地质大遥感地质学课件03遥感光学基础

第三章遥感光学基础

本章从光学的角度介绍了遥感黑白相片和彩色相片的生成原理，包括自然界颜色的性质，描述颜色的三个主要物理量：明度、色度和饱和度，以及三个物理量之间的关系。介绍了色光的加色法原理和颜料的减色法原理，由此引入了黑白相片、真彩色相片、假彩色相片和彩红外相片的不同定义和它们的生成过程。最后，简单介绍了一些光学处理方法。通过本章帮助学生理解遥感影像的生成以及遥感影像的解译原理。

§3·1颜色性质和颜色立体

一、光和颜色

电磁波谱中0.38μm至0.76μm的波段称作可见光谱。这是因为这一区间的电磁辐射能够引起人的视觉。如0.7μm为红色，0.58μm为黄色，0.51μm为绿色，0.47μm为蓝色等，这一部分加上紫外和红外部分来自于原子与分子的发光辐射，称为光学辐射，但一般情况下，紫外线产生疼痛感，红外线产生灼热感，都不会使人的视觉产生如颜色、形状等的视觉印象。严格地说，只有能够被眼睛感觉到的、并产生视觉现象的辐射才是可见辐射或可见光，简称光。人对光的反应是靠眼睛进行的，当眼睛注视外界物体时，视网膜的感光细胞在光亮条件下分辨颜色和细节，所以在光亮条件下，人眼能分辨各种颜色，当光谱亮度降低到一定程度，人眼的感觉便是无彩色的，光谱变成不同明暗的灰带。人眼对不同波长的光感觉不相同。在光亮条件下，人眼对0.555µm波长的光感觉最灵敏，波长变大或变小，灵敏度都会降低。不同人对亮度或颜色的评价都会有差异。观察图片或屏幕时，常对观察对像的亮暗程度有一评价。这一评价实际是相对于背景而言的，就是亮度对比。

亮度对比是视场中对像与背景的亮度差和背景亮度之比，选择适宜的对像和背景亮度，可以提高对比，从而提高视觉效果。同样的观察图像，当背景较亮时，感觉不太亮。当背景很暗时，会感觉亮度提高了，就是亮度对比的效果。在遥感图像中，亮度对比主要用于单色黑白影像，但是很难说明哪个是背景，哪个是对像。这时亮度对比就变成两个或多个对像之间的对比，即亮度对比

C＝ΔL对像/L对像。这种现象的例子，如一张灰色纸片，在白色背景上看起来发暗（对比小）在黑色背景上看起来发亮（对比大）。

颜色对比不像亮度对比那么简单。首先，观察颜色要利用眼球视网膜的中央区。也就是视场要小一些。因为当视场过大眼球侧视时，先是红、绿感觉消失，只能看到黄蓝色，再往外侧视黄蓝色感觉也会消失成为全色盲区。这时对颜色的判断会发生错误。再者，人眼对颜色的判断与波长的关系不完全固定，要受光强度的影响。当光强度增加时，颜色会向红色或蓝色方向变化。所以观察颜色时尽量选择周围光强度基本不变的环境。在视场中，相邻区域的不同颜色的相互影响叫做颜色对比。颜色的对比受视觉影响很大，例如：在一块品红的背景上放一小块白纸或灰纸，用眼睛注视白纸中心几分钟，白纸会表现出绿色。如果背景是黄色，白纸会出现蓝色。这便是颜色对比的效果。两种颜色互相影响的结果，使每种颜色会向影响色的补色变化（绿是品红的补色，兰是黄的补色,见§3·2）。在两种颜色的边界，对比现象更为明显。在可见光谱段中颜色从紫端往红端过渡变化。一般来说，只要波长改变了0.001－0.002μm人眼就能观察出差别，不同波长人眼的区别能力也不同。就整个光谱而言，正常人眼应分辨出一百多种不同颜色。可见，人对颜色的分辨力比黑白灰度的分辨力强很多，正因为如此，彩色图像能表现出更为丰富的信息量

二、颜色的性质当观察物体时人眼的感觉不同，对光源而言，比如：白炙灯，日光灯等，白光光源若亮度很高看到的是白色，若亮度很低看到的发暗发灰，若无亮度则看到黑色。而对不发光的物体而言，比如：画布，彩纸等，人眼所看到的物体颜色是物体反射的光线所致。当物体对可见光波段所有波长无选择地反射,反射率都在80－90％以上时，物体为白色且显得明亮，当反射率对所有波长均在4％以下时，物体为黑色，很暗，反射率居中则表现为灰色，介于白和黑之间。如果物体对可见光有选择地反射，如对0.6μm以上的波长反射率很高，则物体看起来是红色，如果物体反射0.48-0.56µm波段的辐射，而吸收其他波长的辐射，这一物体看起来是绿色。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。

