基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分及定年的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分及定年的方法，包括以下步驟：步驟一：月表Fe和Ti元素含量反演；步驟二：月海和高地地貌單元劃分；步驟三：月海地質(zhì)單元劃分及分類；步驟四：月海地質(zhì)單元定年。該發(fā)明使用的數(shù)據(jù)模型及標(biāo)準(zhǔn)、元素反演、單元劃分方法和定年過程都是針對我國“嫦娥一號”探測器的光譜和影像數(shù)據(jù)；獲得的月球地質(zhì)單元劃分和定年結(jié)果是月球地質(zhì)圖的重要組成部分，能夠為月球地質(zhì)圖編制提供月表地質(zhì)單元的分布，組分和年代等重要信息，滿足后續(xù)月表地質(zhì)演化和月球科學(xué)研究的需要。
【專利說明】基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分及定年的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及行星遙感學(xué)和行星地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于“嫦娥一號”多光譜和影像數(shù)據(jù)的月球表面月海地質(zhì)單元劃分和定年的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]月球是人類深空探測的首選目標(biāo)，月球探測對于科技、經(jīng)濟(jì)、社會和國家發(fā)展戰(zhàn)略等方面具有重大意義。在月球上，地質(zhì)單元主要被理解為由確定的月質(zhì)作用在特定時間內(nèi)形成的、在月貌形態(tài)上截然有別的各個實(shí)體。月球地質(zhì)單元填圖和層序建立，是月表單元的月貌特征，疊置關(guān)系，反照率和遙感測得的化學(xué)成分變化的綜合體現(xiàn)。月表地質(zhì)單元的劃分和定年是深入開展月球起源和演化過程整體性和規(guī)律性研究的基礎(chǔ)。
[0003]人們對月表地質(zhì)單元的研究和劃分經(jīng)過三個階段，各階段的觀測手段和劃分方法互不相同。第一階段，對月球的認(rèn)識是使用肉眼和地基望遠(yuǎn)鏡(分辨率較低)實(shí)現(xiàn)的，發(fā)現(xiàn)月球上存在大量明亮坑坑洼洼的地形以及暗色較為平滑的地質(zhì)單元，后來被稱為高地和月海。第二階段，主要使用月球探測衛(wèi)星獲得的月表地形、紋理和反射率數(shù)據(jù)，根據(jù)月表明暗和地形地貌情況，對月表高地和月海的地質(zhì)單元進(jìn)行劃分。第三階段，使用不同的算法根據(jù)月球探測衛(wèi)星的多光譜遙感數(shù)據(jù)來反演月表的元素含量，進(jìn)而根據(jù)不同的組分含量將月海玄武巖劃分為不同的地質(zhì)單元。
[0004]隨著時間的推移，由撞擊作用形成的撞擊坑按照特定的速率累積在月球表面，年代更老的地質(zhì)單元會累積更多的撞擊坑。月球撞擊坑年代函數(shù)描述了單位面積上撞擊坑累積密度與撞擊年齡的關(guān)系，這種關(guān)系通過月球采樣區(qū)的樣本同位素年齡和撞擊坑密度校準(zhǔn)得到。目前廣泛使用直徑大于Ikm的撞擊坑密度與地質(zhì)年代的關(guān)系公式來計算月表未采樣區(qū)域的地質(zhì)單元年齡。
[0005]以上地質(zhì)單元劃分和定年的數(shù)據(jù)都來自于國外月球衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)，如美國的克萊門汀(Clementine)、月球勘測軌道飛行器(LRO)，日本的月亮女神(Kaguya)和印度的月船一號(Chandrayaan-1)探測器。由于不同的月球探測衛(wèi)星的運(yùn)行軌道、載荷種類、儀器參數(shù)和數(shù)據(jù)格式都是不同的，因此，國外的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方法、模型以及地質(zhì)單元的劃分方法不能直接用于我國嫦娥數(shù)據(jù)的處理。隨著我國“嫦娥工程”的成功實(shí)現(xiàn)和科學(xué)資料的收集，迫切需要一種結(jié)合“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月表單元劃分和定年方法。
[0006]另外，我國的月球探測工程已經(jīng)取得了巨大成功，在月球數(shù)據(jù)收集、處理模型與方法以及月球形貌、物質(zhì)成分、月壤特性和空間環(huán)境等方面獲得了很多分散性的研究成果，但在科學(xué)研究中還缺乏綜合性的集成成果。月球地質(zhì)圖是月表層地質(zhì)構(gòu)造、巖漿活動、礦產(chǎn)分布等的綜合表達(dá)，而月球地質(zhì)單元劃分和定年是月球地質(zhì)圖的重要組成部分，能夠為月球地質(zhì)圖編制提供月表地質(zhì)單元的分布，組分和年代等重要信息。
