土壤颜色由CIE向Munsell系统的定量转换
岳智慧1, 黄强2, 肖理1, 李军1, 黄成敏1,*
1. 四川大学环境科学与工程系, 四川 成都 610065
2. 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室, 北京 100876
*通讯联系人 e-mail: huangcm@scu.edu.cn

作者简介: 岳智慧, 1991年生, 四川大学环境科学与工程系博士研究生 e-mail: yue_zhihui@163.com

摘要

颜色是土壤重要形态特征之一, 也为判断土壤理化特征、 过程与功能的重要依据和指标。 土壤颜色目前采用Munsell颜色系统表示, 主要依靠将土壤样品与土壤Munsell比色卡比对而确定。 该方法由于受个人视觉感官和判别环境等因素限制, 导致土壤颜色判别结果存在主观性强, 易出现偏差等问题。 为此, 寻求客观、 定量、 方便地表征土壤Munsell颜色的方法, 对于今后有关土壤颜色应用的研究工作极为重要。 该研究试图利用分光色度仪, 结合Python计算机语言编程, 采用邻近等明面插值等方法, 提出了一套可操作的从CIE到Munsell颜色系统转换的方法, 以实现土壤颜色从CIE到Munsell颜色系统的方便、 快速、 高精度转换, 达到土壤颜色的客观、 定量、 标准化测定。 由分光色度仪测得样品CIELAB颜色值, 利用CIE和Munsell两大颜色系统的已有的转换模型和方法, 由CIELAB值计算获得Munsell明度值V和色品坐标, 以Python语言编制程序, 实现样品的明度值和色品坐标的自动计算。 进而采用邻近等明面数学插值法和色度变换图确定Munsell系统H和C值。 以《中国标准土壤色卡》的419张色片和22个土壤与古土壤样品进行验证, 结果表明利用本文方法色调(H)测定值与色片标准值相比较, 仅有12张色片存在误差, 验证准确率为97%。 《中国标准土壤色卡》的明度值( V)、 彩度值( C)测定值与标准值之间相关系数分别为0.987( p<0.001)和0.976( p<0.001), 测定结果与标准值之间存在极显著相关关系。 土壤与古土壤样品测定值与目视判别色调差异较小, 主要差别是明度和彩度, 这可能与目视判读受个人主观、 光学环境等因素影响所致。 基于过去已有的由CIE到Munsell颜色系统转换方法, 该研究利用Python计算机语言编程编写了程序代码, 实现CIELAB值到Munsell明度 V值和色品坐标的转换过程的自动计算, 并提出一种基于邻近等明面新的插值方法, 转换步骤简明, 易实现, 为土壤颜色的快速、 定量获取提供途径。

关键词: 土壤颜色; CIELAB; Munsell; 定量; 转换
中图分类号:S151.9+2 文献标志码:A
Quantitative Conversion of Soil Color from CIELAB to Munsell System
YUE Zhi-hui1, HUANG Qiang2, XIAO Li1, LI Jun1, HUANG Cheng-min1,*
1. Department of Environmental Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China
2. State Key Laboratory of Networking and Switching Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China
*Corresponding author
Abstract

Color is one of the critical morphological features of soils, which can be used as a basic index or proxy to reveal numerous soil physical and chemical properties, processes and functions. Soil color is universally expressed by the Munsell color system, and detected by the visual sense through the match of soil samples with the soil standard charts. However, the errors and bias in soil color readily occur using the current method due to the constrain of the difference in individual vision and variation in optical environment. An objective, quantitative and rapid method to determine the soil Munsell color is urgent to be invented.Here, with the combination of color measurement using the colorimeter, automatic calculation and linear interpolation between the adjacent Value (V) isoplanes, a procedure for the conversion of CIE color to Munsell color was proposed to obtain the soil color conveniently, rapidly and precisely. This protocol includes: (1) CIELAB color values of the samples are measured by the colorimeter; and (2) the color coordinates and the Munsell V values are computed automatically with the program in Python language on a base of the knowledge of the conversion between CIE and Munsell color systems; and (3) the linear interpolation between the adjacent V isoplanes and color conversion chart are employed to assign the Munsell Hue (H) and Chroma (C). 419 color chips from Munsell Soil Color Chart of China and 22 soil and paleosol samples were used to validate the protocol. The Munsell H values of 12 chips using our procedure were different from those in Munsell Soil Color Chart of China, and the measured accuracy reached 97%. Meanwhile, the correlation coefficients in Munsell V and C between the measured values and standard values were 0.987 ( p<0.001) and 0.976 ( p<0.001), respectively, exhibiting a robust significance. For the soil and paleosol samples, the difference in Munsell H between the measured values using our protocol and judged by visual sense is least while a discrepancy in Munsell V and C occurs possibly because of the visual values affected by the visual sense and optical environment. Based on the previous literatures on transformation in soil color between CIE to Munsell color systems, we established a procedure, particularly in making a Python program in order to complete the automatic calculation from CIELAB to the color coordinates and the Munsell V values, and providing a new interpolation method to acquire the Munsell V and C values, to facilitate the rapid and applicable conversion of CIE color system to Munsell color system for soils.

