测绘地物波谱本底数据库

测绘地物波谱本底数据库 Design and realization of ground object background spectral library for surveying and mapping 1 6 first-author 钟守熠，1995年生, 男, 硕士研究生, 研究方向为定量遥感产品真实性检验。E-mail: zhongsy@radi.ac.cn 钟守熠，1995年生, 男, 硕士研究生, 研究方向为定量遥感产品真实性检验。E-mail: zhongsy@radi.ac.cn zhongsy@radi.ac.cn 1 6 corresp 肖青，1971年生, 男, 研究员, 研究方向为定量遥感反演机理和模型。E-mail: xiaoqing@radi.an.cn 肖青，1971年生, 男, 研究员, 研究方向为定量遥感反演机理和模型。E-mail: xiaoqing@radi.an.cn xiaoqing@radi.an.cn 1 6 2 3 5 4 1 1 1 1 1 6 1 6 1 6 2 3 1 1 中国科学院空天信息创新研究院 遥感科学国家重点实验室, 北京 100101 中国科学院空天信息创新研究院 遥感科学国家重点实验室, 北京 100101 State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Aerospace Information Research Institute, the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Aerospace Information Research Institute, the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China 中国科学院东北地理与农业生态研究所， 长春 130102 中国科学院东北地理与农业生态研究所， 长春 130102 Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130102, China Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130102, China 中国科学院西北生态环境资源研究院， 兰州 730000 中国科学院西北生态环境资源研究院， 兰州 730000 Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China 北京师范大学 地理学与遥感科学学院， 北京 100875 北京师范大学 地理学与遥感科学学院， 北京 100875 School of Geography, Beijing Normal University, Beijing 100875, China School of Geography, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 西南大学 地理科学学院， 重庆 400715 西南大学 地理科学学院， 重庆 400715 School of Geography Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China School of Geography Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China 中国科学院大学 资源与环境学院, 北京 100049 中国科学院大学 资源与环境学院, 北京 100049 College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China 地物波谱特性是利用遥感进行建模反演和地物目标探测识别的理论基础，波谱数据库对于提高遥感应用水平有重要作用。为规范和丰富中国波谱数据库并促进其在测绘等领域的应用，依托国家科技性基础专项,建立了“测绘地物波谱本底数据库”，在数据规范编制、波谱数据采集实验与整编入库、地物波谱数据库建设和应用示范初步探索方面取得重要进展。在波谱数据采集和处理的标准规范方面，建立完善了测绘地物波谱与配套非波谱数据收集与汇总标准、测绘地物波谱和配套非波谱参数测试技术规范、测绘地物波谱库地物分类编码规范。依照项目制定的数据规范标准，对现有波谱数据进行了整编和入库，共计整编数据1.4万余条；组织实施了全国范围的典型地物波谱采集实验以及相应配套参数测量实验，主要试验类型包括典型地物波谱测量试验、定点时间序列测量试验、多尺度测量试验、全波段测量试验、参数控制测量试验和无人机观测试验等，共计获取地物波谱1.7万余条。特别是在华北和东北进行了全波段观测试验（可见光—近红外波（0.35—2.5 μm）、红外波段（3—15 μm）、微波波段（Ka、K、X、C、L波段）），获取冰雪、土壤、植被冠层、人工目标的全波段数据。为方便波谱数据的应用和共享，项目建设了包含3万余条数据的测绘地物波谱本底数据库（GOSPEL）及数据共享平台。依据地物波谱数据的类型和应用需求，形成了全波段典型地物波谱数据集、多角度光谱反射率数据集、多尺度典型地物反射率数据集、长时间系列波谱数据集等共25个特色数据集。基于测绘地物波谱本底数据库进行了地物分类、遥感机理模拟、遥感定量反演、遥感产品验证等方面的应用示范。 