《Icarus》：Quantitative analysis of rim crest asymmetry in fresh lunar simple craters using Chandrayaan-2 TMC-2 DEM
编辑推荐：
•利用5米/像素的Chandrayaan-2数字地形模型（DTM）和机器学习技术研究了简单月球撞击坑形态的非对称性。•CNN方法通过训练和测试区分了新鲜坑和退化坑。•坑缘非对称性在月球撞击坑中广泛存在，与纬度或地质区域无关。•标度指数表明，撞击前的表面选择对坑缘高度有显著影响
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利用5米/像素的Chandrayaan-2数字地形模型（DTM）和机器学习技术研究了简单月球撞击坑形态的非对称性。
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CNN方法通过训练和测试区分了新鲜坑和退化坑。
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坑缘非对称性在月球撞击坑中广泛存在，与纬度或地质区域无关。
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标度指数表明，撞击前的表面选择对坑缘高度有显著影响。
引言
撞击坑化仍然是月球上最基本的形态过程，塑造了月球表面，而后来的撞击仍在不断改造这些特征。与地球不同，地球表面不断被构造运动、侵蚀和水作用重塑，月球则保留了在不同改造阶段形成的撞击坑，因此为研究撞击坑化与改造过程创造了独特环境（St?ffler等，2006；Grier和McEwen，2001；Mazrouei等，2019；Melosh，1989；Pike，1977）。坑缘是撞击坑最重要的形态特征之一，在坑演化过程中的挖掘和改造阶段形成，代表了简单撞击坑中由撞击相关的抬升和塌陷产生的最高地形特征（Grieve和Garvin，1984；Sharpton，2014），其中坑缘高度指的是该坑缘相对于撞击前表面的高度。
尽管在理想条件下（如垂直撞击角、均质各向同性靶体材料、平坦的撞击前表面、均匀重力以及无大气效应和预存构造非均质性）（Melosh，1989），高速撞击预计会产生圆形、径向对称的撞击坑，但撞击坑经常偏离完美对称，表现出特定方向上的隆起坑缘、椭圆形或倾斜的坑缘形状、不规则的喷射物分布以及位移的中心峰等特征（Goeritz等，2009；Herrick和Forsberg-Taylor，2003）。大多数撞击坑形成于非垂直撞击角（Barlow和Bradley，1990），随着撞击角减小，非对称性变得更加明显。事实上，它们相对于水平面可处于15°至60°之间（Ivanov，2001）。由于非垂直撞击，挖掘腔和喷射物分布将存在非对称性（Herrick和Forsberg-Taylor，2003）。因此，上游和下游方向之间将存在明显的坑缘高度差异（Gault和Wedekind，1978；Pierazzo和Melosh，2000）（图1）。下游方向的坑缘将高于上游方向（Schultz，1992；Anderson等，2003）。实验研究（Baldwin，2008；Wünnemann等，2016；Allibert等，2023）和数值建模（Lv等，2025；Caldwell等，2018；Orm?等，2022）已被用于研究撞击坑化过程。实验研究阐明了冲击波传播、挖掘流和喷射物沉积等过程，而数值模型进一步阐明了地下非均质性、撞击角和靶体分层如何调控坑形、坑缘抬升和非对称性。Herrick和Forsberg-Taylor（2003）表明，只有当撞击以极小角度发生时（通常小于水平面以下10-15°），才会产生明显的坑拉伸或椭率，这仅代表自然撞击事件的一小部分（不到5%）。与椭率不同，坑缘高度非对称性即使在平视下坑看起来是圆形的情况下也可能发生。然而，随着高分辨率地形数据的增加，已经明显看出许多撞击坑缺乏径向对称的坑缘。本研究将围绕坑缘的高度差异称为坑缘非对称性。
