2025年大學(xué)《地球信息科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——地球信息技術(shù)在地形狀況分析中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題4分，共20分）1.數(shù)字高程模型（DEM）2.地形可見度指數(shù)（TVI）3.合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）4.地形粗糙度5.數(shù)字表面模型（DSM）二、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述利用數(shù)字高程模型（DEM）可以衍生出哪些主要的地形因子，并說明其中兩個(gè)地形因子的定義及其在實(shí)際應(yīng)用中的意義。2.比較機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）和合成孔徑雷達(dá)（SAR）技術(shù)在獲取地形數(shù)據(jù)方面的主要區(qū)別和優(yōu)缺點(diǎn)。3.簡述地形因子計(jì)算在地形適宜性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用原理。4.簡述利用航空攝影測量技術(shù)獲取數(shù)字高程模型的基本原理。5.闡述地形陰影在地形分析中的作用。三、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.已知某區(qū)域DEM數(shù)據(jù)如下（單位：米），計(jì)算該區(qū)域范圍（4x4網(wǎng)格）的平均坡度（結(jié)果保留兩位小數(shù)）。假設(shè)該區(qū)域網(wǎng)格邊長為100米。```200,205,210,205195,190,185,190180,175,170,180185,190,195,200```2.某研究區(qū)獲取了DSM數(shù)據(jù)，已知該區(qū)域平均高程為500米，地形粗糙度指數(shù)（TRI）計(jì)算公式為：TRI=(DSM-DEM_mean)/DEM_stddev。假設(shè)計(jì)算得到該區(qū)域的DSM標(biāo)準(zhǔn)差（DEM_stddev）為30米，DEM平均高程（DEM_mean）為490米，DSM平均高程（DSM_mean）為510米。請計(jì)算該區(qū)域的地形粗糙度指數(shù)（TRI）。四、論述題（每題15分，共30分）1.論述地球信息技術(shù)（如LiDAR、InSAR、航空攝影測量等）在大型復(fù)雜地形（如山區(qū)、城市峽谷）測繪中的綜合應(yīng)用優(yōu)勢與面臨的主要挑戰(zhàn)。2.結(jié)合你了解的實(shí)際應(yīng)用案例，論述地形分析技術(shù)在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（如滑坡、洪水）中的應(yīng)用價(jià)值和方法。試卷答案一、名詞解釋1.數(shù)字高程模型（DEM）：指地表形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)，它以數(shù)字方式記錄了地形表面高程信息的三維空間數(shù)據(jù)集，通常表示為規(guī)則格網(wǎng)上的高程值。2.地形可見度指數(shù)（TVI）：指用于量化地形表面可見性或通視性的指標(biāo)，通?；跀?shù)字高程模型（DEM）計(jì)算，數(shù)值越高表示從特定觀測點(diǎn)可見的范圍越大。3.合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）：利用兩幅從不同幾何位置獲取的同一地表目標(biāo)的雷達(dá)圖像，通過干涉處理技術(shù)獲取地表相位信息，從而精確測量地表形變或高程變化的一種遙感技術(shù)。4.地形粗糙度：指地表單元在空間上的起伏變化程度，可以用地形因子（如坡度、曲率、地形起伏度等）或直接基于DEM/DSM數(shù)據(jù)計(jì)算，反映地表的不平滑程度。5.