2025年大學《行星科學》專業(yè)題庫——行星地理信息系統(tǒng)應用技術(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題1.簡述行星地理信息系統(tǒng)（GIS）在行星科學研究中相較于傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)的主要特點和挑戰(zhàn)。2.描述行星遙感數(shù)據(jù)（如地形圖、光譜圖）在進入GIS系統(tǒng)前通常需要進行哪些關(guān)鍵的預處理步驟，并說明每一步的目的。3.解釋什么是矢量數(shù)據(jù)模型和柵格數(shù)據(jù)模型，并分別列舉至少三種適用于存儲行星科學數(shù)據(jù)的矢量類型和柵格類型。4.說明在行星GIS中進行坐標轉(zhuǎn)換（例如，從探測器成像坐標系轉(zhuǎn)換到太陽系基準坐標系）的重要性，并簡述可能涉及的基本步驟。5.定義空間緩沖區(qū)分析，并闡述其在評估行星表面環(huán)境風險（如輻射區(qū)、引力異常區(qū)）或識別特定影響范圍（如隕石坑噴發(fā)物散落區(qū)）中的應用原理。二、論述題6.選擇一種具體的行星表面過程（如流紋巖熔巖流蔓延、水冰升華侵蝕、風蝕地貌形成），設(shè)計一個利用行星GIS技術(shù)進行分析的研究方案。請詳細說明你將如何利用GIS的數(shù)據(jù)處理、空間分析和可視化功能來研究該過程，需要涉及哪些類型的數(shù)據(jù)，以及期望獲得什么樣的科學認識。7.論述數(shù)字高程模型（DEM）在行星科學研究中的廣泛應用。請分別說明如何利用DEM數(shù)據(jù)計算坡度、坡向，并解釋這些參數(shù)在行星著陸點選擇、水文地貌分析（假設(shè)存在液態(tài)水）、或地質(zhì)結(jié)構(gòu)解譯等方面的具體應用意義。8.以一個假想的火星探測任務為例，描述如何運用GIS疊加分析技術(shù)來綜合評估多個潛在的著陸點候選區(qū)域。需要考慮哪些類型的行星數(shù)據(jù)（例如地形、地貌、光譜、氣象數(shù)據(jù)），這些數(shù)據(jù)如何組合以產(chǎn)生綜合評價指標，以及如何利用這些指標來篩選出最優(yōu)著陸點。9.比較行星GIS中柵格-柵格疊置分析（如相乘、相除、歐氏距離疊置）與柵格-矢量疊置分析（如點落在面內(nèi)、面覆蓋點）的主要區(qū)別。分別舉例說明這兩種疊置分析在行星科學問題研究中可能的應用場景。10.闡述行星GIS可視化在行星科學探索中的重要作用。討論在展示不同類型行星數(shù)據(jù)（如三維地形、高光譜圖像、時間序列變化圖）時，應考慮哪些可視化原則和技巧？并舉例說明有效的可視化如何幫助科學家理解復雜的行星現(xiàn)象。試卷答案一、簡答題1.答案：行星GIS的主要特點包括處理的數(shù)據(jù)源復雜多樣（多為高分辨率遙感影像、光譜數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等）、數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)獲取成本高昂且周期性長、行星特殊環(huán)境（如極端溫差、強輻射、無大氣或稀薄大氣）對數(shù)據(jù)傳輸和處理提出挑戰(zhàn)、坐標系和基準系復雜、以及部分區(qū)域存在數(shù)據(jù)缺失或覆蓋不全。主要挑戰(zhàn)在于行星數(shù)據(jù)獲取的局限性、數(shù)據(jù)處理的計算資源需求、行星環(huán)境對探測器和傳感器的特殊要求、以及建立適用于不同行星的統(tǒng)一或局部GIS分析框架。2.答案：關(guān)鍵預處理步驟包括：輻射定標（將原始DN值轉(zhuǎn)換為具有物理意義的輻射亮度或反射率）、大氣校正（去除大氣散射和吸收對觀測值的影響）、幾何校正/正射校正（校正傳感器幾何畸變和地形起伏引起的位移）、輻射校正（將反射率轉(zhuǎn)換為地表參數(shù)，如水體葉綠素濃度、地表溫度等）、坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換與配準（統(tǒng)一不同數(shù)據(jù)源的坐標和投影）、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換與融合（便于不同軟件處理或整合多源數(shù)據(jù)）、以及數(shù)據(jù)裁剪與重采樣（根據(jù)分析區(qū)域和分辨率需求調(diào)整數(shù)據(jù)范圍和精度）。