บทที่ 1 พื้นฐานของการรับรู้จากระยะไกล

ในการศึกษาวัตถุ พ้ืนที่ และสภาพแวดล้อมบนโลก รวมไปถึงอวกาศ เมื่อแรกเริ่มมีเพียงการสังเกตอยู่ในช่วงคลื่นที่สายตามนุษย์มองเห็น การศึกษาในบริเวณกว้างและห่างไกลด าเนินไปด้วยความยากล าบาก ความรู้ความเข้าใจธรรมชาติของโลกและอวกาศจึงถูกจ ากัดอยู่ด้วยเทคโนโลยีตามยุคสมัย ปัจจุบันวิทยาการด้านการรับรู้จากระยะไกลมีเครื่องมือตรวจวัดที่สามารถรับรู้ข้อมูลในช่วงคลื่นอ่ืนๆ นอกเหนือจากที่มนุษย์มองเห็นและสามารถมองเห็นได้ไกลมากขึ้น รวมถึงพัฒนาการของเทคโนโลยีสารสนเทศด้านอ่ืน ท าให้การศึกษาโลกและอวกาศถูกพัฒนาไปอย่างรวดเร็ว โดยเนื้อหาบทนี้จะกล่าวถึงพ้ืนฐานของการรับรู้จากระยะไกลประกอบด้วย นิยามของการรับรู้จากระยะไกล พัฒนาการของการรับรู้จากระยะไกล ระบบการรับรู้จากระยะไกลจากพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า หลักการของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ปฏิสัมพันธ์ของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในบรรยากาศ ปฏิสัมพันธ์ของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าบนพ้ืนผิวโลก และหน้าต่างบรรยากาศ พื้นฐานของการรับรู้จากระยะไกล

ในการศึกษาสภาพแวดล้อมเชิงกายภาพของโลกในปัจจุบัน มักใช้ข้อมูลจากการส ารวจจากเครื่องมือตรวจวัด (Sensor) หลายชนิด สามารถแบ่งการท างานได้เป็น 2 รูปแบบหลัก (Jensen, J. R., 2005) คือ 1. การส ารวจในพ้ืนที่จริง (in situ) เป็นการน าอุปกรณ์ออกไปตรวจวัดข้อมูลในสถานที่จริงที่ต้องการศึกษา เช่น การเก็บข้อมูลภาคสนาม (field survey) หรือการวัดต าแหน่งของวัตถุหรือพ้ืนที่ศึกษาด้วยเครื่องรับสัญญาณจีพีเอส เป็นต้น ภาพที่ 1.1 แสดง (ก) การตรวจวัดค่าการสะท้อนของพืชพรรณ และ (ข) การวัดต าแหน่งด้วยเครื่องรับสัญญาณจีพีเอส

(ก) (ข)

ภาพที่ 1.1 การส ารวจในพ้ืนที่จริง ที่มา : (Jensen, J. R., 2005)

4

2. การรับรู้จากระยะไกล (remote sensing) เป็นการตรวจวัดข้อมูลโดยเครื่องมือตรวจวัดจากระยะที่ไกล เช่น การถ่ายภาพพ้ืนผิวโลกโดยใช้อุปกรณ์การถ่ายติดตั้งไว้บนเครื่องบิน หรือดาวเทียม เป็นต้น ภาพที่ 1.2 แสดง (ก) การถ่ายภาพทางอากาศในยุคเริ่มต้น และ (ข) ข้อมูลดาวเทียมจากดาวเทียม Landsat-5 TM

(ก)

(ข)

ภาพที่ 1.2 การรับรู้จากระยะไกล ที่มา : (ทรงกต ทศานนท์, 2550) การส ารวจในพื้นที่จริงสามารถให้ข้อมูลที่ละเอียดและมีความถูกต้อง เนื่องจากเป็นการเข้าไปตรวจวัดตามสภาพความเป็นจริง แต่มีข้อจ ากัดคือ เสียเวลาและค่าใช้จ่ายในการด าเนินการมาก เช่น การส ารวจในพ้ืนที่ในระดับประเทศหรือระดับโลก หรือส ารวจต้องต่อเนื่องเป็นเวลานาน ทั้งยังต้องเข้าถึงพ้ืนที่ได้สะดวก และในช่วงเวลาที่เหมาะสมเท่านั้น ในทางตรงกันข้าม การส ารวจโดยการรับรู้จากระยะไกล สามารถส ารวจได้ในพื้นที่ที่กว้างโดยใช้เวลาน้อย และสามารถส ารวจได้อย่างต่อเนื่องที่

5

พ้ืนที่ศึกษาเดิมตลอดเวลา ทั้งนี้ การรับรู้จากระยะไกล มีข้อควรพิจารณาบางอย่าง เช่น ความละเอียดเชิงพ้ืนที่หรือความคลาดเคลื่อนของข้อมูลจะข้ึนอยู่กับประสิทธิภาพของเครื่องตรวจวัด เป็นต้น นิยามของการรับรู้จากระยะไกล

สุรชัย รัตนเสริมพงศ์ (2536) วิทยาศาสตร์และศิลปะของการได้มาซึ่งข้อมูลเกี่ยวกับ วัตถุ พ้ืนที่ หรือ ปรากฏการณ์ จากเครื่องมือบันทึกข้อมูลโดยปราศจากการเข้าไปสัมผัสวัตถุเป้าหมาย ทั้งนี้อาศัยคุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสื่อในการได้มาของข้อมูลใน 3 ลักษณะ คือ ช่วงคลื่น (Spectral) รูปทรงสัณฐานของวัตถุบนพ้ืนผิวโลก (Spatial) และการเปลี่ยนแปลงตามช่วงเวลา (Temporal) ทรงกต ทศานนท์ (2550) ศาสตร์ของการศึกษาโครงสร้างและองค์ประกอบของพ้ืนผิวและบรรยากาศโลกจากระยะไกล โดยอาศัยอุปกรณ์ตรวจวัด ซึ่งมักใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสื่อในการได้มาซึ่งข้อมูล อาทิเช่น กล้องถ่ายภาพจากทางอากาศ หรือเครื่องกวาดภาพที่ติดตั้งไว้บนดาวเทียม เป็นต้น Lillesand, T. M. and Kiefer, R. W. (1979) การรับรู้จากระยะไกล หมายถึง วิทยาศาสตร์และศิลปศาสตร์ของการได้มาของสารสนเทศเกี่ยวกับวัตถุ พ้ืนที่ หรือปรากฏการณ์ผ่านการวิเคราะห์ข้อมูลที่ได้รับจากอุปกรณ์ท่ีไม่สัมผัสกับวัตถุ พ้ืนที่ หรือปรากฏการณ์ที่ต้องการตรวจวัด Barrett, E. C. and Curtis, L. F. (1982) การรับรู้จากระยะไกล หมายถึง การสังเกตการณ์เป้าหมายโดยอาศัยอุปกรณ์ที่อยู่ห่างไกลจากเป้าหมาย Colwell, R. N. (1997) การรับรู้จากระยะไกล หมายถึง ศิลปศาสตร์ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของการได้มาของข้อมูลเกี่ยวกับวัตถุทางกายภาพและสภาพสิ่งแวดล้อม ผ่านกระบวนการบันทึก การตรวจวัดและการแปลตีความภาพถ่ายและข้อมูลเชิงเลข ที่แสดงในรูปแบบของพลังงานจากระบบบันทึกสัญญาณที่ไม่ได้สัมผัสวัตถุ กล่าวโดยสรุป การรับรู้จากระยะไกล หมายถึง ศาสตร์ วิทยาการ และเทคโนโลยีของการได้มาซึ่งสารสนเทศเกี่ยวกับวัตถุ พ้ืนที่ และสภาพแวดล้อม จากระยะไกล โดยอาศัยคุณสมบัติของพลังงานคลื่นแม่หล็กไฟฟ้าผ่านทางกระบวนการตรวจวัด บันทึก และวิเคราะห์ข้อมูล พัฒนาการของการรับรู้จากระยะไกล

