2025年大学《地球物理学》专业题库- 地球同步卫星观测在地质灾害防治中的应用

2025年大学《地球物理学》专业题库——地球同步卫星观测在地质灾害防治中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、名词解释（每题4分，共20分）1.地球同步卫星（GSS）2.热红外异常3.电磁辐射4.地表形变监测5.地质灾害前兆二、简答题（每题6分，共30分）1.简述地球同步卫星相比其他类型卫星在地质灾害监测中的主要优势。2.阐述利用卫星热红外数据监测地质灾害前兆现象的原理。3.简要说明微波卫星遥感技术在地质灾害监测（如洪水、冰川）中的应用方式。4.列举至少三种利用卫星多光谱/高光谱数据识别地质灾害易发区的物理依据。5.描述InSAR技术在监测地质灾害体（如滑坡、塌陷）表面形变中的基本工作流程。三、论述题（每题10分，共40分）1.结合地球物理学原理，论述地表温度异常与地质灾害活动之间的关系，并说明其在灾害预警中的应用潜力。2.分析利用地球同步卫星观测数据进行地质灾害风险评估的主要步骤和方法。3.讨论当前地球同步卫星观测技术在地质灾害防治中面临的主要挑战（如空间分辨率、时间分辨率、云覆盖等）及其可能的应对策略。4.试述地球同步卫星观测与其他地球物理方法（如地震勘探、重力测量、大地测量学）在地质灾害综合监测中的协同作用。四、设计题（20分）设计一个利用地球同步卫星光学和热红外数据，结合气象数据进行山洪灾害实时监测与预警的初步方案。请说明需要利用的卫星数据类型、关键监测指标、数据处理步骤、预警阈值设定依据以及该方案的优缺点。试卷答案一、名词解释1.地球同步卫星（GSS）：运行周期与地球自转周期相同的卫星，其轨道平面位于地球赤道平面，运行方向与地球自转方向一致，从地面观察，卫星seeming静止在赤道上空某一点。主要用于通信、气象观测等，其持续覆盖特定区域的特点使其在灾害监测中具有优势。**解析思路：*定义GSS的核心特征：轨道周期、轨道平面（赤道）、运行方向、地面视角（静止）。点明其普遍用途及与灾害监测相关的“持续覆盖”特性。2.热红外异常：指地质灾害体（如滑坡体、潜在的泥石流区域）或其前兆现象（如活动断裂附近地温场变化、地下水活动变化）导致地表红外辐射特性（主要表现为地表温度）与周围正常区域相比出现显著差异的现象。利用卫星热红外传感器可探测这些异常。**解析思路：*解释“热红外”指地表辐射的热量，“异常”是与其他区域的区别，“地质灾害体或前兆现象”是导致异常的原因，“卫星热红外传感器”是探测手段。3.电磁辐射：物体因其内部热运动或其他原因（如电子跃迁）而向外发射的电磁波能量。地表物体温度与其发射的电磁波波长和强度相关，这是卫星遥感（包括热红外和微波）的基础物理原理。**解析思路：*给出电磁辐射的基本定义，强调其与物体温度的关系，点明这是遥感技术（包括题目涉及的卫星观测）利用的物理基础。4.地表形变监测：利用各种测量技术手段，获取地球表面（特别是地表）在时间上的几何形状和位置变化信息的过程。地质灾害（如滑坡、地面沉降、火山胀落）常伴随着地表形变，卫星遥感技术（如InSAR、雷达测高）是重要的形变监测手段。**解析思路：*定义“地表形变监测”，说明其目的（获取位置变化信息），关联地质灾害（常伴随形变），点出卫星技术的作用。5.地质灾害前兆：指在地质灾害发生之前，由于地质构造活动、应力状态变化、地下水环境改变等原因，在地表或地下介质中出现的物理、化学、水文、地质力学等异常现象。这些前兆现象可以通过遥感等手段进行监测。**解析思路：*定义“前兆”，说明其产生原因（内在机理），列举异常现象类型（物理、化学等），点出监测手段（如遥感）。二、简答题1.简述地球同步卫星相比其他类型卫星在地质灾害监测中的主要优势。*答：主要优势在于其相对于目标区域“静止”的观测视角，能够实现对该区域近乎连续的监测，有利于捕捉灾害前兆的动态变化和快速响应灾情；覆盖范围广，可同时监测大片区域；数据获取相对稳定，受发射窗口限制较小。**解析思路：*从“静止”视角带来的连续性监测、快速响应能力入手；从覆盖范围和获取稳定性角度对比。核心是突出GSS的“持续性”和“覆盖性”优势。