模拟月表的二向性反射及其光谱混合机理研究

通过研究月表二向性反射的几何光学和辐射传输模型，根据月表的结构和我国"嫦娥"卫星载荷的空间分辨率、观测几何和光谱特征，在相对比较成熟的月表Hapke模型基础上，研究月表二向性反射机理，并利用月表三维数字地形模型，建立一个月表二层Hapke模型，既顾及月表宏观地形坡度、坡向等地形影响，也考虑到月表局部尺度结构的影响，进一步完善月表二向性反射率模型。同时，利用拟建立的模拟月壤二层Hapke模型，研究月表主要组成（玻璃质、岩石、矿物）及其两层混合物的二向性反射光谱混合机理，考虑阴影和一致性相反效应的影响，建立月表光谱混合模型。而且，通过模拟月壤的二向性反射率观测试验和"嫦娥"卫星相关载荷数据的试验应用来评价验证相关模型。由此，不仅能够满足我国 "嫦娥一号"卫星相关载荷数据处理和地学分析应用需要,而且能够提供对地观测系统载荷定标和为太阳系其它类月星体表面光谱特征研究提供原型参考。

围绕项目的研究任务和目标，开展的研究工作及其取得的成果有：. （1）月表典型矿物二向性反射光谱特性观测试验研究。 分别采集模拟月表的典型造岩矿物-斜长石、单斜辉石、橄榄石和斜方辉石，测试其多角度高光谱反射特性，分析了不同观测几何条件下（入射角、出射角、方位角、相位角），以及矿物的不同晶面和粒度对其反射光谱的影响，并证实矿物的反射率与其化学成分存在相关关系。以Apollo16号登陆点样品数据模拟月表BRF，与模拟样品的BRF光谱走向趋势相同、波峰及波谷的位置基本一致，可近似采用模拟样品代表月表真实样品。这样，根据实验测试数据得到了月表不同粒度的典型矿物二向性反射率，由此反演得到不同矿物的平均单次反照率。. （2）完善经典月表二向性反射光谱模型。Hapke模型是行星探测领域应用最为广泛和最成功的二向性反射光谱模型。针对月表宏观粗糙度和相干后向散射 (coherent backscatter)的影响，分别进行了改进。根据月表地形起伏所产生的观测点周围地形对该点反射率的“增益”效应，考虑宏观地形的坡向决定了观测地形的起伏，研究中通过顾及宏观地形坡度和坡向，完善经典的月表二向性反射光谱模型，并解算了模型参数。敏感性分析表明，宏观地形的坡度、坡向对月球表面反射率的影响显著，相对理想平坦地面的最大改变量接近30%。以虹湾地区为例，实现月表反射率的地形校正。校正后阳坡反射率有所抑制，阴坡则有一定的增强。. （3）简化月表混合光谱模型及混合光谱分解反演矿物成分。在传统月表矿物含量反演的混合光谱模型中引入宏观地形改正并简化的各向同性Hapke模型。以粒径在120μm～150μm范围内的斜长石和单斜辉石作为端元矿物为例，发现多角度观测下的混合物单次反照率反演结果更接近于端元矿物根据相对百分含量的加权和。这样，多角度观测的混合光谱验证了简化的混合光谱模型。以Apollo 17登月点为例，比较评价是否考虑宏观地形影响的月表矿物含量反演，并以Apollo 16登月点为例，比较混合光谱分解与多元回归分析方法反演的矿物含量，提出不同矿物应选择采用两种不同方法。由此，应用到虹湾地区矿物成分反演。. 通过该研究，已发表14篇论文，其中SCI收录4篇，EI收录4篇；出版专著1本； 2次境外学术会议口头报告；培养3名博士和硕士研究生。