【微课堂】地物波谱数据库（下）
上一期【微课堂】主要介绍了国内外地物波普数据库的建设情况，很多读者留言想了解地物波谱数据库的共享与使用情况。那么，本期【微课堂】将重点整理这些内容，并介绍现有波谱数据的特征以及未来发展趋势。
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数据库建设与共享情况
波谱研究在国内外起步时间相差约10年，并且在平台建设以及共享数据方面，国内的推行力度与国外相比也较弱。图 1反映了波谱数据的可获取情况以及共享方式。
图1 国内外部分波谱数据的共享方式
USGS波谱库与ASTER波谱库现支持在线下载以及FTP获取波谱ASCII文件，USGS波谱库最为快捷，ASTER波谱库需提交订单以获取整个波谱库的数据。
HyspIRI生态系统波谱库与ASTER在配套参数格式、共享方式等方面保持一致，但暂时仅有20余条示例数据供下载。
其他专业型波谱库中，GAIA波谱库在其子波谱库中选择温度、星体旋转速度、所含金属的丰度等参数获得模拟波谱信息后，可下载波谱数据，无需登录。ASU热红外波谱库在目标波谱输出时，提供HDF、ASCII文件以及VM文件三种格式。圣巴巴拉城市波谱库和ICRAF & ISRIC全球土壤波谱库与其他波谱库提供数据的方式差异较大，前者通过Excel在线共享其所测得所有道路、屋顶及水泥人行道等地物，后者波谱数据库以Access格式给出，土壤成分以及物理参数均可通过在数据库中查找关系表或关键字段，获得所需波谱信息，其关系数据库(Garrity等，2003)如图 2所示。
图2 ICRAF & ISRIC全球土壤波谱库关系数据库结构(Garrity等，2003)
中国典型地物波谱库（http://spl.bnu.edu.cn/）于2005年平台建成并启动共享工作，该波谱库不仅整合了过去20多年的典型地物波谱数据，也在完善地物覆盖类型与波段范围。
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现有波谱数据的特征分析
波段覆盖以光学波段为主，微波波段数据不足
国内外通用型波谱数据库现多提供可见光、近红外和短波红外波段波谱，仅个别专业型波谱库支持热红外与微波波段的波谱信息。图 3为部分代表性波谱数据库测得地物的波段范围。
图3 代表性波谱数据库波段范围
USGS波谱知识库根据地物的不同反射特性，波谱曲线以0.2-3.0 μm，1.5-6.0 μm，5-25 μm及25-150 μm 4个波段分别提供，覆盖可见光-近红外-短波红外以及热红外部分，未涉及微波波段。JPL波谱库波段范围为0.4-2.5 μm，因开展年限较早，仅包含可见光、近红外和短波红外部分。ASTER波谱库未收录USGS波谱库中岩矿在远红外波段的波谱，但在波段0.4-15.4 μm内共享的波谱数据，其地物类型最为全面，可见光近红外波谱数据误差小于3%，热红外波谱数据误差小于1%(Korb等，1996)。
由于专业型波谱库针对于特定学科研究，波段范围与通用型波谱库相比较窄。HyspIRI任务中的Visible，Near-Infrared and Shortwave Infrared (VSWIR)成像光谱仪与多光谱Thermal Infrared (TIR)传感器涉及可见光及热红外波段，但HyspIRI生态系统波谱库中现仅提供了0.36-2.5 μm内的波谱数据；GAIA波谱库包含一个类星体和3个恒星模拟波谱，波段范围为0.25-1.05 μm。ICRAF & ISRIC全球土壤波谱库仅覆盖波段为0.35-2.5 μm，无热红外和微波波段。
与国外的波谱库相比，国内波谱库的通用型与专业型差异较小，测量重复性较高，多反映可见光-近红外波段内波谱信息。长春净月潭地物光谱数据库、空间科技中心地物反射光谱数据库测得地物光谱集中在0.38-2.5 μm。地物反射光谱特性数据库较前两者在微波波段有所丰富，包含地面波谱数据库(0.4-2.4 μm)、航空波谱数据库(0.4-1.1 μm)、微波波谱数据库(0.8-3 cm)和字典库。中国典型地物波谱库对农作物、岩矿以及水体的波谱数据采集分别使用了不同类型仪器，如野外光谱辐射计ASD FieldSpe/FR，红外光谱测量仪Model 102F以及GER1500型地物波谱仪等，波谱测量范围主要涵盖0.38-20 μm。
地物类型以岩矿、农作物为主，其他类型相对较少
根据波谱库内覆盖的地物类型，国内外已建成的波谱数据库以通用型和专业型区分。
专业型波谱库如国外的HyspIRI生态系统波谱库，该库提供植被组分、土壤、光学参量、珊瑚、水体、湿地、雪及人工目标等多类生态相关的地物波谱，但因前后测量数据难以统一，配套参数仍在更新中，已发布的数据仅给出了珊瑚、水生植物以及植被的23条示例波谱；ASU热红外波谱库内多为岩矿波谱，其余为少量土壤、月壤及星体数据；圣巴巴拉城市波谱库提供不同类型的植被、人行道、屋顶以及多种道路端元的波谱反射数据，可用于城市环境监测等研究。国内的专业型波谱库如中国污染水体反射光谱数据库，包含河流、水库、湖泊、排污口、海带/扇贝养殖区、盐池、赤潮水体、溢油水体等不同类型污染水体光谱曲线330组。
