ПЕРЕВОД ЦВЕТОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВЫ ИЗ СИСТЕМЫ

ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 5, с. 527–535
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: [email protected]
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 свя'
зей 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 пре'
образованных 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, гема'
тит αFe2O3 – в красный цвет, гетит αFeOОН – 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 окрас'
ка горизонта. Например, при господстве восста'
новительной глеевой обстановки, он будет при'
обретать холодные сизые тона [5]. Таким образом,
по окраске горизонта можно судить о присут'
ствии железа в восстановленной и окисленной
формах. В аэробной среде процесс образования
глеевого горизонта идти не будет, и, соответ'
ственно в профиле будут содержаться окислен'
ные формы Fe(III) и отсутствовать соединения
восстановленного железа. При контрастном
окислительно'восстановительном режиме в про'
филе могут присутствовать как восстановленные,
так и окисленные минералы железа.
Диагностика и классификация переувлажнен'
ных минеральных почв связана с химией и мине'
ралогией железа, поскольку именно минералы
железа определяют цвет оглеенных горизонтов
[2]. Редукция гидроксидов Fe(III) 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. Почвове'
дов интересует степень участия того или иного
пигмента в цвете почвы данного генезиса [8, 9].
Проблема в том, что принятую словесную ха'
рактеристику цвета почв (например, серая, свет'
ло'бурая или темно'бурая почвы) невозможно
оцифровать. Это исключает проведение стати'
стических расчетов. Постепенно идет переход от
словесного описания цвета к его численной ха'
рактеристике, что позволяет оценить роль тех или
иных пигментов в окраске почв. Для этого следу'
ет описать цвет почвы с помощью какой'либо оп'
тической системы. Среди почвоведов наиболее
распространена самая старая оптическая система
Манселла. Она реализована в альбомы с цветовы'
ми 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 при'
меняют различные эмпирические коэффициен'
ты, у разных авторов они основаны на своих (про'
извольных) допущениях [6]. Очевидно, что у ста'
тистических расчетов, основанных на таком
эмпирическом фундаменте, низкая точность.
Между тем, в 1976 г. Международным оптиче'
ским комитетом разработана система CIE–L*a*b*,
527
528
КИРИЛЛОВА и др.
представляющая собой универсальное цветовое
пространство, в декартовых координатах [1]. Си'
стема CIE–L*a*b* получила признание во всем
мире и у многих специалистов (не только почвове'
дов) благодаря ясности смысла показателей. Для
почвоведов система CIE–L*a*b* удобна тем, что
величина показателя L* (светлоты) обратно зави'
сит от содержания в почве темного пигмента – гу'
муса. Величина показателя а* (красноты) прямо
пропорциональна содержанию в почве красно'
цветного пигмента гематита αFe2O3. Величина по'
казателя b* (желтизны) прямо пропорциональна
содержанию в почве желтоцветного пигмента ге'
тита αFeOОН. Систему CIE–L*a*b* широко ис'
пользуют для характеристики цвета при спектро'
метрическом анализе в лабораторных условиях, а
также для оценки вклада пигментов при решении
классификационных задач [3–5, 7, 24, 25]. Имеет'
ся положительный опыт использования системы
CIE–L*a*b* для оценки влияния агрегации, раз'
мера и состава гранулометрических фракций на
цвет почв [25].
Однако огромный массив полевых оценок
цвета почв в системе Манселла остается не вос'
требованным для дальнейшего анализа, так как
эти данные малопригодны для статистических
расчетов. Настоятельно требуется методика пере'
вода цветовых характеристик почв из системы
Манселла в систему CIE–L*a*b* с использовани'
ем современных алгоритмов преобразования цве'
товых координат из одного пространства в другое.
[15, 16, 28].
В основе всех алгоритмов преобразований ле'
жат эксперименты, проведенные еще в 1931 г.
Стандартные цветовые чипы атласа Манселла
были освещены стандартным источником излу'
чения С и получены результаты их колориметри'
ческих измерений. В 1943 г. на основании этих из'
мерений была создана система, включающая в се'
бя таблицу 2734 значений соответствия цветовых
координат в системе Манселла и координат Меж'
дународной комиссии по освещению (CIE) [23].
В дальнейшем разработаны различные методы
интерполяции для поиска CIE'координат тех
значений, которые не вошли в таблицы указан'
ной системы Манселла.
Исследователь может не проводить вычисле'
ния самостоятельно, а воспользоваться уже полу'
ченными результатами интерполяции. Существу'
ет набор программных средств, включая коммер'
ческие продукты, которые предоставляют такую
возможность.
Очевидно, что компания производитель совре'
менных атласов Манселла X'Rite'GretagMacbeth
обладает наиболее полной информацией по алго'
ритмам и результатам интерполяции [22], поэтому
целесообразно изучить возможность использова'
ния программных средств данной компании.