The spectral characteristics of ground objects are the theoretical basis for target detection and identification using remote sensing. The spectral library plays an important role in improving the level of remote sensing applications. In this study, we established the “Ground Object Background Spectral Library for Surveying and Mapping (GOSPEL)” under the National Science and Technology Foundation Project to standardize and enrich China’s spectral database and promote its application in the fields of surveying and mapping. Notable progress was observed in the construction of the ground feature spectrum library, warehousing, and preliminary exploration of application demonstrations. Moreover, the Ground Spectral Spectrum and Supporting Non-spectral Data Collection and Summary Standards, Spectral and Supporting Non-spectral Parameter Test Technical Specifications, and Feature Classification Code Standards were established on the basis of the existing spectrum acquisition and processing specifications. Since the implementation of the project, more than 14,000 existing spectral data were compiled and stored in accordance with the data norms and standards formulated by the project. In addition, nationwide spectrum collection experiments were organized and implemented involving the major regions in China, which acquired more than 17,000 ground feature spectra. Full-band experiments (visible–near infrared, infrared, and microwave bands) were performed in north and northeast China to obtain full-band data of snow, soil, vegetation canopy, and artificial target. To facilitate the application and sharing of spectral data, a ground feature spectral database (i.e., GOSPEL) and a data sharing platform containing more than 30,000 data were constructed. Twenty-five datasets were formed according to the type of ground feature spectral data and application requirements, including full-band typical feature spectrum dataset, multi-angle spectral reflectance dataset, multiscale typical feature reflectance dataset, and long-term series spectral dataset. We also performed application demonstrations on ground feature classification, remote sensing mechanism simulation, remote sensing quantitative inversion, and remote sensing product validation based on the current ground feature spectrum from GOSPEL. 波谱库 地物波谱 测绘 遥感 系统 数据共享 spectral library object spectrum surveying and mapping remote sensing system data sharing 1　引　言 1 电磁波与地物表面的相互作用，表现为任何地物都会反射、吸收和透射电磁波，不同性质和不同结构的地物对不同频率电磁波的反射、吸收和透射能力各不相同( 闻建光 等，2015 闻建光 等，2015 )，这种特征被称为地物的波谱特性。定量遥感利用对地观测获取的地物电磁波信号，通过数学统计或物理模型反演获取地物属性信息。地物波谱特性对于了解遥感物理机理、解决病态遥感反演问题以及定量遥感应用都具有重要的意义。因此，地物波谱特性是定量遥感研究的基础( 李小文，2006 李小文，2006 )。随着对地观测技术的发展，地物波谱的获取方式越来越多，包括实验室测量、地面测量、近地面测量、无人机测量、航空测量和卫星观测等。