火星人类着陆区的面积级可通行判据：只看坡度会高估多少可通行面积？

推荐优先级：中高（有 6 条硬性条件） · 族 A（公开档案数据） · 参赛子类：Physics — Astronomy / Planetary Science · 资源需求：一台笔记本，零器材成本 · 技能取向：栅格数据处理 / 敏感性分析

本条有一个必须主动处理的前作：ISEF 2025 的 PHYS050（Special Award）做过同一颗星球、同一批数据。 学生必须在方案与论文中主动引用它并列表说明差异——主动引用远强于被评委问出来，隐瞒是最坏选项。详见 §7 与 §8 条件 6。

1 · 研究问题

在 NASA 候选人类探索区（Exploration Zone, EZ）内，若只用坡度阈值判定地形可通行性，会比坡度与岩石代理量的联合判据高估多少可通行面积？这个高估比例对阈值选择与数据分辨率有多敏感？

2 · 研究背景与空白

背景。 NASA 为人类火星任务筛选着陆区时，需要判断多大面积的地形是宇航员加压巡视车可通行的。官方 EZ 判据（Bussey & Hoffman 2016, 2016 IEEE Aerospace Conference, NTRS 20160001040）规定：纬度 ±50° 以内、海拔低于 +2 km、约 25 km² 范围内坡度小于约 10°、且无厚层细粒尘埃。这套官方判据里没有岩石丰度。

已有工作到哪一步。

• Wu et al. 2022（天问一号祝融号着陆区选址，JGR: Planets 127, e2021JE007137, DOI 10.1029/2021JE007137）在第 8 页 Figure 5(b) 中，把两个维度的面积占比并排印在同一张表里：椭圆 16 的坡度 > 8° 占 1.2%、岩石丰度 > 10% 占 5.6%；椭圆 128 分别为 1.5% 与 9.3%。但它从未求两者的交集。
• ISEF 2025 的 PHYS050（"Traversing Mars", Special Award）用 Mars QuickMap 目视选线，摘要原文称其把数据集 "displayed and examined"；坡度阈值取 20°（结果路径 0–17°），岩石数据纯定性使用（"helped refine paths to avoid major obstacles and minimize rough terrain"），无阈值、无面积统计、无交叉列表、无百分比；产出是单一站点（Noctis Landing, 7.4°S 93°W）通往 4 个目标的 4 条路线。

空白在于：Wu et al. 把两个数字摆好了却没做那一步乘法，PHYS050 连面积统计都没做。 没有人回答"仅用坡度判据会高估多少可通行面积"。

这个空白适合一年期学生课题：数据全部公开、器材成本为零、算力极小（实测纯 Python 处理 160,000 像元的交叉列表耗时 1.66 秒）；而且结论正负都成立——高估比例大小都是有效结果。

3 · 可检验假设

H1 在 NASA 候选 EZ 内，仅用坡度阈值（官方 ~10°）判定的可通行面积，比坡度与岩石代理量的联合判据高估至少 5 个百分点。

H2（本课题真正的核心，且优先级高于 H1）该高估比例对岩石阈值的敏感度显著高于对坡度阈值的敏感度。可量化为："可通行面积估计对岩石阈值的敏感度是对坡度阈值敏感度的 N 倍"，N 须给出置信区间。

⚠️ 关于 H2 的定位——这是本课题最重要的设计决策。 实测试点显示结论对岩石阈值极度敏感：岩石阈值变化可使高估比例在 0.06% 到 43.93% 之间移动。这个敏感性应当作为核心科学产出，而不是需要掩盖的弱点。 一个诚实报告"这个数字取决于你怎么定阈值，范围有这么宽"的项目，科学价值高于一个报告单一漂亮数字的项目——因为它证明了「任何只报一个数字的判据（包括 Wu et al. 的 10%、InSight 的阈值）都缺少不确定性刻画」。

4 · 量化验收标准

1. 方法学校验（硬门槛，不过关则后续全部结论无效）。 用自建栅格管线重算 Wu et al. 2022 天问一号椭圆 16 与 128 的两个面积百分比（坡度 > 8° 的 1.2%/1.5%，岩石 > 10% 的 5.6%/9.3%），与发表值的偏差 ≤ 1 个百分点。这一步不过关，说明取数、投影或统计有系统问题。
2. 数据完整性自检（本课题特有的静默失败点）。 ASU 的 WMS 服务对大请求会静默截断且 HTTP 仍返回 200——实测 2000×2000 的坡度请求三次分别只回 2.52 / 1.92 / 2.24 MB（应为 4 MB），每次截断量还不同；400×400 稳定完整。必须分块请求并逐块校验字节数，并在代码中硬编码断言。不做这一步会拿到残缺数据而毫无察觉。
3. 统计口径预先写死。 主结果是坡度 × 岩石代理量的二维联合分布（交叉列表），不是两个边缘百分比。必须同时报告边缘分布与联合分布，并显式给出两者之差。
4. 敏感性分析作为核心产出而非附录。 在阈值网格上（坡度 5°–15°、岩石代理量的多档）给出高估比例的完整响应面，并报告 H2 的敏感度比值 N。
5. 尺度降级检验。 把 100 m 分辨率数据重采样到 200 m 与约 7.4 km（模拟"若只有 TES 分辨率会怎样"），量化分辨率对结论的影响。
6. 覆盖 ≥ 3 个 EZ 提案区，使结论成为对"47 份 EZ 提案所用判据"的检验，而非单点结果。
7. 可复现性。 取数脚本（含分块校验断言）、栅格处理、交叉列表全部开源。

