2025年大學《空間科學與技術(shù)》專業(yè)題庫——火星外形特征遙感監(jiān)測技術(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述火星與地球在外形特征上的主要差異，并說明這些差異對利用遙感技術(shù)進行外形特征監(jiān)測提出了哪些不同的要求。二、列舉至少三種用于火星地形測繪的遙感傳感器，并分別簡述其基本工作原理及其在獲取高程信息方面的主要優(yōu)勢。三、高分辨率地形相機（如HiRISE）獲取的火星立體影像如何用于測定地表點的三維坐標？請描述其基本原理和步驟。四、火星表面存在多種類型的撞擊坑（如簡單撞擊坑、復合撞擊坑、雙環(huán)撞擊坑等）。請簡述不同類型撞擊坑的形成機制差異，并說明如何通過遙感影像特征（如形態(tài)、大小、坡度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等）來區(qū)分它們。五、什么是合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術(shù)？請簡述其在火星形變監(jiān)測中的應(yīng)用原理，并說明該技術(shù)主要受哪些因素（如大氣、地形起伏）的影響。六、火星的火山地貌是其重要特征之一。請描述利用雷達（如MARSIS）探測火星火山下方結(jié)構(gòu)（如熔巖通道、magmachamber）的可能性，并解釋其工作原理。七、火星上的溝槽（Gullies）現(xiàn)象是當前科學研究的重點和難點。請分析溝槽形成的主要假說（如水蝕、冰蝕、干冰侵蝕等），并說明遙感數(shù)據(jù)（不同波段、不同傳感器）在支持或反駁這些假說中的作用。八、簡述從原始的火星遙感數(shù)據(jù)（例如，來自MRO衛(wèi)星的光學影像或MARSIS的雷達數(shù)據(jù)）到最終獲取地表形貌信息通常包含的關(guān)鍵處理步驟，并說明每一步驟的目的。九、假設(shè)你是一名火星遙感數(shù)據(jù)分析師，任務(wù)是為一個未來的火星車任務(wù)選擇合適的導航地形相機。請比較HiRISE和Context相機（CTX）在分辨率、視場、成像能力等方面的差異，并說明根據(jù)不同的導航需求你會如何選擇。十、結(jié)合火星的地質(zhì)活動（如火山活動、構(gòu)造運動）對地表形貌的長期改造作用，論述持續(xù)進行火星遙感監(jiān)測（多時相觀測）的重要性。試卷答案一、答：火星與地球在外形特征上的主要差異包括：體積和質(zhì)量更小、自轉(zhuǎn)軸傾角較小導致季節(jié)變化不如地球顯著、表面平均海拔更高、存在全球性冰蓋（水冰和干冰）、地質(zhì)活動相對不活躍等。這些差異對遙感監(jiān)測提出了不同要求：如火星引力場較弱影響軌道設(shè)計；大氣密度小但存在稀薄大氣和塵埃，影響光學遙感觀測；表面溫度更低、大氣稀薄導致熱輻射遙感受限；冰蓋覆蓋區(qū)需要特殊算法去除干擾；地質(zhì)活動慢要求更高時間分辨率來監(jiān)測形變等。二、答：用于火星地形測繪的遙感傳感器及其優(yōu)勢：1.高分辨率地形相機（如HiRISE）：利用雙目立體視覺原理，通過同時或短時間內(nèi)從兩個不同位置拍攝影像，獲取地表高分辨率立體圖像。通過匹配同名點計算視差，結(jié)合相機參數(shù)解算出地表點的三維坐標。優(yōu)勢在于分辨率極高（可達亞米級），能清晰觀測和測繪細小地貌特征，幾何保真度較好。2.激光高度計（如MRO/SHARAD）：向地面發(fā)射激光脈沖，測量激光束往返時間來精確計算測點距離傳感器的高度。優(yōu)勢在于可穿透薄層塵埃和干燥雪，直接獲取地表高程數(shù)據(jù)，精度高，尤其適用于冰蓋、水冰凍土等覆蓋區(qū)的測高。3.