2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——行星熱成像地圖制作方法考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在括號(hào)內(nèi)）1.根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，一個(gè)黑體的總輻射功率與其絕對(duì)溫度的四次方（T^4）成什么關(guān)系？A.成正比B.成反比C.成正比平方D.成反比平方2.在行星熱紅外成像中，探測(cè)器接收到的信號(hào)主要是由什么輻射構(gòu)成的？A.行星可見(jiàn)光反射陽(yáng)光B.行星自身發(fā)射的熱紅外輻射C.星星光輻射D.探測(cè)器自身發(fā)熱輻射3.熱紅外遙感器能夠探測(cè)到的最低溫度，主要受限于什么因素？A.行星表面最低溫度B.探測(cè)器本身產(chǎn)生的熱噪聲C.行星大氣吸收D.地球環(huán)境溫度4.將熱紅外探測(cè)器測(cè)量的原始DN值轉(zhuǎn)換為輻射亮度或輻亮度的過(guò)程稱為？A.地表溫度反演B.輻射定標(biāo)C.大氣訂正D.幾何校正5.對(duì)于需要穿透行星大氣進(jìn)行熱成像觀測(cè)的情況，通常選擇哪個(gè)波段？A.可見(jiàn)光波段B.熱紅外大氣窗口波段C.任何紅外波段均可D.微波波段6.行星熱紅外圖像中，通常較亮的區(qū)域代表？A.較高的溫度B.較低的溫度C.反射率較高D.大氣吸收較強(qiáng)7.在熱紅外圖像處理中，大氣訂正的主要目的是什么？A.消除圖像中的噪聲B.校正探測(cè)器本身的畸變C.消除或減弱大氣對(duì)地表輻射傳輸?shù)挠绊慏.增強(qiáng)圖像的對(duì)比度8.將處理后的單幅熱紅外圖像從探測(cè)器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到行星地理坐標(biāo)系的過(guò)程稱為？A.輻射定標(biāo)B.地表溫度反演C.大氣訂正D.幾何校正9.熱紅外圖像中的陰影區(qū)域通常是由什么形成的？A.圖像處理錯(cuò)誤B.行星自轉(zhuǎn)導(dǎo)致遮擋C.高地物遮擋低地物D.大氣散射10.在進(jìn)行行星熱紅外地圖制作時(shí)，選擇合適的地圖投影主要考慮什么因素？A.圖像美觀度B.地圖覆蓋范圍C.幾何保真度（面積、角度等）D.軟件兼容性二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.熱紅外輻射的能量主要集中在______和______波段。2.熱成像遙感器的主要技術(shù)指標(biāo)包括空間分辨率、______和______。3.熱紅外圖像的大氣訂正方法主要包括基于大氣窗口的______和利用大氣吸收模型的______。4.地表溫度反演的公式通常涉及地表比輻射率、斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)和______。5.為了獲得行星全球或大范圍的熱紅外地圖，通常需要采用______觀測(cè)方式。6.熱紅外圖像處理中，需要根據(jù)行星天體力學(xué)模型計(jì)算探測(cè)器相對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)的______和______。7.熱紅外地圖中，不同灰度級(jí)別通常代表______的差異。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)明扼要地回答下列問(wèn)題）1.簡(jiǎn)述紅外輻射與可見(jiàn)光輻射在傳播特性上的主要區(qū)別。2.解釋什么是“熱紅外大氣窗口”，為什么觀測(cè)行星熱輻射時(shí)需要利用大氣窗口？3.列舉至少三種影響行星地表溫度的主要因素。4.簡(jiǎn)述從原始熱紅外數(shù)據(jù)到生成一張合格行星熱成像地圖的主要步驟。四、論述題（每題10分，共20分。請(qǐng)圍繞下列問(wèn)題展開(kāi)論述）1.詳細(xì)說(shuō)明熱紅外大氣訂正過(guò)程中可能遇到的主要挑戰(zhàn)及其對(duì)最終地表溫度反演結(jié)果的影響。2.結(jié)合你了解的某顆行星（如火星、木衛(wèi)二、金星等）的實(shí)際情況，論述熱紅外成像地圖在研究該行星地質(zhì)活動(dòng)、水冰分布或大氣現(xiàn)象等方面的重要應(yīng)用價(jià)值。