一种基于多源遥感数据估算月海玄武岩厚度的方法及系统

1.本发明属于行星遥感技术领域，尤其涉及一种基于多源遥感数据估算 月海玄武岩厚度的方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构 成在先技术。
3.月球是地球唯一的天然卫星，约在45亿年前形成，是太阳系演化过 程的重要参与者与记录者。月球保留了自身地质作用发生的证据，包括岩 浆活动和撞击历史，同时也是我们回溯月球演化、地球演化及地月关系最 有利的对象，是我们认识类地行星演化的窗口。从20世纪60年代至今， 多个国家发射了多个系列的月球探测器，包括轨道遥感探测、着陆器及巡 航器探测、月面样品返回等等，其中完成了10次月球采样，共返回约384 kg的样品。对月球的探测，获得关于月球地形形貌、物质成分、重力场、 月表环境等海量数据，为月球科学的研究提供了数据基础和资料。
4.月球形成后不久，整个月球处于全球性的岩浆洋阶段，随着热量的散 失，月球内部物质通过结晶分异、重力调整，逐渐形成月核、月幔、月壳 结构，其内部演化大约在30亿年前基本停止，形成了一个具有相对较冷的、 保存较好的刚性岩石圈，后期只是一些小规模的岩浆事件和撞击事件。月 海，包括隐月海，是低反照率的月海玄武充填形成的，约占月球表面17％ 面积。早期月球内部的高温环境导致发生部分熔融，岩浆通过月壳中的岩 浆通道喷出月表，通常发生在大型盆地和撞击坑底部以岩浆溢流或者火山 喷发形成月海充填，根据热演化模型，月球上最高的火山喷发通量在20亿 年前，最大值为42亿年左右(1km 3/yr)。因此，月海是岩浆作用和火山 作用的产物，不同时期形成的月海的规模可以反映月球在不同时期内部能 量的强弱，是月球内动力地质作用强度的反映。目前，通过研究，已经知 道了这些玄武岩覆盖的面积，但是其厚度仍然很难进行约束，研究月海玄 武岩的厚度可为月球岩浆演化历史及热演化过程提供重要的线索和证据。
5.目前，用于估算月海玄武岩厚度的方法主要有三种：
6.(1)地球物理方法，通过月球的重力、地震或雷达数据进行厚度反演；
7.(2)撞击坑形态法，根据月海地区内撞击坑的深度和直径来估算玄武 岩厚度；
8.(3)地层关系，主要是根据月海玄武岩熔岩舌来估算玄武岩厚度。
9.以上方法虽然能够估算月海玄武岩的厚度，但其实现过程及结果仍然 存在以下问题：
10.(1)由于所使用的数据的空间和时间分辨率不同，现有方法获得的月 海玄武岩厚度差别很大，从几十米到几公里；
11.(2)对于撞击坑形态法，缺乏考虑撞击坑与月海玄武岩地层的关系， 比如有些撞击坑并未穿透月海玄武岩地层；
12.(3)由于大部分的月海玄武岩都分布在撞击盆地中，而月海玄武岩熔 岩舌数量及
分布比较局限，无法大范围去估算玄武岩厚度。


技术实现要素：

13.为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于多源遥感数据估 算月海玄武岩厚度的方法，能够相对精确的估算出玄武岩厚度。
14.为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
15.第一方面，公开了一种基于多源遥感数据估算月海玄武岩厚度的方法， 包括：
16.确定月海玄武分布范围；
17.在确定的范围内，根据光谱数据和地形数据来确定月海区内撞击坑与 月海玄武岩地层关系；
18.基于上述关系确定不同类型的撞击坑，进而根据撞击坑形态来确定月 海玄武岩厚度及厚度范围。
19.进一步的技术方案，确定月海玄武分布范围时，根据获得的多源数据 中铁元素的分布来圈定月海玄武岩的分布；
20.多源数据包括影像数据、地形数据和feo含量分布图。
21.进一步的技术方案，通过多源数据筛选出月海玄武分布区域中的撞击 坑，撞击坑包括未穿透月海玄武岩地层的撞击坑、穿透月海玄武岩地层的 撞击坑和玄武岩部分充填的撞击坑。
22.进一步的技术方案，月海区内撞击坑与月海玄武岩地层关系，撞击坑 的瞬时直径d
t
则与坑直径d、坑深h及坑底直径d
f
有关，具体为：
[0023][0024]
进一步的技术方案，撞击坑形成时最大的挖掘深度与其瞬时直径的关 系是：
[0025]
h
exe
＝0.1d
t
ꢀꢀ
(3)
[0026]
进一步的技术方案，对于未穿透玄武岩地层的撞击坑，首先根据地形 数据测出撞击坑的直径或半径：
