《遥感地质学》全册配套完整教学课件.pptx

1、遥感地质学全册配套遥感地质学全册配套完整教学课件完整教学课件 23 地球大气及其对太阳辐射的影响 太阳辐射到达地面的过程中要经过地球周围的大气层，而太阳辐射经过地面目标反射后，又要再次经过大气层才能被航空或航天平台上的传感器接收。大气层中的气体和微粒对电磁辐射的强度和组成会产生影响。主要表现在吸收、散射和透射作用。一大气分层和组成一大气分层和组成 （一）（一）大气分层大气分层 地球被大气圈所包围，大气圈上界不太明显，离地面越高大气越稀薄，逐步过渡到太阳系空间。一般认为大气厚度约1000KM，并且在垂直方向有层次的区别。如图2.12所示， （二）（二）大气组成大气组成 大气中成分含量主要可分为二

2、类：分子和其它微粒。 分子主要有：氮(N2)和氧(O2)约占99，其余1的成分有臭氧（O3），二氧化碳（CO2）、水分子（H2O），及其它（N2O，CH4，NH3等），分子是直径小的微粒。 其它微粒主要有：烟、尘埃、雾霾、小水滴及气溶胶。气溶胶是一种固体、液体的悬浮物，有一个固体的核心，如尘埃、花粉、微生物、海上的盐粒等，在核心以外包有一层液体，直径约为0.0130m，多分布在高度5KM以下。二二折射现象折射现象 电磁波穿过大气层时会发生折射现象。大气的折射率与大气密度直接相关，大气密度越大，折射率越大。空气越稀薄、折射也越小。正因为电磁波传播过程中折射率的变化，使电磁波在大气中传播的轨迹是一

3、条曲线，到达地面后，地面接收的电磁波方向与实际上太阳辐射的方向相比偏离了一个角度称为折射值R， 当太阳垂直入射时，天顶距为0折射值R为零；随太阳天顶距加大，折射值增加；天顶距为45时，折射值R1；天顶距为90时，折射值R35。这时折射值达到最大。这也是为什么早晨看到的太阳园面比中午时看到的太阳园面大，因为当太阳在地平线上时，折射角度最大，甚至它还没出地平，由于折射，地面上已可以见到它 三三大气的反射大气的反射 电磁波传播过程中通过两种介质的交界面上时，还会出现反射现象反射现象。而通过大气时，气体、尘埃反射作用很小，反射现象反射现象主要发生在云层顶部云层顶部，取决于云量和云雾云量和云雾，而且各个

4、波段均受到不同程度不同程度的影响，严重地削弱了电磁波强度电磁波强度。因此，如果不是专门研究云层，尽量选择无云的天气接收遥感信号，则不用考虑大气的反射。 四大气吸收四大气吸收 太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用吸收作用，吸收作用使辐射能量变成分子的内能，引起这些波段的太阳辐射强度衰减。吸收作用越强，辐射强度衰减越大，甚至于某些波段的电磁波完全不能通过大气。因此在太阳辐射到达地面时，形成了电磁波的某些吸收带图2.14表示大气中几种主要分子对太阳辐射的吸收率。图中可以看出，每种分子形成吸收带的粗略位置。其中，水的吸收带水的吸收带主要有2.53.0、57、0.94、7.13、1

5、.38、1.86、3.24以及24m以上对微波的强吸收；二氧化碳二氧化碳的吸收峰主要是2.8和4.3m；臭氧臭氧在1040KM高度对0.20.32m有很强的吸收带，此外0.6、9.6m，吸收也很强。氧气氧气主要吸收小于0.2m的辐射，0.6m和0.76m也有窄带吸收。N2O和和CH4虽然在大气中含量不高，也有吸收产生。大气中的其它微粒也会有吸收作用产生，但不起主导作用。 五大气散射五大气散射 辐射在传播过程中遇到小微粒会使传播方向改变，并向各个方辐射在传播过程中遇到小微粒会使传播方向改变，并向各个方向散开，称为散射向散开，称为散射。散射的作用使在原传播方向上的辐射强度减弱，增加了向其他各个方向