撞击时的靶体坡度可能影响坑缘高程（Kreslavsky和Head，2016）。在地质时间尺度上，微陨石撞击、风化层再分布、空间风化和重力崩塌可进一步改变坑缘地形，根据局部条件增加或减少非对称程度。尽管坑缘非对称性可能很重要，但从未使用高分辨率数字地形模型对月球简单撞击坑的代表性样本进行过定量分析。这可能是由于高分辨率地形数据的可用性有限、坑缘定义的一致性问题以及早期研究中缺乏稳健的定量分析方法。大多数先前工作为案例研究。在本研究中，我们对直径在5至15千米之间的月球撞击坑（简单坑）进行了坑缘非对称性定量分析，这些撞击坑选自Povilaitis等（2018）的目录。该目录中落在高分辨率TMC-2数字地形模型（DTM）范围内的撞击坑被选为本研究对象（图2），共计1224个新鲜坑。使用TMC-2 DTM导出坑缘数据，如最大值、最小值和平坦值等，这些沿坑边界系统性选取，并计算高度变化的统计参数以量化非对称性。通过比较位于海洋区域（对应于Jolliff等（2000）分类中的Procellarum KREEP地块（PKT））的撞击坑与位于高地地块中不同纬度带（0°至±60°）的撞击坑，本研究旨在评估坑缘非对称性是否反映原始撞击动力学或靶体特征。在此背景下，本工作将有助于更好地理解无大气行星体的坑形态，包括将撞击力学与靶体性质解耦、探测地下地质、改进行星表面演化模型以及推进比较行星学。
章节摘要
数据集与方法
本研究所采用方法的整个过程在图3a、b中示意展示。
基于CNN的撞击坑分类与数据提取
CNN模型训练准确率为88.91%，验证准确率为91.87%，并使用早停法防止过拟合。图5a、b显示训练集与验证集之间收敛稳定，表明良好的泛化能力。该模型成功地将撞击坑分类为新鲜和退化类别，置信度评分较高（大多数预测值大于0.8）。在总撞击坑中约5191个被鉴定为新鲜坑。对于每个CNN分类的撞击坑，对应的Chandrayaan-2 TMC-2 DEM数据……
坑缘非对称性的普遍性及其标度行为
本研究显示，坑缘非对称性并非孤立的形态特征，而是月球撞击坑的一项重要且普遍属性。事实上，所分析的大多数撞击坑在坑缘高程的最大值与最小值之间表现出可测量的非对称性，而坑缘非对称性的相对值明确表明，完全对称的坑所占比例与表现出显著非对称性的坑相比可以忽略不计。该结果表明，……
结论
本研究首次展示了利用Chandrayaan-2 TMC-2 DEMs检测和量化月球撞击坑坑缘非对称性的稳健方法。纬度与坑缘范围的分析显示无显著相关性，由极低决定系数（R2 < 0.01）佐证。相反，平均坑缘高度随撞击坑直径正标度，与已建立的撞击标度律（H ∝ Dn）基本一致，尽管散度适中（R2 = 0.2522）。
CRediT作者贡献声明
Arya Nandakumar： 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，可视化，验证，软件，方法学，正式分析，概念化。A. Rajaneesh： 写作 – 初稿撰写，调查，正式分析，数据整理，概念化。M.B. Saagara： 写作 – 初稿撰写，方法学，正式分析，概念化。Sachana Sathyan： 写作 – 初稿撰写，验证，软件，方法学，正式分析，概念化。S. James： 写作 – 审阅与……
未引用参考文献
Elbeshausen等，2013
Housen等，1983
Kokhanov等，2015
Purwono等，2022
Silburt等，2019
Wulf等，2012
Zhang等，2024
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些可能被认为影响本论文中报告的工作。
致谢
AN和KSS感谢印度空间研究组织（ISRO）对其博士研究的资助（批准令编号：DS_2B-13013(2)/16/2022-Sec.2）。作者感谢物理研究实验室的Dr. Megha Bhatt进行详细讨论。
Arya Nandakumar|A. Rajaneesh|M.B. Saagara|Sachana Sathyan|S. James|K.S. Sajinkumar