[0007]因此，需要一種基于“嫦娥一號”光譜和影像數(shù)據(jù)的劃分月海地質(zhì)單元和定年的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了一種基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分及定年的方法，該方法使用“嫦娥一號”多光譜數(shù)據(jù)來反演月表不同區(qū)域Fe和Ti元素含量的方法，確定月海的Fe元素含量分布范圍并進(jìn)行月海地貌單元的劃分；使用“嫦娥一號”多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行月表假彩色合成圖的生成并對月海不同玄武巖地質(zhì)單元劃分和分類；使用“嫦娥一號”影像數(shù)據(jù)對不同地質(zhì)單元的撞擊坑進(jìn)行識別和參數(shù)計算，使用撞擊坑直徑-頻率統(tǒng)計方法對地質(zhì)單元進(jìn)行定年和誤差分析。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下:
[0010]基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分及定年的方法，包括以下步驟:
[0011 ] 步驟一，月表Fe和Ti元素含量反演:根據(jù)采集的多光譜數(shù)據(jù)對月表Fe和Ti元素含量進(jìn)行反演，分別得到反演月表Fe含量的結(jié)果圖及反演月表Ti含量的結(jié)果圖；
[0012]步驟二，月海和高地地貌單元劃分:以步驟一中的Fe含量的結(jié)果圖為依據(jù)，以FeO含量的設(shè)定值為基準(zhǔn)，將月表含量小于設(shè)定值的地區(qū)劃分為高地地區(qū)，F(xiàn)eO含量大于等于設(shè)定值的區(qū)域被劃分月海地區(qū)；
[0013]步驟三，月海地質(zhì)單元劃分及分類:根據(jù)多光譜數(shù)據(jù)的波段范圍，按照設(shè)定的波段組合方式，生成多光譜數(shù)據(jù)覆蓋的月表假彩色合成圖，根據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)將月表假彩色合成圖劃分為多個月海地質(zhì)單元，根據(jù)月表T12含量將月海玄武巖劃分為多個類別；
[0014]步驟四，月海地質(zhì)單元定年:利用月海地質(zhì)單元的撞擊坑直徑-頻率分布方法定年。
[0015]所述步驟一中月表Fe和Ti元素含量反演的具體步驟包括:
[0016](1-1)，F(xiàn)e元素含量反演:在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中對經(jīng)過輻射定標(biāo)后的干涉成像光譜儀ΠΜ數(shù)據(jù)進(jìn)行波段運(yùn)算，將選定的波段數(shù)值作為輸入，計算Fe含量的光譜角參數(shù)，計算ΠΜ數(shù)據(jù)對應(yīng)位置上每一點(diǎn)的Fe含量，輸出一張覆蓋ΠΜ數(shù)據(jù)范圍的月表Fe含量分布圖Fe-Map ；
[0017](1-2)，Ti元素含量反演:在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中對經(jīng)過輻射定標(biāo)后的ΠΜ數(shù)據(jù)進(jìn)行波段運(yùn)算，將選定的波段數(shù)值作為輸入，計算Ti含量的光譜角參數(shù)，計算ΠΜ數(shù)據(jù)對應(yīng)位置上每一點(diǎn)的T12含量，輸出一張覆蓋ΠΜ數(shù)據(jù)范圍的月表Ti含量分布圖T1-Map0
[0018]所述步驟二中月海和高地地貌單元劃分的具體步驟包括:
[0019](2-1)，密度分割:在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中，根據(jù)月海和高地地貌單元的劃分標(biāo)準(zhǔn)，使用密度分割的功能對Fe-Map圖中的每一點(diǎn)進(jìn)行分類，生成包含F(xiàn)e含量大于等于設(shè)定值的月海和Fe含量小于設(shè)定值的高地地貌單元的二值柵格圖Landform-Map ；
[0020](2-2)，噪音去除:在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中，使用Majority/Minority分析和聚類處理，生成去除噪音后的月海和高地分類圖Landform-Mapl ；
[0021](2-3)，輸出矢量圖:為了方便后續(xù)月海地質(zhì)單元劃分和定年，在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中將分類柵格圖Landform-Mapl轉(zhuǎn)換和存儲為地理信息系統(tǒng)軟件可以識別的矢量文件Landform-Shp。
[0022]所述步驟三中月海地質(zhì)單元劃分與分類的具體步驟包括:
[0023](3-1)，假彩色圖合成:在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中，使用波段運(yùn)算的功能分別計算輻射定標(biāo)后的ΠΜ數(shù)據(jù)兩兩波段比值，生成一張覆蓋ΠΜ數(shù)據(jù)范圍的假彩色合成圖 FalseColor-Map ；