五、計(jì)算題（共15分。請(qǐng)列出必要的公式和計(jì)算步驟）假設(shè)某熱紅外成像光譜儀的工作波段為10-12微米，探測(cè)器為制冷型，在定標(biāo)過(guò)程中測(cè)得某條像元對(duì)應(yīng)的輻射計(jì)電壓（DN）為1000個(gè)計(jì)數(shù)。已知該波段的定標(biāo)系數(shù)為0.05W/(m^2·K^4·DN)。忽略大氣影響，試計(jì)算該像元對(duì)應(yīng)的地表有效溫度（單位：K）。假設(shè)該地物在此波段具有理想的黑體輻射特性。試卷答案一、選擇題1.A2.B3.B4.B5.B6.A7.C8.D9.C10.C二、填空題1.中紅外，遠(yuǎn)紅外2.溫度分辨率，輻射分辨率3.直接法，間接法（或物理模型法）4.探測(cè)器接收到的總有效輻射（或大氣訂正后的輻射亮度/輻亮度）5.掃描式6.距離，視線角（或入射角）7.溫度三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：從輻射本質(zhì)和介質(zhì)相互作用入手。紅外輻射主要是物體自身熱輻射，波長(zhǎng)更長(zhǎng)，穿透力相對(duì)可見(jiàn)光更強(qiáng)（尤其在大氣窗口），易受介質(zhì)吸收和散射影響；可見(jiàn)光主要反射太陽(yáng)光，波長(zhǎng)較短，易被大氣中的水汽、氣溶膠等散射。答案要點(diǎn)：紅外輻射本質(zhì)是熱輻射，波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)，穿透力相對(duì)更強(qiáng)，易被大氣中特定成分吸收；可見(jiàn)光主要反射太陽(yáng)輻射，波長(zhǎng)較短，易被大氣散射。紅外輻射受大氣影響更顯著，探測(cè)目標(biāo)自身熱輻射。2.解析思路：解釋大氣窗口的概念和作用。大氣窗口是大氣對(duì)熱紅外輻射吸收較少的特定波段。利用這些窗口波段，可以使行星地表發(fā)射的熱輻射能夠相對(duì)無(wú)障礙地到達(dá)空間探測(cè)器，從而被接收到，否則大部分能量會(huì)被大氣吸收。答案要點(diǎn)：熱紅外大氣窗口是指大氣對(duì)紅外輻射吸收率較低的特定波段。行星地表的熱紅外輻射需要穿過(guò)大氣層才能被探測(cè)器接收，大氣窗口的存在使得地表輻射信號(hào)損失較小，提高了遙感探測(cè)的可行性和有效性。3.解析思路：從能量平衡和物理特性角度思考。太陽(yáng)輻射是主要能量來(lái)源，地表反照率影響吸收，大氣狀況（溫度、濕度）影響能量交換，地表材質(zhì)和粗糙度影響熱傳導(dǎo)和發(fā)射，地質(zhì)活動(dòng)（火山）和地形（高程）影響局部能量收支。答案要點(diǎn)：主要因素包括：①太陽(yáng)輻射輸入（強(qiáng)度、角度）；②地表反照率；③大氣狀況（溫度、濕度、云層）；④地表材質(zhì)與熱物理性質(zhì)（比熱容、導(dǎo)熱率、比輻射率）；⑤地形地貌（高程、坡向）；⑥地質(zhì)活動(dòng)（如火山噴發(fā)釋放熱量）。4.解析思路：按照數(shù)據(jù)處理流程梳理步驟。從原始數(shù)據(jù)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)、大氣訂正、地表溫度反演，然后進(jìn)行幾何校正和地圖投影，最后可能進(jìn)行圖像增強(qiáng)、拼接等，得到最終地圖產(chǎn)品。答案要點(diǎn)：主要步驟有：①原始數(shù)據(jù)讀入；②輻射定標(biāo)；③大氣訂正；④地表溫度反演；⑤幾何校正與配準(zhǔn)；⑥地圖投影變換；⑦圖像質(zhì)量檢查與標(biāo)注；⑧生成最終地圖產(chǎn)品。四、論述題1.解析思路：分析大氣訂正的難點(diǎn)和影響。難點(diǎn)在于精確獲取大氣參數(shù)（如大氣窗口處的透過(guò)率、大氣溫度結(jié)構(gòu)、大氣成分濃度等），這些參數(shù)本身存在不確定性；模型假設(shè)可能與實(shí)際大氣偏差；不同訂正方法各有優(yōu)劣和適用條件。影響主要體現(xiàn)在：如果訂正不準(zhǔn)確，會(huì)引入系統(tǒng)誤差，導(dǎo)致反演的地表溫度偏差，影響后續(xù)的科學(xué)分析結(jié)果。