Remote Sensing การสำรวจระยะไกล: กลไกการสะท้อนแสงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และการปล่อยคลื่นอินฟราเรดของโลก

ความยาวคลื่นและความถี่คลื่น มีความสัมพันธ์กันแบบผกผัน คือ ถ้าความยาวคลื่นมากความถี่จะน้อย ความยาวคลื่นมีหน่วยวัดเรียกว่า ไมโครมิเตอร์ (Micrometer, m m.) หรือไมครอน (Micron) ซึ่งเท่ากับ 0.000001 ม. หรือ10-6 ม. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แบ่งออกได้ตามความยาวของคลื่นที่ เรียกว่า ช่วงคลื่น (Band) ตั้งแต่ช่วงคลื่นที่มีความยาวสั้นที่สุด คือรังสีคอสมิค(Cosmic ray) มีความยาวคลื่นน้อยกว่า 10-10 ไมครอน จนถึงช่วงคลื่นวิทยุที่มีความยาวคลื่นหลายกิโลเมตร สำหรับคุณสมบัติของช่วงคลื่น ประกอบไปด้วยช่วงคลื่นตามลำดับของความยาวดังนี้ รังสีแกมม่า รังสีเอ็กซ์ อุลตราไวโอเล็ต รังสีช่วงที่ตามองเห็น อินฟราเรดไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ ช่วงคลื่นที่ใช้ประกอบในการสำรวจข้อมูลระยะไกลส่วนใหญ่อยู่ใน ความยาวคลื่นเชิงแสง (Optical Wavelength) คือ 0.34 -14 ไมครอน ซึ่งสามารถถ่ายภาพและบันทึกภาพด้วยฟิล์มถ่ายรูปและอุปกรณ์บันทึกภาพ (Sensor) ช่วงคลื่นที่มีผลตอบสนองต่อตาของมนุษย์คือ 0.3-.07 ไมครอน แบ่งเป็น 3 ช่วงคือ น้ำเงิน เขียว และแดง ถัดไปเป็นช่วงคลื่นใต้แดง (Infrared) แบ่งเป็น 2 ช่วงกว้างๆ คือ อินฟราเรดช่วงใกล้ (Near Infrared) หรือ อินฟราเรดที่สะท้อนแสงระหว่าง 0.7 – 3 ไมครอน และอินฟราเรดช่วงความร้อนระหว่าง 3 -15 ไมครอน

ภาพความยาวช่วงคลื่นและความเข้มของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของดวงอาทิตย์และโลก

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Spectrum) เป็นพลังงานต่อเนื่องที่มีค่าความยาวของช่วงคลื่น ตั้งแต่หลายเมตรถึงเศษส่วนของพันล้านเมตร (Nanometer; 10-9 ม.) ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิดพลังงาน ในรูปแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งจะแผ่พลังงานไปตาม ทฤษฎีของคลื่น (Wave Theory) ที่มีการเคลื่อนที่แบบ ฮาร์โมนิค(Harmonic) มีช่วงซ้ำและจังหวะเท่ากันในเวลาหนึ่ง มีความเร็วเท่าแสง (c) ระยะทาง จากยอดคลื่นถึงยอดคลื่นถัดไปเรียกว่าความยาวคลื่น (l ) และจำนวนยอดคลื่นที่เคลื่อนผ่านจุดคงที่จุดหนึ่งต่อหน่วยเวลา เรียกว่า ความถี่คลื่น ( f ) ซึ่งมีความสัมพันธ์กันตามสมการ

l = c / f

โดย l = ความยาวคลื่น (mm.)

c = ความเร็วของแสง (มีค่าคงที่= 3 x 108 ม. / วินาที)

f = ความถี่ของคลื่น (รอบ / วินาทีหรือ Hertz)

ภาพแถบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ความยาวช่วงคลื่นและความเข้มของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อยู่กับอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น ดวงอาทิตย์ มีอุณหภูมิ 6,000 K จะแผ่พลังงานในช่วงคลื่นแสงมากที่สุด วัตถุบนพื้นโลกส่วนมากจะมีอุณหภูมิประมาณ 300 K จะแผ่พลังงานช่วงอินฟราเรดความร้อนมากสุด คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศจะถูกโมเลกุลอากาศ และฝุ่นละอองในอากาศดูดกลืน และขวางไว้ทำให้คลื่นกระเจิงคลื่นออกไป คลื่นส่วนที่กระทบถูกวัตถุจะสะท้อนกลับ และเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศมาตกสู่อุปกรณ์วัดคลื่น