Colwell, R. N. (1979) ได้แบ่งยุคของการพัฒนาการรับรู้จากระยะไกลออกเป็น 2 ยุค เริ่มต้นยุคที่หนึ่ง ก่อนปี ค.ศ. 1960 มีระบบภาพถ่ายทางอากาศเพียงระบบเดียวที่มีบทบาทส าคัญในระบบการรับรู้จากระยะไกล และต่อมาในยุคที่สอง หลังปี ค.ศ. 1960 ได้มีการส่งยาน Mercury ขึ้นสู่อวกาศ และผลิตภาพถ่ายจากดาวเทียมขึ้นเป็นครั้งแรก ส่งผลให้การพัฒนาเทคโนโลยีจากอวกาศส าหรับการรับรู้จากระยะไกลเพ่ิมขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยสามารถแสดงพัฒนาการของการรับรู้จากระยะไกลตามช่วงเวลาได้ ตารางที่ 1.1 ซึ่งแสดงเหตุการณ์ส าคัญต่างๆ ในการพัฒนาการรับรู้จากระยะไกล ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1180-2002

6

ตารางท่ี 1.1 แสดงเหตุการณ์ส าคัญต่างๆ ในการพัฒนาการรับรู้จากระยะไกล

ค.ศ. เหตุการณ์ส าคัญ 1800 Sir W. Herschel ค้นพบคลื่นอินฟราเรด 1839 เริ่มต้นใช้งานภาพถ่าย 1847 J.B.L. Foucault น าเสนอสเปกตรัมของอินฟราเรด 1859 การถ่ายภาพจากบอลลูน 1873 J.C. Maxwell น าเสนอทฤษฎีสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า 1909 การถ่ายภาพจากเครื่องบิน 1916 สงครามโลกครั้งท่ี 1 การลาดตระเวนทางอากาศ 1935 การพัฒนาเรดาร์ในประเทศสหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมัน 1940 สงครามโลกครั้งท่ี 2 ประยุกต์ใช้ช่วงคลื่นท่ีสายตามองไม่เห็นของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า 1950 การวิจัยและพัฒนาทางการทหาร 1959 ภาพถ่ายทางอวกาศของโลกภาพแรก (Explorer-6) 1960 ส่งดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา TIROS ดวงแรก 1970 ส่งห้องปฏิบัติการลอยฟ้าการรับรู้จากระยะไกลจากอวกาศ 1971 ส่งดาวเทียม Landsat-1 (ERTS-1) เครื่องมือตรวจวัดระบบ MSS 1972 ความก้าวหน้าทางการประมวลผลภาพเชิงเลข 1978 ส่งดาวเทียม Seasat ที่เป็นยานอวกาศระบบเรดาร์ดวงแรก 1982 ส่งดาวเทียม Landsat-4 เครื่องมือตรวจวัดระบบ TM 1986 ส่งดาวเทียม SPOT 1986 การพัฒนาเครื่องมือตรวจวัดแบบ Hyperspectral 1990 การพัฒนาระบบยานอวกาศรายละเอียดสูง 1990 มีการพัฒนาเชิงพาณิชย์ทางด้านการรับรู้จากระยะไกล 1991 ส่งดาวเทียม ERS1 (Active radar) 1998 มุ่งสู่พันธกิจการส่งดาวเทียมเฉพาะเรื่อง ท่ีมีราคาถูกลง 1999 ส่งดาวเทียม EOS-TERRA: NASA Earth Observing Mission 1999 ส่งดาวเทียม IKONOS ที่มีระบบการบันทึกสัญญาณรายละเอียดสูง 2001 ส่งดาวเทียม Landsat-7 เครื่องมือตรวจวัดระบบ ETM+ 2001 ส่งดาวเทียม QuickBird ที่มีระบบการบันทึกสัญญาณรายละเอียดสูง 2002 ส่งดาวเทียม ESA’s Envisat ที่มีอุปกรณ์ที่ทันสมัย 13 ประเภท

ที่มา : (De Jong, S. M., Van der Meer, F. D. and Clevers, J. G. P. W., 2004) ระบบการรับรู้จากระยะไกลจากพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า

ระบบการรับรู้จากระยะไกลสามารถพิจารณาได้หลายรูปแบบ แต่รูปแบบหนึ่งที่ในปัจุบันน ามาใช้งานเกี่ยวกับการส ารวจ การท าแผนที่ และการติดตามทรัพยากรของโลกคือ ระบบการรับรู้จากระยะไกลจากพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า (สุวิทย์ อ๋องสมหวัง, 2554)

7

Lillesand, T. M. and Kiefer, R. W. (1979) อธิบายถึงกระบวนการและองค์ประกอบที่เกี่ยวข้องกับระบบการรับรู้จากระยะไกลจากพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในการส ารวจทรัพยากรโลก แสดงดังภาพที่ 1.3

ภาพที่ 1.3 ระบบการรับรู้จากระยะไกลจากพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในการส ารวจทรัพยากรโลก ที่มา : (Lillesand, T. M. and Kiefer, R. W., 1979)

โดยองค์ประกอบของการได้มาของข้อมูลและการวิ เคราะห์ข้อมูล ตามภาพที่ 1.3 ประกอบด้วย (a) แหล่งก าเนิดพลังงาน (source of energy) (b) การแผ่รังสีของพลังงานผ่านบรรยากาศ (propagation of energy through the atmosphere) (c) ปฏิสัมพันธ์ของพลังงานกับรูปลั กษณ์บน พ้ืนผิ ว โลก (energy interactions with earth surface features) (d) เครื่ องมือตรวจวัดบนอากาศหรือยานอวกาศ (airborne or spaceborne sensors) (e) ผลิตภัณฑ์ข้อมูล (data Product) โดยทั่วไป ผลิตภัณฑ์ข้อมูลมี 2 รูปแบบคือ ภาพถ่ายทางอากาศและข้อมูลเชิงเลข (f) การแปลตีความ (interpretation) (g) ผลิตภัณฑ์สารสนเทศ (information products) และ (h) ผู้ใช้งาน (users)

ทรงกต ทศานนท์ (2555) จ าแนกองค์ประกอบพื้นฐานได้เป็น 3 ส่วนหลัก ได้แก่ 1. แหล่งที่มาของพลังงาน ที่ใช้ในการตรวจวัด (energy/signal source) ซึ่งแบ่งออกได้เป็น

3 แบบส าคัญ คือ 1.1 พลังงานที่ตัววัตถุแผ่ออกมาเองตามธรรมชาติ (natural radiation หรือ emission)

การแผ่รังสีกรณีนี้ เป็นไปตามกฎการแผ่รังสีของแพลงค์ (Plank’s radiation law) 1.2 พลังงานจากแสงอาทิตย์ที่สะท้อนออกมาจากผิวด้านนอกของวัตถุ (reflected

sunlight) โดยอัตราการสะท้อนของพลังงานตามความยาวคลื่น จะขึ้นอยู่กับชนิดของวัตถุหรือพ้ืนผิวที่ตกกระทบ เช่น ดิน น้ า หรือพืชพรรณ

