“天問一號”著陸區(qū)地貌解譯與定量分析

劉 佳，劉 斌，邸凱昌,3，岳宗玉,3，于天一，王 鎵，芶 盛

（1.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心 天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院 遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3.中國科學(xué)院 比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心，合肥 230026；4.北京航天飛行控制中心，北京 100094）

引 言

中國的“天問一號”（Tianwen-1）火星探測器于2020年7月23日在海南文昌發(fā)射場發(fā)射升空，并于2021年2月抵達(dá)火星附近，成功被火星引力所捕獲，5月?lián)駲C(jī)著陸在火星北半球?yàn)跬邪钇皆║topia Planitia），其著陸地點(diǎn)為（25.066°N，109.925°E）[1-2]，著陸后成功實(shí)現(xiàn)兩器分離，與此同時“天問一號”上搭載的“祝融號”火星車隨后按照路徑規(guī)劃開展對火星表面的巡視探測，中國首次火星探測實(shí)現(xiàn)一次任務(wù)成功完成“繞、落、巡”3個階段的既定目標(biāo)。2021年8月30日，“祝融號”火星車在火星表面已經(jīng)累計(jì)行駛1 064 m。結(jié)合中國火星探測任務(wù)數(shù)據(jù)開展著陸區(qū)形貌研究，對深入認(rèn)識火星地質(zhì)歷史、提升中國深空探測水平有著重要的意義。

1960年，前蘇聯(lián)最早拉開了火星探測的序幕；隨后1965年，美國的“水手4號”（Mariner 4）拍攝的火星近距離照片，首次揭示了含有大量撞擊坑的火星表面[3-5]。火星形貌系統(tǒng)的研究始于對Viking遙感影像的解譯，區(qū)域地形地貌的既定特征反映了火星表面的相態(tài)變化，通常不同區(qū)域會呈現(xiàn)不同的形態(tài)特征。表面動力作用和內(nèi)部構(gòu)造作用是形成火星表面形態(tài)特征的主要因素?；鹦悄习肭虻刭|(zhì)年齡較老、平均海拔高，主要以火山和撞擊地貌為主；北半球地質(zhì)年齡較新，地勢平緩、撞擊作用少，為典型的平原地帶?！疤靻栆惶枴敝憛^(qū)位于北半球?yàn)跬邪钇皆喜?，鄰近北部平原與南部高地的分界線。Scott等[6]在研究火星地質(zhì)演化的過程中提出烏托邦平原區(qū)域可能擁有古湖泊；Carter等[7-8]通過高光譜數(shù)據(jù)分析出烏托邦平原存在多個含水礦物露頭，對于該區(qū)域水活動歷史有重要指示意義。烏托邦平原的地質(zhì)演化過程較為復(fù)雜，與古海岸線的鄰近以及含水礦物的出露，說明其過去極有可能存在孕育生命的環(huán)境。

本文利用火星背景相機(jī)（Context Camera，CTX）高分辨影像對“天問一號”著陸點(diǎn)周圍的地貌特征進(jìn)行解譯，著重對著陸區(qū)典型的撞擊地貌、風(fēng)成地貌以及其它構(gòu)造地貌類型進(jìn)行定量分析，深入認(rèn)識著陸區(qū)的地質(zhì)形貌特征，挖掘著陸區(qū)地質(zhì)演化歷史，為火星車的巡視探測任務(wù)規(guī)劃[9-11]做出支撐，也可為后期的科學(xué)研究和工程任務(wù)提供研究基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)以“天問一號”著陸點(diǎn)（25.066°N,109.925°E）為中心點(diǎn)，選擇其周圍20×20 km2范圍內(nèi)的地質(zhì)地貌進(jìn)行分析研究。研究區(qū)是一處地勢較為平坦的火星晚西方紀(jì)地質(zhì)單元（Late Hesperian Lowland unit，LHL）[12-15]，高差變化范圍約為300 m。研究區(qū)內(nèi)包含撞擊作用形成的撞擊坑與風(fēng)積作用形成的橫向風(fēng)成脊、沙波紋，凹錐及溝槽等地貌組合特征，如圖1所示，其中，紅色五角星代表“天問一號”著陸點(diǎn)，底圖是CTX DOM影像疊加“天問一號”DEM渲染圖顯示。