[0024](3-2)，月海地質(zhì)單元劃分:假彩色合成圖FalseColor-Map輸入到地理信息系統(tǒng)軟件中，作為月海地質(zhì)單元劃分的依據(jù)底圖，將Landform-Shp導(dǎo)入到地理信息系統(tǒng)軟件中，作為一個圖層疊加于Falsecolor-Map之上，分辨出月海區(qū)域在假彩色圖中的不同顏色部分，新建一個多邊形矢量圖層Units-Shp，用來創(chuàng)建和存儲識別出的月海地質(zhì)單元；
[0025](3-3),月海玄武巖分類:在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中，對Landform-Map中的月海地貌單元進(jìn)行密度分割，根據(jù)T1-Map中的對應(yīng)Ti元素的含量劃分標(biāo)準(zhǔn)，將月海區(qū)域玄武巖劃分為五類。
[0026]所述步驟(3-3)中五類分別為極低鈦，低鈦，中鈦，高鈦和極高鈦玄武巖，將每種分類結(jié)果的柵格圖轉(zhuǎn)換和存儲為地理信息系統(tǒng)能夠識別的矢量文件Type-Shp，將矢量文件Type-Shp導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)軟件中，調(diào)用地理信息系統(tǒng)軟件的疊加分析功能，將玄武巖類型作為月海地質(zhì)單元圖層的一個屬性導(dǎo)入到Units-Shp中。
[0027]所述步驟四中月海地質(zhì)單元定年的具體步驟包括:
[0028](4-1)，撞擊坑矢量化:在地理信息系統(tǒng)軟件中導(dǎo)入輻射定標(biāo)后的“嫦娥一號” CXD影像作為底圖圖層，新建一個撞擊坑多邊形圖層Craters-Shp，對不同地質(zhì)單元選取其中一定區(qū)域中的撞擊坑進(jìn)行識別并數(shù)字化；
[0029](4-2)，撞擊坑參數(shù)統(tǒng)計:使用地理信息系統(tǒng)軟件空間分析功能的外包橢圓生成函數(shù)，對每一個識別出的撞擊坑多邊形進(jìn)行外包橢圓擬合，然后統(tǒng)計外包橢圓的長軸LI和短軸L2，計算長軸和短軸的平均值作為撞擊坑對象的直徑；
[0030](4-3)，撞擊坑累計頻率計算:統(tǒng)計每個地質(zhì)單元中數(shù)字化的撞擊坑直徑的范圍，其中最大直徑為Dmax，最小直徑為Dmin，將撞擊坑按直徑以Dmax和Dmin為上下限均分為多個直徑級別的直徑段，分別統(tǒng)計各直徑段上的累積撞擊坑頻率N_，即單位面積上大于該直徑的撞擊坑總數(shù)；
[0031](4-4),擬合撞擊坑產(chǎn)率曲線:將每一直徑級別段的Nam和對應(yīng)直徑D作為一個點(diǎn)投影到直角坐標(biāo)系中，運(yùn)用最小二乘法對所有投影點(diǎn)進(jìn)行NPF撞擊坑產(chǎn)率曲線擬合，并取擬合后所得曲線上D = Ikm處對應(yīng)的累積撞擊坑頻率N_(D> = lkm);擬合后所得曲線是累積曲線，每一點(diǎn)對應(yīng)的是大于等于該值的撞擊坑頻率；
[0032](4-5)，定年及誤差計算:利用直徑大于Ikm時的Ν_，計算得到的t即為月海地質(zhì)單元的絕對年齡，計算該地質(zhì)單元定年的誤差，然后將絕對年齡和誤差作為Units-Shp圖層的屬性保存在該矢量文件中。
[0033]所述步驟一中多光譜數(shù)據(jù)的采集裝置為干涉成像光譜儀，該干涉成像光譜儀載荷采用推掃模式，工作波長范圍為0.48-0.96nm，共有32個譜段，光譜分辨率為325.5cm—1，在衛(wèi)星高度為200km時，地面分辨率為200m/pixel，成像幅寬為25.6km。
[0034]所述步驟四中撞擊坑直徑D與單位面積上撞擊坑數(shù)量N_，即撞擊坑頻率之間的函數(shù)關(guān)系:
[0035]1gNcum = a0 +Iulaak(logD)k式 5
[0036]其中，&(|，B1, , an為撞擊坑產(chǎn)率分布函數(shù)NPF的多項式系數(shù)，D為撞擊坑的直徑，Ncum為單位面積直徑大于D的月坑數(shù)目。
[0037]所述步驟(4-5)中，月海地質(zhì)單元的絕對年齡計算，通過對月表巖石采樣的樣品進(jìn)行放射性同位素定年，獲得這些區(qū)域的絕對模式年齡，將各區(qū)域撞擊坑直徑D>lkm的Ν_與對應(yīng)巖石樣品的放射性同位素年齡進(jìn)行投圖，建立月球撞擊年代曲線，其表達(dá)式如下:
[0038]Ncum (D> IKm) = 5.44X 10_14[exp (6.93 X t)-1]+8.38 X 10_4t 式 6
[0039]其中t為月球表面相應(yīng)區(qū)域的絕對模式年齡，單位為Ga。
[0040]所述步驟(4-5)中，計算該地質(zhì)單元定年的誤差，由下面公式確定:
[0041]±os = 1gcMHl 式7
[0042]其中，N⑴為撞擊坑直徑-頻率分布定年中將撞擊坑直徑D>lkm的Neum帶入月球撞擊年代曲線所獲得的絕對模式年齡，A為進(jìn)行撞擊坑直徑-頻率分布統(tǒng)計的區(qū)域面積，土 σ N即為所得絕對模式年齡誤差的上下限。
