地球“素顏照”更真實(shí)嗎？

□ 趙斌

兩年前，網(wǎng)上流傳一個(gè)據(jù)說(shuō)是@NASA中文微博的貼子，說(shuō)地球的素顏其實(shí)并非我們所見(jiàn)的地球儀那個(gè)樣子，而是一個(gè)形狀極其怪異的東西，長(zhǎng)滿了青春痘，丑陋無(wú)比。許多網(wǎng)友看后，驚呼“毀三觀”。不過(guò)這個(gè)說(shuō)法很快就被辟謠了，因?yàn)槟欠鶊D顯示的是地球重力分布，來(lái)源于歐空局地球觀測(cè)項(xiàng)目的一個(gè)子項(xiàng)目：稱為“測(cè)量地球重力場(chǎng)變化”（GOCE），即要利用衛(wèi)星測(cè)量地球表面不同地區(qū)重力的細(xì)微變化。記得我們?cè)谥袑W(xué)做物理題目的時(shí)候，總是會(huì)“假設(shè)地球可視為質(zhì)量均勻分布的球體”，現(xiàn)在看來(lái)并不科學(xué)。

地球的素顏照

無(wú)獨(dú)有偶，去年年底，類似的烏龍?jiān)俅伟l(fā)生，也是談?wù)摰厍蛩仡佌眨@次的說(shuō)法不同。新聞是這樣說(shuō)的：

據(jù)參考消息網(wǎng)2014年12月24日?qǐng)?bào)道，境外媒體稱許多人對(duì)地球的印象大概是美麗的水藍(lán)色，不過(guò)其實(shí)那張照片是被“PS”過(guò)的。最近，日本氣象衛(wèi)星“向日葵”8號(hào)拍下地球細(xì)部影像，是第一張呈現(xiàn)“素”地球最真實(shí)顏色的照片。

同樣，臺(tái)灣東森新聞網(wǎng)12月24日也援引英國(guó)《每日郵報(bào)》報(bào)道稱，氣象衛(wèi)星“向日葵”8號(hào)在2014年10月7日升空，近日在距離地球35790千米處拍下影像，超高解析度細(xì)膩呈現(xiàn)了云朵、海洋、沙漠等細(xì)節(jié)，更是第一張未經(jīng)任何顏色修飾前，地球最原始樣貌的照片。過(guò)去在大眾印象中，水藍(lán)色的地球其實(shí)是美國(guó)航宇局利用色彩校正處理過(guò)的照片，和“向日葵”8號(hào)拍下的灰色地球有很大的不同。不過(guò)，這張所謂“真實(shí)色彩”照片，指的并不是人類肉眼觀看的影像，而是呈現(xiàn)地球在太空中的真實(shí)樣貌。對(duì)地球“外貌”有興趣的民眾，都能到日本氣象廳官網(wǎng)，免費(fèi)下載最大尺寸11000 × 11000分辨率的照片珍藏。

網(wǎng)友受到類似新聞的影響，開(kāi)始上綱上線，說(shuō)什么“日本人給我們上了一課”、“我們被騙了很久”、“霧霾”、“皇帝的新衣”、“暗黑星球”、“地球需要買(mǎi)一臺(tái)美顏相機(jī)”之類的。

日本“向日葵”8號(hào)的在軌高度為35790千米，是一顆同步氣象衛(wèi)星，也就是說(shuō)它環(huán)繞地球的公轉(zhuǎn)周期與地球的自轉(zhuǎn)周期相等，因此可以不間斷監(jiān)測(cè)地球表面某個(gè)地區(qū)的大氣變化情況。中國(guó)風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星也處于這樣的軌道。站得高，看得遠(yuǎn)，在同步衛(wèi)星軌道拍攝一張地球照片，理論上應(yīng)該是沒(méi)有問(wèn)題的。但問(wèn)題是“未經(jīng)任何顏色修飾的地球照片”，是否代表了“地球最原始樣貌的照片”？答案是否定的。

解釋這個(gè)問(wèn)題之前，讓我們先來(lái)學(xué)習(xí)一個(gè)知識(shí)。瑞利散射，由英國(guó)物理學(xué)家瑞利的名字命名，指半徑比光或其他電磁輻射的波長(zhǎng)小很多的微小顆粒對(duì)入射光束的散射，散射系數(shù)與波長(zhǎng)的4次方成反比。空氣分子的半徑遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)，因此在白天，當(dāng)陽(yáng)光經(jīng)過(guò)大氣層時(shí)，會(huì)與空氣分子發(fā)生瑞利散射。藍(lán)光的波長(zhǎng)較短，瑞利散射更激烈，被散射的藍(lán)光布滿了整個(gè)天空，從而使天空呈現(xiàn)迷人的藍(lán)色。瑞利散射對(duì)大氣中可見(jiàn)光的影響是較大的，而對(duì)紅外波段光的影響卻很小，對(duì)微波基本沒(méi)有什么影響。