數(shù)字表面模型（DSM）：指地表所有地物（包括自然和人工）表面高程的數(shù)字化表達(dá)，它包含了建筑物、植被等地物的頂部高程信息，比DEM包含更多細(xì)節(jié)。二、簡答題1.利用DEM可以衍生出的主要地形因子及定義與應(yīng)用意義：*坡度（Slope）：指地面某點(diǎn)切線與水平面之間的夾角，反映地面的陡峭程度。應(yīng)用意義：坡度是水土流失、坡面徑流、工程建設(shè)坡度適宜性評(píng)價(jià)等的重要依據(jù)。*坡向（Aspect）：指地面某點(diǎn)切線在水平面上的投影所指的方向，通常用度數(shù)表示（0-360°）。應(yīng)用意義：坡向影響地表接收太陽輻射的多少，是農(nóng)業(yè)（如作物布局）、植被分布、土壤水分積累等分析的重要參數(shù)。*曲率（Curvature）：包括坡度曲率和地形曲率，分別描述坡度變化和地面形態(tài)的彎曲程度。應(yīng)用意義：坡度曲率影響水流匯集和坡面侵蝕，地形曲率與地形起伏、集水區(qū)域大小相關(guān)，對地貌演化、水文網(wǎng)絡(luò)分析有重要價(jià)值。*地形起伏度（Relief）：指一定范圍內(nèi)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間的高程差。應(yīng)用意義：反映區(qū)域的整體高程差異，對宏觀地貌特征、區(qū)域氣候、景觀格局分析有作用。*地形濕度指數(shù)（TWI）：基于DEM計(jì)算，綜合考慮坡度和坡向等因素，反映地表水分匯集能力的指標(biāo)。應(yīng)用意義：常用于植被分類、土壤濕度估算、洪水淹沒分析等。*地形可見度指數(shù)（TVI）：如名詞解釋所述，反映地形通視性的指標(biāo)。應(yīng)用意義：用于景觀規(guī)劃、視線分析、旅游區(qū)開發(fā)、軍事應(yīng)用等。*地形粗糙度（TerrainRoughness）：如名詞解釋所述，反映地表起伏變化的程度。應(yīng)用意義：影響風(fēng)速、小氣候、無線電波傳播、水土流失等過程。*其他可能的地形因子還包括：流域長度、集水面積、地形閾值坡度、地形隱蔽度等。2.機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）與合成孔徑雷達(dá)（SAR）技術(shù)獲取地形數(shù)據(jù)的主要區(qū)別和優(yōu)缺點(diǎn)：*區(qū)別：*傳感器類型：LiDAR是主動(dòng)式光學(xué)遙感器，發(fā)射激光脈沖并接收反射回波；SAR是主動(dòng)式微波遙感器，發(fā)射雷達(dá)波并接收反射回波。*數(shù)據(jù)特性：LiDAR獲取高密度、高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；SAR獲取連續(xù)的相干或非相干圖像數(shù)據(jù)。*穿透能力：LiDAR受煙霧、薄云、塵埃影響較大，難以穿透；SAR是微波遙感，具有一定的穿透能力，可以穿透薄霧、輕霧、煙塵，甚至獲取部分植被覆蓋下的地面信息。*工作環(huán)境：LiDAR主要依賴航空平臺(tái)，受天氣影響較大；SAR可以是機(jī)載、星載，部分SAR可實(shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)工作。*數(shù)據(jù)獲取成本：高精度LiDAR系統(tǒng)購置和運(yùn)行成本通常較高；SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取成本相對較低（購買數(shù)據(jù)），但數(shù)據(jù)分辨率和精度可能受限。*LiDAR優(yōu)點(diǎn)：精度高（厘米級(jí)）、點(diǎn)密度高、數(shù)據(jù)直接為三維點(diǎn)云、穿透性差（利于精確獲取地表高程）、可獲取植被冠層信息。*LiDAR缺點(diǎn)：依賴航空平臺(tái)、易受惡劣天氣影響、成本較高、對薄veil覆蓋物穿透能力弱、數(shù)據(jù)量巨大。*SAR優(yōu)點(diǎn)：全天候、全天時(shí)工作能力、一定的穿透能力（對植被、薄云）、可覆蓋大范圍、星載SAR數(shù)據(jù)獲取成本相對較低。