[0043]本發(fā)明提出了一種基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)對月海玄武巖單元進(jìn)行劃分和定年的方法。該發(fā)明利用“嫦娥一號”多光譜數(shù)據(jù)對月表Fe和Ti元素含量進(jìn)行了反演，并根據(jù)Fe元素含量范圍進(jìn)行月海和高地地貌單元的劃分；使用反映不同時期、來源和成因的玄武巖假彩色圖，對不同的月海玄武巖單元進(jìn)行解譯和劃分，并根據(jù)其Ti元素的含量將其分為極低鈦、低鈦、中鈦、高鈦和極高鈦五種玄武巖類型；最后使用“嫦娥一號”影像圖進(jìn)行玄武巖單元的撞擊坑識別和參數(shù)提取，并使用撞擊坑產(chǎn)率函數(shù)和月表撞擊年代曲線進(jìn)行不同玄武巖地質(zhì)單元的定年和誤差分析。
[0044]本發(fā)明的有益效果:
[0045]本發(fā)明提出了一種基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)對月海玄武巖單元進(jìn)行劃分和定年的方法。該發(fā)明使用的數(shù)據(jù)模型及標(biāo)準(zhǔn)、元素反演、單元劃分方法和定年過程都是針對我國“嫦娥一號”探測器的光譜和影像數(shù)據(jù)。其中，步驟一的有益效果是從“嫦娥一號”光譜數(shù)據(jù)中反演月表Fe和Ti元素含量，獲得月表的成分信息；步驟二的有益效果是能在元素分布的基礎(chǔ)上將月表劃分為月海和高地兩大類地貌，獲得月表的地貌信息；步驟三的有益效果是對月海中的玄武巖單元進(jìn)行劃分和分類，獲得玄武巖單元的種類和成分信息；步驟四的有益效果是獲得月海玄武巖單元的地質(zhì)年齡信息。另外，本發(fā)明獲得的月球地質(zhì)單元劃分和定年結(jié)果是月球地質(zhì)圖的重要組成部分，能夠為月球地質(zhì)圖編制提供月表地質(zhì)單元的分布，組分和年代等重要信息，滿足后續(xù)月表地質(zhì)演化和月球科學(xué)研究的需要。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]圖1為使用IIM數(shù)據(jù)反演的月表Fe含量分布圖；
[0047]圖2為使用IIM反演的月表Ti含量分布圖；
[0048]圖3為根據(jù)Fe含量分布劃分的月海和高地分類圖；
[0049]圖4為IIM數(shù)據(jù)合成的月球虹灣地區(qū)假彩色圖；
[0050]圖5為月海玄武巖分類圖；
[0051]圖6(a)為月球虹灣地區(qū)的地質(zhì)單元劃分結(jié)果；
[0052]圖6(b)為月球虹灣地區(qū)的地質(zhì)單元定年結(jié)果。

【具體實(shí)施方式】
:
[0053]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0054]基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分及定年的方法:包括:
[0055](I)月表Fe和Ti元素含量反演
[0056]“嫦娥一號”上搭載干涉成像光譜儀(ΠΜ)，該載荷采用推掃模式，工作波長范圍為0.48-0.96nm，共有32個譜段，光譜分辨率為325.δαιΓ1。在衛(wèi)星高度為200km時，地面分辨率為200111/?^61，成像幅寬為25.61011。ΠΜ數(shù)據(jù)在月球南北緯70°范圍內(nèi)的覆蓋范圍約為84%。我們使用經(jīng)過輻射定標(biāo)后的ΠΜ數(shù)據(jù)，仿照前人使用Clementine光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行Fe和Ti元素計算的方法和公式，得到使用“嫦娥一號”多光譜數(shù)據(jù)的月表Fe含量計算公式為:
[0057]iFe = —arctan式 ι
[0058]FeO(%) = Θ FeX43.394-50.952 式 2
[0059]其中，R891, R757為光譜儀的891nm和757nm的波段，Θ Fe為Fe含量的光譜角參數(shù)，F(xiàn)e0(%)為計算的月表Fe元素百分比含量；
[0060]使用“嫦娥一號”多光譜數(shù)據(jù)的月表T12含量計算公式為:
[0061]θ-π = arctan (及歷.Emgf:!!..)式 3
[0062]Ti02(% ) = 1.158X ( Θ Ti)5.364 式 4
[0063]其中，R522, R757為光譜儀的522nm和757nm的波段，Θ Ti為Ti含量的光譜角參數(shù)，T12 (% )為計算的月表Fe元素百分比含量。圖1為對ΠΜ數(shù)據(jù)使用式I及式2反演月表Fe含量的結(jié)果圖，圖2為對IIM數(shù)據(jù)使用式3及式4反演月表Ti含量的結(jié)果圖。
[0064](2)月海和高地地貌單元劃分