Keyword: Soil color; CIELAB color; Munsell color; Quantitative; Conversion
引 言

颜色是土壤最重要的特征之一[1]。 作为土壤各种性状的综合反映, 土壤颜色成为判断土壤形成与发育、 土壤肥力、 土壤污染与质量、 土壤水分以及重建气候与环境变化历史等特征、 过程与功能的依据和指标, 广泛应用于土壤学、 地球科学、 农业、 环境科学、 生态学、 遥感、 考古等等领域的理论研究与实践过程[2, 3, 4]

土壤颜色普遍采用门塞尔(Munsell)颜色系统表示, 该系统由色调(Hue, H)、 明度(Value, V)和彩度(Chroma, C)要素构成, 可利用土壤Munsell比色卡人为目视测定[5, 6]。 土壤Munsell颜色的目视判读依赖于个人经验和颜色视觉, 主观性强, 个人和判读环境影响差异较大, 导致土壤颜色判读易出现误差和偏差[6]。 由此, 需要寻求客观、 定量、 方便地表征土壤Munsell颜色的方法。

利用光学系统测量物体的CIE(国际照明委员会推荐的颜色系统)颜色是定量测定颜色的常见方法[7]。 若能实现从光学仪器可测定的CIE向Munsell颜色系统的转换, 则可快速、 精确、 客观表征土壤颜色。 现有关于CIE和Munsell两大颜色系统转换方法主要包括计算机转换法、 查图法、 线性插值法和数值公式转换法等[8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]。 计算机转换法通过建立CIE和Munsell系统数据库转换模型, 利用计算机实现两者间变换, 具有较高的转换精度, 但其转换过程抽象, 使得利用计算机实现颜色系统之间的转换方法仍处于理论层面, 实际应用少[8, 9, 10, 11, 12]。 查图法通过查阅图表来计算两个颜色系统的明度与色品坐标的办法实现系统转换, 精度较高, 但前期数学计算工作量巨大, 并且对查图的具体过程缺乏标准规范。 线性插值法精度高, 但过去研究在数学插值过程中需要对各恒定色调线上的孟塞尔色样点沿彩度增加方向依次标号, 增加了工作量的同时减缓了转换速度[13]。 数值公式转换法在转换过程中需要对颜色三刺激值和空间颜色组成均匀性进行校正, 繁复的转换和校正过程使其不能成为一种方便、 实用的颜色定量转换方法[14]。 近年来也有针对土壤颜色定量转换的研究报道[8, 10, 15], 但其转换过程均运用了上述几种转换方法, 并未实现土壤颜色的快速与标准化测定。

为了实现土壤颜色从CIE到Munsell颜色系统的方便、 快速、 高精度转换, 试图利用分光色度仪, 结合Python计算机语言编程, 采用邻近等明面插值等方法, 提出了一套可操作的从CIE到Munsell颜色系统转换的方法, 实现土壤颜色的客观、 定量、 标准化测定。

1 实验部分
1.1 土壤颜色测定

《中国标准土壤色卡》[5]根据中国土壤颜色特征研制, 其色片颜色完整地涵盖了中国土壤颜色主要特征, 因其中N系列色片在色度变换图中并不存在, 因此本工作除去了N系列的7张色片, 将该色卡中余下的419张色片全部用于CIE系统的测定及其与Munsell系统的转换方法验证。 另外选择主要受铁氧化物控制、 致色机制清晰的云南省元谋盆地现代土壤和古土壤[3]以及采自四川省九寨沟县的黄土-古土壤共22件样品, 进行实际样品验证, 其Munsell颜色已对照土壤比色卡而判读。 419张标准土壤色卡和22件土壤与古土壤样品的CIELAB值测定采用分光色密度仪(美国X-Rite公司, 948型)在四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室完成。

1.2 CIE颜色系统向Munsell颜色系统的转换方法

由分光色度仪获得的CIE颜色是国际照明委员会1976年推荐的CIELAB颜色系统。 从CIELAB向Munsell系统的转换可分为两个步骤: (1)由计算机辅助将颜色值从CIELAB计算到物体颜色的明度值V和色品坐标(即构成颜色的三原色坐标(x, y)); (2)通过读取色度变化图和采取邻近等明面数学插值法获得物体颜色的Munsell值。

