD影像数据、干涉成像光谱数据、数字高程模型(DEM)数据和数据分析处理结果等资料,开展了虹湾—雨海地区区域地质综合研究。通过对月球撞击坑及溅射堆积物分析,以及地层单元划分、构造单元划分、岩石类型划分、年代学和月球演化历史的集成分析,依据月坑的形态特征、充填物的多少和保留的程度等,将月球撞击坑划分出7种类型11个亚类,并将月球撞击坑堆积物系统划分为6种类型9个堆积岩组。根据TiO2的含量、分布及影像特征,将月海、月陆玄武岩划分为高钛玄武岩、中钛玄武岩和低钛玄武岩。应用ArcGIS地理信息系统,试点编制了1∶250万月球典型地区——虹湾幅(LQ-4)地质图,并建立了空间数据库,探索制定了月球数字地质图编制技术规范、流程和方法,为中国下一步应用嫦娥二号数据开展"全月球地质图"编制,以及未来其他天体的区域地质综合研究与地质编图工作奠定了基础。     

月球雨海北部陆地区域构造及其含义

月球雨海北部陆地是雨海多环盆地的第二层,平均高程约-1 km。DEM图像显示,大量来自虹湾与柏拉图月坑的掘积物使本地区高程变得非常不均一。统计了研究区内的月坑,并根据其深度与宽度之比(深宽比)将它们划分为4组。深宽比较小而扁率较大的月坑被认为是较古老的月坑。这些古老月坑分布于比较接近月海的位置。对研究区内线性构造的制图研究揭示了3个优选方位,分别是E—W、NEE—SWW和NW—SE向。这种分布样式与月球格子构造系统大致匹配,因而它们很可能形成于雨海事件之前。这些线性构造,包括断裂与月溪,在月海玄武岩泛滥时期为玄武质岩浆的侵入提供了大量通道。在研究区内一些地形较低的地点,玄武岩上侵并出露在月表,它们的FeO平均含量接近但是略低于月海玄武岩。总结了本地区的地质构造演化历史,并且推论月球上的确存在类月海的陆地。     

基于“嫦娥一号”干涉成像光谱仪数据的月球岩石类型填图:以月球雨海—冷海地区(LQ-4)为例

月球表面的岩石类型分布是理解月球岩浆演化的线索。随着出现越来越多的月球探测数据,利用我国的月球探测数据开展数据挖掘,以获得更深刻的科学认识,这是促进相关研究领域发展的当务之急。文中在进一步校正干涉成像光谱仪数据的基础上,获得了更为可靠的月表FeO和TiO2、镁指数填图等。在调研已有的月球岩石分类标准的基础上,根据我们的月表成分填图结果并结合Lunar Prospector Th元素数据,将月球岩石分为亚铁斜长岩、富镁结晶岩套、克里普岩和5种不同钛含量月海玄武岩等8类岩石。笔者以月球正面雨海—冷海(LQ-4)地区为例,做出该区域的岩石分类图,并讨论了该地区的岩石成因。该地区覆盖"嫦娥三号"着陆区,包含月球雨海撞击事件所形成的玄武岩岩浆泛滥区,对于理解月球的岩浆演化具有重要的研究价值。笔者利用岩石类型分布图,结合岩石同位素年龄数据,与对该地区岩石类型分布及其所代表的月球岩浆演化历史进行了讨论。此外,笔者也对"嫦娥三号"着陆区的FeO、TiO2和镁指数、岩石类型等进行了初步判别,有待于与玉兔号搭载的探测仪器测量结果相互验证。     

Frontiers in lunar science based on bibliometric analysisSCIEI北大核心CSCD

月球是人类开展深空探测的首选目标,月球探测是世界各国科技竞争的制高点。开展月球科学前沿研判,对我国实施深空探测战略、规划行星科学研究路径,进而赢得未来竞争优势至关重要。基于Web of Science数据库,本文利用文献计量学方法,对月球科学领域论文产出数量、学科和期刊分布、主要国家和领先机构的竞争力、国际合作等进行了深度分析,并通过聚类分析获得当前研究热点,梳理出五大研究领域和七大前沿问题。过去20年,我国在月球科学研究取得了长足进步,但仍然存在优秀论文少、顶尖学者少、学术期刊少的问题。未来月球科学可能在三个方向上实现突破:月球的水仍将是国际月球探测和研究的重点;月球内部结构探测或是我国弯道超车的机遇;新的月球样品将进一步揭示月球形成和演化的奥秘。本研究结果可以为我国未来月球探测和研究的规划与组织提供参考。     