[0065]月海和高地是月表上主要的兩種地貌單元，兩者在月球衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)處理后的得到的粗糙度、光度、化學(xué)成分和光學(xué)成熟度等專題圖上的表現(xiàn)上各不相同。月海為月面上廣闊的洼地，它充填有富鐵和鈦的火山玄武巖；月球高地的形成年齡比月海更為古老，其主要為斜長質(zhì)巖石經(jīng)受嚴(yán)重撞擊所形成的角礫巖組成。根據(jù)前人研究，以月表FeO元素含量分布為依據(jù)，根據(jù)月表采樣樣品的FeO含量在8%到10%的地區(qū)存在間斷，一般將FeO含量小于8%的地區(qū)劃分為高地斜長巖物質(zhì)地區(qū)。我們使用“嫦娥一號”光譜數(shù)據(jù)反演(式I和2)的高地FeO含量分布相對與Clementine反演的結(jié)果可能略高(I %左右)。因此，我們以FeO含量為11%基準(zhǔn)，將月表含量小于11%的地區(qū)劃分為高地地區(qū)，該地區(qū)的主要巖石類型定義為亞鐵斜長巖，而FeO含量大于等于11%的區(qū)域被劃分月海地區(qū)，該地區(qū)的主要巖石類型定義為月海玄武巖，圖3為月海和高地地貌單元劃分的結(jié)果圖。
[0066](3)月海地質(zhì)單元劃分
[0067]月海玄武巖的組分主要是通過遙感光譜分析反演月球表面月壤的成分信息獲取的，F(xiàn)e和Ti元素的含量是月海玄武巖類型劃分的重要依據(jù)，其二者含量的變化反映巖漿來源的不同。前人使用Clementine可見光/近紅外影像單波段比值(紅:R75(l/R415，綠:R75tl/R950,藍(lán):R415/R750，其中R750、R415和R950分別對應(yīng)750nm、415nm和950nm的波段值)合成假彩色圖，可以消除光譜數(shù)據(jù)地形和反照率變化引起的亮度誤差，并增強(qiáng)顯示由于空間風(fēng)化作用造成的物質(zhì)顏色差異。因此，我們根據(jù)ΠΜ數(shù)據(jù)的波段范圍，按照(紅:R757/R48(1，綠:R757/R918,藍(lán):R48Q/R757，其中R757、R48Q和R918分別代表757nm、480nm和918nm的波段值)的波段組合方式，生成一張IIM數(shù)據(jù)覆蓋的月表假彩色合成圖，如圖4所示。該假彩色合成圖中光譜均一的區(qū)域，其成分也相對均一，可以代表同一時期、來源和成因的物質(zhì)形成，因此，可以將其劃分為一個獨(dú)立的月海玄武巖地質(zhì)單元，圖6(a)為月表虹灣地區(qū)的地質(zhì)單元劃分結(jié)果圖，根據(jù)假彩色合成圖將其劃分為三個地質(zhì)單元1、II和III。
[0068]我們根據(jù)式3和式4計算的月表T12反演結(jié)果與使用國外Clementine光譜數(shù)據(jù)反演的T12含量結(jié)果相比，對于低鈦至極低鈦玄武巖含量估計稍高。因此，我們將極低鈦玄武巖與低鈦玄武巖劃分界線提高為4% (前人大多為1% )，中鈦與低鈦玄武巖的界限調(diào)整為6%。劃分界限調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)為保證各種組分有一定的空間分布，可以清晰地區(qū)分各種玄武巖的邊界。我們根據(jù)月海玄武巖的T12含量將其劃分為五類，分別是極低鈦、低鈦、中鈦、高鈦和極高鈦玄武巖，各類采用的劃分標(biāo)準(zhǔn)如下:極低鈦玄武巖(T12含量〈=4% )、低鈦玄武巖(4%〈Ti02含量〈=6% )、中鈦玄武巖(6%〈Ti02含量〈=9% )、高鈦玄武巖(9%〈Ti02含量〈=11% )和極高鈦玄武巖(T12含量>11% )，具體劃分結(jié)果見圖5。
[0069](4)月海地質(zhì)單元定年
[0070]利用撞擊坑直徑-頻率分布方法定年，首要問題是建立撞擊坑直徑(D)與單位面積上撞擊坑數(shù)量(NcJ，即撞擊坑頻率之間的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)前人研究，不同直徑范圍內(nèi)的撞擊坑，其直徑-頻率關(guān)系都近似符合Ν_?D_m這一函數(shù)形式，可以用撞擊坑產(chǎn)率分布函數(shù)(Neukum Lunar Product1n Funct1n, NPF)來進(jìn)行描述。NPF運(yùn)用一個多項式方程來擬合撞擊坑直徑與累積撞擊坑頻率之間的關(guān)系，該產(chǎn)率分布函數(shù)可用如下多項式方程來表示:
[0071]NfNcum = a0 十P0SD)k 式 5
[0072]其中，％，B1, , an為NPF的多項式系數(shù)，D為撞擊坑的直徑，Neum為單位面積直徑大于D的月坑數(shù)目。
[0073]為了利用撞擊坑直徑-頻率分布統(tǒng)計結(jié)果獲得絕對模式年齡，還需要建立累積撞擊坑頻率與月球表面絕對模式年齡之間的聯(lián)系。通過對月表巖石采樣的樣品進(jìn)行放射性同位素定年，可獲得這些區(qū)域的絕對模式年齡。將各區(qū)域N_(D>lkm)與對應(yīng)巖石樣品的放射性同位素年齡進(jìn)行投圖，建立月球撞擊年代曲線，其表達(dá)式如下:
[0074]Ncum (D> IKm) = 5.44X 10_14[exp (6.93 X t)-1]+8.38 X 10_4t 式 6
[0075]其中t為月球表面相應(yīng)區(qū)域的絕對模式年齡(單位為Ga)。該曲線是利用撞擊坑直徑-頻率分布定年方法獲得月球表面絕對模式年齡的基礎(chǔ)，通過該曲線所獲得的月表絕對模式年齡的不確定度可由下面公式確定:
[0076]土=I]式 7


…..1?


