2025年大學(xué)《地球信息科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫(kù)——地球信息技術(shù)在湖泊環(huán)境維護(hù)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述利用高光譜遙感數(shù)據(jù)反演湖泊水體葉綠素a濃度的基本原理及其主要優(yōu)缺點(diǎn)。2.描述地理信息系統(tǒng)（GIS）在湖泊水域范圍動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用流程，并列舉至少三種可用于水域提取的GIS空間分析方法。3.說(shuō)明遙感影像幾何校正和輻射校正的主要目的分別是什么？簡(jiǎn)述一個(gè)常見(jiàn)的輻射校正步驟。4.概述湖泊富營(yíng)養(yǎng)化遙感監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)及其對(duì)應(yīng)的遙感信息源。5.闡述無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在湖泊水體污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)及其相較于衛(wèi)星遙感的主要特點(diǎn)。二、論述題（每題10分，共20分）1.論述多源數(shù)據(jù)融合在提高湖泊環(huán)境監(jiān)測(cè)信息精度和完整性方面的作用，并舉例說(shuō)明如何融合遙感、GIS和地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析一個(gè)特定的湖泊環(huán)境問(wèn)題（如入湖污染物負(fù)荷分析）。2.結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）的空間分析功能，論述其在湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃與管理中的應(yīng)用潛力，并設(shè)計(jì)一個(gè)利用GIS技術(shù)支持湖岸帶保護(hù)區(qū)劃定的基本思路。三、計(jì)算與分析題（共25分）1.假設(shè)某湖泊監(jiān)測(cè)區(qū)域使用了Landsat8衛(wèi)星的OLI傳感器獲取遙感影像，獲取了該區(qū)域2024年10月1日的反射率數(shù)據(jù)?，F(xiàn)需估算該湖泊的表面積。已知該區(qū)域經(jīng)緯度范圍大致為東經(jīng)120°30′至121°15′，北緯30°45′至31°20′。請(qǐng)簡(jiǎn)述利用ENVI或ArcGIS軟件估算該湖泊表面積的基本步驟，并說(shuō)明在估算過(guò)程中可能需要考慮的因素或進(jìn)行的預(yù)處理操作。（12分）2.某研究區(qū)域存在潛在的非法排污口問(wèn)題，需要利用遙感技術(shù)進(jìn)行輔助排查。已知該區(qū)域近期獲取了高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像和雷達(dá)影像（如Sentinel-1）。請(qǐng)分別闡述利用這兩種遙感影像數(shù)據(jù)排查非法排污口可能采用的技術(shù)方法，并比較兩種方法在識(shí)別不同條件下的排污口（如夜間、雨后、隱蔽性排污口）時(shí)的優(yōu)劣勢(shì)。（13分）試卷答案一、簡(jiǎn)答題1.答案：利用高光譜遙感數(shù)據(jù)反演湖泊水體葉綠素a濃度的基本原理是，葉綠素a作為浮游植物的主要色素，其吸收光譜和反射光譜具有獨(dú)特的特征峰和谷。通過(guò)測(cè)量水體在葉綠素a特征吸收波段（如藍(lán)光波段吸收強(qiáng)，紅光波段反射率較高）和特征反射波段（如綠光波段反射率峰值）的反射率值，建立遙感反射率與葉綠素a濃度之間的定量或半定量關(guān)系模型（如經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、物理模型或機(jī)器學(xué)習(xí)模型），從而反演葉綠素a濃度。優(yōu)點(diǎn)：光譜分辨率高，可獲取更精細(xì)的光譜特征，反演精度相對(duì)較高；可同時(shí)反演多種水色參數(shù)。缺點(diǎn)：傳感器成本較高；數(shù)據(jù)處理復(fù)雜；易受水中其他組分（如懸浮物、黃色物質(zhì)）干擾，需要建立更復(fù)雜的校正模型。2.