Цели работы: с помощью набора современных
программных средств и алгоритмов перевести
цветовые характеристики почвы из системы
Манселла в оптическую систему CIE–L*a*b*.
Оценить эффективность преобразования путем
сравнения коэффициентов корреляции содержа'
ния в почве пигментов с цветом почвы в этих двух
системах.
ОСНОВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
С и с т е м а М а н с е л л а. Первая универсаль'
ная оптическая система была создана в 1905 г. ху'
дожником 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 пурпур'
ный (P), они вместе с переходными тонами (на'
пример, YR или RP), дают всего 10 основных то'
нов. Тона образуют круг, делящийся на 100°, при
этом каждый градус имеет свой индекс, напри'
мер, 10YR или 5Y (рис. 1). С увеличением рассто'
яния от ахроматического центра этого круга, на'
сыщенность цвета (Chroma) возрастает от 0 с ша'
гом в единицу. Третий параметр – светлота (Value)
располагается перпендикулярно плоскости цве'
тового тона – насыщенности цвета. Светлота из'
меняется от 0 (черный цвет) до 10 (белый). С ро'
стом степени насыщенности цвета, интервал
светлоты уменьшается. Из'за не эквивалентного
восприятия светлых и темных цветовых тонов все
цилиндрическое цветовое пространство заполне'
но неравномерно.
На основе своей системы Манселл предложил
набор цветовых чипов. Цвет каждого чипа харак'
теризуется цветовым тоном, светлостью и насы'
щенностью цвета. Задача почвоведа сводится к
поиску в альбоме того чипа, цвет которого наибо'
лее отвечает цвету данной почвы. Современные
альбомы Манселла включают до 1500 цветовых
чипов. Почвоведы используют в своей работе го'
раздо 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.
С и с т е м а C I E – X Y Z определяет абсо'
лютное пространство цветов и иногда ее называ'
ют пространством цветов CIE 1931 XYZ. Коорди'
наты 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.
ПОЧВОВЕДЕНИЕ
№5
2015
ПЕРЕВОД ЦВЕТОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВЫ ИЗ СИСТЕМЫ МАНСЕЛЛА
100
95
10
15
R
RP
90
5
10RP 5R 10R 5 YR
YR
Value
PB
10PB 5P
10
B
10
75
10Y 5G
5Y
Y
80
5 PB
P
YR
85
5GB 10G
10G
B
5B
B
65
5G
70
Y
Chroma
20
10
P
P
5R
G
10
Hue
529
60
55
25
30
GY
35
40
G
BG
Y
45
50
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 ос'
новано на непосредственных измерениях вос'
приятия цветов человеческим глазом, служит ос'
новой для определения множества других про'
странств цветов и используется в правилах их
преобразования [15–17, 28].
С и с т е м а C I E – 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 координа'
тах 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 значе'
ния хроматической составляющей цвета (тон, на'
сыщенность). Светлота L* изменяется от 0 до 100,
то есть от самого темного до самого светлого, хро'
матическая 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 ис'
пользования
системы
Манселла
для
выполнения
статистических
р а с ч е т о в. Таких приемов предложено несколь'
ко. Эти преобразования касались только красно'
цветных и бурых почв с ограниченным диапазо'
ном цветового тона, чтобы получить уравнения
регрессии цвета от главного пигмента – оксида
железа гематита αFe2O3. Проблему решали путем
назначения числовых индексов для цветового то'
на в интервале Hue от 10 R до 10 YR. Одна из пер'
вых попыток состояла в подсчете “индекса крас'
ноцветности” Rating Redness (RR), Харст [20]
предложил использовать уравнение:
RR = НС/V,
(1)
где Н – выраженный числом цветовой тон (табл. 1).
Минералогический анализ позволяет численно
оценить вклад гематита в красноцветность почв.
Такую работу выполнили Швертман с соавт. [27].
Вычисленный по Харсту индекс красноцветности
RR, эти авторы статистически связали с содержа'
нием гематита (Сгем). Корреляция была выполне'
Таблица 1. Значения коэффициентов Н для подсчета индексов красноцветности на основе шкалы Манселла
Авторы, источник
Харст [20]
Баррон–Торрент [14]
2 ПОЧВОВЕДЕНИЕ
№5
2015
10R
2.5YR
5YR
7.5YR
10YR
10
7.5
2.5
5
5
2.5
7.5
0
10
530
КИРИЛЛОВА и др.
почвы. Этот показатель в системе Манселла за'
писывается так:
L* = 100
RМанселл = (10 – Н)3С × 103/V6,
БЕЛЫЙ
(3)
где Н – число, стоящее перед цветовым тоном YR
(табл. 1).