5 · 数据与工具

用途	来源 / 工具
坡度	ASU WMS 的预先算好的坡度图层 mola_hrsc_blend_slope_v2（"HRSC MOLA Blended DEM Slope (200m) v2"），FORMAT='REAL'。学生不需要自己从 DEM 算坡度
岩石代理量	ASU WMS 的 thm_ti_100m_32bit（THEMIS 定量热惯量，100 m）。实测样本 min 129.1 / max 831.8 / mean 348.0 J m⁻²K⁻¹s⁻¹ᐟ²
取数端点	http://ms-mars.mars.asu.edu/VI_blocks?SERVICE=WMS&REQUEST=GetMap&FORMAT=image/vicar&WIDTH=400&HEIGHT=400&SRS=JMARS:4&BBOX=<lon0,lat0,lon1,lat1>&STYLES=&VERSION=1.1.1&LAYERS=<图层名>。返回 VICAR，头部 FORMAT='REAL' NB=1，跳过 LBLSIZE 字节后为小端 float32 数组
官方判据	Bussey & Hoffman 2016，NTRS 20160001040。下载必须用 /api/citations/ 路径（745,879 字节）；旧的 /archive/... 路径文本抽取会失败
对照基准（仅用于校验，不计入本项目的数据贡献）	Wu et al. 2022 的两组面积百分比；PHYS050 的路线级结果
计算	纯 Python + struct 解析 VICAR。无需 GDAL，无需下载 11 GB 全球文件。 实测 160,000 像元的取数到交叉列表全程 1.66 秒

🔴 必须在开题前人工闭合的第一项：「THEMIS rock abundance」这个数据产品是否真的存在。 三条独立证据指向它不存在：PDS 的 MGS TES 特殊产品卷只有反照率与热惯量；PDS4 官方检索 API 查 "rock abundance" 的 290 条命中全为 LRO Diviner / Viking Lander / Rosetta，无火星产品；ASU WMS 共 1,783 个图层，正则搜 rock|abund|block|boulder|clast 命中 0。 最可能的解释是学生把热惯量口语化叫成了"岩石丰度"——热惯量正是"粗糙/多石程度"的标准代理，且 PHYS050 对它的用途恰是"minimize rough terrain"而非算岩石百分比。 但 mars.quickmap.io 在核查环境下 DNS 解析失败，QuickMap 图层清单未能确认。若 QuickMap 独家托管了真正的岩石丰度图层，本课题的数据方案需整体改写。 这是学生必须亲自登录 QuickMap 查的第一件事。

若确认不存在岩石丰度产品： 课题改用热惯量作为粗糙度代理，并诚实改写标题与全部表述——不得继续称之为"岩石丰度"。这不削弱课题，因为 H2（敏感性）不依赖代理量的物理身份。

6 · 方法路径

1. 装环境 + 跑通校验。 实现 VICAR 解析与 WMS 分块取数，先在天问一号椭圆 16/128 上重算 Wu et al. 的四个百分比（§4 第 1 条硬门槛）。
2. 实现分块请求的字节数断言。 每块请求后校验返回字节数是否等于 WIDTH×HEIGHT×4 + LBLSIZE，不等即重试。这是本课题唯一的静默失败点，必须在写任何分析代码之前解决。
3. 人工闭合岩石丰度产品的身份问题（登录 QuickMap 查图层清单），并据此定死代理量与标题表述。
4. 锁定 ≥ 3 个 EZ 提案区的坐标范围，写入研究计划。
5. 批量取数并落盘，逐块校验。
6. 计算二维交叉列表与高估比例，在阈值网格上给出敏感性响应面。
7. 尺度降级检验，并与 PHYS050 / Wu et al. 做对照表（§7 要求的四点差异表）。

