月球撞击坑智能识别和年代标定方面取得重要进展

日前，吉林大学地球科学学院杨晨副教授联合吉林大学计算机科学与技术学院管仁初教授研究组、中国科学院国家天文台月球与深空探测重点实验室欧阳自远院士团队，在月球撞击坑智能识别和年代标定方面取得重要进展，新识别月球上近11万个撞击坑，并有超过18000个撞击坑被标定了地质年代。研究成果以“Lunar impact craters identification and age estimation with Chang'E data by deep and transfer learning（DOI: 10.1038/s41467-020-20215-y）”为题，于12月22日作为亮点(Highlighting)文章发表于Nature子刊《Nature Communications》。为我国首次建立了基于自动识别方法的精准月球撞击坑数据库，相关数据与模型对于月球及行星科学研究具有重要价值。该研究成果已被人民日报、新华社、中新社、NBC News、Popular Science、German Press Agency、Live Science、US News和CNN Digital等多家新闻媒体采访和报道。

图1. 嫦娥一号（Chang'e 1）与嫦娥二号（Chang'e-2）数据结合深度迁移学习的月球撞击坑识别。a.嫦娥一号和嫦娥二号数字正射影像（DOM）与DOM数据融合及多尺度撞击坑影像。b. 基于迁移学习的两阶段撞击坑检测流程图。c.嫦娥一号数据撞击坑检测图。

月球撞击坑（lunar impact craters）又被称为“月球化石”，是月球最典型的地貌单元及重要构造形态，它的形成与演化记录了太阳系的动态历史过程。月球撞击坑的有效识别和年代估计对于月球地形地貌、地质构造、月球的地质年龄及航天器着陆点锁定等至关重要。月球探测过程中，由专家人工或自动识别的月球撞击坑数据库相继建立。然而，由于识别方式与数据类型的差异性，使得现有数据库在撞击坑计数、位置和大小等方面存在一定分歧。

图2 月球表面撞击坑分布图。a. 已知具有名字的撞击坑（来自The International Astronomical Union, IAU）与具有年代的撞击坑（来自Lunar and Planetary Institute, LPI）分布。红色、棕色、黄色、绿色和蓝色分别表示前酒海纪、酒海纪、雨海纪、爱拉托逊纪和哥白尼纪撞击坑。灰色为具有名字的撞击坑但无确定年龄。b. 新识别撞击坑（直径在550km-8km之间）年代标定分布图。从时间尺度和空间分布上，不同年代撞击坑呈现出各自的特点。

本研究利用稀缺的已知具有名字和年代的撞击坑，构建了基于迁移学习的深度神经网络模型，从嫦娥一号（Chang'e 1）与嫦娥二号（Chang'e-2）数据中渐进式的检测撞击坑并估计其地质年代。109,956个新撞击坑被识别，数量为具有名字撞击坑的十几倍；18,996个（直径大于8km）的新识别撞击坑被标定了地质年代。新撞击坑与人工识别撞击坑数据库一致性高达85.30%，大型撞击坑和小型撞击坑假阳性分别为4.49%±0.7%和4.67%±2.1%。从空间分布与对比现有撞击坑年代学方法也证明了其年代标定的可靠性和一致性。基于深度迁移学习的撞击坑数据库对于月球及行星科学研究具有重要价值，该模型可协助科学家进行月球研究及应用于太阳系其他天体（如火星）。

该项研究工作由吉林大学、中国科学院国家天文台、意大利特伦托大学（University of Trento）和冰岛大学（University of Iceland）课题组合作完成。

这一研究工作得到中国月球探测计划——“嫦娥工程”、国家自然科学基金、吉林省科技厅发展计划等项目的支持。(文/吉林大学）