将这些测量手段获取的地物波谱数据进行高质量处理，汇集多种典型地面目标的波谱与特征参数，形成的数据库被称为波谱数据库( 王锦地 等，2009 王锦地 等，2009 )。 从20世纪40年代开始，学者们开始关注地物波谱特性研究，早期建立的波谱数据库多为通用型波谱数据库，而近年来新的波谱库的建设方向已经开始逐渐转向专业型波谱数据库( 张莹彤 等，2017 张莹彤 等，2017 )。1970年，由美国国家航空航天局（NASA）建立了全球第一个地物波谱数据库，即地球资源波谱信息系统ERSIS（The NASA Earth Resources Spectral Information System）( Vincent，1971 Vincent，1971 )。20世纪末，一批具有较大影响力的波谱数据库纷纷建立起来，例如美国喷气推进实验室建立的JPL（Jet Propulsion Laboratory）波谱数据库，约翰霍普金斯大学建立的JHU(John Hopkins University)波谱数据库，美国地质调查局建立的USGS（United States Geological Survey）波谱数据库( Kokaly 等，2017 Kokaly 等，2017 )以及美国宇航局建立的ASTER(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)波谱库( Baldridge，2009 Baldridge，2009 )等。进入21世纪后，又有ASU(Arizona State University)热红外波谱数据库( Christensen 等，2000 Christensen 等，2000 )、ICRAF & ISRIC全球土壤波谱数据库( Garrity和Bindraban，2004 Garrity和Bindraban，2004 )、GAIA波谱数据库等专题波谱数据库相继被建立。自20世纪90年代起，国内的学者也开始了中国的地物波谱数据库建设工作，典型的波谱库包括地物反射光谱反射特性数据库( 田庆久和宫鹏，2002 田庆久和宫鹏，2002 )、长春净月潭地物波谱数据库( 张妍 等，2002 张妍 等，2002 )、中国典型地物波谱库( 屈永华 等，2004 屈永华 等，2004 )、面向电子政务的全国典型地物波谱数据库( 施健 等，2011 施健 等，2011 )等。 地物波谱数据库在地物分类、目标识别和参数反演等方面都有较好的应用效果，对于自然资源、环境生态、农业、林业及防灾减灾等行业遥感应用发挥了重要作用(张莹彤 等，2019)。随着应用方法的发展和应用需求的复杂化，地物波谱数据应用在波谱数据质量、波段覆盖范围、配套参数完整性等方面也有了更高的需求。例如参数提取建模过程中可以利用地物波谱数据作为先验知识，在参数的反演过程中提供波谱特征信息（ Acito和Diani，2018 Acito和Diani，2018 ； Gomis-Cebolla 等，2018 Gomis-Cebolla 等，2018 ； Wu 等，2019 Wu 等，2019 ），在部分参数（如土壤含水量）提取过程中，需要使用多传感器进行联合反演（ Puri等，2011 Puri等，2011 ），因此也需要覆盖全波段的地物波谱数据提供支撑；不同区域的地物波谱特征具有较大的差异，在全球遥感产品生产应用中需要使用大量不同来源的、具有统一标准的波谱数据以支撑相关研究（ You 等，2014 You 等，2014 ）；在一些特定的研究领域，例如BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）反演（ Wen 等，2015 Wen 等，2015 ）、空间尺度转换（ Román 等，2011 Román 等，2011 ）以及基于深度学习的要素提取分类（ Cheriyadat，2014 Cheriyadat，2014 ）等方面，需要具有相应特色的地物波谱数据，如多角度数据、多尺度数据及影像样本库数据等。 虽然现有国内外波谱库已取得较大进展，但随着遥感建模和反演复杂性的需求提高，现有的波谱数据库应用仍面临着挑战：（1）同时覆盖可见光—近红外波段、热红外波段和微波波段的同步全波段波谱数据在遥感机理研究和参数反演等应用中有着很大的潜力，但目前全波段波谱数据数量较少，亟需进一步扩充；（2）波谱数据配套参数在地物波谱数据应用中具有重要作用，为满足更为复杂的应用需求，地物波谱数据需要配备更为丰富完善的配套参数；（3）地物波谱数据应用水平和广度仍有待进一步加强。如何发挥地物波谱数据库在提升遥感应用水平中的重要作用，一方面需要进一步提高地物波谱数据的质量，另一方面需要进一步加强地物波谱数据的信息挖掘，发展遥感信息处理新方法。 为了进一步推动地物波谱数据库建设及其地物波谱数据的应用能力，国家科技部于2014年启动了国家科技基础性工作专项“测绘地物波谱本底数据库建设”，由中国科学院遥感与数字地球研究所牵头，联合国内多家相关科研院所，建立拥有统一规范、实现数据开放共享的地物波谱本底数据库及数据共享平台，即GOSPEL(Ground Object Spectral Library)。测绘地物波谱本底数据库通过整编现有地物波谱数据和新采集野外地物波谱数据，具有全波段、多角度、多尺度、长时间序列等特色。波谱数据库在保留通用地物波谱数据基础上，进一步研制形成了全国影像样本数据集和不同特色地物波谱数据集。 2　测绘地物波谱本底数据库总体设计 1 2.1　总体设计 2 测绘地物波谱数据包括地物波谱数据、影像样本数据以及配套参数。在充分考虑数据存储的差异性和相关性基础上,将测绘地物波谱本底数据库划分为波谱库、波谱影像样本库、基础地理数据库和分类体系库，子库之间既独立又相互联系。测绘地物波谱本底数据库的组成结构如 图1 图1 所示。 波谱库主要面向地物波谱数据及其配套参数，按数据来源可以将波谱库分为野外测定波谱子库和实验室测定波谱子库。