虹湾地区橄榄石的光谱特征及其镁数(Fo#)分析

研究橄榄石的分布和成分,对于估测如月球类的火成岩行星体的地质演化有重要的意义。以嫦娥系列卫星探测区域虹湾地区为例,基于M3高光谱数据采用波谱特征拟合方法调查橄榄石物质的分布情况。虹湾地区橄榄石主要分布在北部坑壁和侏罗山脉山脚,且周围伴生辉石及少量斜长石。所处地层单元为撞击产生的溅射物和弹射物,地质年龄较老。以月球橄榄石样品镁数为因变量,经改进高斯模型(MGM)拟合得到的月球橄榄石样品光谱吸收中心参数为自变量,利用多元线性回归的统计方法建立月球橄榄石物质的镁数(Fo#)反演模型。在此基础上,通过MGM模型提取虹湾18个橄榄石富集点光谱的吸收中心参数,利用镁数反演模型反演虹湾橄榄石的镁数。反演结果表明,虹湾橄榄石物质的镁数较高,均值为Fo~80.84,而富镁橄榄石指示了深源特性,因此虹湾地区的橄榄石绝大多数来自于月幔。     

一种月壤主要矿物组分含量反演的光谱解混方法

从月壤光谱中挖掘矿物含量信息是月球遥感探测的重要内容之一,矿物光谱混合规律复杂,光谱特征对测试环境、粒度、地形、背景极为敏感是难点。提出并试验了一种基于光谱分解反演矿物含量的方法。在光谱分解前采用光谱连续统去除突出光谱谱形,分解中综合运用了光谱反射峰(介于两个吸收谷之间的光谱曲线向上凸起的部分)与吸收谷,分解后采用Hapke模型修正光谱非线性混合的影响,在混合端元光谱、端元化学成分与粒度未知情况下,实现了对月壤四种主要矿物橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、斜长石的43条混合光谱的盲分解与矿物含量反演,反演的残差、误差、线性拟合相关系数(反演含量与真实含量)均值分别为5.0 Vol%,14.4 Vol%,0.92。该方法与反演结果可为月球高光谱矿物识别与填图提供参考与依据。     

土壤光谱重建的湿地土壤有机质含量多光谱反演

土壤有机质是湿地生态系统的重要元素,利用多光谱遥感技术可大尺度、快速获取其含量信息,对保护湿地生态系统具有重要意义。然而,由于不同地物光谱混合给多光谱数据带来光谱畸变,影响湿地土壤有机质含量的反演精度。为了消除不同地物光谱混合,实现湿地土壤有机质含量的准确、实时监测,以闽江鳝鱼滩湿地为研究区,利用线性波谱分解技术对原始影像的像元进行分解,重建土壤光谱,分析原始光谱、重建光谱与土壤有机质含量的相关性后,建立土壤有机质含量的反演模型。结果表明：利用线性波谱分解技术可有效消除原始影像中的植被端元,减少大部分道路及建筑物的反射干扰,重建后的土壤光谱特征曲线更趋近于自然状态下土壤的光谱曲线,重建效果显著;通过两种光谱与土壤有机质含量的相关系数对比,重建光谱更能准确的反映土壤光谱与土壤有机质含量的相关性;运用重建光谱构建土壤有机质含量的反演模型,其预测精度优于基于原始光谱的反演模型,R2和F分别提高0.124和2.223,RMSE则降低0.106,1∶1线检验的预测值与实测值的拟合度更高,模型可行且有效。由此得出结论,利用线性波谱分解技术消除不同地物光谱混合,重建土壤光谱,一定程度上可实现在自然条件下湿地土壤有机质含量的大面积、准确检测,具有较好的实际应用价值。     

