遥感光学基础

1、1接收预处理用户应用处理分析结果输出21 颜色的性质和颜色立体颜色的性质和颜色立体2 加色法与减色法加色法与减色法3 黑白影像与彩色影像黑白影像与彩色影像4 光学处理（了解）光学处理（了解）颜色科学简史颜色科学简史 Isaac Newton(1642-1727)的色园 1666年开始研究颜色，把红色和紫色首尾相接形成色圆/色轮(color circle /wheel)。也称牛顿色圆(Newton color circle)，见图 度量颜色的一种方法，圆周表示色调，圆的半径表示饱和度 为揭示红(R)、绿(G)和蓝(B)相加混色奠定了基础，其互补色是C，M，Y 牛顿还揭示了一个重要的事实：白光包含

2、所有可见光谱的波长，并用棱镜演示了这个事实。牛顿色圆 在色度学中，当两种颜色混合产生白色或灰色时，这两种颜在色度学中，当两种颜色混合产生白色或灰色时，这两种颜色称为色称为互补色互补色。颜色科学简史颜色科学简史(续续1) Thomas Young(17731829)的假设的假设 在1802年，认为人的眼睛有三种不同类型的颜色感知接收器，大体上相当于红、绿和蓝三种基色的接收器 James Clerk Maxwell(18311879) 的色度学的色度学 19世纪60年代，探索了三种基色的关系 认为三种基色相加产生的色调不能覆盖整个感知色调的色域，而使用相减混色产生的色调却可以 认为彩色表面的色调和

3、饱和度对眼睛的敏感度比明度低 Maxwell的工作被认为是现代色度学的基础 Hermann von Helmholtz(1821-1894)的理论的理论 认为Young的看法非常重要，使用三种基色相加可产生范围很宽的颜色 把这个想法用于定量研究，因此有时把他们的想法称为Young-Helmholtz理论。颜色科学简史颜色科学简史(续续2) 物理科学实验物理科学实验 20世纪世纪20年代对科学家们提出的理论进行了实验，表明年代对科学家们提出的理论进行了实验，表明 红、绿和蓝相加混色的确能产生某个色域里的所有可见颜色，但不能产生所有的光谱色(单一波长的颜色)，尤其是在绿色范围里 如果加入一定量的红

4、光，所有颜色都可呈现，并用三色激励值(tristimulus values)表示R，G，B基色，但必须允许红色激励值为负值(即用补色) 国际照明委员会国际照明委员会(CIE)的贡献的贡献 1931年定义了标准颜色体系，规定所有的激励值应该为正值，并用x和y两个坐标表示所有可见的颜色 绘制的CIE色度图(CIE chromaticity diagram) 是用xy平面表示的马蹄形曲线，为大多数定量的颜色度量方法奠定了基础 生理学实验生理学实验 眼睛的不同锥体对颜色吸收性能的猜想直到1965年前后才做详细的生理学实验进行验证，结果表明，在眼睛中的确存在三种不同类型的锥体， Thomas Young

5、的假设是正确的 6光和颜色光和颜色电磁波谱中电磁波谱中0.38-0.760.38-0.76 m m的波段能引起人的视觉，称为的波段能引起人的视觉，称为可见光可见光, , 可见光加上紫外和红外部分来自原子和分子的发光辐射，称为可见光加上紫外和红外部分来自原子和分子的发光辐射，称为光学辐射光学辐射-光学遥感光学遥感光与色有什么不同？光与色有什么不同？光是色的源泉，色是光的表现。光是色的源泉，色是光的表现。颜色颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果，感知到的颜色由光波的波长决定。区分颜色的三特性： 色调(hue) 、饱和度(saturation) 、明度(brightness)。 7亮度对比亮度对比：