6、的辐射，由于散射增加了漫入射的成分，使由于散射增加了漫入射的成分，使反射的辐射成分有所改变；返回到传感器的时候，除反射光外还增反射的辐射成分有所改变；返回到传感器的时候，除反射光外还增加了散射光进入传感器。通过加了散射光进入传感器。通过二次散射二次散射影响，增加了信号中的噪声影响，增加了信号中的噪声成分，造成遥感图像的质量下降。成分，造成遥感图像的质量下降。 散射现象散射现象的实质是电磁波传输中遇到大气微粒产生的一种衍射大气微粒产生的一种衍射现象。因此，这种现象只有当大气中的分子或其它微粒的直径小于或相当于辐射波长时发生，大气的散射现象有以下三种情况： （一）（一）瑞利散射瑞利散射 当大气中粒

7、子的直径比波长小很多时发生的散射，称瑞利散射瑞利散射。这种散射主要由大气中原子和分子。大气对电磁辐射的影响是由气体分子引起的，故瑞利散射又称分子散射分子散射。如氮、二氧化碳，臭氧和氧分子等引起。特别是对可见光而言，瑞利散射现象非常明显，因为这种散射的特点是散射强度与波长的四次方（散射的特点是散射强度与波长的四次方（4）成反比）成反比，即 I 4即短波电磁波散射比长波电磁波散射要强得多 ，瑞利散射主要发生在紫外、兰光光谱区紫外、兰光光谱区，特别是紫外光谱区 图2.19瑞利散射与波长的关系 （二）二）米氏散射米氏散射 当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发

8、生的散射，称米氏散射射，称米氏散射。这种散射主要由大气中的微粒大气中的微粒如：烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。因此，米氏散射又称气溶胶散射气溶胶散射。这种散射的特点是散射强度受气候影响大，但一般而言，米散射的散射强度与波米散射的散射强度与波长的二次方（长的二次方（2）成反比）成反比，即 I-2 并且散射光的向前方向比向后方向的散射强度并且散射光的向前方向比向后方向的散射强度要更强要更强(图图220)。方向性比较明显。方向性比较明显。例如：云、雾的粒子大小与红外线（0.7615m）的波长接近，所以云雾对红外线的散射主要是米氏散射。因此，潮湿天气米氏散射影响较大。 散射光的向前方向比向后方向的散射

9、强度要散射光的向前方向比向后方向的散射强度要更强更强(图图220)。方向性比较明显。方向性比较明显 （三）无选择性散射三）无选择性散射 当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射。这种散射的特点是散射强度与波长无关散射强度与波长无关，也就是说在符合无选择性散射的条件的波段中，任何波长的散射强度相同（图218）。例如：云、雾粒子直径虽然与红外线波长接近，但相比可见光波段，云雾中云雾中水滴的粒子直径就比波长大很多水滴的粒子直径就比波长大很多，因而对可见光中各个波长的光散射强度相同，所以才使我们看到云雾呈白色云雾呈白色，并且无论从云下还是乘飞机至云层上面看，都

10、是白色。 由以上分析可知，散射造成太阳辐射的衰减，但是散射强度遵循的规律与波长密切相关。而太阳的电磁波辐射几乎包括电磁辐射的各个波段。因此，在大气状况相同时，同时会出现各种类在大气状况相同时，同时会出现各种类型的散射。对于大气分子、原子引起的瑞利散射主要发生在可见型的散射。对于大气分子、原子引起的瑞利散射主要发生在可见光和近红外波段。波长超过光和近红外波段。波长超过1m后，瑞利散射的影响则大大减弱。后，瑞利散射的影响则大大减弱。对于大气微粒引起的米散射从近紫外到红外波段都有影响，对于大气微粒引起的米散射从近紫外到红外波段都有影响，当波长进入红外波段后，米散射的影响超过瑞利散射当波长进入红外波段

11、后，米散射的影响超过瑞利散射。六六大气窗口大气窗口 就辐射强度而言，太阳辐射经过大气传输后，主要是反射，吸收和散射反射，吸收和散射的共同影响衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。剩余强度越高，透过率越高。对遥感传感器而言，只能选择透过率高的波段，才对遥感观测有意义。 把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的透过率较高的波段称为大气窗口射的透过率较高的波段称为大气窗口。大气窗口的光谱段主要有： 0.31.3m，即紫外、可见光、近红外波段，即紫外、可见光、近红外波段（可摄影窗口）（可摄影窗口）。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的