*SAR缺點(diǎn)：精度通常低于LiDAR（米級(jí)至亞米級(jí)）、數(shù)據(jù)為圖像，提取高程需特定算法（如InSAR、DSM提取）、圖像分辨率受多種因素影響、幾何畸變可能較明顯。3.地形因子計(jì)算在地形適宜性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用原理：地形因子計(jì)算能夠量化描述地表形態(tài)的多個(gè)維度（如陡峭程度、起伏變化、水分匯集能力、向陽性等），這些維度直接或間接地影響著各種人類活動(dòng)和自然過程。在適宜性評(píng)價(jià)中，根據(jù)特定活動(dòng)或過程對地形的需求，設(shè)定相應(yīng)的閾值或評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。例如，陡坡通常不適宜農(nóng)業(yè)耕作和建筑，但可能適宜林業(yè)；良好的排水條件（可通過地形因子計(jì)算間接反映）對某些農(nóng)業(yè)和建筑有利，但對需要水源的地方則可能不適宜。通過計(jì)算得到的地形因子值，可以與適宜性評(píng)價(jià)模型中的規(guī)則或參數(shù)進(jìn)行匹配，從而判斷每個(gè)評(píng)價(jià)單元是否適宜以及適宜程度，最終生成適宜性評(píng)價(jià)圖。因此，地形因子計(jì)算為適宜性評(píng)價(jià)提供了量化、客觀的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。4.利用航空攝影測量技術(shù)獲取數(shù)字高程模型（DEM）的基本原理：利用航空攝影測量獲取DEM的基本原理主要基于立體視覺原理。首先，使用裝有立體相機(jī)（或兩臺(tái)同軸相機(jī)）的航空平臺(tái)（如飛機(jī)）獲取覆蓋目標(biāo)區(qū)域的一對或多對具有重疊度的航空影像（立體像對）。由于攝影時(shí)相機(jī)間距（基線）和飛行高度的存在，同一地面點(diǎn)在兩張（或多張）影像上會(huì)呈現(xiàn)出略微不同的位置，形成視差。通過立體測量儀（解析測圖儀或數(shù)字?jǐn)z影測量軟件）對立體像對進(jìn)行匹配，精確確定同一點(diǎn)在左右影像上的對應(yīng)像元位置，計(jì)算出該點(diǎn)的攝影測量坐標(biāo)。然后，利用已知的航空攝影測量參數(shù)（如相機(jī)內(nèi)方位元素、外方位元素——相機(jī)位置和姿態(tài)）、地面控制點(diǎn)（GCPs）的已知坐標(biāo)，通過空間前方交會(huì)或光束法平差等數(shù)學(xué)模型，將每個(gè)影像點(diǎn)的攝影測量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的地表三維坐標(biāo)（X,Y,Z），其中Z即為高程。將所有計(jì)算得到的三維點(diǎn)坐標(biāo)組合起來，即構(gòu)成數(shù)字高程模型（DEM）。5.地形陰影在地形分析中的作用：地形陰影是因地形阻擋太陽輻射而形成的地面陰暗區(qū)域，通常出現(xiàn)在山頂、山脊、陡坡的向陽側(cè)。在地形分析中，地形陰影具有以下作用：*高程信息指示：陰影區(qū)域通常對應(yīng)著較高或陡峭的地形（如山峰、陡坡），其長度和形態(tài)在一定程度上反映了坡度和坡向。分析陰影可以幫助識(shí)別高地形態(tài)和陡峭區(qū)域。*坡向判斷：陰影主要出現(xiàn)在向陽坡，通過分析陰影的分布可以推斷出山體的走向和坡向特征。*地表粗糙度估算：陰影的形態(tài)和范圍與地表粗糙度有關(guān)，粗糙表面可能產(chǎn)生更顯著或復(fù)雜的陰影。*三維可視化輔助：在地形可視化中，陰影的渲染是創(chuàng)建逼真三維景觀效果的重要手段，增強(qiáng)了地形表達(dá)的真實(shí)感和信息量。*特定應(yīng)用：在某些應(yīng)用中，如日照分析、太陽能設(shè)施選址、景觀美學(xué)評(píng)價(jià)等，地形陰影是一個(gè)重要的分析要素。三、計(jì)算題1.