8

1.3 พลังงานจากเครื่องตรวจวัด ที่สะท้อนกลับมาจากตัววัตถุ (reflected sensor’s signal) เช่น การส ารวจข้อมูลจากระยะไกลด้วยเรดาร์ เป็นต้น

2. ระบบตรวจวัดจากระยะไกล (remote sensing system) มี 2 ส่วนประกอบกัน คือ 2.1 สถานีติดตั้ง (platform) เช่น บอลลูน เครื่องบิน หรือ ดาวเทียม 2.2 อุปกรณ์ตรวจวัด (remote sensor) ใช้พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสื่อในการตรวจวัด

ข้อมูล ยกเว้น โซนาร์ (sonar) 3. ระบบประมวลผลข้อมูล (data processing system) ส าหรับใช้ในการปรับแก้ วิเคราะห์

และแปลความหมายข้อมูลจากเครื่องมือตรวจวัดจากระยะไกล เช่น ภาพถ่ายทางอากาศ หรือข้อมูลเชิงเลข โดยในการท างานอาจใช้ทั้งผู้เชี่ยวชาญและระบบคอมพิวเตอร์ท างานร่วมกัน หลักการของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

ข้อมูลภาพจากการรับรู้จากระยะไกลจะบันทึกปฏิสัมพันธ์ของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้ากับพ้ืนผิวของโลก สิ่งส าคัญที่ต้องเข้าใจคือ คุณสมบัติของพลังงานที่สะท้อนหรือแผ่จากพ้ืนผิ วของโลกผ่านบรรยากาศไปจนถึงเครื่องมือตรวจวัด ในการแปลตีความข้อมูลภาพเหล่านี้ความรู้ในเรื่องคุณสมบัติและพฤติกรรมของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าจึงเป็นสิ่งส าคัญของการรับรู้จากระยะไกล (สุวิทย์ อ๋องสมหวัง, 2554) โดยจากความรู้พ้ืนฐานทางฟิสิกส์ พลังงานจะถูกถ่ายโอนจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งโดยอาศัยรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งของ 3 รูปแบบ (Jensen, J. R., 2007) คือ

1. การน าความร้อน (conduction) การน าความร้อนเกี่ยวข้องกับการชนกันของอะตอมหรือโมเลกุล แสดงดังภาพที่ 1.4a

2. การพาความร้อน (convection) การพาความร้อนเป็นการถ่ายโอนพลังงานภายในเนื้อของวัสดุที่ตัววัสดุมีการเคลื่อนย้ายทางกายภาพในรูปของอนุภาค แสดงดังภาพที่ 1.4b

3. การแผ่รังสี (radiation) การแผ่รังสีคือ รูปแบบที่พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าถ่ายโอนพลังงาน ผ่านตัวกลางหรือสุญญากาศ แสดงดังภาพที่ 1.4c

ภาพที่ 1.4 การถ่ายโอนพลังงาน ที่มา : (Jensen, J. R., 2007)

9

ในการศึกษาพ้ืนฐานของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า มีแบบจ าลองที่นักวิทยาศาสตร์นิยมน ามาใช้ในการอธิบายคุณลักษณะของแม่เหล็กไฟฟ้าคือ แบบจ าลองเชิงคลื่น (wave model) ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

ในแบบจ าลองเชิงคลื่น การแผ่รังสีของแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดจากความแปรผันของการสั่นตามปกติของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กโดยรอบอนุภาคท่ีมีประจุ คลื่นที่คล้ายสัญญาณรบกวนถูกส่งออกจากแหล่งก าเนิดด้วยความเร็วเท่ากับแสง (3x108 m s-1) สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยการสั่นของอนุภาคเอง สนามของแรงทั้งสองที่สัมพันธ์กันจะตั้งฉากซึ่งกันและกัน และจะตั้งฉากกับทิศทางของการเคลื่อนที่ (Lillesand, T. M. and Kiefer, R. W., 1979) ภาพที่ 1.5 แสดงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave) ประกอบด้วยคลื่นสนามไฟฟ้า (electric field, E) และสนามแม่เหล็ก (magnetic field, M) ที่ตั้งฉากกัน โดยคลื่นทั้งสองจะตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของพลังงาน

ภาพที่ 1.5 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่มา : (Lillesand, T. M. and Kiefer, R. W., 1979)

ในการรับรู้จากระยะไกล การแผ่รังสีของแม่เหล็กไฟฟ้าจะเกิดขึ้นตามความยาวคลื่นที่ต่อเนื่อง

โดยที่ความถี่ของคลื่นจากความยาวคลื่นที่สั้นซึ่งมีความถี่สูงไปยังความยาวคลื่นที่ยาวซึ่งมีความถี่ต่ า ทั้งนี้จะถูกแบ่งประเภทตามขอบเขตของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic spectrum) ที่ก าหนดในรูปแบบที่แตกต่างกัน (สุวิทย์ อ๋องสมหวัง, 2554) (ภาพที่ 1.6) การแผ่รังสีของแม่เหล็กไฟฟ้ามีดวงอาทิตย์เป็นแหล่งก าเนิดที่ส าคัญ แต่อย่างไรก็ตาม วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิมากกว่าศูนย์องศาสัมบูรณ์ (0˚K หรือ -273˚C) จะแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นกัน ดังนั้น วัตถุที่อยู่บนโลกจะเป็นแหล่งก าเนิดของการแผ่รังสี แม้ว่าจะมีขนาดและองค์ประกอบเชิงสเปกตรัมที่แตกต่างจากดวงอาทิตย์ก็ตาม (Lillesand, T. M. and Kiefer, R. W., 1979) ภาพที่ 1.7 แสดงแหล่งที่มาของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในการรับรู้จากระยะไกล

10

ภาพที่ 1.6 สเปกตรัมของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ที่มา : ปรับปรุงจาก (NASA, 2013)

ภาพที่ 1.7 แหล่งที่มาของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในการรับรู้จากระยะไกล ที่มา : (Japan Association on Remote Sensing, 1993) ในระบบการรับรู้จากระยะไกล เกี่ยวข้องโดยตรงกับการถ่ายโอนพลังงานประเภทการแผ่รังสี การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นรูปแบบหนึ่งของการแผ่รังสีของพลังงานที่มีประโยชน์มากที่สุดส าหรับการรับรู้จากระยะไกล ซึ่งจะท าให้เกิดการเชื่อมโยงทางการสื่อสารความเร็วสูงระหว่างเครื่อ งมือ