基于高光谱的牛奶中真蛋白质含量反演

牛奶蛋白质的分析和监测是奶制品行业中不可或缺的环节利用可见光/近红外反射光谱(350～2 500 nm)进行纯牛奶中真蛋白质含量的快速定量反演。分别通过ASD地物光谱仪和CEM真蛋白质测定仪采集牛奶样本的反射光谱数据以及蛋白质含量数据,对比分析不同的光谱预处理方法和波段筛选方法,得到特征波段,最后利用主成分回归(PCR)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型建立牛奶反射光谱和蛋白质含量之间的定量校正模型,并对其预测能力进行比较,从而确定最优的牛奶中真蛋白质含量反演模型。实验结果证明：(1)比较不同光谱预处理方法,发现多元散射校正与二阶微分联合使用效果较好;(2)相对于全光谱建模,适当的特征变量优选有助于提高建模精度,缩短建模时间;(3)PCR的验证集决定系数R2_P为0.952 2,验证集均方根误差RMSEP为0.048 7,而LS-SVM的R2_P为0.958 0,RMSEP为0.048 2,其预测精度要优于PCR。研究表明,可见光/近红外高光谱反射率数据可以为牛奶真蛋白质含量的检测提供一种快速、无损的新方法。     

基于航空高光谱的黑土地硒含量反演研究

硒元素是人体必需的微量元素,研究土壤硒含量对区域土地质量和农作物经济价值均有重要意义。为了快速、准确地评价土壤硒含量分布状态,引入航空高光谱技术开展土壤硒元素含量反演。选择黑龙江省建三江地区作为研究区,采用CASI/SASI航空高光谱数据、ASD地面光谱数据和土壤样品硒含量数据,基于硒含量与光谱反射率的相关性和定量关系,采用偏最小二乘法构建了回归模型并开展研究区土壤硒含量遥感反演,模型决定系数达到0.721。利用地球化学数据进行反演结果的验证,对比结果表明反演数据可靠。     

相对反射深度的秦皇岛海域叶绿素浓度反演

海水中的叶绿素浓度是描述海洋初级生产力、获知浮游植物丰度及变化规律、评估环境质量、预报生态灾害的主要参数。国内外卫星遥感叶绿素产品的通用反演模型是利用不同波段上遥感反射光谱的强度比值来构建的OCx（x=2~6）算法,应用在一类水体中,全球尺度上的平均相对误差在35%左右。但对于固有光学特性复杂且具有较大区域差异性的二类水体,OCx算法误差较大甚至失效。现有研究成果表明,光谱的相对高度有利于特征波段信息提取及水色信号信噪比的提高。但基于相对高度构建反演模型,目前尚存在波段单一、应用面窄等问题。在我国近岸水体中,相对高度模型的构建方法及应用效果尚需进一步研究和验证。在对秦皇岛近岸海域的叶绿素浓度和表观光学参量进行原位测量的基础上,对高光谱数据进行了规范化处理,选取了特征波段并利用特征波段的相对反射深度构建了反演模型。模型反演值与实测值的相关系数为0.883 58,平均相对误差为28.33%;将模型与OCx等算法进行比较,平均相对误差均降低了27%～50%;模型验证估算值的平均相对误差为31.17%。在此基础上,对我国海洋卫星HY-1C水色水温扫描仪的多光谱数据及实测叶绿素浓度进行了相关分析,并基于443及520 nm处的相对反射深度建立了反演模型,模型估算值的平均相对误差比同期L2B产品降低了53.44%。结果表明,基于相对反射深度构建反演模型,可充分利用叶绿素特征波段信息、降低数据敏感性、提高水色要素的信噪比,进而大幅提高模型的反演精度及稳健性。对于水色要素的高光谱及多光谱反演模型构建、水体光学参量测量、卫星产品普及应用、初级生产力估算、生态环境监测、水动力过程研究等领域具有重要的科学意义及较强的应用价值。     

基于场地高光谱BRDF模型的绝对辐射定标方法

提出了一种基于场地地表高光谱双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法,摆脱了对卫星过境时刻同步观测的依赖,提高了遥感器在轨绝对辐射定标的效率与频次.利用无人机测量系统对敦煌辐射校正场进行了地表方向特性测量,基于半经验核驱动模型反演了敦煌场地的高光谱双向反射分布函数模型参数.用地表双向反射分布函数模型直接计算的卫星观测方向的地表高光谱反射率数据替代卫星过境时刻场地的地表同步测量数据,结合中分辨率成像光谱仪大气产品数据,实现了对Landsat-8卫星的陆地成像仪(OLI)在可见光至近红外波段的高频次绝对辐射定标.Landsat-8/OLI第1～6波段的卫星观测表观辐亮度值与模型计算表观辐亮度值的相对偏差均小于5%,标准差小于2%.基于无人机场地双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法的定标结果与卫星观测结果具有较高的一致性和稳定性.     

