地球“素颜照”更真实吗？

□ 赵斌

两年前，网上流传一个据说是@NASA中文微博的贴子，说地球的素颜其实并非我们所见的地球仪那个样子，而是一个形状极其怪异的东西，长满了青春痘，丑陋无比。许多网友看后，惊呼“毁三观”。不过这个说法很快就被辟谣了，因为那幅图显示的是地球重力分布，来源于欧空局地球观测项目的一个子项目：称为“测量地球重力场变化”（GOCE），即要利用卫星测量地球表面不同地区重力的细微变化。记得我们在中学做物理题目的时候，总是会“假设地球可视为质量均匀分布的球体”，现在看来并不科学。

地球的素颜照

无独有偶，去年年底，类似的乌龙再次发生，也是谈论地球素颜照，但这次的说法不同。新闻是这样说的：

据参考消息网2014年12月24日报道，境外媒体称许多人对地球的印象大概是美丽的水蓝色，不过其实那张照片是被“PS”过的。最近，日本气象卫星“向日葵”8号拍下地球细部影像，是第一张呈现“素”地球最真实颜色的照片。

同样，台湾东森新闻网12月24日也援引英国《每日邮报》报道称，气象卫星“向日葵”8号在2014年10月7日升空，近日在距离地球35790千米处拍下影像，超高解析度细腻呈现了云朵、海洋、沙漠等细节，更是第一张未经任何颜色修饰前，地球最原始样貌的照片。过去在大众印象中，水蓝色的地球其实是美国航宇局利用色彩校正处理过的照片，和“向日葵”8号拍下的灰色地球有很大的不同。不过，这张所谓“真实色彩”照片，指的并不是人类肉眼观看的影像，而是呈现地球在太空中的真实样貌。对地球“外貌”有兴趣的民众，都能到日本气象厅官网，免费下载最大尺寸11000 × 11000分辨率的照片珍藏。

网友受到类似新闻的影响，开始上纲上线，说什么“日本人给我们上了一课”、“我们被骗了很久”、“雾霾”、“皇帝的新衣”、“暗黑星球”、“地球需要买一台美颜相机”之类的。

日本“向日葵”8号的在轨高度为35790千米，是一颗同步气象卫星，也就是说它环绕地球的公转周期与地球的自转周期相等，因此可以不间断监测地球表面某个地区的大气变化情况。中国风云二号气象卫星也处于这样的轨道。站得高，看得远，在同步卫星轨道拍摄一张地球照片，理论上应该是没有问题的。但问题是“未经任何颜色修饰的地球照片”，是否代表了“地球最原始样貌的照片”？答案是否定的。

解释这个问题之前，让我们先来学习一个知识。瑞利散射，由英国物理学家瑞利的名字命名，指半径比光或其他电磁辐射的波长小很多的微小颗粒对入射光束的散射，散射系数与波长的4次方成反比。空气分子的半径远小于可见光的波长，因此在白天，当阳光经过大气层时，会与空气分子发生瑞利散射。蓝光的波长较短，瑞利散射更激烈，被散射的蓝光布满了整个天空，从而使天空呈现迷人的蓝色。瑞利散射对大气中可见光的影响是较大的，而对红外波段光的影响却很小，对微波基本没有什么影响。

遥感卫星大多处于地球大气层之外，大气对光线的散射必然会使得进入遥感器的光线发生损失，其结果是：暗色物体表现得比它自身要亮，而亮色物体则表现得比它自身要暗，总体效果是降低了遥感影像的对比度和清晰度。现在我们容易理解了，可见光中波长较短的蓝光和紫光表现会更明显一些，一方面被大气散射太多，进入遥感器的能量不足，另一方面大气散射的颜色又降低了目标地物的反差。即使配有专门蓝色波段的遥感器，其蓝色光的能量获取也是非常不足的，因此在遥感照片中常用红外波段来取代蓝色波段，构成三色图像，就是我们常见的那种显示森林为红色的遥感图片。

如果要还原地球的本色，那就必须用可见光波段合成了。但是，蓝色光不足的照片，看起来就像电脑用的RGB投影仪中B针脚接触不良的投影效果，整体上表现出灰暗的色彩。但是，这根本就不是地球最原始样貌的照片，而是遮挡了部分颜色光线的照片。因此，为了还原其本来的面貌，就必须对某些颜色进行增强处理，这才是“还原”，可得到我们平时看到的地球照片，仍然是美丽的蓝色星球，不用怀疑。也就是说，要获得地球素颜照，图像处理过程是一个必不可少的环节。

