地球“素顏照”更真實嗎？

□ 趙斌

兩年前，網(wǎng)上流傳一個據(jù)說是@NASA中文微博的貼子，說地球的素顏其實并非我們所見的地球儀那個樣子，而是一個形狀極其怪異的東西，長滿了青春痘，丑陋無比。許多網(wǎng)友看后，驚呼“毀三觀”。不過這個說法很快就被辟謠了，因為那幅圖顯示的是地球重力分布，來源于歐空局地球觀測項目的一個子項目：稱為“測量地球重力場變化”（GOCE），即要利用衛(wèi)星測量地球表面不同地區(qū)重力的細微變化。記得我們在中學(xué)做物理題目的時候，總是會“假設(shè)地球可視為質(zhì)量均勻分布的球體”，現(xiàn)在看來并不科學(xué)。

地球的素顏照

無獨有偶，去年年底，類似的烏龍再次發(fā)生，也是談?wù)摰厍蛩仡佌眨@次的說法不同。新聞是這樣說的：

據(jù)參考消息網(wǎng)2014年12月24日報道，境外媒體稱許多人對地球的印象大概是美麗的水藍色，不過其實那張照片是被“PS”過的。最近，日本氣象衛(wèi)星“向日葵”8號拍下地球細部影像，是第一張呈現(xiàn)“素”地球最真實顏色的照片。

同樣，臺灣東森新聞網(wǎng)12月24日也援引英國《每日郵報》報道稱，氣象衛(wèi)星“向日葵”8號在2014年10月7日升空，近日在距離地球35790千米處拍下影像，超高解析度細膩呈現(xiàn)了云朵、海洋、沙漠等細節(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。過去在大眾印象中，水藍色的地球其實是美國航宇局利用色彩校正處理過的照片，和“向日葵”8號拍下的灰色地球有很大的不同。不過，這張所謂“真實色彩”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樣貌。對地球“外貌”有興趣的民眾，都能到日本氣象廳官網(wǎng)，免費下載最大尺寸11000 × 11000分辨率的照片珍藏。

網(wǎng)友受到類似新聞的影響，開始上綱上線，說什么“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”、“地球需要買一臺美顏相機”之類的。

日本“向日葵”8號的在軌高度為35790千米，是一顆同步氣象衛(wèi)星，也就是說它環(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)測地球表面某個地區(qū)的大氣變化情況。中國風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星也處于這樣的軌道。站得高，看得遠，在同步衛(wèi)星軌道拍攝一張地球照片，理論上應(yīng)該是沒有問題的。但問題是“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。

解釋這個問題之前，讓我們先來學(xué)習(xí)一個知識。瑞利散射，由英國物理學(xué)家瑞利的名字命名，指半徑比光或其他電磁輻射的波長小很多的微小顆粒對入射光束的散射，散射系數(shù)與波長的4次方成反比。空氣分子的半徑遠小于可見光的波長，因此在白天，當(dāng)陽光經(jīng)過大氣層時，會與空氣分子發(fā)生瑞利散射。藍光的波長較短，瑞利散射更激烈，被散射的藍光布滿了整個天空，從而使天空呈現(xiàn)迷人的藍色。瑞利散射對大氣中可見光的影響是較大的，而對紅外波段光的影響卻很小，對微波基本沒有什么影響。

遙感衛(wèi)星大多處于地球大氣層之外，大氣對光線的散射必然會使得進入遙感器的光線發(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比度和清晰度。現(xiàn)在我們?nèi)菀桌斫饬耍梢姽庵胁ㄩL較短的藍光和紫光表現(xiàn)會更明顯一些，一方面被大氣散射太多，進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地物的反差。即使配有專門藍色波段的遙感器，其藍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取代藍色波段，構(gòu)成三色圖像，就是我們常見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，那就必須用可見光波段合成了。但是，藍色光不足的照片，看起來就像電腦用的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，為了還原其本來的面貌，就必須對某些顏色進行增強處理，這才是“還原”，可得到我們平時看到的地球照片，仍然是美麗的藍色星球，不用懷疑。也就是說，要獲得地球素顏照，圖像處理過程是一個必不可少的環(huán)節(jié)。