从高光谱卫星数据中提取植被覆盖区铜污染信息

重金属矿山开采活动对生态环境造成了复杂的影响,而植被的生长状况是矿山周围生态环境变化的重要指示因子。常规的对植被中重金属元素富集程度的估计方法往往依赖于大量的野外调查数据以及实验室化学分析方法,需要耗费大量的物力与时间。而通过光谱分析方法能够非接触地获取植被中的重金属含量信息。然而,从高光谱遥感卫星数据中反演植被重金属含量信息仍然是个比较困难的工作。从众多的卫星数据波段中找到对特定重金属元素敏感的波段是植被重金属含量提取的关键。该工作探索了一种基于统计分析的方法从国产卫星（HJ-1）高光谱数据中实现特征波段发现与重金属含量提取,该方法基于野外实测数据集与环境星高光谱遥感图像,选取叶片铜离子含量作为重金属铜污染程度的指示因子,利用44组德兴铜矿植被覆盖区的叶片铜离子含量数据与逐步多元线性回归与交叉验证方法,实现了环境星高光谱反射光谱与叶片铜离子含量的统计建模。将统计模型应用于德兴铜矿研究区,生成了德兴铜矿植被覆盖区叶片铜离子含量分布图。结果表明,该工作建立的重金属含量估计模型具有明显的统计学意义,叶片铜离子含量对516 nm附近的冠层反射光谱最为敏感。矿区铜含量制图结果表明,德兴铜矿植被覆盖区铜离子含量的分布范围介于0～130 mg·kg-1之间,铜离子含量在德兴市东南角和铜矿周围的植被覆盖区域含量最高,均介于80～100 mg·kg-1之间。制图结果可以为德兴铜矿重金属铜污染的预防与治理提供基础数据支持。     

基于野外双向反射信息利用反射模型反演土壤含水量研究

为了分析土壤含水量对双向反射的影响以及反演土壤含水量,研究了基于野外实测多角度高光谱数据,获取了双向反射模型的参数,并且通过模型计算值反演土壤含水量。通过分析在3个波段以及不同角度反演的模型参数与含水量之间的关系,发现在不同角度利用模型反演土壤含水量的结果具有差异性;并且在865 nm处反演精度最稳定。这表明利用双向反射分布特性能够以较高的精度反演土壤含水量,同时也应该考虑方向反射对反演精度的影响。     

多光谱图像的玉米叶片含水量检测

水是植物正常生长发育必不可缺的元素之一,能够快速检测并获取植物叶片水分,对田间作物灌溉生产管理和作物的生理需水特性研究等具有重要的意义。利用RedEdge-M型号多光谱相机,以不同生育期的55组玉米叶片作为试验对象,在光线充足且无阴影遮挡的环境下对试验玉米叶片样本进行拍摄,拍摄过程中通过直连下行光传感器来消除太阳高度角对光谱反射的影响,每组玉米叶片样本经过拍摄可得到蓝、绿、红、近红外和红边等5个波段的TIFF图像。借助图像处理软件ENVI5.3构建玉米叶片样本兴趣区域(ROI),以ROI范围内玉米叶片样本的平均反射光谱作为该样本的反射光谱来减小镜头边缘减光现象带来的误差。参照标准白板出厂时提供的专属标定反射率、白板ROI范围内的平均反射光谱和玉米叶片样本白板ROI范围内的平均反射光谱,比值换算得到各组玉米叶片5个波段处的光谱反射率。同时利用YLS-D型号植物营养测定仪,采用五点取样法选择玉米叶片的5个区域测取玉米叶片样本的水厚度平均值作为叶片含水量的测量指标。随机选取43组玉米叶片样本得出的光谱反射率作为训练样本,采用BP神经网络建立基于多光谱图像的玉米叶片含水量反演模型,并融合莱文贝格-马夸特理论(Levenberg-Marquardt,L-M)进行经典神经网络现有缺点的改进。输入神经元数目为5个,即蓝、绿、红、近红外和红边等5个波段图像对应的反射率,输出神经元为1个,即玉米叶片含水量。剩余12组玉米叶片作为验证样本用于模型反演数据的相关性分析,结果表明,利用多光谱图像光谱信息并结合基于Levenberg-Marquardt方法改进后BP神经网络玉米叶片含水量反演模型,模型反演的拟合相关系数能达到0.896 37, 12组验证集中玉米叶片含水量参考值和反演值的相关系数r达到0.894 8,反演结果比较理想。可以实现对玉米叶片含水量的快速准确检测,对精准农业的推广和应用提供了方法和参考依据。     

