2.2　竹林資源光譜數據庫構建的現狀及需求分析

2.2.1　國內外光譜數據庫構建的現狀

光譜數據的收集和光譜數據庫系統的建立對于提高光譜數據的利用率，發展光譜信息處理分析的新方法和提高分類識別精度起著非常重要的作用（李少鵬，2013）。根據國內外地物光譜數據庫的發展歷程和研究現狀，目前地物光譜數據庫的發展趨勢大體分為兩個方面：①針對不同的地物類型、特定的應用目的，著重研究其精細波譜特征與其生理生化組成及環境的關系等專業型地物光譜數據庫；②在專業型地物光譜數據庫發展的基礎上，建立綜合性的通用型光譜數據庫。

從國外研究來看，最早在20世紀40年代，蘇聯對300多種地物的可見光光譜進行了測量，并出版了《自然物體的光譜發射特征》一書，書中就植被、土壤、巖礦、水體這四大類地物的光譜進行反射特征的研究（卜曉翠，2008；萬余慶，2001）。20世紀60年代末至70年代初，美國國家航空航天局建立了地球資源信息系統（ER-SIS, the NASA earth resource spectral information system），系統中包括植被、土壤、巖礦、水體四大類地物的電磁波譜特性數據，該系統的建立不僅滿足了當時不同專業人員的應用需求，而且為后續光譜數據庫的發展奠定了技術基礎。

20世紀80年代后期，美國地質調查局（USGS）組織了國際地質對比計劃，建立了USGS-MIN光譜數據庫，該數據庫包含444個樣本的498個光譜，218種礦物。光譜分辨率為4nm（波長0.2～0.8μm）和10nm（波長0.8～2.35μm），并通過附帶的軟件提供光譜庫參數和光譜數據資料。該數據庫從光譜儀、定標、測量規范、數據庫結構與格式，到光譜特性與地質的關系分析，專門就地質光譜特性進行了比較全面的研究。20世紀90年代，美國噴氣推進實驗室（JPL）采用Beckman UV-5240型光譜儀對160種不同粒度的常見礦物進行了測試，測試對象范圍為125～50μm，45～12μm以及小于45μm三種粒度，同時進行了X射線測試分析，以研究微粒尺度與光譜之間的關系，根據粒度范圍分別建立了3個光譜庫JPL1、JPL2、JPL3，突出反映了粒度對光譜反射率的影響。該標準礦物光譜數據庫中除包含礦物反射光譜數據外，還規范了礦物樣品采集、樣品純度和組分分析方法。1990年開始，美國Johns Hopkins大學（JHU）為了比較光譜分辨率和采樣間隔對光譜特征的影響，使用五種不同的光譜測量儀器，對26種樣本（巖石、礦物、地球土壤、月球土壤、人工材料、隕石、植被、水體、雪和冰等）建立了IGCP-264地物光譜數據庫。加利福尼亞技術研究所于2005年建立了ASTER光譜庫，包括相關的輔助信息，并有數據庫檢索功能供用戶查詢，數據來源于USGS、JPL、JHU三個光譜數據庫，共計8類，近2000種地物的光譜數據，光譜波段范圍從0.4μm擴展至25μm（中紅外波譜區）。

從國內研究來看，我國從20世紀70年代開始跟蹤國外的地物波譜測量與數據庫技術，并開始自主研發，逐步在云南騰沖、長春凈月潭、哈密、洞庭湖、懷來、山東濟寧、黑河等地區建立遙感試驗場。試驗場建設主要是面向遙感地質勘查技術發展的應用需求，建設野外與室內相適應和匹配的遙感地質試驗場的仿真實驗平臺，這些基礎實驗良好地促進了我國早期遙感技術的建設和發展（梁樹能，2015）。

