【微课堂】地物波谱数据库（上）
本期【微课堂】为大家介绍“地物波谱数据库”。
地物的波谱特征是电磁波与地物表面相互作用的结果，往往表现为地物在不同波段反射、热辐射、微波辐射及散射特征，这也成为利用遥感手段进行目标物探测与识别的理论基础。
波谱数据对于遥感信号识别地物、提取地物信息有重要参考意义。波谱数据库指汇集典型地物的波谱，能够涵盖多种典型地面目标的波谱与特征参数的数据库。不同地物具有不同的波谱特性，当前我们只能利用有限的遥感观测数据去试图认识和理解复杂的地球系统，地物波谱知识库的支撑显得尤为重要。
多年来，各机构组织收集了大量波谱数据，并建立了一系列基于不同学科背景下的波谱数据库。
不同地物具有不同波谱特征
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国内外地物波谱数据库建设
地物波谱特性研究从20世纪40年代起受到关注，原苏联科学家克里诺夫出版了国际上第一部地物光谱反射特性专著《自然地物的光谱反射特征》。1970年美国国家航空航天局NASA建成地球资源波谱信息系统The NASA Earth Resources Spectral Information System (ERSIS)，旨在自动提取可用信息，协助实验室与野外地物波谱测量及地面验证在内的数据采集、处理和分析工作。第一版ERSIS中约含100条岩矿、2600条植被及60条水体波谱曲线，数据按学科分类，并根据来源编码。后续的ERSIS版本，加入了植物发芽与成熟期波谱、矿物在热红外波段与冰雪的反射波谱数据。70年代末，国内开展为期两年的腾冲遥感试验，获取了100余种树木、作物、土壤、水体、地质体约1000组的波谱曲线。
20世纪80年代，美国建成的Jet Propulsion Laboratory (JPL)波谱数据库及United States Geological Survey (USGS)波谱数据库在地质领域研究中发挥了巨大作用。国内波谱库建设亦迅速开展。中国科学院国家空间科学中心建立了地物反射光谱数据库，中国科学院地球化学研究所彭文世等人编著《矿物红外光谱图集》，收录了583种矿物图谱。
20世纪90年代，国外的John Hopkins University (JHU)波谱数据库、Advanced Space borne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER)波谱数据库，国内的Hyperspectral Image Processing and Analysis System (HIPAS)波谱数据库、长春净月潭地物反射光谱数据库等相继建立。随着版本逐渐完善与更新，USGS与ASTER波谱数据库以其涵盖地物类型广泛，多波段覆盖以及良好的交互性与后续分析处理功能，成为各专业领域普遍接受且获取便捷的地物波谱数据资源。2006年北京师范大学王锦地教授牵头建立了中国典型地物波谱库并开始对外共享。
波谱库 | 仪器 | 类型（数量） | 分类示意 | 子类 | 粒径尺寸 |
JPL | Nicolet | 矿物（1748） | 硅酸盐 | 层状硅酸盐 | 粉末 |
JHU | Perkin | 岩石（473） | 硫酸盐 | 网状硅酸盐 | 中细粒 |
USGS | Beckman | 人工地物（84） | 碳酸盐 | 长英矿物 | 中粒 |
Perknic | 土壤（69） | 沉积岩 | 铁镁质盐 | 粗糙 | |
月壤（17） | 火成岩 | 固体 | |||
陨石（60） | 普通球粒陨石 | 压实粉末 | |||
植被（4） | 草 | 干草 | |||
水/雪/冰（9） |
表1 ASTER波谱库地物类型及分类信息
与含有多种地物类型的综合波谱数据库同步发展的还包括专业波谱库，其主要目的是有针对性地为用户提供特定研究背景下的地物波谱，如以火星矿物陨石为主的Arizona State University (ASU)热红外波谱库，以植被、沼泽、珊瑚、土壤等为代表的HyperspectralInfraRed Imager (HyspIRI)波谱库。目前，地物波谱数据库的发展由早期集中在矿物识别等地质应用领域，逐渐扩展到生态、水文以及大气科学等领域，在传感器设计、验证以及信息提取方面也有所助益，其发展也有效地将地物波谱特性和遥感纹理信息结合。
除上述波谱库外，日本、法国、印度以及澳大利亚等国也在近一个世纪内针对较为具体的几类地物波谱进行了若干研究。
2014年，由中国科学院遥感与数字地球研究所牵头的国家科技基础性工作专项“测绘地物波谱本底数据库建设”项目启动，旨在国内较好的工作基础上以及多年来数据积累的支持下，尝试解决目前波谱数据库使用的若干问题，建成一套标准规范、一个系统下的地物波谱本底数据库共享平台GOSPEL (Ground Object SPEctral Library)。
表2为国内外波谱数据库的基本信息。
名称 | 发布机构 | 建设年代 | 主要特征 | |
国
外
| USGS波谱库 | 美国地质调查局USGS | 1993 | 涵盖0.2–150µm内1368条反射波谱，覆盖地物类型广，以矿物为主 |