基于月面图像的大气波前倾斜量提取算法的性能分析

 为了提高月球激光测距试验中的回波光子数,考虑将自适应光学技术应用于云南天文台1.2 m光学望远镜,以实时校正望远镜跟踪误差和由于大气湍流的影响而造成的到达月球表面的激光束的扩展与漂移效应。针对月面为低对比度扩展源的特点,利用互相关函数法及绝对差分算法对采集的月面图像进行了大气波前倾斜量的提取。模拟了未去除和去除大气波前倾斜量的月面长曝光图像,发现去除大气波前倾斜量后的图像对比度较未去除有了相应提高。研究表明：月球激光测距试验中,绝对差分算法更适合用来提取大气波前倾斜量。     

月球微磁层的探测

近月空间环境中的等离子体特性是嫦娥一号及二号卫星的重要科学探测目标之一.基于嫦娥卫星上搭载的太阳风离子探测器(SWID)的测量结果,文章作者对月球表面磁异常结构(LMA)与太阳风相互作用这一空间科学中的热点问题进行了探索,并通过质子相空间分布的信息,初步确认了磁异常结构可以对入射原始太阳风起到屏蔽及加热的作用,形成所谓的"微磁层"结构.这是国际上为数不多的微磁层存在证据之一.文章作者期待这一研究(及后续工作)将不仅对月球表面空间风化效应的研究产生推动作用,同时也将有助于百公里尺度上(即质子回旋半径与宏观尺度相当条件下)的磁层物理学研究的发展.     

Penumbra lunar eclipse observations reveal anomalous thermal performance of Lunakhod 2 reflectors

As the signal reflected by the corner-cube reflector arrays is very weak and easily submerged during the full moon, we analyze the influence of the thermal effect of corner-cube reflector arrays on the intensity of lunar laser ranging echo. Laser ranging measurements during the penumbra lunar eclipse verify suspected thermal deformation in the Lunakhod 2 reflectors. Signal levels vary over two orders of magnitude as the penumbra eclipse progresses. This can be explained by the change in the dihedral angle of the corner-cube reflectors caused by the temperature. The results show that when the dihedral angle errors reach 1', the energy is reduced by 100 times compared with the ideal corner-cube reflector. In the experiment, our findings suggest that when the corner-cube reflector arrays enter the penumbra of the earth, the effective echo signal level which reaches 0.18 photons/s far exceeds the historical level of the full moon. However, 11 minutes after the penumbra lunar eclipse, the effective echo rate of Lunakhod 2 will drop two orders of magnitude. The mechanism can explain the acute signal deficit observed at full moon.     

基于Matlab/Simulink的嫦娥一号探月轨道运动的动态仿真

本文建立了嫦娥一号卫星在有心力场中做轨道运动的动力学方程,使用Matlab中的Simulink仿真工具实现了卫星在不同轨道的运动和变换,并模拟了卫星轨道运动的实时高度和角速度.     