В системе CIE–L*a*b* показатель красноцвет'
ности записывается так:
RCIE = [1010 × a(a2 + b2)0.5]/(bL6).
ЖЕЛТЫЙ
+b*
–a*
+a*
ЗЕЛЕНЫЙ
КРАСНЫЙ
–b*
СИНИЙ
ЧЕРНЫЙ
L* = 0
Рис. 2. Цветовое пространство в системе CIE–L*a*b*
(по [13]).
на для аллювиальных почв Испании и тонких гра'
нулометрических фракций почв, выделенных из
альфисолей на северных отрогах Альп. В резуль'
тате получено следующее уравнение регрессии:
RR = 0.81 + 8.4Сгем – 0.75(Сгем)2,
(2)
где Сгем выражено в процентах от массы образца.
Для этого уравнения r = 0.972.
Харст использовал произвольные коэффици'
енты кратные 2.5 в интервале цветовых тонов от
10 YR (Н = 0) до 10 R (Н = 10). Формулу Харста
нельзя использовать для характеристики цвета
любых почв, поскольку его система коэффициен'
тов Н охватывает узкий интервал цветовых тонов.
Тона почв и минералов железа обычно колеблют'
ся шире: от 5 R до 10 Y.
Анализ спектров в оптических системах Ман'
селла и CIE–L*a*b* позволил Баррону и Торрен'
ту [14] выявить оптимальный показатель крас'
ноцветности R в зависимости от фиксированной
добавки гематита к обезжелезненной матрице
(4)
Характерно различие в коэффициентах корре'
ляции содержания гематита с индексами красно'
цветности, подсчитанными в двух оптических си'
стемах. Если для связи RCIE = f (гематит) r = 0.93,
то для связи RМанселл = f (гематит) корреляция го'
раздо слабее: r = 0.82. Причина в том, что в систе'
ме Манселла показатель Hue делится на дискрет'
ные (и грубые) значения, а в системе CIE–L*a*b*
показатели меняются непрерывно.
Это не единственный недостаток системы
Манселла, не преодолимый с помощью эмпириче'
ских коэффициентов при Hue. Другой недостаток
эмпирических приемов преобразования системы
Манселла – произвольный выбор коэффициентов
и невозможность их распространить на все цвето'
вые тона Hue, встречающиеся в почвах. Например,
эти эмпирические коэффициенты нельзя распро'
странить на оглеенные почвы. В результате замена
цветового тона Hue числами не позволяет выпол'
нять расчеты тесноты связи содержания разных
пигментов с параметрами цвета почвы. В то же
время показатель RCIE лучше отражает влияние
пигментов на цвет почв [25].
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Алгоритм преобразования системы Манселла
в систему CIE–L*a*b* апробировали на примере
цветовых характеристик двух дерново'подзоли'
стых почв, подробно описанных в работе [11]:
дерново'палево'подзолистой почвы (разр. 2'71) и
дерново'скрытоподзолистой почвы (разр. 18'72)
на территории Клинско'Дмитровской гряды.
Дерново'палево'подзолистая почва образова'
лась на покровных суглинках, а дерново'скры'
то'подзолистая почва – на гравелисто'песчаной
абляционной морене. По классификации Рос'
сии [10] оба разреза относятся к типу дерново'
подзолистых почв, по WRB'2014 – к ретисолям
(Retisols, RT) [29].
Оксалаторастворимое железо (Fe2O3)окс опре'
деляли обработкой реактивом Тамма и дитионито'
растворимое железо (Fe2O3)дит – реактивом Ме'
ра–Джексона. Гранулометрический состав почв
определяли по Качинскому. Цвет почвы в полевых
условиях определяли по альбому Манселла.
Некоторые свойства этих почв приведены в
табл. 2 [11]. У дерново'скрытоподзолистой почвы
ПОЧВОВЕДЕНИЕ
№5
2015
ПЕРЕВОД ЦВЕТОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВЫ ИЗ СИСТЕМЫ МАНСЕЛЛА
531
Таблица 2. Физико'химические свойства и гранулометрический состав дерново'подзолистых почв (по [11])
рH
Горизонт Глубина, см
водный солевой
Гумус, % 1.0–
0.25
5.7
5.8
5.8
5.9
A1A2
A1A2B1
B1f
B2f
IIB3
IIВС
6.4
6.15
5.25
5.65
5.50
5.60
4.9
5.6
5.2
5.6
5.2
5.1
4.8
5.1
5.4
5.6
5.7
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Методика перевода цвета почв из си'
с т е м ы М а н с е л л а в с и с т е м у C I E – L* a * b * .
Метод преобразования состоит из двух этапов:
1. Перевода цвета почвы из системы Манселла
в цветовые координаты системы CIE–XYZ.