圖1 “祝融號”火星車著陸點(diǎn)（紅星處）及其周圍20×20 km2研究區(qū)Fig.1 The Zhurong rover landing site (red star) and the study area 20×20 km2

1.2 數(shù)據(jù)與方法

火星偵察軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）是美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）于2005年8月12日發(fā)射的軌道器，并于2006年3月10日進(jìn)入火星軌道[16-17]。MRO上搭載的背景相機(jī)Context Camera拍攝回傳的遙感數(shù)據(jù)稱之為CTX影像。單張CTX影像的分辨率通常為5～7 m，結(jié)合多年重復(fù)觀測，目前CTX影像已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了火星全球覆蓋，局部區(qū)域還實(shí)現(xiàn)了重復(fù)觀測。

本文首先根據(jù)遙感影像的分辨率、影像的入射角、光照等信息，利用多重覆蓋制圖定位精度的研究，選取“天問一號”著陸區(qū)附近6景單張CTX影像，然后構(gòu)建遙感影像的幾何模型，選取連接點(diǎn)，利用攝影測量平差方法消除影像間的幾何不一致，獲取精化的幾何模型，最后進(jìn)行正射糾正重采樣（5 m/pixel），并進(jìn)行勻色鑲嵌、裁剪，生成以著陸點(diǎn)為中心的20×20 km2的研究區(qū)正射影像（CTX DOM），并基于此影像對火星著陸區(qū)表面進(jìn)行地貌解譯、量測和分析。

以上述制作的CTX正射影像為底圖，首先在選擇的研究區(qū)范圍內(nèi)利用ArcGIS平臺通過3點(diǎn)定圓法目視解譯研究區(qū)內(nèi)的所有撞擊坑，對研究區(qū)附近的撞擊坑的形貌大小、深徑比等特征展開研究與分析，利用研究團(tuán)隊(duì)自行開發(fā)的ArcGIS插件精確提取撞擊坑深度與直徑信息[18]，進(jìn)行更進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)與計(jì)算。然后分析研究區(qū)內(nèi)的風(fēng)成地貌以及其它地貌類型。

2021年6月中國國家航天局公布了首批火星科學(xué)影像圖，標(biāo)志著中國首次火星探測任務(wù)的圓滿成功。借助“天問一號”軌道器高分辨率遙感影像及其DEM產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)火星車著陸區(qū)精細(xì)化的形貌分析。本文在對研究區(qū)撞擊坑深度信息提取時，使用火星“天問一號”影像生成的DEM產(chǎn)品（分辨率：3.5 m），并計(jì)算了深徑比，深徑比的統(tǒng)計(jì)分析在一定程度上反映了著陸區(qū)附近撞擊地貌的三維特征及其退化程度。

2 著陸區(qū)主要地貌類型解譯分析

2.1 撞擊地貌

撞擊坑是所有固體行星表面都有的典型特征，火星上60%的撞擊坑都形成于晚期大轟炸（Late Heavy Bombardment，LHB）時期[3-4]，且分布不均勻，撞擊地貌在南半球多于北半球。由于重力和外動力環(huán)境作用對其的改造，撞擊坑在形成后都遭受了不同程度的侵蝕改造作用。著陸區(qū)主要的撞擊坑類型均為簡單撞擊坑，其中主要由新鮮撞擊坑、二次撞擊坑群以及一些退化程度較高的撞擊坑構(gòu)成，如圖2（a～c）所示。