合成孔徑雷達（如MRO/MARSIS）：發(fā)射穿透性雷達波，根據(jù)回波信號的時間、相位等信息繪制地表圖像和測高。優(yōu)勢在于能全天候工作，穿透薄層水冰、干冰和沙塵，獲取地表形貌和地下結(jié)構(gòu)信息，尤其適用于探測隱藏地貌和地質(zhì)構(gòu)造。三、答：HiRISE立體影像測定地表點三維坐標的基本原理和步驟：1.獲取立體像對：使用HiRISE相機從稍微不同的兩個視點（基線不為零）對同一地表區(qū)域進行同步或準同步成像，獲取一對具有重疊區(qū)域的立體影像。2.圖像預(yù)處理：對影像進行輻射校正、幾何校正（利用已知控制點或星歷數(shù)據(jù)）和圖像配準，確保兩幅影像在空間上精確對齊。3.特征點提取與匹配：在兩幅影像的重疊區(qū)域中，自動或手動提取具有良好紋理和清晰邊緣的特征點（如巖石、隕石坑邊緣點），并精確匹配同名點。4.視差計算：對于每一對匹配的特征點，計算其在兩幅影像上的水平位移差，即視差（Parallax）。5.三維坐標解算：結(jié)合HiRISE相機的內(nèi)參數(shù)（焦距、主點坐標、畸變參數(shù)）和外參數(shù)（兩個視點的旋轉(zhuǎn)和平移矢量組成的基線向量），利用視差和攝影測量原理（如雙目立體測量的三角測量法），解算出每個匹配點在地固坐標系下的三維坐標（X,Y,Z）。四、答：不同類型撞擊坑的形成機制差異及遙感特征區(qū)分：1.形成機制差異：*簡單撞擊坑：由單個高速隕石撞擊形成，能量集中，未達到足以熔化大量巖石的溫度和壓力?？颖诙盖停拥紫鄬ζ教梗睆酵ǔＰ∮趲坠?。*復合撞擊坑（或稱多環(huán)撞擊坑）：由高速撞擊產(chǎn)生巨大能量，導致目標物質(zhì)部分熔化、汽化，形成膨脹壓力，沖擊波向外傳播形成多層環(huán)狀結(jié)構(gòu)。通常直徑較大（幾十至幾百公里），具有明亮的中心峰和數(shù)圈同心環(huán)。*雙環(huán)撞擊坑：比復合撞擊坑更大，結(jié)構(gòu)更復雜，可能經(jīng)歷了多次撞擊或后續(xù)的地質(zhì)作用改造，表現(xiàn)為內(nèi)外兩圈明顯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。2.遙感特征區(qū)分：*形態(tài)與尺寸：復合和雙環(huán)撞擊坑尺寸遠大于簡單撞擊坑，環(huán)狀結(jié)構(gòu)是其最顯著特征。*坑壁與坑底：簡單撞擊坑坑壁陡峭，坑底相對完整；復合撞擊坑坑壁常因膨脹而變得圓滑，坑底可能存在中央峰或混沌地形；雙環(huán)撞擊坑內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)清晰。*光譜特征：不同成分的撞擊坑物質(zhì)（如熔巖、變質(zhì)巖石）在光譜上可能存在差異，可通過光譜儀數(shù)據(jù)（如CRISM）進行區(qū)分。例如，富含二氧化硅的巖石可能與富含鐵鎂質(zhì)巖石的坑壁或中心峰呈現(xiàn)不同顏色或光譜反射率。五、答：合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術(shù)及其在火星形變監(jiān)測中的應(yīng)用原理：1.原理：InSAR技術(shù)利用兩幅或多幅從同一軌道位置獲取的、相控陣雷達影像（SAR影像）之間的相位差變化來測量地表微小形變。通過干涉處理，合成一個“干涉圖”，圖中的相位變化與地表兩點間的距離變化（包括視線向形變）直接相關(guān)。通過對多期干涉圖進行比較，可以監(jiān)測地表在時間上的形變趨勢。2.應(yīng)用原理：對于火星形變監(jiān)測，假設(shè)在t1和t2時刻從相同位置獲取SAR影像，對同一地表區(qū)域進行干涉。兩次成像期間，如果地表某點發(fā)生了垂直或水平位移，會導致該點與雷達載機連線（視線方向）上的距離發(fā)生變化，進而引起其對應(yīng)的干涉相位發(fā)生變化。