“七五”期間，在國家攻關項目“高空遙感實用系統”的子課題支持下，全國建立了13個遙感基礎實驗場，全面規范了典型地物光譜的收集和分析方法，收集并建立了包括植被、土壤、巖礦、水體和人工地物目標五大類地物、300余種約15000余條光譜組成的地物光譜數據庫。該數據庫的建立和不斷發展推動了我國遙感基礎研究水平和解譯分類精度的提高，并為我國地物光譜數據庫的發展奠定了重要的技術基礎（李少鵬，2013）。1987年，中國科學院空間科學技術中心編寫了《中國地球資源光譜信息資料匯編》，包含巖石、土壤、水體、植被、農作物等地物的光譜曲線共1000條，波長范圍主要為0.4～1.08m，部分在0.4～2.48m之間，并有相應的實驗分析報告。1990年，中國科學院遙感所出版了《中國典型地物波譜及其特征分析》一書，書中給出了173種植物、31種土壤、66種巖石、7種水體，共計277種中國典型地物波譜特征。“九五”期間，作為國防科工委衛星應用重點項目的子項目“典型下墊面輻射光譜特性數據庫”，中國科學院上海技術物理所在國家衛星氣象中心、中國科學院安徽光機所和中國科學院遙感所等單位工作基礎上，建立了基于Windows界面的地物波譜數據庫。1998年，中國科學院遙感所高光譜研究室以Visual Foxpro為平臺，建立了一套相對獨立的高光譜數據庫系統。這是我國第一個系統的光譜庫。該系統實現了數據庫基本分析功能的查詢檢索、添加、刪除及修改等功能，提供了光譜曲線包絡線消除、光譜特征波段突出等光譜分析功能。2001年，北京師范大學主持了國家“973”項目，開展了星機地同步遙感實驗，獲取了大量的冬小麥地面光譜測量數據、飛行圖和配套的結構參數、農學參數、農田小氣候參數和氣象參數等系統的實驗數據，并設計開發了以植被、土壤巖石和水體為主要內容的地物光譜數據庫。2005年建立的國家典型地物波譜數據庫，收集了巖礦、農作物、水體等地物，覆蓋全國范圍的成套波譜數據3萬余條。該數據庫實現了不同觀測尺度測定的光譜數據之間、實驗室與野外實驗點上測量的地物光譜數據與遙感學之間的關聯。

此外通過各種遙感應用項目，在林業、農業、環境和城市等方面也進行了許多地物波譜測量，并建立了很多不同用途的光譜數據庫。如國家海洋局大連環保所聯合中國科學院上海技術物理所等多家單位以水污染特別是海洋污染為重點獲得了300多組光譜測量數據，編寫了《中國污染水體光譜特征》一書；新疆農業大學在典型鹽漬土區實測典型鹽漬土壤及鹽生植物光譜數據，并使用Java語言編程建立了“新疆鹽漬土壤和鹽生植被高光譜遙感數據庫”；中國科學院計算機科學研究所研制了“中國藥用植物數據庫系統”（CMP）等等。

2.2.2　竹林資源光譜數據庫構建需求分析

竹林被稱為“世界第二大森林”，以竹子資源利用發展的竹產業擁有巨大的經濟價值、生態價值和文化價值。隨著社會的發展、科學技術的進步、人類的生活水平的提高，現代竹產業不僅是單純的竹林培養和經營業，還有越來越多的竹產品加工業、竹文化旅游和林下飼養業等，竹林資源的需求量和需求層次有了更廣泛的提升。我國竹林資源主要分布在山區和邊遠丘陵地帶，監測和管理手段十分落后，竹林資源基礎資料不準，缺乏有效的決策指導。隨著遙感技術的發展，快速而有效地提取森林資源專題信息和對其進行動態監測已不再是難題。利用遙感技術的現勢性可實時地摸清竹林資源現狀，對于合理規劃區域的竹產業發展和建設將提供重要的宏觀指導作用，是我國竹產業發展的現實需要。

鑒于現代竹產業的經營需求和竹林生長的特性，建立典型竹林的光譜數據庫，為建立遙感監測竹林生態環境信息管理，快速分析、處理、提取存儲有效信息，及竹林健康生長動態監測提供了一定的便利。收集典型竹林光譜數據，通過光譜參數特征的提取分析，可為快速構建不同的波段模型提供特征光譜信息，加快信息的處理效率，對收集光譜數據進行科學管理與維護；可為遙感技術與應用發展提供數據支持，為遙感解譯、地物匹配、遙感分類識別提供基礎信息，以促進竹林健康經營的遙感監測。