JPL波谱库 | 喷气推进实验室JPL | 1981 | 波段范围0,4-2.5µm，首次推出野外地质波谱数据库，矿物波谱按粒径尺度采样划分 | |
JHU波谱库 | 约翰霍普金斯大学JHU | 1991 | 提供15个子库，地物配套参数详细，针对不同地物类型选用不同的分光计 | |
ASTER波谱库 | 美国宇航局NASA | 1998 | 汇集0.4—15.4µm内超过2400条波谱数据，分发范围广，支持在线搜索，交互性强 | |
ASU热红外波谱库 | 亚利桑那州立大学ASU | 2000 | 含矿岩、土壤波谱，提供样品质量、理化 成分，可定制波谱数据并上传个人波谱数据 | |
HyspIRI生态系统波谱库 | 喷气推进实验室JPL | 1999 | 0.38-2.5µm内植被组分、土壤、光学参量、珊瑚、湿地、雪及人工目标光谱，应用性强 | |
GAIA波谱库 | 欧空局ESA | 2011 | 半经验波谱库，主要涵盖各类星体等宇宙物质模拟波谱 | |
ICRAF-ISRIC全球土壤波谱数据库 | 世界农林中心世界土壤信息中心 | 2004 | 涵盖4437个样本共785条土壤波谱，样本来源广泛，分类细致 | |
国内
| 中国典型地物波谱库 | 北京师范大学 | 2002 | 集波谱测量数据、遥感先验知识数据于一体，适用于理论研究，配套参数详细 |
地物反射光谱特性数据库 | 中科院安徽光机所 | 1990 | 包含光学、微波、不同时相的波谱数据，含地面、航空、微波数据库 | |
长春净月潭地物反射光谱数据库 | 中科院东北地理所 | 2002 | 包含多种不同平台、不同角度的波谱数据 | |
面向电子政务的全国典型地物波谱数据库 | 中科院遥感地球所 | 2007 | 获取并整理了大量我国典型地物的波谱数据和配套参数，面向电子政务服务 | |
中国污染水体反射光谱数据库 | 国家海洋局 | 2001 | 测量七大类污染水体，并记录气温、水温、透明度等参数及水质与生物学分析项，服务于水体研究 |
表2 国内外波谱数据库及特征
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我国主要地物波谱库
地物反射光谱特性数据库
90年代初，中国科学院遥感应用研究所（现中国科学院遥感与数字地球所）、中国科学院安徽光学精密机械研究所、中国科学院兰州冰川冻土研究所等单位，基于DOS系统和FOXBASE环境建立了中国第一个综合性“地物波谱特性数据库”。该波谱库采集约300种地物波谱，获取了不同气候带光学、微波的多时相波谱数据，设有岩矿、土壤、植被、水体和人工目标5个子库。
长春净月潭地物波谱数据库
中国科学院东北地理与农业生态研究所于20世纪末在净月潭地区进行大量野外测量实验，建立了长春净月潭地物波谱数据库，光谱数据通过WDY-850地面光谱辐射计、WDY-2500近红外光谱辐射计和不同频段的微波辐射计测得，由地面野外测量数据、实验室样品测量数据以及航空测量数据3部分组成，配以环境参数和地理背景信息。波谱库内有土壤、植被、水体、雪和人工目标5类波谱，不同植被具有多时相光谱数据。
中国典型地物波谱库
2006年，在国家863计划的支持下，北京师范大学联合中国科学院遥感应用研究所（现中国科学院遥感与数字地球所）等单位建立了中国典型地物波谱库，收集典型农作物、岩矿和水体的波谱共计约3万条，由地面波谱测量数据库、遥感影像库、先验知识库、模型库4部分组成。
该波谱库具有时间和空间尺度上的扩展功能，针对遥感地面测量在特定视场及时间点上的离散性，提供基于遥感模型的波谱内插和外延功能，利用观测数据及配套参数信息，对未知条件下的波谱进行模拟与插值。鉴于先验知识对遥感反演的重要性，北京师范大学在原典型地物波谱数据库的基础上，推进遥感波谱知识库的建设，王锦地等编著了《中国典型地物波谱知识库》，详细介绍了不同尺度波谱数据来源以及波谱知识库与地表参数反演的内容。
面向电子政务的全国典型地物波谱数据库
2010年，由国家发改委牵头启动了自然资源和地理空间基础本底数据库建设，中国科学院遥感与数字地球所承担“国家电子政务自然资源和地理空间基础信息库目”，建立了基于信息服务的地物波谱数据库。电子政务波谱数据服务平台建立在中国典型地物波谱数据库基础上，地物覆盖类型扩充至植被、水体、岩矿、土壤、冰雪和人工目标6大类，收集、改造并整合了2万余条波谱，主要面向电子政务和社会服务，为政府相关部门决策提供重要信息。
其他波谱数据库
中国科学院空间科学中心于20世纪80年代初测量了岩石、土壤、植被、水体、农作物等地物光谱曲线1000余条，建设了反射光谱数据库；针对雷达遥感图像解译困难、应用门槛高、制约微波遥感应用的困境，中国科学院遥感与数字地球研究所邵芸等构建典型地物微波特性知识库，为微波遥感理论基础与应用研究提供模型、数据与专家知识等一体化支持；其他国内的光谱数据库还有：国家海洋局建立的“中国污染水体反射光谱数据库”和中煤航测遥感局建立的“黄土高原生态环境观测基准带地物反射光谱数据库”分别面向水环境保护和黄土高原生态环境监测应用。
以上选编自《地物波谱数据库建设进展及应用现状》，刊于《遥感学报》2017年第1期，作者张莹彤、肖青、闻建光、 游冬琴、窦宝成、 唐勇、彭实。