ГЕНЕЗИС И ГЕОГРАФИЯ ПОЧВ
УДК 631.41
ПЕРЕВОД ЦВЕТОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВЫ ИЗ СИСТЕМЫ МАНСЕЛЛА В СИСТЕМУ CIE-L*a*b*
© 2015 г. Н. П. Кириллова, Ю. Н. Водяницкий, Т. М. Силёва
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: yu.vodyan@mail.ru Поступила в редакцию 14.07.2014 г.
Оптическая система Манселла неудобна для оценки роли пигментов в цвете почв статистическими методами. Эмпирические подходы преобразования системы Манселла предложены только для ограниченного диапазона цветовых тонов и не гарантируют точного подсчета корреляционных связей пигментов с цветом почв. Разработана современная методика преобразования цвета почв в системе Манселла в систему CIE—L*a*b*, которая не требует интерполяции данных. С помощью программы Munsell Conversion — Version 4.01 сформирован и сохранен в табличном виде массив преобразованных данных, полностью покрывающий весь диапазон цветов шкалы Манселла, который используется почвоведами. На примере дерново-подзолистых почв обосновано более значимое участие Fe-пигментов в характеристике цвета почв в системе CIE—L*a*b*, чем в системе Манселла.
Ключевые слова: цветовые координаты почвы, хроматическая адаптация, индекс красноцветности, Fe-пигменты, дерново-подзолистые почвы, Retisols.
DOI: 10.7868/S0032180X15050020
ВВЕДЕНИЕ
Диагностика и классификация многих почв основана на характеристике цвета горизонтов [1, 2, 8—10, 29]. Основные пигменты почв: гумус, окрашивающий почву в темный цвет, кальцит СаСО3 и другие карбонаты — в белый цвет, гематит аРе203 — в красный цвет, гетит аБеООН — в желтый цвет. Присутствие в почвах гематита и ге-тита дает бурый цвет разных оттенков [3, 4, 7]. В зависимости от состояния железа, окисленного или восстановленного, будет изменяться и окраска горизонта. Например, при господстве восстановительной глеевой обстановки, он будет приобретать холодные сизые тона [5]. Таким образом, по окраске горизонта можно судить о присутствии железа в восстановленной и окисленной формах. В аэробной среде процесс образования глеевого горизонта идти не будет, и, соответственно в профиле будут содержаться окисленные формы Ре(Ш) и отсутствовать соединения восстановленного железа. При контрастном окислительно-восстановительном режиме в профиле могут присутствовать как восстановленные, так и окисленные минералы железа.
Диагностика и классификация переувлажненных минеральных почв связана с химией и минералогией железа, поскольку именно минералы железа определяют цвет оглеенных горизонтов [2]. Редукция гидроксидов БеЩ!) приводит к их
растворению, что изменяет теплые тона авто-морфных почв на сизые холодные тона оглееных почв. Таким образом, по цвету почв можно судить о доминировании основных пигментов. Почвоведов интересует степень участия того или иного пигмента в цвете почвы данного генезиса [8, 9].
Проблема в том, что принятую словесную характеристику цвета почв (например, серая, светло-бурая или темно-бурая почвы) невозможно оцифровать. Это исключает проведение статистических расчетов. Постепенно идет переход от словесного описания цвета к его численной характеристике, что позволяет оценить роль тех или иных пигментов в окраске почв. Для этого следует описать цвет почвы с помощью какой-либо оптической системы. Среди почвоведов наиболее распространена самая старая оптическая система Манселла. Она реализована в альбомы с цветовыми чипами, с которыми сравнивают цвет данного горизонта почв. Важный недостаток системы Манселла — ее цилиндрические координаты, что затрудняет использование для статистических расчетов. Для преодоления этого недостатка применяют различные эмпирические коэффициенты, у разных авторов они основаны на своих (произвольных) допущениях [6]. Очевидно, что у статистических расчетов, основанных на таком эмпирическом фундаменте, низкая точность.
Между тем, в 1976 г. Международным оптическим комитетом разработана система С1Б—Ь*а*Ъ*,
представляющая собой универсальное цветовое пространство, в декартовых координатах [1]. Система CIE—L*a*b* получила признание во всем мире и у многих специалистов (не только почвоведов) благодаря ясности смысла показателей. Для почвоведов система CIE—L*a*b* удобна тем, что величина показателя L* (светлоты) обратно зависит от содержания в почве темного пигмента — гумуса. Величина показателя а* (красноты) прямо пропорциональна содержанию в почве красно-цветного пигмента гематита aFe2O3. Величина показателя b* (желтизны) прямо пропорциональна содержанию в почве желтоцветного пигмента ге-тита aFeOOH. Систему CIE—L*a*b* широко используют для характеристики цвета при спектрометрическом анализе в лабораторных условиях, а также для оценки вклада пигментов при решении классификационных задач [3—5, 7, 24, 25]. Имеется положительный опыт использования системы CIE—L*a*b* для оценки влияния агрегации, размера и состава гранулометрических фракций на цвет почв [25].