答案：利用GIS在湖泊水域范圍動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用流程：①獲取多期遙感影像數(shù)據(jù)；②對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理（輻射校正、幾何校正）；③采用影像分割、閾值分割、邊緣檢測(cè)或面向?qū)ο蟮确椒ㄌ崛『此蚍秶啥嗥谑噶窟吔鐢?shù)據(jù)；④在GIS軟件中導(dǎo)入多期水域邊界數(shù)據(jù)及相關(guān)的地理參考信息（如行政區(qū)劃、DEM等）；⑤利用GIS空間分析功能（如疊加分析、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)分析等）計(jì)算水域面積變化量、形狀變化指數(shù)、水域擴(kuò)張/萎縮方向等指標(biāo)；⑥制作動(dòng)態(tài)變化圖件或進(jìn)行時(shí)空統(tǒng)計(jì)分析，評(píng)估湖泊水域變化的趨勢(shì)和特征。GIS空間分析方法：①疊加分析（如計(jì)算湖泊邊界與周邊土地利用類型的疊加關(guān)系）；②緩沖區(qū)分析（如分析湖岸帶一定范圍內(nèi)的土地利用變化）；③變化檢測(cè)（如比較不同時(shí)期水域邊界的差異）；④空間統(tǒng)計(jì)（如分析水域面積變化的時(shí)空分布特征）。3.答案：幾何校正的主要目的是消除或糾正遙感影像由于傳感器外部幾何畸變（如鏡頭畸變、地球曲率、傳感器自旋畸變等）和內(nèi)部畸變（如傳感器像元排列誤差）以及大氣折射等因素造成的幾何位置偏差，使影像上像元的位置與其對(duì)應(yīng)的地面實(shí)際位置精確匹配，確保影像能夠進(jìn)行精確的空間定位和測(cè)量。輻射校正的主要目的是消除或減弱傳感器接收到的地物輻射信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到的大氣影響（如散射、吸收），以及傳感器自身系統(tǒng)誤差（如暗電流、增益不穩(wěn)定等）的影響，將原始的數(shù)字量（DN值）轉(zhuǎn)換為能夠反映地物表面實(shí)際反射率或輻射亮度信息的物理量，使得不同時(shí)間、不同傳感器獲取的影像數(shù)據(jù)具有可比性。一個(gè)常見(jiàn)的輻射校正步驟是利用暗目標(biāo)減法法（DarkObjectSubtraction,DOS）進(jìn)行大氣校正：首先在影像上選擇若干個(gè)遠(yuǎn)離地物、光照均勻、視場(chǎng)內(nèi)無(wú)云或少云的像元作為暗目標(biāo)區(qū)域；計(jì)算這些暗目標(biāo)區(qū)域的DN值或亮度值；取這些暗目標(biāo)DN值或亮度值的平均值作為暗電流值；從每個(gè)像元的原始DN值中減去該暗電流值，得到經(jīng)過(guò)初步大氣校正的輻射亮度值。4.答案：湖泊富營(yíng)養(yǎng)化遙感監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)及其對(duì)應(yīng)的遙感信息源：①葉綠素a濃度：利用高光譜遙感器在藍(lán)光波段（吸收特征）、紅光波段（反射特征）和近紅外波段（反射特征）的反射率信息，通過(guò)模型反演。信息源：高光譜衛(wèi)星遙感影像、航空高光譜遙感影像。②總懸浮物（TSS）濃度：利用中高分辨率光學(xué)遙感器在綠光、紅光、近紅外波段的反射率差異，或利用熱紅外遙感器測(cè)量水體溫度進(jìn)行估算。信息源：Landsat、Sentinel-2等中高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像、熱紅外衛(wèi)星影像。③氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度：通常不直接遙感反演，而是通過(guò)反演葉綠素a、TSS等指標(biāo)，結(jié)合水化學(xué)模型或經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行估算。信息源：依賴葉綠素a、TSS反演所需的遙感數(shù)據(jù)。④水體透明度：利用光學(xué)遙感器在特定波段（如藍(lán)光波段）的透射率或反射率信息進(jìn)行估算。信息源：Landsat、Sentinel-2等光學(xué)衛(wèi)星影像。⑤湖泊水體面積和形狀變化：利用不同時(shí)相的遙感影像，通過(guò)圖像處理和GIS技術(shù)提取水域邊界。信息源：光學(xué)衛(wèi)星影像、雷達(dá)影像（全天候）。5.答案：無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在湖泊水體污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)：①機(jī)動(dòng)靈活，可快速抵達(dá)污染現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行臨空監(jiān)測(cè)；②作業(yè)效率高，可快速覆蓋重點(diǎn)區(qū)域或進(jìn)行大范圍普查；③分辨率高，可獲取厘米級(jí)甚至更高分辨率影像，有助于識(shí)別小型污染源或細(xì)微變化；④重復(fù)觀測(cè)能力強(qiáng)，可短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多時(shí)相對(duì)比，有效監(jiān)測(cè)污染動(dòng)態(tài)變化；⑤降低了人員在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域（如污染水體）作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)；⑥成本相對(duì)較低，適合常規(guī)化或應(yīng)急性監(jiān)測(cè)任務(wù)。