遙感地質(zhì)學(xué)-遙感光學(xué)基礎(chǔ)

第三章遙感光學(xué)基礎(chǔ)

本章從光學(xué)的角度介紹了遙感黑白相片和彩色相片的生成原理，包括自然界顏色的性質(zhì)，描述顏色的三個主要物理量：明度、色度和飽和度，以及三個物理量之間的關(guān)系。介紹了色光的加色法原理和顏料的減色法原理，由此引入了黑白相片、真彩色相片、假彩色相片和彩紅外相片的不同定義和它們的生成過程。最后，簡單介紹了一些光學(xué)處理方法。通過本章幫助學(xué)生理解遙感影像的生成以及遙感影像的解譯原理。

§3·1顏色性質(zhì)和顏色立體

一、光和顏色

電磁波譜中0.38μm至0.76μm的波段稱作可見光譜。這是因為這一區(qū)間的電磁輻射能夠引起人的視覺。如0.7μm為紅色，0.58μm為黃色，0.51μm為綠色，0.47μm為藍色等，這一部分加上紫外和紅外部分來自于原子與分子的發(fā)光輻射，稱為光學(xué)輻射，但一般情況下，紫外線產(chǎn)生疼痛感，紅外線產(chǎn)生灼熱感，都不會使人的視覺產(chǎn)生如顏色、形狀等的視覺印象。嚴(yán)格地說，只有能夠被眼睛感覺到的、并產(chǎn)生視覺現(xiàn)象的輻射才是可見輻射或可見光，簡稱光。人對光的反應(yīng)是靠眼睛進行的，當(dāng)眼睛注視外界物體時，視網(wǎng)膜的感光細(xì)胞在光亮條件下分辨顏色和細(xì)節(jié)，所以在光亮條件下，人眼能分辨各種顏色，當(dāng)光譜亮度降低到一定程度，人眼的感覺便是無彩色的，光譜變成不同明暗的灰?guī)?。人眼對不同波長的光感覺不相同。在光亮條件下，人眼對0.555μm波長的光感覺最靈敏，波長變大或變小，靈敏度都會降低。不同人對亮度或顏色的評價都會有差異。觀察圖片或屏幕時，常對觀察對像的亮暗程度有一評價。這一評價實際是相對于背景而言的，就是亮度對比。

亮度對比是視場中對像與背景的亮度差和背景亮度之比，選擇適宜的對像和背景亮度，可以提高對比，從而提高視覺效果。同樣的觀察圖像，當(dāng)背景較亮?xí)r，感覺不太亮。當(dāng)背景很暗時，會感覺亮度提高了，就是亮度對比的效果。在遙感圖像中，亮度對比主要用于單色黑白影像，但是很難說明哪個是背景，哪個是對像。這時亮度對比就變成兩個或多個對像之間的對比，即亮度對比

C＝ΔL對像/L對像。這種現(xiàn)象的例子，如一張灰色紙片，在白色背景上看起來發(fā)暗（對比?。┰诤谏尘吧峡雌饋戆l(fā)亮（對比大）。

顏色對比不像亮度對比那么簡單。首先，觀察顏色要利用眼球視網(wǎng)膜的中央?yún)^(qū)。也就是視場要小一些。因為當(dāng)視場過大眼球側(cè)視時，先是紅、綠感覺消失，只能看到黃藍色，再往外側(cè)視黃藍色感覺也會消失成為全色盲區(qū)。這時對顏色的判斷會發(fā)生錯誤。再者，人眼對顏色的判斷與波長的關(guān)系不完全固定，要受光強度的影響。當(dāng)光強度增加時，顏色會向紅色或藍色方向變化。所以觀察顏色時盡量選擇周圍光強度基本不變的環(huán)境。在視場中，相鄰區(qū)域的不同顏色的相互影響叫做顏色對比。顏色的對比受視覺影響很大，例如：在一塊品紅的背景上放一小塊白紙或灰紙，用眼睛注視白紙中心幾分鐘，白紙會表現(xiàn)出綠色。如果背景是黃色，白紙會出現(xiàn)藍色。這便是顏色對比的效果。兩種顏色互相影響的結(jié)果，使每種顏色會向影響色的補色變化（綠是品紅的補色，蘭是黃的補色,見§3·2）。在兩種顏色的邊界，對比現(xiàn)象更為明顯。在可見光譜段中顏色從紫端往紅端過渡變化。一般來說，只要波長改變了0.001－0.002μm人眼就能觀察出差別，不同波長人眼的區(qū)別能力也不同。就整個光譜而言，正常人眼應(yīng)分辨出一百多種不同顏色?？梢?，人對顏色的分辨力比黑白灰度的分辨力強很多，正因為如此，彩色圖像能表現(xiàn)出更為豐富的信息量