2.阐述利用卫星热红外数据监测地质灾害前兆现象的原理。*答：原理基于地表物体温度与其发射的电磁波（红外线）强度和波长有关。地质灾害活动（如滑坡体内部应力变化、地下水活动增强、植被破坏）会引起地表温度异常升高或降低。地球同步卫星携带的热红外传感器可探测到这些微小的温度变化，从而识别潜在风险区域或监测灾害活动状态。**解析思路：*链接物理原理（温度-红外辐射）；具体说明地质灾害如何改变地表温度（内部应力、水、植被）；说明卫星传感器的作用（探测温度变化）。3.简要说明微波卫星遥感技术在地质灾害监测（如洪水、冰川）中的应用方式。*答：微波卫星（如雷达）能穿透云雾全天候工作。在洪水监测中，可利用雷达高度计测量水汽位高度或合成孔径雷达（SAR）获取洪水淹没范围影像。在冰川监测中，可利用SAR影像监测冰川表面形变、冰川运动速度、雪盖范围变化，也可利用微波辐射计测量冰川表面温度评估消融情况。**解析思路：*点明微波特性（穿透云雾、全天候）；分别针对洪水和冰川列举具体应用：洪水（测高、成像）、冰川（形变、运动、雪盖、温度）。4.列举至少三种利用卫星多光谱/高光谱数据识别地质灾害易发区的物理依据。*答：物理依据包括：①地表物质对不同波段的电磁波反射率差异（区分岩性、土壤、植被、水体等）；②地表覆盖类型与抗蚀性、稳定性相关（如裸露岩石区易发生落石，植被破坏区易发生滑坡）；③地下水出露或植被水分状况指示岩土体含水率，影响稳定性。**解析思路：*围绕“物理依据”展开；从“物质-反射率”角度；从“覆盖类型-稳定性”角度；从“水分状况-稳定性”角度列举，确保是物理基础。5.描述InSAR技术在监测地质灾害体（如滑坡、塌陷）表面形变中的基本工作流程。*答：基本流程为：①获取至少两景覆盖目标区域的同源、同模式、多时相的合成孔径雷达（SAR）影像；②对两景影像进行配准；③采用差分干涉处理技术（DInSAR）计算影像间的相位差；④通过相位解缠或结合高程信息（如数字高程模型）得到地表形变场（位移幅度和方向）；⑤分析形变场结果，识别异常区域，评估形变特征。**解析思路：*按照InSAR技术操作步骤分解：获取影像、配准、差分干涉计算相位、相位处理得形变、分析结果。强调核心是利用多时相影像的相位信息来探测形变。三、论述题1.结合地球物理学原理，论述地表温度异常与地质灾害活动之间的关系，并说明其在灾害预警中的应用潜力。*答：地表温度异常与地质灾害活动密切相关。从地球物理学原理看，地质灾害活动常涉及地质结构应力变化、地下水渗流/释放、岩土体物理化学性质改变等，这些过程会显著影响地表热平衡。例如，滑坡体内部摩擦生热、地下水活动增强导致土壤湿度增加改变热传导和蒸发散热、植被破坏减少蒸腾冷却效应等，均可导致地表温度异常。通过地球同步卫星热红外遥感，可实时、大范围监测这些温度异常，识别应力集中区、地下水活动变化区等潜在不稳定因素，为地质灾害发生前的风险预警提供重要信息。其潜力在于能够提供大范围、近乎实时的前兆信息，弥补地面监测点密度低的不足，实现早期预警。**解析思路：*先建立“温度异常”与“地质灾害”的关联；再从“地球物理学原理”解释这种关联的物理机制（应力、水、植被等）；最后阐述其在“灾害预警”中的价值（实时、大范围、早期）和优势（弥补地面监测不足）。2.分析利用地球同步卫星观测数据进行地质灾害风险评估的主要步骤和方法。*答：利用地球同步卫星观测数据进行地质灾害风险评估主要包括以下步骤和方法：①数据获取与预处理：获取目标区域的多源卫星数据（如光学、热红外、高光谱、微波），进行辐射定标、大气校正、几何校正等预处理；②险情识别与参数提取：利用不同类型数据提取反映地质灾害易发性、孕灾环境（如地形、地质构造、降雨、植被覆盖、地下水）和致灾因子（如温度异常、含水率变化）的关键参数；③风险评价模型构建：基于多源数据提取的参数，结合地质调查、地面监测数据，采用适宜的模型（如信息量模型、逻辑回归模型、机器学习模型）进行危险性评价、易发性评价和脆弱性评价；④风险综合评价与制图：综合危险性、脆弱性结果，评估不同区域的风险等级，制作风险区划图；⑤成果更新与应用：根据新获取的卫星数据进行动态更新，为灾害防治决策提供依据。