野外测量波谱子库主要存储野外环境下测量的不同地物的波谱数据和配套参数（配套参数指测量目标的空间结构参数、生理生化参数、气候参数以及其他与波谱数据相配套的参数）；实验室测量波谱子库主要存储在严格控制环境的实验条件下测量的不同地物的波谱数据。按照地物类别，波谱库包含了6大类地物类型：植被、水体、土壤、岩矿、冰雪、人工目标，并具有多角度、多波段、多时相等特征。 波谱影像样本库是服务于测绘地物要素分类和提取而构建的样本库。根据分辨率差异，分为米级影像波谱样本子库和十米级影像波谱样本子库，主要存储从相应尺度的遥感图像上解译并采集的地物波谱图像样本及影像波谱数据。影像样本库的数据与地物波谱数据建立映射关系，为地物波谱数据增加配套影像数据。 基础地理数据库作为地物波谱库数据背景信息库，可分为矢量地理信息子库和栅格地理信息子库。基础地理数据库数据内容主要包括陆地生态系统空间数据、土地利用现状数据、植被类型空间分布数据、生态地理分区数据和土壤类型空间分布数据等。 分类体系库地理要素地物分类体系及其编码信息。地理要素地物分类体系既容纳了已有的地物标准波谱库中的地类，又符合地理要素测绘体系和遥感图像波谱特征识别的需求。利用编码信息进行波谱数据的关联和管理。 波谱数据库以地物分类编码为核心，关联实验室测量、野外测量的波谱数据和从不同尺度采集的波谱影像波谱和图像样本，并辅之以空间化信息进行一体化管理，提供规范数据接口，突出实用性；在输入输出、标准体系等方面具有开放性和可扩展性，具备数据更新和多源多尺度数据的进一步扩充能力；同时具备了检索、查阅、灾备、应用等功能。波谱数据库的设计方案进一步深化了数据库的总体架构和层次关系，减少了冗余，保持了数据的完整性和系统的可扩展性，满足地物波谱数据库的设计需求。 2.2　数据库标准规范 2 由于不同波谱库的建设目的与测量地物目标不同，不同来源的地物波谱数据难以直接比较和应用( 张莹彤 等，2017 张莹彤 等，2017 )。构建统一的标准规范对于推广地物波谱数据的应用具有重要的意义。在已有的典型地物波谱采集与处理规范基础上，参考现行主要相关国标，针对测绘地物波谱本底数据采集、汇总和入库需求，建立并完善了《地物波谱及配套参数收集与汇总标准规范》、《地物波谱及配套参数测量与处理技术标准规范》和《地理要素地物分类编码库》标准规范。 《地物波谱及配套参数收集与汇总标准规范》主要规定地物波谱和配套参数测量和处理的技术规范、主要涉及有术语定义、地物波谱和配套参数测量一般要求、地物的室内测量要求、典型地物的野外测量要求和配套参数测量要求。《地物波谱及配套参数测量与处理技术标准规范》是开展波谱与配套室内外测量、数据汇总以及数据质量控制的基础，是保证数据科学性的准则，适用于各种典型地物的波谱与配套参数收集与汇总（典型地物主要类型包括土壤、植被、岩矿、水体、冰雪与人工目标）。本标准主要从数据的处理、数据的说明和数据分级3个方面对室内外测量的地物波谱数据进行规定。《地理要素地物分类编码库》将测绘地物波谱库地物分为6个1级类别，包括植被、土壤、岩矿、冰雪冻土、水体、人工目标。植被向下划分至6级分类体系，冰雪冻土向下划分至5级分类体系，土壤、岩矿、水体、人工目标向下划分至4级分类体系。 表1 表1 展示了该分类体系的层级划分和编码方式。 17 地类 2 1级类 2 2级类 2 3级类 2 4级类 2 5级类 2 6级类 编号 类别 2 编号 2 类别 编号 类别 2 编号 2 类别 编号 类别 2 编号 类别 1 植被 2 2 2 2 2 2 11 2 农林用地 2 2 2 2 2 1104 天然草地 2 2 2 2 2 2 110402 2 草地 2 2 2 2 2 11040201 草原 2 2 2 2 2 2 1104020101 草甸草原 2 2 2 2 2 1104020102 典型草原 2 2 2 2 2 1104020103 荒漠草原 2 2 2 2 2 1104020104 高寒草原 17 …… 2 土壤 2 2 2 2 2 2 202 2 淋溶土 2 2 2 2 2 2021 湿暖淋溶土 2 2 2 2 2 2 20211 2 黄棕壤 2 2 2 2 20212 2 黄褐土 2 17 …… 3 岩矿 2 2 2 2 2 2 31 2 岩石 2 2 2 2 2 3102 沉积岩 2 2 2 2 2 2 310201 2 火山—沉积碎屑岩 2 2 2 2 310202 2 陆源沉积岩 2 2 2 2 310203 2 内源沉积岩 2 17 …… 4 冰雪冻土 2 2 2 2 2 2 41 2 冰 2 2 2 2 2 411 海冰 2 2 2 2 2 2 4111 2 初生冰 2 2 2 2 2 41111 尼罗冰 2 2 2 2 2 41112 灰冰 2 2 2 2 2 41113 灰白冰 2 17 …… 5 水体 2 2 2 2 2 2 53 2 湖泊 2 2 2 2 2 531 常年湖、塘 2 2 2 2 2 2 53101 2 湖泊 2 2 2 2 53102 2 池塘 2 17 …… 6 人工目标 2 2 2 2 2 2 61 2 水系 2 2 2 2 2 6102 水库 2 2 2 2 2 2 610201 2 库区 2 2 2 2 610202 2 溢洪道 2 2 2 2 610203 2 泄洪洞、出水口 2 为了将标准规范落实到波谱数据库的建设中，依据标准规范设计形成了数据整编技术、整编数据入库的交换文件格式、野外数据采集表格以及光谱类型编码等技术规程，为标准规范的有效执行提供支撑。后续波谱数据处理与质量控制均遵循了数据库标准规范中的相应规定，以保证地物波谱数据的数据质量，同时增强波谱数据之间的可比性和通用性。 3　波谱数据采集与整编 1 为建设覆盖中国典型区域、数据标准化的测绘地物波谱本底数据库，一方面需要对现有地物波谱数据进行适合数据库标准规范要求的整编，另一方面，需要依据需求开展地物波谱观测试验，补充新的地物波谱本底数据。通过对数据处理、质量控制和分级，最终形成满足定位基础、水系、居民地及设施、交通、地貌、土地等地理信息要素相关的土壤、水体、岩矿、植被、冰雪、人工目标6大类地物类型波谱数据。 