11

ตรวจวัดและสสารที่อยู่ห่างไกล (Suits, J. M., 1983) แนวความคิดเรื่องการแผ่รังสี โดยนักฟิสิกส์ที่ศึกษาคือ วัตถุด า (blackbody) ที่เป็นแบบจ าลองของตัวดูดซับ (absorber) และตัวแผ่รังสี (radiator) ของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างสัมบูรณ์ วัตถุด า (blackbody) โดยเป็นวัตถุหรือสสารสมมุติซึ่งดูดซับการแผ่รังสีที่ตกกระทบทั้งหมดและปลดปล่อยการแผ่รังสีในปริมาณที่สูงสุดทุกอุณหภูมิ แม้ว่าในโลกตามธรรมชาติไม่มีสสารใดที่มีประสิทธิภาพดังกล่าว แนวคิดวัตถุด า (blackbody concept) มีประโยชน์ส าหรับการสร้างกฎโดยการเปรียบเทียบการท างานของวัตถุด ากับตัวแผ่รังสีจริง เพ่ือประเมินประสิทธิภาพการแผ่รังสีของวัตถุนั้น (Barrett, E. C. and Curtis, L. F., 1982) โดยกฎที่เกี่ยวข้องกับการแผ่รังสีที่ส าคัญ ได้แก่ 1. กฎของสเตฟาน-โบลท์มานน์ (Stefan-Boltzmann' Law) กฎข้อนี้กล่าวว่า การแผ่พลังงาน (Emissive power) ทั้งหมดของวัตถุด าเป็นสัดส่วนกับก าลังสี่ของอุณหภูมิสัมบูรณ์ (T) ของวัตถุ ดังแสดงในสมการที่ 1.1 M = T4 (1.1) โดยที่ M คือ การแผ่รังสี (Radiant emittance) (W m-2) คือ ค่าคงที่สเตฟานโบลซ์มานน์ (Stefan-Boltzmann Constant) มีค่าเท่ากับ 5.6697x10-8 W m-2 ˚K-4 T คือ อุณหภูมิสัมบูรณ์ (˚K) ของวัสดุที่ปลดปล่อยพลังงาน ความสัมพันธ์ข้อนี้ใช้กับความยาวช่วงคลื่นที่สั้นกว่าช่วงคลื่นไมโครเวฟทั้งหมด ในบริเวณช่วงคลื่นไมโครเวฟการแผ่รังสี (Radiant emittance) ผันแปรในรูปฟังก์ชันตรงกับอุณหภูมิ T (˚K) ฉะนั้น ตามกฎของสเตฟาน-โบลท์มานน์ ตัวแผ่รังสีที่ร้อนจะปลดปล่อยพลังงานต่อหน่วยมากกว่าตัวแผ่รังสีที่เย็น

2. กฎการเลื่อนต าแหน่งของวีน (Wien's Displacement Law) กฎข้อนี้กล่าวว่า ความยาวคลื่นสูงสุดการแผ่รังสี (max) ของวัตถุด าเป็นสัดส่วนผกผันกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ (T) ของตัววัตถุด า แสดงดังสมการที่ 1.2 max = C3 /T (1.2) โดยที่ C3 คือ ค่าคงที่ มีค่าเท่ากับ 2,897 µmK T คือ อุณหภูมิสัมบูรณ์ (˚K) ในขณะที่อุณหภูมิของวัตถุด าเพ่ิมข้ึน ความยาวคลื่นสูงสุดของการแผ่รังสีจะเลื่อนต าแหน่งไปทางความยาวคลื่นสั้นของสเปกตรัม ตัวอย่างอ้างอิงส าหรับกฎข้อนี้คือ การแผ่รังสีของดวงอาทิตย์และโลก ดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิพ้ืนผิวเฉลี่ยประมาณ 6000˚K ความยาวคลื่นการแผ่รังสีสูงสุด (max)

12

เท่ากับ 0.5 ไมครอน (µm) โลกมีอุณหภูมิพ้ืนผิวเฉลี่ยประมาณ 300˚K ความยาวคลื่นการแผ่รังสีสูงสุด (max) เท่ากับ 9.0 ไมครอน ซึ่งแสดงให้เห็นว่า ความยาวคลื่นการแผ่รังสีสูงสุดของดวงอาทิตย์จะเลื่อนไปทางความยาวคลื่นสั้นของสเปกตรัม เมื่อน ามาเปรียบเทียบกับความยาวคลื่นการแผ่รังสีสูงสุดของโลก (ภาพท่ี 1.8)

ภาพที่ 1.8 กราฟความสัมพันธ์ของความยาวคลื่นการแผ่รังสีสูงสุดกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ ที่มา : (Lillesand, T. M. and Kiefer, R. W., 1979)

3. กฎของแพลงต์ (Planck's Law) กฎข้อนี้ใช้อธิบายความสัมพันธ์เชิงสเปกตรัมระหว่างอุณหภูมิและคุณสมบัติการแผ่รังสีของวัตถุด า แสดงดังสมการที่ 1.3

1/

25

1Tc

e

cM

(1.3)

โดยที่ M คือ การเปล่งรังสีเชิงคลื่น (Spectral radiant emittance) (W m-2 µm-1) คือ ค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสี (Emissivity) C1 คือ ค่าคงที่การแผ่รังสีล าดับที่หนึ่ง มีค่าเท่ากับ 3.74151 x108 W m-2 µm4 C2 คือ ค่าคงที่การแผ่รังสีล าดับที่สอง มีค่าเท่ากับ 1.433879 x104 µm K T คือ อุณหภูมิสัมมบูรณ์ (˚K)

13

กฎของแพลงต์ สามารถน ามาใช้ในการประเมินสัดส่วนของการเปล่งรังสีทั้งหมด การออกแบบเครื่องมือตรวจวัด และการแปลตีความข้อมูลที่ได้รับจากการรับรู้จากระยะไกล (ภาพท่ี 1.8) ทั้งนี้ ในการศึกษาพ้ืนฐานของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในการรับรู้จากระยะไกล สุวิทย์ อ๋องสมหวัง (2554) ได้สรุปนิยามศัพท์ทางคลื่นรังสีและหน่วยวัด โดยมีรายละเอียดแสดงไว้ใน ภาคผนวก ก ปฏิสัมพันธ์ของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในบรรยากาศ

บรรยากาศของโลกที่อยู่ระหว่างเครื่องมือตรวจวัดและเป้าหมายของการตรวจวัด มีบทบาทส าคัญในระบบการรับรู้จากระยะไกล โดยทั่วไป ซ่ึงก่อให้เกิดผลกระทบต่อคุณภาพของภาพและข้อมูลที่บันทึกโดยเครื่องมือตรวจวัด ปฏิสัมพันธ์ของการแผ่รังสีกับบรรยากาศ ประกอบไปด้วยกระบวนการทางกายภาพ 3 กระบวนการ (สุวิทย์ อ๋องสมหวัง, 2554) คือ 1. การกระเจิง การกระเจิง (scattering) เป็นการเปลี่ยนทิศทางของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าโดยอนุภาคท่ีลอยในบรรยากาศหรือโมเลกุลขนาดใหญ่ของแก๊สในบรรยากาศ การลดทอนของพลังงานซึ่งเกิดจากการกระเจิงโดยอนุภาคที่แขวนลอยในบรรยากาศจะเกี่ยวข้องกับความยาวคลื่นของการแผ่รังสี ความเข้มข้นและเส้นผ่าศูนย์กลางของอนุภาค ความหนาแน่นเชิงแสง (optical density) ของบรรยากาศ และสภาพการดูดซับ (absorptivity) ของบรรยากาศ การกระเจิงแบ่งออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่ Rayleigh, Mie และ Nonselective (Campbell, J. B., 1987) ดังภาพที่ 1.9