颜色的性质由明度、色调、饱和度来描述。①明度：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，明度受人的视觉感受性和经验影响。一般来说，物体反射率越高，明度就越高。所以白色一定比灰色明度高。黄色比红色明度高因为黄色反射率高，对光源而言，亮度越大，明度越高。（图3.1a）②色调：是色彩彼此相互区分的特性。可见光谱段的不同波长刺激人眼产生了红橙黄绿青兰紫等彩色的感觉。多数情况，刺激人眼的光波不是单一波长，而常常是一些波长的组合，对于光源，则是不同波长的亮度组合，对于反射物体不同反射率的不同波长组合，共同刺激人眼产生组合后的颜色感觉。(图3.1b)是一个颜色环，是表示颜色的理想示意图。园环上把光谱色按顺序标出，从红到紫是可见光谱上存在的颜色，构成园环。每种颜色都在园环上或园环内占一个位置，白色位于中心。没有对应波长的颜色不是光谱色。③饱和度，是彩色纯洁的程度，也就是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，如激光，各种光谱色都是饱和色。对于物体颜色，如果物体对光谱反射有很高的选择性，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或混有白光则饱和度变低。白光成分过大时，彩色消失成为白光。在(图3.1b)的颜色环中，环上最外围的一圈是饱和度最高的颜色，位置约靠近中心，颜色越不饱和。黑白色只用明度描述，不用色调、饱和度描述。为了形像地描述颜色特性之间系，通常颜色立体来表现一种示意关系，见图(3.2)

中间垂直轴代表明度，从底端到顶端，由黑到灰再到白明度逐渐递增。中间水平面的圆周代表色调，相当于颜色环，顺时针方向由红、黄、绿、兰到紫逐步过渡。圆周上的半径大小代表饱和度，半径最大时饱和度最大，沿半径向圆心移动时饱和度逐渐降低，到了中心便成了中灰色。如果离开水平圆周向上下白或黑的方向移动也说明饱和度降低。颜色立体是颜色环和明度轴的结合。§3.2加色法与减色法

一、颜色相加原理

1、互补色：两种颜色混合产生白色或灰色，这两种颜色称为互补色。如黄和蓝，红和青，绿和品红均为互补色。如果两种非互补色混合，所得颜色混合色。可以用颜色环模拟，因为混合色的位置就在连接两种颜色的直线上。例如：品红和黄混合，连接园环上品红和黄两点，可以混合出连线上的各种颜色，那种颜色的比例大，就偏向那种颜色。可以按杠杆定律计算。如果品红占80％，而黄占20％，那么混合色在联线上按2：8的比例，更接近品红处。从中心过这一混合色点作一半径，与园环的交点就是混合的颜色。该点越靠近中心，饱和度越大。图中这一点约是0.7μm（700nm）,接近红色。这种颜色还可以再和第三种颜色混合，得到另一种混合色。依此类推。2、三原色；三种颜色按一定比例混合，可以形成各种色调的颜色，称为三原色。实验证明，红、绿、蓝三种颜色是最优的三原色，可以最方便地产生其它颜色。混合后的颜色属于颜色环内部颜色，它们是一种视觉效果上的颜色，失去了颜色的光谱组成意义。为了加深对互补色和三原色的理解。可以做一个实验。如图3.3。用三个可调亮度的光源，分别经过红绿蓝三个滤光片，再经过透镜形成平行光束。在暗室中照射到白屏幕上。构成红、绿、蓝三原色。调节三原色灯光的强度比例可以在白屏幕三束光重叠的部位看到白光。在只有红光和绿光重叠的部位产生黄光，在只有绿光和蓝光重叠的部位产生青色光，在只有蓝光和红光重叠的部分产生品红色光。不断地调节各灯的强度，白屏幕上还会出现各种中间颜色。仔细观察，会发现自然界各种颜色都可以由红绿蓝这三原色产生。这个实验可以简单地画成加色法示意图如图3·4。大园的颜色代表色光的三原色。两园相交的部分是两种色光等量相加的混合色，显然，它一定是第三种颜色的补色。三个园相交的部分是三种颜色等量相加的结果，一定是白色。该示意图可以帮助理解和记忆。