二、顏色的性質(zhì)當(dāng)觀察物體時人眼的感覺不同，對光源而言，比如：白炙燈，日光燈等，白光光源若亮度很高看到的是白色，若亮度很低看到的發(fā)暗發(fā)灰，若無亮度則看到黑色。而對不發(fā)光的物體而言，比如：畫布，彩紙等，人眼所看到的物體顏色是物體反射的光線所致。當(dāng)物體對可見光波段所有波長無選擇地反射,反射率都在80－90％以上時，物體為白色且顯得明亮，當(dāng)反射率對所有波長均在4％以下時，物體為黑色，很暗，反射率居中則表現(xiàn)為灰色，介于白和黑之間。如果物體對可見光有選擇地反射，如對0.6μm以上的波長反射率很高，則物體看起來是紅色，如果物體反射0.48-0.56μm波段的輻射，而吸收其他波長的輻射，這一物體看起來是綠色。所有顏色都是對某段波長有選擇地反射而對其它波長吸收的結(jié)果。

顏色的性質(zhì)由明度、色調(diào)、飽和度來描述。①明度：是人眼對光源或物體明亮程度的感覺。與電磁波輻射亮度的概念不同，明度受人的視覺感受性和經(jīng)驗影響。一般來說，物體反射率越高，明度就越高。所以白色一定比灰色明度高。黃色比紅色明度高因為黃色反射率高，對光源而言，亮度越大，明度越高。（圖3.1a）②色調(diào)：是色彩彼此相互區(qū)分的特性?？梢姽庾V段的不同波長刺激人眼產(chǎn)生了紅橙黃綠青蘭紫等彩色的感覺。多數(shù)情況，刺激人眼的光波不是單一波長，而常常是一些波長的組合，對于光源，則是不同波長的亮度組合，對于反射物體不同反射率的不同波長組合，共同刺激人眼產(chǎn)生組合后的顏色感覺。(圖3.1b)是一個顏色環(huán)，是表示顏色的理想示意圖。園環(huán)上把光譜色按順序標(biāo)出，從紅到紫是可見光譜上存在的顏色，構(gòu)成園環(huán)。每種顏色都在園環(huán)上或園環(huán)內(nèi)占一個位置，白色位于中心。沒有對應(yīng)波長的顏色不是光譜色。③飽和度，是彩色純潔的程度，也就是光譜中波長段是否窄，頻率是否單一的表示。對于光源，發(fā)出的若是單色光就是最飽和的彩色，如激光，各種光譜色都是飽和色。對于物體顏色，如果物體對光譜反射有很高的選擇性，只反射很窄的波段則飽和度高。如果光源或物體反射光在某種波長中混有許多其它波長的光或混有白光則飽和度變低。白光成分過大時，彩色消失成為白光。在(圖3.1b)的顏色環(huán)中，環(huán)上最外圍的一圈是飽和度最高的顏色，位置約靠近中心，顏色越不飽和。黑白色只用明度描述，不用色調(diào)、飽和度描述。為了形像地描述顏色特性之間系，通常顏色立體來表現(xiàn)一種示意關(guān)系，見圖(3.2)

中間垂直軸代表明度，從底端到頂端，由黑到灰再到白明度逐漸遞增。中間水平面的圓周代表色調(diào)，相當(dāng)于顏色環(huán)，順時針方向由紅、黃、綠、蘭到紫逐步過渡。圓周上的半徑大小代表飽和度，半徑最大時飽和度最大，沿半徑向圓心移動時飽和度逐漸降低，到了中心便成了中灰色。如果離開水平圓周向上下白或黑的方向移動也說明飽和度降低。顏色立體是顏色環(huán)和明度軸的結(jié)合?！?.2加色法與減色法

