月球的起源和演化是月球探测的主要科学目标之一。对月球的内部圈层结构,尤其是对月壳结构的形成和演化研究,将为揭示月球的起源和演化提供重要的依据。月球全球重力和地形数据是探测月球内部物理特征的重要资料。结合月震和月球化学等探测数据,基于一定的地球物理模型和假设,可以对某些重要的月球物理参数,如月壳厚度、弹性厚度、以及月壳和幔的密度等进行估计。这些参数可以进一步用来对月球的内部分化、月壳的形成和热演化等提供重要约束。由于受到早期月球探测有限的地形和重力场数据的限制,以往关于月球的此类工作较少,不确定度较高。2007年起相继发射升空的日本的Kaguya(月女神一号)、中国的嫦娥一号(ChangE-1)、印度的Chandrayaan-1(月船一号)以及美国的LRO(Lunar Reconnaissance Orbiter,月球侦查轨道器)等月球探测器,开启了月球地形和重力探测的新纪元。本文旨在以我国的嫦娥一号月球探测任务为背景,研究如何获取地形,并结合月球重力场数据探讨月球起源和演化问题。这些研究可以为现行和将来的月球探测工程提供理论依据和应用参考。　　 本论文的研究主要分为两个方面,第一方面是从月球地形研究角度出发,对嫦娥一号激光高度计测量数据进行处理,建立了全月球地形高程模型CLTM-s01(ChangE-1 Lunar Topographic Model s01),获取了月球形状参数,为后续科学研究提供科学数据依据。第二个方面利用嫦娥一号地形和最新月球全球重力场结果,对月球的起源和演化问题进行探讨。在CLTM-s01模型基础上,对月表主要撞击盆地等地形特征进行分析和证认,提议了4个新地形特征区域;并进一步证明了月球正面可能存在的盾形火山结构,为月球演化提供新的证据。本文研究了月球地形和重力在频率域的线性关系,推导了适合月球的球谐域薄弹性球壳均衡响应模型。考虑月球表面和内部载荷情况,利用区域频谱算法,对月球全球不同区域进行重力和地形关系分析,得到上月壳密度、弹性厚度和附加载荷比等地球物理参数。在上述工作的基础上,本文探讨了上月壳的横向和纵向密度变化特性,提出了一种新的利用重力和地形来反演纵向密度变化的方法。　　 本文以月球测地学研究为主线,主要包括嫦娥一号月球地形模型建立和改进;利用月球地形模型揭示和证认月面撞击盆地等地质特征;结合最新地形和重力数据,对月球岩石圈均衡状态和月壳密度结构进行分析等三个部分。　　 嫦娥一号月球地形模型建立和改进部分:给出了激光高度计数据处理的原理和研究方案;分析了激光高度计测高、轨道和姿态等数据,提出一种有效的空间域沿轨迹高程滤波方法,建立了0.25°×0.25°全月球地形格网和360阶次球谐函数月球地形模型CLTM-s01。该模型的径向高程误差约为31m,沿赤道区域空间分辨率约为7～8km;它在精度和分辨率上都较以前的模型有所改进,并首次获得了月球极区的地形图。利用该模型得到的月球平均半径为1737,013±2m,月球赤道半径为1737,646±4m,月球的极半径为1735,843±4m,以及月球的形状扁率为1/937.7526。月球的形状和质量中心在月固坐标系下的偏差为(-1.777,-0.730,0.237)km,该结果与已有模型相当。利用日本Kaguya和美国LRO最新全球高分辨率地形模型,对CLTM-s01模型中轨道和仪器等误差进行修正,得到改进的CLTM-s02模型。最后比对了嫦娥一号CCD照相和地形高程结果,提出了一种数字高程模型修正和融合处理方案,为建立全月面地形控制点提供依据。　　 在利用嫦娥一号地形揭示和证认月球地形特征过程中,本文分析了月表的二分性以及大型撞击对月球演化的意义,对早期提议的57个撞击盆地进行了地形特征证认,并重新划分了确定等级。结合最新Kaguya月球全球重力数据,提议出月表4个新的地形特征,分别是位于月球背面(20°S,232°E)、直径为870km的类撞击盆地Stemfeld-Lewis(斯特恩费尔一路易斯),位于(25°N,191°E)、直径为340km的撞击盆地Fitzgerald-Jackson(菲兹杰拉德一杰克逊),位于(13°N,189°E)、直径为190km的撞击坑Wugang(吴刚)和正面(14°N,308°E)、直径为300km的遁形火山Yutu(玉兔)。