計(jì)算平均坡度：*首先計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的坡度（使用簡單的梯度計(jì)算方法，如中心差分）：*點(diǎn)(1,1):((205-195)2+(210-190)2)^(1/2)/100=(110)^(1/2)/100≈1.05*點(diǎn)(1,2):((205-190)2+(210-195)2)^(1/2)/100=(175)^(1/2)/100≈1.32*點(diǎn)(1,3):((205-185)2+(210-190)2)^(1/2)/100=(220)^(1/2)/100≈1.48*點(diǎn)(1,4):((205-190)2+(210-185)2)^(1/2)/100=(175)^(1/2)/100≈1.32*點(diǎn)(2,1):((195-180)2+(190-175)2)^(1/2)/100=(200)^(1/2)/100≈1.41*點(diǎn)(2,2):((190-175)2+(190-170)2)^(1/2)/100=(225)^(1/2)/100≈1.50*點(diǎn)(2,3):((190-160)2+(190-165)2)^(1/2)/100=(250)^(1/2)/100≈1.58*點(diǎn)(2,4):((190-165)2+(190-180)2)^(1/2)/100=(225)^(1/2)/100≈1.50*點(diǎn)(3,1):((180-165)2+(175-170)2)^(1/2)/100=(125)^(1/2)/100≈1.12*點(diǎn)(3,2):((175-160)2+(175-165)2)^(1/2)/100=(200)^(1/2)/100≈1.41*點(diǎn)(3,3):((175-155)2+(175-170)2)^(1/2)/100=(225)^(1/2)/100≈1.50*點(diǎn)(3,4):((175-150)2+(175-180)2)^(1/2)/100=(250)^(1/2)/100≈1.58*點(diǎn)(4,1):((185-160)2+(190-165)2)^(1/2)/100=(250)^(1/2)/100≈1.58*點(diǎn)(4,2):((190-155)2+(190-170)2)^(1/2)/100=(300)^(1/2)/100≈1.73*點(diǎn)(4,3):((195-150)2+(195-165)2)^(1/2)/100=(350)^(1/2)/100≈1.87*點(diǎn)(4,4):((200-150)2+(205-165)2)^(1/2)/100=(425)^(1/2)/100≈2.06*計(jì)算所有坡度值的平均值：平均坡度=(1.05+1.32+1.48+1.32+1.41+1.50+1.58+1.50+1.12+1.41+1.50+1.58+1.58+1.73+1.87+2.06)/16平均坡度≈(22.76+22.76+22.76+22.76)/16平均坡度≈90.90/16平均坡度≈5.682.計(jì)算地形粗糙度指數(shù)（TRI）：*已知：DSM_mean=510米，DEM_mean=490米，DEM_stddev=30米。*需要先計(jì)算DSM的標(biāo)準(zhǔn)差（DSM_stddev）。通常情況下，題目會(huì)直接給出或假設(shè)與DEM標(biāo)準(zhǔn)差相同。這里假設(shè)DSM標(biāo)準(zhǔn)差也為30米（如果題目未說明，需謹(jǐn)慎處理或假設(shè)）。*計(jì)算TRI：TRI=(DSM-DEM_mean)/DEM_stddevTRI=(510-490)/30TRI=20/30TRI≈0.67四、論述題1.地球信息技術(shù)在大型復(fù)雜地形測繪中的綜合應(yīng)用優(yōu)勢與面臨的主要挑戰(zhàn)：地球信息技術(shù)（如LiDAR、InSAR、航空攝影測量等）在大型復(fù)雜地形（如山區(qū)、城市峽谷）測繪中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，但也面臨諸多挑戰(zhàn)。*優(yōu)勢：*高精度與高分辨率：機(jī)載LiDAR能夠提供亞米級(jí)甚至厘米級(jí)的高密度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，精確刻畫山體形態(tài)、溝谷、建筑物細(xì)節(jié)；高分辨率SAR和航空影像也能獲取豐富的地表細(xì)節(jié)。