2. Перевод цветовых координат CIE–XYZ в
значения CIE–L*a*b*.
На первом этапе значения цветового тона, свет'
лоты и насыщенности (HVC по шкале Манселла)
переводим в цветовые координаты CIE–XYZ. Су'
ществующие алгоритмы преобразований подроб'
но обсуждаются в работе [17].
Мы использовали программу Munsell Conver'
sion – Version 4.01 [22]. Она позволяет получить
значения XYZ для цветового тона Hue с шагом
0.5 единицы от 0.5 до 10.0 для 10'буквенного диа'
№5
0.05–
0.01
4.2
0.24
0
5
33
4.3
0.37
0
27
18
4.4
0.37
7
19
19
4.5
0.21
10
24
13
Дерново'скрытоподзолистая почва, разр. 18'72
5.6
7.03
60
16
10
5.50
2.32
60
22
6
4.30
0.36
67
18
6
4.45
0.30
61
24
7
4.35
0.05
60
23
14
4.25
0.20
62
26
3
гранулометрический состав более легкий, чем у
дерново'палево'подзолистой почвы.
ПОЧВОВЕДЕНИЕ
0.25–
0.05
Дерново'палево'подзолистая почва, разр. 2'71
4
6.23
0
13
52
4.3
1.06
0
12
57
4.0
0.43
0
13
54
4.4
0.43
0
12
62
4.0
0.17
0
15
55
3.4
0.44
0
13
52
3.9
0.39
0
10
47
3.8
0.21
0
7
49
4.0
0.34
0
10
35
4.3
0.34
0
6
35
4.4
0.27
0
8
32
A1
2–11
A2(1)
11–27
A2(1n)
27–33
A2(2)
33–42
A2B1
42–51
B1A2
51–60
B1
60–90
B2(1)t верх
90–110
B2(1)t низ 120–140
B2(2)g
140–167
B3(1)tg
170–190
верх
B3(1)tg низ 190–207
IIB3(2)tg
207–234
IIB3(3)D
234–273
IIB3(4)D
273–298
02–12
14–20
25–40
40–50
70–90
110–130
Содержание фракций, %; размер частиц, мм
2015
0.01–
0.005
0.005–
<0.001 <0.01
0.001
9
8
10
9
6
7
7
7
10
11
14
6
11
9
7
9
8
8
7
9
9
7
15
9
11
7
12
16
24
26
30
33
34
30
28
30
23
27
31
39
40
49
53
55
13
8
8
8
14
11
9
10
31
32
33
31
58
51
50
49
1
1
1
1
1
1
3
4
2
4
1
4
8
6
5
3
1
4
12
11
8
8
3
9
пазона (B, BG, G, GY, P, PB, R, RP, Y, YR). Шаг
Value (светлота) также составляет 0.5 единицы в
диапазоне от 0.5 до 9.5 (19 значений). Насыщен'
ность цвета Chroma меняется от 0 до 32 с шагом 1.
Таким образом, программа может сгенерировать
121600 комбинаций H, V, C. Половина вариантов
не имеют значений XYZ, поэтому общее количе'
ство сгенерированных цветов меньше – 67574.
Они сведены в справочную таблицу формата
cmcdata.xls, [18], которая охватывает все цвета
атласа Манселла для почв. Кроме трансформации
показателей HVC в XYZ, программа [19] позволя'
ет одновременно преобразовать эти координаты в
CIE–L*a*b*.
Но здесь имеется одна сложность, связанная с
разными источниками излучения, которые ис'
пользуют для освещения объекта. Известно не'
сколько стандартных источников излучения, они
обозначаются как A, B, C, D, E, F [12]. Эти источ'
ники воспроизводят освещение электрическими
лампами накаливания (А), прямое солнечное
освещение (В), рассеянный дневной свет (С), на'
2*
532
КИРИЛЛОВА и др.
бор стандартных источников среднедневного
света (D), например, источник D65 наиболее точ'
но аппроксимирует среднедневной свет, свет лю'
минесцентных ламп (F). В программе Munsell
Conversion используют константы, полученные
для источника излучения С, в то время как в со'
временных алгоритмах приводят значения для
источника излучения D65. Поэтому программу
Munsell Conversion 4.01 для конвертации данных
XYZ в координаты СIE–L*a*b* использовать не
целесообразно. Необходим этап хроматической
адаптации – переход от источника излучения С к
источнику излучения D65, рекомендованному
для использования Международной комиссией
по освещению (МКО).
На втором этапе переводим цветовые коорди'
наты CIE–XYZ в значения CIE–L*a*b* [21]. Для
этого полученные величины XYZ делим на 100,
чтобы привести данные к диапазону (0.0–1.0) для
ведения дальнейших преобразований.