เนื่องจากวัตถุต่างๆ มีคุณสมบัติการสะท้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ช่วงคลื่นต่างๆไม่เหมือนกัน ดังนั้นเราจึงสามารถใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการสำรวจจากระยะไกลได้ รูปต่อไปนี้แสดงลักษณะการสะท้อนแสงเปรียบเทียบระหว่างวัตถุต่างชนิดกันที่ช่วงคลื่นต่างกัน ความสามารถในการสะท้อนแสงของวัตถุต่างๆบนพื้นโลกสามารถสรุปได้ดังนี้

• น้ำสะท้อนแสงในช่วงแสงสีน้ำเงินได้ดี และดูดกลืนคลื่นในช่วงอื่นๆ และให้สังเกตว่าน้ำจะดูดกลืนคลื่น IR ช่วง 0.91 mm ในช่วงนี้ได้ดีมาก

• ดินสะท้อนแสงในช่วงคลื่นแสงได้ดีทุกสี

• พืชสะท้อนแสงช่วงสีเขียวได้ดี และสะท้อนช่วงอินฟราเรดได้ดีกว่าน้ำและดินมาก

ตารางแสดงความยาวช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่างๆ

ช่วงคลื่น	ความยาวช่วงคลื่น	รายละเอียด
รังสีแกมม่า (Gamma ray)	< 0.03 ไมครอน	รังสีแกมม่าถูกดูดซึมทั้งหมดโดยบรรยากาศชั้นบน จึงไม่ได้ใช้สำรวจระยะไกล
รังสีเอ็กซ์ (X-ray)	0.03 - 3.1 ไมครอน	รังสีเอ็กซ์เรย์ถูกดูดซึมทั้งหมดโดยชั้นบรรยากาศเช่นกัน
รังสีเหนือม่วงหรือรังสีอุลตราไวโอเลต (Ultraviolet)	0.03 - 0.4 ไมครอน	ช่วงคลื่นสั้นกว่า 0.3 ไมครอน ถูกดูดซึมทั้งหมดโดยโอโซน (O3 ) ในบรรยากาศชั้นบน
ช่วงคลื่นไวโอเลตภาพถ่าย (Photographic UV band)	0.3 - 0.4 ไมครอน	ช่วงคลื่นสามารถผ่านชั้นบรรยากาศ สามารถถ่ายภาพด้วยฟิล์มถ่ายรูปแต่การกระจายใน ชั้นบรรยากาศเป็นอุปสรรคมาก
ช่วงคลื่นตามองเห็นได้ (Visible)	0.4 - 0.7 ไมครอน	บันทึกภาพด้วยฟิล์มและอุปกรณ์บันทึกภาพได้ รวมทั้งช่วงคลื่นที่โลกมีการสะท้อนพลังงานสูงสุด(reflected energy peak) ที่ 0.5 ไมครอน ช่วงคลื่นแคบที่มีผลตอบสนองสายตา มนุษย์แบ่งได้ 3 ช่วงย่อย คือ 0.4-0.5 ไมครอน น้ำเงิน 0.5-0.6 ไมครอน สีเขียว 0.6-0.7 ไมครอน สีแดง
อินฟราเรด (Infrared)	0.7 - 100 ไมครอน	มีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุตามความยาวคลื่นและการผ่านชั้นบรรยากาศ มีการดูดซึม ในบางช่วงคลื่น
ช่วงคลื่นอินฟราเรดชนิดสะท้อน (Reflected IR band)	0.7-3.0 ไมครอน	สะท้อนรังสีดวงอาทิตย์ ซึ่งไม่มีรายละเอียดเกี่ยวกับช่วงความร้อนของวัตถุช่วง คลื่น 0.7-0.9 ไมครอน สามารถถ่ายรูปด้วยฟิล์มเรียกว่าช่วงคลื่นอินฟราเรด photographic IR band
ช่วงคลื่นอินฟราเรดชนิด ความร้อน (Thermal IR band)	3-5 ไมครอน 8-14 ไมครอน	การบันทึกภาพต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ เช่น ตัวกวาดตรวจ (scanners) ไม่สามารถ บันทึกภาพได้ทั้งระบบ active และpassive
คลื่นสั้น (Microwave)	0.1-30 cm	ช่วงคลื่นยาวสามารถทะลุผ่านหมอกและฝนได้บันทึกภาพได้ทั้งระบบ active และ passive
เรดาร์ (Radar)	0.1-3.0 cm	ระบบ active มีความยาวช่วงคลื่นต่างๆ เช่น Ka band (10 mm), X band (30มม.) และ L band (25 ซม.)
วิทยุ (Radio)	> 30 cm	ช่วงคลื่นที่ยาวที่สุด บางครั้งมีเรดาร์อยู่ในช่วงนี้ด้วย