月壤化學成分在解譯月球的地質演化中起著至關重要的作用。盡管可以通過實驗室測量月球樣品輕松確定月壤化學成分，但目前有限的采樣點遠不能代表整個月球表面?；诳梢娊t外反射光譜反演月球主要元素含量，是估算月表未采樣區(qū)域化學成分的關鍵手段之一。一些模型如波段參數(shù)、偏最小二乘法和粒子群優(yōu)化-支持向量機等，在估算月球全球化學成分方面取得了成功。但仍然有一些問題不能忽視：首先，由于軌道數(shù)據(jù)的相對較粗的空間分辨率，返回的月球樣品的平均化學成分與軌道圖像的取樣點之間可能存在偏差；其次，六個阿波羅和三個月球號采樣點的化學成分多樣性，可能不足以代表月球表面元素含量的完整范圍；第三，這些模型中使用的光譜數(shù)據(jù)在要么波長范圍有限，要么波段數(shù)量有限。嫦娥三號、嫦娥四號和嫦娥五號任務獲取了月表新區(qū)域的就位高光譜數(shù)據(jù)，為驗證和改進月壤光譜-元素含量模型提供了重要的契機。
中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室劉洋研究員團隊的研究生趙振興在劉洋研究員的指導下，基于光譜導數(shù)、遺傳算法（GA）和偏最小二乘法（PLSR），結合美國阿波羅任務、前蘇聯(lián)月球號任務和中國嫦娥任務所獲取的月壤真值數(shù)據(jù)，構建了一個新的月壤光譜-元素含量模型（圖1），并將模型應用在嫦娥四號著陸區(qū)，反演得到了玉兔2號月球車沿行駛路徑的月壤元素含量。
圖1 方法流程圖。光譜導數(shù)方法用于提高原始光譜的對比度，進而提高線性模型的精度。GA為偏最小二乘法選擇合適的波段，排除無益波段，進而提高模型精度。
研究人員首先利用阿波羅和月球號任務的月壤樣品數(shù)據(jù)進行建模，并在嫦娥三號和嫦娥五號數(shù)據(jù)上進行測試。測試結果顯示，模型對大部分元素的反演結果較好，但對嫦娥三號的FeO估算偏低，對嫦娥五號的TiO2和MgO估算偏高。但在將嫦娥三號和嫦娥五號數(shù)據(jù)加入模型訓練過程后，以上偏差均被顯著減小。就位探測數(shù)據(jù)的質量有限且不確定度較實驗室數(shù)據(jù)更大，因此嫦娥三號和嫦娥五號的就位測量數(shù)據(jù)被用于訓練集，而嫦娥五號實驗室光譜數(shù)據(jù)被用于驗證集。最終構建的模型對FeO、TiO2、MgO、CaO和Al2O3的反演性能如圖2所示。
圖2 基于GA-PLSR模型反演的月壤氧化物含量與實測值對比。藍色R2計算自訓練集，橙色R2計算自驗證集，虛線代表 2 （即95%置信區(qū)間）。
在光譜測量的過程中，觀測幾何角度（出射角、出射角和方位角）會影響光譜的形狀，從而使定量解譯變得復雜。在任務的第10月晝，玉兔2號月球車對兩處臨近的月壤分別采集了具有不同太陽入射角的光譜。這些光譜以及由此估算得出的氧化物含量受到觀測幾何角度變化的顯著影響。為解決這個問題，研究人員將嫦娥四號第10月晝光譜估算的氧化物含量的標準差納入到適應度參數(shù)中。GA-PLSR模型利用適應度參數(shù)，識別出同時在第10月晝光譜的標準差和在驗證集的預測均方誤差都較低的波段組合。在這種情況下，嫦娥四號第10月晝光譜的TiO2、CaO和Al2O3含量預測結果的標準差大幅下降（圖3）。FeO和MgO的標準差在測試中保持相對穩(wěn)定，表明它們的含量估算受光譜觀測幾何的影響并不顯著。
圖3 模型在嫦娥四號第10月晝光譜上的驗證。（a）嫦娥四號第10月晝光譜的探測區(qū)域。（b）降低觀測幾何影響之前（T02）和之后（T03）的模型在嫦娥四號第10月晝數(shù)據(jù)上對每種氧化物含量反演的標準差變化。
最終研究人員將模型應用在嫦娥四號-玉兔2號沿路徑采集的光譜數(shù)據(jù)上。對玉兔2號光譜數(shù)據(jù)的反演結果顯示，隨著月球車向西北方向行駛，月壤中的FeO和MgO含量存在升高趨勢，而CaO和Al2O3的含量存在下降趨勢。這可能歸因于玉兔2號月球車目前正朝著可能富含月海玄武巖的區(qū)域前進。模型估算得出的CE-4著陸區(qū)域的平均化學成分包括約17.8 wt.%的FeO、約4.8 wt.%的TiO2、約8.1 wt.%的MgO、約13.0 wt.%的CaO和約16.0 wt.%的Al2O3（圖4），表明該區(qū)域可能富含月海玄武巖物質。然而，嫦娥四號著陸區(qū)域的CaO和Al2O3的含量略高于典型的阿波羅、月球號和嫦娥月海樣品（圖4c），表明可能存在非月海物質的混染。
圖4 嫦娥四號著陸區(qū)月壤和石塊的物質特性與阿波羅、嫦娥三號和嫦娥五號月壤月壤樣品的對比。
該研究工作構建并驗證了從可見-近紅外光譜反演月壤化學成分的模型，利用遺傳算法降低了觀測幾何對光譜反演的影響，并得到了玉兔2號月球車行駛路徑的月壤化學成分，對理解嫦娥四號著陸區(qū)地質演化歷史具有重要意義。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委員會、中國科學院等機構的資助，相關成果近期在線發(fā)表于期刊Icarus上。
Citation: Zhao, Z., Yang, Y., Wu, X., Liu, Y., Zhang, F., Xu, R., He, Z., Lin, Y., & Zou, Y. (2024). A quantitative model to estimate major oxide abundances on the Moon based on in situ reflectance spectral data of Chang’e missions. Icarus, 115962. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2024.115962
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