12、常用波段。如：Landsat卫星的TM的14波段，SPOT卫星的HRV波段等。 1.51.8m，2.02.5m，即近红外波段窗口近红外波段窗口，在白天日照条件好的时候扫描成像。常用这些波段，如TM5，7波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。 3.55.5m，即中红外波段中红外波段窗口窗口，物体的热辐射较强热辐射较强。这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外，地面物体也有自身的发射能量。如：NOAA卫星的AVHRR传感器用3.553.93探测海面温度，获得昼夜云图海面温度，获得昼夜云图。 814m，即远红外波段远红外波段窗口窗口。主要来自物体热辐

13、射的能量，适于夜间成像夜间成像，测量探测目标的地物温度地物温度。8mm1m，即微波波段微波波段窗口窗口，由于微波穿云透雾的能力，这一区间可以全天候工作。而且由其它窗口区间的被 动遥感工作方式过渡到主动遥感的工作方式。如：侧视雷达影像， Radarsat的卫星雷达影像等。常用的波段为0.8cm，3cm,5cm,10cm，有时也可将该窗口扩展0.05cm300cm 波段，均有很好的透射能力 。见图2.19。七七大气透射的定量分析大气透射的定量分析 太阳的电磁辐射经过大气时，被云层或其它粒子反射回去的部分比例最大，就可见光和近红外而言，约占30，其次为散射的作用，约占22，占第三位是吸收，约占17，

14、这样，透过大气到透过大气到达地面的能量仅占入射总能量的达地面的能量仅占入射总能量的31。这仅仅是一般地对透过率（透过大气的辐照度与入射大气前的辐照度之比）的粗略估计。实际上，除气象卫星必须探测云层外，大多数遥感被动传感器都选择无云天气情况下的数据资料使用。这时大气对太阳辐射的衰减就只计算散射和吸收散射和吸收二种作用产生的影响了。 2 24 4 地面物体反射光谱地面物体反射光谱 地球是地学遥感探测的对象，也是太阳辐射的接收者和反射者。在可见光与近红外波段（0.32.5m），地表物体自身的热辐射几乎等于零。地物发出的波谱主要由反地物发出的波谱主要由反射太阳辐射为主射太阳辐射为主。遥感探测中很大部分

15、的传感器均为可见传感器均为可见光与近红外波段的探测器光与近红外波段的探测器。为了利用传感器接收的数据快速准确地识别地面目标的特征，作到正确判断，地面物体的反射特性研究成为一项重要课题。 太阳辐射到达地面后，物体除了反射作用反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用吸收作用。最后，电磁辐射未被吸收和反射的其余部分则是透射透射的部分,即： 到达地面的太阳辐射太阳辐射能量能量反射能量吸收能量透反射能量吸收能量透射能量。射能量。 （图221）一一地物的反射率 （一）（一）反射率反射率 物体对电磁波谱的反射能力用反射率反射率表示。地面物体反地面物体反射的能量射的能量（P）占入射总能量入射总能量（用P。表示）的

16、百分比称称为反射率为反射率，用表示。则 （2.15） 不同物体的反射率很不相同，这主要取决于物体本身的性质和表面状况，同时也与入射电磁波的波长和入射角有很入射电磁波的波长和入射角有很大关系大关系，反射率的值1。利用反射率的差别可以区分物体。 %1000PP（二）二）物体的反射物体的反射 物体表面状况不同，反射状况也不相同。自然界物体的反射状况由此分为三种：镜面反射，漫反三种：镜面反射，漫反射和实际物体的反射。射和实际物体的反射。镜面反射镜面反射是指物体的反射满足反射定律。入射波和反射波在同一平面内，入射角与反射角相等入射角与反射角相等。当镜面反射时，如果入射波为平行入射，只有在反射波射出的方向