(ΜΛλ
[0077]其中，N (I)為撞擊坑直徑-頻率分布定年中將N_(D>IKm)帶入月球撞擊年代曲線所獲得的絕對模式年齡，A為進(jìn)行撞擊坑直徑-頻率分布統(tǒng)計的區(qū)域面積，土 σ Ν即為所得絕對模式年齡誤差的上下限，圖6(b)為月表虹灣地區(qū)的地質(zhì)單元II的定年結(jié)果。
[0078]具體實(shí)施例子
[0079]本發(fā)明的基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分和定年的方法，包括以下步驟:
[0080]步驟一:月表Fe和Ti元素含量反演
[0081](1-1) ,Fe元素含量反演,在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中對經(jīng)過福射定標(biāo)后的ΠΜ數(shù)據(jù)進(jìn)行波段運(yùn)算，將891nm和757nm波段數(shù)值作為輸入，使用(式I)計算Fe含量的光譜角參數(shù)，然后根據(jù)(式2)計算ΠΜ數(shù)據(jù)對應(yīng)位置上每一點(diǎn)的Fe含量，輸出一張覆蓋ΠΜ數(shù)據(jù)范圍的月表Fe含量分布圖Fe-Map ；
[0082](1-2), Ti元素含量反演，在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中對經(jīng)過輻射定標(biāo)后的ΠΜ數(shù)據(jù)進(jìn)行波段運(yùn)算，將522nm和757nm波段數(shù)值作為輸入，使用(式3)計算Ti含量的光譜角參數(shù)，然后根據(jù)(式4)計算ΠΜ數(shù)據(jù)對應(yīng)位置上每一點(diǎn)的T12含量，輸出一張覆蓋ΠΜ數(shù)據(jù)范圍的月表Ti含量分布圖T1-Map。
[0083]步驟二:月海和高地地貌單元劃分
[0084](2-1)，密度分割:在數(shù)字圖像處理軟件中或遙感軟件中，根據(jù)月海和高地地貌單元的劃分標(biāo)準(zhǔn)，使用密度分割的功能對Fe-Map圖中的每一點(diǎn)進(jìn)行分類，生成包含F(xiàn)e含量大于等于11%的月海和Fe含量小于11%的高地地貌單元的二值柵格圖Landform-Map ；
[0085](2-2)，噪音去除:由于ΠΜ數(shù)據(jù)本身的誤差和噪聲會導(dǎo)致分類后Landform-Map中出現(xiàn)許多細(xì)小的圖斑，使分割圖看起來非常凌亂和瑣碎。在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中，使用Majority/Minority分析和聚類處理，生成去除噪音后的月海和高地分類圖Landform-Maplo Majority/Minority分析采用類似于卷積濾波的方法將較大類別中的虛假像元?dú)w到該類中，定義一個變換核尺寸，用變換核中占主要地位(像元素最多)的像元類別代替中心像元的類別；聚類處理是運(yùn)用形態(tài)學(xué)算子將臨近的類似分類區(qū)域聚類并合并；
[0086](2-3)，輸出矢量圖:為了方便后續(xù)月海地質(zhì)單元劃分和定年，在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中將分類柵格圖Landform-Mapl轉(zhuǎn)換和存儲為地理信息系統(tǒng)軟件可以識別的矢量文件Landform-Shp。
[0087]步驟三:月海地質(zhì)單元劃分與分類
[0088](3-1)，假彩色圖合成:在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中，使用波段運(yùn)算的功能分別計算輻射定標(biāo)后的ΠΜ數(shù)據(jù)兩兩波段比值:R757/R48(i，R757/R918和R48(l/R757，其中R757、R48q和R918分別代表757nm、480nm和918nm的波段值，然后使用波段組合的功能實(shí)現(xiàn)三個波段的合成(紅:r757/r48Q，綠:r757/r918，藍(lán):R48Q/R757)，生成一張覆蓋ΠΜ數(shù)據(jù)范圍的假彩色合成圖 FalseColor-Map ；
[0089](3-1),月海地質(zhì)單元劃分:假彩色合成圖FalseColor-Map輸入到地理信息系統(tǒng)軟件中，作為月海地質(zhì)單元劃分的依據(jù)底圖，將Landform-Shp導(dǎo)入到地理信息系統(tǒng)軟件中，作為一個圖層疊加于Falsecolor-Map之上，分辨出月海區(qū)域在假彩色圖中的不同顏色部分，新建一個多邊形矢量圖層Units-Shp，用來創(chuàng)建和存儲識別出的月海地質(zhì)單元；
[0090](3-1),月海玄武巖分類:在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中，對Landform-Map中的月海地貌單元進(jìn)行密度分割，根據(jù)T1-Map中的對應(yīng)Ti元素的含量劃分標(biāo)準(zhǔn)，將月海區(qū)域玄武巖劃分為五類，分別為極低鈦，低鈦，中鈦，高鈦和極高鈦玄武巖，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換和存儲為地理信息系統(tǒng)能夠識別的矢量文件Type-Shp。將Type-Shp導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)軟件中，調(diào)用地理信息系統(tǒng)軟件的疊加分析功能，將玄武巖類型作為月海地質(zhì)單元圖層的一個屬性導(dǎo)入到 Units-Shp 中。
[0091]步驟四:月海地質(zhì)單元定年
[0092](4-1)，撞擊坑矢量化:在地理信息系統(tǒng)軟件中導(dǎo)入輻射定標(biāo)后的“嫦娥一號” CXD影像作為底圖圖層，新建一個撞擊坑多邊形圖層Craters-Shp，對不同地質(zhì)單元選取其中一定區(qū)域(正方形或矩形)中的撞擊坑進(jìn)行識別并數(shù)字化；