6、视场中对象与背：视场中对象与背景的亮度差与背景亮度之比景的亮度差与背景亮度之比C=C=（L L对象对象-L-L背景背景）/L/L背景背景选择适宜的对象及背景的亮选择适宜的对象及背景的亮度，可以提高对比，从而提度，可以提高对比，从而提高视觉效果。高视觉效果。两个或多个对象间的对比，两个或多个对象间的对比，即即C=C= L L对象对象/L/L对象。对象。3.1 光学原理与光学处理光学原理与光学处理颜色对比颜色对比：在视场中，相邻区域的不同颜色相互影响；两种颜色：在视场中，相邻区域的不同颜色相互影响；两种颜色互相影响的结果，使每种颜色向其影响色的补色变化。互相影响的结果，使每种颜色向其影响色的补色变

7、化。8颜色的性质颜色的性质q 颜色描述对遥感图象很重要，颜色描述对遥感图象很重要，颜色变换颜色变换是遥感图象处是遥感图象处理的重要方法。理的重要方法。q 所有颜色都是对某段波长有选择地反射而对其它波长所有颜色都是对某段波长有选择地反射而对其它波长吸收的结果吸收的结果q 颜色的性质由颜色的性质由明度明度、色调色调、饱和度饱和度来描述来描述明度（明度（Lightness, 强度强度, Intensity）色调（色调（Hue）饱和度饱和度(Saturation)9是人眼对光源或物体明亮程度的感是人眼对光源或物体明亮程度的感觉。与电磁波辐射亮度的概念不同，觉。与电磁波辐射亮度的概念不同，明度受人的视觉

8、感受性和经验影响。明度受人的视觉感受性和经验影响。物体反射率越高，明度就越高。白物体反射率越高，明度就越高。白比灰，黄比红比灰，黄比红光源光源：亮度越大，明度越高：亮度越大，明度越高黑白图象黑白图象：灰度、灰阶：灰度、灰阶灰度（明度）、灰阶灰度（明度）、灰阶明度明度（Lightness, 强度强度, Intensity） 同一种色块，在不同强度的白光照射下，反射的光波波长一样（色调相同），但人眼感觉到的颜色不同。 某一颜色的光，亮度很弱，趋于黑色，反之，趋于白色。10色调（色调（HueHue）色彩彼此间相互区分的特性。可见光波段的不同波长刺激人眼色彩彼此间相互区分的特性。可见光波段的不同波长刺

9、激人眼产生了不同色彩（红产生了不同色彩（红紫）的感觉。紫）的感觉。从红到紫是可见光谱上存在的颜色，每种颜色对应一个波长值，从红到紫是可见光谱上存在的颜色，每种颜色对应一个波长值，是是光谱色光谱色。有时刺激人眼的光波不是单一波长，而是有时刺激人眼的光波不是单一波长，而是一些波长的组合一些波长的组合，也，也可构成一些颜色，但它们找不到对应的波长值，不叫光谱色。可构成一些颜色，但它们找不到对应的波长值，不叫光谱色。色调用红(red )、橙(orange)、黄(yellow)、绿(green)、青(cyan)、蓝(blue)、靛(indigo)、紫(violet) 等术语来刻画。11饱和度饱和度(Sa

10、turation)(Saturation)彩色纯洁的程度，即光谱中波长段是否窄，频率是否单一的彩色纯洁的程度，即光谱中波长段是否窄，频率是否单一的表示。对于光源，发出的若是单色光就是最饱和的彩色，如表示。对于光源，发出的若是单色光就是最饱和的彩色，如激光。对于物体颜色，如果物体对光谱反射性有很高的选择激光。对于物体颜色，如果物体对光谱反射性有很高的选择性，只反射很窄的波段则饱和度高。性，只反射很窄的波段则饱和度高。如果光源或物体反射光在某种波长中混有许多其它波长的光如果光源或物体反射光在某种波长中混有许多其它波长的光或混有白光则饱和度变低。或混有白光则饱和度变低。黑白色只用明度描述，不用色调、