1.2.1 获取明度值V和色品坐标

由分光色度仪测得样品CIELAB颜色值, 利用CIE和Munsell两大颜色系统的已有的转换模型和方法, 采用式(1)— 式(3)可由CIELAB值计算样品明度值V和色品坐标[7, 11, 12]

(1)CIELAB系统转换为CIE-XYZ系统

要实现颜色从CIELAB向Munsell系统的转换, 须先将CIELAB的L* , a* , b* 值转换到CIE-XYZ系统中的X, YZ三刺激值[7]

L* =116(Y/Yn)1/3-16a* =500[(X/Xn)1/3-(Y/Yn)1/3]b* =200[(Y/Yn)1/3-(Z/Zn)1/3](1)

式中, L* , a* , b* 分别为CIELAB颜色系统中的亮度、 红度、 黄度; X, Y, Z为CIE-XYZ颜色系统中的三刺激值; Xn, Yn, Zn为CIE标准照明体照射到完全漫反射体表面的三刺激值。

(2)CIE-XYZ亮度值Y转换为Munsell系统明度值V

CIE-XYZ系统颜色亮度值Y与Munsell系统明度值V可以通过牛顿迭代法直接进行转换[7, 11, 12], 其表达式为

Y=1.2533028V-0.2370495V2+0.2456654V3-0.0215489V4+0.000862V5(2)

(3)CIE-XYZ系统三刺激值与色品坐标的转换

在色度变换图中, 需要通过色品坐标来读取颜色的色调和彩度。 CIE-XYZ三刺激值与色品坐标(x, y)之间存在以下函数关系[7]

x=XX+Y+Zy=YX+Y+Z(3)

从CIELAB值到明度V值和色品坐标的转换过程计算量大, 我们采用Python语言编制程序, 实现样品的明度值和色品坐标的自动计算(程序代码可免费下载, 网址: https: //github.com/HQebupt/work-from-home/blob/master/color.py)。

1.2.2 Munsell系统HC值获取方法设计

在获取明度值和色品坐标后, 利用邻近等明面数学插值法和色度变换图得到相应的Munsell系统HC值。

相对于过去线性插值法中需要对Munsell色样进行反复标号的过程[13], 本研究所采用的等明面数学插值法是通过色样在两个邻近等明面中的投影点进行直接线性插值, 提升了转换速度。 当明度值V为整数时, 可以直接从等明面内获取色品坐标相对应的色调H和彩度C。 而V常为非整数, 这时需要确定颜色样品相邻的两个等明面, 并通过在两个等明面之间进行数学插值得到样品Munsell系统的色调(H)值和明度(C)值。

图1中, P点为所求的颜色点, Plane1和Plane2P点颜色所在明度面的两个邻近等明面, 在等明面内所有点明度值相同。 Yxy为CIE色度坐标系, P1P2分别为通过P点在两个邻近等明面上的投影点。 确定邻近等明面相应点的坐标以后, P点的色调(Hp)和彩度(Cp)可以由P1P2点的色调和彩度值按照邻近等明面插值得到, 插值计算如式(4)

HP=HP2+λ(HP1-HP2)CP=CP2+λ(CP1-CP2)(4)

图1 CIE-XYZ向Munsell颜色系统转换时的插值Fig.1 Interpolation for the conversion of CIE-XYZ colorimetric data to Munsell notations

式(4)中, HPP点对应的色调值, CPP点对应的彩度值; HP1CP1P1点在Plane1的色调值和彩度值; HP2CP2P2点在Plane2的色调值和彩度值。 λ 为明度插值系数, 其表达式为

λ=VP-VPlane2VPlane1-VPlane2(5)

式(5)中, VPP点明度值; VPlane1P1点在Plane1的明度值, VPlane2P2点在Plane2的明度值。

由上述计算获得的色调和彩度值很大可能与土壤Munsell比色卡的设定值不符合, 因此, 可利用色度变换图确定其土壤Munsell颜色值。 譬如, 土壤Munsell比色卡的相邻色调值间隔为2.5个单位, 由此, 在色度变换图中, 以色调中心值为准, 前后1.25个色调单位范围内的所有值均设定为色调中心值。 以色调值7.5R为例, 它是6.25R到8.75R色调区间的色调中心值, 将落在该色调区间范围内的所有色调值均视作7.5R(图2)。 等彩度线在色度变换图中的间隔为2个彩度单位, 可根据点所在的位置, 按比例来确定该点的彩度值。 以位于等彩度线2和4中间的P点为例, P点彩度值可判读为3(图2)。

