月球虹湾地区地质特征解译及岩浆活动历史研究

虹湾地区是我国嫦娥三号登月探测器的重要备选着陆区域之一,其平坦的地形、复杂的演化历史和丰富的地质特征显示出良好的工程保障性和较大的科学价值．该地区发育了丰富的地质特征,包括月海皱脊、月溪、撞击坑和月坑链,预示着该区域经历了复杂的地质演化历史．但受探测数据分辨率等方面的限制,前人对该地区岩浆活动的性质研究存在较大的差异,在矿物学、地球化学特征以及典型地貌解译方面也存在诸多不足．本文综合利用月球勘测轨道飞行器（LunarReconnaissanceOrbiter,LRO）激光高度计（LunarOrbiterLaserAltimeter,LOLA）及相机（LROC）数据、克菜门~T（Clementine）紫外一可见光（uvvis）~光谱数据和月球矿物制图仪（MoonMineralogyMapper（M。））高光谱数据,对虹湾地区的地形特征、物质成分及典型地貌特征进行了较为系统的解译和分析．研究结果认为该区域经历了4次岩浆活动,不同期次岩浆活动充填的玄武岩成分差别较大,越往后期钛含量越高．虹湾内部以成熟的富辉石岩石为主,但是越往后期橄榄石含量逐渐增高,而周边高地区域以富长石岩石为主,在虹湾北部坑壁区域,出露了一些富橄榄石岩石,这些橄榄石可能来源于大型撞击作用挖掘的月幔物质．虹湾地区地势比较平坦,地质现象丰富,利于开展着陆就位探测．     

月表镁尖晶石矿物的光谱特征与遥感探测:以第谷撞击坑为例

月球镁尖晶石矿物隶属于深成岩,可以通过撞击作用被带到月表,它蕴含月壳深部甚至月幔的成分信息,对于研究月壳岩石成因与岩浆演化具有重要意义.本文分别从实验室和遥感研究两方面系统回顾月球镁尖晶石矿物的研究进展,以辐射传输模型为基础,作出了镁尖晶石与辉石、橄榄石和斜长石等矿物的一系列定量混合光谱.我们发现辉石与镁尖晶石矿物的相对含量与光谱波段比值之间存在对数关系,由此利用二次方程来拟合这种关系,建立了镁尖晶石矿物定量反演模型.以第谷(Tycho)撞击坑为例,我们利用遥感成像光谱数据(M~3)发现其中央峰主要矿物有辉石、斜长石和镁尖晶石等,尤其是发现了辉石与镁尖晶石的混合分布,但并未发现橄榄石矿物.利用上述矿物反演模型获得的混合矿物中镁尖晶石比例约为5.4vol%–6.4vol%,这与实验室月球样品的研究结果相符.我们推测这种辉石与镁尖晶石的混合矿物可能属于深成岩,被撞击作用抬升到月表,其中橄榄石只在坑壁附近发现有小范围的分布,可能属于浅层侵入岩.     

嫦娥一号IIM数据处理分析与应用之一:全月表矿物吸收中心分布图

月球的矿物成分是研究月球起源和演化的重要资料.了解月球矿物组成是世界各国月球探测计划的重要科学主题.成像光谱遥感是获取全月球矿物分布的重要途径.矿物吸收中心所在波长位置是识别矿物的诊断性指标.该文利用我国自主研制的干涉成像光谱仪(IIM)首次获取了全月表矿物吸收中心分布图.该图反映了单斜辉石、斜方辉石、橄榄石等主要月球铁镁质矿物乃至斜长石在月表的分布.对典型地区矿物制图结果的验证表明,该图反映的矿物信息真实可靠,在细节上比过去克莱门汀矿物制图结果更为详细,且不受地形和光照几何的影响.全月表矿物吸收中心分布图不仅可以为月球科学研究提供基础图件,还有其他用途有待挖掘.此外,本文提出的数据定标、校正等预处理方法对于IIM其他应用(如元素定量估算、岩石分类、光学成熟度反演)有借鉴作用.     

