多源探测数据对月球表面粗糙度的研究

In this project, multi-source lunar data sets from China's Chang-E 1, NASA's Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), and Japanese Kaguya lunar missions, such as laser altimeter, CCD stereo camera, Earth-based Arecibo radar, miniature synthetic aperture radar (Mini-SAR), lunar radar sounder (LRS), Apollo lunar surface closeup camera (ALSCC) data, are proposed to investigate lunar surface roughness, such as the root mean square height, correlation length, root mean square deviation, slope, root mean square slope and effective slope. Lunar surface roughness parameters at different horizontal scale will be calculated based on the digital elevation model of the Moon. Then, the variation between roughness and horizontal scale will be investigated, and the Hurst exponent map will be deduced for the whole lunar surface. The correlation between lunar surface roughness and morphology (maria, highlands, craters) is going to be investigated based on these data, and especially the correlation between roughness and shape, size, population of craters will be studied. In addition, the relationship between lunar surface roughness and surface age will be analyzed. Moreover, the correlation between lunar surface roughness and optical, passive microwave remote sensing, and radar remote sensing data will be analyzed, and the effect on how surface roughness modulates remote sensing data will be studied. Finally, interpretation of the bistatic radar echo from the permanently shadowed area at the lunar Polar Regions is going to be analyzed with the help of the roughness data.

本研究由"嫦娥"1号等多个月球探测计划的激光高度计、CCD立体相机、地基Arecibo雷达、微型合成孔径雷达、雷达探测仪、Apollo月表特写相机等仪器所获取的月球表面多源数据，根据不同仪器的探测原理，计算月球表面高度起伏方差、相关长度、均方根离差、坡度、均方根坡度、有效坡度等粗糙度参数，并构建月表粗糙度分布图。在此基础上，研究粗糙度随水平尺度的变化关系，计算月表粗糙度分形维数Hurst指数，构建其在月表的分布图。进一步，研究粗糙度随月表地形地貌（如月海、月陆、撞击坑）的分布特征，研究月表粗糙度与年龄之间的相关性，研究撞击坑的形状、大小、密度对月表粗糙度的影响，研究月表石块分布对粗糙度的影响。最后，分析月表光学、微波遥感数据与粗糙度之间的相关性，研究月表粗糙度对光学、被动微波遥感、雷达遥感数据的科学解译所带来的影响，特别探讨粗糙度对雷达探测月球两极阴影撞击坑内水冰的存在所带来的新启示。

月球表面粗糙度与月表的形成、改造、演化等科学问题密切相关，是科学解译月球遥感数据的关键参数之一，也可为月表安全着陆提供工程指导。本项目由多源月球探测数据系统研究月球表面粗糙度分布特征，并分析月表粗糙度对月球主被动微波遥感数据解译的影响。首先由“嫦娥”1号等多个月球探测计划的激光高度计、光学相机、雷达等多源数据，建立了月球表面高分辨率数字高程模型，计算并构建了月球表面多个粗糙度参数（高度起伏方差、双向坡度、均方根坡度、相关长度、Hurst指数）的分布图，分析了月表粗糙度的分布特征，分析了月表年龄与撞击坑密度、大小、形状对月表粗糙度的影响，并与水星北半球的粗糙度进行了比较。在雷达遥感与月表粗糙度研究中，建立了非均匀粗糙月表测月雷达回波仿真模型，分析了“嫦娥”3号着陆区测月雷达数据，推演了着陆区次表层分层结构，研究了着陆区月表的演化历史；研究了月表坡度对雷达回波的影响，建立了考虑月表石块分布的月壤层二元散射模型，分析了月球两极永久阴影区异常撞击坑回波特征，发现了月表石块是造成永久阴影区回波异常的潜在因素之一。在月球被动微波遥感中，分析了月表坡度、粗糙度对月表微波辐射亮度温度的影响，研究了典型撞击坑亮度温度随时间的变化，由月球日平均亮度温度反演了月壤层物理温度廓线。在这些工作的基础上，发表研究论文7篇，其中Journal of Geophysical Research- Planets 2篇，Geophysical Research Letters 2篇，Icarus 1篇，Journal of Applied Geophysics 1篇，中国科学1篇。另有1篇论文在评审中，1篇论文待投稿。.总之，本项目按照原计划执行，顺利完成了项目的研究内容，并圆满实现了研究目标。