最新全月撞击坑数据库

原创

王怡然、吴波
行星科学

摘要香港理工大学行星遥感研究团队研发月球表面撞击坑自动识别软件，利用覆盖全月表的遥感影像和数字高程模型
(DEM)数据对撞击坑进行自动识别，结合大量人工检查，建立了一个最新的全月撞击坑 (直径≥1公里)数据库。该数据库包含约130万个撞击坑的位置信息和三维形态数据，是目前包含撞击坑数量最多、直径最小，且唯一提供撞击坑三维信息的全月球撞击坑数据库。基于该数据库分析发现，对于相对较小的撞击坑 (直径1-5公里)，月海和高地的撞击坑密度、撞击坑深度-直径比存在明显差异。研究还发现，直径为2.5到5公里的撞击坑在月表高地几个局部区域内已经达到了饱和。分析结果扩展和更新了以往对全月撞击坑分布特性的相关理解。

撞击坑是月球表面广泛分布的地貌特征，是研究月球演变历史的最直接窗口。月球撞击坑数据库是研究月表撞击过程、月表地质单元年龄和演化的重要数据基础。此外，撞击坑分布特征也是月球着陆任务中着陆点选择的主要参考依据之一。现有撞击坑数据库中往往包含几公里至几十公里直径的大坑。Robbins (2009) 最新发布的数据库包含了直径大于1-2公里的撞击坑，是目前包含撞击坑最多的数据库。然而，其数据库中并没有包含撞击坑的三维形态信息。得益于近年来世界各个国家的月球探测任务获取的高质量、高分辨率月球遥感数据和机器学习算法的发展，建立一个包含小型撞击坑及其三维信息的全月撞击坑数据库成为了可能。
基于机器学习的撞击坑自动识别算法撞击坑自动识别算法基于月球数字高程模型 (DEM)，采用梯度方向直方图 (HOG; Dalal and Triggs, 2005)和支持向量机 (SVM; Cortes and Vapnik, 1995)技术。HOG是一种统计图像局部区域变化的特征描述符，应用于DEM上即为对坡度特征的描述。如图1所示，撞击坑的HOG特征呈现径向规律，明显区别于非撞击坑区域的杂乱分布。在对人工标注的正负样本进行HOG特征提取之后，得到的特征向量被用于SVM进行训练，得到撞击坑分类器。再将分类器应用于全月DEM数据进行撞击坑的自动识别。经过边缘修正之后，得到撞击坑的中心位置坐标与直径信息。该撞击坑自动识别算法的准确率约为85%。

图1. 利用HOG特征描述对正 (左)负 (右)样本进行特征提取。

基于高斯拟合的撞击坑三维信息提取算法

除了撞击坑的位置和大小信息，撞击坑的深度等三维形态信息也是撞击坑研究的重要参数。研究团队利用高斯函数对撞击坑的三维廓线进行拟合，并结合拟合函数的一阶导数对撞击坑的三维形态参数进行计算，得到撞击坑深度、坑壁坡度、坑底宽度、坑沿高度和中央峰高宽等信息。验证结果表明，该方法与人工量测有相似的准确度。

图2. 基于高斯拟合的撞击坑三维形态参数提取算法示意图。

全月撞击坑数据库LU1319373

研究团队利用上述方法自动识别全月表的撞击坑 (直径≥1公里)及提取其三维形态信息，使用的数据为覆盖全月球的DEM，包括覆盖中低纬度地区的60米分辨率的SLDEM (Barker et al., 2016)与覆盖高纬度地区的30米分辨率LOLA DEM (Smith et al., 2010)。再将自动提取的结果与现有的撞击坑数据库 (Robbins, 2019; Head et al., 2010)进行对比和增补。然后，再参照覆盖全月的遥感影像 (包括嫦娥二号影像与月亮女神影像数据)进行大规模的人工核查，查漏补缺。最终得到一个新的全月撞击坑数据库LU1319373，包含了约130万个直径≥1公里的撞击坑的位置信息、直径、以及深度、坑沿高度等形态参数。

图3. 全月撞击坑数据库LU1319373概览。

全月撞击坑分布与形态特征分析基于建立的全月撞击坑数据库LU1319373，研究团队对撞击坑密度、撞击坑饱和度、以及撞击坑深度-直径比进行了全月球尺度分析。
·撞击坑密度撞击坑的密度是单位面积 (如106平方公里)内撞击坑的个数。全月撞击坑密度分析如图4所示，对于直径大于5公里的撞击坑，其密度分布特点与以往研究一致。而对于直径1到5公里的小型撞击坑，有如下新的发现：1)
撞击坑密度的差异分界与月海 (灰色条纹标注区域)、高地的分界高度吻合；2)
月球北极和高地一个局部区域 (5–80°E, 30–50°S)的小型撞击坑呈现明显的高密度；3)
相较于直径5公里以上撞击坑的密度，月表东海盆地内直径1到5公里的撞击坑密度与周围地区的差异并不明显。

图4. 直径大于20公里 (上)、5-20公里 (中)和1-5公里 (下)的全月撞击坑密度图。

·撞击坑饱和度分析

当撞击坑的密度足够高时，新的撞击坑的形成过程都会覆盖掉相似大小的撞击坑。这种情况称为撞击坑的饱和，一般用相对密度R值来描述。图5所示为不同撞击坑直径区间下R值的分布情况，其中红色为可能已经达到饱和的区域 (R>0.3)。撞击坑饱和度分析可以为撞击坑定年时选取合适大小的撞击坑提供依据，本研究首次呈现了直径小于5公里的撞击坑饱和度情况，发现小型撞击坑在月表高地几个局部区域也存在饱和现象，这更新了以往研究中有关小型撞击坑还没有达到饱和的判断。

图5. 不同直径区间下撞击坑饱和度分析。

·撞击坑深度-直径比撞击坑的深度-直径比可以体现撞击力度、撞击靶体性质和撞击坑的退化程度。图6展示了全月直径1公里以上撞击坑的深度与直径比值，从中可以看出月海和高低有明显的差异，其中月海绝大部分区域的撞击坑深度-直径比都大于0.1，而高地区域的撞击坑深度-直径比则明显较低。这种现象可能是由于高地的撞击坑经历了更严重的退化，也可能与月海和高地不同的月壤、岩石材料性质有关。

图6. 全月1公里以上撞击坑的深度-直径比分析。

上述成果发表于行星科学领域权威期刊Journal of Geophysical Research: Planets。论文第一作者为香港理工大学行星遥感实验室博士后研究员王怡然，通讯作者为香港理工大学吴波教授。该成果得到了香港研究资助局 (项目号: R5043-19)和国家自然科学基金 (项目号: 41671426)的资助。

[论文信息]：Wang, Y., Wu, B., Xue, H., Li, X., Ma, J., 2021. An improved global catalog of lunar impact craters (≥1 km) with 3D morphometric information and updates on global crater analysis. Journal of Geophysical Research: Planets, 126, e2020JE006728.

https://doi.org/10.1029/2020JE006728

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http://doi.org/10.5281/zenodo.4983248