[0027]
如果撞击坑直径小于15km，根据公式1计算出撞击坑瞬时直径(d
t
)， 再根据公式3计算出撞击坑最大挖掘深度h
exe
；
[0028]
如果撞击坑直径大于15km，需要进一步根据地形数据测量出该撞击坑 坑底的直径，然后根据公式2计算出瞬时直径(d
t
)，再根据公式3计算出 撞击坑最大挖掘深度h
exe
；
[0029]
计算出的最大挖掘深度可作为月海玄武岩厚度的最小约束值。
[0030]
进一步的技术方案，对于穿透玄武岩地层的撞击坑，根据溅射出的高 反照率、低feo含量的物质分布来判断撞击坑是否穿透玄武岩地层。
[0031]
进一步的技术方案，对于穿透玄武岩地层的撞击坑，在获得撞击坑最大 挖掘深度后，根据影像数据、feo含量数据、地形数据，测量出低铁物质溅 射物的半径r
base
和溅射物
的半径r
ce
，最终根据公式4计算出玄武岩厚度h
b
：
[0032][0033]
进一步的技术方案，对于月海玄武岩部分充填的撞击坑，在获得撞击坑 最大挖掘深度后，根据地形数据测量出坑缘到坑底的高差(h)，根据公式5， 求出玄武岩充填厚度，作为该位置的玄武岩厚度的约束值。
[0034]
h
b
＝h
exe
‑
h
ꢀꢀ
(5)
[0035]
进一步的技术方案，还包括：根据月海玄武岩厚度及厚度范围绘制月 海区的月海玄武岩厚度分布图。
[0036]
进一步的技术方案，绘制月海玄武岩地区的玄武岩厚度图时，根据撞 击坑计算的月海玄武岩厚度，作为厚度控制点来绘制该地区的月海玄武岩 厚度分布图；
[0037]
首先，根据穿透月海玄武岩地层的撞击坑计算的月海玄武岩厚度，与 真实的玄武岩厚度的最接近，作为该撞击坑位置的月海玄武岩厚度的控制 点；
[0038]
其次，根据对于玄武岩部分充填的撞击坑计算的月海玄武岩厚度，也 与真实的玄武岩厚度的最接近，作为该撞击坑位置的月海玄武岩厚度的控 制点；
[0039]
最后，根据未穿透玄武岩地层的撞击坑计算的月海玄武岩厚度，将作 为该位置厚度最小值，作为厚度的参考点，而不作为厚度控制点。
[0040]
第二方面，公开了一种基于多源遥感数据估算月海玄武岩厚度的系统， 包括：
[0041]
月海玄武分布范围确定模块，被配置为：确定月海玄武分布范围；
[0042]
撞击坑与月海玄武岩地层关系确定模块，被配置为：在确定的范围内， 根据光谱数据和地形数据来确定月海区内撞击坑与月海玄武岩地层关系；
[0043]
月海玄武岩厚度确定模块，被配置为：基于上述关系确定不同类型的 撞击坑，进而根据撞击坑形态来确定月海玄武岩厚度及厚度范围。
[0044]
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[0045]
本发明基于影像、光谱和地形数据估算月球月海玄武岩厚度，基于多 源数据，根据撞击坑与月海玄武岩地层的关系，在月海地区确定不同类型 的撞击坑，来估算月海玄武岩的厚度，并绘制月海区玄武岩厚度分布图。 适用于月球表面岩石填图、月球岩浆事件规模评估，也可推广至火星或其 他地外行星，可为月球地质演化研究提供重要的信息，同时也可为圈定研 究感兴趣区、预选着陆区等提供参考资料。
[0046]
本发明基于多源数据，根据撞击坑与月海玄武岩地层的关系，在月海 地区来筛选出不同类型的撞击坑，来估算月海玄武岩的厚度，根据厚度控 制点，绘制月海区玄武岩厚度分布图，其结果可整体反映月海地区的玄武 岩厚度分布特征，为评估月海玄武岩喷发的规模和月球岩浆演化程度提供 重要证据和线索。
[0047]
撞击坑是天然的钻孔，类似在地球上确定厚度的钻孔，本发明可以通 过这些厚度控制点，采用最小曲率法生成插值面，大范围的估算月海玄武 岩地层厚度的分布特征。
[0048]
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的 描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0049]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解， 本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不 当限定。
[0050]