Проводим хроматическую адаптацию для пе'
рехода от источника излучения С к источнику D65
[21]:
X = XC × 0.9904448 – YC × 0.007168 – ZC × 0.011615, (5)
Y = –XC × 0.012371 + YC × 1.015594 – ZC × 0.002928, (6)
Z = –XC × 0.003564 – YC × 0.00677 + ZC × 0.918157. (7)
Используем величины Xn, Yn и Zn, представ'
ляющие справочные значения цветовых коорди'
нат CIE–XYZ эталонной белой точки для источ'
ника излучения D65:
Xn = 0.950456,
Yn = 1,
Zn = 1.088754,
rY = Y/Yn,
(8)
rX = X/Xn,
(9)
rZ = Z/Zn.
(10)
1/3
(11)
1/3
если rY > 0.008856, то Fy = ( rY ) ,
иначе Fy = 7.787 × rY + 16/116,
(12)
1/3
если rX > 0.008856, то Fz = ( rZ ) ,
иначе Fz = 7.787 × rZ + 16/116.
YC = Y1/100 = 6.55/100 = 0.0655,
ZC = Z1/100 = 4.74/100 = 0.0474.
Проводим хроматическую адаптацию по фор'
мулам (5)–(7)
X = 0.0677 × 0.9904448 – 0.0655 × 0.007168 –
– 0.0474 × 0.011615 = 0.06603,
Y = –0.0677 × 0.012371 + 0.0655 × 1.015594 –
– 0.0474 × 0.002928 = 0.06554,
Z = –0.0677 × 0.003564 – 0.0655 × 0.00677 +
+ 0.0474× 0.918157 = 0.04283.
3. В соответствии с уравнениями (8)–(10) нахо'
дим значения цветовых координат по отношению
к эталонной белой точке для источника излучения
D65 (Xn = 0.950456, Yn = 1, Zn = 1.088754).
rX = X/Xn = 0.06603/0.950456 = 0.06947,
rY = Y/Yn = 0.06554/1 = 0.06554,
rZ = Z/Zn = 0.04283/1.088754 = 0.03934.
4. По уравнениям (11)–(13) вычисляем значе'
ния Fx, Fy, Fz
rX = 0.06947 > 0.008856, поэтому
Fx = (rX)1/3 = (0.06947)1/3 = 0.411096,
rY = 0.06554 > 0.008856, поэтому
Должны соблюдаться следующие условия:
Если rX > 0.008856, то Fx = ( rX ) ,
иначе Fx = 7.787 × rX + 16/116,
Пример
преобразования
цвета
почвы из системы Манселла в систе'
м у C I E – L* a * b * . Преобразуем цветовые ко'
ординаты образца дерново'палево'подзолистой
почвы (разр. 2'71), гор. A1, с глубины 2–11 см.
В поле цвет почвы по шкале Манселла определен
как 10YR 3/2.
1. По программе Munsell Conversion 4.01 нахо'
дим, что в CIE–XYZC данному цвету соответству'
ют величины:
X1 = 6.77; Y1 = 6.55; Z1 = 4.74.
2. Полученные значения делим на 100, чтобы
привести к диапазону (0.0–1.0)
XC = X1/100 = 6.77/100 = 0.0677,
(13)
В результате получаем следующие уравнения:
L* = 116 × Fy – 16,
(14)
a* = 500 × (Fx – Fy),
(15)
b* = 200 × (Fy – Fz).
(16)
Fy = (rY)1/3 = (0.06555)1/3 = 0.40319,
rZ = 0.03934 > 0.008856, поэтому
Fz = (rZ)1/3 = (0.03934)1/3 = 0.340115.
5. По уравнениям (13)–(15) вычисляем значе'
ния L*, a* и b*:
L* = 116 × Fy – 16 = 116 × 0.40319 – 16 = 30.77,
a* = 500 × (Fx – Fy)= 500 ×
× (0.411096 – 0.40319) = 3.95,
b* = 200 × (Fy – Fz) = 200 ×
× (0.40319 – 0.340115) = 12.62.