[0093](4-2)，撞擊坑參數(shù)統(tǒng)計:使用地理信息系統(tǒng)軟件空間分析功能的外包橢圓生成函數(shù)，對每一個識別出的撞擊坑多邊形進(jìn)行外包橢圓擬合，然后統(tǒng)計外包橢圓的長軸LI和短軸L2，計算兩者平均值(L1/2+L2/2)作為撞擊坑對象的直徑；
[0094](4-3)，撞擊坑累計頻率計算:統(tǒng)計每個地質(zhì)單元中數(shù)字化的撞擊坑直徑的范圍，其中最大直徑為Dmax，最小直徑為Dmin。將撞擊坑按直徑以Dmax和Dmin為上下限均分為多個直徑級別的直徑段，分別統(tǒng)計各直徑段上的累積撞擊坑頻率Ν_，即單位面積上大于該直徑的撞擊坑總數(shù)；
[0095](4-4),擬合撞擊坑產(chǎn)率曲線:將每一直徑級別段的Nam和對應(yīng)直徑D作為一個點(diǎn)投影到直角坐標(biāo)系中，運(yùn)用最小二乘法對所有投影點(diǎn)進(jìn)行NPF撞擊坑產(chǎn)率曲線擬合，并取擬合后所得曲線上D = Ikm處對應(yīng)的累積撞擊坑頻率N_(D>lkm)。
[0096](4-5)，定年及誤差計算:將N_(D>lkm)代入(式6)，計算得到的t即為月海地質(zhì)單元的絕對年齡，根據(jù)(式7)計算該地質(zhì)單元定年的誤差，然后將絕對年齡和誤差作為Units-Shp圖層的屬性保存在該矢量文件中。
【權(quán)利要求】
1.基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分及定年的方法，其特征是，包括以下步驟: 步驟一，月表Fe和Ti元素含量反演:根據(jù)采集的多光譜數(shù)據(jù)對月表Fe和Ti元素含量進(jìn)行反演，分別得到反演月表Fe含量的結(jié)果圖及反演月表Ti含量的結(jié)果圖； 步驟二，月海和高地地貌單元劃分:以步驟一中的Fe含量的結(jié)果圖為依據(jù)，以FeO含量的設(shè)定值為基準(zhǔn)，將月表含量小于設(shè)定值的地區(qū)劃分為高地地區(qū)，F(xiàn)eO含量大于設(shè)定值的區(qū)域被劃分月海地區(qū)； 步驟三，月海地質(zhì)單元劃分及分類:根據(jù)多光譜數(shù)據(jù)的波段范圍，按照設(shè)定的波段組合方式，生成多光譜數(shù)據(jù)覆蓋的月表假彩色合成圖，根據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)將月表假彩色合成圖劃分為多個月海地質(zhì)單元，根據(jù)月表T12含量將月海玄武巖劃分為多個類別； 步驟四，月海地質(zhì)單元定年:利用月海地質(zhì)單元的撞擊坑直徑-頻率分布方法定年。
2.如權(quán)利要求1所述的基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分及定年的方法，其特征是，所述步驟一中月表Fe和Ti元素含量反演的具體步驟包括: (1-1)，F(xiàn)e元素含量反演:在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中對經(jīng)過輻射定標(biāo)后的干涉成像光譜儀ΠΜ數(shù)據(jù)進(jìn)行波段運(yùn)算，將選定的波段數(shù)值作為輸入，計算Fe含量的光譜角參數(shù)，計算ΠΜ數(shù)據(jù)對應(yīng)位置上每一點(diǎn)的Fe含量，輸出一張覆蓋IIM數(shù)據(jù)范圍的月表Fe含量分布圖Fe-Map ； (1-2)，Ti元素含量反演:在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中對經(jīng)過輻射定標(biāo)后的ΠΜ數(shù)據(jù)進(jìn)行波段運(yùn)算，將選定的波段數(shù)值作為輸入，計算Ti含量的光譜角參數(shù)，計算IIM數(shù)據(jù)對應(yīng)位置上每一點(diǎn)的T12含量，輸出一張覆蓋ΠΜ數(shù)據(jù)范圍的月表Ti含量分布圖T1-Map。
3.如權(quán)利要求1所述的基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分及定年的方法，其特征是，所述步驟二中月海和高地地貌單元劃分的具體步驟包括: (2-1)，密度分割:在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中，根據(jù)月海和高地地貌單元的劃分標(biāo)準(zhǔn)，使用密度分割的功能對Fe-Map圖中的每一點(diǎn)進(jìn)行分類，生成包含F(xiàn)e含量大于等于設(shè)定值的月海和Fe含量小于設(shè)定值的高地地貌單元的二值柵格圖Landform-Map ； (2-2),噪音去除:在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中，使用Majority/Minority分析和聚類處理，生成去除噪音后的月海和高地分類圖Landform-Mapl ； (2-3)，輸出矢量圖:為了方便后續(xù)月海地質(zhì)單元劃分和定年，在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中將分類柵格圖Landform-MapI轉(zhuǎn)換和存儲為地理信息系統(tǒng)軟件可以識別的矢量文件 Landform-Shp0
