Remote Sensing การสำรวจระยะไกล: การสำรวจระยะไกลย่านแสงที่ตามองเห็นและอินฟราเรดสะท้อน

รีโมตเซนซิงช่วงคลื่นแสง (Optical remote sensing) เป็นการบันทึกข้อมูลในช่วงคลื่นแสง ได้แก่ ช่วงคลื่นแสงตามองเห็น (visible), อินฟราเรดใกล้ (near infrared) และอินฟราเรดคลื่นสั้น (shortwave infrared) จากการสะท้อนพลังงานแสงอาทิตย์เมื่อตกกระทบวัตถุบนพื้นผิวโลก

วัตถุแต่ละชนิดมีการสะท้อนและดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์ในแต่ละช่วงคลื่นแตกต่างกัน การสะท้อนเชิงคลื่นของแต่ละวัตถุนี้เรียกว่า "ลายเซ็นการสะท้อนเชิงคลื่น (spectral reflectance signature)" ซึ่งเป็นลักษณะที่ใช้แยกความแตกต่างของวัตถุแต่ละชนิด เช่น ค่าการสะท้อนแสงของน้ำโดยทั่วไปจะต่ำ แต่จะมีการสะท้อนสูงที่ปลายคลื่นน้ำเงิน ซึ่งทำให้น้ำใสจะปรากฏเป็นสีน้ำเงินเข้ม ดินจะมีค่าการสะท้อนสูงกว่าพืชไปจนถึงช่วงคลื่นอินฟราเรด ค่าการสะท้อนของดินขึ้นอยู่กับส่วนผสมของดิน ตัวอย่างดินที่แสดงในภาพจะปรากฏสีน้ำตาล ส่วนพืชจะมีค่าการสะท้อนแสงที่แตกต่างดินและน้ำ คือ ค่าการสะท้อนจะต่ำในช่วงคลื่นน้ำเงินและแดง ในขณะที่จะมีค่าการสะท้อนสูงที่ช่วงคลื่นเขียวและช่วงคลื่นใกล้อินฟราเรด

ภาพระดับการสะท้อนการแผ่รังสี และความยาวคลื่น

ภาพถ่ายแบบ visible แสดงให้เห็นถึงปริมาณแสงอาทิตย์ที่สะท้อนกลับไปยังอวกาศโดยเมฆ ละอองของเหลว กาส และพื้นผิวโลก เมฆที่หนากว่ามีค่าการสะท้อนสูงกว่า (ค่าalbedo) และ จะสว่างกว่าเมฆที่บางกว่า อย่างไรก็ตามมันก็ยากที่จะแยกว่าเป็นเมฆระดับต่ำ กลาง หรือสูงในภาพถ่ายแบบ visible นี้ถ้ามันมีค่า albedo เดียวกัน และสำหรับความแตกต่างนี้ภาพถ่ายดาวเทียมแบบอินฟราเรดจะมีประโยชน์

ภาพถ่ายแบบคลื่นแสงที่ตามองเห็น (Visible)

การวัดอินฟราเรดจากดาวเทียมมีความสัมพันธ์กันอุณหภูมิความสว่าง สำหรับภาพอินฟราเรด วัตถุที่มีความร้อนกว่าจะมีสีที่มืดกว่าวัตถุที่มีอุณหภูมิเย็นกว่าเมื่ออุณหภูมิที่ชั้นบรรยากาศชั้นล่างสุดลดลงตามความสูง เมฆระดับสูงจะมีความเย็นมากกว่าเมฆระดับต่ำ ดังนั้นเมฆระดับต่ำ จะเห็นว่ามีสีที่เข้มกว่าในภาพถ่ายอินฟราเรด และเมฆที่สูงกว่า

ภาพถ่ายแบบคลื่นอินฟราเรด (Infrared)

ปฏิสัมพันธ์ของพลังงานในชั้นบรรยากาศ (Energy Interaction in the Atmosphere)

คลื่นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศ แล้วสะท้อนกลับสู่บรรยากาศก่อนที่จะถูก

บันทึกโดยอุปกรณ์สำรวจชั้นบรรยากาศของโลก จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของคลื่นพลังงานในด้าน

ทิศทาง ความเข้ม ตลอดจนความยาวและความถี่ของช่วงคลื่น เพราะชั้นบรรยากาศประกอบด้วยฝุ่นละออง

ไอน้ำ และก๊าซต่างๆ ทำให้เกิดปฏิกิริยากับคลื่นพลังงาน 3 กระบวนการคือ การกระจัดกระจาย (Scattering)

การดูดซับ (Absorption) และการหักเห (Refraction) ปริมาณพลังงานตกกระทบผิวโลกน้อยลง

การกระจัดกระจาย (Scattering) เกิดเนื่องจากอนุภาคเล็กๆ ในบรรยากาศมีทิศทางการกระจายไม่แน่นอนขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาคและความยาวคลื่น ดังนี้

ก.) การกระจายแบบ Rayleigh Scattering เกิดขึ้นเนื่องจากขนาดของอนุภาคมีขนาด เส้นผ่าศูนย์กลางเล็กกว่าความยาวคลื่นที่ตกกระทบ ท าให้เกิดสภาวะหมอกควัน (Haze) ความคมชัดของภาพลดลง

