火星含水礦物精細(xì)類別的高光譜遙感探測(cè)方法研究

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1、摘要摘要含水礦物對(duì)火星地質(zhì)過程和早期水環(huán)境具有直接指示作用，研究火星含水礦物空間分布、含量及形成過程，有助于火星的地質(zhì)及氣候演化分析，而水環(huán)境往往和生物活動(dòng)緊密相關(guān)，因此含水礦物探測(cè)對(duì)火星宜居性演化分析和尋找地外生命也具有重要價(jià)值。含水礦物精細(xì)類別組合的探測(cè)更能限定礦物成因，進(jìn)而限定火星早期的地質(zhì)和氣候環(huán)境。火星含水礦物具有含量低、分布零散及背景礦物未知或不確定等特點(diǎn)，再加上礦物非線性混合的復(fù)雜性、儀器噪聲及光譜變異性等，導(dǎo)致從火星高光譜圖像上識(shí)別和定量化精細(xì)類別的含水礦物存在困難。本文針對(duì)以上問題和難點(diǎn)，研究含水礦物精細(xì)類別的識(shí)別

2、與定量反演方法，從火星高光譜遙感數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確獲取含水礦物的類別及豐度，并推測(cè)礦物成因，為揭示火星早期水環(huán)境、分析地質(zhì)演化過程等提供重要的礦物學(xué)信息。論文的主要研究成果和結(jié)論如下：1）研究了含水礦物在短波紅外譜段的光譜特征。含水礦物在短波紅外譜段的光譜特征主要是由水分子和羥基、碳酸根基團(tuán)或硫酸根基團(tuán)振動(dòng)以及陽離子的配位等產(chǎn)生。鐵鎂層狀硅酸鹽的主要吸收特征位于水分子和羥基產(chǎn)生的1.4μm和1.9μm以及~2.28-2.32μm，鋁層狀硅酸鹽在2.2μm處有強(qiáng)烈的吸收，多水硫酸鹽在1.9μm附近有吸收特征，一水硫酸鹽2.1μm處也存在吸收特

3、征，水分子的合頻和/或倍頻會(huì)使一水硫酸鹽和多水硫酸鹽在2.4μm左右出現(xiàn)一個(gè)吸收特征，碳酸鹽在~2.3μm和~2.5μm有相同強(qiáng)度的倍頻特征，含水硅在~2.2μm具有比較寬的吸收。含水礦物光譜特征的參量化能夠有效識(shí)別這些大類的含水礦物，但若確定礦物精細(xì)類別，需經(jīng)過復(fù)雜的目視解譯過程，且主觀性較強(qiáng)。2）提出了動(dòng)態(tài)窗口因子分析與目標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。本論文針對(duì)目前難以準(zhǔn)確識(shí)別火星精細(xì)類別含水礦物分布的現(xiàn)狀，提出動(dòng)態(tài)窗口因子分析與目標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，實(shí)現(xiàn)礦物的準(zhǔn)確定位。首先利用Hysime算法更客觀地獲得重要的因子來表達(dá)不同形狀移動(dòng)窗口內(nèi)的原始像元光譜

4、特征，然后利用提取的因子最小二乘擬合目標(biāo)礦物光譜，當(dāng)達(dá)到較好的擬合效果時(shí)則認(rèn)為窗口內(nèi)含有目標(biāo)礦物，不同形狀窗口重疊的像元即為目標(biāo)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室光譜和真實(shí)CRISM高光譜圖像數(shù)據(jù)驗(yàn)證，表明動(dòng)態(tài)窗口因子分析與目標(biāo)轉(zhuǎn)換方法能夠準(zhǔn)確獲得蛇紋石和菱鎂礦在圖像上的具體位置，也說明了此方法在火星其他礦物探測(cè)中的應(yīng)用潛力。動(dòng)態(tài)窗口因子分I火星含水礦物精細(xì)類別的高光譜遙感探測(cè)方法研究析和目標(biāo)轉(zhuǎn)換方法在NiliFossae地區(qū)的初步應(yīng)用首次發(fā)現(xiàn)了大量的蛇紋石分布。3）提出了基于稀疏解混的含水礦物定量反演方法。針對(duì)火星含水礦物的分布及混合特點(diǎn)，提出基于稀疏

5、解混的含水礦物定量反演方法。聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室純凈礦物光譜、圖像無特征光譜和人工合成光譜構(gòu)建端元光譜庫(kù)以解釋端元光譜變異性和圖像的背景、儀器噪聲及大氣校正殘留誤差等；將光譜庫(kù)和圖像反射率轉(zhuǎn)換到單次散射反照率空間并進(jìn)行歸一化，使得礦物的組合呈現(xiàn)線性特征并校正了實(shí)驗(yàn)室光譜和圖像光譜測(cè)量條件不一致引起的反射率尺度差異；基于稀疏解混算法從大的端元光譜庫(kù)中尋找到最優(yōu)的礦物組合來擬合圖像光譜并計(jì)算出相應(yīng)的豐度，避免了從圖像上直接提取端元的困難。利用已知礦物混合比例的實(shí)驗(yàn)室光譜和AVIRIS航空高光譜圖像數(shù)據(jù)以及已有較好研究的CRISM影像進(jìn)行反演方法的

6、驗(yàn)證，表明本文方法具有較高的反演精度?；谙∈杞饣斓暮V物定量反演方法在Nili槽溝地區(qū)獲得了置信度為95%的蛇紋石分布，與動(dòng)態(tài)窗口目標(biāo)轉(zhuǎn)換方法的探測(cè)結(jié)果具有很好的一致性。4）實(shí)現(xiàn)了Mars2020火星車備選著陸點(diǎn)含水礦物精細(xì)類別填圖。聯(lián)合動(dòng)態(tài)窗口因子分析與目標(biāo)轉(zhuǎn)換和基于稀疏解混的含水礦物定量反演方法對(duì)NASAMars2020火星車最終三個(gè)備選著陸區(qū)Jezero撞擊坑、NE流沙地帶和Columbia山丘進(jìn)行了含水礦物精細(xì)類別的定量化填圖。在Jezero撞擊坑沖積扇附近和NE流沙地帶南部區(qū)域探測(cè)到了大量的菱鎂礦，NE流沙地帶著陸橢圓

7、區(qū)探測(cè)到許多零散分布的菱鎂礦；在Jezero撞擊坑和NE流沙地帶首次探測(cè)到許多蛇紋石的出露點(diǎn)，從圖像對(duì)應(yīng)位置提取到了蛇紋石光譜，并進(jìn)一步與其他研究進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了本研究結(jié)果的可靠性；在CRISM圖像上沒有在Columbia山丘探測(cè)到含水礦物的存在，可能的原因是此區(qū)域的含水礦物被火山巖單元或灰塵等覆蓋。5）推測(cè)出Mars2020火星車備選著陸點(diǎn)含水礦物的成因。利用Jezero撞擊坑、NE流沙地帶以及Nili槽溝區(qū)域探測(cè)到含水礦物組合、基于CTX高空間分辨率圖像的地形地貌分析及蛇紋石化和碳酸鹽化反應(yīng)的地球化學(xué)條件進(jìn)行耦合分析，推測(cè)成

8、因分析。蛇紋石、菱鎂礦和滑石的礦物組合加上這些區(qū)域具有大量鎂橄欖石，說明此區(qū)域可能存在過蛇紋石化和碳酸鹽化的熱液系統(tǒng)，適宜生命的生存，極有可能存在生物標(biāo)志物。關(guān)鍵詞：火星，含水礦物，高光譜遙感，精細(xì)類別，識(shí)別，定量反演IIAbstra