相較于衛(wèi)星遙感的主要特點(diǎn)：①空域優(yōu)勢(shì)，可貼近地面，克服部分大氣干擾，獲取更高分辨率信息；②時(shí)空分辨率優(yōu)勢(shì)，尤其時(shí)間分辨率高，可快速響應(yīng)應(yīng)急事件；③機(jī)動(dòng)性與靈活性優(yōu)勢(shì)，可針對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行精細(xì)化觀測(cè)；④成本和覆蓋范圍相對(duì)受限，單次覆蓋面積較小。二、論述題1.答案：多源數(shù)據(jù)融合在提高湖泊環(huán)境監(jiān)測(cè)信息精度和完整性方面的作用主要體現(xiàn)在：①信息互補(bǔ)，彌補(bǔ)單一數(shù)據(jù)源的局限性。例如，遙感數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣、時(shí)效性強(qiáng)，但精度有限且易受云雨影響；地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度高、代表性強(qiáng)，但時(shí)空覆蓋范圍有限。融合兩者可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，獲得更全面、準(zhǔn)確的信息。②精度提升，通過(guò)融合多源數(shù)據(jù)可以相互校正、消除誤差、提高最終結(jié)果的可靠性。例如，利用高精度地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)遙感反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和校正，可以顯著提高反演精度。③時(shí)空分辨率增強(qiáng)，融合不同來(lái)源、不同時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)可以生成更高時(shí)空分辨率的信息產(chǎn)品，滿足精細(xì)化監(jiān)測(cè)的需求。④信息豐富度增加，融合不同類型的數(shù)據(jù)（如影像數(shù)據(jù)、點(diǎn)狀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)）可以提供更豐富的維度和視角，有助于進(jìn)行更深入的綜合分析。舉例說(shuō)明：分析入湖污染物負(fù)荷?？梢岳眠b感影像（如Sentinel-2）監(jiān)測(cè)湖泊及上游區(qū)域的水體顏色變化（指示富營(yíng)養(yǎng)化或特定污染物）、懸浮物濃度分布、入湖河道形態(tài)與水量變化；利用GIS分析污染源（工業(yè)點(diǎn)源、農(nóng)業(yè)面源、生活污水）分布與水域的空間關(guān)系；利用地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（如入湖河流流量、水質(zhì)參數(shù)）獲取精確的污染物濃度和流量數(shù)據(jù)。通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合，可以在GIS平臺(tái)上疊加分析污染源排放量、河流輸運(yùn)過(guò)程、遙感反演的水體參數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合評(píng)估不同來(lái)源污染物的相對(duì)貢獻(xiàn)和入湖總負(fù)荷，生成更準(zhǔn)確、可靠的入湖污染物負(fù)荷分布圖和負(fù)荷總量估算結(jié)果。2.答案：地理信息系統(tǒng)（GIS）在湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃與管理中的應(yīng)用潛力巨大，主要體現(xiàn)在其強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理、分析、可視化和管理功能，能夠?yàn)楹幢Ｗo(hù)提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。