ข.) การกระจายแบบ Mie Scattering เกิดขึ้นเมื่อขนาดของอนุภาคมีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่น

เช่น ไอน้ าฝุ่นละออง เกิดในความยาวของช่วงคลื่นยาวกว่าแบบแรก

ค.) การกระจายแบบ Nonselective Scattering เกิดขึ้นเมื่อเส้นผ่าศูนย์กลางของอนุภาคมีขนาดใหญ่

กว่าความยาวคลื่นที่ตกกระทบ เช่น หยดน้ า โดยทั่วไปมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางอนุภาค 5-10 ไมครอน

จะสะท้อนความยาวคลื่นตามองเห็น (Visible Wavelength) และคลื่นอินฟราเรดสะท้อน (Reflected Infrared) ได้เกือบเท่ากัน ซึ่งในช่วงความยาวคลื่นที่ตามองเห็น ปริมาณของคลื่นต่างๆ เช่น น้ำเงิน สีขาว และช่วงคลื่นสะท้อนทุกทิศทางเท่ากันทำให้มองเห็นเฆมเป็นสีขาว

การดูดซับ (Absorption) การดูดซับทำให้เกิดการสูญเสียพลังงาน การดูดซึมพลังงานจะเกิดขึ้นที่ความยาวของคลื่นบางช่วง สารที่ดูดซับพลังงานที่ส าคัญในบรรยากาศได้แก่ไอน้ำ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และโอโซน เนื่องจากสารเหล่านี้จะดูดซึมพลังงานที่มีความยาวคลื่นเฉพาะ ดังนั้นจะมีบางช่วงคลื่นที่สามารถทะลุทะลวง หรือผ่านชั้นบรรยากาศลงมาที่ผิวโลกได้เรียกว่า หน้าต่างบรรยากาศ (Atmospheric Window) ซึ่งมีหน้าต่างบรรยากาศในช่วงความยาวคลื่นตามองเห็น (0.3-0.7 m m) และช่วงอินฟราเรดสะท้อนกับอินฟราเรดช่วงความร้อน ช่วงของหน้าต่างบรรยากาศเหล่านี้จะมีประโยชน์ต่อการพัฒนาเลือกระบบอุปกรณ์บันทึกภาพในสัมพันธ์กับการสะท้อนของช่วงคลื่นต่างๆ

การหักเห (Refraction) เกิดขึ้นเมื่อแสงเดินทางผ่านบรรยากาศที่มีความหนาแน่นแตกต่างกัน ซึ่ง

ปริมาณการหักเหกำหนดโดยค่าดัชนีของการหักเห ที่เป็นอัตราส่วนระหว่างความเร็วของแสงในสูญญากาศ

กับความเร็วของแสงในชั้นบรรยากาศ ทำให้มีผลต่อการคลาดเคลื่อนของตตำแหน่งที่ปรากฏบนภาพ แต่สามารถปรับแก้ไขได้โดยกระบวนการปรับแก้ภาพภายหลัง

ปฏิสัมพันธ์ของพลังงานกับวัตถุบนพื้นผิวโลก (Energy Interaction with Earth Surface Features)

เมื่อพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านชั้นบรรยากาศมาตกกระทบพื้นผิวโลกจะเกิดปฏิกิริยา 3 อย่างคือ

การสะท้อนพลังงาน : Reflection = ER (l )

การดูดซับพลังงาน : Absorption = EA (l)

การส่งผ่านพลังงาน : Transmission = E T (l)

อันเป็นปรากฏการณ์สำคัญในการสำรวจข้อมูลระยะไกลของวัตถุบนพื้นผิวโลก ซึ่งเขียนเป็นสมการความสมดุลย์พลังงาน (Energy Balance Equation) ได้ดังนี้

EI (l) = ER (l ) + EA (l) + E T (l)

เมื่อ EI (l) = พลังงานตกกระทบ (Incident Energy) ซึ่งได้รับจากแหล่งพลังงาน

สัดส่วนของการดูดซับ การส่งผ่าน การสะท้อนพลังงานจะแตกต่างกันตามชนิดของวัตถุ ซึ่งทำให้สามารถแยกชนิดของวัตถุบนภาพที่บันทึกไว้ได้ นอกจากนี้ในวัตถุเดียวกันสัดส่วนของการเกิดปฏิกิริยาทั้งสามจะแตกต่างกันตามความยาวของช่วงคลื่นที่ตกกระทบอีกด้วย วัตถุสองชนิดอาจจะไม่แตกต่างกันในช่วงคลื่นหนึ่ง แต่จะสามารถแยกจากกันได้ในอีกช่วงคลื่นหนึ่ง ในช่วงคลื่นส่วนสายตามองเห็น (Visible Portion) ความแตกต่างกันทางด้านคลื่นรังสี (Spectral) ของวัตถุจะแสดงให้เห็นในรูปของสีต่างๆ เช่น การที่เราเห็นวัตถุเป็นสีเขียว เนื่องจากวัตถุนั้นสะท้อนพลังงานในช่วงคลื่นสีเขียวมาก