7 · 新颖性边界

本课题不声称： - 不声称首次把坡度与岩石丰度联合用于火星地形评估。ISEF 2025 的 PHYS050（Special Award）已在路线级做过。 - 不声称首次为人类着陆区做多准则地形分析。Wu et al. 2022 已分别算出两个维度的面积占比。 - 不声称发现了 NASA 官方判据的缺陷。Bussey & Hoffman 2016 的判据本就以坡度为主，这是公开事实而非发现。 - 不声称首次把该方法推广到多个候选着陆区。PHYS050 摘要末句已声明该方法可推广（虽未实施）。

🔴 与 PHYS050 的四点范式差异——缺一即为衍生作品：

#	PHYS050	本课题必须做到
1	路线级 route-finding（4 条路径）	面积级判据（交叉列表 / 二维联合分布）——范式差异，非程度差异
2	在 QuickMap 中目视 "displayed and examined"	脚本化栅格管线，可复现、可版本控制、可做敏感性
3	单站点（Noctis Landing），阈值 20°	≥3 个 EZ，阈值锚定 NASA 官方约 10°
4	无敏感性分析	"仅用坡度高估百分比"及其对阈值与分辨率的敏感性作为核心产出

本项目的贡献： 把 Wu et al. 2022 摆好却没做的那一步乘法做完——计算坡度与粗糙度代理的联合分布，给出"仅用坡度判据会高估多少可通行面积"，并量化该结论对阈值与分辨率的敏感性。

为什么有价值： 直接影响 NASA 人类着陆区筛选的面积预算；方法可复现、成本为零；而且把学生逼到"判据的选择本身就是结论的一部分"这个真正的科学思维训练点上。

若结论不显著： 若高估比例小于 5 个百分点，H1 被否证——但 H2（敏感性）仍然成立且是主结论。本课题的科学价值不依赖 H1 的方向。

8 · 决策门槛（go / no-go）

🔴 条件 1（不可推迟，开题前）：主动引用 PHYS050。 方案与论文必须主动引用 ISEF 2025 的 PHYS050（isef.net/project/phys050-traversing-mars, Special Award），并用上表列出四点差异。评委若自己发现这个前作而学生没提，项目直接出局。

🔴 条件 2（第 6 周末，2026 年 9 月中旬）：闭合「THEMIS rock abundance 是否存在」。 学生须亲自登录 QuickMap 核对图层清单。若确认 QuickMap 独家托管了真正的岩石丰度图层，数据方案整体改写；若确认不存在，改用热惯量作代理并诚实改写标题。 9 月中旬不闭合即放弃本方向。

🔴 条件 3（第 6 周末）：闭合 LPSC 2025 #1021 的状态。 该摘要疑似发布了更高分辨率的火星岩石产品。hou.usra.edu 屏蔽全部自动抓取（三种方式均返回 403），必须人工浏览器下载。 若已发布，对本课题是利好（岩石轴分辨率问题被解决），课题核心产出不依赖岩石数据来自哪个产品；若仍在研，写入局限性作"未来数据展望"。无论哪种结果都不需要重做课题，故不构成 no-go，但必须知道答案——真正的风险是被评委问"你知道有更好的数据吗"却答不上来。

🟡 条件 4（第 4 周末）：方法学校验通过。 重算 Wu et al. 的四个百分比，偏差 ≤ 1 个百分点。不过关先排查投影与重采样。

🟡 条件 5：补做一轮独立文献检索。 本方向的核查受配额限制，"未找到前作"不等于"不存在前作"，且相关文献多在 JGR / Icarus / LPSC 而不在 arXiv。学生必须在开题前自己补做一轮 ADS 全文检索。

⚠️ 与「附属赛后不得修改」的冲突点： 阈值网格的范围与 EZ 选择一旦在附属赛后想改就不被允许。必须在 11 月底前定死。

须提前核实而非边做边发现的事项： - WMS 的静默截断（HTTP 200 但内容不全）。这是本课题最危险的地方——不校验字节数就会拿到残缺数据并得出错误结论而毫无察觉。 - NTRS 的 PDF 必须用 /api/citations/ 路径，旧路径文本抽取会静默失败。

已知困难及其定位： 结论对岩石阈值极度敏感（高估比例可在 0.06%–43.93% 间移动）。这个困难本身就是研究内容——H2 问的正是敏感度有多大，所以敏感性不是要掩盖的弱点，而是要测量的对象。

选择前提： 适合能接受"主结论是一条敏感性曲线而不是一个漂亮数字"的学生。不适合希望得出确定性结论的学生。

预算裁剪顺序： 无预算可裁（零成本）。时间不足时：先砍尺度降级检验（步骤 7），再把 EZ 数从 3 个降到 2 个，保留联合分布与敏感性响应面，主结论仍成立。

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评分： O=8, W=8, F=8, S=7, Fit=10 → base=80.6，h=9 → [72, 90]，置信度：中