3.1　波谱数据主要来源 2 测绘地物波谱本底数据库的数据来源主要包括现有数据整编和地物波谱数据采集两个方面： （1）现有波谱数据整编。通过收集现有国内外地物波谱数据，可以继承现有地物波谱数据，丰富地物波谱数据的种类。测绘地物波谱数据库中含有多来源的现有地物波谱数据，主要包括以下几方面：1）电子政务波谱数据，波谱数据主要包括国内以往研究中所积累的典型地表地物反射率波谱数据；2）国内近年来组织的综合试验采集的波谱数据与配套数据，如黑河生态遥感水文试验等卫星、航空及地面观测互相配合的多尺度综合观测试验数据（ Li 等，2017 Li 等，2017 ）；3）全球水体波谱数据库数据，通过合作收集的NASA海洋生物学处理小组(OBPG) 构建的SeaBASS(全称“SeaWiFS Bio-optical Archive and Storage System”) 数据库；4）国内外微波数据，该部分数据包括1981年美国马里兰州贝尔茨维尔农业研究中心的土壤植被微波测量数据、2009年河北保定土壤植被微波测量数据以及2009年和2010年吉林省积雪微波测量数据。 （2）地物波谱采集。在对现有数据进行整编的同时，为了保证地物波谱数据的现势性，针对典型地物波谱进行更新测量必不可少。测绘地物波谱本底数据库主要依托中国科学院所属的3个遥感试验站（遥感与数字地球研究所河北怀来遥感站、东北地理与农业生态研究所净月潭遥感站、寒区旱区工程与环境研究所黑河遥感站）以及国内相关院校和科研机构，开展地物波谱测量试验，在空间上覆盖了全国31省市包括1455个样区。试验类型主要包括典型地物波谱测量试验、定点时间序列测量试验、多尺度测量试验、全波段测量试验、参数控制测量试验和无人机观测试验等。 3.2　波谱数据质量控制 2 为保证波谱数据质量，测绘地物波谱本底数据库对波谱数据制定了数据质量控制规程。 图2 图2 显示了地物波谱数据的处理流程。收集现有的波谱数据和野外波谱观测数据，获取地物波谱数据及配套参数；对波谱数据和配套参数进行处理，将整编数据原有数据格式与波谱数据库现有数据格式建立映射关系，将波谱数据和配套参数分离，对新采集数据则是通过波谱处理工具批量生成规定格式的波谱数据文件，处理完成后进行格式和波谱数据的初步质量检查；为波谱数据添加配套卫星影像，以地物波谱数据的位置为中心对卫星影像数据进行一定大小的裁剪，并提取影像波谱与影像配套参数、生成影像数据文件；将波谱数据、配套参数数据和影像数据进行匹配，形成完整的满足要求的地物波谱数据。 数值质量控制主要过程包括： （1）制定数据标准规范。为了保证波谱数据处理过程的合理性和规范性，制定了《地物波谱及配套参数收集与汇总标准规范》和《地物波谱及配套参数测量与处理技术标准规范》。《地物波谱及配套参数收集与汇总标准规范》主要对波谱及非波谱配套参数收集汇总过程进行技术约定，包括数据文件处理、数据文件说明、数据文件分级等；《地物波谱及配套参数测量与处理技术标准规范》则对波谱特性测量仪器的选用、测试环境条件、测量方法和要求以及各种辅助参量的测量方法和要求等进行技术约定。这两项规范是数据采集以及后续数据处理与质量控制所遵循的标准。 （2）选取典型试验样区。为确保新采集数据在全国范围内具有代表性，在进行波谱采集试验前进行了样区设计。样区选择的基本原则是：1）可覆盖全国典型地物和各测区的优势物种；2）确保采样点具有良好的空间展布性和区域代表性；3）具有时间动态变化的地物，考虑周期性测量和卫星过境时间进行布点，并综合考虑气候特征、物候特征和地面空间异质性和时间人力成本等因素进行选点。 （3）规范数据采集过程。波谱数据采集过程的规范性直接影响到新采集波谱数据的质量。在对地物波谱数据及其参数的采集过程中严格遵循《地物波谱及配套参数测量与处理技术标准规范》，在符合标准的试验条件下，按照技术规范操作观测仪器对地物目标进行观测，以获取高质量地物波谱数据与配套参数数据。 （4）数据处理与初步检查。由于地物波谱数据来源多样，储存数据采用的文件格式也不尽相同。测绘地物波谱本底数据库采用以XML文件存储元数据和配套参数，通过TXT文件储存波谱文件的数据储存方式，既有利于地物波谱数据统一处理，也便于实现数据共享。 对于整编数据，建立了原有文件各参数（包括元数据和配套参数）和现有XML中各参数的映射关系。从原有文件中分离光谱数据、元数据和配套参数，按照测绘地物波谱数据规定的格式写入。在映射完成后对映射结果，检查映射前后同一参数的单位是否一致、配套参数时空间信息是否匹配等问题。 对于处理后的波谱数据，逐条检查，判断光谱值域范围的合理性以及光谱曲线中噪声的影响程度。对噪声影响较大的波谱数据统一进行噪声去除，对值域范围可能存在质量问题的光谱数据进行检查和剔除。对于配套影像检查，观察配套影像是否含云、影像波谱曲线是否有异常值，如有异常则对波谱影像进行检查甚至剔除。 （5）数据再检查与质量分级评估。在数据处理完成后，对各部分处理结果进行时空间维度匹配，最终形成一条完整的地物波谱数据文件，该数据包含元数据、地物波谱数据、地物波谱配套参数、卫星影像波谱、卫星影像配套参数文件以及其他的配套文件（例如观测近景彩照、卫星影像缩略图等）。在匹配完成后，再次对波谱数据进行质量检查，通过自检—互检—抽检等方式，逐条检查数据的正确性、一致性和完整性，以确保数据的质量符合入库要求。 波谱数据文件配套参数分为通用参数文件和特征参数文件（区分6大类地物），而特征参数中最能体现地物特征的部分参数被规定为核心参数。为了区分不同来源不同质量的地物波谱数据，根据波谱配套参数的完整性将地物波谱数据进行分级，以此达到满足不同用户需求的目的。具体的数据质量分级标准如 表2 表2 所示。 编码 级别 含义 0 0级 未分级 1 1级 通用参数完整，地物核心参数完整，波长范围完整，波谱质量高 2 2级 通用参数完整，地物核心参数超过50% 3 3级 通用参数完整 4　测绘地物波谱数据库特色 1 测绘地物波谱本底数据库中的地物波谱数据总量为3万余条，地物种类包含地物种类包含土壤、水体、岩矿、植被、冰雪、人工目标6大类地物类型，覆盖了29个二级类别。