基于DEM的地球与火星格状沙丘对比分析

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00090

摘要/Abstract

摘要：

沙丘是柴达木盆地可类比火星的重要地貌类型，沙丘形态是类火星风沙地貌研究的重要内容。基于数字地形分析（DTA）的方法，采用高程、坡度、坡向及地表复杂程度4个地形计量学指标对火星（北极地区）和地球（柴达木盆地）格状沙丘的地貌形态特征进行定量对比分析。结果表明：（1）两个研究区的高程剖面、坡度、坡向的地理学空间分布格局具有较大相似性；（2）高程、高程梯度、坡度和坡向的直方图相似度指数均大于0.7；（3）不同尺度上的分形维数近似相等，即地表复杂程度相似。用数字地形分析与直方图相似度指数结合的方法，定量或半定量地分析两个研究区沙丘地貌形态的相似性，这对类火星风沙地貌研究中科学选择试验点是一种新的尝试，以期为反演火星风沙地貌的形成与演化提供科学依据。

关键词: 数字地形分析, 分形维数, 沙丘地貌形态, 火星, 地球

Abstract:

A dune is an important geomorphologic type in Qaidam Basin， to which the similar type of unit on the Mars can be compared， and the morphological characteristic of a dune is an important study content of the aeolian geomorphology on the Mars. In this paper， geomorphologic characteristics of lattice dunes on the north polar area of the Mars were analyzed in comparison of the dunes in Qaidam Basin on the earth. Digital Terrain Analysis （DTA） was used in the study by considering elevation， slope， aspect and surface complexity. The results show：（1）There is a great similarity of elevation cross-sections， slope steepness， distributions of aspect between the two study sites， ie Qaidam on the Earth， and north pole of the Mars. （2） The histogram similarity index of elevation， elevation gradient， slope steepness and aspect from a statistical analysis are all greater than 0.7. （3） The fractal dimensions remain almost the same at different scales， that means complexities on the two ground surfaces， north pole of the mars and Qaidam， are significantly similar to each other. A quantitative or semi-quantitative study of similarity of aeolian dune geomorphologies between the two planets， the Mars and the Earth， based on Digital Terrain Analysis（DTA）and Histogram Similarity methods， is a new attempt. This study will be expected to provide a scientific evidence for formation and evolution process of the aeolian geomorphologies on the Mars.

Key words: Digital Terrain Analysis （DTA）, fractal dimension, dune geomorphology, Mars, Earth

中图分类号:

P931.3

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图/表 16

图1 柴达木盆地研究区位置示意图（A）及研究区沙丘放大图（B）A、B图影像、注记等数据来自91卫图，影像空间分辨率为15 m

Fig.1 The location of the studied site in the Qaidam Basin （A） and enlargement of studied site （B）

图2 火星研究区位置示意图（A）及研究区沙丘放大图（B）A图DEM数据来自USGS（https：//astrogeology.usgs.gov/），空间分辨率463 m；注记来自《火星风沙地貌图》［35］。B图格状沙丘放大图DEM数据来自华盛顿大学行星数据系统（Planetary Data System， PDS）地学数据节点（https：//ode.rsl.wustl.edu/mars/index.aspx），空间分辨率1 m

Fig.2 The location of the studied site in the Mars （A） and enlargement of studied site （B）

图3 研究区剖面线布设

Fig.3 The distribution of profile lines of studied sites on the Mars （A） and Earth （B）

图4 研究区高程剖面曲线图

Fig.4 Elevation profile of studied sites on the Mars （A） and Earth （B）

表1 研究区格状沙丘形态参数表 (m)

Table 1 The dune networks geomorphology parameters of studied sites

特征值	相对高度			宽度
特征值	火星	地球	火星/地球	火星	地球	火星/地球
最小值	13.15	9.75	1.35	169.97	147.99	1.15
最大值	47.87	52.07	0.92	464.46	534.48	0.87
均值	27.73	25.03	1.11	352.05	322.12	1.09
标准差	8.92	9.94	0.90	72.46	101.26	0.72
变异系数	0.32	0.39	0.82	0.21	0.31	0.67

图5 高程频率

Fig.5 Elevation statistical histogram

表2 格状沙丘高程统计 (m)

Table 2 Elevation statistical characteristics of dune networks

研究区	特征值
研究区	最小值	最大值	均值	标准差	众数	中位数
火星	69	140	107	15.47	112	105.48
地球	3 036	3 207	3 129.18	26.60	3 128	3 128

图6 面积-高程积分曲线

Fig.6 Area-Hypsometric Integral curve

图7 研究区高程梯度频率

Fig.7 Elevation gradient histogram of studied sites

图8 研究区格状沙丘坡度图

Fig.8 Slope map of dune networks of studied sites on the Mars （A） and Earth （B）

图9 研究区格状沙丘坡向图

Fig.9 Aaspect map of dune networks of studied sites on the Mars （A） and Earth （B）

表3 研究区坡度统计特征值 (°)

Table 3 Slope statistical characteristic values of studied sites

研究区	特征值
研究区	最小值	最大值	均值	标准差	众数	中位数	变异系数
火星	0.7	22	13.5	8.2	7.4	12.8	0.61
地球	0.6	30.7	22.9	12.9	5.9	23.1	0.56

表4 研究区坡度、坡向分级统计表

Table 4 Slope and aspect classification statistical of studied sites

地形因子	分级	比例/%
地形因子	分级	火星	地球	差值
坡度	0°~3°	8.2	8.4	-0.2
坡度	≥3°	91.8	91.6	0.2
坡向	无坡向	1.0	0.5	0.5
	阳坡	41.5	45.6	-4.1
	阴坡	57.9	53.9	4.0

图10 研究区格状沙丘坡度频率

Fig.10 Slope histogram of the dune networks of studied sites

图11 研究区格状沙丘坡向雷达图

Fig.11 Aspect radar chart of the dune networks of studied sites on the Mars （A） and Earth （B）

表5 研究区格状沙丘不同尺度的分形维数

Table 5 The fractal dimension of dune networks at different scales of studied sites

尺度 /m	分形维数(D)
尺度 /m	火星	地球	差值
1	2.0002	2.0000	0.0002
10	2.0124	2.0083	0.0041
20	2.0568	2.0009	0.0559
30	2.0919	2.0486	0.0443
均值	2.0403	2.0144	0.0261

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