11、饱和度描述。黑白色只用明度描述，不用色调、饱和度描述。不完全饱和不完全饱和 完全饱和完全饱和 不完全饱和不完全饱和12彩色彩色 I IH S13颜色立体颜色立体14CMYK也称作印刷色彩模式，是一种依靠反光的色彩模式，和RGB类似，CMY是3种印刷油墨名称的首字母：青色Cyan、品红色Magenta、黄色Yellow。而K取的是black最后一个字母，之所以不取首字母，是为了避免与蓝色(Blue)混淆15三原色：三原色：若三种颜色，其中的任一种都不能由其余二种颜色混合相加产生，若三种颜色，其中的任一种都不能由其余二种颜色混合相加产生，三种颜色按一定比例混合，可以形成各种色调的颜色，则称之为三原

12、色。三种颜色按一定比例混合，可以形成各种色调的颜色，则称之为三原色。实验证明，实验证明，红、绿、蓝红、绿、蓝三种颜色是最优的三原色。三种颜色是最优的三原色。由三原色混合，可以产生其他颜色，称为由三原色混合，可以产生其他颜色，称为加色法加色法。互补色：互补色：若两种颜色混合产生白色或灰色若两种颜色混合产生白色或灰色 , , 这两种颜色就称为互补色。这两种颜色就称为互补色。加色法加色法16颜色相加的原理可以用色度图来表现，比加色法示意图更接近颜色相加的原理可以用色度图来表现，比加色法示意图更接近实际情况。因为每种波长的光都可以用红绿蓝三原色相加产生。实际情况。因为每种波长的光都可以用红绿蓝三原色相

13、加产生。对任何一种颜色的光，当匹配的各波长光谱能量相同（等能光对任何一种颜色的光，当匹配的各波长光谱能量相同（等能光谱）时，都可以推算出其所需要的红绿蓝三原色的数量值。谱）时，都可以推算出其所需要的红绿蓝三原色的数量值。所有光谱色混合时，即形成等能光谱中的白光，且白光是由相所有光谱色混合时，即形成等能光谱中的白光，且白光是由相同数量的红绿蓝三原色组成。同数量的红绿蓝三原色组成。设光的总能量为设光的总能量为1，则白光由三原色各，则白光由三原色各1/3构成，即构成，即红红=绿绿=蓝蓝=1/3白，红白，红+绿绿+蓝蓝=白白根据上述原理，设计了色度图根据上述原理，设计了色度图色色 度度 图图17x:

14、红色的比例；红色的比例； y: 绿色的比例；蓝色比例可由绿色的比例；蓝色比例可由x+y+z=1导出；导出；弧形曲线代表光谱，线上每一点代表一种波长（弧形曲线代表光谱，线上每一点代表一种波长（nm）和光谱）和光谱颜色，曲线包围的部分及直线部分代表非光谱色。颜色，曲线包围的部分及直线部分代表非光谱色。色色 度度 图图18减色法减色法彩色摄影、彩色印刷打印、美术颜料的混合彩色摄影、彩色印刷打印、美术颜料的混合减色法减色法是从自然光（白光）中，减去一种或二种基色光而生是从自然光（白光）中，减去一种或二种基色光而生成色彩的方法。成色彩的方法。颜料本身的色彩是由于本身颜料本身的色彩是由于本身选择性地吸收选

15、择性地吸收了入射自然光中一了入射自然光中一定波长的光，定波长的光，反射出未被吸收的色光反射出未被吸收的色光而呈现出本身的色彩。而呈现出本身的色彩。例如，黄色颜料是由于本身吸收了自然光中的蓝色光，反射例如，黄色颜料是由于本身吸收了自然光中的蓝色光，反射出未被吸收的红光和绿光叠加混合的结果；品红颜料是由于吸出未被吸收的红光和绿光叠加混合的结果；品红颜料是由于吸收了自然光中的绿光，反射出红光和蓝光相加的结果；同样，收了自然光中的绿光，反射出红光和蓝光相加的结果；同样，青颜料是由于吸收了自然光中的红光成分，反射蓝光与绿光的青颜料是由于吸收了自然光中的红光成分，反射蓝光与绿光的结果。结果。19减法三原色