Таким образом, исходные значения 10YR 3/2
в системе Манселла соответствуют в системе
ПОЧВОВЕДЕНИЕ
№5
2015
ПЕРЕВОД ЦВЕТОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВЫ ИЗ СИСТЕМЫ МАНСЕЛЛА
533
Таблица 3. Цветовые координаты почвенных горизонтов в системах Манселла и CIE–L*a*b*, индексы красно'
цветности и содержание разных форм соединений железа в дерново'подзолистых почвах (по [11])
Значения цвета
по шкале Манселла
Горизонт
Глубина,
см
цвето'
вой тон
(H)
A1
A2(1)
A2(1n)
A2(2)
A2B1
2–11
11–27
27–33
33–42
42–51
B1A2
51–60
B1
B2(1)t
верх
B2(1)t
низ
B2(2)g
B3(1)tg
верх
B3(1)tg
низ
IIB3(2)tg
IIB3(3)D
IIB3(4)D
60–90
90–120
A1A2
A1A2B1
B1f
B2f
IIB3
IIВС
свет'
лота
(V)
насы'
щен'
ность
(C)
Индексы красно'
цветности
по Харсту (RRH)
и Баррену–Тор'
ренту (RRB)
RRH
RRB
Значения цвета
в системе
CIE L*a*b*
Fe2O3, %
от прокаленной навески
L*
оксала' дитио'
торас' нитрас'
общее
твори' твори'
мое
мое
a*
Дерново'палево'подзолистая почва, разр. 2'71
10YR
3
2
0.00
6.67
30.8
3.9
10YR
5
3
0.00
6.00
51.6
4.9
10YR
6
3
0.00
5.00
61.7
4.3
10YR
6
2
0.00
3.33
61.7
2.8
70% 10YR 6/3,
30% 5YR4/3
1.13
4.63
56.0
7.0
70% 7.5YR 4/3,
1.31
4.79
50.3
8.3
30% 10YR7/2
5YR
4
4
5.00
5.00
41.2 13.4
10YR
4
4
0.00
10.00 41.2
7.2
b*
12.6
19.6
19.9
13.8
20.3
21.2
50.4
21.4
26.7
2.84
2.77
2.93
2.7
0.61
0.62
0.76
0.46
0.95
1.04
1.09
0.82
3.97
3.7
0.49
0.53
1.47
1.46
4.51
5.03
0.53
0.51
1.7
1.95
120–140
10YR
4
4
0.00
10.00
41.2
7.2 26.7
5.18
0.44
1.88
140–170
170–190
7.5YR
10YR
5
5
4
4
2.00
0.00
6.00
8.00
51.6
51.6
9.7 23.4
6.4 26.3
5.47
5.65
0.48
0.45
2.15
1.88
190–207
10YR
5
4
0.00
8.00
51.6
6.4 26.3
5.59
0.35
1.86
207–234
234–273
273–298
7.5YR
5YR
5YR
35.8
31.5
31.5
5.87
5.71
5.34
0.39
0.37
0.32
2.19
1.98
1.92
12.6
18.7
2.1
1.98
0.27
0.31
0.7
0.7
43.4
35.8
26.3
35.8
2.27
3.09
1.94
2.26
0.27
0.32
0.19
0.27
1.0
1.2
0.8
1.4
5
6
3.00
9.00
51.6 14.5
4
6
7.50
7.50
41.2 18.6
4
6
7.50
7.50
41.2 18.6
Дерново'скрытоподзолистая почва, разр. 18'72
2–14 10.00YR
3
2
0
6.67
30.8
3.9
14–25
83% 10YR 3/3,
0
9.58
32.5
5.7
17% 10YR4/3
25–40
5.00YR
5
8
8
8
51.4 23.3
40–70
7.50YR
5
6
3
9
51.6 14.5
70–110 10.00YR
5
4
0
8
51.6
6.4
110–130
7.50Y
5
6
3
9
51.6 14.5
CIE– L*a*b* значениям: L* = 30.77, a* = 3.95,
b* = 12.62.
Сравнение роли Fe'пигмента в
цвете почвы в системах Манселла и
C I E – L* a * b *. Трансформация цветовых коор'
динат из одной оптической системы в другую не
является самоцелью исследований, а служит
лишь инструментом, с помощью которого можно
более точно устанавливать связь между цветом
почвы и содержанием в ней пигментирующих ве'
ществ.
Для сравнения эффективности методики пре'
образования системы Манселла в систему
ПОЧВОВЕДЕНИЕ
№5
2015
CIE⎯L*a*b* были рассчитаны коэффициенты
корреляции содержания Fe'пигментов с эмпи'
рическим “Индексом красноцветности” RR по
Харсту и Баррену–Торренту (для цвета почвы в
системе Манселла) и с параметрами a* и b* (в си'
стеме CIE–L*a*b*).
В табл. 3 представлены результаты преобразо'
ваний цветовых координат в разных системах и
содержание железа как валового, так и его оксала'
то' и дитиониторастворимых соединений в дер'
ново'палево'подзолистой почве. В табл. 4 приве'
дены значения коэффициентов корреляции (r)
цветовых координат почвы в системах Манселла
534
КИРИЛЛОВА и др.
