รีโมตเซนซิงช่วงคลื่นแสง

รีโมตเซนซิงช่วงคลื่นแสง  รีโมตเซนซิงช่วงคลื่นแสง (Optical remote sensing) เป็นการบันทึกข้อมูลในช่วงคลื่นแสง ได้แก่ ช่วงคลื่นแสงตามองเห็น (visible), อินฟราเรดใกล้ (near infrared) และอินฟราเรดคลื่นสั้น (shortwave infrared) จากการสะท้อนพลังงานแสงอาทิตย์เมื่อตกกระทบวัตถุบนพื้นผิวโลก วัตถุแต่ละชนิดมีการสะท้อนและดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์ในแต่ละช่วงคลื่นแตกต่างกัน ค่าการสะท้อนเชิงคลื่นของแต่ละวัตถุนี้เรียกว่า "ลายเซ็นการสะท้อนเชิงคลื่น (spectral reflectance signature)" ซึ่งเป็นลักษณะที่ใช้แยกความแตกต่างของวัตถุแต่ละชนิด เช่น ค่าการสะท้อนแสงของน้ำโดยทั่วไปจะต่ำ แต่จะมีการสะท้อนสูงที่ปลายคลื่นน้ำเงิน ซึ่งทำให้น้ำใสจะปรากฏเป็นสีน้ำเงินเข้ม   ดินจะมีค่าการสะท้อนสูงกว่าพืชไปจนถึงช่วงคลื่นอินฟราเรด ค่าการสะท้อนของดินขึ้นอยู่กับส่วนผสมของดิน ตัวอย่างดินที่แสดงในภาพจะปรากฏเป็นสีน้ำตาล   ส่วนพืชจะมีค่าการสะท้อนแสงที่แตกต่างดินและน้ำ คือ ค่าการสะท้อนจะต่ำในช่วงคลื่นน้ำเงินและแดง ในขณะที่จะมีค่าการสะท้อนสูงที่ช่วงคลื่นเขียวและช่วงคลื่นใกล้อินฟราเรด

การสะท้อนพลังงานของน้ำ น้ำจะเป็นสารที่มีความสามารถในการดูดกลืนได้ดีในแทบทุกความยาวคลื่นลายเซ็นเชิงคลื่นของน้ำจึงอยู่ในระดับต่ำ ช่วงคลื่นที่น้ำมีการสะท้อนแสงเห็นได้ชัดเจนคือ 0.4-0.75 ไมครอน การสะท้อนพลังงานของน้ำใสสูงที่สุดที่ปลายช่วงคลื่นสีน้ำเงินประมาณ 0.57 ไมครอน และลดลงตามความยาวคลื่นที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นภาพของพื้นที่น้ำใสจะปรากฏเป็นสีน้ำเงินเข้มถึงดำ   การสะท้อนแสงของน้ำนอกจากจะขึ้นอยู่กับธรรมชาติของน้ำเองแล้วยังขึ้นอยู่กับสิ่งต่าง ๆ ที่ปนในน้ำด้วย กรณีที่แหล่งน้ำมีสิ่งเจือปนหรือสารแขวนลอยต่าง ๆ เช่น ตะกอน สารเคมี จะมีผลให้รูปร่างของลายเซ็นเชิงคลื่นเปลี่ยนไป น้ำขุ่นหรือน้ำที่มีตะกอนดินจะมีการกระจายของแสงโดยสารแขวนลอย จะมีการสะท้อนพลังงานปลายช่วงคลื่นสีแดง ดังนั้น น้ำขุ่นจึงปรากฏเป็นสีน้ำตาล สารเจือปนที่เป็นคลอโรฟิลล์หรือพืชในน้ำจะดูดกลืนแสงทำให้การสะท้อนแสงลดลง โดยเฉพาะในช่วงคลื่นสีน้ำเงินและสีแดง แต่มีการสะท้อนเพิ่มขึ้นในช่วงคลื่นสีเขียว ดังนั้น ในการศึกษาคุณภาพน้ำจะใช้ข้อมูลการสะท้อนพลังงานในช่วงคลื่นสีเขียว (0.5-0.6 ไมครอน) พื้นแหล่งน้ำมีอิทธิพลต่อการสะท้อนแสงในช่วงคลื่นต่าง ๆ เช่น ที่ความยาวคลื่นประมาณ 0.5-0.6 ไมครอน จะสามารถเห็นพื้นน้ำที่ลึกได้ 18 เมตร ที่ความยาวคลื่นประมาณ 0.6-0.7 ไมครอนจะเห็นพื้นน้ำที่ลึก 3 เมตร ที่ความยาวคลื่นประมาณ 0.7-0.8 ไมครอน จะเห็นได้ลึก 1 เมตร สำหรับการสำรวจหาตำแหน่งและขอบเขตของแหล่งน้ำ จะใช้ภาพในช่วงคลื่นอินฟราเรดใกล้ เพราะน้ำจะดูดกลืนคลื่นแสงในช่วง 0.8 ไมครอนเป็นต้นไป จะเห็นแหล่งน้ำปรากฏเป็นสีดำ กลับขึ้นด้านบน