每一步目的在于提高數(shù)據(jù)的準確性、一致性、空間分辨率和可用性，使其能夠用于后續(xù)的有效分析和制圖。3.答案：矢量數(shù)據(jù)模型使用點、線和多邊形來表示地理要素，屬性記錄要素的特征，適用于存儲行星上的離散特征，如撞擊坑（點）、火山鏈（線）、構(gòu)造斷裂帶（線）、大型地形單元（多邊形）。柵格數(shù)據(jù)模型使用像素（柵格單元）陣列表示空間，每個柵格單元存儲一個值，適用于存儲連續(xù)或漸變的地表覆蓋，如行星地形高程（DEM）、地表溫度、巖石類型分布、或光譜亮度圖。矢量類型示例：撞擊坑中心點、火山口邊界多邊形、大型撞擊盆地多邊形、星體表面特征線（如裂谷）。柵格類型示例：數(shù)字高程模型（DEM）、地表溫度圖、光譜響應圖、水體分布圖、沙丘高度圖。4.答案：坐標轉(zhuǎn)換的重要性在于：不同來源的行星數(shù)據(jù)（如來自不同探測器、不同任務、不同時間獲?。┛赡苁褂貌煌木植孔鴺讼祷蚧诓煌鶞拭娴淖鴺讼担苯邮褂眠@些數(shù)據(jù)進行分析會導致空間位置錯位或無法疊加。坐標轉(zhuǎn)換能夠?qū)⑺袛?shù)據(jù)統(tǒng)一到同一、標準的坐標系（如國際天球參考系統(tǒng)ITRS或太陽系中心參考系）下，確?？臻g關(guān)系的準確性，是實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合分析、進行區(qū)域疊加分析、精確地圖編繪和科學解釋的基礎(chǔ)?；静襟E通常包括：識別原始數(shù)據(jù)的坐標系和基準；選擇目標坐標系和基準；應用轉(zhuǎn)換參數(shù)（如旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、橢球體參數(shù)變化）；使用GIS軟件或工具執(zhí)行坐標轉(zhuǎn)換計算；驗證轉(zhuǎn)換結(jié)果的準確性。5.答案：空間緩沖區(qū)分析是在GIS中圍繞一個點、線或面要素創(chuàng)建一個具有一定寬度的環(huán)形或多邊形區(qū)域（即緩沖區(qū)）。其應用原理是：基于要素與其周圍空間位置關(guān)系的假設(shè)，認為要素的影響或影響范圍與其距離成某種函數(shù)關(guān)系（如線性或指數(shù)衰減）。在行星科學中，可用于評估特定危險區(qū)域（如高輻射區(qū)、火山噴發(fā)物沉積影響范圍、活動斷裂帶附近地震影響范圍）內(nèi)不可進入或存在風險的區(qū)域；也可用于識別保護性區(qū)域（如為重要科學儀器或棲息地選擇需要遠離特定干擾源的安全距離）；還可用于研究特定過程的影響范圍（如風蝕或水蝕的預期擴展區(qū)域）。二、論述題6.答案：研究方案示例：以研究火星流紋巖熔巖流蔓延過程為例。數(shù)據(jù)需求：高分辨率光學影像（獲取熔巖流邊界、表面紋理）、多光譜/高光譜影像（區(qū)分熔巖與圍巖、評估熔巖成分變化）、雷達影像（穿透植被或薄層覆蓋獲取下伏地形或早期痕跡）、DEM數(shù)據(jù)（計算坡度、坡向，分析熔巖流動路徑和障礙物影響）、InSAR數(shù)據(jù)（監(jiān)測微小形變和體積變化）。GIS分析步驟：1）幾何校正與配準各源數(shù)據(jù)；2）利用光學影像提取熔巖流邊界，生成熔巖流面；3）利用DEM計算熔巖流流過的坡度、坡向；4）將熔巖流面與地質(zhì)圖、構(gòu)造線進行疊置分析，識別流經(jīng)區(qū)域的巖性和構(gòu)造背景；5）利用多光譜/高光譜數(shù)據(jù)制作熔巖流與圍巖的專題圖，分析顏色/光譜變化與成分或冷卻程度的關(guān)系；6）如果可用，利用InSAR數(shù)據(jù)監(jiān)測熔巖流區(qū)域的后續(xù)形變，評估活動性。預期認識：通過分析坡度、地形障礙物與熔巖流路徑的關(guān)系，理解流動機制和障礙物繞行或阻斷效應；通過光譜分析，推斷熔巖成分變化與冷卻歷史；結(jié)合地質(zhì)背景，評估該區(qū)域火山活動的歷史和潛在風險；InSAR監(jiān)測結(jié)果可揭示熔巖流的長期穩(wěn)定性或活動性。7.答案：DEM在行星科學研究中應用廣泛。計算坡度：通過計算每個柵格單元中心點的高程差（與相鄰單元或利用地形梯度的方法），可以生成坡度圖。