Таблица 4. Коэффициенты корреляции цветовых ко'
ординат почвы в системах Манселла и CIE–L*a*b* с
содержанием разных форм Fe2O3 в дерново'подзоли'
стых почвах
Цветовая
Fe O общее Fe2O3 окс
характеристика 2 3
Fe2O3 дит
Дерново'палево'подзолистая почва, разр. 2'71
RRH
0.44
–0.50
0.44
RRB
0.69*
–0.42
0.66*
L*
–0.28
0.21
–0.26
a*
0.65
–0.60
0.67
b*
0.86**
–0.65*
0.87х
Дерново'скрытоподзолистая почва, разр. 18'72
RRH
0.36
0.18
0.49
RRB
0.26
0.46
0.43
L*
0.42
–0.29
0.71
a*
0.46
0.17
0.64
b*
0.50
0.07
0.74**
* Значимо при p < 0.05, n = 15.
** Значимо при p < 0.1, n = 6.
и CIE–L*a*b* с содержанием Fe2O3 в различных
формах.
Коэффициенты корреляции между b* и содер'
жанием железа: общим и свободным, дитионито'
растворимым – составили 0.86 и 0.87 соответ'
ственно. Они значительно выше коэффициентов
корреляции с показателем красноцветности по
Баррену–Торренту (RRB) 0.69 и 0.66, который
рассчитывают непосредственно по значениям
шкалы Манселла. Для показателя красноцветно'
сти по Харсту не было определено ни одного зна'
чимого коэффициента корреляции, что не удиви'
тельно, так как по своему способу расчета для
всех значений цветового тона 10YR он имеет зна'
чение 0, а в дерново'подзолистой почве у боль'
шинства образцов как раз такой цветовой тон.
Аналогичные преимущества системы CIE–Lab
установлены для дерново'скрытоподзолистой
почвы (табл. 4). Отличие только в том, что из'за
меньшего числа горизонтов (n = 6) в данном про'
филе, значимость коэффициентов корреляции
была ниже: p < 0.1.
Связь показателя b* с содержанием (Fe2O3)окс
в дерново'палево'подзолистой почве в разр. 2'71
оказалась отрицательной. Это не удивительно:
содержание (Fe2О3)окс заведомо не могло дать
положительной связи с показателем b*, характе'
ризующим желтизну почв, так как основной жел'
тый пигмент – гетит αFeOOH не растворим реак'
тивом Тамма. Но отрицательная связь (Fe2О3) окс
с показателями а* и b* все же симптоматична. Де'
ло в том, что реактив Тамма сильно чувствителен к
Fe2+ [2], который обеспечивает холодные тона
почвы: синий и зеленый. При высоком содержа'
нии Fe2+ у почвы фиксируется синева (–b*) и/или
зеленость (–а*), характерная для глеевого гори'
зонта [1]. При низком содержании (Fe2О3)окс вли'
яние Fe2+ ограничивается способностью умень'
шать интенсивность теплого тона: красноты а*
и/или желтизны b*, как в данных дерново'подзо'
листых почвах.
Таким образом, проведенные вычисления по'
казали эффективность методики преобразования
системы Манселла в систему CIE–L*a*b*.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Оптическая система Манселла неудобна для
оценки роли пигментов в цвете почв статистиче'
скими методами. Эмпирические подходы преоб'
разования системы Манселла предложены только
для ограниченного диапазона цветовых тонов и
не гарантируют точного подсчета корреляцион'
ных связей пигментов с цветом почв.
Разработана современная методика преобра'
зования цвета почв в системе Манселла в систему
CIE–L*a*b*, которая не требует интерполяции
данных. С помощью программы Munsell Conver'
sion – Version 4.01 сформирован и сохранен в таб'
личном виде массив преобразованных данных,
полностью покрывающий весь диапазон цветов
шкалы Манселла, который используется почво'
ведами.
На примере дерново'подзолистых почв обос'
новано более значимое участие Fe'пигментов в ха'
рактеристике цвета почв в системе CIE–L*a*b*,
чем в системе Манселла.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Водяницкий Ю.Н. Диагностика переувлажненных
минеральных почв. М.: Почв. ин'т им. В.В. Доку'
чаева РАСХН, 2008. 143 с.
2. Водяницкий Ю.Н. Химия, минералогия и цвет
оглеенных почв. М.: Почв. ин'т им. В.В. Докучаева
РАСХН, 2006. 170 с.
3. Водяницкий Ю.Н., Васильев А.А., Кожева А.В.,
Сатаев Э.Ф. Цвет почв на аллювиальных отложе'
ниях Средне'Камской низменной равнины //
Почвоведение. 2007. № 3. С. 318–330.
4. Водяницкий Ю.Н., Горячкин С.В., Лесовая С.Н.
Оксиды железа в буроземах на красноцветных
отложениях Европейской России и цветовая диф'
ференциация почв // Почвоведение. 2003. № 11.
С. 1285–1299.
5. Водяницкий Ю.Н., Мергелов Н.С., Горячкин С.В.