17、上才能探测到电磁波，而另外的方向则探测不到。对可见光而言，其它方向上应该是黑的。自然界中真正的镜面很少，非常平静的水面可以近似认为是镜面。漫反射漫反射是指地物表面为租糙时租糙时，对太阳及人工电磁辐射产生漫反射，即均匀地向各个方向反射，在各个方向的辐射亮度相等，虽然反射率与镜面反射一样，但反射方向却是“四面八方”（图222）。也就是把反射出来的能量分散到各个方面，因此从某一方向看反射面，其亮度一定小于镜面反射的亮度。严格地说，对于漫反射面，当入射辐照度I一定时，从任何角度观察反射面，其反射辐射亮度是一个常数，这种反射面又叫朗伯面这种反射面又叫朗伯面。设平面的总反射率为，某一方面上的反射因子为，则

18、有： （29） 为常数，与方向角或高度角无关与方向角或高度角无关。自然界中真正的朗伯面也很少，新鲜的氧化镁（MgO），硫酸钡(BaSO4)，碳酸镁（MgCO3）表面，在反射天顶角小于等于45时，可以近似看成朗伯面。特别粗糙的，凸凹不平的表面也可能成为朗伯面。 实际物体多数实际物体多数都处于两种理想情况之间，即介于镜面和朗介于镜面和朗伯面（漫反射面）之间伯面（漫反射面）之间。一般来讲，实际物体面在有入射波时各个方向都有反射能量，但大小不同。在入射照度相在入射照度相同时，方向反射辐射亮度的大小既与入射方位角和天顶角同时，方向反射辐射亮度的大小既与入射方位角和天顶角有关，也与反射方向的方位角与天顶角

19、有关。有关，也与反射方向的方位角与天顶角有关。 （三）（三）反射波谱反射波谱 地物的反射波谱是研究地面物体反射率随波长的变化规律。通常用二维几何空间内的曲线表示。横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。图2.28为地物反射率（反射波谱）曲线示意图。 二二地物反射波谱曲线地物反射波谱曲线 地物反射曲线的形态很不相同，表明反射率随波长变化的规律不同。除了因为不同地物的反射率不同外，同种地物在不同的内部和外部条件下反射率也不同。一般说来，地物反射率随波长的变化，有规律可循。从而为遥感影像的判读提供依据。 （一）植被（一）植被 植被的光谱特征规律性非常明显而使其反射曲线独特如图213，主要可分为三段。1.可

20、见光波段范围（0.4-0.76m）有一个小的反射峰反射峰，位置在0.55m（绿）处，两侧0.45m（兰）和0.67m（红）则有二个吸收带。这一特点是叶绿素的影响，叶绿素对兰光和红光吸收作用强，而对绿光反射作用强。2.在近红外波段（0.681.3m）有一反射的“陡坡陡坡”，从0.7m处反射率迅速增大，至1、1m附近有一峰值峰值，形成植被的独有特征。这是因为植被叶子的细胞结构影响，除了吸收和透射的部分，叶内细胞壁和胞间层层的多重反射形成的高反射率。3.在中红外波段 （1.32.5m）受到绿色植物 含水量的影响，吸收率大大 增加，反射率大大下降，特别在1.45m，1.95m和2.7m 为中心是水的吸

21、收带，而形成水的吸收带，而形成低谷低谷。植物波谱在上述基本特征下仍有区别，这种区别与植 物各类、季节、病虫害影响含水量多少等均有关系。为了 区分植被种类，需要对植被波谱作深入研究比较 1.可见光波段范围（0.4-0.76m）2.近红外波段（0.681.3m）3. 中红外波段 （1.32.5m）特别在1.45m，1.95m和2.7m 为中心是水的吸收带，水的吸收带，而形成而形成低谷低谷影响植物的反射波谱影响植物的反射波谱特征有三个因素，即特征有三个因素，即叶色素类型、叶子内叶色素类型、叶子内部结构和叶子中水分部结构和叶子中水分含量含量 由于植物的生长发育阶段的不同，其内部成分、结构、水分含量及外