1.1 การกระเจิงแบบ Rayleigh (Rayleigh scattering) การกระเจิงแบบนี้ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลและอนุภาคขนาดเล็ก ที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางน้อยกว่าความยาวคลื่นรังสีที่ส่งผ่านลงมา คุณลักษณะส าคัญของการกระเจิงแบบ Rayleigh คือ จะเป็นสัดส่วนแบบผกผันกับก าลังสี่ของความยาวคลื่นที่เกี่ยวข้อง ตัวอย่าง รังสีอัลตราไวโอเลตที่มีความยาวคลื่นประมาณหนึ่งในสี่ของแสงสีแดง จะกระเจิงมากกว่าแสงสีแดงประมาณ 16 เท่า สิ่งนี้สามารถใช้อธิบายความเด่นของการจัดเรียงเชิงสเปกตรัมและความเด่นของสีแดง ณ เวลาพระอาทิตย์ตกดิน เมื่อดวงอาทิตย์อยู่ในระดับต่ ากว่าท้องฟ้า ที่ท าให้ช่วงคลื่นที่สั้นกว่าของสีแดงของแสงที่สายตามองเห็นถูกตัดออกไป เนื่องจากผลของการดูดซับของบรรยากาศและอิทธิพลของการกระเจิง ดังภาพที่ 1.9a

1.2 การกระเจิงแบบ Mie (Mie scattering) การกระเจิงแบบนี้จะเกิดขึ้นเมื่อบรรยากาศประกอบด้วยอนุภาคทรงกลมที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเท่ากับขนาดของรังสีที่ส่งผ่านลงมา ไอน้ า และอนุภาคต่างๆ ของฝุ่นเป็นตัวแทนหลักที่ท าให้เกิดการกระเจิงแบบ Mie ในคลื่นแสงที่สายตามองเห็น (visible light) ดังภาพที่ 1.9b

14

ภาพที่ 1.9 การกระเจิงในบรรยากาศ ที่มา : (Jensen, J. R., 2007)

1.3 การกระเจิงแบบ Nonselective (nonselective scattering) การกระเจิงแบบนี้มี

อนุภาคที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางยาวมากกว่าความยาวคลื่นของรังสีที่ส่งลงมาหลายหลายเท่า ตัวอย่างเช่น หยดน้ า ที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางโดยทั่วไป ระหว่าง 5-100 ไมครอน จะกระเจิงในทุกความยาวคลื่นของแสงที่สายตามองเห็น (0.4-0.7 µm) โดยมีประสิทธิภาพเท่าๆ กัน ผลที่ตามมาคือ เมฆและหมอกจะปรากฏเป็นสีขาว เนื่องจากการผสมของแม่สีหลักในปริมาณที่เท่ากันจะได้เป็นสีขาว ดังภาพที่ 1.9c 2. การดูดซับ การดูดซับ (absorption) คือ การกักเก็บพลังงานจากการแผ่รังสีโดยสสารหรือวัตถุ การดูดซับจะเกี่ยวข้องกับการแปลงรังสีตกกระทบ (incident radiation) บางส่วนให้เป็นความร้อน และจะแผ่รังสีพลังงานนั้นออกมาภายหลังอีกครั้งในขนาดความยาวคลื่นที่ยาวกว่าเดิม การดูดซับจากการแผ่รังสีเกิดขึ้นเมื่อบรรยากาศถูกปิดกั้นหรือลดทอนการส่งผ่านของการแผ่รังสีหรือพลังงานผ่านชั้นบรรยากาศ แก๊ส 3 ประเภทที่มีบทบาทส าคัญในการดูดซับพลังงานการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ ได้แก่ โอโซน คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ า (Barrett, E. C. and Curtis, L. F.) ดังภาพที่ 1.10

15

ภาพที่ 1.10 การดูดซับในบรรยากาศ ที่มา : (Jensen, J. R., 2007)

2.1 โอโซน (O3) โอโซนในบรรยากาศมีบทบาทส าคัญในการสร้างสมดุล์พลังงานของโลก การดูดซับช่วงคลื่นอัลตราไวโอเลตที่มีความยาวคลื่นสั้นและพลังงานสูงจากโอโซนช่วยป้องกันไม่ให้มีการส่งผ่านรังสีอัลตราไวโอเลตลงมาด้านล่างของบรรยากาศ

2.2 คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) คาร์บอนไดออกไซด์เกิดขึ้นส่วนใหญ่ในบรรยากาศที่มีความเข้มข้นต่ าในชั้นบรรยากาศด้านล่าง นอกจากนั้น ยังเกิดจากการปะทุของภูเขาไฟและกิจกรรมของมนุษย์ คาร์บอนไดออกไซด์มีบทบาทส าคัญในการรับรู้จากระยะไกล เนื่องจากสามารถดูดซับพลังงานการแผ่รังสีในช่วงคลื่นอินฟราเรดกลางและไกล (mid and far infrared regions) ได้อย่างมีประสิทธิภาพในช่วงคลื่นระหว่าง 13-17.5 ไมครอน

2.3 ไอน้ า (H2O) ไอน้ าพบอยู่ทั่วไปในชั้นบรรยากาศในระดับที่ต่ า โดยจะเปลี่ยนแปลงตามเวลาและสถานที่ ซึ่งแตกต่างจากโอโซนและคาร์บอนไดออกไซด์ ไอน้ าจะมีความส าคัญอย่างมากในเขตภูมิอากาศแบบร้อนชื้นและในบริเวณที่มีมวลอากาศแบบชื้น เนื่องจากไอน้ าจะมีประสิทธิภาพในการดูดซับรังสีมากกว่าการดูดซับจากแก๊สต่างๆ รวมกันหลายเท่าตัว ช่วงคลื่นส าคัญที่มีการดูดซับพลังงานจากไอน้ า คือ บริเวณความยาวคลื่นระหว่าง 5.5 ถึง 7.0 ไมครอน และความยาวคลื่นมากกว่า 27.0 ไมครอน 3. การหักเห การหักเห (refraction) คือ การดัดโค้งของรังสีแสง ณ ต าแหน่งสัมผัสระหว่างสองตัวกลางที่แสงส่งผ่าน เมื่อการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าส่งผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง การหักเหจะเกิดขึ้นเนื่องจากความหนาแน่นของตัวกลางที่แตกต่างกัน (Campbell, J. B., 1987) ภาพที่ 1.11 แสดงดัชนีของการหักเห (index of refraction, n) (Barrett, E. C. and Curtis, L. F., 1982)

16

ภาพที่ 1.11 การหักเหในชั้นบรรยากาศ ที่มา : (Jensen, J. R., 2007) ปฏิสัมพันธ์ของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าบนพื้นผิวโลก

หลังจากพลังงานการแผ่รังสีทะลุผ่านชั้นบรรยากาศ พลังงานจะส่งถึงรูปลักษณ์ของโลกก่อให้เกิดปฏิสัมพันธ์ของพลังงานกับรูปลักษณ์บนพ้ืนผิวโลก ปฏิสัมพันธ์ของการแผ่รังสีกับรูปลักษณ์บนพื้นโลก ประกอบไปด้วยกระบวนการทางกายภาพ 3 กระบวน คือ (สุวิทย์ อ๋องสมหวัง, 2554) 1. การส่งผ่าน การส่งผ่าน (transmission) จากหลักการของการอนุรักษ์พลังงาน (principle of conservation of energy) ซึ่งมีหลักส าคัญคือ เนื่องจากระบบการรับรู้จากระยะไกลส่วนใหญ่ท างานในช่วงความยาวคลื่นที่อาศัยพลังงานจากการสะท้อนเป็นหลัก ดังนั้น คุณสมบัติการสะท้อนของรูปลักษณ์บนโลกจึงเป็นคุณสมบัติที่ควรพิจารณาเป็นส าคัญ โดยสามารถอธิบายสหสัมพันธ์ของปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นทั้ง 3 รูปแบบ แสดงดังสมการที่ 1.4 (Lillesand, T. M. and Kiefer, R. W., 1979) ER() = EI() -[EA() + ET()] (1.4) โดยที่ ER แทนพลังงานที่ถูกสะท้อน (reflected energy) EI แทนพลังงานที่ตกกระทบ (incident energy) EA แทนพลังงานที่ถูกดูดกลืน (absorbed energy) และ ET แทนพลังงานที่ถูกส่งผ่าน (transmitted energy) สมการนี้เป็นสมการความสมดุลของพลังงาน (energy balance