Диагностика оглеения в условиях низкого содер'
жания оксидов железа (на примере почв тундры
Колымской низменности) // Почвоведение. 2008.
№ 3. С. 261–279.
6. Водяницкий Ю.Н., Шишов Л.Л. Изучение некото'
рых почвенных процессов по цвету почв. М.: Почв.
ин'т им. В.В. Докучаева РАСХН, 2006. 85 с.
ПОЧВОВЕДЕНИЕ
№5
2015
ПЕРЕВОД ЦВЕТОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВЫ ИЗ СИСТЕМЫ МАНСЕЛЛА
7. Водяницкий Ю.Н., Шишов Л.Л., Васильев А.А.,
Сатаев Э.Ф. Анализ цвета лесных почв Русской
равнины // Почвоведение. 2005. № 1. С. 16–28.
8. Карманов И.И. Спектральная отражающая способ'
ность и цвет почв как показатели их свойств. М.:
Колос, 1974. 351 с.
9. Карманов И.И., Рожков В.А. Опыт установления
количественных связей между цветовыми свой'
ствами почв и их вещественным составом // Поч'
воведение. 1972. № 12. С. 71–79.
10. Классификация и диагностика почв России. Смо'
ленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
11. Южная тайга Русской равнины. Почвы Клинско'
Дмитровской гряды // Х Международный кон'
гресс почвоведов. М., 1974. 72 с.
12. Цвет в промышленности / Под ред. Р. Мак'До'
нальда. М.: Логос, 2002. 596 с.
13. Barron V., Torrent J. Evidence for simple pathway to
maghemite in Earth and Mars soils // Geochim. Cos'
mochim. Acta. 2002. V. 66. P. 499–510.
14. Barron V., Torrent J. Use of the Kubelka'Munk theory
to study the influence of iron oxides on soil color //
J. Soil Sci. 1986. V. 37. P. 499–510.
15. Beaudette D.E. 2006. Convert Munsell colors to
computer'friendly RGB triplets. http://casoilresource.
lawr.ucdavis.edu/drupal/book/export/html/201'актуа'
льно 11.07.2014
16. Beaudette D.E., Roudier P., O’Geen A.T. Algorithms for
quantitative pedology: A tool kit for soil scientists //
Computers Geosciences. 2013. V. 52. P. 258–268.
17. Centore P. An Open'Source Inversion Algorithm for the
Munsell Renotation, 2011. http://www.99main.com/
~centore/ColourSciencePapers/OpenSourceInverse
RenotationArticle.pdf. актуально 11.07.2014
18. cmcdata.xls (http://www.pochva.com)
ПОЧВОВЕДЕНИЕ
№5
2015
535
19. Color Converter 2.3 (Robin D. Myers). http://www.
rmimaging.com/tools.html. актуально 11.07.2014
20. Hurst V.J. Visual estimation of iron in saprolit // Geol.
Soc. Am. Bull. 1977. V. 88. P. 174–176.
21. Lindbloom B. Useful Color Equations. http://www.
brucelindbloom.com/Eqn_XYZ_to_Lab.html'актуаль'
но 11.07.2014
22. Munsell Conversion – Version 4.01. http://web.archive.
org/web/20020809130910/standards.gretagmacbeth.
com/cmc/munsell.exe – актуально 11.07.2014
23. Newhall S., Nickerson D., Judd D.B. Final Report of the
O.S.A. Subcommittee on the Spacing of the Munsell
Colors // JOSA. 1943. V. 33. Iss. 7. Р. 385–418.
24. Sanchez%Maranon M., Delgado G., Melgosa M., Hita E.,
Delgado R. CIELAB color parameters and their rela'
tionship to soil characteristics in Mediterranean red
soils // Soil Science. 1997. V. 162. Р. 833–842.
25. Sanchez%Maranon M., Soriano M., Melgosa M., Delga%
do G., Delgado R. Quantifying the effects of aggrega'
tion, particle size and components on the colour of
Mediterranean soils // European J. Soil Science. 2004.
V. 55. Р. 551–565.
26. Schwertmann U., Cornell R.M. Iron oxides in the labo'
ratory // Wiley'VCH, Weinheim, 2000. 188 р.
27. Schwertmann U., Murad E., Schulze D.G. Is there Ho'
locene reddening (hematite formation) in soils of axeric
temperate areas? // Geoderma. 1982. V. 27. P. 209–
223.
28. Viscarra Rossel R.A., Minasny B., Roudier P., McBrat%
ney A.B. Colour space models for soil science // Geo'
derma. 2006. V. 133. P. 320–337.
29. World reference base for soil resources 2014. Interna'
tional soil classification system for naming soils and
creating legends for soil maps. IUSS Working Group.
World Soil Resources Reports. № 106. FAO, Rome.