图1为本发明实施例的整体工作步骤流程示意图；
[0051]
图2为本发明实施例月球云海地区影像图；
[0052]
图3为本发明实施例月球云海地区地形图；
[0053]
图4为本发明实施例月球云海地区feo含量图；
[0054]
图5为本发明实施例未穿透月海玄武岩地层的撞击坑影像图及feo含 量图；
[0055]
图6为本发明实施例穿透月海玄武地层的撞击坑影像图及feo含量图；
[0056]
图7为本发明实施例月海玄武岩部分充填的撞击坑及feo含量图；
[0057]
图8为本发明实施例穿透月海玄武岩地层撞击坑示意图及厚度估算示 意图；
[0058]
图9为本发明实施例月海玄武岩部分充填的撞击坑及厚度估算示意图；
[0059]
图10为本发明实施例云海地区月海玄武岩厚度分布图。
具体实施方式
[0060]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的 说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属 技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0061]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非 意图限制根据本发明的示例性实施方式。
[0062]
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组 合。
[0063]
实施例一
[0064]
为了较准确和大范围的估算月海区月海玄武岩厚度，本发明公开了一 种基于多源遥感数据估算月海玄武岩厚度的方法，包括：
[0065]
利用月球影像、光谱和地形数据等多源数据，在确定月海玄武分布范 围的情况下，根据光谱数据和地形数据来确定月海区内撞击坑与月海玄武 岩地层关系，根据上述关系来筛选不同类型的撞击坑，主要是三类撞击坑： 未穿透月海玄武岩地层的撞击坑，穿透月海玄武岩地层的撞击坑和月海玄 武岩部分充填的撞击坑，进而根据撞击坑形态来确定月海玄武岩厚度及厚 度范围，最终根据厚度控制点绘制月海区的月海玄武岩厚度分布图，具体 的步骤和内容包括如附图1。
[0066]
撞击坑和月海玄武岩地层主要有三种地层关系：第一是撞击坑先形成， 后期月海玄武岩充填进去，造成撞击坑部分充填；第二是月海玄武岩地层 先形成，后期撞击坑撞击到月海玄武岩地层上，分两种情况，穿透这个地 层和未穿透该地层。
[0067]
在确定月海区内撞击坑与月海玄武岩地层关系时，利用光谱数据来获 得feo含量分布图，如果撞击坑挖掘出低铁含量的物质(小于10％)，则认 为是穿透月海玄武岩地层，如果未挖掘出低铁物质，则认为是未穿透月海 玄武岩地层；另外，根据地形关系，如果月海玄武岩充填在撞击坑中，则 认为是月海玄武岩充填部分充填的撞击坑，因此，主要是根据这些来确定 撞击坑与月海玄武岩地层的关系。
[0068]
确定月海玄武岩厚度及厚度范围时，根据穿透月海玄武岩地层的撞击 坑和月海
玄武岩部分充填的撞击坑，基于撞击坑的形态特征，可以估算出 月海玄武岩的厚度，这两类撞击坑估算的厚度与真实的厚度比较接近，另 外，未穿透月海玄武岩地层的撞击坑，其估算的厚度可以作为该位置厚度 的最小约束值，因此，可以估算厚度的范围。最终这两类比较接近真实厚 度的估算值，作为区域厚度控制点，采用最小曲率法来计算厚度分布图。
[0069]
需要说明的是，上述厚度分布图及厚度范围是根据厚度控制点来进行 评估的。
[0070]
本发明基于多源数据来开展研究，首先是准备相关数据，用到的数据 包括：本次研究使用的数据包括嫦娥一号干涉成像光谱仪(iim)的高光谱， 月球勘探者号的宽角相机影像数据(lroc wac)和激光高度计数据 (lola)。
[0071]
根据研究区的范围，对所选用的数据进行裁剪、几何校正和镶嵌等处 理，获得研究区所需的基础数据。以云海地区为例，本发明准备了影像数 据、地形数据和feo含量数据，影像数据如附图2所示，地形数据如附图 3所示，feo含量数据如附图4所示。
[0072]
