Концепция структуры библиотеки спектральных образов

Спектральные библиотеки, или библиотеки спектральных образов объектов на поверхности Земли, являются ценным источником информации для дешифрирования гиперспектральных космических снимков, содержащих информацию о тонких спектральных различиях объектов. Их создание особенно актуально с ростом доступности российских и зарубежных космических и авиационных гиперспектральных снимков.
При создании спектральных библиотек важно соблюсти соблюдение ряда принципов:
- использование высококачественного калиброванного измерительного оборудования, обеспечивающего подробные и достоверные данные;
- применение обоснованной и хорошо документированной методики измерений;
- выбор наиболее типичных видов объектов и их типичных состояний, например, доминантных видов растений в основных фенологических фазах;
- обеспечение удобства пользования спектральной библиотекой в сети Интернет.
Целью работы является создание пилотной спектральной библиотеки, на основе измерений растений, минералов и горных пород, проведенных нами в экспедициях на территории России.
Нами проанализированы структура, содержание и функциональность общедоступной спектральной библиотеки ASTER Spectral Library (http://speclib.jpl.nasa.gov), содержащей более 2400 спектров, и характеризующей в основном минералы и горные породы, а также библиотеки лаборатории полетов на Марс Аризонского университета (http://speclib.asu.edu), имеющей расширенные возможности визуализации и сравнения образцов.
Подготовка данных для спектральной библиотеки проводится авторами с 2011 г., когда по Программе развития МГУ был закуплен гиперспектрорадиометр FieldSpec3 Hi-Res фирмы ASD Inc., предназначенный для измерения абсолютных значений энергетической яркости и КСЯ с разрешением от 3 нм (350-1000 нм) до 10 нм (1000-2500 нм). В 2012-2013 гг. была отработана методика измерений и получено около 200 спектров для будущей библиотеки, а в 2014 г. работа была углублена в рамках проекта спектральной библиотеки арктических растений (Spectral Library of Arctic Plants), реализуемого по программе поддержки сети научных и образовательных арктических станций INTERACT (www.eu-interact.org).
Особенности создаваемой библиотеки обусловлены тем, что она реализована в виде геопортала спектрометрических данных, который в перспективе должен стать частью Геопортала МГУ. Поэтому спектры объектов пространственно привязаны, наложены на базовую карту или космический снимок местности. Основной акцент в настоящее время сделан на измерении спектров типичных видов растений. В полученной коллекции спектров учтены вариации спектрального образа для отдельного вида, связанные с различием условий произрастания (например, увлажнением, экспозицией и крутизной склонов, свойствами почв и др.) и характером и степенью техногенного воздействия.
Была разработана структура базы данных, специализированный профиль метаданных для описания данных спектрометрирования и архитектура геопортала. Прототип геопортала размещен на облачном сервисе ArcGIS Online. Геопортал отвечает требованиям разграничения доступа (функционально-ролевая модель), информативности, мультидисциплинарности. База данных геопортала содержит следующие элементы: точки спектрометрирования, таблицы спектрометрирования, фотографии образцов проб, космические снимки, схемы дешифрирования. В пилотной версии библиотеки в 2014 г. планируется характеризовать спектрометрические образцы по следующим параметрам: географическое положение точки, дата и время измерений, классы и подклассы объектов спектрометрирования, название объекта на различных языках, состояние объекта, фотографии образца и обзорные фотографии местности, данные спектрометрических измерений, измерительные приборы, методы измерений, условия освещения, количество зеленой фитомассы и др. Будут обеспечены возможности экспорта данных, и пополнения спектральной библиотеки новыми данными.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант офи-м 13-05-12061.