2025年大学《地球物理学》专业题库- 地球同步卫星观测在自然灾害监测中的应用

2025年大学《地球物理学》专业题库——地球同步卫星观测在自然灾害监测中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题干后的括号内）1.地球同步卫星相对于地面保持静止的主要原因是其运行周期与地球自转周期（）。A.相同B.不同C.两者无关D.以特定角度切割2.以下哪种传感器主要利用探测地物对太阳辐射的反射特性来获取信息？（）A.热红外辐射计B.微波辐射计C.可见光/多光谱相机D.GPS接收机3.在地震监测中，利用GPS/GNSS卫星信号进行掩星探测，主要目的是获取（）。A.地球磁场信息B.电离层延迟信息C.大气水汽含量信息D.地球表面形变信息4.InSAR（干涉合成孔径雷达）技术能够实现毫米级地表形变监测，其核心原理是利用两幅从不同时间获取的雷达图像进行（）。A.光谱干涉B.相位干涉C.亮度干涉D.频率干涉5.火山喷发后，卫星热红外传感器能够探测到异常信号的主要原因是（）。A.火山灰的强烈反射B.熔岩流的高温辐射C.火山周边植被的破坏D.大气中SO2浓度增加6.卫星测高术（Altimetry）在监测海啸方面发挥作用的关键在于能够精确测量（）。A.海洋表面温度B.海洋盐度分布C.海洋表层流速D.海面高度变化7.用于监测滑坡和泥石流地表微小形变的最佳卫星遥感技术之一是（）。A.光学立体影像B.高分辨率雷达影像C.热红外扫描D.被动微波辐射测量8.森林火灾发生后，卫星遥感主要利用哪个波段的热红外信息来追踪火情蔓延？（）A.可见光波段B.近红外波段C.热红外波段（通常大于3μm）D.微波波段9.同步卫星观测在监测干旱方面，常用的植被指数（如NDVI）能够反映（）。A.地表水分含量B.土壤紧实程度C.植被叶绿素含量和生长状况D.大气湿度10.限制同步卫星观测技术进行高精度灾害监测的一个重要因素是（）。A.卫星发射成本过高B.传感器技术不够成熟C.云、雨等天气现象的遮挡D.无法提供全球覆盖二、简答题（每题5分，共20分。请简明扼要地回答下列问题）1.简述地球同步卫星与低轨道卫星在灾害监测方面的主要区别。2.简述利用热红外卫星数据监测火山活动的主要方法和原理。3.简述InSAR技术的基本原理及其在监测地震形变或滑坡方面的应用。4.简述利用卫星遥感技术监测洪水的主要方法有哪些？三、论述题（每题10分，共30分。请围绕下列问题展开论述）1.论述地球同步卫星观测技术在综合自然灾害监测中的优势和局限性。2.以地震或火山灾害为例，详细阐述利用多源卫星数据（如光学、雷达、红外、GPS掩星等）进行协同监测的思路和方法。3.结合当前技术发展趋势，探讨人工智能（AI）等新技术在提升地球同步卫星灾害监测能力方面可能发挥的作用。四、综合应用题（15分）假设某地区近期发生了一次强震，地面布设了GPS站点进行监测，同时有覆盖该区域的同步卫星（搭载可见光、红外和雷达传感器）在震前、震时及震后进行了多次过境观测。请设计一个初步的方案，说明如何利用这些多源数据综合评估此次地震的震级、震源位置以及地表形变场信息。请简述所需数据类型、关键处理步骤和分析方法。试卷答案一、选择题1.A2.C3.D4.B5.B6.D7.B8.C9.C10.C二、简答题1.解析思路：对比两类卫星的轨道高度、运行速度、覆盖范围、重访周期、传感器类型侧重等。同步卫星高、慢、全球覆盖、周期长、多光谱/红外为主；低轨卫星低、快、区域覆盖、周期短、雷达/高光谱/SAR为主。回答要点：地球同步卫星轨道高度高（约36000公里），运行速度慢，覆盖范围广（几乎全球），重访周期长（数天至数周），主要搭载可见光、红外和多光谱传感器；低轨道卫星高度低（数百至两千公里），运行速度快，覆盖范围小（区域），重访周期短（数小时至一天），常搭载雷达、高光谱、SAR等传感器。因此，在需要快速响应、高时间分辨率和精细空间分辨率的灾害监测（如洪水、地震形变细节）中，低轨卫星优势更明显；而在需要持续监视、大范围观测（如火山活动、干旱演变）时，同步卫星更具优势。2.解析思路：阐述热红外传感器的工作原理（探测物体自身发射或反射的红外辐射），结合火山活动特征（高温熔岩流、新喷发物、热气体排放）。红外辐射强度与温度正相关，高温区域在红外图像上表现为明亮特征。回答要点：热红外卫星传感器探测地物自身发射的红外辐射能量。火山活动伴随高温熔岩流、新形成的火山灰覆盖区以及热气体排放，这些地物或现象温度较高，会发射更强的红外辐射。同步卫星的红外通道能够捕捉到这种温度差异，在图像上以不同的亮度或颜色（取决于成像方式）显示出来，从而实现对火山喷发区域、熔岩流范围、火山灰云分布及热异常的监测。3.解析思路：解释InSAR原理（利用两景影像的相位差干涉），说明相位信息如何反映相位延迟（由地表形变引起），并最终通过解缠得到形变量。强调其“无源”和“全天时”特点。回答要点：InSAR（干涉合成孔径雷达）技术利用两幅从不同时间获取的、覆盖同一地表区域的SAR影像。将这两幅影像的雷达回波信号进行干涉处理，得到干涉条纹图。干涉条纹的相位包含与视线方向（沿卫星飞行方向）地表形变相关的信息。