月海玄武岩分布地区圈：月海是广泛分布在月表的大型平坦盆地，在 月表上有22个月海，除3个月海外其他19个月海都分布在月球的正面。 根据月球样品的研究经验，所有取样的月海玄武岩样品相对富含mgo和 feo，是来自月表以下100km的部分熔融的岩浆形成的，因此可以通过铁 元素的分布来圈定月海玄武岩的分布，通常feo含量大于10的区域存在月 海玄武岩成分，见附图4。
[0073]
月海玄武岩范围内撞击坑选取及计算玄武岩厚度：本发明将通过撞击 坑的形态的方法对月海玄武岩的厚度进行了估算，主要选取了三类撞击坑， 包括未穿透月海玄武岩地层的撞击坑(附图5)、穿透月海玄武岩地层的撞 击坑(附图6)和玄武岩部分充填的撞击坑，见附图7，主要判断依据包括： (1)地层叠置关系；(2)是否挖掘出低铁物质。
[0074]
其中，穿透和未穿透的撞击坑是在玄武岩岩浆充填盆地之后形成的， 而玄武岩部分充填的撞击坑是在岩浆充填之前或充填的过程早期形成的。 通过影像数据、地形数据和feo含量分布图，筛选出月海玄武岩区域中的 三类撞击坑。
[0075]
根据对简单撞击坑形态的研究，撞击坑的瞬时直径(d
t
)则与坑直径(d)、 坑深(h)及坑底直径(d
f
)有关，当撞击坑直径小于15km时，瞬时直径 与坑直径的关系遵循公式1，当撞击坑直径大于15km的时候，其瞬时直径 会发生一定变化，遵循公式2。
[0076][0077]
撞击坑形成时最大的挖掘深度约为其瞬时直径的1/10(公式3)，
[0078]
h
exe
＝0.1d
t
ꢀꢀ
(3)
[0079]
(1)对于未穿透玄武岩地层的撞击坑，首先根据地形数据测出撞击坑 的直径(或半径)：1)如果撞击坑直径小于15km，根据公式1计算出撞击 坑瞬时直径(d
t
)，再根据公式3计算出撞击坑最大挖掘深度h
exe
；2)如果 撞击坑直径大于15km，需要进一步根据地形数据测量出该撞击坑坑底的直 径，然后根据公式2计算出瞬时直径(d
t
)，再根据公式3计算出撞击坑最 大挖掘深度h
exe
。由于这种类型的撞击坑为穿透月海玄武岩地层，因此计 算出的最
大挖掘深度可作为月海玄武岩厚度的最小约束值。
[0080]
(2)对于穿透玄武岩地层的撞击坑，通常会将月海玄武岩下部的低铁 的斜长岩挖掘出来，因此可以根据溅射出的反照率、低feo含量的物质分 布来判断撞击坑是否穿透玄武岩地层，见附图6所示。这种类型的撞击坑 与玄武岩地层之间关系相对比较复杂，见附图8所示。
[0081]
为了估算月海玄武岩的厚度，需要根据地形数据测量撞击坑的半径(r) (直径d＝2r)：
[0082]
1)如果撞击坑直径小于15km，根据公式1计算出撞击坑瞬时直径(d
t
)， 再根据公式3计算出撞击坑最大挖掘深度h
exe
；
[0083]
2)如果撞击坑直径大于15km，需要进一步根据地形数据测量出该撞 击坑坑底的直径，然后根据公式2计算出瞬时直径(d
t
)，再根据公式3计 算出撞击坑最大挖掘深度h
exe
。另外，需要根据影像数据、feo含量数据、 地形数据，测量出低铁物质溅射物的半径(r
base
)和溅射物的半径(r
ce
)， 最终根据公式4计算出玄武岩厚度(h
b
)：
[0084][0085]
(3)对于月海玄武岩部分充填的撞击，见附图9，首先根据地形数据 测出撞击坑的直径(或半径)：
[0086]
1)如果撞击坑直径小于15km，根据公式1计算出撞击坑瞬时直径(d
t
)， 再根据公式3计算出撞击坑最大挖掘深度h
exe
；
[0087]
2)如果撞击坑直径大于15km，需要进一步根据地形数据测量出该撞 击坑坑底的直径，然后根据公式2计算出瞬时直径(d
t
)，再根据公式3计 算出撞击坑最大挖掘深度h
exe
。然后根据地形数据测量出坑缘到坑底的高 差(h)，根据公式5，求出玄武岩充填厚度，作为该位置的玄武岩厚度的 约束值。
[0088]
h
b
＝h
exe
‑
h
ꢀꢀ
(5)
[0089]
以月球云海地区为例，根据影像数据、地形数据和feo含量分布图，选 取了该区域中35个撞击坑，分析了这些撞击坑与月海玄武岩地层关系，其 中穿透月海玄武岩地层的撞击坑有5个，部分充填的撞击坑11个和未穿透 月海玄武岩地层的撞击坑19个，并根据上述的方法分别计算了月海玄武岩 的厚度，见附表1。
[0090]
附表1云海地区月海玄武岩地层上的撞击坑及厚度估算
[0091]
[0092]
[0093][0094]