17

equation) ที่แสดงความสัมพันธ์ร่วมระหว่างกลไกของการสะท้อน การดูดกลืน และการส่งผ่าน แสดงดังภาพที่ 1.12

ภาพที่ 1.12 ปฏิสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้ากับรูปลักษณ์บนผิวโลก ที่มา : (Lillesand, T. M. and Kiefer, R. W., 1979) 2. การสะท้อน การสะท้อน (reflection) ของพ้ืนผิวมีหลายรูปแบบ การสะท้อนแสงตรง (specular reflection) จะเกิดกับพ้ืนที่ผิวที่มีลักษณะราบเรียบซึ่งมีลักษณะคล้ายการสะท้อนแสงแบบภาพในกระจก พ้ืนผิวมีความขรุขระรังสีที่จะสะท้อนไปในหลายทิศทาง เรียกว่า การสะท้อนแสงทุกทิศทาง (diffuse reflection) ถ้าพ้ืนผิวขรุขระมาก จะไม่มีการสะท้อนเกิดขึ้นแต่ละพ้ืนผิว แต่จะเกิดการกระเจิง (scattering) แทน (Jensen, J. R., 2007) Johann Heinrich Lambert นิยามพ้ืนผิวที่เกิดการสะท้อนแสงทุกทิศทางแบบสัมบูรณ์ (perfectly diffuse surface) ว่า พ้ืนผิวแบบแลมเบิรท์ (Lambertian surface) โดยพลังงานความเข้มของการแผ่รังสีจะสะท้อนแสงออกจากทุกมุมการสะท้อนของพ้ืนผิวปกติด้วยค่าคงที ่ภาพที่ 1.13 แสดงลักษณะของพ้ืนผิว 4 รูปแบบ ประกอบด้วย (1) พ้ืนผิวสะท้อนแสงตรงแบบสัมบูรณ์ (perfect specular reflector) (2) พ้ืนผิวสะท้อนแสงตรงแบบใกล้สัมบูรณ์ (near perfect specular reflector) (3) พ้ืนผิวสะท้อนแสงทุกทิศทางแบบใกล้สัมบูรณ์ (near-perfect diffuse reflector) และ (4) พ้ืนผิวสะท้อนแสงทุกทิศทางแบบสัมบูรณ์หรือพ้ืนผิวสะท้อนแสงแบบแลมเบิรท์ (perfect diffuse reflection or Lambertian reflection) ในการรับรู้จากระยะไกล คุณลักษณะของการสะท้อนของพ้ืนผิวโลกจะอธิบายในเชิงปริมาณโดยการวัดค่าที่สัมพันธ์กับความยาวคลื่น เรียกว่า การสะท้อนเชิงคลื่น (spectral reflectance) (Lillesand, T. M. and Kiefer, R. W., 1979) ในทางทฤษฎี วัตถุแต่ละประเภทบนพ้ืนผิวโลกจะมีคุณลักษณะการสะท้อนเชิงคลื่นหรือการแผ่รังสีเชิงคลื่นที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัว ดังนั้นจึงสามารถจ าแนกรูปลักษณ์บนพ้ืนผิวโลกบนพ้ืนฐานของคุณสมบัติเชิงคลื่นของวัตถุเหล่านั้น กราฟของการสะท้อนเชิงคลื่นของวัตถุที่สัมพันธ์กับความยาวคลื่น เรียกว่า เส้นโค้งการสะท้อนเชิงคลื่น (spectral reflectance curve) แสดงดังภาพที่ 1.14

18

ภาพที่ 1.13 การสะท้อน ที่มา : (Jensen, J. R., 2007)

ภาพที่ 1.14 เส้นโค้งการสะท้อนเชิงคลื่น (Spectral reflectance curve) ที่มา : (Lillesand, T. M., Kiefer, R. W. and Chipman, J. W., 2004) 3. การดูดซับ การดูดซับ (absorption) คือ การกักเก็บพลังงานจากการแผ่รังสีโดยสสารหรือวัตถุ โดยเป็นการแปลงรังสีตกกระทบบางส่วนให้เป็นความร้อน และจะแผ่รังสีพลังงานนั้นออกมาภายหลังอีกครั้ง ในขนาดความยาวคลื่นที่ยาวกว่าเดิม ซึ่งเป็นกระบวนการทางกายภาพลักษณะเดียวกันกับการดูดซับ

19

ของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในบรรยากาศ ดังที่กล่าวไปแล้ว โดยตัวดูดซับพลังงานจะขึ้นอยู่กับชนิดหรือลักษณะของสสารหรือวัตถุท่ีแสงอาทิตย์ตกกระทบเป็นส าคัญ เช่น พืชพรรณ น้ า และดิน เป็นต้น โดยปฏิสัมพันธ์ของการแผ่พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้ากับรูปลักษณ์บนพ้ืนผิวโลกที่ส าคัญ ประกอบด้วย 1. ปฏิสัมพันธ์ของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้ากับพืชพรรณ

Hoffer, R. M. (1978) กล่าวว่า ความแตกต่างเฉพาะในการสะท้อนแสงของพืชพรรณและปัจจัยที่มีผลต่อการสะท้อนแสงที่พบในช่วงคลื่นสายตามองเห็น อินฟราเรดใกล้ และอินฟราเรดกลางของสเปกตรัม ในช่วงคลื่นสายตามองเห็นมีรงควัตถุของใบไม้เป็นปัจจัยหลัก พลังงานที่ตกกระทบใบพืชส่วนใหญ่จะถูกดูดซับและส่วนที่เหลือจะสะท้อน โครงสร้างภายในของใบควบคุมระดับการสะท้อนแสงในช่วงคลื่นอินฟราเรดใกล้ โดยที่ประมาณครึ่งหนึ่งของพลังงานที่ตกกระทบจะถูกสะท้อน อีกเกือบครึ่งหนึ่งจะถูกส่งผ่านให้ และส่วนน้อยสุดจะถูกดูดซับโดยใบ ปริมาณความชื้นของพืชพรรณทั้งหมดควบคุมการสะท้อนแสงในช่วงคลื่นอินฟราเรดกลาง ซึ่งพลังงานที่ตกกระทบส่วนใหญ่จะถูกดูซับโดยน้ าในใบ ส่วนที่เหลือจะถูกสะท้อน คุณลักษณะของเส้นโค้งการสะท้อนแสงเชิงคลื่นของพืชพรรณ แสดงดังภาพที่ 1.15

ภาพที่ 1.15 เส้นโค้งการสะท้อนเชิงคลื่นของพืชพรรณและการตอบสนองเชิงคลื่นที่ส าคัญ ที่มา : (Hoffer, R. M., 1978) 2. ปฏิสัมพันธ์ของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้ากับน้ า McCloy, K. R. (2006) กล่าวว่า พลังงานที่ตกกระทบบนพ้ืนผิวน้ าจะถูกสะท้อนจากพ้ืนผิวน้ าหรือถูกส่งผ่านลงใต้พ้ืนผิวน้ า โดยคุณสมบัติของแต่ละส่วนจะขึ้นอยู่กับมุมของการตกกระทบระหว่างพลังงานที่ตกกระทบและพ้ืนผิว พลังงานที่สะท้อนจากพ้ืนผิวมีคุณลักษณะแบบเส้นตรง