22、部形态均发生一系列变化，因而使得植物在生长过程中反射波谱具有时相的变化，植物反射波谱特征也随着植物生长发育程度的变化而变化 当植物受到病虫害或各种污染、金属中毒等植物体内水分供应与叶绿素含量及叶内结构都有很大的变化，从而对反射波谱产生影响，对红光的吸收量减少，同时对近红外的反射量也减少(图215)。植物反射波谱曲线在红光到近红外表现出的陡坡向短波方向移动称兰移)。（二）（二）岩石岩石反射波谱曲线较难找到统一的规律，矿物成分、矿物含量、风化呈度、含水状况、颗粒大小、表面光滑呈度和色泽等都会对曲线形态产生影响。如图2.33是几种不同岩石的光谱曲线。 （二）土壤二）土壤 自然状态下土壤表面的反射率没

23、有明显的峰值和谷值土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值，一般来讲土质越细反射率越高，有机质含量高和含水量越高，反射率均降低。土壤的种类和肥力也会对反射率产生影响，见图2.30，土壤反射曲线呈比较平滑的特征，因此在不同光谱段的影像上，土壤亮度区别不明显。 平直型平直型为黑色土壤的反射波谱曲线，土壤中含有大量有机质，在可见光反射率比较低，进入近红外反射率逐渐变大，但变化幅度不大，即斜率小 。缓斜型缓斜型是我国水稻土壤的反射波谱特征，由可见光向近红外反射率缓缓上升，形成一斜线，斜率明显高出上述的平直型，在062pm后反射率趋于平直 陡坎型陡坎型是南方湿热条件下发育的红色土壤或砖红色土壤的反射波谱特征

24、，在可见光反射率上升的幅度比较大，在074urn后斜率变小，平直在可见光反射波谱曲线斜率大，主要是由于土壤中含有赤铁矿、褐铁矿高价铁氧化物所致。波浪型波浪型是干旱荒漠地区土壤的反射波谱特征，在可见光反射率变化比较陡，在近红外反射率呈波浪起伏的曲线，波谷一般比较宽而低平，在23pm之后反射率不但不下降，反而略有升高的特点 （四）水体（四）水体 水体水体的反射主要在蓝绿光波段蓝绿光波段，其它波段吸收都很强，特别到了近红外波段吸收就更强近红外波段吸收就更强了。见图2.31，注意纵坐标的比例与图230明显不同，说明水的反射率非常低，正因为如此在影象上特别是近影象上特别是近红外影象水体呈黑色红外影象水体

25、呈黑色。但是水中含有其它物质，光谱反射曲线会发生变化。水中含有泥沙时泥沙时，由于泥泥沙散射，可见光波段反射率会增加，峰值出现在沙散射，可见光波段反射率会增加，峰值出现在黄红区；黄红区；水中含有叶绿素时近红外波段明显抬高叶绿素时近红外波段明显抬高等，成为分析影像的重要依据。图233是几种不同地物的波谱反射率曲线的比较。 洁净水体洁净水体与混浊混浊水体水体的反射波谱曲线，清沏的水体在可见光反射率比较低，为45，到065m开始下降至23，大于075m的波谱段水体强烈吸收。混浊水体比混浊水体比清沏水体反射率清沏水体反射率整体要高整体要高，在近红外波段有低的反射。水中的悬浮泥沙悬浮泥沙对透射到水中的光有

26、散射作用散射作用，使水体在可见光、近红外部分反射率整作偏高，随着泥沙含量的增加这种趋势更加明显 。每一反射波谱曲线都有一反射率最大峰值，随着水中泥沙含量增加，峰值波长向长波方向移动，称为红移。当反射峰值达08m附近终止移动，然后反射率急剧下降。 （ 五）、雪的反射五）、雪的反射波谱曲线波谱曲线 如图221，雪的反射率在0409m反射率总体比较高，在09m反射率明显下降。陈雪与新雪在可见光波段反射率相近，在近红外反射率差异较大，可区分陈雪与新雪。雪与云在可见光反射率相近难以区分，在近红外雪的反射率明显低于云，因此，在近红外图像上可以区分雪与云 思考题： 1、在真空中，电磁波速为3108米秒。（1