绘制月海玄武岩厚度分布图：撞击坑是月球上天然的钻孔，为了绘制 月海玄武岩地区的玄武岩厚度图，可以根据撞击坑计算的月海玄武岩厚度， 作为厚度控制点来绘制该地区的月海玄武岩厚度分布图。
[0095]
首先，根据穿透月海玄武岩地层的撞击坑计算的月海玄武岩厚度，与 真实的玄武岩厚度的最接近，作为该撞击坑位置的月海玄武岩厚度的控制 点；
[0096]
其次，根据对于玄武岩部分充填的撞击坑计算的月海玄武岩厚度，也 与真实的玄武岩厚度的最接近，作为该撞击坑位置的月海玄武岩厚度的控 制点；
[0097]
最后，根据未穿透玄武岩地层的撞击坑计算的月海玄武岩厚度，将作 为该位置厚度最小值，作为厚度的参考点，而不作为厚度控制点。根据厚 度控制点数据，采用最小曲率法来计算厚度分布图，其步骤有：
[0098]
(1)采用最小二乘回归模型对数据进行拟合；
[0099]
(2)从数据值中减去平面回归模型在数据位置的值；这将产生一组剩 余数据值；
[0100]
(3)采用最小曲率算法插值网格节点上的残差；
[0101]
(4)将平面回归模型在网格节点处的值加入到插值残差中，得到最终 的插值曲面，最终生成月海玄武岩厚度分布图。
[0102]
以月球云海地区为例，在选取的35个撞击坑中，最终得到该地区16 个厚度控制点，玄武岩厚度范围为0.9～2.7km，根据厚度控制点绘制玄武岩 等厚图，见附图10。
[0103]
实施例二
[0104]
本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存 储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实 现上述方法的步骤。
[0105]
实施例三
[0106]
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
[0107]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器 执行时执行上述方法的步骤。
[0108]
实施例四
[0109]
本实施例的目的是提供一种基于多源遥感数据估算月海玄武岩厚度的 系统，包括：
[0110]
月海玄武分布范围确定模块，被配置为：确定月海玄武分布范围；
[0111]
撞击坑与月海玄武岩地层关系确定模块，被配置为：在确定的范围内， 根据光谱数据和地形数据来确定月海区内撞击坑与月海玄武岩地层关系；
[0112]
月海玄武岩厚度确定模块，被配置为：基于上述关系确定不同类型的 撞击坑，进而根据撞击坑形态来确定月海玄武岩厚度及厚度范围。
[0113]
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应， 具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介 质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被 理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器 执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
[0114]
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用 的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来 实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它 们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成 单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
[0115]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本 发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案 的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或 变形仍在本发明的保护范围以内。