与现有地物波谱数据库相比，测绘地物波谱本底数据库数据类型多样，具有全波段、多尺度、多角度和时间序列特色。 测绘地物波谱数据库是一个通用型和专业型相结合的地物波谱数据库，测绘地物波谱数据库中的全国典型地表类型反射率数据集覆盖了自然界主要地表要素的反射率数据集，数据量和覆盖地表类型较国际上常见的通用型波谱数据库丰富。除通用地物波谱数据集外，测绘地物波谱数据还具有如下特征：（1）建立了全波段地物波谱数据集，该数据集是国际上首次针对同一种地物进行可见光近红外反射、红外辐射、微波散射和微波辐射为主要波段观测的数据集，对于全波段遥感机理研究、全波段卫星载荷预研究等具有重要的意义；（2）建立了不同尺度的地物波谱数据集，从叶片、冠层、高分辨率反射率影像，再到低分辨率反射率影像，形成了不同尺度观测的地物反射率波谱数据集；（3）关注不同角度特征下的地物波谱反射率变化规律，测绘地物波谱数据库含有随传感器角度变化的反射率数据集，也有随太阳角度变化（日变化）的反射率数据集；（4）扩展了微波波段地物波谱测量数据，微波数据的引入，将测绘地物波谱数据的波段范围从主要以光学波段为主的地物波谱数据扩展到了微波波段，使得地物的波谱信息更为完整，波谱数据库应用能力进一步提升。波谱数据集的建立对于深刻理解光谱特征和对遥感机理研究起到了重要作用，在要素提取、模型模拟、参数反演等方面都有着很好的应用潜力。 4.1　典型地表类型全波段波谱数据 2 典型地表类型全波段波谱数据是覆盖可见光—近红外波段(0.35—2.5 μm)、热红外波段(0.35—2.5 μm) 以及微波(Ka、K、X、C、L) 波段的波谱数据。观测平台主要包括地面、近地面高塔及无人机等多种观测手段，可见光近红外反射波谱仪、红外波谱仪，微波辐射计等仪器设备，准同步测量地物可见光反射率、红外发射率、微波辐射及散射特征，并同步取样测量地物属性，形成全波段波谱数据集。典型地表类型全波段波谱数据含植被、裸土、冰雪、人工目标4大类地物类型，共21条，观测时间跨度为2016年6月—2018年9月。数据可用于支持定量遥感辐射传输机理模型研究、跨波段协同地表参数反演、天空地遥感论证、地物精细分类等遥感应用。 以在河北承德塞罕坝进行的全波段波谱测量试验为例（观测试验场景如 图3 图3 所示），针对光学、红外、微波等模型模拟、参数反演与验证需要，在地面、低空和中空3个空间范围内开展准同步地物全波段测量。在获取地物波谱数据的同时，还针对试验需求获取了叶片、冠层的模型需要输入的要素、外部大环境气象参数等在内的地物波谱配套参数。将地物波谱数据与配套参数进行匹配，形成一套完整的典型地表类型全波段波谱数据集（部分数据示例如 图4 图4 所示）。 4.2　多角度光谱反射率数据 2 自然界绝大多数物体均为非朗伯体，其反射特性与角度信息密切相关，太阳光的入射角以及光谱仪探头的测量角度对反射率的观测结果都有明显影响。测绘地物波谱本底数据库包括对典型地表类型反射率多观测角度的测量数据，也有由于太阳入射角不同引起反射率测量结果变化的日尺度数据，形成具有角度特色的波谱数据。在定量遥感中，针对地物的多角度观测可真实反映地物在不同角度上的反射特性，考虑多角度信息的波谱反射率数据在定量遥感机理模型研究中具有较好的应用潜力。 典型地表类型多角度反射率数据（ 图5 图5 ）观测时间跨度为2012年6月—2017年10月，在长春净月潭遥感实验站农业实验田人为改变不同地块的粗糙度和含水量，使用光谱仪依次对各个地块进行多角度测量；在新疆维吾尔自治区阿勒泰地区对积雪进行多角度反射率观测；在甘肃省张掖市对荒漠植被和玉米进行多角度测量，共包含典型地表类型多角度反射率数据66条。该数据体现出不同观测角度对于典型地物反射率观测的影响，对于改进遥感反演模型，提高地物目标的识别精度具有重要意义。 1,2; 日尺度反射率数据（ 图6 图6 ）是利用光谱仪观测河北省保定市定兴县固城镇气象科学研究站的小麦和玉米的反射率获得的。测量时间为北京时间8点—17点，观测日期为2018年5月和7月，共包含日尺度反射率数据208条。该数据的特色是突出太阳光照几何变化对地物反射光谱的影响，可用来研究同一天内不同太阳高度角和入射角冠层反射率的日变化情况,也可用于其他冠层参数(如FPAR) 的日变化反演研究。 1,2; 4.3　多尺度反射率数据 2 植被光谱反射率数据可以用于气候、环境、农业等方面的研究，而不同空间尺度对于植被的观测结果不尽相同，获取不同空间尺度的反射率数据有助于我们更好地进行植被特征研究（ 郝大磊 等，2018 郝大磊 等，2018 ）。多尺度数据主要来自多尺度反射率观测试验以及无人机高光谱植被观测数据，收集和整理了中国华北、西北、西南等大部分地区典型农作物以及森林等植被类型反射率数据，时间覆盖范围为2003年、2004年、2015年和2018年，共包含多尺度反射率数据1163条。 在获取作物多尺度反射率数据时，观测的作物对象包括水稻、花生、大豆、小麦、棉花等，这些作物种植面积普遍较大，故以样方的方式进行地物波谱测量。在野外测量时尽量选择地形比较开阔、作物种植面积较大的区域进行测量，测量时在样方内测量多个点的光谱，对多点处的测量结果取平均得到一条光谱数据。对于森林冠层的观测则主要利用无人机或者观测塔，无人机可以获取森林冠层高光谱数据，在观测塔上则利用光谱仪器进行观测。同时，多尺度反射率数据还需要对作物/森林植被的叶片反射率、背景反射率（如土壤等）以及相关配套参数进行观测，同时添加对应的卫星反射率影像数据，最终形成影像—冠层—叶片—背景多尺度的地物反射率数据。 图7 图7 展示了水稻的多尺度（从叶片尺度、冠层尺度到卫星尺度）观测结果。 多尺度反射率数据显示了地物的空间异质性造成的地物光谱变化，可应用于高分辨率影像的参数（如植被指数、叶面积指数、反照率等）反演及验证，也可用于相关参数的尺度效应、尺度转换及地表异质性的研究。 