遙感圖像的合成

為了讓大家更能理解上述的說法，再給大家簡單介紹一下遙感影像處理的過程。

地球遙感衛(wèi)星拍攝影像，有時候會用數(shù)碼相機進行類比，但其實二者還是有很大差別的。數(shù)碼相機，一般是拍攝連續(xù)的可見光波段，然后按照紅、綠、藍分配給三個獨立的圖像傳感器進行處理，每一個傳感器承擔(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實現(xiàn)，獲得多波段掃描影像，但這些波段并非連續(xù)的。每個影像都是灰度圖像，只代表這個波段所捕獲的能量，用不同的亮度來表示。以最具代表性的美國陸地衛(wèi)星為例，目前在軌運行的“陸地衛(wèi)星”-8有11個波段，包括從藍色到短波紅外的陸地成像儀（OLI，9個波段）和2個熱紅外傳感器（TIRS）。由于藍色波段光線的吸收，早期的傳感器MSS是忽略掉這個波段的，主要從藍綠波段開始采樣，但會采集近紅外波段，總共4個波段，因此，那個時候的遙感圖像合成被稱為“偽彩合成”。后來TM傳感器出現(xiàn)了，增加了藍色波段和熱紅外波段，波段數(shù)也增加到7個。那么，在圖像合成中，如果用RGB通道分別對應(yīng)的TM傳感器的3（紅）、2（綠）、1（藍）三個波段，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”圖像進行區(qū)別。“真彩”是一個專業(yè)術(shù)語，并非“真實色彩”的意思。上面由此引申出素顏照的誤解也可能來源于此。打個不恰當(dāng)?shù)睦樱じ镄袠I(yè)中的“真皮”也不是指“真正動物皮”的意思。但是，人眼所見的顏色是連續(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“真彩”的解釋。

“向日葵”-8號是氣象衛(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，那么要達到這個目的，在可見光波段，有一個灰度圖像(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)對可見光部分都無法實現(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的觀測通道達16個（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），可見光和近紅外通道的星下點分辨率為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。時間分辨率也有了很大提高，全圓盤觀測僅為10分鐘，區(qū)域觀測頻率達1～2分鐘/次。這里我們可以注意到，與“向日葵”-8號相關(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“向日葵”-8號是世界上第一個時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，但不能說日本的衛(wèi)星拍攝了地球的第一個“素顏照”，更不能說美國航宇局的藍色彈珠是騙人的。順便說一下，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)星運行質(zhì)量下降或者超過使用壽命時，就可以用備份星迅速替換下來，保證業(yè)務(wù)運行的連續(xù)性。因此，日本會同樣發(fā)射一顆“向日葵”-9作為備星使用。

最后一個問題，日本氣象廳公布的這個“素顏照”究竟有沒有進行過遙感技術(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。為什么要進行這些處理呢？前一個容易理解，因為并不能保證衛(wèi)星與地球的完全靜止，總是會發(fā)生一些微小的偏移，那么在圖像掃描過程中就可能產(chǎn)生一些錯位，因此必須糾正。拉伸是最基本的圖像處理方法，可改善圖像對比度，更清楚地表現(xiàn)圖像中地物間的差異。為了理解這個處理，大家可比較經(jīng)過拉伸處理前后的效果圖。認為大氣吸收和散射是地球“素顏照”一部分的朋友，你真的認為日本衛(wèi)星拍攝的地球照片更反映地球的實際情況嗎？遙感圖像還有許多處理方法和過程，你真的認為這是一種欺騙嗎？

PS本來是圖像處理軟件photoshop的簡稱，慢慢演變成對所有圖像編輯處理的代名詞。其實，現(xiàn)在要修飾一張照片，非專業(yè)人士已經(jīng)很少用photoshop了，因為操作太復(fù)雜。遙感圖像處理中，如果用photoshop來處理，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波段合成并進行拉伸處理的效果（真彩），中間是紅外、紅、綠波段合成并進行拉伸處理的效果（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，其藍色的海顯示出色彩的失真，因為崇明島周邊的海水其實是黃色的。