遙感衛(wèi)星大多處于地球大氣層之外，大氣對(duì)光線的散射必然會(huì)使得進(jìn)入遙感器的光線發(fā)生損失，其結(jié)果是：暗色物體表現(xiàn)得比它自身要亮，而亮色物體則表現(xiàn)得比它自身要暗，總體效果是降低了遙感影像的對(duì)比度和清晰度。現(xiàn)在我們?nèi)菀桌斫饬耍梢?jiàn)光中波長(zhǎng)較短的藍(lán)光和紫光表現(xiàn)會(huì)更明顯一些，一方面被大氣散射太多，進(jìn)入遙感器的能量不足，另一方面大氣散射的顏色又降低了目標(biāo)地物的反差。即使配有專門(mén)藍(lán)色波段的遙感器，其藍(lán)色光的能量獲取也是非常不足的，因此在遙感照片中常用紅外波段來(lái)取代藍(lán)色波段，構(gòu)成三色圖像，就是我們常見(jiàn)的那種顯示森林為紅色的遙感圖片。

如果要還原地球的本色，那就必須用可見(jiàn)光波段合成了。但是，藍(lán)色光不足的照片，看起來(lái)就像電腦用的RGB投影儀中B針腳接觸不良的投影效果，整體上表現(xiàn)出灰暗的色彩。但是，這根本就不是地球最原始樣貌的照片，而是遮擋了部分顏色光線的照片。因此，為了還原其本來(lái)的面貌，就必須對(duì)某些顏色進(jìn)行增強(qiáng)處理，這才是“還原”，可得到我們平時(shí)看到的地球照片，仍然是美麗的藍(lán)色星球，不用懷疑。也就是說(shuō)，要獲得地球素顏照，圖像處理過(guò)程是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。

遙感圖像的合成

為了讓大家更能理解上述的說(shuō)法，再給大家簡(jiǎn)單介紹一下遙感影像處理的過(guò)程。

地球遙感衛(wèi)星拍攝影像，有時(shí)候會(huì)用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行類比，但其實(shí)二者還是有很大差別的。數(shù)碼相機(jī)，一般是拍攝連續(xù)的可見(jiàn)光波段，然后按照紅、綠、藍(lán)分配給三個(gè)獨(dú)立的圖像傳感器進(jìn)行處理，每一個(gè)傳感器承擔(dān)像素1/3的信息量。多光譜遙感衛(wèi)星采用的是“分色攝影”，利用多波段掃描儀來(lái)實(shí)現(xiàn)，獲得多波段掃描影像，但這些波段并非連續(xù)的。每個(gè)影像都是灰度圖像，只代表這個(gè)波段所捕獲的能量，用不同的亮度來(lái)表示。以最具代表性的美國(guó)陸地衛(wèi)星為例，目前在軌運(yùn)行的“陸地衛(wèi)星”-8有11個(gè)波段，包括從藍(lán)色到短波紅外的陸地成像儀（OLI，9個(gè)波段）和2個(gè)熱紅外傳感器（TIRS）。由于藍(lán)色波段光線的吸收，早期的傳感器MSS是忽略掉這個(gè)波段的，主要從藍(lán)綠波段開(kāi)始采樣，但會(huì)采集近紅外波段，總共4個(gè)波段，因此，那個(gè)時(shí)候的遙感圖像合成被稱為“偽彩合成”。后來(lái)TM傳感器出現(xiàn)了，增加了藍(lán)色波段和熱紅外波段，波段數(shù)也增加到7個(gè)。那么，在圖像合成中，如果用RGB通道分別對(duì)應(yīng)的TM傳感器的3（紅）、2（綠）、1（藍(lán)）三個(gè)波段，就稱為“真彩”合成，這樣的稱呼是為了同其他波段合成的“偽彩”圖像進(jìn)行區(qū)別。“真彩”是一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)，并非“真實(shí)色彩”的意思。上面由此引申出素顏照的誤解也可能來(lái)源于此。打個(gè)不恰當(dāng)?shù)睦樱じ镄袠I(yè)中的“真皮”也不是指“真正動(dòng)物皮”的意思。但是，人眼所見(jiàn)的顏色是連續(xù)光譜，與遙感的真彩圖像并不相同，也就出現(xiàn)了上述新聞作者對(duì)“真彩”的解釋。