通过精确配准和干涉计算，可以解算出地表的相位延迟，进而反演得到形变场信息（如地震引起的地表位移）。由于是利用自身发射的微波信号，InSAR具有全天时、全天候、高精度测量视线向形变的能力，特别适用于监测地震断层活动、滑坡体变形等。4.解析思路：列举卫星遥感监测洪水的主要手段，结合不同传感器的特性。包括光学（水体识别、范围监测）、雷达（穿透云雨、水体成像、植被/地表参数反演）、热红外（水体温度异常）、微波高度计（海面/大地水体积变化）等。回答要点：利用卫星遥感监测洪水的方法主要有：①光学卫星影像：通过识别水体特有的光谱特征（如高反射率）来监测洪水范围、水陆边界变化；②合成孔径雷达（SAR）影像：利用其对云、雨、雾穿透能力强，以及水体与陆地不同的后向散射特性，可全天候、全天时监测洪水淹没范围、水流速度估算；③热红外卫星数据：监测洪水区域的水体温度，与周边区域对比可辅助识别洪水范围，或监测洪水相关的次生灾害（如高蒸发）；④卫星测高数据：通过获取大范围海面高度变化，可以监测由河流入海水量变化引起的区域性水体积变化，评估流域洪水影响。三、论述题1.解析思路：首先列举优势（覆盖广、连续监视、多灾种兼顾、成本效益等），然后分析局限性（空间分辨率有限、时间分辨率受限、受云雨影响、数据处理复杂、特定物理量探测能力弱等），并进行比较权衡。回答要点：优势：同步卫星轨道高，覆盖全球大部分地区，可实现对重点区域和特定灾种（如火山、海啸）的近乎连续监视，有利于早期预警和长期趋势分析；能够同时获取多种类型数据（可见光、红外、微波等），有助于进行多灾种综合监测和灾害影响评估；相对于多次飞越的低轨卫星，运行成本低，数据获取相对稳定。局限性：轨道高度导致空间分辨率相对较低，难以监测小尺度或局地的精细灾害过程（如小规模滑坡、建筑物损毁细节）；重访周期相对较长，对于需要快速响应的突发性灾害（如强降雨引发的小型洪水）时效性不足；云、雨、雪等天气现象会遮挡光学和部分微波传感器，影响观测效果；数据处理和定量化分析相对复杂，需要多学科知识融合；对于某些地球物理量（如地下结构、深层形变）的直接探测能力有限。2.解析思路：以地震为例，整合不同传感器的信息。光学/红外用于宏观灾情和地表形变初步评估；雷达（SAR）用于高精度形变场测量（InSAR）；GPS/GNSS掩星用于探测震源上空大气/电离层扰动；多源数据融合用于综合分析震级、位错、影响范围。回答要点：协同监测思路：首先，利用同步卫星搭载的光学/红外传感器快速获取地震影响区域的宏观影像，初步评估地面破坏情况（如火灾、建筑物损毁、植被异常等）。其次，利用搭载的SAR传感器获取震前、震后影像，通过InSAR技术精确计算地表形变场，确定地表位移量、范围和主要变形特征，为确定震级、震源位置和断层活动提供重要依据。再次，利用GPS/GNSS卫星信号进行掩星探测，分析震源上空大气或电离层扰动特征，辅助反演震源参数或评估次生灾害风险。最后，将来自光学、雷达、红外、GPS掩星等多源、多时相的数据进行融合处理与分析，综合评估地震的强度、震源机制、地表破裂、次生灾害（滑坡、堰塞湖等）以及灾情损失，形成更全面、准确的地震灾情评估报告。3.解析思路：探讨AI在图像识别、目标检测、变化检测、模式识别、预测建模等方面的应用潜力，结合卫星遥感数据特点，阐述如何提升监测效率、精度和智能化水平。回答要点：人工智能（AI）在提升地球同步卫星灾害监测能力方面可发挥重要作用：①图像智能解译：利用深度学习算法自动识别光学、雷达图像中的灾害目标（如火灾点、洪水水体、地震裂缝、滑坡体），提高处理效率和精度，减轻人工判读负担。②智能变化检测：基于AI算法自动检测多时相卫星数据中的地表变化，并能区分自然变化与灾害引起的变化，实现灾害的自动化监测与快速发现。③精细化参数反演：利用机器学习模型结合多源数据（如气象、水文、地质数据），更精确地反演从卫星遥感数据中获取的与灾害相关的物理参数（如地表温度、土壤湿度、植被指数、海面高度等）。④智能灾害预测预警：基于历史灾害数据和实时监测数据，构建AI预测模型，对潜在灾害（如洪水、干旱、火山喷发）进行趋势预测和风险预警。⑤大数据分析：AI能有效处理分析海量的卫星遥感数据，挖掘隐藏的灾害信息，提升监测系统的智能化决策支持能力。四、综合应用题解析思路：设计方案需包含数据选择依据、处理流程和核心分析方法。数据选择要覆盖不同信息维度（形变、灾情、气象等）。处理流程要体现多源数据融合思想。分析方法要能结合不同数据特点解算目标信息。回答要点：方案设计：首先，收集并整理所需数据：①同步卫星震前、震时、震后获取的覆盖区域的可见光影像（用于评估宏观灾情、地表覆盖变化）；②同步卫星震前、震后获取的覆盖区域的SAR影像（用于InSAR处理，精确计算视线向地表形变）；③同步卫星震前、震后获取的红外影像（用于监测热异常，评估火灾、火山活动等）；④地面GPS站点在震前、震后的观测数据（用于获取站点精确位移信息，辅助确定震源位置和断层数据）；⑤如果可能，获取同步卫星搭载的GPS/GNSS掩星数据（用于分析震源上空大气扰动）。数据处理与分析：①对SAR影像进行精配准和干涉处理，生成In