多波段遥感图像彩色合成处理解析【摘要】多波段遥感图像彩色合成是一种应用广泛的遥感图像应用处理，本文对其授课目标、授课方式、授课内容、授课顺序、授课重点等进行了设计，并将彩色合成原理从色度学、地物波谱特性、图像灰度值（图像密度、透光性）等几个方面进行关联，使学生真正学懂彩色合成的基本原理，并能灵活地应用到遥感图像专题信息提取的实践之中。
【关键词】标准假彩色合成；真彩色合成；加色法0 引言彩色合成是遥感数字图像处理方法中，最常用、最基本、也是最便捷有效的彩色增强处理方法，是关于遥感图像处理研究最早的内容之一，到目前为止一直在延续使用，而且必不可少，然而在教学中本人发现，学生对于光学原理完成的彩色合成从理论上并不能很好的理解，学生可以看到彩色图像，可以按照排列组合的方式，把所有能做的彩色合成全部完成，观察到色彩的变化，但是很难将色度学、地物波谱特性、图像灰度值、图像透光性等知识融合到一起进行综合分析，从原理上明白色彩变化的原因。
本人从事遥感地质学教学工作多年，将彩色合成的教学经验进行了总结，希望对从事这方面教学工作的教师具有一定的帮助。
1 授课内容假彩色合成，从标准假彩色入手，以植被为例。
1.1 MSS数据的光学标准假彩色合成图1 标准假彩色合成（以植被为例，MSS数据）图1为从波段选择，植被反射率，图像色调、透明正片密度，滤色片颜色、色光混合，植被颜色7大方面对于标准假彩色图像上植被颜色为品红色原理的列表解释。
1.2 ETM+数据的数字标准假彩色合成、真彩色合成。
图2 标准假彩色合成（以植被为例，ETM+数据）图2和图3为以ETM+、TM数据为例，用数字图像处理的方法解释标准假彩色和真彩色合成的原理，因为该原理的实现是在计算机的遥感软件下完成，数据类型有一定的变化，所以透明正片密度用图像密度来代替，滤色片三原色，由计算机的RGB三原色代替，实现标准假彩色、真彩色合成。
工作波段、名称、植物反射率、图像色调、DN值、图像密度、三原色、色光混合原理应该在本次课之前完成，在课上介绍到哪一部分就要做相应的复习。
1.3 授课需特别讲明的问题1.3.1 光学和数字假彩色合成原理区别遥感图像彩色合成处理的对象或基础是多波段遥感图像，单波段图像是地物在此波长范围内的反射波谱特性的直观显示，关键是如何理解对模拟图像的光学图像处理时和对数字图像的计算机处理时不同显示方式的表象和实质。
光学图像处理：处理对象是模拟图像，每一单波段图像可视为一张像片或一张透明正片。
反射率高的地物在银盐感光材料的相纸上（正像）、（像片），银粒密度低，色调浅；在银盐感光材料的片基上（正像）、（透明正片），银粒密度低，透光率高；合成时混入所配的某一原色光的量多。
反射率低的地物在银盐感光材料的相纸上（正像）、（像片），银粒密度高，色调深；在银盐感光材料的片基上（正像）、（透明正片），银粒密度高，透光率低；合成时混入所配的某一原色光的量少。
数字图像处理：处理对象是数字图像，每一单波段图像可视为一个图层，如同透明正片。
反射率高的地物DN值高（透明正片透光率高），在显示器上亮度高，混入所赋的某一原色光量多。
反射率低的地物DN值低（透明正片透光率低），在显示器上亮度低，混入所赋的某一原色光量少。
光学处理直观形象易于理解，数字处理方便易行，但容易忽视原理和为什么，造成图像处理的盲目性、随意性，对处理结果无法做出科学解释。
授课过程中要注意讲明影像色调深浅与透明正片密度大小与透光率大小与单波段影像的DN 值高低的相关性。
1.3.2 标准假彩色合成波段选择原理。
标准假彩色合成选择的波段为近红外、红光、绿光，如本文中的MSS数据和TM数据，选择的波段为MSS 7（R）、MSS5（G）、MSS4（B）和TM4（R）、TM3（G）、TM2（B），都是由植被的波谱特征来决定的。
植被在摄影红外波段如MSS7、TM4反射率奇高，DN值高，在相应波段的图像上色调浅，混入所赋的某一原色光多，所以，在多波段遥感图像彩色合成时，为此波段图像所赋的原色光的颜色将成为合成图像的主导色。
MSS5和TM3都是红光波段植被的反射率低，处在红谷的位置，透光性不好。
MSS4和TM2都是绿光波段植被具有绿峰，反射率较高，图像密度较小，透光性较好。
大量的红光和少量的蓝光合成为非常偏红的品红色。
1.3.3 真彩色的原理TM3、TM2、TM1分别为红光、绿光、蓝光波段（图3），在彩色合成过程中恰好给予红、绿、蓝三原色，则原来是红色的地物还是红色，原来是绿色的地物还是绿色，原来是蓝色的地物还是蓝色，其合成色与地物原有颜色一致。
例如，原来是红色的物体，是因为其反射了红光看起来是红色，那么它在TM3红光波段的图像上反射率就会很高，图像色调很浅，透光性很好，给一束红光恰好能透过，地物看起来则为红色，恢复了地物原有的颜色，因此称TM3（R）、TM2（G）、TM1（B）为真彩色，就是进行了色彩还原的真彩色图像，这也是数字彩色摄影的基本原理。
1.3.4 模拟真彩色和真彩色之间的区别如：MSS5（R）、7（G）、4（B）彩色合成的植被绿色为模拟真彩色，而非真彩色，TM3（R）、TM2（G）、TM1（B）则为真彩色。