图2 色度变换图中HC取值示意图Fig.2 Value and chroma assigning in color conversion chart

2 方法验证与分析

利用分光色度仪, 建立比色片和土壤样品的CIELAB数据库, 导入编制好的计算机程序中自动计算得到每张色片对应的明度值V及其色品坐标(x, y), 使用色度变换图获取两个邻近等明面投影点的色调值和彩度值, 并通过数学插值得到色片的Munsell值, 完成对土壤颜色的转换, 进而进行方法的精度比较。

2.1 《中国标准土壤色卡》验证与分析

利用分光色度仪, 测得的《中国标准土壤色卡》419张色片的CIELAB颜色值, 利用本研究的转换方法, 获得Munsell颜色测定值。 将测定值与土壤Munsell比色卡标准值对比, 407张两者一致, 只有12张色片的色调值(H)存在误差, 仅占3%。 经测定、 转换后所得的明度值(V)、 彩度值(C)与土壤比色卡标准值之间的相关系数分别为0.987(p< 0.001)和0.976(p< 0.001), 除个别异常值外, 定量转换结果与标准值之间存在极显著线性相关关系, 进一步证明了测定、 转换结果具有高精度(图3)。

图3 《中国标准土壤色卡》标准值与测定值的比较及标准方差分布Fig.3 Correlation and standard deviation comprisons between calculated Munsell value and the standard value in Munsell Soil Color Chart of China

实验结果中的转换误差主要在YR和R两个色卡区间内, 这与该颜色区间等色调线和等彩度线的曲率较大有关[13]。 在颜色转换过程中, 12张色调值出现误差的色片全部属于YR和Y色调色卡页。 明度测定值误差主要出现在YR, Y, B和PB色卡页, 但这4种色卡页的明度测定值与标准值相关系数仍可达到0.971(p< 0.001, n=249), 可见测定值精度依然高。 彩度测定值的误差主要表现为较标准值低, 且更容易出现在低明度且高彩度的颜色区间, 这既与高彩度相关[6], 也与色度仪的选择有关, 因为不同品牌分光色度仪对物体颜色的测量效果存在一定差异[16, 17]

2.2 土壤与古土壤样品比较与分析

将土壤与古土壤样品由CIELAB系统转换的样品Munsell颜色与有经验的土壤学专家利用土壤Munsell比色卡目视判别的样品颜色进行对比, 两者基本符合, 明度和彩仅存在1~2个单位的差异(表1)。

表1 CIELAB转换与土壤比色卡判读的土壤与古土壤Munsell颜色对比 Table 1 Comparison between the calculated and the visual-inspected values with Munsell Soil Color Chart of China for Munsell color of the soil and paleosols

除了一个样品的色调值(H)相差2.5个单位(土壤比色卡的基本单位), 其余样品的色调值(H)一致。 而明度值(V)有7个样品一致, 11个相差1个单位, 4个相差2个单位。 总体上, 两种方法获得的彩度值(C)相差最大, 只有4个样品一致, 其余出现1~3个单位的差异, 且彩度值越大, 相差也越大。 两种方法获得的样品Munsell颜色出现差异的原因除了标准土壤色卡颜色、 光度仪测定以及CIE系统转换为Munsell系统过程均存在一定色差和误差之外, 可能主要在于: (1)由于个人视觉感官对物体颜色存在较强的主观性, 导致颜色判断失误; (2)环境对肉眼判别的影响, 如光线等因素会影响人眼对土壤颜色判别的准确性[5]

3 结 论

针对土壤Munsell颜色难以客观、 准确定量的现实问题, 总结了一套新的将土壤颜色从CIE向Munsell系统转换的方法。 利用分光色度仪测得样品的CIELAB值, 采用已有的数学转换模型、 Python语言编程可计算样品色度坐标和明度值, 结合邻近等明面插值法获得Munsell颜色值。 与已有的土壤颜色转换方法相比较, 方法原理简单, 算法更容易实现。 对不同类型样品的颜色转换结果较理想, 测定结果值与标准色卡值误差小, 与目视判别的土壤与古土壤颜色对比更稳定, 受环境条件影响小。 相对于目前利用比色卡目测土壤颜色的方法, 本工作提出的测定、 转换方法更实用、 快速、 客观、 定量表征土壤颜色。 随着野外便携式分光色度仪的推广与应用, 本文的颜色转换方法将在今后的野外土壤调查工作中更具有实际应用价值。

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