4.如權(quán)利要求1所述的基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分及定年的方法，其特征是，所述步驟三中月海地質(zhì)單元劃分與分類的具體步驟包括: (3-1)，假彩色圖合成:在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中，使用波段運(yùn)算的功能分別計算輻射定標(biāo)后的IIM數(shù)據(jù)兩兩波段比值，生成一張覆蓋IIM數(shù)據(jù)范圍的假彩色合成圖FalseColor-Map ； (3-2)，月海地質(zhì)單元劃分:假彩色合成圖FalseColor-Map輸入到地理信息系統(tǒng)軟件中，作為月海地質(zhì)單元劃分的依據(jù)底圖，將Landform-Shp導(dǎo)入到地理信息系統(tǒng)軟件中，作為一個圖層疊加于Falsecolor-Map之上，分辨出月海區(qū)域在假彩色圖中的不同顏色部分，新建一個多邊形矢量圖層Units-Shp，用來創(chuàng)建和存儲識別出的月海地質(zhì)單元； (3-3),月海玄武巖分類:在數(shù)字圖像處理軟件或遙感軟件中,對Landform-Map中的月海地貌單元進(jìn)行密度分割，根據(jù)T1-Map中的對應(yīng)Ti元素的含量劃分標(biāo)準(zhǔn)，將月海區(qū)域玄武巖劃分為五類。
5.如權(quán)利要求4所述的基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分及定年的方法，其特征是，所述步驟(3-3)中五類分別為極低鈦，低鈦，中鈦，高鈦和極高鈦玄武巖，將每種分類結(jié)果的柵格圖轉(zhuǎn)換和存儲為地理信息系統(tǒng)能夠識別的矢量文件Type-Shp，將矢量文件Type-Shp導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)軟件中，調(diào)用地理信息系統(tǒng)軟件的疊加分析功能，將玄武巖類型作為月海地質(zhì)單元圖層的一個屬性導(dǎo)入到Units-Shp中。
6.如權(quán)利要求1所述的基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分及定年的方法，其特征是，所述步驟四中月海地質(zhì)單元定年的具體步驟包括: (4-1)，撞擊坑矢量化:在地理信息系統(tǒng)軟件中導(dǎo)入輻射定標(biāo)后的“嫦娥一號” CCD影像作為底圖圖層，新建一個撞擊坑多邊形圖層Craters-Shp,對不同地質(zhì)單元選取其中一定區(qū)域中的撞擊坑進(jìn)行識別并數(shù)字化； (4-2)，撞擊坑參數(shù)統(tǒng)計:使用地理信息系統(tǒng)軟件空間分析功能的外包橢圓生成函數(shù)，對每一個識別出的撞擊坑多邊形進(jìn)行外包橢圓擬合，然后統(tǒng)計外包橢圓的長軸LI和短軸L2，計算長軸和短軸的平均值作為撞擊坑對象的直徑； (4-3)，撞擊坑累計頻率計算:統(tǒng)計每個地質(zhì)單元中數(shù)字化的撞擊坑直徑的范圍，其中最大直徑為Dmax，最小直徑為Dmin，將撞擊坑按直徑以Dmax和Dmin為上下限均分為多個直徑級別的直徑段，分別統(tǒng)計各直徑段上的累積撞擊坑頻率N_，即單位面積上大于該直徑的撞擊坑總數(shù)； (4-4)，擬合撞擊坑產(chǎn)率曲線:將每一直徑級別段的Ν_和對應(yīng)直徑D作為一個點(diǎn)投影到直角坐標(biāo)系中，運(yùn)用最小二乘法對所有投影點(diǎn)進(jìn)行NPF撞擊坑產(chǎn)率曲線擬合，并取擬合后所得曲線上D = Ikm處對應(yīng)的累積撞擊坑頻率Ν_ ； (4-5)，定年及誤差計算:利用直徑大于Ikm時的Ν_，計算得到的t即為月海地質(zhì)單元的絕對年齡，計算該地質(zhì)單元定年的誤差，然后將絕對年齡和誤差作為Units-Shp圖層的屬性保存在該矢量文件中。
7.如權(quán)利要求1所述的基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分及定年的方法，其特征是，所述步驟一中多光譜數(shù)據(jù)的采集裝置為干涉成像光譜儀，該干涉成像光譜儀載荷采用推掃模式，工作波長范圍為0.48-0.96nm，共有32個譜段，光譜分辨率為325.5CHT1，在衛(wèi)星高度為200km時，地面分辨率為200m/pixel，成像幅寬為25.6km。
8.如權(quán)利要求6所述的基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分及定年的方法，其特征是，所述步驟四中撞擊坑直徑D與單位面積上撞擊坑數(shù)量N_，即撞擊坑頻率之間的函數(shù)關(guān)系: JogNcum = a0 -f Zk= I ak (logD)fc式 5 其中，％，a1；, an為為撞擊坑產(chǎn)率分布函數(shù)NPF的多項式系數(shù)，D為撞擊坑的直徑，Ncum為單位面積直徑大于D的月坑數(shù)目。
9.如權(quán)利要求6所述的基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分及定年的方法，其特征是，所述步驟(4-5)中，月海地質(zhì)單元的絕對年齡計算，通過對月表巖石采樣的樣品進(jìn)行放射性同位素定年，獲得這些區(qū)域的絕對模式年齡，將各區(qū)域撞擊坑直徑D>lkm的Ν_與對應(yīng)巖石樣品的放射性同位素年齡進(jìn)行投圖，建立月球撞擊年代曲線，其表達(dá)式如下:
Ncum (D > IKm) = 5.44 X 1(T14 [exp (6.93 X t)-1]+8.38 X l(T4t 式 6
其中t為月球表面相應(yīng)區(qū)域的絕對模式年齡，單位為Ga。
10.如權(quán)利要求6所述的基于“嫦娥一號”數(shù)據(jù)的月海地質(zhì)單元劃分及定年的方法，其特征是，所述步驟(4-5)中，計算該地質(zhì)單元定年的誤差，由下面公式確定:丄 =式 7 -—M: SL 義 i 其中，N(I)為撞擊坑直徑-頻率分布定年中將撞擊坑直徑D>lkm的Ν_帶入月球撞擊年代曲線所獲得的絕對模式年齡，A為進(jìn)行撞擊坑直徑-頻率分布統(tǒng)計的區(qū)域面積，土 σ Ν即為所得絕對模式年齡誤差的上下限。
【文檔編號】G06F17/50GK104298824SQ201410529330
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】李勃, 凌宗成, 張江, 武中臣, 倪宇恒, 陳劍 申請人:山東大學(xué)（威海）