形态成因耦合的月球地貌类型分类体系与撞击地貌智能识别研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 邓佳音 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 程维明 |
| 关键词 | 月球地貌 形态分类 成因分类 多层级分类体系 撞击坑地貌分割 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 月球是地球唯一的天然卫星，也是人类走向深空的第一站。对月球的研究一直是包括地理学在内的多个学科的前沿问题，而对月表的研究是该领域的重点问题。月球地貌是月球表面发生的地质和地貌过程的结果，对月球地貌的研究是认识月球起源与演化的科学基础，而月球地貌分类与智能识别研究是月球地貌图制图的基础和关键科学问题。 目前地球地貌分类方案的成熟及月球高分辨率数据的获取为月球地貌分类研究、月貌多层级分类体系的构建、月貌类型的分割等提供了技术和数据支撑，但针对月球地貌类型的分类、月貌多层级分类体系及全月撞击坑地貌的分割和分异研究存在一定的问题和空白。首先，目前已有研究多集中于对单个地貌类型的研究或者集中于对具有相同成因地貌类型的特征研究，缺乏从动力学演化角度对全月地貌类型的研究。其次，现有的月球地貌的等级分类体系中对参与分类的特征因子考虑不够全面，缺乏对分类指标的定量化研究。第三，月貌地貌类型复杂多样，针对撞击坑地貌边界的绘制仍然以专家知识的目视解译为主，如何快速提取撞击坑微形态亚类边界是现阶段急需解决的问题。最后，撞击地貌类型是月球地貌图中覆盖范围最广、对月表地貌塑造和改造作用最剧烈的地貌类型。现有的地质图中对撞击地貌的表达主要以年代为主，缺乏综合考虑撞击地貌的形态、成因、物质及年代相结合的综合制图表达和演化分析。 基于以上，本文首先基于海拔和起伏度两个基本形态指标，从形态角度对月球地貌进行分类；其次，基于月球动力学演化历史的梳理，从成因角度对月球地貌类型进行分类；再次，耦合形态和成因两个要素，形成月球地貌类型多层级、系统完整的分类体系；以撞击坑地貌为例，使用深度学习算法实现对月球撞击坑地貌微形态亚类的分割；最后，以撞击坑地貌为例形成形态成因耦合的月貌制图方案，并对撞击坑地貌的差异和演化进行定量分析。主要成果和结论如下： （1）月球地貌宏观形态分类 高程和起伏度是描述地貌形态的最基本的地貌形态指标。本文基于月表不同分辨率的高程数据，采用两次均值变点法确定了月表地形起伏计算的最佳窗口，并对全月地形起伏度进行计算，从月表分布最广泛的地貌特征出发，对撞击地貌及包括月海平原和月陆单元在内的非撞击地貌的月表起伏形态分异和分布特征进行分析和统计，确定了月表起伏度的分级标准。最终，以高程分级标准和起伏度分级标准组合的形式确定了33种月表宏观基本形态类型。 （2）月球地貌类型成因分类方案 通过对月球动力学演化历史进行梳理，对外动力作用的撞击成坑机制及内动力作用的岩浆起源模型和火山作用模型进行分析，确定了月球演化不同阶段所形成的地貌类型，形成了对月球地貌成因类型的系统认识。根据月球地貌的形成机制对月球地貌类型进行梳理，将月球地貌分为撞击地貌类型及火山地貌类型。撞击地貌类型中根据撞击成坑机制及撞击规模将撞击地貌类型分为撞击坑、撞击盆地、次级坑及撞击断裂四种地貌类型。火山地貌类型中根据火山作用模型以岩墙在月壳中上升的位置对月球火山活动形成的地貌类型进行分类，将火山地貌分为岩浆上涌未至月表时形成的地貌特征、岩浆上涌至月表时形成的地貌特征及岩浆冷却后热演化后期形成的火山地貌类型。 （3）月球地貌等级分类体系 首先，基于WAC影像和地形数据从地形地貌的角度，确定了全月地貌分区框架，将地貌分区与地貌类型剥离，提出月海区域、高地区域及南极艾肯区域的三分月球地貌框架，并在1：50万比例尺的基础上绘制月球地貌分区边界，并利用纬度地形及随机点采样的方法对所确定的分区框架的合理性进行了验证；其次，根据形态成因耦合的分类方法，参考地球地貌分类方案，综合考虑月球地貌的宏观基本形态特征、成因、地貌组合形态特征、微形态特征、坡面形态特征、物质组成与岩性特征及地貌年代特征等多种分类指标，提出月球地貌三等八级分类方案，构建了系统完整的月球地貌分类体系，为月貌制图建立统一标准。 （4）基于深度学习的月貌类型分割—以撞击坑为例 以撞击坑地貌为例，基于深度学习技术对撞击坑地貌微形态亚类进行自动提取。首先，分析撞击坑地貌微形态亚类在不同影像中的特征值分布差异分析，筛选出输入数据的最佳影像组合，并进行相应的样本标注，构建深度学习所需的训练数据集；其次，以传统的U-Net网络模型为基础，以DEM及地形衍生数据为输入数据，构建多通道输入的Crater3-Net网络模型，并进行模型的训练和优化；最后，以mIoU（平均类别交并比）和mPA（平均像素精度）为指标，对模型的效果进行定量评估，并进行全月直径大于5 km撞击坑分割。对测试数据的分割结果显示，Crater3-Net模型对撞击坑微形态有着较好的分割效果，其结果的mIoU接近0.8，mPA超过0.95。进一步对比Crater3-Net模型对不同撞击坑微形态亚类的分割结果发现，该模型对能区分撞击坑类型的撞击坑微形态亚类的分割精度较高，但是对存在退化的撞击坑及被周围撞击事件破环的撞击坑的分割精度有进一步提升的空间。此外，Crater3-Net模型可以较好的区别中央峰、坑底及坑壁，为月球地貌的快速制图提供了可行方案。 （5）形态成因耦合的月球撞击坑地貌制图与演化 基于本文构建的月球地貌等级分类体系，利用最新获取的国内外高分辨率数据，以嫦娥五号着陆区的撞击坑地貌制图为例，提出了流程化的编图方案，在此方案的基础上完成了全月撞击坑地貌制图，并进行了撞击坑地貌的差异性和演化分析。在编制的撞击坑地貌图的基础上，提取其形态指标和地形指标，从撞击坑亚类单元出发，定量分析靶体制约下的差异性及年代制约下的演化过程，探讨撞击坑形成后的改造和退化作用。结果显示，撞击坑年代信息及所处的靶体区域对其形态差异有较大影响；撞击坑年代与深径比之间存在一定的负相关，对于圆度指数而言，随着月球历史展开，从艾肯纪到哥白尼纪，撞击坑的圆度指数呈现上升的趋势，对于撞击坑地貌的地形粗糙度指标而言，撞击坑粗糙度随着年龄的增长呈现下降趋势。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 194 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199879]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 邓佳音. 形态成因耦合的月球地貌类型分类体系与撞击地貌智能识别研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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