20

พลังงานส่วนใหญ่ที่ถูกส่งผ่านลงในแหล่งน้ าจะถูกดูดซับโดยองค์ประกอบทางเคมีของแหล่งน้ า หรือถูกกระเจิงโดยอนุภาคของสสารในน้ า หรือถูกสะท้อนจากพ้ืนผิวของแหล่งน้ า นอกจากนี้ การดูดซับพลังงานของน้ าจะเพ่ิมขึ้นตามความยาวคลื่นที่เพ่ิมขึ้น โดยเริ่มจากการดูดซับต่ าสุด ความยาวคลื่นประมาณ 420 นาโนเมตร จนถึงการดูดซับที่มีมากกว่า 90% ในช่วงคลื่นอินฟราเรดของสเปกตรัม ดังนั้น การกระเจิงและการสะท้อนจากน้ าส่วนใหญ่อยู่ในบริเวณสีน้ าเงิน-เขียวของสเปกตรัม โดยเฉพาะอย่างยิ่งน้ าที่ค่อนข้างบริสุทธิ์ คลอโรฟิลล์และตะกอนดินแขวนลอยมีผลต่อการสะท้อนแสงของน้ าอย่างมีนัยส าคัญ โดยที่คลอโรฟิลล์และตะกอนดินแขวนลอยจะดูดซับพลังงานที่ตกกระทบลงมา ผลกระทบของตะกอนจะขึ้นอยู่กับคุณลักษณะการสะท้อนแสงของอนุภาคตะกอน ความหนาแน่นของตะกอนในน้ า และความลึกของชั้นอนุภาค ภาพที่ 1.16 แสดงผลกระทบของคลอโรฟิลล์ในการดูดซับและผลกระทบจากตะกอนบางประเภท โดยที่ (a) น้ าบริสุทธิ์ (b) น้ าที่มีตะกอน และ (c) น้ าที่มีคลอโรฟิลด์

ภาพที่ 1.16 เส้นโค้งการสะท้อนเชิงคลื่นของน้ าประเภทต่างๆ ที่มา : (McCloy, K. R., 2006) 3. ปฏิสัมพันธ์ของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้ากับดิน McCloy, K. R. (2006) กล่าวว่า ปัจจัยที่ส่ งผลกระทบต่อการสะท้อนแสงของดิน ประกอบด้วย 3.1 องค์ประกอบทางเคมี องค์ประกอบทางเคมีของดินมีผลต่อสีของดินเนื่องจากการดูดซับแบบเฉพาะที่ (selective absorption) ความแตกต่างทางเคมีจะมีผลต่อความยาวคลื่นของการดูดซับที่แตกต่าง ตัวอย่างเช่น การสะท้อนแสงสีแดงของดินที่มีปริมาณของเหล็กออกไซด์อยู่สูง 3.2 องค์ประกอบของฮิวมัส ฮิวมัสเกิดจากการย่อยสลายของซากพืชและสัตว์ โดยจะดูดซับพลังงานในช่วงความยาวคลื่นที่สายตามองเห็น แต่พบว่า การดูดซับพลังงานช่วงคลื่นสีน้ าเงินถึงสีเขียวของสเปกตรัมค่อนข้างสูง ภาพที่ 1.17 แสดงการแปรผันคุณลักษณะของการสะท้อนแสงเชิงคลื่นของดินตามสถานภาพการย่อยสลายของซากพืชหรือซากสัตว์ โดยที่ (a) มีการย่อยสลายของ

21

อินทรีย์วัตถุน้อยที่สุด (b) มีการย่อยสลายของอินทรีย์วัตถุบางส่วน และ (c) มีการย่อยสลายของอินทรียวัตถุมากท่ีสุด

ภาพที่ 1.17 เส้นโค้งการสะท้อนเชิงคลื่นของดินที่แปรผันตามองค์ประกอบของฮิวมัส ที่มา : (McCloy, K. R., 2006) 3.3 ความชื้นในดินชั้นบน น้ าจะดูดซับพลังงานในทุกความยาวคลื่น และจะเพ่ิมขึ้นเมื่อความยาวคลื่นมากขึ้น การสะท้อนแสงของดินเกิดขึ้นในชั้นบนสุดของอนุภาคดิน ถ้าชั้นบนสุดของดินชื้นจะท าให้ค่าการสะท้อนแสงของผิวดินมีค่าค่อนข้างต่ า ภาพที่ 1.18 แสดงอิทธิพลของระดับความชื้นต่อการสะท้อนแสงของประเภทดิน โดยที่ (a) สภาพแห้ง (b) สภาพปกต ิและ (c) สภาพชื้น

ภาพที่ 1.18 เส้นโค้งการสะท้อนเชิงคลื่นของดินที่แปรผันตามความชื้นในดินชั้นบน ที่มา : (McCloy, K. R., 2006) 3.4 ความขรุขระของพ้ืนผิว ความขรุขระของพ้ืนผิวและระดับความสูงของแสงอาทิตย์จะส่งผลกระทบต่อปริมาณการเกิดเงาบนผิวดิน และส่งผลต่อการสะท้อนแสงของดิน โดยพ้ืนผิวราบเรียบจะสะท้อนแสงสูงกว่าพ้ืนผิวที่ขรุขระกว่า นอกจากนี้ กิจกรรมจากมนุษย์ เช่น การเพาะปลูกก็ส่งผลต่อการสะท้อนแสงของดินเช่นกัน

22

หน้าต่างบรรยากาศ

ปฏิสัมพันธ์ของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้ากับสภาพแวดล้อมของโลกดังที่ได้กล่าวมาแล้ว หนึ่งในกระบวนการทางกายภาพที่ส่งผลในระบบการรับรู้จากระยะไกลที่ส าคัญ คือ การดูดซับโดยบรรยากาศ ซึ่งท าให้เกิดการสูญเสียพลังงานของการแผ่รังสีให้กับองค์ประกอบของบรรยากาศ บรรยากาศจะส่งผ่านพลังงานที่มีความยาวคลื่นเฉพาะซึ่งผ่านการคัดกรองแล้วเท่านั้น พิสัยของความยาวคลื่นในบริเวณที่บรรยากาศปล่อยให้พลังงานผ่าน เรียกว่า หน้าต่างบรรยากาศ (atmospheric windows) (Lillesand, T. M. and Kiefer, R. W., 1979) ภาพที่ 1.19 แสดงหน้าต่างบรรยากาศ โดยบริเวณของสเปกตรัมที่ถูกบรรยากาศกั้นพลังงานเอาไว้ (บริเวณที่แรเงา) การได้มาของข้อมูลทางการรับรู้จากระยะไกลจะถูกจ ากัดเฉพาะบริเวณของสเปกตรัมที่ไม่ได้ถูกบรรยากาศก้ันไว้

ภาพที่ 1.19 หน้าต่างบรรยากาศ ที่มา : ปรับปรุงจาก (Lillesand, T. M. and Kiefer, R. W., 1979) สรุป