基于光学遥感数据虹湾地区铁钛含量反演研究

月球表面的铁钛含量分布对月球的起源与演化研究以及月球资源的开发利用都具有重要意义.不同遥感数据获得的铁钛含量常不相同,有必要利用多种遥感数据获得月表铁钛含量,并对反演结果进行对比分析.本文利用Chandrayaan-1搭载的Moon Mineralogy Mapper（M3）两个光学周期（OP1B和OP2C）数据以及＂嫦娥一号＂搭载的干涉成像光谱仪（IIM）两套定标数据（pc1和pc2）反演虹湾地区铁钛含量.结果表明OP1B和OP2C数据反演该地区铁峰值分别为17.80wt%和17.60wt%,高于pc1的15.80wt%及pc2的14.00wt%,铁均值分别为16.91wt%和16.79wt%,高于pc1的14.11wt%及pc2的13.46wt%.OP2C数据获得虹湾地区0wt%-4wt%钛丰度百分含量最高,达74.56%,高于pc1的54.66%及pc2的62.46%,OP1B数据得到的0wt%-4wt%钛丰度百分含量最低,为37.55%.OP1B和OP2C数据反演虹湾地区钛均值分别为5.35wt%和3.16wt%,pc1和pc2数据反演该地区钛均值分别为4.25wt%和3.65wt%.极低钛和低钛玄武岩占虹湾地区玄武岩的比例约为50%和40%,主要分布于雨海纪月海物质（Im1,Im2）地层单元内;高钛玄武岩所占比例约为10%,主要分布于爱拉托逊纪月海物质（EIm）地层单元内.总体来看,遥感数据获得的玄武岩钛含量呈单峰分布,低钛玄武岩占优,与样品钛含量的双峰分布不同.虹湾地区玄武岩铁钛含量,随其年龄越来越年轻,有增加的趋势.pc2数据光度校正效果最好,pc1数据光度校正精度较低,M^3不同光学周期反射率差别较大,光度校正有待改进.     

虹湾地区月球卫星遥感地质解析制图

月球卫星遥感的目标就是利用地质概念研究月球表面特性、深部结构和演化历史.以月球正面雨海虹湾地区为例,利用Clementine UV/VIS数据提取TiO2和FeO的含量图.基于SELENE TC图像,完成虹湾地区撞击坑和地层单元的解译,并由此利用撞击坑直径-频率统计方法获取虹湾地区不同地层单元的形成年龄.SELENE的重力场模型（SGM90d）揭示虹湾与雨海的重力特征差异,表现为独立的地质单元.嫦娥一号微波辐射计数据反演的月壤厚度与SELENE的数字地形模型在空间分布上有对应关系.综合这些多源遥感信息,表明虹湾与雨海无论深部结构还是表面沉积作用都表现为独立地质单元;虹湾形成后,经历了多期次沉降活动、沉积作用和撞击作用,表现为目前探测的状态.虹湾地区遥感地质解析结果将为未来潜在登月点选择或采样等提供科学依据.     

基于混合像元分解的火星南极矿物制图研究

对火星高光谱遥感数据进行混合像元分解,有助于获取像元内部火星表面矿物含量。端元光谱提取和光谱解混是混合像元分解的关键技术。以ORB0942_2轨道覆盖的火星南极地区作为研究区,应用纯净像元指数法(PPI)从影像中提取出端元光谱,并利用线性分解模型对影像中混合像元进行了分解,计算出其各端元组分的百分含量,获得了研究区水冰、石膏、钙镁橄榄石及紫苏辉石的相对含量分布图。     

南极格罗夫山新发现的橄辉无球粒陨石岩石学与矿物化学

介绍南极格罗夫山地区新发现的二块橄辉无球粒陨石的岩石学特征和矿物化学．GRV021512陨石具有典型的橄辉无球粒陨石结构,主要由橄榄石（48．3％）、易变辉石（9．4％）和富碳质填隙物（38．1％）组成．而GRV022931为碎裂斑状结构,橄榄石（19．1％）和易变辉石（14．1％）呈斑晶状分布于富碳质填隙物和蚀变产物（66．3％）中,二块陨石的粗粒橄榄石和易变辉石都具有均匀的核部成分,其成分富FeO,落在橄榄石-易变辉石橄辉无球粒陨石的富铁的亚群（Ⅰ型）中．所有橄榄石沿颗粒边缘和裂隙表现出还原边结构．在富碳质填隙物中石墨呈不规则块状或脉状产出,其中有大量细小的金刚石与之共生．此外,还讨论了二块陨石的岩石成因和金刚石成因．     

基于嫦娥一号干涉成像光谱仪吸收特征的月表钛含量评估

该文提出了两种基于光谱吸收特征参数的线性回归模型来探讨月表的钛含量与光谱吸收特征参数的关系.首先使用嫦娥一号干涉成像光谱仪(IIM)数据,通过Apollo17登陆区域的18个采样点计算了该区域光谱数据吸收半宽(FWHM)、吸收位置(λ)、吸收谷面积(A)、吸收深度(D)及吸收谷对称度(S)并建立了回归模型;实验发现FWHM与钛含量的相关性不明显,包含FWHM的回归模型有多个奇异值;而不包含FWHM的回归模型比较稳定.验证精度时使用Apollo17和16登陆区域的采样点,对于高钛地区,两个反演模型具有相对较高的精度,对于低钛地区,这两个模型精度和适应性不高.     