由于早期的撞击盆地等地质构造和地体类型多是基于月球地形和地貌的遥感影响反演得到的,具有一定的不确定性。本文利用嫦娥一号地形结果对这些地形特征进行重新证认,对了解月球的二分性和研究月球的演化具有重要的意义。　　 在联合重力和地形数据对月球的岩石圈均衡特性和月壳密度结构分析中,本文给出了经典的空间域三大均衡模型:Airy、Pratt和弹性薄板模型;给出了不同均衡模型下表面地形和重力的线性响应函数一导纳(admittance)。研究表明,月球岩石圈的均衡较地球上的Airy和Pratt均衡复杂。由于月球扁率较小,重力和地形数据通常以球谐函数形式表示,我们推导了更适合月球的球谐域的薄弹性球壳模型。同时考虑表面载荷以及岩石圈存在内部载荷的情况,建立了重力和地形的导纳模型。在此基础上,对月球全球展开重力和地形的研究,获取了30个重力和地形相关度较高的区域,分别位于月球高地和南极艾肯盆地(South Pole-Aitken,SPA),并对这些区域采用了球谐域局部频谱分析技术。对月壳密度、弹性厚度和载荷等地球物理参数进行了统计分析,提出了多步蒙特卡罗最优模型和不确定度分析法,给出了所有参数在67%置信区间的不确定度。比较了不同的重力场模型、不同的最优模型和不确定度分析法对最优结果的影响。结果表明,本文所使用的SGM100i(Kaguya Gravity Model 100i)模型与Kaugya其他系列、以及融合嫦娥一号跟踪数据的全球重力场模型CEGM02结果相当,正面结果与Lunar Prospector(月球勘探者)的LP150Q模型结果一致。比较显示,多步蒙特卡罗最优模型和不确定度分析法,首次考虑了实际情况下模型和误差的相互影响关系,对反演参数进行合理约束。该方法较一般的规格化开平方法、标准误差法、1倍中误差法等在模型结果分析上有所改进。统计显示,在本文所分析的30个区域中,内部载荷一般较表面载荷的比重小。可以忽略内部载荷而仅考虑表面载荷的影响,从而可以对月壳密度和弹性厚度等参数提供更好的不确定度约束。月壳密度随月表不同区域具有一定的横向变化,可从2590kg/m3变化到3010kg/m3,平均值约2700±100kg/m3。在SPA(南极艾肯盆地)区域,由于重力场覆盖结果较稀疏,密度结果的不确定性较大。另外,基于已知的月球岩石成分和标准矿物学CIPW定律,发现月球全球岩石密度与氧化铁(FeO)和氧化钛(TiO2)的含量具有一定的线性关系,改进了以往仅月球高地区域月球岩石密度和FeO的线性关系模型。利用最新的LP伽马射线谱仪的FeO和TiO2全球含量结果,得到了全月表岩石密度分布图。所分析区域的岩石密度在2884kg/m3到3038kg/m3之间变化,比利用重力和地形admittance模型估计的结果大。如果假定在上月壳几公里范围内岩石成分是均一的,那么可以认为这种密度的差异是来自月壳中岩石角砾间的孔隙度造成的。利用岩石密度和导纳模型的体密度结果,得到了上月壳的孔隙度平均值为～7.4±3.4%,变化区间为0%～14%。该结果与月球陨石角砾以及太阳系中普通球粒陨石的平均孔隙度结果一致。更进一步的探讨了月壳径向密度变化对导纳模型的影响,发现它对近似20km内月壳密度的径向变化较为敏感,基于导纳和径向密度的线性关系,提出了一种理论的、利用导纳模型反演上月壳径向密度分布的方法。月球弹性均衡以及月壳横向和纵向密度的研究,为进一步改善月壳厚度模型和月壳演化理论打下基础。　　 本文的研究结果一定程度上受到现有重力场模型有限的分辨能力和精度的制约,今年9月发射的美国NASA的GRAIL(Gravity Recovery and Interior Laboratory)重力卫星将得到更高精度的月球重力场结果,并对以上结果有更好的约束。