原因在于，MSS没有蓝光波段的像，缺少地物三原色的蓝光信息，因此无论怎样彩色合成都不会与地物真实颜色相一致。
图3 真彩色彩色合成（以植被为例，TM数据）1.4 举一反三讲解的内容前边已经把彩色合成的基本原理解释清楚，可以用提问的方式，由学生先观察、思考，然后再讲解，讨论完成本部分的几个问题。
1.4.1 植被的颜色为什么会不同实际生长的植被，由于一种植被处在不同的生长期，遭受的病虫害不同，其反射率也不同，所以图像的密度，透光性也不同，所以植被在标准假彩色合成图像上虽然都是非常偏红的品红色，但深浅也会相差很大，如健康茂盛——亮红，幼年——粉红，病害——暗红，成熟农作物—鲜红等。
基本的规律是植被生长的越好，反射率越高，就会越偏红。
不同的植被，如小麦、树木、灌木丛颜色会不同在讲解的遥感图像数据上找到相应的地物进行观察。
1.4.2 标准假彩色合成不同水质水体颜色变化特点彩色合成中，水体颜色的变化主要由水中所含物质来决定，课上以TM432洞庭湖为例讲解，水体当清而深时是黑色，因为水体在三个波段上的反射率都较低，红、绿、蓝三原色都不容易透出故为黑色；当水体中含泥沙时在TM3橙红光波段，TM2绿黄光波段，泥沙具有一定的反射率，增加绿、蓝光的透光率，合成为淡青色；有水藻时TM4摄影红外波段反射率大大增强，具有了植被的光谱特征，呈现出带红点、红晕的图像特征。
并可进一步为同学讲解水体污染监测，如赤潮。
1.4.3 云、雪、冰在TM432标准假彩色合成时是什么颜色云、雪、冰，因其在TM432三个波段反射率均较高，红、绿、蓝三原色光均能很好的透过来，加色法合成为白色。
1.4.4 当遇到我们没有讲过的地物时，如何分析其颜色注意为学生梳理思路，从地物的波谱曲线入手，结合遥感图像波段特征，按照图1、图2、图3的思路方法进行分析，即可得到答案。
1.5 相关作业草绘植被的反射波谱曲线。
结合多波段假彩色合成实验，综合分析植被在TM标准假彩色（模拟真彩色）图像上的色彩特征，并说明为什么？（提示：植被的反射波谱特性、ETM+各波段的工作波长、植被在不同波段图像上的色调、透明正片的影像密度或DN值、波段与三原色光组合、色光加法混合原理）2 授课方式在课上首先把一幅图像由灰度变为彩色的，勾起学生的好奇心，然后按照“理论+实验”、“提问+讨论”方式完成教学。
分别用光学图像处理方法和数字图像处理方法来实现。
光学图像处理方法，采用多光谱彩色合成仪（图4），在当今的数字化时代，各种传统的光学图像处理方法几乎都得以在计算机上实现，该仪器已少人问津，但对直观地理解彩色合成图像处理的原理还起着难以取代的作用，在这里仅作简要介绍，该实验选用的是MSS数据。
实验选择MSS7，MSS5，MSS4三个透明正片，图5（左）单波段图像，对应多光谱彩色合成仪的三个通道，以MSS7（R），MSS5（G），MSS4（B）的方式给三个透明正片配以红、绿、蓝三原色光，即出现图5（右）的彩色合成以后的图像。
当图像彩色合成实现后，以洞庭湖下方代表芦苇分布的品红色区域为例，按照图1的原理再强调一次原理，学生才会有眼见为实的感触。
多光谱彩色合成仪可以将三原色顺序以C32种组合调整顺序，除MSS7、5、4对应R、G、B为标准假彩色之外，其它组合——统称非标准假彩色合成，或直接称为彩色合成。
其中MSS5（R）、7（G）、4（B）被称为模拟真彩色。
数字图像处理，在计算机上，用ERDAS等遥感图像处理软件完成，选用TM、ETM+等数据均可。
彩色合成处理过程较简单，出现的效果需要依照图2和图3以及授课内容作出详细认真的讲解，并注意单独观察TM4（R），TM3（G），TM2（B）具有植被部位的透光性，分析透光性是否由其反射率来决定，透过的光根据加色法彩色合成原理，即得植被的颜色——品红色（图5）。
TM有7个波段，6波段为热红外图像不参与反射波谱特性图像的彩色合成，所以彩色合成选择TM1、TM2、TM3、TM4、TM5、TM7，6个波段完成，共有C种合成方案，老师再为学生演示TM3（R）、TM2（G）、TM1（B）彩色合成方案，并按照授课内容讲解，其余方案由学生自己操作，体会其中的原理，并总结颜色变化的原因，完成1.3的作业。
图5 洞庭湖TM432标准假彩色合成3 课程内容重难点分析本课程设计100分钟，70分钟讲解加演示，30分钟学生用ERDAS软件自己操作完成。
学生在操作的过程中需观察不同的彩色合成下地物颜色的变化，考虑为什么，并完成作业。
4 结论本设计将地物的波谱特性，图像的灰度，透明正片的透光率，多波段图像波段效应、三原色光原理，加色法色光混合原理全部融会贯通起来，使学生真正理解彩色合成的原理，并在实际工作中能灵活运用，如比值图像、主成份分析处理后的图像，也可以用本设计彩色合成原理来理解，只是失去了地物的波谱意义，体现的是其数学特征，由DN值来决定。
在实际教学中本设计教学效果非常好，所以将其总结成文。
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