三、减色法实际生活中，除了利用颜色相加原理形成颜色的混合外，还常常利用颜色的减法混合。例如遥感里常用的色彩摄影、彩色印刷等都是颜色法的原理。

（二）、减法三原色图3·8中减法中的三原色采用了加法三原色的补色，即黄色、品红色和青色。采用理想模型即白光由红、绿、蓝三色组成来理解，可以认为当使用黄色滤光片时，将黄色波长附近的红、绿段透过（透过率高）而将远端的蓝色吸收（透过率低），便形成减蓝色即黄色。这种滤光片控制了蓝色透过。同样地，减绿滤色片吸收绿色生成品红色，减红滤色片吸收红色生成青色（图3·8）。实际生活中用减色法的实例也很多，如作彩色涂料将三色叠加时，由于光线依次通过减红、减绿、减蓝层而成黑色。只有当涂料浓度不够，减得不彻底时才会出现灰白色，但这仍旧是减色法而不是加色法。

思考题：

1、熟悉颜色的三个属性：明度、色调、饱和度，举例比较。

2、比较理想颜色立体和孟塞尔颜色立体的相同点和区别。

3、在图3·6中，若有红、绿、兰三原色分别位于红：0.61μm,绿：0.54μm，兰：0.47μm附近，将这三点连成三角形，以此为基础找到它们的补色位置，说明补色黄、品红、青的波长及饱和度。

4、理解加色法与减色法的原理和适用条件。在彩色合成时，有滤光片分别透光并照射到白色屏幕上利用什么原理？若是滤光片叠合透光又利用什么原理？分别解释之并举实际例子说明。

§3.3黑白影像与彩色影像

遥感影像常常用照片来表现，单波段或全色波段表现为黑白影像，三波段组合表现为彩色影像。无论是光学处理，还是以计算机处理为主的情况下，处理结果常形成底片（负片）或照片（正片）。一些回收式卫星其数据也是以胶片形式记录。因此，有必要学习黑白影像和彩色影像的制作原理。

一、黑白(彩)片感光原理

卤族元素和银的化合物能在光照射下分离出银。照相乳胶由大量卤化银晶粒和明胶组成，把照相乳胶均匀涂敷在玻璃或赛璐珞基片上就制成了照相胶片。照相的第一步是感光，当光照在底片上时卤化银在光子作用下，使带正电银离子移动，形成潜像中心。第二步是显影，使感光底片在暗室中浸入显影液体，液体中显影物质把曝过光的卤化银还原成金属银，这时潜像变成可见像，感光越强金属银密度越大。第三步为定影，定影液把显影后残留在乳胶层中卤化银去掉，形成负片，这样光强之处银颗粒层厚而发黑，透过率低，光弱处银颗粒层薄而发白，透过率高，刚好与自然景物的黑白呈度相反，所以叫做负片。

洗印像片时使光透过负片照在像纸上，经过同样的曝光、显影、定影过程形成正片。负片黑处透过光弱，在正片上发白，负片白处透过光强，在正片上发黑。因此正片反映的黑白程度与自然景物相比，经过两次相反变换变成一致。二彩色影像片生成原理（一）、彩色合成与假彩色合成

遥感影像的生成分二步走。首先在航空或航天遥感的传感器中分波段接受地面上地物的信息。每一波段相当于一个光谱段。地面接收站接收卫星发回的信号恢复后是显示在屏幕上的黑白图像或输出生成黑白底片。第二步是利用三个波段的黑白底片加色合成为彩色影像。合成后的影像如果与自然景物完全一致称为真彩色合成影像，如果与自然景物色彩不一致称为假彩色或伪彩色合成影像。

无论什么片基，彩色片中彩色的生成过程类似，如图3·14所示。把自然界物体的颜色简单划分为兰、青、绿、黄、红、品红六个色彩段，再加上全黑和全白共八色，

思考题：

1、熟悉颜色的三个属性：明度、色调、饱和度，举例比较。

2、比较理想颜色立体和孟塞尔颜色立体的相同点和区别。

3、在图3·6中，若有红、绿、兰三原色分别位于红：0.61μm,绿：0.54μm，兰：0.47μm附近，将这三点连成三角形，以此为基础找到它们的补色位置，说明补色黄、品红、青的波长及饱和度。

4、理解加色法与减色法的原理和适用条件。在彩色合成