其應(yīng)用潛力包括：①空間信息集成與管理：GIS能夠整合湖泊基礎(chǔ)地理信息（地形、水系、土壤、植被）、環(huán)境信息（水質(zhì)、沉積物、生物多樣性）、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息（人口、產(chǎn)業(yè)、土地利用）等多源空間數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)一的湖泊生態(tài)環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù)，為綜合評(píng)估和管理提供基礎(chǔ)。②環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)：利用GIS空間分析功能（如疊置分析、緩沖區(qū)分析、空間統(tǒng)計(jì)），可以評(píng)估湖泊水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、污染源影響范圍、生態(tài)敏感性、生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值等，制作環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)圖件，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化。③保護(hù)區(qū)劃與管理：GIS可用于識(shí)別生態(tài)敏感區(qū)和關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點(diǎn)，結(jié)合生態(tài)承載能力模型、最小可行距離模型等，科學(xué)劃定生態(tài)保護(hù)紅線、自然保護(hù)區(qū)、水源涵養(yǎng)區(qū)等保護(hù)區(qū)域，并建立空間管制規(guī)則。利用GIS的緩沖區(qū)分析等功能，可以制定湖岸帶保護(hù)與利用的分區(qū)管控策略。④污染防控規(guī)劃：GIS可用于識(shí)別潛在污染源分布，分析污染物遷移擴(kuò)散路徑，規(guī)劃污水處理廠、排污口布局、污染攔截設(shè)施建設(shè)等，優(yōu)化污染防控方案。⑤生態(tài)修復(fù)規(guī)劃：結(jié)合遙感監(jiān)測(cè)的植被覆蓋、水體狀況等信息與GIS分析，可以評(píng)估生態(tài)退化狀況，規(guī)劃生態(tài)修復(fù)工程（如水生植被恢復(fù)、岸線整治、底質(zhì)清淤）的適宜區(qū)域和實(shí)施方案。⑥規(guī)劃實(shí)施監(jiān)測(cè)與評(píng)估：利用GIS跟蹤規(guī)劃實(shí)施情況，監(jiān)測(cè)規(guī)劃區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化效果，為規(guī)劃調(diào)整提供依據(jù)。基本思路設(shè)計(jì)：利用GIS支持湖岸帶保護(hù)區(qū)劃，首先收集湖岸帶區(qū)域的基礎(chǔ)地理信息（DEM、水系、土地利用、地形圖）、遙感影像（獲取岸線、植被、水體信息）、環(huán)境敏感信息（水源保護(hù)地、生態(tài)敏感區(qū)、歷史文化遺跡）、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息（居民點(diǎn)、道路、旅游設(shè)施等）。在GIS中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和符號(hào)化。然后，利用遙感影像進(jìn)行岸線提取和變化監(jiān)測(cè)。利用GIS疊加分析功能，將各類保護(hù)目標(biāo)（如水源地、生態(tài)敏感區(qū)、重要棲息地）與人類活動(dòng)強(qiáng)度（如居民點(diǎn)距離、道路密度）進(jìn)行疊加分析，評(píng)估岸帶生態(tài)敏感性。結(jié)合最小累積阻力模型、景觀格局指數(shù)分析等方法，識(shí)別岸帶的關(guān)鍵生態(tài)廊道和重要保護(hù)區(qū)域。最后，根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合管理需求和法定要求，在GIS地圖上初步劃定不同級(jí)別的湖岸帶保護(hù)區(qū)，并設(shè)置相應(yīng)的管理分區(qū)和管控措施，輸出保護(hù)區(qū)劃圖，為制定湖岸帶保護(hù)規(guī)劃提供空間依據(jù)。三、計(jì)算與分析題1.答案：利用ENVI或ArcGIS軟件估算該湖泊表面積的基本步驟：①數(shù)據(jù)導(dǎo)入：將Landsat8OLI影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件工作區(qū)。②圖像預(yù)處理：進(jìn)行輻射校正（轉(zhuǎn)換為反射率）、幾何校正（使用已知地面控制點(diǎn)GCPs進(jìn)行幾何精校正）。