通過解算多期干涉相位的時間序列，可以反演出地表隨時間變化的形變速率和形變總量，從而監(jiān)測火山活動、構(gòu)造運動、冰蓋消融等引起的形變現(xiàn)象。3.影響因素：該技術(shù)主要受以下因素影響：*大氣延遲：火星大氣中的水汽、二氧化碳等會延遲雷達信號，影響相位測量精度。*軌道不確定性：軌道位置和姿態(tài)測量的誤差會引入相位誤差。*地表散射特性變化：地表粗糙度、介電常數(shù)的變化會影響回波相位。*干涉條紋失相：當形變量超過一定限度或地表散射特性變化劇烈時，干涉條紋會失去相位信息，導致監(jiān)測失敗。地形起伏過大（超出雷達視線分辨率范圍）也會導致失相。六、答：利用雷達探測火星火山下方結(jié)構(gòu)的可能性及原理：1.可能性：利用穿透性強的合成孔徑雷達（SAR），如MRO衛(wèi)星上的MARSIS儀器，是探測火星火山下方結(jié)構(gòu)（如熔巖通道、巖漿房）的主要手段之一，具有一定的可能性。2.工作原理：*穿透作用：MARSIS發(fā)射低頻雷達波（波長較長），具有較強的穿透能力，可以穿透火星表面的覆蓋層，如疏松的火山碎屑沉積物、干燥的土壤、甚至一定厚度的液態(tài)或固態(tài)水冰層。*反射與衰減：雷達波在傳播過程中會遇到不同介電常數(shù)的界面（如地表-地下、巖石-熔巖、巖石-空氣），在界面處發(fā)生反射。地下結(jié)構(gòu)（如密度、含水量不同的巖石、熔巖通道、巖漿房）的介電特性與周圍巖石不同，會導致雷達波的反射強度和相位發(fā)生變化。*信號接收與成像：MARSIS接收反射回來的雷達信號，通過處理這些信號，可以繪制出地表下方一定深度范圍內(nèi)的“地下雷達截面圖”（RadarProfile）。如果下方存在熔巖通道或巖漿房等結(jié)構(gòu)，它們與周圍介質(zhì)的界面會產(chǎn)生較強的反射信號，在截面圖上表現(xiàn)為特定的反射特征（如亮線、凹槽、幅度變化等）。*深度估算：雷達波傳播速度相對恒定，通過測量反射信號到達的時間延遲，可以估算反射界面（即地下結(jié)構(gòu)頂部）的深度。七、答：火星溝槽形成的主要假說及遙感數(shù)據(jù)的作用：1.主要假說：*水蝕假說：認為溝槽是由古代火星表面液態(tài)水流動侵蝕形成的，類似于地球上的河床或溝壑。支持證據(jù)包括溝槽有時呈辮狀分布、與古代水系有關(guān)聯(lián)等。*冰蝕假說：認為溝槽是由移動的火星地下冰（水冰或干冰）在壓力下融化、升華或升華侵蝕形成的。支持證據(jù)包括溝槽多出現(xiàn)在高緯度地區(qū)、季節(jié)性變化特征、以及雷達探測到的地下冰蓋分布等。*干冰侵蝕假說：認為在火星低溫、低壓環(huán)境下，干冰（固態(tài)二氧化碳）的升華和“干冰風”吹蝕作用形成了溝槽。支持證據(jù)包括溝槽形態(tài)與干冰顆粒搬運特征相似、多出現(xiàn)在冬季或季節(jié)性凍融層中。2.遙感數(shù)據(jù)的作用：*光學影像（如HiRISE）：用于高分辨率觀測溝槽的形態(tài)、分布、長度、寬度、坡度、切割深度、與周圍地貌的關(guān)系等。通過多時相光學影像對比，可以分析溝槽的季節(jié)性或長期變化特征，為不同假說提供證據(jù)（如水蝕假說看是否與洪水有關(guān)，冰蝕假說看是否與冰蓋活動有關(guān)）。*雷達數(shù)據(jù)（如MARSIS）：可以探測溝槽下方的地下結(jié)構(gòu)，判斷是否存在地下冰或含水層，為冰蝕和水蝕假說提供關(guān)鍵證據(jù)。同時，雷達也能穿透沙塵和薄冰層，有助于在不同地表覆蓋條件下識別溝槽。*光譜數(shù)據(jù)（如CRISM）：用于分析溝槽區(qū)域地表物質(zhì)的成分，如是否存在hydratedminerals（水合物）、carbonates（碳酸鹽）等，這些礦物成分可以間接支持水蝕或特定地質(zhì)背景假說。