嫦娥五号着陆区月壤的太空风化改造特征

月壤是月球科学与工程探测的主要目标物和承载物,也是人类认识月球的主要信息来源。太空风化作用是决定月壤形成,特别是演化过程的关键因素。本文系统总结了近两年来围绕嫦娥五号着陆区月壤的太空风化改造特征所取得的阶段性研究进展,特别是单质金属铁的多种成因机制、硫化物的风化改造特征和太阳风成因水等。上述研究成果的取得,为准确认识月壤特性,反演月壤形成与时空演化历史以及评估月壤资源特性奠定了良好的基础。最后结合我国后续月球探测工程规划,提出了新的研究方向与目标。     

月球“质量瘤”盆地的深部结构与撞击演化

月球"质量瘤"是指具有等轴状、高幅值重力异常的撞击盆地区域,重力异常是高密度月幔物质隆起与月海玄武岩充填共同作用的结果。研究这种高密度物质异常成因、来源、空间展布特征以及"质量瘤"盆地的深部结构,可以推测其形成与演化历史。利用嫦娥一号激光测高数据与LP165P月球重力场模型计算获得月球布格重力异常,采用新的垂直圆柱体重力异常计算公式,模拟月海充填玄武岩与月幔隆起,使其模拟计算的重力异常与测量的相对布格重力异常相吻合。计算结果表明,月球正面月海区域"质量瘤"盆地充填的玄武岩较高地区域的厚,在典型"质量瘤"盆地的布格重力异常中,月幔隆起是主要因素。计算还发现雨海与澄海下部月壳厚度比正面其他盆地的厚,而且澄海区域的地形表现为中心突起,下部月幔呈一定凹形,推测由于风暴洋区克里普岩的存在使得该区域月壳内部温度高,物质流动性增强,演化后期月壳物质横向压力均衡调整导致月壳物质向盆地中心回流,使得盆地下部月壳增厚,月幔凹陷,盆地地表出现一定程度的抬升。     

基于嫦娥一号卫星激光高度计数据的月表有效反射率

月壤厚度反演是我国月球探测的重要科学目标之一,其重要影响因素之一就是月球表面的有效反射率.前人在月壤厚度反演研究中使用了光滑月表反射率模型,使得月表水平极化反射率和水平极化反射率分别为0.063和0.028(观测角:30°).然而,月球表面是非常粗糙的,必须建立适合粗糙月球表面的有效反射率模型.因此,以嫦娥一号卫星微波辐射计数据的空间分辨率(3 GHz通道,56 km×56 km)为标准,利用每个微波辐射计像元范围内的激光高度计数据(8×8个)建立相应的粗糙月表模型.然后,基于Q/H模型,进行月球表面的有效反射率研究,生成了观测角为30°时月球表面水平极化有效反射率和垂直极化有效反射率分布图.结果表明,月球表面的粗糙性对月表反射率影响很大,使得水平极化反射率降低,局部地区降至0.050;垂直极化反射率增加,局部地区可达0.040,增幅达40%.     

月球表面“冷点”和“热区”研究:嫦娥二号微波亮温数据分析

月球微波亮温数据是研究月球表面物理性质的重要数据源。本文基于嫦娥二号微波辐射计37 GHz通道微波亮温数据,计算了亮温数据月球地方时,获取了月球一天中不同时间段的12幅月表微波亮温分布图。其中,月球白天亮温正异常区("热区")和月球夜晚点状亮温负异常区("冷点")是最为显著两类亮温单元。"热区"和"冷点"具有独特的亮温特征和昼夜变化规律:相对周围环境,"热区"在月球白天亮温明显偏高,夜晚亮温较低,"冷点"在月球夜晚亮温明显偏低,白天亮温略高;与同纬度地区相比,"热区"和"冷点"的升温和降温速率都较大。对比分析月表影像图、Ti O2含量、物理温度和石块含量数据,我们发现:"热区"对应月海区Ti O2含量较高,同纬度地区的亮温和Ti O2含量呈明显正相关,较高Ti O2含量是"热区"形成的主要因素;大部分"冷点"中心都对应着年轻辐射纹撞击坑,"冷点"中心夜晚物理温度和岩石含量较高,"冷点"地区亮温与其夜晚温度和石块含量呈负相关分布,较高的石块含量是"冷点"形成的主要因素。     

“嫦娥一号”第一幅月面遥感影像撞击坑特征

撞击坑是月表的主要地貌形态,按普通碗状型、中心隆起型、平底型及同心圆型4种类型描述"第一幅月面图像"上月表撞击坑的形态特征.应用遥感专业图像处理软件,结合白赛尔大地主题反算法,实现撞击坑分布及直径信息提取.研究发现,研究区域的撞击坑直径主要集中在300～700 m.而且撞击坑空间分布不均匀,直径越小,分布越密集.     