27、）可见光谱的波长范围从约3.8107米的紫色到约7.6107米的红色，其对应的频率范围为多少？（2）X射线的波长范围约从5109米到1.01011米，其对应的频率范围又是多少？（3）短波无线电的频率范围约为1.5兆赫到300兆赫，其对应的波长范围是多大？ 2、阐述辐照度I，辐射出射度M与辐射亮度L的物理意义，它们的共同点和区别是什么？ 3、在地球上测得太阳的平均辐照度 I1.4103瓦米3，设太阳到地球的平均距离约1.51011米。试，试求太阳的总辐射能量。4、假定恒星表面的辐射与太阳表面辐射一样都遵循黑体辐射规律。如果测量得到太阳辐射波谱的太max5100A0.51m，北极星的北max0.3

28、5m，试计算太阳和北极星的表面温度及每单位表面积上所发射出的功率是多少？5、已知日地平均距离为天文单位，1天文单位约1.496103米，太阳的线半径约为6.96105km：（1）通过太阳常数I，计算太阳的总辐射通量E；（2）由太阳的总辐射通量E，计算太阳的辐射出射度M。 6、大气的散射现象有几种类型？根据不同散射类型的特点分析可见光遥感与微波遥感的区别，说明为什么微波具有穿云透雾能力而可见光不能。7、对照书内卫星传感器表中所列波段区间和大气窗口的波段区间，理解大气窗口对于遥感探测的重要意义。8、综合论述太阳辐射传播到地球表面又返回直到被卫星或飞机中的传感器接收，在这一整个过程中所发生的物理现象

29、。（结合图236）9、从地球辐射的分段特性说明为什么对于常用的Landsat，SPOT等卫星影像解译必须了解地物反射波谱特性。10、列举几种可见光与近红外区间植被、土壤、水体、岩石地物反射波谱曲线实例，记住它们的基本规律。第三章第三章 遥感光学基础遥感光学基础 本章从光学的角度介绍了本章从光学的角度介绍了遥感黑白相片遥感黑白相片和和彩色相片彩色相片的生成原理，包括自然界颜色的的生成原理，包括自然界颜色的性质，描述颜色的三个主要物理量：性质，描述颜色的三个主要物理量：明度明度、色度和饱和度色度和饱和度，以及三个物理量之间的关系。，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介

30、绍了色光的加色法原理和颜料的减色法原理，由此引入了理，由此引入了黑白相片、真彩色相片、假黑白相片、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彩色相片和彩红外相片的不同定义和它们的生成过程生成过程。最后，简单介绍了一些光学处理。最后，简单介绍了一些光学处理方法。通过本章帮助学生方法。通过本章帮助学生理解遥感影像的生理解遥感影像的生成以及遥感影像的解译原理成以及遥感影像的解译原理。 31 颜色性质和颜色立体颜色性质和颜色立体 一、光和颜色一、光和颜色 电磁波谱中电磁波谱中0.38m至至0.76m的波段称作可见光的波段称作可见光谱谱。这是因为这一区间的电磁辐射能够引起人的视觉。如。这是因为

31、这一区间的电磁辐射能够引起人的视觉。如0.7m为红色为红色，0.58m为黄色为黄色，0.51m为绿色为绿色，0.47m为蓝色为蓝色等，这一部分加上紫外和红外部分来自等，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，于原子与分子的发光辐射，称为光学辐射，但一般情况下，紫外线产生疼痛感紫外线产生疼痛感，红外线产生灼热感红外线产生灼热感，都不会使人的视，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辐射或

32、可见光，简称光可见光，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人对光的反应是靠眼睛进行的，当眼睛注视外界物体时，时，视网膜的感光细胞在光亮条件下分辨颜色和细节视网膜的感光细胞在光亮条件下分辨颜色和细节，所，所以在光亮条件下，以在光亮条件下，人眼能分辨各种颜色人眼能分辨各种颜色，当，当光谱亮度降低光谱亮度降低到一定程度，人眼的感觉便是无彩色的到一定程度，人眼的感觉便是无彩色的，光谱变成不同明光谱变成不同明暗的灰带。暗的灰带。人眼对不同波长的光感觉不相同。在光亮条件人眼对不同波长的光感觉不相同。在光亮条件下，人眼对下，人眼对0.555m波长的光感觉最灵敏波长的光感觉最灵敏， 波长变

