火星宜居性环境高光谱遥感探测--助力天问一号
寻找地外生命和宜居性环境是火星探测永恒的主题。正如我们所知，一般生命生存的环境需要液态水、适宜的温度（-20~℃）、可用的氧化还原能量以及对高水平辐射和氧化的充分屏蔽。超镁铁岩热液蚀变形成的蛇纹岩被认为可能是行星宜居性的一个指示，蛇纹石化是一个涉及一系列矿物溶解、转化和氧化还原反应的过程，可发生在非常宽的温度范围内（室温~℃），可以通过生成H2维持陆地地下环境和海洋环境中的微生物生态系统（图1）。在适当的条件下，蛇纹石暴露在富含溶解性无机碳（CO2(aq)）的水流体中，会形成滑石和碳酸盐矿物。被碳酸盐化的蛇纹岩依然可以在地质年代尺度保存地下‘化能营养生态系统’的生物特征。因此，火星蛇纹石和碳酸盐矿物的探测对寻找火星宜居性环境和生物标志物具有非常重要的意义。
图1.火星诺亚纪时期宜居性模型（Tarnasetal.,）。图中显示了与蛇纹石化（serp.）相关的H2、CH4，可用来支持火星上的地下生命。
可见光-近红外高光谱遥感是获取火星表面物质组成的主要手段，目前主要的火星轨道光谱仪有ESA的OMEGA和NASA的CRISM，其中CRISM数据具有更高的空间和光谱分辨率，在OMEGA的探测基础上发现了更多的矿物种类，并能够更好地进行地质背景约束。目前进行火星矿物识别的主要手段是首先利用光谱参数识别矿物大类，然后利用光谱比值法和光谱匹配确定矿物具体类型，但是，光谱比值有时会带来假信号且非常耗时。年，因子分析和目标转换（FATT）方法在CRISM数据中得到应用，并用来在全球范围内寻找蛇纹石和碳酸盐，但FATT方法只能判断一景图像中（约-km2）是否存在某种矿物，无法给出具体分布，使得无法对探测结果进行验证，也无法进行地质背景约束。
针对以上问题，中科院地质与地球物理所林红磊博士后、空天信息创新研究院张霞研究员与地质与地球物理所魏勇研究员、万卫星院士以及美国布朗大学JesseTarnas、JohnMustard、JimKellner、伍兹霍尔海洋研究所F.Klein合作，提出了动态窗口因子分析与目标转换（DAFA/TT）方法，利用实验室高光谱数据进行了方法验证，并以火星蛇纹石和碳酸盐探测为例进行了应用研究，能够有效地获取矿物分布。我国天问一号火星探测器将于年2月抵达火星轨道并对火星表面进行探测，届时搭载的矿物光谱分析仪（0.45-3.4μm）会获取新的火星高光谱数据，增加人类对火星物质组成的认识，DAFA/TT方法能够直接应用于天问一号高光谱数据，为火星矿物光谱分析仪科学目标的实现提供支撑。
图1.DAFA/TT方法示意图
高光谱遥感图像像元信号常为多种成分的混合，因子分析能够在混合系统中识别各独立的光谱成分，即特征向量，包含了被测混合物中各独立成分的光谱信息。可以利用CRISM图像协方差矩阵的前10个特征向量作为图像信号子空间，也可以利用Hysime算法等自动识别主要特征向量；然后目标转换方法利用因子分析获得的特征向量来线性最小二乘拟合实验室矿物光谱，如果能够很好地拟合则表明该矿物可能存在于图像中。我们利用不同形状的窗口以单像素增量的方式在图像上移动（图1），对于每次移动，如果所有窗口都检测到目标，则认为图1中黄色标记的像素是真实的探测，反之，如果任何一个窗口未检测到目标，则该区域返回空值，最后生成目标矿物的聚类。对生成的每个聚类再次进行FATT拟合，由专家检查拟合效果，以确定目标转变是否符合与实验室矿物光谱相似的关键指标，包括诊断性吸收的位置、强度和形状等，因为目前还没有一个公认的数学度量来很好地自动衡量光谱的相似性。
在实验室内利用成像光谱仪对一块阿曼蛇绿岩进行了观测，并进行了拉曼光谱探测以作为真值（图2）。利用DAFA/TT方法能够很好地绘制出蛇纹石和碳酸盐矿物的分布，并与拉曼测量结果一致。
图2实验室蛇绿岩可见光-近红外和拉曼光谱观测，DAFA/TT能够准确探测到蛇纹石和碳酸盐矿物的分布
利用已确切探测到蛇纹石和碳酸盐矿物的CRISM图像数据进行DAFA/TT的应用验证（图3），结果表明，DAFA/TT不仅能够有效地探测到前人手动识别到的矿物位置，并且在更大范围内对蛇纹石和碳酸盐矿物进行填图。
图3.DAFA/TT在CRISM图像上探测到的蛇纹石和碳酸盐分布
利用DAFA/TT对GangesChasma和NiliFossae部分区域的45景CRISM数据进行了处理，在NiliFossae地区的FRT图像发现新的蛇纹石出露点，并进行了有效地光谱验证，是目前第四个确切探测到蛇纹石的位置。下一步工作通过对全球CRISM数据以及天问一号探测数据的处理，将绘制蛇纹石和碳酸盐矿物的全球分布图，为理解火星的蛇纹石化过程提供信息支持。
图4.利用DAFA/TT探测到的新的蛇纹石出露点
蛇纹石化的环境可以为生命的存在提供必需的条件，蛇纹石化矿物的探测可以更好地理解火星蛇纹石化过程，进而为寻找火星宜居性环境提供帮助。在中科院地质与地球物理所重点项目资助下，蛇纹石化过程的地球化学实验正在有序进行中，实验室的实验过程及观测将为火星蛇纹石化矿物的探测以及寻找火星宜居性环境提供重要支持。DAFA/TT的MATLAB代码已上传到