ในการศึกษาสภาพแวดล้อมเชิงกายภาพของโลกในปัจจุบัน สามารถแบ่งการท างานได้เป็น 2 รูปแบบหลัก คือ การส ารวจในพ้ืนที่จริงและการรับรู้จากระยะไกล โดยการรับรู้จากระยะไกลมีข้อได้เปรียบในด้านความสามารถส ารวจได้ในพ้ืนที่ที่กว้างโดยใช้เวลาน้อย และสามารถส ารวจ ในพ้ืนที่ศึกษาเดิมได้อย่างต่อเนื่อง ภายหลังปี ค.ศ. 1960 ได้มีการส่งยาน Mercury ขึ้นสู่อวกาศ และผลิตภาพถ่ายจากดาวเทียมขึ้นเป็นครั้งแรก ส่งผลให้การพัฒนาเทคโนโลยีจากอวกาศส าหรับการรับรู้จากระยะไกลเพ่ิมขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยองค์ประกอบของการได้มาของข้อมูลและการวิเคราะห์ข้อมูลของระบบการรับรู้จากระยะไกลจากพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ประกอบด้วย แหล่งก าเนิดพลังงาน การสะท้อนหรือแผ่รังสีของพลังงานผ่านบรรยากาศ ปฏิสัมพันธ์ของพลังงานกับรูปลักษณ์บนพ้ืนผิวโลก เครื่องมือตรวจวัดบนอากาศหรือยานอวกาศ และผลิตภัณฑ์ข้อมูล ข้อมูลภาพจากการรับรู้จากระยะไกล เกิดจากปฏิสัมพันธ์ของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้ากับสภาพแวดล้อมของโลก คุณสมบัติของพลังงานส าคัญที่เกิดขึ้นเมื่อพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านบรรยากาศจนกระทบรูปลักษณ์บนพื้นผิวโลก และจากรูปลักษณพ้ื์นผิวของโลกผ่านบรรยากาศกลับไปจนถึงเครื่องมือตรวจวัด ประกอบไปด้วยหลายคุณสมบัติหลายประการ ได้แก่ การกระเจิง การดูดซับ การหักเห การส่งผ่าน และการสะท้อน ทั้งนี้ข้ึนอยู่กับปฏิสัมพันธ์ของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าตกกระทบ

23

กับสภาพแวดล้อมใดของโลก เช่น โอโซน คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ าในบรรยากาศ หรือ พืชพรรณ น้ า และดินบนพ้ืนผิวโลก ดังนั้น ในการแปลตีความข้อมูลภาพเหล่านี้ความรู้ในเรื่องคุณสมบัติและพฤติกรรมของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าจึงเป็นสิ่งส าคัญ นักวิทยาศาสตร์จึงใช้ แบบจ าลองเชิงคลื่น มาอธิบายคุณลักษณะของแม่เหล็กไฟฟ้าในการศึกษาพ้ืนฐานของการสะท้อนหรือแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า และใช้คุณลักษณะการสะท้อนหรือแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้านี้เองมาอธิบาย การสะท้อนเชิงคลื่น เพ่ือจ าแนกรูปลักษณ์บนพ้ืนผิวโลก และใช้ เส้นโค้งการสะท้อนเชิงคลื่น มาบ่งบอกความสัมพันธ์ของการสะท้อนเชิงคลื่นของวัตถุกับความยาวคลื่น ทั้งนี้ ในการได้มาของข้อมูลทางการรับรู้จากระยะไกลควรหลีกเลี่ยงบริเวณของสเปกตรัมที่ไม่ได้ถูกบรรยากาศกั้น ซึ่งเรียกว่า หน้าต่างบรรยากาศ แบบฝึกหัดท้ายบทท่ี 1

1. จงอธิบายความหมายของการรับรู้จากระยะไกล 2. จงเปรียบเทียบข้อดีและข้อด้อยของการส ารวจในพื้นที่จริงและการรับรู้จากระยะไกล 3. จงอธิบายพัฒนาการของการรับรู้จากระยะไกล มาพอเข้าใจ 4. จงจ าแนกองค์ประกอบของระบบการรับรู้จากระยะไกล 5. จงอธิบายหลักการของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า 6. จงอธิบายสาระส าคัญของกฎของสเตฟาน-โบลท์มานน์ กฎการเลื่อนต าแหน่งของวีน และกฎของ

แพลงต์ 7. จงอธิบายปฏิสัมพันธ์ของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้ากับสภาพแวดล้อมของโลก 8. จงอธิบายความส าคัญของหน้าต่างบรรยากาศในการส ารวจด้วยการรับรู้จากระยะไกล เอกสารอ้างอิง

ทรงกต ทศานนท์. (2550). การวิเคราะห์และแปลภาพเชิงตัวเลข (Digital Image Analysis and Interpretation). มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี.

____________. (2555). หลักการรับรู้จากระยะไกล (Principles of Remote Sensing). มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี.

สุวิทย์ อ๋องสมหวัง. (2554). หลักการของการรับรู้จากระยะไกลและการประมวลผลภาพเชิงเลข (Principles of Remote Sensing and Digital Image Processing). มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี.

สุรชัย รัตนเสริมพงศ์. (2536). การส ารวจทรัพยากรธรรมชาติด้วยดาวเทียม. โรงพิมพ์ชุมนุมสหกรณ์การเกษตรแห่งประเทศไทย. กรุงเทพฯ.

Barrett, E. C. and Curtis, L. F. (1982). Introduction to Environmental Remote Sensing. 2nd Edition. Chapman and Hall, London.

Campbell, J. B. (1987). Introduction to Remote Sensing. The Guilford Press, New York.

24

Colwell, R. N. (1979). Remote sensing of natural resource-retrospect and prospect; Proceedings of Remote Sensing for Natural Resources, an International View of Problems, Promise and Accomplishments. University of Idao. Idao.

___________. (1997). History and Place of Photogrammetric Interpretation. In Manual of Photographic Interpretation, 2nd Ed., W. R. Phillipson (ed.), American Society for Photogrammetry & Remote Sensing. Virginia.

De Jong, S. M., Van der Meer, F. D. and Clevers, J. G. P. W. (2004). Basic of Remote Sensing. In Remote Sensing Image Analysis: Including the Spatial Domain. De Jong, S.M., van der Meer, F.D. (eds.) Kluwer Academic Publishers. Netherlands.

Hoffer, R. M. (1978). Biological and Physical Considerations in Applying Computer-Aided Analysis Techniques to Remote Sensing Data. In Remote Sensing: The Quantitative Approach (Editors: P. H. Swain and S. M. Davis) MrGraw-Hill. New York.

Japan Association on Remote Sensing. (1993). Remote Sensing Note. Nihon Printing Co. Ltd. Tokyo.

Jensen, J. R. (2005). Introductory Digital Image Processing: A Remote Sensing Perspective. 3rd Edition. Pearson Prentice Hall. USA.

__________. (2007). Remote Sensing of the Environment: An Earth Resource Perspective. 2nd Edition. Practice Hall. USA.

Lillesand, T. M. and Kiefer, R. W. (1979). Remote Sensing and Image Interpretation. John Wiley & Sons, Inc. New York.

Lillesand, T. M., Kiefer, R. W. and Chipman, J. W. (2004). Remote Sensing and Image Interpretation. John Wiley & Sons, Inc. New York. McCloy, K. R. (2006). Resources Management Information Systems: Remote

Sensing, GIS and Modelling. 2nd Edition. CRC Press Taylor & Francis Group. Florida.

National Aeronautics and Space Administration (NASA). (2013). The Electromagnetic Spectrum. Image the universe. [Online]. Available: http://imagine.gsfc.nasa. gov/science /toolbox/emspectrum1.html [2015, February. 10]

Suits, J. M. (1983). Matter-Energy Interaction in the Optical Region. In Manual of Remote Sensing, 2nd Edition (Editor R. N. Colwell) American Society of Photogrammetry, 61 - 113.