与专业型波谱库相比，通用型波谱库覆盖地物类型的子类详细程度较低，但基本地物全面。除了岩矿、土壤、植被、水体、人工目标等地物，USGS加入了不同类型的混合地物波谱，ASTER波谱库中也增添了月壤和陨石的波谱数据。国内的波谱数据数量充足，但光谱的地物类型重复性高，主要以农作物、岩矿及水体波谱为主。
USGS中地物类型有：矿物；土壤、岩石、混合物(不含植被)；涂料；液体、液体混合物、水及其他挥发性物质；人工目标(包括人造化学品)；植物、植被群落、混合植被及微生物。其中，矿物波谱所占比重最大；因植被在研究中特殊的重要性，库内包含乔木、灌木、草、花、叶子、地衣以及其他微生物光谱，并提供植被群落的光谱200余条，但森林冠层光谱极为匮乏，群落光谱也多为低矮植被光谱。人造材料中包含塑料、屋顶材料、加工过的木材、涂料等材料的波谱数据，同时含有水或有机液体与矿物混合的光谱，几乎涵盖所有遥感图像所解译出的人工目标类型。ASTER波谱库综合3个波谱库的数据并持续发展，被划分为矿物、岩石、土壤、月球、陨石、植被、水雪冰以及人工目标8个子库，岩矿信息占总数据的90%，植被波谱数量仅有4条。
基本配套参数齐全，缺乏统一标准
地物波谱模拟与波谱数据应用需要配套参数支撑，长期实验积累、相对稳定的背景数据以及不同角度、不同地点、不同季节下的辅助信息，不仅可为模型参数提供参考值，也可作为地表参数定量反演的先验知识数据。
国内外波谱库中，USGS、ASTER与中国典型地物波谱库配套参数较为规范，前两者所含参数大致相同，中国典型地物波谱库侧重植被在时间序列和空间分布下的波谱数据。
USGS波谱库为每一条波谱曲线配有描述文档、ASCII文件以及光谱图像，每类波谱的描述文件设有特定模板，配套参数由样本ID、子类、分子式、收集地点、贡献者、样品图像、样品成分比例、描述信息等参数组成。矿物中补充粒径尺寸，植被也加入冠层顶部与底部光谱描述、单一叶片或植被群落光谱以及植被在不同季节、不同颜色或不同干枯程度下的波谱。ASTER波谱库中配套参数与USGS波谱库相似，大致涵盖样品名称、类型、粒径尺度、所属单位、波段范围、来源地、半球反射测量角度、坐标及其他信息。
中国典型地物波谱库设计了数据文件以方便波谱入库，一组波谱共享一类配套参数和说明文件，配套说明中包括测量的时间、地点、操作人、仪器以及测量条件等，农作物配套参数包括如作物结构参数、生理生化参数、大气参数等，图表和照片存放在其他格式数据文件中(王锦地等，2009)。
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未来发展趋势
根据波谱数据库的发展历史以及现阶段研究成果，国外地物波谱库的建设已在质量控制及参数规范方面形成体系，部分波谱库已将工作重心置于更新波谱数据及扩大应用范围。在此基础上，NASA、JPL以及USGS等正在加强行星、生态等专业型波谱数据库的建设(Clark等，2007；Robert，2012)，以完善波谱在各个学科领域中的应用。
国内地物波谱数据库的发展现以建设通用型波谱库为主，试图将分散的专业性研究及数据联合，以实现波谱数据共享最大化。对于通用型波谱数据库的建设将在现有的波段范围逐渐扩展至红外及微波波段，且波谱分辨率将更加精确，能够结合传感器的带宽及响应函数进行重采样与波谱模拟。当通用型波谱数据库发展较成熟时，针对专业学科研究应用的专业型波谱数据库也会随之完善，例如对于生态波谱库，可包含植物不同物候的波谱子库，便于不同季节植被图像的解译工作(Dudley等，2015)。目前正在试图构建的多时相波谱库，有望通过构建不同季节长时间序列的土壤背景波谱与植被叶片波谱，提高现有的全球植被结构参数(如叶面积指数等)与冠层生化参数(如叶绿素含量等)的反演精度，并在植被物候监测与精细分类等领域中取得重要应用。波谱库内加入不同尺度下的组分波谱，对遥感机理建模以及参数反演具有较大推动作用。波谱数据源方面，将综合利用非成像(ASD波谱采集)地物光谱、地面成像光谱仪和航空航天无人机等平台的高光谱采集方式获取波谱。
在混合波谱等问题上，研究应逐渐对空间异质性以及异物同谱提供辅助或予以解决思路，从简单的线形模型发展到非线形模型，逐步实现地物的混合光谱分解模型和遥感影像像元分解技术相结合。对地物波谱的关注，也出现对功能地物组合(如景观公园、广场、收费站等)的关注，不再是单一地物的波谱，而是一个地物群体的属性特征几何，从而增强对地物波谱特征的理解和识别。
波谱知识库的建设趋势以及现有波谱库的发展趋势，将不再是单纯的波谱数据，而是向波谱以及基于波谱的知识库并重的方向发展，其应用方式不仅仅局限于样本数据源，而转为在知识层面上为遥感研究提供更多的先验支持，辅助传统的分类或聚类方法。随着可获取的遥感数据量激增，将需要更加多元化的数据挖掘方法，波谱知识库的建成将加快遥感大数据分析的智能化与自动化的进程。波谱知识库未来作为我国重要的基础数据平台之一，也将支持遥感信息的定量化应用，并在国家信息化建设中发挥其重要作用。
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。
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