一、顏色相加原理

1、互補色：兩種顏色混合產(chǎn)生白色或灰色，這兩種顏色稱為互補色。如黃和藍，紅和青，綠和品紅均為互補色。如果兩種非互補色混合，所得顏色混合色?？梢杂妙伾h(huán)模擬，因為混合色的位置就在連接兩種顏色的直線上。例如：品紅和黃混合，連接園環(huán)上品紅和黃兩點，可以混合出連線上的各種顏色，那種顏色的比例大，就偏向那種顏色?？梢园锤軛U定律計算。如果品紅占80％，而黃占20％，那么混合色在聯(lián)線上按2：8的比例，更接近品紅處。從中心過這一混合色點作一半徑，與園環(huán)的交點就是混合的顏色。該點越靠近中心，飽和度越大。圖中這一點約是0.7μm（700nm）,接近紅色。這種顏色還可以再和第三種顏色混合，得到另一種混合色。依此類推。2、三原色；三種顏色按一定比例混合，可以形成各種色調(diào)的顏色，稱為三原色。實驗證明，紅、綠、藍三種顏色是最優(yōu)的三原色，可以最方便地產(chǎn)生其它顏色?；旌虾蟮念伾珜儆陬伾h(huán)內(nèi)部顏色，它們是一種視覺效果上的顏色，失去了顏色的光譜組成意義。為了加深對互補色和三原色的理解?？梢宰鲆粋€實驗。如圖3.3。用三個可調(diào)亮度的光源，分別經(jīng)過紅綠藍三個濾光片，再經(jīng)過透鏡形成平行光束。在暗室中照射到白屏幕上。構(gòu)成紅、綠、藍三原色。調(diào)節(jié)三原色燈光的強度比例可以在白屏幕三束光重疊的部位看到白光。在只有紅光和綠光重疊的部位產(chǎn)生黃光，在只有綠光和藍光重疊的部位產(chǎn)生青色光，在只有藍光和紅光重疊的部分產(chǎn)生品紅色光。不斷地調(diào)節(jié)各燈的強度，白屏幕上還會出現(xiàn)各種中間顏色。仔細(xì)觀察，會發(fā)現(xiàn)自然界各種顏色都可以由紅綠藍這三原色產(chǎn)生。這個實驗可以簡單地畫成加色法示意圖如圖3·4。大園的顏色代表色光的三原色。兩園相交的部分是兩種色光等量相加的混合色，顯然，它一定是第三種顏色的補色。三個園相交的部分是三種顏色等量相加的結(jié)果，一定是白色。該示意圖可以幫助理解和記憶。

三、減色法實際生活中，除了利用顏色相加原理形成顏色的混合外，還常常利用顏色的減法混合。例如遙感里常用的色彩攝影、彩色印刷等都是顏色法的原理。

（二）、減法三原色圖3·8中減法中的三原色采用了加法三原色的補色，即黃色、品紅色和青色。采用理想模型即白光由紅、綠、藍三色組成來理解，可以認(rèn)為當(dāng)使用黃色濾光片時，將黃色波長附近的紅、綠段透過（透過率高）而將遠(yuǎn)端的藍色吸收（透過率低），便形成減藍色即黃色。這種濾光片控制了藍色透過。同樣地，減綠濾色片吸收綠色生成品紅色，減紅濾色片吸收紅色生成青色（圖3·8）。實際生活中用減色法的實例也很多，如作彩色涂料將三色疊加時，由于光線依次通過減紅、減綠、減藍層而成黑色。只有當(dāng)涂料濃度不夠，減得不徹底時才會出現(xiàn)灰白色，但這仍舊是減色法而不是加色法。

思考題：

1、熟悉顏色的三個屬性：明度、色調(diào)、飽和度，舉例比較。

2、比較理想顏色立體和孟塞爾顏色立體的