33、大波长变大或变小，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。会有差异。观察图片或屏幕时，常对观察对像的观察图片或屏幕时，常对观察对像的亮暗程度有一评价亮暗程度有一评价。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。 亮度对比亮度对比是视场中是视场中对像与背景的亮度差和背景亮度之对像与背景的亮度差和背景亮度之比比，选择适宜的对像和背景亮度，可以提高对比，从而提，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，当高视觉效果。同样的观察图像，当背景较亮时，感觉不太背景较亮

34、时，感觉不太亮。亮。当当背景很暗时，会感觉亮度提高背景很暗时，会感觉亮度提高了，就是亮度对比的了，就是亮度对比的效果。在遥感图像中，亮度对比主要用于效果。在遥感图像中，亮度对比主要用于单色黑白影像，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，即亮度对比变成两个或多个对像之间的对比，即亮度对比 CL对像对像/ L对像对像。 这种现象的例子，如一张灰色纸片，在白色背景上看这种现象的例子，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）。起来发暗（对比小）在黑色背景上看

35、起来发亮（对比大）。 颜色对比颜色对比不像亮度对比那么简单。首先，观察颜色要利用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眼球视网膜的中央区。也就是视场要小一些。因为当。也就是视场要小一些。因为当视场视场过大眼球侧视时过大眼球侧视时，先是，先是红、绿感觉消失红、绿感觉消失，只能看到，只能看到黄蓝色黄蓝色，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，色的判断会发生错误。再者，人眼对颜色的判断与波长的人眼对颜色的判断与波长的关系不完全固定关系不完全固定，要受光强度的影响。当光强度增加时，要受光强度的

36、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。周围光强度基本不变的环境。 在视场中，在视场中，相邻区域的不同颜色的相互影响叫做颜色相邻区域的不同颜色的相互影响叫做颜色对比对比。颜色的对比受视觉影响很大，例如：在。颜色的对比受视觉影响很大，例如：在一块品红的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，背景上放一小块白纸或灰纸，用眼睛注视白纸中心几分钟，白纸会表现出绿色白纸会表现出绿色。如果背景是黄色，白纸会出现蓝色。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

37、互相影响的结果，使每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，兰是黄的补色的补色, 见见32）。在两种颜色的边界，对比现象更为）。在两种颜色的边界，对比现象更为明显。明显。在可见光谱段中颜色从紫端往红端过渡变化。在可见光谱段中颜色从紫端往红端过渡变化。一般来说，一般来说，只要波长改变了只要波长改变了0.0010.002m人眼就能观察出差别人眼就能观察出差别，不同波长人，不同波长人眼的区别能力也不同。就整个光谱而言，眼的区别能力也不同。就整个光谱而言，正正常人眼应分辨出一百多种不同颜色。常人眼应

38、分辨出一百多种不同颜色。可见，可见，人对颜色的分辨力比黑白灰度的分辨力强很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多，正因为如此，彩色图像能表现出更为丰富的信息量富的信息量 二、颜色的性质二、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：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，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，人眼所看到的不发光的物体而言，

39、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有波长无选择地反射, 反射率都在反射率都在8090以上时，物以上时，物体为白色体为白色且显得明亮，且显得明亮，当反射率对所有波长均在当反射率对所有波长均在4以下以下时，物体为黑色时，物体为黑色，很暗，很暗，反射率居中则表现为灰色反射率居中则表现为灰色， 介介于白和黑之间。如果于白和黑之间。如果物体对可见光有选择地反射物体对可见光有选择地反射，如对，如对0.6m以上的波长反射率很高，则物体看起来以上的波长反射率很高，则物体看起来是红色是红色，如果物

40、体反射如果物体反射0.48-0.56m波段波段的辐射，而吸收其他波的辐射，而吸收其他波长的辐射，这一物体看起来是长的辐射，这一物体看起来是绿色绿色。所有颜色都是对某段。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。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、饱和度来描述颜色的性质由明度、色调、饱和度来描述。明度明度：是人眼对光源或物体明亮程度的感觉是人眼对光源或物体明亮程度的感觉。与电磁波。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。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，明度就越高一般来说，物体反射率越高