Однако огромный массив полевых оценок цвета почв в системе Манселла остается не востребованным для дальнейшего анализа, так как эти данные малопригодны для статистических расчетов. Настоятельно требуется методика перевода цветовых характеристик почв из системы Манселла в систему CIE—L*a*b* с использованием современных алгоритмов преобразования цветовых координат из одного пространства в другое. [15, 16, 28].
В основе всех алгоритмов преобразований лежат эксперименты, проведенные еще в 1931 г. Стандартные цветовые чипы атласа Манселла были освещены стандартным источником излучения С и получены результаты их колориметрических измерений. В 1943 г. на основании этих измерений была создана система, включающая в себя таблицу 2734 значений соответствия цветовых координат в системе Манселла и координат Международной комиссии по освещению (CIE) [23]. В дальнейшем разработаны различные методы интерполяции для поиска CIE-координат тех значений, которые не вошли в таблицы указанной системы Манселла.
Исследователь может не проводить вычисления самостоятельно, а воспользоваться уже полученными результатами интерполяции. Существует набор программных средств, включая коммерческие продукты, которые предоставляют такую возможность.
Очевидно, что компания производитель современных атласов Манселла X-Rite-GretagMacbeth обладает наиболее полной информацией по алгоритмам и результатам интерполяции [22], поэтому целесообразно изучить возможность использования программных средств данной компании.
Цели работы: с помощью набора современных программных средств и алгоритмов перевести цветовые характеристики почвы из системы Манселла в оптическую систему С1Е—Ь*а*Ъ*. Оценить эффективность преобразования путем сравнения коэффициентов корреляции содержания в почве пигментов с цветом почвы в этих двух системах.
ОСНОВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Система Манселла. Первая универсальная оптическая система была создана в 1905 г. художником А.Г. Манселлом. Цветовая точка в его системе определяется тремя характеристиками: цветовым тоном Hue (Н), светлотой Value (V) и насыщенностью цвета Chroma (С). Цветовой тон подразделяется на 5 цветов: красный (R), желтый (Y), зеленый (G), голубой (B) и пурпурный (P), они вместе с переходными тонами (например, YR или RP), дают всего 10 основных тонов. Тона образуют круг, делящийся на 100°, при этом каждый градус имеет свой индекс, например, 10YR или 5Y (рис. 1). С увеличением расстояния от ахроматического центра этого круга, насыщенность цвета (Chroma) возрастает от 0 с шагом в единицу. Третий параметр — светлота (Value) располагается перпендикулярно плоскости цветового тона — насыщенности цвета. Светлота изменяется от 0 (черный цвет) до 10 (белый). С ростом степени насыщенности цвета, интервал светлоты уменьшается. Из-за не эквивалентного восприятия светлых и темных цветовых тонов все цилиндрическое цветовое пространство заполнено неравномерно.
На основе своей системы Манселл предложил набор цветовых чипов. Цвет каждого чипа характеризуется цветовым тоном, светлостью и насыщенностью цвета. Задача почвоведа сводится к поиску в альбоме того чипа, цвет которого наиболее отвечает цвету данной почвы. Современные альбомы Манселла включают до 1500 цветовых чипов. Почвоведы используют в своей работе гораздо меньше чипов. Цвет по Манселлу может быть также определен по спектральной кривой, полученной в лаборатории на спектрофотометре. Но цилиндрическая система Манселла мало удобна для численной оценки цвета.
Система CIE —XYZ определяет абсолютное пространство цветов и иногда ее называют пространством цветов CIE 1931 XYZ. Координаты этой системы характеризуют:
— X — красный цвет, значения Х изменяются от 0 до 0.9505,
— Y — зеленый цвет, значения Y изменяются от 0 до 1.0,
— Z — синий цвет, значения Z изменяются от 0 до 1.089.
Рис. 1. Цилиндрические координаты системы Манселла (слева) и система обозначения цветового тона (справа) (по [26]).
Это пространство цветов является одним из первых стандартов, созданных Международной комиссией по освещению (CIE) в 1931 г. Оно основано на непосредственных измерениях восприятия цветов человеческим глазом, служит основой для определения множества других пространств цветов и используется в правилах их преобразования [15—17, 28].
Система CIE — L*a*b* создана в 1976 г. как аппаратно-независимая эталонная модель. Она основана непосредственно на пространстве цветов CIE 1931 XYZ для линеаризации цветовых различий.
Система CIE—L*a*b* в декартовых координатах представляет собой универсальное цветовое пространство, ее достоинства заключаются в том, что четко выделяются цветовые особенности и различия разных типов почв [1, 13]. В отличие от системы Манселла в цветовом пространстве L*a*b* значение светлоты L* отделено от значения хроматической составляющей цвета (тон, насыщенность). Светлота L* изменяется от 0 до 100, то есть от самого темного до самого светлого, хроматическая составляющая — двумя декартовыми координатами a* и b*. Первая отражает цвет в
диапазоне от зеленого (—а*) до красного (+а*), вторая — от синего (—b*) до желтого (+b*) (рис. 2).
Экспериментальные приемы использования системы Манселла для выполне
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.