การสะท้อนพลังงานของดิน ลายเซ็นเชิงคลื่นของดินจะค่อนข้างเรียบง่ายกว่าของพืช เนื่องจากปรากฏการณ์การสะท้อนพลังงานของดินมี 2 อย่าง คือ ถูกดูดกลืนหรือถูกสะท้อน จะไม่มีการส่งผ่าน    ลายเซ็นเชิงคลื่นของดินจะเปลี่ยนแปลงตามค่าความชื้นในดิน โดยเฉพาะในย่านอินฟราเรดใกล้ ซึ่งจะสะท้อนได้สูงขึ้นถ้าความชื้นลดลง และจะใกล้เคียงกับการสะท้อนของพืชสีเขียวถ้าดินแห้ง นอกจากนี้ การสะท้อนพลังงานของดินยังขึ้นกับองค์ประกอบของดิน ได้แก่ ความชื้นในดิน ปริมาณอินทรีย์วัตถุและ ปริมาณเหล็กออกไซด์ในดิน เนื้อดิน และความขรุขระของพื้นผิว ดังตัวอย่างลายเซ้นเชิงคลื่นของดินเหนียวและดินทราย (ภาพล่าง) เนื้อดินมีความสัมพันธ์กับความชื้นในดินและการสะท้อนแสงของดิน ดินเหนียวมีอนุภาคขนาดเล็ก เรียงตัวอัดแน่น ช่องว่างระหว่างเม็ดดินแคบ น้ำไหลผ่านได้ยากจึงสามารถเก็บความชื้นในดินได้มากกว่าทรายซึ่งมีช่องว่างระหว่างดินกว้างกว่า และน้ำสามารถไหลผ่านได้ง่ายกว่า ดินที่มีความชื้นมากจะมีการสะท้อนแสงน้อยเนื่องจากมีการดูดกลืนพลังงานที่ตกกระทบได้มาก และมีการสั่นสะเทือนน้อย ดินเหนียวจึงมีค่าการสะท้อนแสงต่ำกว่าทราย เนื้อดินและการเรียงตัวของเนื้อดินมีความสัมพันธ์ต่อความขรุขระและความราบเรียบของผิวหน้าดิน ดินเหนียวมีการเรียงตัวอัดแน่น ทำให้ผิวดินราบเรียบกว่าทรายที่ค่อนข้างขรุขระ ผิวที่ราบเรียบจะทำให้มีการสะท้อนแสงได้มากกว่า สำหรับอิทธิพลของการดูดกลืนคลื่นแสงของน้ำที่ Water Absorption Bands ทั้งสาม (ความยาวคลื่น 1.4, 1.9 และ 2.7 ไมครอน) ยังคงมีอิทธิพลในดินเหนียวมากกว่าทราย เนื่องจากทรายจะปล่อยน้ำซึมได้สะดวก ดังนั้นถ้าทรายมีปริมาณความชื้นต่ำลงมาก (ร้อยละ 0-4) จะไม่มีอิทธิพลของ Water Absorption Bands นอกจากอิทธิพลของน้ำในช่วง Water Absorption Bands แล้ว ดินที่มีส่วนผสมของดินเหนียว เช่น ดิน silt loam ยังมีการสะท้อนแสงลดลงเนื่องจากการดูดกลืนของสารประกอบ hydroxyl ด้วย สำหรับ Hydroxyl Absorption Bands จะอยู่ในช่วงคลื่น 1.4 และ 2.2 ไมครอน โดยในช่วงคลื่น 1.4 ไมครอนจะเป็นช่วงคลื่นเดียวกันกับ Water Absorption Bands กลับขึ้นด้านบน