基于高光谱的湿地植被冠层叶绿素反演研究

植被冠层叶绿素含量直接反映植物的生长健康情况.以三江平原洪河湿地自然保护区为研究区,采用地面实测光谱数据为数据源,通过对光谱数据预处理以及特征参数(植被光谱指数、吸收特征)提取,在冠层尺度上,利用统计方法分析了植被叶绿素的敏感波段,并对植被叶绿素含量和光谱特征参数进行了相关性分析,最后,构建了植被叶绿素冠层反演模型并进行了验证.结果表明,原始光谱反射率在690~720,755~770nm叶绿素含量具有较高的相关性,植被指数DD与叶绿素含量有非常高的相关性.研究证明,基于吸收特征反演植被叶绿素也是较好的方法之一.     

基于野外实测高光谱数据的盐碱土盐分含量估测研究

利用高光谱野外实测数据,实现对黄河三角洲盐碱土盐分含量SSC快速、准确定量反演,对于进一步治理盐渍土具有至关重要的意义。通过SVC HR-768i型光谱仪野外实测了黄河三角洲地区盐碱土高光谱数据,在对野外实测高光谱数据进行一阶微分和连续统去除处理的基础上,获取了与SSC相关性较高的光谱波段;分别运用偏最小二乘回归PLSR和多元逐步线性回归SMLR方法构建了SSC的高光谱定量反演模型,建模及分析结果表明:基于一阶微分获取的响应SSC敏感波段,采用PLSR方法得到的定量反演模型具有较好的稳定性和预测精度。本研究采用的方法和取得研究结果对野外实际环境中,进行大面积盐碱土SSC的快速准确定量估测提供了科学依据,具有重要的应用价值。     

基于光学数据的月壤介电常数的反演

摘要：月球元素含量的反演有利于了解月球物质成分的分布从而对月球矿产资源开发利用提供重要依据,对于月球科学的研究具有重要意义。本文利用LSCC数据和Clementine光学数据在全月球的角度上对月壤中FeO和TiO_2的含量进行反演,并基于回归分析建立介电常数和FeO和TiO_2含量总和的耦合关系,进而对介电常数进行反演,并与实测点的数据进行比较,验证了利用光学数据反演月壤元素含量以及通过回归分析反演介电常数的可行性,为月表反演的研究提供了新的思路。     

Precise positioning of the Chang’E-3 lunar lander using a kinematic statistical method

A kinematic statistical method is proposed to determine the position for Chang’E-3(CE-3) lunar lander.This method uses both ranging and VLBI measurements to the lander for a continuous arc,combing with precise knowledge about the motion of the moon as provided by planetary ephemeris,to estimate the lander’s position on the lunar surface with high accuracy.Accuracy analyses are carried out with simulation data using the software developed at Shanghai Astronomical Observatory in this study to show that measurement errors will dominate the position accuracy.Application of lunar digital elevation model(DEM) as constraints in the lander positioning is also analyzed.Simulations show that combing range/doppler and VLBI data,single epoch positioning accuracy is at several hundred meters level,but with ten minutes data accumulation positioning accuracy is able to be achieved with several meters.Analysis also shows that the information given by DEM can provide constraints in positioning,when DEM data reduce a 3-dimensional positioning problem to 2-dimensional.Considering the Sinus Iridum,CE-3 lander’s planned landing area,has been observed with dedicated details during the CE-1 and CE-2 missions,and its regional DEM model accuracy may be higher than global models,which will certainly support CE-3’s lander positioning.     

多种校准方法对多组分体系的定性定量分析比较

采用偏最小二乘法（PLS）和主成分分析法（PCA）对光谱数据进行主成分提取,并利用遗传算法（GA）对波长进行选择,剔除不相关的变量,达到压缩数据的目的;采用反向传播人工神经网络（BP-ANN）方法,对多组分体系进行定性定量分析.建立了一个PLS-BP-ANN、PCA-BP-ANN、GA-BP-ANN和BP-ANN四种模型的化学计量学多组分分析平台,对谱带混叠严重的5种大气有机毒物——苯、甲苯、甲醇、氯仿和丙酮进行了定性定量测定,比较了4种模型的误差,结果表明,PLS-BP-ANN模型得到的结果最好.     