答案要點(diǎn)：主要挑戰(zhàn)包括：①大氣參數(shù)不確定：精確知道行星大氣（或固態(tài)行星表面附近）的溫度廓線、壓力分布、主要吸收氣體成分及其濃度是大氣訂正的關(guān)鍵，但獲取這些參數(shù)本身困難重重，存在誤差。②大氣模型假設(shè)：常用的大氣訂正模型基于一定的物理假設(shè)（如平面平行大氣、特定氣體吸收特性），可能與實(shí)際復(fù)雜大氣情況存在偏差。③混合像元影響：對(duì)于空間分辨率較低的情況，一個(gè)像元可能包含多種地物，大氣訂正難以完全區(qū)分不同地物對(duì)輻射的貢獻(xiàn)。④大氣窗口選擇：選用的大氣窗口本身可能并非完全“干凈”，存在一定吸收。這些挑戰(zhàn)直接影響反演結(jié)果：訂正不徹底或誤差過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致反演出的地表溫度與真實(shí)溫度產(chǎn)生系統(tǒng)性偏差，使得溫度分布圖無(wú)法真實(shí)反映行星表面的熱狀態(tài)，進(jìn)而影響對(duì)火山活動(dòng)、冰川變化、水循環(huán)等科學(xué)現(xiàn)象的準(zhǔn)確判斷和分析。2.解析思路：選擇具體實(shí)例，結(jié)合熱紅外特性論述應(yīng)用價(jià)值。例如火星，可從探測(cè)火山熱異常、沙丘運(yùn)動(dòng)、極冠變化、水冰分布（夜間溫度）、沙塵暴影響等方面展開(kāi)。強(qiáng)調(diào)熱紅外能夠提供其他手段（如光學(xué)成像、雷達(dá)）難以獲得的信息（如夜間的溫度信息、間接探測(cè)水冰）。答案要點(diǎn)：以火星為例：①探測(cè)火山活動(dòng)：活躍的火山口或火山錐在活動(dòng)期會(huì)釋放大量熱量，導(dǎo)致其熱紅外輻射異常增強(qiáng)，在熱成像地圖上呈現(xiàn)為明顯“熱點(diǎn)”，可用于識(shí)別和監(jiān)測(cè)火山活動(dòng)。②研究風(fēng)沙活動(dòng)：沙丘表面溫度受日曬影響大，白天高溫，夜晚快速冷卻，其溫度變化特征在熱成像地圖上可反映沙丘的形態(tài)和近期運(yùn)動(dòng)情況（如沙丘吹蝕方向）。③監(jiān)測(cè)水冰分布：紅冰或覆蓋著灰塵的夜間水冰具有獨(dú)特的熱慣性，在熱圖上可能表現(xiàn)為與其他地表不同的溫度特征（如夜間溫度相對(duì)較高或與其他地物有溫差），有助于間接尋找水冰。④分析大氣現(xiàn)象：熱紅外可探測(cè)火星全球性的熱暈（極地渦旋）、沙塵暴（沙塵會(huì)吸收和發(fā)射紅外輻射，改變地表溫度）等大氣現(xiàn)象的溫度分布和影響。⑤地質(zhì)解譯：不同巖石和礦物具有不同的熱慣性（儲(chǔ)熱能力）和比輻射率，導(dǎo)致其溫度響應(yīng)不同，熱紅外圖像有助于區(qū)分不同地質(zhì)單元和識(shí)別地質(zhì)構(gòu)造。熱紅外成像地圖為研究火星地質(zhì)、氣候、環(huán)境提供了獨(dú)特的視角和關(guān)鍵信息。五、計(jì)算題解析思路：明確公式和物理量。輻射定標(biāo)的基本公式是T=C*DN，其中T是輻射亮度或輻亮度，C是定標(biāo)系數(shù)，DN是探測(cè)器電壓（或DN值）。題目已給出C和DN，單位需統(tǒng)一（這里系數(shù)單位是W/(m^2·K^4·DN)，DN是單位less，所以結(jié)果單位是W/(m^2·K^4)）。計(jì)算得到的是地表的有效輻射亮度。由于假設(shè)為黑體且忽略大氣，此有效輻射亮度即等效于黑體的斯蒂芬-玻爾茲曼輻射功率密度。根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，輻射功率密度P=σ*T^4，其中σ是斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)（5.67e-8W/(m^2·K^4)）。通過(guò)P=σ*T^4可以反解出T=(P/σ)^(1/4)。但題目中T已通過(guò)T=C*DN計(jì)算得到，直接使用即可。注意題目問(wèn)的是“有效溫度”，通常指等效黑體溫度。計(jì)算步驟：1.根據(jù)定標(biāo)公式計(jì)算地表有效輻射亮度（或等效黑體輻射功率密度）：T=C*DN=0.05W/(m^2·K^4·DN)*1000DN=50W/(m^2·K^4)2.由于假設(shè)為黑體且忽略大氣影響，此有效輻射亮度即為等效黑體輻射功率密度P。3.根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