月表典型区撞击坑形态分类及分布特征

月球表面环形构造主要有撞击坑、火山口和月海穹窿3种,其中撞击坑分布最广泛,是研究月表环形构造的主要内容。由于月表撞击坑数量大、种类多及其形成伴随着整个月球地质的演化过程,因此这种月表地形地貌比较完整地记录了月球表面地貌随时间的改造过程以及改造类型。文中通过研究撞击坑遥感影像及形貌特征,总结归纳为简单型、碗型、平底型、中央隆起型、同心环型、复杂型及月海残留型7种撞击坑类型,用来描述月表典型区域撞击坑的形态特征。从结构和物质两方面进行了月表典型区域撞击坑的形态地貌参数提取,综合利用嫦娥一号CCD 影像数据、LROC数据,得到了该区域撞击坑形态数据(坑底、坑唇、坑壁、坑缘、溅射物覆盖层、中央峰)和形态测量数据(直径、深度、地理位置)。研究发现,LQ 4地区的撞击坑分布可分为月陆区和月海区,月陆区的撞击坑多以中小型撞击坑为主,其分布密度极高,形成年代较早,月海区撞击坑多为年轻的撞击坑,分化程度较低,分布密度也较低。     

CE3玉兔号月球车APXS特征X射线能谱信息分析

通过对CE3玉兔号月球车粒子激发X射线谱仪（APXS）获取的数据进行处理,获得测点的累积特征X荧光计数率谱线,经小波滤波,消除放射性涨落对X荧光谱线的影响。由能量刻度获得了月球车着陆点月壤元素X射线特征能量峰,由此分析了着陆点月壤元素的成分,得知测量点月壤元素成分包括Si、Ca、Al、Mg、K、P、S、Fe、Ti、Ni、Cr、Mo、Sr、Y、Zr、Nb。研究结果为月陆地质演化提供了有利的参数制约。     

基于光谱特征的月球岩性分类方法研究——以Apollo 16登月区域为例

利用NASA行星数据系统提供Apollo计划登月点采样线路影像数据,通过与嫦娥二号CCD数据、印度M~3数据空间校正获得采样路线坐标。开展嫦娥二号CCD数据与印度M~3数据MAP(后验概率)融合并选择Apollo 15、Apollo 16-62231的LSCC测得的标准岩石双向反射率光谱与M~3、嫦娥二号进行交叉定标。本文采用月球岩石光谱谱型全特征分析方法,选取涵盖Apollo计划登月获取的36个基站主要岩性87种、285件岩石样品,利用校正后的M~3数据分析月球典型岩石各阶吸收反射特征,建立月球典型岩石标准遥感影像光谱库,此后应用Apollo 623个岩石样品进行对比得到很好结果,同时完成Apollo 16登月点周围领域岩性分布图,并讨论了研究区的岩石成因,Apollo 16区域形成于高地大撞击,在早期的研究中已经被用于划分月球年代,本文方法对于月球岩石类别研究与理解月球的岩浆演化具有重要的研究价值。     

基于嫦娥二号卫星微波辐射计亮温数据反演月壤介电常数

月壤介电常数是当前月球微波遥感探测的基础, 是月壤厚度、成分等信息提取不可或缺的参数.为了实现全月介电常数反演, 通过对嫦娥二号卫星微波辐射计亮温数据进行时角校正, 得到同一时角的全月微波亮温图.全月微波亮温表现出随月球地形、月壤成分及纬度变化的特征.基于校正后的微波辐射亮温, 结合辐射传输模型, 通过解算相关参数, 反演得到3GHz频率下全月介电常数分布.其中, 月海地区的介电常数实部高于月陆地区, 且月球极地区域介电常数实部偏低; 而介电常数虚部则在月海区域和艾肯盆地较高.通过模拟月表介电常数实验对反演结果进行温度校正, 得到22℃下全月介电常数.将反演结果和月壤真实样品的介电常数测量值进行比较评价.结果表明介电常数实部相对误差都低于11%;虚部相对误差偏大, 但其差值最大仅为0.02.因此, 基于嫦娥二号卫星微波辐射计亮温数据反演月表介电常数的方法是可行的.