基于同波束VLBI差分相时延的“玉兔”月球车动作监视分析

2013年12月14日嫦娥三号成功在虹湾着陆区软着陆,后续开展两器分离、两器互拍等任务.本文利用同波束VLBI技术同时观测着陆器和月球车发射的信号,解算含整周模糊度的差分相时延(Differential Phase Delay),监视着陆器和月球车两器分离和两器互拍等过程的月球车各种动作.同时,研究和分析月球车行走、转弯、晃动、高程变化等动作导致的差分相时延变化,发现同波束VLBI差分相时延监视月球车动作的灵敏度在50–100 mm之间,后续利用差分相时延变化趋势进行相对定位.同波束VLBI技术在后续的探月三期、火星探测、金星探测等双目标、多目标探测中也将发挥重要作用.     

Prolonged KREEP magmatism on the Moon indicated by the youngest dated lunar igneous rock

Primordial solidification of the Moon (or its uppermost layer) resulted in the formation of a variety of rock types that subsequently melted and mixed to produce the compositional diversity observed in the lunar sample suite. The initial rocks to crystallize from this Moon-wide molten layer (the magma ocean) contained olivine and pyroxene and were compositionally less evolved than the plagioclase-rich rocks that followed. The last stage of crystallization, representing the last few per cent of the magma ocean, produced materials that are strongly enriched in incompatible elements including potassium (K), the rare earth elements (REE) and phosphorus (P)--termed KREEP. The decay of radioactive elements in KREEP, such as uranium and thorium, is generally thought to provide the thermal energy necessary for more recent lunar magmatism. The ages of KREEP-rich samples are, however, confined to the earliest periods of lunar magmatism between 3.8 and 4.6 billion years (Gyr) ago, providing no physical evidence that KREEP is directly involved in more recent lunar magmatism. But here we present evidence that KREEP magmatism extended for an additional 1 Gyr, based on analyses of the youngest dated lunar sample.     

嫦娥一号绕月卫星对月球重力场模型的优化

月球重力场是揭示月球内部结构和物质组成的重要信息,探测月球重力场仍然是绕月探测任务中的重要科学目标之一．在已有月球重力场模型基础上,利用嫦娥一号探测数据,并结合“月女神”一号探测器、月球勘察者（LP）及早期月球探测器轨道跟踪数据,本文解算得到了高精度月球重力场模型CEGM02（100阶次）,在CEGM01月球重力场模型基础上对模型进行了优化．对新模型的分析结果表明,嫦娥一号卫星轨道跟踪数据的融入,使得对月球重力场长波长部分的解算精度有显著提高,相比于SGMl00h模型在5阶以内精度提高约2倍,在10阶以内有明显贡献,在20阶内都有贡献．初步判断这是由于嫦娥一号卫星轨道动量轮卸载的频度不足“月女神”的1／4,而同时轨道相对较高所导致．文中结合CEGM02和激光测月观测结果解算了月球平均转动惯量0．393446（±0．000006）,对月球内部构造研究提供了更强的约束．     

基于环境一号HSI高光谱数据提取叶绿素a浓度的混合光谱分解模型研究

随着遥感技术的应用推广以及对研究精度的要求提高,越来越多的研究注意到混合像元的问题。在水质遥感监测中传感器探测的水体辐射亮度值是纯水和各种水质参数辐射亮度值的叠加,混合像元问题严重影响了水质定量遥感反演的准确性。基于环境一号HSI高光谱数据,首先分析了混合光谱分解模型的物理基础,然后基于采样点浓度大小和PPI(纯净像元指数)方法在遥感影像上提取纯水和叶绿素a的端元波谱,并利用线性光谱分解方法得到叶绿素a的丰度值找丰度值与叶绿素a浓度值之间的统计关系,建立了叶绿素a浓度反演的混合光谱分解模型,且反演精度较高。本文为水质定量遥感提供了一种新的思路。     

Orbit determination of Chang’E-3 and positioning of the lander and the rover

Chang’E-3 landed on the east of Sinus Iridum area on December 14, 2013, performing China’s first successful soft landing on the lunar surface. We present the results on precision orbit determination and positioning of the lander and the rover. We describe the data, modeling, and methods used to achieve position knowledge over the period December 2–21, 2014. In addition to the radiometric X-band range and Doppler tracking data, delta differential one-way ranging data are also used in the calculation, which show that they strongly improve the accuracy of the orbit reconstruction. Total position overlap differences are about 20 and 30 m for the 100 km × 100 km and 100 km× 15 km lunar orbit, respectively, increased by ~50 % with respect to CE-2 and at the same level as other lunar spacecrafts of recent era such as SELENE and lunar reconnaissance orbiter (LRO). The position error of the soft landing trajectory is less than 100 m. A kinematic statistical method is applied to determine the position of the lander and relative position of the rover with respect to the lander. The position difference of the lander is better than 50 m compared to LRO photograph result. Compared with the delta very long baseline interferometry (VLBI) group delay between the lander and the rover, the delta VLBI phase delay can improve the relative position of the rover from ~1,000 to ~1 m.