T/GAIA 033-2025 表面化学分析 扫描探针显微镜数据储存格式

《表面化学分析 扫描探针显微镜数据存储格式》​​ 的核心内容总结：

​一、制定背景与目的​

• ​问题背景​：
  商品化扫描探针显微镜（SPM）因制造商不同，数据格式互不兼容（专用二进制或低效文本格式），阻碍数据共享、处理与分析。
• ​目标​：
  设计统一、高效的SPM数据存储格式，支持包括STM、AFM、EFM、MFM等多种SPM技术，覆盖单/多通道成像及单/多点谱数据，满足高效存储、快速处理、跨平台共享需求。

​二、核心文件结构​

SPM数据文件（扩展名 .spm）由三部分组成：

1. ​格式头部​

   • ​结构​：格式文件头 + 格式信息头 + 图像彩色表
   • ​关键字段​：
     • ​文件类型标识符​（4字节）：0x0000（单通道图像）、MPMC（多通道图像）、SPMC（谱数据）、USPM（用户自定义）。
     • ​数据阵列大小​（4字节）：数据部分字节数。
     • ​位图宽/高​（各4字节）：图像宽度（像素数）和高度（负值表示从上到下存储）。
     • ​像素存储方案​：
       • bit count=24：低16位存储数据值（B），高8位固定为0。
       • bit count=32：低24位为基数（B），高8位为指数（N），数据值 = B × 2^N^。
     • ​颜色表​：存储RGB值（每项4字节），支持图像显示配色。

2. ​数据阵列​

   • 存储SPM原始数据（如高度、电流、相位等）。
   • ​存储规则​：
     • 按行存储（从上到下），每行字节数需4字节对齐（32位对齐）。
     • 多通道数据按通道顺序连续存储。

3. ​参数表​

   • ​功能​：记录数据采集、处理、显示的元数据。
   • ​结构​：
     • ​表头​：标识符（PARS）、总字节数、参数项数、数据极值等。
     • ​基本参数表​（128项）：
       • 实验信息（机构、仪器型号、操作者、日期）。
       • 扫描参数（模式、速度、范围、单位）。
       • 环境参数（温度、压力、湿度）。
       • 探针参数（材料、弹性系数、共振频率）。
       • 数据处理方法（滤波、图像重建）。
     • ​扩展参数表​：
       • 图像/谱数据显示信息（通道标签、单位、显示范围）。
       • 彩色表扩展（自定义配色方案）。
       • 实验扩展参数（如驱动电压、校准常数）。
     • ​关联参数表​：
       • 数据唯一标识、子数据坐标。
       • 插件信息（处理软件标识、版本）。
       • 处理参数（标注、滤波参数）。

​三、关键技术特性​

1. ​高效二进制存储​
   • 默认采用64位浮点数​（双精度）和32位有符号整数，支持紧凑存储。
   • 数据阵列支持动态范围扩展​（32位模式下基数+指数组合）。
2. ​兼容性与扩展性​
   • 头部兼容 ​Windows BMP格式，便于通用软件读取基础图像。
   • 参数表支持结构化嵌套​（如多通道、多位置谱数据）。
   • 预留USPM类型供用户自定义格式。
3. ​随机读写支持​
   • 数据结构设计支持快速定位和访问特定数据段（如指定通道或谱线）。
4. ​元数据完整性​
   • 覆盖从采集（探针、环境参数）到处理（滤波算法、重建方法）的全流程信息。

​四、适用场景​

• ​数据类型​：
  • 成像数据（单/多通道表面形貌、电流、磁力分布）。
  • 谱数据（I-V曲线、力-距离曲线、多点谱）。
• ​技术范围​：STM、AFM（接触/轻敲/非接触模式）、EFM、KPFM、MFM、SNOM等。
• ​应用场景​：科研数据共享、工业检测报告、跨平台分析软件开发。

• 核心价值​

• ​解决行业痛点​：统一碎片化数据格式，提升数据互操作性。
• ​兼顾效率与功能​：二进制存储降低空间占用，结构化参数表支持复杂分析需求。
• ​推动标准化​：为中国SPM数据共享建立规范基础，促进科研与产业协作。

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  此标准通过融合BMP兼容性、灵活参数架构和高效存储方案，为SPM领域提供了全面且可扩展的数据管理框架。

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