遥感图像的合成

为了让大家更能理解上述的说法，再给大家简单介绍一下遥感影像处理的过程。

地球遥感卫星拍摄影像，有时候会用数码相机进行类比，但其实二者还是有很大差别的。数码相机，一般是拍摄连续的可见光波段，然后按照红、绿、蓝分配给三个独立的图像传感器进行处理，每一个传感器承担像素1/3的信息量。多光谱遥感卫星采用的是“分色摄影”，利用多波段扫描仪来实现，获得多波段扫描影像，但这些波段并非连续的。每个影像都是灰度图像，只代表这个波段所捕获的能量，用不同的亮度来表示。以最具代表性的美国陆地卫星为例，目前在轨运行的“陆地卫星”-8有11个波段，包括从蓝色到短波红外的陆地成像仪（OLI，9个波段）和2个热红外传感器（TIRS）。由于蓝色波段光线的吸收，早期的传感器MSS是忽略掉这个波段的，主要从蓝绿波段开始采样，但会采集近红外波段，总共4个波段，因此，那个时候的遥感图像合成被称为“伪彩合成”。后来TM传感器出现了，增加了蓝色波段和热红外波段，波段数也增加到7个。那么，在图像合成中，如果用RGB通道分别对应的TM传感器的3（红）、2（绿）、1（蓝）三个波段，就称为“真彩”合成，这样的称呼是为了同其他波段合成的“伪彩”图像进行区别。“真彩”是一个专业术语，并非“真实色彩”的意思。上面由此引申出素颜照的误解也可能来源于此。打个不恰当的例子，皮革行业中的“真皮”也不是指“真正动物皮”的意思。但是，人眼所见的颜色是连续光谱，与遥感的真彩图像并不相同，也就出现了上述新闻作者对“真彩”的解释。

“向日葵”-8号是气象卫星，顾名思义，气象卫星就是为气象业务服务的，与资源卫星不同，它不用关注地表的状况，而是关注云图的变化，那么要达到这个目的，在可见光波段，有一个灰度图像(或称黑白图像)就足够了。因此，在日本的这颗卫星发射升空之前，气象卫星数据对可见光部分都无法实现彩色合成，因此新闻中称“由气象卫星拍摄的地球彩色图像尚为世界首举”是完全正确的。令人惊讶的是，“向日葵”-8的观测通道达16个（如此之高的通道数目，直逼地球资源卫星了，而且其波段分配与大多资源卫星类似），可见光和近红外通道的星下点分辨率为0.5千米～1千米，也是目前地球静止轨道气象卫星中波段最多，成像最清晰的。时间分辨率也有了很大提高，全圆盘观测仅为10分钟，区域观测频率达1～2分钟/次。这里我们可以注意到，与“向日葵”-8号相关的“第一”还是挺多的，但这些“第一”都必须带有一些限制条件。我们可以说“向日葵”-8号是世界上第一个时间分辨率和空间分辨率最大，波段数最多，且能拍摄彩色云图的地球静止轨道气象卫星，但不能说日本的卫星拍摄了地球的第一个“素颜照”，更不能说美国航宇局的蓝色弹珠是骗人的。顺便说一下，由于气象业务不能随便中断，因此气象卫星一般采用双星布局，这样当发现某颗卫星运行质量下降或者超过使用寿命时，就可以用备份星迅速替换下来，保证业务运行的连续性。因此，日本会同样发射一颗“向日葵”-9作为备星使用。

最后一个问题，日本气象厅公布的这个“素颜照”究竟有没有进行过遥感技术上的处理呢？当然啦，这是必须的，比如几何校正和灰度图像拉伸处理。为什么要进行这些处理呢？前一个容易理解，因为并不能保证卫星与地球的完全静止，总是会发生一些微小的偏移，那么在图像扫描过程中就可能产生一些错位，因此必须纠正。拉伸是最基本的图像处理方法，可改善图像对比度，更清楚地表现图像中地物间的差异。为了理解这个处理，大家可比较经过拉伸处理前后的效果图。认为大气吸收和散射是地球“素颜照”一部分的朋友，你真的认为日本卫星拍摄的地球照片更反映地球的实际情况吗？遥感图像还有许多处理方法和过程，你真的认为这是一种欺骗吗？

PS本来是图像处理软件photoshop的简称，慢慢演变成对所有图像编辑处理的代名词。其实，现在要修饰一张照片，非专业人士已经很少用photoshop了，因为操作太复杂。遥感图像处理中，如果用photoshop来处理，那也是非常不专业的，常用的软件是ENVI和Erdas，还有Idrisi。

什么是遥感影像的美化呢？

左边是上海崇明岛东滩的遥感图像。其中最左边是RGB波段合成并进行拉伸处理的效果（真彩），中间是红外、红、绿波段合成并进行拉伸处理的效果（伪彩），右边也是红外、红、绿波段合成图像，但色彩进行了变换处理，主要是为了突出植被的分布（美化）。显然，右边要美观得多，不过，其蓝色的海显示出色彩的失真，因为崇明岛周边的海水其实是黄色的。