八、答：火星遙感數(shù)據(jù)（光學/雷達）到地表形貌信息的關(guān)鍵處理步驟及目的：1.輻射校正：將傳感器記錄的原始數(shù)字量（DN值）轉(zhuǎn)換為具有物理意義的輻射亮度或輻射強度值。目的：消除傳感器自身特性、大氣（如大氣散射、吸收）等因素引起的信號衰減，獲得地表真實的輻射信息。2.大氣校正：進一步去除大氣散射和吸收對地表反射率的影響，得到地表真實反射率。目的：對于光學遙感，獲得地表真實顏色和亮度信息，是后續(xù)地形和光譜分析的基礎(chǔ)；對于雷達遙感，雖然大氣影響相對較小，但校正仍有助于提高定量反演精度。3.幾何校正：將原始影像中的像素坐標轉(zhuǎn)換為地面上對應(yīng)點的地理坐標（經(jīng)緯度、高程）。目的：消除傳感器成像幾何畸變（如像距畸變、視場角畸變）和地球曲率、地形起伏等因素的影響，使影像具有精確的空間定位信息，是進行立體匹配、測高、形變分析等的基礎(chǔ)。4.輻射校正/定標：（針對雷達）將雷達后向散射系數(shù)（Sigma0）與入射角、散射角等幾何參數(shù)關(guān)聯(lián)起來，用于定量反演地表物理參數(shù)（如介電常數(shù)、粗糙度、含水量等）。目的：將雷達信號強度轉(zhuǎn)化為地表物理屬性信息。5.立體匹配/測高/干涉處理：（針對光學/雷達）利用雙目立體像對或多期干涉數(shù)據(jù)，通過匹配同名點或解算相位差，精確計算地表點的高程信息。目的：生成數(shù)字高程模型（DEM）或數(shù)字表面模型（DSM），是研究地形地貌、坡度坡向、形變等的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。6.圖像鑲嵌/融合：（如果數(shù)據(jù)源或區(qū)域較大）將多幅影像拼接成一幅完整的圖像。目的：覆蓋更大范圍，提高圖像的連續(xù)性和可用性。7.特征提取與分析：基于處理后的影像或模型，提取特定的地貌特征（如隕石坑、溝槽、火山口），進行分類、測量和分析。目的：實現(xiàn)特定科學目標，如繪制地貌圖、量化地貌參數(shù)、研究地質(zhì)過程等。九、答：選擇火星導航地形相機（HiRISEvsCTX）的比較與選擇：比較：*分辨率：HiRISE分辨率極高（優(yōu)于0.5米），能清晰分辨厘米級物體；CTX分辨率較低（約2-6米），只能分辨米級物體。*視場：HiRISE視場較小（約25x25公里）；CTX視場較大（約200x200公里）。*成像能力：HiRISE立體成像能力強大，幾何精度高，適合精確測繪小范圍地形和特征；CTX提供區(qū)域性概貌，適合大范圍地質(zhì)背景分析。*覆蓋范圍：CTX可覆蓋更大區(qū)域，一次過境可獲取更大面積的背景圖；HiRISE覆蓋范圍小，需要多次過境才能覆蓋相同區(qū)域。*任務(wù)目標：HiRISE主要用于高精度地形測繪、詳細地貌分析、目標確認與觀測；CTX主要用于提供區(qū)域性背景context（上下文），幫助規(guī)劃路徑和識別宏觀地質(zhì)特征。選擇：火星車導航的核心需求是在行駛中實時、準確地獲取前方及周圍地形信息，以規(guī)劃安全路徑、避開障礙物、選擇科學目標點。HiRISE雖然覆蓋范圍小，但其極高的分辨率和精度對于導航障礙物識別和精細路徑規(guī)劃至關(guān)重要。因此，對于關(guān)鍵的導航任務(wù)和路徑選擇，HiRISE是更優(yōu)選的相機。它可以提供高分辨率的立體地形圖，幫助火星車精確感知周圍環(huán)境。CTX則更適合在任務(wù)規(guī)劃階段，用于快速了解大范圍地形背景、識別宏觀地質(zhì)構(gòu)造或水系遺跡，為導航提供宏觀參考。實踐中，兩者常結(jié)合使用：