41、，明度就越高。所以白色一定。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。（图光源而言，亮度越大，明度越高。（图3.1a）色调色调：是色彩彼此相互区分的特性。：是色彩彼此相互区分的特性。可见光谱段的不同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波长刺激人眼产生了红橙黄绿青兰紫等彩色的感觉。多数。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，对于的组合，对于光源，则是不同波长的亮度组合

42、，对于反射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。后的颜色感觉。(图图3.1b)是一个颜色环，是表示颜色的是一个颜色环，是表示颜色的理想示意图。理想示意图。 园环上把光谱色按顺序标出，从红到紫是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，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。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。饱和度饱和度，是彩色纯洁的程度是彩色纯洁的程度，也就是，也就是光

43、谱中波长段是否窄，频率光谱中波长段是否窄，频率是否单一的表示是否单一的表示。对于光源，发出的若是。对于光源，发出的若是单色光就是最饱和的彩色单色光就是最饱和的彩色，如如激光激光，各种光谱色都是，各种光谱色都是饱和色饱和色。对于物体颜色，如果物体对光谱。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。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。的光或混有白光则饱和度变低。白光成分过大时，彩色白光成分过大时，彩色消失成为白光。消失成为白光。在

44、在(图图3.1b)的颜色环中，环上最外围的的颜色环中，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。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为了形像地描述颜色特性之间系 ，通常颜色立体来表现，通常颜色立体来表现一种示意关系，见图一种示意关系，见图(3.2) 中间垂直轴代表明度中间垂直轴代表明度，从底端到顶端，由黑到灰从底端到顶端，由黑到灰再到白明度逐渐递增。再到白明度逐渐递增。中中间水平面间水平面的圆周代表色调，的圆周代表色调，相当于相当于颜色环颜

45、色环，顺时针方顺时针方向由红、黄、绿、兰到紫向由红、黄、绿、兰到紫逐步过渡逐步过渡。圆周上的。圆周上的半径半径大小代表饱和度大小代表饱和度，半径最，半径最大时饱和度最大，沿半径大时饱和度最大，沿半径向圆心移动时饱和度逐渐向圆心移动时饱和度逐渐降低，降低，到了中心便成了中到了中心便成了中灰色灰色。如果离开水平圆周。如果离开水平圆周向上下白或黑的方向移动向上下白或黑的方向移动也也说明饱和度降低说明饱和度降低。颜色。颜色立体是颜色环和明度轴的立体是颜色环和明度轴的结合。结合。 3.2 加色法与减色法加色法与减色法 一、颜色相加原理一、颜色相加原理 1、 互补色：两种颜色混合产生白色或灰色，这两互补色

46、：两种颜色混合产生白色或灰色，这两种颜色称为互补色。如种颜色称为互补色。如黄和蓝黄和蓝，红和青红和青，绿和品红绿和品红均为互均为互补色。补色。 如果两种非互补色混合，如果两种非互补色混合， 所得颜色混合色。可所得颜色混合色。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，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。如果品红占向那种颜色。可以按杠杆定律计

47、算。如果品红占80，而黄占而黄占20，那么混合色在联线上按，那么混合色在联线上按2：8的比例，更接的比例，更接近品红处。从中心过这一混合色点作一半径，近品红处。从中心过这一混合色点作一半径， 与园环的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。图中这一点约是中这一点约是0.7m（700nm）,接近红色。这种颜色接近红色。这种颜色还可以再和第三种颜色混合，得到另一种混合色。依此类还可以再和第三种颜色混合，得到另一种混合色。依此类推。推。2、三原色三原色；三种颜色按一定比例混合，可以形成各种三种颜色按一定比例混合，可以形成各种色调的颜色

48、，称为三原色色调的颜色，称为三原色。实验证明，。实验证明，红、绿、蓝三种红、绿、蓝三种颜色是最优的三原色颜色是最优的三原色，可以最方便地产生其它颜色。，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。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。可以做一个为了加深对互补色和三原色的理解。可以做一个实验。如图实验。如图3.3。用三个可调亮度的光源，分别经过红。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。在暗室中绿蓝三个滤光片，再经

49、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。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，会发现自然界幕上还会出现各种中间颜色。仔细观察，会发现自

50、然界各种颜色都可以由红绿蓝这三原色产生。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这个实验可以简单地画成加色法示意图如图34。大园的颜色代。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，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。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