在遙感影像的表征上，新鮮撞擊坑通常具有完整的撞擊坑坑沿，沒有被風(fēng)力或者其它外應(yīng)力侵蝕的痕跡，并且撞擊坑周圍有明亮的輻射紋，見圖2（a）。圖2（b）所示二次撞擊坑通常由火星上某次大型撞擊事件引起的二次濺射造成的一些火星表面成簇分布，或者呈鏈狀分布的撞擊坑群，著陸區(qū)附近的二次撞擊坑群主要沿NW-SE方向呈鏈狀分布，間接說明形成二次撞擊坑群的原始撞擊坑的撞擊方向以NW-SE方向?yàn)橹?。由于火星上常年存在的?nèi)外動力作用會對火星表面的撞擊坑產(chǎn)生一定的改造，此時撞擊坑表現(xiàn)的退化程度較高，如圖2（c）所示，退化了的撞擊坑沒有完整的邊沿，有的撞擊坑內(nèi)部會沉積一定的細(xì)粒沙?；蛘咝纬缮巢y。

圖2 研究區(qū)內(nèi)主要分布的撞擊坑（底圖均為CTX DOM影像，分辨率：5 m/pixel）Fig.2 Impact craters in the study area,the basemap are CTX DOM images （resolution:5 m/pixel）

本文研究區(qū)內(nèi)的撞擊坑，以簡單型的撞擊坑為主，見圖3（a）。通過目視解譯，共識別出3 543個撞擊坑，整體而言，研究區(qū)內(nèi)撞擊坑直徑主要在0.034～1.99 km范圍內(nèi)，研究區(qū)內(nèi)較多的小撞擊坑多來源于二次坑鏈。通過統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)撞擊坑的完整性直徑峰值為0.133 km，見圖3（b），直徑小于0.15 km的撞擊坑數(shù)量占比最大，見圖3（c）。圖3（b）表明，在整個研究區(qū)范圍內(nèi)，當(dāng)撞擊坑直徑范圍大于100 m時，撞擊坑被完整解譯的情況逐漸趨于最高值，到直徑為133.52 m時達(dá)到峰值，說明研究區(qū)內(nèi)直徑大于100 m的撞擊坑已經(jīng)全部被解譯提取出來。

圖3 研究區(qū)撞擊坑分布情況、完整性分析及直徑與數(shù)量變化范圍（底圖為5 m分辨率的CTX DOM影像）Fig.3 The distribution of impact craters in the study area and the completeness analysis of all impact craters (top panel)，the range of crater diameter and number variation in the landing site (bottom),the basemap are CTX DOM images (5 m/pixel)

為更清楚的對研究區(qū)撞擊坑密度進(jìn)行制圖表達(dá)，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)搜索半徑分別為1 km和3 km時，此時密度分布圖能夠較為直觀的顯示出撞擊坑密度的整體分布情況。研究區(qū)撞擊坑核密度分布如圖4，密度分析表明：研究區(qū)內(nèi)撞擊坑在著陸點(diǎn)北部的密集趨勢較為明顯，并且撞擊坑密集區(qū)域多成簇分布的二次坑鏈（圖2和圖3），該方向不利于火星車探測任務(wù)的開展，正南方向撞擊坑密集程度較低。烏托邦平原南部區(qū)域是火星古海洋和古陸地的交界處，“祝融號”持續(xù)往南行駛不僅有利于火星車平穩(wěn)運(yùn)行，還有利于科學(xué)探測的順利開展。進(jìn)一步的巡視探測對揭示烏托邦平原的成因、氣候演化以及潛在宜居環(huán)境的分析都有重要意義。

圖4 研究區(qū)撞擊坑核密度分布圖Fig.4 The crater kernal density map of study area,the search radius are 1 km and 3 km

2.2 橫向風(fēng)成脊

火星上有稀薄的大氣，并且火星表面的風(fēng)力活動十分明顯[19]，每年有一半的時間是全球性的塵暴活動，所以風(fēng)蝕作用和風(fēng)積作用的產(chǎn)物在火星表面并不鮮見?；鹦巧城鹨孕略滦紊城稹⑿略滦紊城疰満蜋M向沙丘等初級類型為主，占地球沙丘約50%的線形沙丘在火星上不到10%，并且火星上的沙丘幾乎全部以簡單沙丘為主[20-21]，著陸區(qū)附近的橫向風(fēng)成脊（Transverse Aeolian Ridge，TAR）全部屬于簡單沙丘類型。長度從幾米到幾百米，最寬能夠在幾十米的范圍內(nèi)變化，且大量沉積于撞擊坑和溝槽的內(nèi)部，以及部分凹錐的周圍。“天問一號”著陸區(qū)附近存在的風(fēng)積地貌主要是橫向風(fēng)成脊。其中一部分TARs沉積在撞擊坑內(nèi)部，另一部分TARs沉積并依附在溝槽的周圍。