探月飞行器效能评估研究与实践

航天器飞行效能评估是整器级测试验证以及在轨飞行结果评价中不可或缺的重要环节,针对我国探月三期月地高速再入返回飞行试验,提出了一种基于任务剖面的航天器飞行效能评估方案;提取7个任务剖面、17个约束条件,建立面向月地再入返回过程的指标评估体系;通过定量、定性指标量化计算、权重系数层次分析法计算各任务剖面的能力度量值,解决了系统目标完成能力不易定量描述的难题,实现了对月地转移段、大气层外自由飞行段、再入段、跃出段等过程自主飞行能力的科学定量评估,对后续月球无人采样返回、火星探测等探测器系统的效能评估具有一定参考意义;该方法已应用于月地高速再入返回飞行器系统。     

基于Matlab/Simulink的嫦娥二号探月轨道运动的动态仿真

建立了嫦娥二号卫星在有心力场中做轨道运动的动力学模型,使用MATLAB中的SIMU-LINK仿真工具实现了卫星在不同轨道的运动,并得到了卫星轨道运动的实时高度曲线。     

Double lunar swing-by orbits revisited

The double lunar swing-by orbits are a special kind of orbits in the Earth-Moon system.These orbits repeatedly pass through the vicinity of the Moon and change their shapes due to the Moon’s gravity.In the synodic frame of the circular restricted three-body problem consisting of the Earth and the Moon,these orbits are periodic,with two close approaches to the Moon in every orbit period.In this paper,these orbits are revisited.It is found that these orbits belong to the symmetric horseshoe periodic families which bifurcate from the planar Lyapunov family around the collinear libration point L3.Usually,the double lunar swing-by orbits have k=i+j loops,where i is the number of the inner loops and j is the number of outer loops.The genealogy of these orbits with different i and j is studied in this paper.That is,how these double lunar swing-by orbits are organized in the symmetric horseshoe periodic families is explored.In addition,the 2n lunar swing-by orbits(n≥2)with 2n close approaches to the Moon in one orbit period are also studied.     

基本参数法在地面验证实验中的的应用

As the nearest celestial body to the earth, the moon has become a hot spot again in astronomy field recently. The element analysis is a much important subject in many lunar projects. Remote X-ray spectrometry plays an important role in the geochemical exploration of the solar bodies. Because of the quasi-vacuum atmosphere on the moon, which has no absorption of X-ray, the X-ray fluorescence analysis is an effective way to determine the elemental abundance of lunar surface. The CE-1 X-ray fluorescence spectrometer （CE-1/XFS） aims to map the major elemental compositions on the lunar surface. This paper describes a method for quantitative analysis of elemental compositions. A series of ground base experiments are done to examine the capability of XFS. The obtained results, which show a reasonable agreement with the certified values at a 30% uncertainty level for major elements, are presented.     

Distribution of charged lunar dust in the south polar region of the moon

Lunar dust is one of the most threatening problems confronting the return of human beings to the moon. In this work we studied the spatial distribution behavior of charged lunar dust in the solar wind plasma environment in the south polar region of the moon and considered the influence of a mini-crater using Spacecraft Plasma Interactions Software. The distribution of dust and plasma at low solar altitude angles of 20° and 0° was studied, and the spatial density of lunar dust was ~10^10.4 m^-3 and ~10^11.5 m^-3, respectively. This is because a higher surface potential will result in transportation of small dust particles and photoelectrons can also neutralize positively charged lunar dust. The dust density in the plasma void region created by a mini-crater with a 5 m high wall was studied. We obtained a quasi-neutral electric environment in the plasma void region of the mini-crater, and the dust density was about a magnitude lower than that in other regions. The dust risk to a spacesuit is much lower on the nightside than on the dayside, but there is severe charged lunar dust transport in the region between light and shade, which is dominated by the difference in surface and plasma potential caused by photoelectrons.     

LUT:A Lunar-based Ultraviolet Telescope

The Lunar-based Ultraviolet Telescope (LUT) is a funded lunar-based ultraviolet telescope dedicated to continuously monitoring variable stars for as long as dozens of days and performing low Galactic latitude sky surveys. The slow and smooth spin of the Moon makes its step by step pointing strategy possible. A flat mirror mounted on a gimbal mount is configured to enlarge the sky coverage of the LUT. A Ritchey-Chrétien telescope with a Nasmyth focus configuration is adopted to reduce the total length of the...