16、减法三原色减法三原色减法三原色：指加法三原色的补色，即：指加法三原色的补色，即黄、品红和青色。黄、品红和青色。用白光由红、绿、蓝三色组成这种理想用白光由红、绿、蓝三色组成这种理想模型来理解，可以认为：模型来理解，可以认为：黄色是减去蓝黄色是减去蓝色的的红绿组合色的的红绿组合；同样地，；同样地，品红色是减品红色是减去绿色的红蓝组合去绿色的红蓝组合，青色是减去红色的青色是减去红色的蓝绿组合蓝绿组合。这样，黄、品红、青便是减。这样，黄、品红、青便是减色法的三原色。色法的三原色。将彩色涂料的三色叠加时，由于光线依将彩色涂料的三色叠加时，由于光线依次通过减红、减绿、减蓝层就成黑色。次通过减红、减绿、减蓝

17、层就成黑色。只有当涂料浓度不够，减色不彻底时才只有当涂料浓度不够，减色不彻底时才会出现灰白色，但这仍是减色法而不是会出现灰白色，但这仍是减色法而不是加色法。加色法。20减色法实验减色法实验白光白光-蓝滤光片蓝滤光片-黄滤光片黄滤光片-？颜色？颜色21黑白影像与彩色影像黑白影像与彩色影像遥感影像常以照片（或数字影像）遥感影像常以照片（或数字影像）来表现来表现:单波段或全色波段表现为单波段或全色波段表现为黑白图像黑白图像，三波段组合表现为三波段组合表现为彩色影像彩色影像彩色彩色：真彩色真彩色(true color)：（三波段组合）：（三波段组合）假彩色假彩色(false color)：（三波段组合

18、）：（三波段组合）伪彩色伪彩色(pseudo color)伪彩色伪彩色 (pseudocolor): 灰度图像的彩灰度图像的彩色表示或显示色表示或显示22不同的彩色变换可大大增强图像的可读性，常用的三种彩色变换方法：单波段彩色变换、多波段彩色变换、HSI变换数字遥感影像的彩色变换数字遥感影像的彩色变换伪彩色伪彩色 (pseudocolor): 单波段灰度图像的彩色表示或显示。单波段灰度图像的彩色表示或显示。密度分割：将连续的灰度值转换为少量的灰度区间，并密度分割：将连续的灰度值转换为少量的灰度区间，并用不同的颜色表示。用不同的颜色表示。目的：增强图像的目视解译效果目的：增强图像的目视解译效果2

19、3数字遥感影像的彩色变换数字遥感影像的彩色变换24TM3密度分割（5级）粗略显示水体、植被、裸地/城镇等类别分层方案与地物光谱差异对应得好，可以区分出地物的类别。数字遥感影像的彩色变换数字遥感影像的彩色变换25真彩色(true color): RGB； 假彩色(false color)：RGB3-2-1 7-4-2标准假彩色（TM432）数字遥感影像的彩色变换数字遥感影像的彩色变换26TM1(0.45-0.52)蓝波段蓝波段2(0.52-0.60)绿波段绿波段3(0.63-0.69)红波段红波段4(0.76-0.90)近红外波段近红外波段5(1.55-1.75)近红外波段近红外波段7(2.08-2.35)近红外波段近红外波段27真彩色：真彩色：TM321假彩色假彩色TM432 TM74128HSI代表色调、饱和度和明度（hue，saturation,intensity）。色彩模式可以用近似的颜色立体来定量化。颜色立体曲线锥形改成上下两个六面金字塔状。数字遥感影像的彩色变换数字遥感影像的彩色变换29 颜色空