③水體提?。哼x擇合適的水體提取方法。在ENVI中，可以使用像元二分模型（如基于NDWI或MNDWI指數(shù)）、閾值分割（根據(jù)水體光譜特征選擇合適閾值）或分類器（如支持向量機(jī)SVM、隨機(jī)森林）等方法。在ArcGIS中，可以使用“提取水面”工具（需安裝水系分析擴(kuò)展模塊）或利用“閾值分割”、“設(shè)置像元類型”等工具結(jié)合NDWI等方法。④矢量化：將提取出的湖泊水體邊界從柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量多邊形數(shù)據(jù)（Polygon）。⑤面積計(jì)算：在GIS軟件中，使用“計(jì)算幾何”（CalculateGeometry）屬性或類似功能，計(jì)算矢量多邊形對(duì)象的面積。⑥單位轉(zhuǎn)換：檢查面積單位，若為像元面積，需根據(jù)影像的地面分辨率（GSD）將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際面積單位（如平方米、平方公里）。例如，若GSD為30米，則總面積（平方米）=矢量多邊形面積（像元數(shù)）*30*30。⑦結(jié)果輸出：保存計(jì)算得到的湖泊表面積結(jié)果?？赡苄枰紤]的因素或進(jìn)行的預(yù)處理操作：①大氣影響：Landsat影像受大氣影響較明顯，可能需要進(jìn)行大氣校正以提高水體提取精度。②水體混濁：若水體懸浮物含量高，會(huì)影響水體光譜特征，增加水體提取難度，可能需要結(jié)合水體指數(shù)和模型進(jìn)行校正。③影像質(zhì)量：云、云陰影可能覆蓋湖泊，需要選擇晴空影像或采用面向?qū)ο蟮确椒ǚ指钊コ?。④地形影響：湖泊高程變化可能影響邊界提取，但通常?duì)于大面積湖泊，DEM影響相對(duì)較小，除非湖泊形態(tài)狹長(zhǎng)或存在瀑布等。⑤邊界精度：GCPs的選擇和數(shù)量直接影響幾何校正精度，進(jìn)而影響最終面積計(jì)算的準(zhǔn)確性。2.答案：利用高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像（如Sentinel-2）排查非法排污口可能采用的技術(shù)方法：①圖像處理與特征提?。簩?duì)影像進(jìn)行輻射校正和幾何校正。利用圖像增強(qiáng)技術(shù)（如對(duì)比度拉伸、主成分分析PCA）突出水體和潛在排污口特征。計(jì)算水體指數(shù)（如NDVI、MNDWI、FCI）以區(qū)分水體和岸邊地物。利用邊緣檢測(cè)算法（如Canny算子）或形態(tài)學(xué)操作（如開(kāi)運(yùn)算、閉運(yùn)算）提取細(xì)小線性或點(diǎn)狀特征，這些可能是排污口或排污管道的痕跡。②疊加分析與空間關(guān)系挖掘：將提取的特征與已知土地利用/覆蓋圖、道路網(wǎng)絡(luò)、排污企業(yè)分布圖等疊加分析。查找位于工業(yè)區(qū)、居民區(qū)附近且與道路相連的異常點(diǎn)狀或線性特征。分析水體顏色異常區(qū)（如藍(lán)綠藻爆發(fā)區(qū)）與潛在排污口的空間關(guān)系。③分類與目標(biāo)檢測(cè)：如果采用面向?qū)ο髨D像處理或深度學(xué)習(xí)方法，可以對(duì)影像進(jìn)行水體/非水體分類，并在非水體區(qū)域重點(diǎn)檢測(cè)異常高亮點(diǎn)（如反光管道口）或特定光譜特征（如某些化學(xué)物質(zhì)污染導(dǎo)致的光譜反射異常）。④多時(shí)相對(duì)比分析：對(duì)比不同時(shí)相的影像，識(shí)別短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)或變化的水體異常點(diǎn)，這些可能是新的排污口。利用高分辨率雷達(dá)影像（如Sentinel-1）排查非法排污口可能采用的技術(shù)方法：①圖像處理與特征提?。簩?duì)影像進(jìn)行輻射校正和幾何校正。利用雷達(dá)后向散射系數(shù)的時(shí)空變化特征。利用圖像增強(qiáng)技術(shù)突出線性或點(diǎn)狀特征。對(duì)于極化雷達(dá)（如Sentinel-1），可以利用不同極化組合（如HH,HV,VV,VH）的差異信息來(lái)區(qū)分不同地物類型，水體通常在HV/VH通道有較高后向散射。對(duì)于非法排污口，可能表現(xiàn)為管道、井蓋等金屬或粗糙表面結(jié)構(gòu)，在特定極化組合下可能具有異常的雷達(dá)回波特征。②疊加分析與空間關(guān)系挖掘：同樣將提取的特征與土地利用圖、道路網(wǎng)絡(luò)、排污企業(yè)分布圖等疊加分析。重點(diǎn)查找位于工業(yè)區(qū)、居民區(qū)附近且與道路連接的線性或點(diǎn)狀強(qiáng)回波點(diǎn)。分析排污口位置與上游污