**解析思路：*按照风险评估的标准流程展开：数据获取处理->参数提取->模型构建->综合评价制图->更新应用。强调利用“多源卫星数据”和“多参数”进行综合评估。3.讨论当前地球同步卫星观测技术在地质灾害防治中面临的主要挑战（如空间分辨率、时间分辨率、云覆盖等）及其可能的应对策略。*答：主要挑战包括：①空间分辨率限制：目前地球同步卫星分辨率相对较低，难以精细刻画小型或局部地质灾害体；②时间分辨率限制：虽然GSS持续观测，但获取高时间频率（如每天多次）的同一区域数据仍受重访周期和数据处理能力限制；③云覆盖遮挡：对于依赖光学和热红外数据的监测，云雨天气严重影响观测质量和覆盖范围；④数据处理与分析复杂性：多源、多时相数据的处理、融合与分析需要复杂的算法和专业知识，数据处理能力成为瓶颈；⑤传感器类型与能力局限：部分GSS传感器对特定地质灾害前兆信息的敏感度不足。应对策略可能包括：发展更高空间分辨率的静止轨道卫星或结合高空间分辨率动轨卫星数据；优化数据处理算法，提高时间序列分析能力；发展针对云覆盖的替代监测手段（如利用微波数据、雷达干涉等）；加强数据共享平台建设和智能化分析技术（如AI）；开展跨学科合作，融合多源信息。**解析思路：*清晰列出主要挑战（空间、时间、云、处理、传感器）；针对每个挑战提出可能的应对策略，体现解决方案的思路。4.试述地球同步卫星观测与其他地球物理方法（如地震勘探、重力测量、大地测量学）在地质灾害综合监测中的协同作用。*答：地球同步卫星观测与其他地球物理方法在地质灾害综合监测中具有协同作用，能够实现优势互补、信息融合，提升监测的全面性和准确性。地球同步卫星提供大范围、动态、近实时的地表信息（如温度、植被、形变、洪水等），但缺乏深部结构信息。地震勘探能探测地下结构、断层活动、体波速度变化等深部信息，为理解地质灾害根源提供依据。重力测量可探测地下密度异常（如空腔、含水层、矿体），反映地下介质分布和稳定性变化。大地测量学（如GPS、水准、InSAR）可精确测量地表形变和位移。通过将卫星观测获得的地表现象、前兆信息与地震、重力、大地测量揭示的地下结构、介质变化和形变信息相结合，可以更全面地认识地质灾害孕育、发生发展的全过程，建立从深部到地表的观测体系，提高灾害监测预警的可靠性和有效性。例如，卫星发现的异常区域可用地震或重力方法进行深部探查，大地测量验证形变特征。**解析思路：*强调“综合监测”和“协同作用”；先分别说明各方法的优势和局限性；再重点阐述如何通过“信息互补”和“融合”实现“优势互补”；给出具体的协同应用示例。四、设计题设计一个利用地球同步卫星光学和热红外数据，结合气象数据进行山洪灾害实时监测与预警的初步方案。请说明需要利用的卫星数据类型、关键监测指标、数据处理步骤、预警阈值设定依据以及该方案的优缺点。答：初步方案如下：1.所需卫星数据类型：*地球同步光学卫星数据：获取目标区域高分辨率（优于10米）的可见光和近红外影像，用于监测降雨分布、地表覆盖（植被、裸土、道路、建筑物）变化、河流洪水淹没范围。*地球同步热红外卫星数据：获取目标区域的中分辨率（如几公里级）热红外影像，用于监测地表温度异常，识别融雪、融冰区域（春季山洪重要水源），评估地表湿度和蒸散发状况。*地球同步微波卫星数据（如辐射计）：获取目标区域微波辐射数据，用于监测土壤湿度、植被含水量，辅助判断地表易涝性。*气象卫星数据：获取区域降雨量、降雨强度、降水预报、风速风向、云量等气象信息。2.关键监测指标：*实时降雨量/强度：利用光学卫星估算降雨落区，结合气象数据获取降雨量级和时空分布。*地表温度异常：利用热红外卫星识别融雪/融冰、地表过湿、城市热岛等异常热点，评估其对降雨入渗和产流的影响。*地表覆盖变化：利用光学卫星监测流域内植被破坏、裸地扩展、建筑物侵占等可能增加汇流或改变产流特性的变化。*河流水位/淹没范围：利用光学卫星或雷达卫星（若有）监测河道水位上涨、洪水漫溢范围。*土壤/植被含水量：利用微波辐射计数据辅助评估流域下垫面吸水能力。3.数据处理步骤：*数据获取与预处理：定时获取上述卫星数据，进行辐射校正、大气校正（光学）、几何精校正、数据融合等。*降雨估测：根据光学卫星影像（如亮温、纹理特征）结合气象降雨数据，利用算法估算监测区域的