4.4　长时间序列观测波谱数据 2 长时间序列观测波谱数据观测是对地物在长时间序列上的多次观测，用于反映地物在长时间序列上的动态变化情况。通过开展野外测量实验，形成了涵盖可见光、热红外、微波波段的长时间序列的特色数据。包括作物生长季反射率时间序列数据（ 图8 图8 ）、黑河试验典型地表类型发射率时间序列数据（ 图9 图9 ）、北方冻土积雪微波辐射亮温时间序列数据（ 图10 图10 ）以及西北盐渍土微波辐射亮温数据等。 作物生长季反射率时间序列数据是可见光—近红外波段的地物波谱数据集，用于典型农作物的定量遥感研究。观测时间为2013年—2018年，对不同作物的各个生长阶段进行反射率及配套参数测量。测量目标包括水稻、玉米、小麦、大豆、绿豆、土豆等典型作物，共包含了921条各类作物反射率数据。 黑河试验典型地表类型发射率时间序列数据包括2014年3月—2015年6月黑河流域植被、土壤、冰雪、人工目标4类典型地物的时间序列野外观测发射率数据，共包含数据101条。 北方冻土积雪微波辐射亮温时间序列数据包括2008年3月黑河中上游地表冻融观测数据、2015年12月—2016年3月新疆阿勒泰地区积雪观测数据、2016年11月—2017年1月河北省保定试验场冻土积雪测量数据(车载测量) 以及2017年2月—4月长春净月潭遥感实验站农田区冻土积雪测量数据(升降塔测量)，共包含数据4586条。该数据提供了时间系列积雪和冻土多频率微波亮温数据及其配套的土壤与积雪参数。通过分析亮温与参数之间的定量关系，将提升对积雪和冻土微波辐射传输特性的认识，为提高积雪参数估算精度和冻融算法的判别能力提供数据支持。 长时间序列波谱数据的使用不仅可以为地物光谱的时间和季节性研究提供数据支撑，还可以为植被参数、土壤水分、积雪等长时间序列的反演提供必要参数。如盐渍土的微波辐射与散射特性的定量观测有助于土壤盐渍化现象的研究，不仅有助于土壤结构和稳定度的维持，更有利于农作物的种植与估产，对整个生态系统的保护意义重大。长时间序列观测数据可用于大尺度长时间序列的农业估产、生态环境评估、植被类型转变研究，以及为水文模拟和水资源管理等水文生态相关研究分析提供重要的数据支持。 4.5　典型地物微波辐射亮温数据 2 被动微波遥感以其独特的工作特点，如全天候、全天时的工作模式，具有一定的穿透性，测量灵敏度高等，在环境、军事等方面得到了广泛的应用。目前国内建立的波谱数据库中，微波数据数量都相对较少。典型地物微波辐射亮温数据主要来自于在中国北方地区开展的被动微波野外测量实验，测量所用遥感平台包括车载测量系统和升降塔。观测时间跨度为2008年6月—2018年9月，地理空间范围为中国北方地区(东北、西北、华北)，测量目标包括水体、土壤、沙漠、冰雪、冻土、植被等多种地物类型。 图11 图11 （a）为2018-09-25闪电河流域草地L波段微波辐射测量结果。 1;2; 东北地区下行森林微波亮温由2015年9月L波段微波亮温观测与2016年1月L、K和Ka波段微波亮温观测组成，包含数据29条，主要分布于大小兴安岭和净月潭林区。森林下行微波辐射特性的定量观测可以有助于提高对森林微波辐射传输特性的认识与建模精度，从而提升利用微波遥感数据反演森林参数、森林覆盖下土壤和积雪等参数的精度。 图11 图11 （b）为2016-12-24落叶松辐射亮温观测结果。 除了上文中展示的波谱数据外，测绘地物波谱本底数据库还收集了包括全国米级/十米级影像样本数据、全国典型地表类型反射率数据、室内反射率观测数据、综合试验整编数据在内的大量特色波谱数据，能够满足地物波谱数据在不同方向的应用需求。 5　测绘地物波谱本底数据库系统平台 1 5.1　系统总体架构 2 测绘地物波谱本底数据库系统建设的核心主要包括波谱数据库的设计以及波谱数据库共享平台的建设。波谱数据库的设计质量直接影响波谱数据的收集整编、储存管理、运行效率、数据安全和应用扩展，波谱数据库共享平台的建设关系到波谱数据的应用推广和持续更新的能力。按照创新模式、统一标准、资源共享等设计原则，测绘地物波谱本底数据库系统由6个层次构成，包括用户层、应用层、基础功能组件层、本底数据库访问接口、本底数据库层及基础设备层。 用户层层通过B/S架构为系统与用户交互搭建数据共享平台。通过浏览器端界面，不同类型人员能够对测绘地物波谱本底数据库享有不同的操作权限。应用层实现具体的用户业务功能，包括数据检索浏览、数据下载、波谱图像浏览等模块，各模块通过消息中间件实现信息传递和响应。基础功能组件层为应用层业务功能提供细粒度的组件模块，包括数据可视化、权限管理、任务输出等。基础功能组件层通过本底数据库访问接口，实现对测绘地物波谱本底数据库的查询、提取、浏览、归档等操作。本底数据库访问接口是数据库层和基础功能组件层及应用层的桥梁，主要提供数据查询、提取、归档3类接口。测绘地物波谱本底数据库从逻辑上划分为基础背景数据库、测绘地物波谱库、元数据库、用户数据库、系统数据库几部分。基础设备层是系统运行的基本保障，包括存储设备、网络交换机、服务器集群、防火墙等。测绘地物波谱本底数据库系统建设框架如 图12 图12 所示。 5.2　波谱数据库共享平台 2 测绘地物波谱本底数据库数据共享平台的建设目标是在波谱数据处理与汇交规范基础上，制定符合开放式空间数据工作组（OGC）的数据分发标准与数据共享格式标准，开发基于Web Service的波谱数据访问组件，提供基于网络的标准波谱获取开放式API，建立支持分布式波谱数据库的数据共享网站，提供数据上传、数据修改、数据查询、数据显示、数据更新和数据下载等功能。数据库共享平台主要包括数据库管理子系统与门户网站子系统，数据库管理子系统实现数据管理、用户管理、信息发布以及权限管理等功能，而门户网站子系统实现了数据查询展示和下载共享服务。数据共享平台的建设为不同层次用户提供了统一的数据出口，促进波谱数据的规范化和标准化，方便各层次用户对测绘地物波谱数据的应用。测绘地物波谱本底数据库数据在波谱数据库共享平台进行免费共享（gospel.radi.ac.cn[2019-12-24]）。