本文統(tǒng)計(jì)了HiRISE影像（影像號：ESP_069731_2 055_RED）上的4 681條TAR的形貌特征：TAR的長度范圍為6～287 m，并且平均長度是39.86 m；寬度范圍為2.5～35 m，平均寬為8.72 m；高度范圍為1～8 m，平均高為2.47 m。根據(jù)TARs的脊線長計(jì)算其走向，結(jié)果表明：TAR的整體走向以NW-SE為主，與正北方向的夾角變化范圍為48°～140°。無論是在撞擊坑內(nèi)沉積的沙波紋還是在坑外典型的橫向風(fēng)成脊，它們整體的走向趨于一致，說明撞擊坑被侵蝕嚴(yán)重，以至于當(dāng)風(fēng)進(jìn)入撞擊坑內(nèi)部時，不足以因?yàn)楦叽蠡蛘唛]合的撞擊坑壁而產(chǎn)生一個相當(dāng)強(qiáng)度的局域風(fēng)場來改變沙粒的堆積方向。當(dāng)連續(xù)或者間歇性的凈風(fēng)吹蝕時，會引起火星烏托邦平原表面沙粒不斷地產(chǎn)生躍移、蠕移，最后膠結(jié)堆積成以NW-SE方向?yàn)橹鲗?dǎo)的沙脊。如圖5所示。值得指出的是，研究區(qū)內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)特別巨大或者大規(guī)模的風(fēng)積沙丘和風(fēng)蝕雅丹群，沒有較高的地形制約，烏托邦平原比較適合火星車的行駛以及開展火星表面探測研究。

圖5 著陸區(qū)附近典型的橫向風(fēng)成脊和撞擊坑內(nèi)部沙波紋沉積情況（底圖為HiRISE影像，影像號：ESP_069731_2 055_RED）Fig.5 Typical TARs and sand ripples in the impact crater around the landing area.The basemap is HiRISE image,image ID:ESP_069731_2 055_RED

沙丘能夠表征火星各個時期的風(fēng)況類型、沉積物特征及其開始發(fā)育的古環(huán)境情況[22]。隨著越來越高精度的遙感數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對著陸區(qū)的覆蓋，今后可以開展對著陸區(qū)風(fēng)積沙丘進(jìn)行系統(tǒng)的量測及機(jī)理分析，這對分析烏托邦平原的環(huán)境演化歷史具有重要意義。

2.3 凹錐

在“天問一號”著陸點(diǎn)偏西北方向7 km左右存在典型的凹錐（Pitted Cone）。研究區(qū)附近的凹錐多數(shù)成群分布，部分凹錐的頂部受到嚴(yán)重侵蝕變得破敗且形狀不規(guī)則。圖6展示的是以5 m分辨率的CTX影像為底圖解譯的典型凹錐，它的外徑達(dá)1 140 m，內(nèi)徑達(dá)490 m。研究區(qū)內(nèi)形貌完整的26個凹錐的內(nèi)徑變化范圍是86.8～490 m，外徑變化范圍是238～1 140 m。

圖6 研究區(qū)內(nèi)典型的凹錐Fig.6 Typical pitted cone in the study area

凹錐在火星的伊西底斯平原（Isidis Planitia）、阿西達(dá)利亞平原（Acidalia Planitia）以及克里斯平原（Chryse Planitia）等區(qū)域也有分布[23-25]。目前凹錐的成因在科學(xué)界尚無明確解釋，Hiesinger等[23]認(rèn)為它們是可能蘊(yùn)藏火星古老生命的泥火山，并且該假說在學(xué)界也備受關(guān)注，Oehler和Allen[24]認(rèn)為凹錐是火山渣錐，Komatsu[25]等認(rèn)為凹錐是無根錐?！白Ｈ谔枴被鹦擒嚨木臀惶綔y結(jié)果將為驗(yàn)證這些假說是否合理提供主要的資料。