การสะท้อนพลังงานของพืข ในช่วงพลังงานแสงที่ตามองเห็น (0.4 - 0.7 ไมครอน) พืชสีเขียวจะมีการสะท้อนแสงค่อนข้างต่ำ เนื่องจากสารคลอโรฟิลล์ซึ่งเป็น pigment ในใบไม้จะดูดกลืนแสงในย่านนี้ได้ดี โดยจะดูดกลืนพลังงานแสงที่ความยาวคลื่น 0.45 ไมครอน (สีน้ำเงิน) และ 0.65 ไมครอน (สีแดง) เรียกช่วงคลื่นนี้ว่า Chlorophyll Absorption Bands   พืชจะมีค่าการสะท้อนสูงสุดที่ความยาวคลื่น 0.54 ไมครอน (สีเขียว) ทำให้มองเห็นพืชที่อุดมสมบูรณ์เป็นสีเขียวเนื่องจากมีคลอโรฟิลล์มาก แต่เมื่อพืชขาดความอุดมสมบูรณ์ ไม่สามารถผลิตคลอโรฟิลด์ได้ดี มีการสะท้อนแสงสีแดงมาก จึงเห็นพืชเป็นสีเหลืองที่เกิดจากการรวมกันของสีเขียวและสีแดง ในช่วงอินฟราเรดใกล้ (0.7 - 1.3 ไมครอน) พืชจะมีการสะท้อนแสงสูงที่ความยาวคลื่นประมาณ 0.75 - 1.3 ไมครอน โดยพลังงานจะถูกสะท้อนประมาณร้อยละ 45 - 50 ของพลังงานที่ตกกระทบ และจะถูกส่งผ่านประมาณร้อยละ 45 - 50 ส่วนพลังงานที่ดูดกลืนจะมีเพียงร้อยละ 5 หรือต่ำกว่าเท่านั้น องค์ประกอบที่มีอิทธิพลต่อลักษณะการสะท้อนแสง ในช่วงคลื่นนี้คือ โครงสร้างของใบพืชที่แตกต่างกันไปตามชนิดของพืช และจำนวนใบหรือความหนาแน่นของใบ บริเวณใดที่พืชมีใบเรียงตัวเพียงชั้นเดียวจะสะท้อนแสงได้น้อยกว่าบริเวณที่มีใบพืชหนาแน่น      นอกจากนี้ลักษณะการสะท้อนพลังงานในช่วงอินฟราเรดใกล้ของพืชที่มีอาการผิดปกติทางใบจะแตกต่างจากพืชสมบูรณ์ ดังนั้นจึงสามารถใช้ค่าการสะท้อนพลังงานในช่วงอินฟราเรดใกล้สำรวจความผิดปกติทางใบของพืชได้อีกด้วย ในช่วง Shortwave infrared (1.30-3.00 ไมครอน) พลังงานส่วนใหญ่ถูกดูดกลืนหรือสะท้อนโดยใบพืช แทบจะไม่มีการส่งผ่าน  ช่วงคลื่นที่มีการสะท้อนแสงน้อย ได้แก่ ที่ความยาวคลื่น 1.4, 1.9 และ 2.7 ไมครอน เนื่องจาก พลังงานในช่วงคลื่นดังกล่าวถูกดูดกลืนไว้โดยน้ำในใบพืช เรียกช่วงคลื่นทั้งสามนี้ว่า Water Absorption Bands เป็นช่วงที่ปริมาณน้ำในใบเข้ามามีบทบาท ระดับการสะท้อนในย่านนี้จึงลดต่ำลง สำหรับช่วงคลื่นที่พืชมีการสะท้อนแสงมากได้แก่ ที่ความยาวคลื่น 1.6 และ 2.2 ไมครอน องค์ประกอบสำคัญของการสะท้อนและการดูดกลืนในช่วงคลื่นนี้คือ ความชื้นในพืช โดยเฉพาะความชื้นของใบ ถ้าความชื้นลดลงการสะท้อนแสงจะเพิ่มขึ้น ปริมาณความชื้นที่มีผลทำให้ลักษณะการสะท้อนแสงแตกต่างกันไปมากเมื่อปริมาณความชื้นลดลงเหลือเพียงร้อยละ 5.4 หรือต่ำกว่าเท่านั้น ที่ความชื้นต่ำพืชจะมีสภาพอ่อนแอ ใบที่แห้งจะมีการสะท้อนแสงมากและการผลิตคลอโรฟิลล์จะต่ำด้วย คลอโรฟิลล์จะมีอิทธิพลต่อการดูดซับและสะท้อนในช่วงที่ตามองเห็น ทำให้ลักษณะกราฟในช่วงที่ตามองเห็นต่างออกไปด้วย