坡度值表示地表的陡峭程度。應用意義：在行星著陸點選擇中，平坦區(qū)域（低坡度）通常更安全，有助于著陸器穩(wěn)定；在地質(zhì)研究中，陡峭斜坡可能指示構(gòu)造活動或侵蝕強烈的區(qū)域。計算坡向：基于柵格單元中心點的高程值，利用數(shù)學方法（如梯度向量、反正切函數(shù)）計算該點地表坡度方向的單位向量，通常表示為度數(shù)（0-360°，或北順時針方向）。應用意義：坡向影響陽光照射角度和強度，對行星表面的溫度分布、風化作用、水（如果存在）的流動方向有重要影響。例如，在火星，面向赤道的北坡或南坡在夏季可能接受更多日照，有助于尋找季節(jié)性液態(tài)水或冰的跡象；在評估觀測條件時，面向空間站或特定目標的坡向和高度組合會影響視線遮擋。在水文地貌分析（假設(shè)存在液態(tài)水）中，坡向決定水流方向，坡度影響水流速度。8.答案：評估火星著陸點候選區(qū)域需綜合多個因素，GIS疊加分析是有效手段。數(shù)據(jù)需求：高分辨率地形圖（DEM，用于坡度、高程分析）、光學/雷達影像（地質(zhì)構(gòu)造、地貌單元、陰影區(qū)指示高程、識別危險地形如陡崖、巖石場）、雷達測高數(shù)據(jù)（補充地形信息）、氣象數(shù)據(jù)（溫度、風、沙塵暴頻率，用于風險評估）、潛在水冰指示礦物光譜數(shù)據(jù)（評估水源可能性）、火山活動歷史與分布數(shù)據(jù)。疊加分析步驟：1）為每個評價因子（如坡度<5°、無大型撞擊坑、遠離活動構(gòu)造帶、無劇烈沙塵暴影響區(qū)、靠近水源指示礦物分布區(qū)、地形相對平坦等）制作專題圖；2）根據(jù)各因子的重要性設(shè)定權(quán)重；3）進行加權(quán)疊加分析，計算每個候選著陸點的綜合得分；4）生成綜合評價圖，得分高的區(qū)域為優(yōu)先候選區(qū)。篩選最優(yōu)著陸點：根據(jù)綜合評價圖，結(jié)合著陸器技術(shù)限制（如著陸精度、有效載荷需求），圈定最終候選著陸點。9.答案：柵格-柵格疊置分析處理兩個柵格數(shù)據(jù)集，通過像素級別的操作生成新的柵格數(shù)據(jù)。主要方法包括：算術(shù)運算（如相加、相減、乘、除，用于計算比值如植被指數(shù)、地形比高）、邏輯運算（如與、或、非，用于條件復合分析）、柵格重分類（修改像素值及其對應類別）、以及各種距離計算（如歐氏距離、曼哈頓距離、方向距離，用于分析要素間鄰近關(guān)系或影響范圍）。柵格-矢量疊置分析處理一個柵格數(shù)據(jù)和一個矢量數(shù)據(jù)集，將矢量要素的空間位置信息與柵格數(shù)據(jù)值進行關(guān)聯(lián)或交互。主要方法包括：點落在面內(nèi)（Point-in-Polygon），計算落在矢量多邊形內(nèi)的柵格點或其鄰域的屬性統(tǒng)計；面覆蓋點（Polygon-on-Point），計算覆蓋矢量點的柵格多邊形區(qū)域?qū)傩?；面覆蓋面（Polygon-on-Polygon），計算一個矢量多邊形覆蓋另一個矢量多邊形范圍內(nèi)的柵格屬性統(tǒng)計；最近鄰疊加（NearestNeighbor），為矢量要素找到最近柵格單元的值。應用場景示例：柵格-柵格，利用DEM和降雨量柵格計算坡面流累積；柵格-矢量，統(tǒng)計某個撞擊坑（矢量）內(nèi)部的平均地表溫度（柵格）；柵格-矢量，為每個選定的著陸點（矢量點）劃定半徑為1km的緩沖區(qū)（修改覆蓋區(qū)域的柵格值）。10.答案：行星GIS可視化對于探索和理解行星至關(guān)重要。其作用在于將抽象的、高維度的行星數(shù)據(jù)（如數(shù)百萬像素的三維地形、數(shù)百波段的高光譜數(shù)據(jù)、跨越數(shù)年的時間序列變化）轉(zhuǎn)化為直觀的圖形或圖像，幫助科學家發(fā)現(xiàn)模式、關(guān)系和異常，加速認知過程?？梢暬瓌t和技巧：1）清晰性：圖形應準確傳達數(shù)據(jù)信息，避免誤導；2）有效性：選擇合適的可視化方法（如色彩映射、符號設(shè)計）突出關(guān)鍵信息；3）美觀性：視覺和諧，便于長時間觀察；4）交互性：對于大規(guī)模數(shù)據(jù)，提供縮放、旋轉(zhuǎn)、剖面切割、數(shù)據(jù)查詢等交互功能至關(guān)重要。技巧：針對不同數(shù)據(jù)類型選擇