2.4 構(gòu)造地貌

火星從諾亞紀(jì)到亞馬遜紀(jì)一直都有火山活動，火山作用不僅將地下的玄武巖帶出地表，還將火星表面的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了一定程度的改造[17-18]。雖然火星上厚重的巖石圈影響了火星的板塊活躍度，但是火星上依然存在著很多的表面變形，說明火星上曾經(jīng)受到過非常嚴(yán)重的構(gòu)造作用，例如：火星上狹長的線性洼陷——地塹（它們是一種典型的表面伸展變形構(gòu)造）、火星水手大峽谷的典型斷裂構(gòu)造、火星伊西底斯平原（Isidis Planitia）上的皺脊構(gòu)造[22,26-28]。

這些導(dǎo)致火星表面變形的構(gòu)造作用將火星的表面進(jìn)行了一定程度的改造，伴隨外應(yīng)力的作用，改造后的地表繼續(xù)遭受長期的風(fēng)力或者流水等侵蝕作用，被改造為形態(tài)多樣的地質(zhì)構(gòu)造特征。本文的研究區(qū)內(nèi)存在很多的伸展變形構(gòu)造、皺脊以及溝槽，如圖7的CTX DOM影像所示。研究區(qū)內(nèi)皺脊最長的約為5.58 km，最寬溝槽的寬度約1.6 km。

圖7 研究區(qū)表面典型皺脊與溝槽Fig.7 Typical wrinkled ridges and grooves in the study area

3 撞擊坑深徑比研究

綜合前述研究與分析可知，本文研究區(qū)內(nèi)的火星表面覆蓋了大量的撞擊坑。在撞擊坑的形貌研究中，撞擊坑的深度和直徑的比值不僅是重要的形態(tài)參數(shù)，還能了解撞擊坑的退化程度[29-33]。行星地質(zhì)學(xué)界研究表明，火星簡單首次撞擊坑的深徑比一般為0.2[34-35]，而早期研究使用的研究數(shù)據(jù)分辨率比較低，所測量的撞擊坑深度和直徑一般是千米級以上。Daubar等[33]基于HiRISE影像統(tǒng)計(jì)了火星近20年來形成的209個新鮮撞擊坑，直徑為2.5～33.5 m，計(jì)算得到的深度范圍是0.2～5.2 m，深徑比范圍為0.08～0.5，均值為0.23[36]。

本文利用自行開發(fā)的ArcGIS10.7插件[16]對研究區(qū)的撞擊坑進(jìn)行深度提取，目前“天問一號”軌道器影像制作的高精度DEM（分辨率：3.5 m）底圖只覆蓋了本文的部分研究區(qū)，故選擇著陸區(qū)東部20×40 km2的“天問一號”DEM影像數(shù)據(jù)覆蓋的區(qū)域作為典型區(qū)，進(jìn)行撞擊坑深度提取，典型區(qū)包含2 265個撞擊坑，提取的樣本撞擊坑直徑變化范圍從0.03～1.53 km，計(jì)算典型區(qū)內(nèi)所有撞擊坑深徑比情況如圖8所示。

圖8 典型區(qū)所有撞擊坑的直徑與深徑比關(guān)系圖Fig.8 The relationship between diameter and depth to diameter ratio of the impact craters in typical area

圖9展示了典型區(qū)撞擊坑的深徑比主要集中在0.01～0.04，深徑比均值為0.024。撞擊坑深度的范圍是0.45～9.8 m；直徑在34～400 m之間變化，撞擊坑的深徑比整體較小。

圖9 撞擊坑數(shù)量與深徑比變化關(guān)系Fig.9 The relationship between the number of impact craters and the ratio of depth to diameter