“向日葵”-8號(hào)是氣象衛(wèi)星，顧名思義，氣象衛(wèi)星就是為氣象業(yè)務(wù)服務(wù)的，與資源衛(wèi)星不同，它不用關(guān)注地表的狀況，而是關(guān)注云圖的變化，那么要達(dá)到這個(gè)目的，在可見(jiàn)光波段，有一個(gè)灰度圖像(或稱黑白圖像)就足夠了。因此，在日本的這顆衛(wèi)星發(fā)射升空之前，氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)可見(jiàn)光部分都無(wú)法實(shí)現(xiàn)彩色合成，因此新聞中稱“由氣象衛(wèi)星拍攝的地球彩色圖像尚為世界首舉”是完全正確的。令人驚訝的是，“向日葵”-8的觀測(cè)通道達(dá)16個(gè)（如此之高的通道數(shù)目，直逼地球資源衛(wèi)星了，而且其波段分配與大多資源衛(wèi)星類似），可見(jiàn)光和近紅外通道的星下點(diǎn)分辨率為0.5千米～1千米，也是目前地球靜止軌道氣象衛(wèi)星中波段最多，成像最清晰的。時(shí)間分辨率也有了很大提高，全圓盤(pán)觀測(cè)僅為10分鐘，區(qū)域觀測(cè)頻率達(dá)1～2分鐘/次。這里我們可以注意到，與“向日葵”-8號(hào)相關(guān)的“第一”還是挺多的，但這些“第一”都必須帶有一些限制條件。我們可以說(shuō)“向日葵”-8號(hào)是世界上第一個(gè)時(shí)間分辨率和空間分辨率最大，波段數(shù)最多，且能拍攝彩色云圖的地球靜止軌道氣象衛(wèi)星，但不能說(shuō)日本的衛(wèi)星拍攝了地球的第一個(gè)“素顏照”，更不能說(shuō)美國(guó)航宇局的藍(lán)色彈珠是騙人的。順便說(shuō)一下，由于氣象業(yè)務(wù)不能隨便中斷，因此氣象衛(wèi)星一般采用雙星布局，這樣當(dāng)發(fā)現(xiàn)某顆衛(wèi)星運(yùn)行質(zhì)量下降或者超過(guò)使用壽命時(shí)，就可以用備份星迅速替換下來(lái)，保證業(yè)務(wù)運(yùn)行的連續(xù)性。因此，日本會(huì)同樣發(fā)射一顆“向日葵”-9作為備星使用。

最后一個(gè)問(wèn)題，日本氣象廳公布的這個(gè)“素顏照”究竟有沒(méi)有進(jìn)行過(guò)遙感技術(shù)上的處理呢？當(dāng)然啦，這是必須的，比如幾何校正和灰度圖像拉伸處理。為什么要進(jìn)行這些處理呢？前一個(gè)容易理解，因?yàn)椴⒉荒鼙ＷC衛(wèi)星與地球的完全靜止，總是會(huì)發(fā)生一些微小的偏移，那么在圖像掃描過(guò)程中就可能產(chǎn)生一些錯(cuò)位，因此必須糾正。拉伸是最基本的圖像處理方法，可改善圖像對(duì)比度，更清楚地表現(xiàn)圖像中地物間的差異。為了理解這個(gè)處理，大家可比較經(jīng)過(guò)拉伸處理前后的效果圖。認(rèn)為大氣吸收和散射是地球“素顏照”一部分的朋友，你真的認(rèn)為日本衛(wèi)星拍攝的地球照片更反映地球的實(shí)際情況嗎？遙感圖像還有許多處理方法和過(guò)程，你真的認(rèn)為這是一種欺騙嗎？

PS本來(lái)是圖像處理軟件photoshop的簡(jiǎn)稱，慢慢演變成對(duì)所有圖像編輯處理的代名詞。其實(shí)，現(xiàn)在要修飾一張照片，非專業(yè)人士已經(jīng)很少用photoshop了，因?yàn)椴僮魈珡?fù)雜。遙感圖像處理中，如果用photoshop來(lái)處理，那也是非常不專業(yè)的，常用的軟件是ENVI和Erdas，還有Idrisi。

什么是遙感影像的美化呢？

左邊是上海崇明島東灘的遙感圖像。其中最左邊是RGB波段合成并進(jìn)行拉伸處理的效果（真彩），中間是紅外、紅、綠波段合成并進(jìn)行拉伸處理的效果（偽彩），右邊也是紅外、紅、綠波段合成圖像，但色彩進(jìn)行了變換處理，主要是為了突出植被的分布（美化）。顯然，右邊要美觀得多，不過(guò)，其藍(lán)色的海顯示出色彩的失真，因?yàn)槌缑鲘u周邊的海水其實(shí)是黃色的。