同时，该数据已全部汇交至国家对地观测数据中心与国家地球系统科学数据中心，用户也可以通过数据中心网站进行下载。 6　波谱库应用示范 1 地物波谱数据在地物分类、目标识别和参数反演中都有着较大的应用价值和潜力，测绘地物波谱本底数据库可以基于不同的应用方法开展波谱数据应用，在测绘要素提取和分类、全波段遥感机理模拟、遥感反演和参数提取、卫星产品验证等方面取得初步应用效果，主要包括： （1）测绘要素提取和分类。波谱库可以提供卫星、地面、实验室等不同层次、不同来源的地物波谱数据，为3者之间的关联关系研究提供数据支持。利用野外光谱测量数据和影像样本库数据，采用基于光谱信息散度的光谱曲线匹配方法完成影像与地物波谱的相似度匹配，通过阈值筛选得到目标要素的探测提取结果,结果表明基于波谱数据开展目标属性探测能够取得较好的应用效果。同时利用影像样本库数据筛选待分类区域内的影像样本点，将其与待分类影像叠加，获取样本点的影像光谱特征，从而训练分类器完成影像的要素分类任务。结果表明波谱库数据以共用共享的方式为用户提供了更为快捷的样本采集手段，提高分类的效率，减少人工采样的工作量，提高了分类的精度( 赵理君 等，2019 赵理君 等，2019 )。 （2）全波段遥感机理模拟。围绕光学和微波遥感模型，利用地物波谱数据中的配套参数以及对应的全波段地物波谱数据，开展全波段遥感机理模型的模拟研究。如采用理论数值分析和计算机模拟相结合的方法，研究积分球在设计和操作中影响发射率测量精度的因素，利用发射率数据验证了蒙特卡洛模拟算法的模拟精度( 杨白雪 等，2017 杨白雪 等，2017 )。以地基微波辐射计盐渍化土壤亮度温度观测数据及配套的地面土壤温湿度测量数据为参考，定性分析了土壤水分、土壤温度及土壤盐分对土壤辐射亮度温度的影响( 魏龙，2018 魏龙，2018 )。结果表明，地物波谱数据对于遥感机理模型的验证和改进提供了重要的参考。 （3）遥感反演和参数提取。利用光学和微波的波谱数据，围绕着如何提高地表关键参数高精度遥感反演的问题开展应用。引入地物波谱数据作为先验知识，参与到地表波谱特性反演和参数提取中，能够为参数反演提供信息量和初步检验数据。如利用地物波谱反射率数据，利用不同地物类型不同NDVI条件下的反射率特征，结合辐射传输模型，提出了耦合NDVI的分布式黑空反照率窄宽波段转换方法，提取窄宽波段转换系数( Peng 等，2017 Peng 等，2017 )。如利用L波段双极化多角度森林微波辐射亮温数据，根据零阶微波辐射传输模型和最小二乘法发求解森林透过率( Zheng 等，2017 Zheng 等，2017 )，利用L波段H极化多角度微波辐射亮温数据，开展土壤水分反演等( Jin 等，2017 Jin 等，2017 )。将引入地物波谱数据前后的反演结果进行比较，结果表明引入地物波谱数据的反演结果具有更好的精度，地物波谱数据能有效提高遥感反演与参数提取的应用效果。 （4）支持卫星产品验证。测绘地物波谱数据采样方案中的一个重要原则是采样的地物波谱区域需要覆盖一定的大小，且较为均匀，所以测绘地物波谱数据库中的数据可以用于部分遥感产品参数的精度检验。利用实测地物波谱反射率数据、测量的配套参数中的地表温度数据，可以分别验证MODIS归一化植被指数产品( Geng 等，2014 Geng 等，2014 )和MODIS地表温度产品( Yu 等，2017 Yu 等，2017 )。对于一些相对异质的地表，验证过程中对实测数据进行了升尺度转换，以确保与待检验产品的空间尺度一致。检验结果表明利用地物波谱数据能够很好地验证定量遥感产品的精度和不确定性，地物波谱数据对卫星产品的验证至关重要。 通过上述应用实例，可以看出测绘地物波谱数据在遥感应用领域存在较大的潜力，在要素提取、模型模拟、参数反演及产品验证方面都取得了较好的应用效果。测绘地物波谱本底数据库具有的高质量地物波谱数据，可作为地物波谱数据进一步研究的基础和数据源。 7　结　语 1 在自然资源和地理空间基础信息研究方面，由于能够快捷地探测大范围地面地物信息的特点，遥感数据已成功应用于包括土地、农业、林业、建筑、测绘等多个行业部门( 施健 等，2011 施健 等，2011 )。地物波谱特性是利用遥感进行目标物探测与识别的理论基础，在遥感得到大规模应用的背景下，理应对地物波谱特性进行更加深入的研究。“测绘地物波谱本底数据库建设”项目试图建立一个拥有统一规范、实现数据开放共享的地物波谱本底数据库及数据共享平台，为进一步开展地物波谱数据的研究与应用提供支撑。 测绘地物波谱数据库是一个通用型和专业型相结合的地物波谱数据库，数据类型多样，不仅有常规按照6大类（植被、水体、土壤、岩矿、冰雪、人工目标）汇编的地物波谱数据，也有针对全波段、多尺度、多角度和时间序列等方向的特色数据集。在建设波谱数据库的过程中，还形成了一套数据采集、处理、整编的技术流程和项目规范，在波谱数据入库的全过程中严格进行质量控制。利用波谱库中的数据进行了系列应用示范，为相关人员使用波谱数据提供参考。 测绘地物波谱本底数据库的建设为地物波谱研究提供了丰富的数据和开放的共享平台，可以推动人们更好地认识地物波谱特性和利用遥感数据，为相关领域学科的科学研究提供先验知识。为进一步推动地物波谱数据的研究与应用，与国内优势单位共同开展了典型地物波谱数据测量试验和数据共享，在地物波谱数据、标准规范以及应用示范方面推广波谱数据应用经验。例如支持委内瑞拉遥感卫星二号地面应用系统典型应用系统、江苏省测绘工程院承担的江苏省典型地物光谱知识库建设、为多所大学和科研机构提供了地物波谱数据支撑等。这些应用扩大了波谱数据库的应用范围，丰富了波谱数据库的科学内涵，证明了波谱数据库可以为提高测绘遥感领域的自动化和智能化的水平提供支撑，在地质应用、环境与生态应用、海洋应用等领域发挥重要作用，推动经济社会的发展。 参考文献（References） Acito N and Diani M . 2018 . 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