前述分析表明，火星著陸區(qū)附近的撞擊坑主要由大型撞擊事件的二次坑以及部分被侵蝕、填充的撞擊坑構(gòu)成，二次坑在形成時撞擊的能量密度遠(yuǎn)小于初始撞擊坑，體現(xiàn)在撞擊的深徑比小于簡單撞擊坑。烏托邦平原先后經(jīng)歷了沉積填充和火山熔巖流填充、流水侵蝕與填充、盆底反彈等地質(zhì)構(gòu)造過程[34]，這些地表重塑事件對撞擊坑存在不同程度的影響，以致使用最新的數(shù)據(jù)提取的深度信息，可能并非它們初始形成時的深度，所以反映在深徑比數(shù)值上會偏小。

由于DEM底圖分辨率和撞擊坑完整性直徑結(jié)果的影響，本文分別提取深度大于3.5 m（圖10）與直徑大于100 m的（圖11）撞擊坑深徑比進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)深度大于3.5 m的撞擊坑深徑比主要分布在0.016～0.106之間；直徑大于100 m的撞擊坑深徑比主要分布在0.001～0.136之間。單一因子深徑比結(jié)果均分布在相對較小的量級范圍內(nèi)[18]，說明研究區(qū)撞擊坑可能被沉積物填充以及風(fēng)沙侵蝕等因素影響的程度較高。

圖10 深度大于3.5 m的撞擊坑深徑比情況Fig.10 Depth to diameter ratio of impact craters with a depth greater than 3.5 m

圖11 直徑大于100 m的撞擊坑深徑比情況Fig.11 Depth to diameter ratio of impact craters with a diameter greater than 100 m

無論是使用何種分辨率的影像對撞擊坑進(jìn)行深徑比提取，得到火星的簡單撞擊坑深徑比都接近0.2。本文中研究區(qū)撞擊坑深徑比普遍較低，這與研究區(qū)經(jīng)歷的地質(zhì)改造事件有直接關(guān)系，同時說明研究區(qū)內(nèi)撞擊坑都經(jīng)歷過不同程度的沉積填充或者風(fēng)沙侵蝕。利用更高分辨率的HiRISE影像可以查驗(yàn)出，直徑較大的撞擊坑內(nèi)部均存在不同程度的填充，并且部分撞擊坑內(nèi)部已經(jīng)沉積了大量的線狀沙波紋（見圖5）。

4 結(jié) 論

本文主要利用高分辨率的火星CTX數(shù)據(jù)，對“天問一號”著陸區(qū)的地質(zhì)環(huán)境以及火星車的行駛環(huán)境進(jìn)行分析。著陸點(diǎn)周邊20 km范圍內(nèi)的區(qū)域內(nèi)，除了包含大規(guī)模的小型撞擊坑以及大量的橫向風(fēng)成脊外，還存在很多的凹錐、構(gòu)造脊和溝槽。這些復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造類型說明火星烏托邦平原曾經(jīng)歷過比較復(fù)雜的地質(zhì)改造事件，是各種內(nèi)外動力共同作用的結(jié)果。

利用“天問一號”軌道器影像制作的高精度DEM數(shù)據(jù)，提取了典型區(qū)內(nèi)撞擊坑的深度，并計(jì)算深徑比。研究表明：火星著陸區(qū)表面的撞擊坑大部分為二次坑或是已經(jīng)退化的撞擊坑，它們的深徑比介于0.001～0.136之間。根據(jù)Sholes[36]等最新的數(shù)據(jù)庫顯示，古海陸交界地處“祝融號”火星車的正南方向，最近距離約為180 km，并且在180～300 km之間存在過渡帶。著陸區(qū)形貌分析表明，如果“祝融號”火星車能夠持續(xù)平穩(wěn)南向運(yùn)行，則有望實(shí)現(xiàn)對火星凹錐、構(gòu)造脊以及古海陸交界處等地貌特征進(jìn)行詳細(xì)探查以及就位光譜探測。