這對于復(fù)雜地形的精細(xì)表達(dá)至關(guān)重要。*大范圍覆蓋能力：衛(wèi)星SAR和航空攝影測量平臺(tái)能夠快速覆蓋廣闊的區(qū)域，滿足大型復(fù)雜地形測繪對數(shù)據(jù)廣度的需求。特別是星載SAR，可以實(shí)現(xiàn)全球范圍的重復(fù)觀測。*全天候與全天時(shí)作業(yè)潛力：SAR具有穿透云霧的能力，可以實(shí)現(xiàn)全天候數(shù)據(jù)獲?。徊糠諷AR系統(tǒng)具備夜間工作能力，對于動(dòng)態(tài)監(jiān)測（如城市擴(kuò)張、滑坡形變）和特定應(yīng)用（如夜間光照條件下的三維重建）具有重要價(jià)值。*三維信息獲?。篖iDAR和立體攝影測量直接獲取三維坐標(biāo)，能夠自動(dòng)生成DEM、DSM，并提取坡度、坡向等地形要素，為復(fù)雜地形的可視化和分析提供直接支持。SAR干涉測量（InSAR）還能用于大范圍高精度地形測繪和形變監(jiān)測。*數(shù)據(jù)融合潛力：不同地球信息技術(shù)（如LiDAR、SAR、光學(xué)影像）的數(shù)據(jù)可以融合，取長補(bǔ)短。例如，利用光學(xué)影像進(jìn)行建筑物提取，利用LiDAR獲取植被冠層和地表精細(xì)高程，利用SAR獲取穿透植被的地面信息或進(jìn)行形變監(jiān)測。*挑戰(zhàn)：*數(shù)據(jù)獲取成本高：高精度LiDAR系統(tǒng)購置和運(yùn)行成本高昂；高分辨率SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)雖然相對便宜，但覆蓋范圍和分辨率受限；航空攝影測量需要組織飛行任務(wù)，成本也較高。*復(fù)雜地形數(shù)據(jù)處理難度大：山區(qū)LiDAR點(diǎn)云密度可能不均勻，存在遮擋問題；城市峽谷中建筑物密集，存在大量激光點(diǎn)回波混淆（回波混疊）、陰影問題，給點(diǎn)云分類和地面提取帶來極大挑戰(zhàn)；SAR數(shù)據(jù)在復(fù)雜地形上易產(chǎn)生幾何畸變。*大氣影響：LiDAR信號(hào)易受霧、云、雨、雪等影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失或質(zhì)量下降；SAR信號(hào)穿透能力雖強(qiáng)，但大氣（尤其是水汽）仍會(huì)衰減信號(hào)，影響穿透深度和分辨率。*傳感器限制：不同傳感器的視角、分辨率、波譜特性不同，單一傳感器可能無法滿足所有復(fù)雜地形測繪需求。例如，光學(xué)影像在強(qiáng)光照和陰影區(qū)信息損失嚴(yán)重。*數(shù)據(jù)處理算法復(fù)雜性：復(fù)雜地形的測繪數(shù)據(jù)處理需要先進(jìn)的算法支持，如針對回波混疊的解混疊算法、針對城市區(qū)域的點(diǎn)云分割與建筑物提取算法、InSAR干涉相干性提升算法等，這些算法研發(fā)和實(shí)現(xiàn)難度較大。2.地形分析技術(shù)在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（如滑坡、洪水）中的應(yīng)用價(jià)值和方法：地形分析技術(shù)是災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的關(guān)鍵組成部分，通過量化地表形態(tài)特征，為識(shí)別災(zāi)害易發(fā)區(qū)域、理解災(zāi)害形成機(jī)制、評(píng)估潛在風(fēng)險(xiǎn)和制定防治措施提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。*應(yīng)用價(jià)值：*滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：地形因子（如坡度、坡向、地形起伏度、曲率、地形濕度指數(shù)、道路密度等）是影響滑坡發(fā)生的關(guān)鍵因素。陡峭的坡度、特定的坡向（易受風(fēng)化或侵蝕）、高地形起伏度、不穩(wěn)定的坡面形態(tài)（凹形坡、反斜坡）等都與滑坡易發(fā)性密切相關(guān)。通過計(jì)算這些地形因子并結(jié)合