火星撞击坑地貌的智能识别与退化规律分析
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘丹阳 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 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 | 火星撞击坑 智能识别 退化状态评估 火星地貌分区 撞击坑退化规律 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 火星是太阳系内与地球最相似的行星。火星不仅拥有类似地球的外营力作用，还具备类似月球的撞击地貌。因此，火星是一个存在多种地貌过程的复合版星球，一直以来都吸引了许多研究者的目光。火星撞击坑不仅分布广泛，其准确边界形态还记录了撞击坑的退化过程，是研究火星地貌的重要切入点。此外，撞击坑的退化状态反映了地貌改造过程，火星地貌过程是撞击坑退化非常重要的驱动因素。 目前在火星撞击坑智能识别及其退化因素方面的研究仍存在一些问题。第一，火星撞击坑的识别多关注其数量和直径，较少涉及识别准确边界，尚未构建准确边界的目录。而撞击坑的准确边界是评估撞击坑退化状态的基础。第二，全球范围的火星撞击坑的退化状态未得到充分评估，存在较大的主观性，传统评估方法工作量巨大。第三，目前在火星地貌领域，兼顾构造、形貌、成因的火星地貌分区体系仍是空白，缺乏对全球范围内不同地貌分区的撞击坑及其退化状态的相关参数分析。第四，火星撞击坑退化状态与火星地貌的耦合关系未被揭示，不同营力作用对撞击坑退化的影响未被量化。 鉴于上述科学挑战，研究从火星撞击坑的准确边界入手。通过多源数据（如光学影像、DEM、地质图资料、火星地貌要素数据库等），采用耦合地学知识和深度学习的智能方法识别撞击坑准确边界，以可解释型机器学习方法评估撞击坑退化状态，制定火星地貌分区体系，归纳不同退化状态的火星撞击坑随地貌单元与地质年代的分布规律，分析撞击坑退化过程，揭示撞击坑在不同营力改造下的退化规律。具体内容如下： （1） 火星撞击坑边界智能识别方法. 分析撞击坑边界处地形特征和形态特征，利用多源数据生成融合数据；从识 别撞击坑准确边界的需求出发，构建耦合地学知识和深度学习的模型架构，采用集成学习的思想，融合Mask R-CNN与Mask2Former模型，识别火星全球撞击坑的准确边界；将该识别结果与现有公布的撞击坑目录对比，从位置精度、边界精度、数量等方面评价耦合地学知识和深度学习方法的识别效果。 （2） 火星全球撞击坑准确边界及退化状态目录. 采用上述智能识别方法，构建火星全球撞击坑准确边界目录，参数化坑唇处粗糙度、完整度、坑底形态等特征，制定退化状态评估指标体系；分析撞击坑退化状态，将其分为新鲜、部分退化、严重退化，使用机器学习中的随机森林模型，评估全球撞击坑的退化状态，分析每一个地形和形态参数对撞击坑退化状态评估的影响；将火星撞击坑准确边界及退化状态目录分别与已发布目录和人工识别结果进行对比，计算全球撞击坑位置与直径、边界、退化状态的精度。 （3） 火星撞击造貌区域差异性分析. 以火星地貌分区为前提，围绕撞击坑的形态和地形参数展开统计分析，揭示撞击坑在不同地貌单元中的分布特征及其区域差异性。参考地球地貌类型分区体系，系统化分析火星地貌形态与成因机制。基于构造、地球物理、宏观地形特征等不同要素数据绘制火星大地构造域界线，作为一级地貌大区的分界线。基于不同地形因子，通过最佳地形因子组合及相似度方法聚类地质单元，划定二级地貌地区的分界线。收集火山、冰川、风沙、流水地貌数据，以自适应最优带宽核密度估计法得到的营力作用区域作为三级地貌区的分界线。最后，在“地貌大区—地貌地区—地貌区”的基础上，叠加撞击坑的形态、地形参数，分析其区域差异性，归纳火星撞击坑退化在不同地质年代与地貌过程中的时空分异规律。 （4） 火星撞击坑退化规律分析. 进一步分析撞击坑从形成到严重退化所经历的改造过程。根据火星地貌分区范围，结合撞击坑定年结果，确定影响撞击坑退化的潜在驱动因素。以撞击坑退化状态为因变量，以撞击坑形成时间、重力坍塌、火山作用、冰川作用、风成作用、水成作用、后续撞击作用等影响因素为自变量，采取地理加权回归、多尺度地理加权回归、随机森林模型、LightGBM模型、XGBoost模型等五种方法拟合退化过程。结果表明，从全球来看，撞击坑形成初始时间、沟谷网络改造、后续撞击是撞击坑退化最重要的影响因素，火星晚诺亚纪到西方纪时期增强的水流活动成为塑造火星地貌最深刻的改造力，印证了火星早期温暖湿润的气候条件下高侵蚀率对撞击坑退化的影响。 该研究以火星撞击坑退化为研究对象，从撞击坑准确边界识别方法、全球撞击坑退化状态评估、火星撞击造貌区域差异性分析、撞击坑退化规律分析这四个研究内容来展开。四个研究内容之间相互联系，准确边界识别、目录构建、参数计算是为了评估撞击坑的退化状态，即获取表征撞击坑退化现状的数据基础；研究地貌类型分区体系、撞击坑退化时空分异规律、退化因素是为了探究撞击坑退化的内在因素，即挖掘撞击坑退化现状存在的内因。外在表征和内因分析都紧紧围绕火星撞击坑退化这一主题，形成了一套撞击坑准确边界识别框架和退化状态目录，建立了撞击坑退化与地貌过程之间的联系。从撞击坑的角度为将来火星地质地貌制图、火星气候变化研究、火星乃至未来地球的地貌演化提供了参考。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 187 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217357]  |
| 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 | 刘丹阳. 火星撞击坑地貌的智能识别与退化规律分析[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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