• ภาษาไทย
  • English

พื้นฐานการรับรู้จากระยะไกล (1)

พื้นฐานการรับรู้จากระยะไกล (1)

ความหมายของการรับรู้ระยะไกล

      Remote Sensing ในภาษาไทยมีคำแปลที่ใช้กันอยู่หลายคำ ได้แก่ “การรับรู้จากระยะไกล” “การสำรวจข้อมูลจากระยะไกล” “โทรสัมผัส” และ “โทรนิทัศน์” เป็นต้น โดยราชบัณฑิตยสถานใช้คำว่า  “การรับรู้จากระยะไกล”

      การรับรู้จากระยะไกล เป็นวิทยาศาสตร์และศิลปะของการได้มาซึ่งข้อมูลเกี่ยวกับวัตถุ พื้นที่ และปรากฏการณ์บนพื้นโลก จากเครื่องรับรู้ (Sensor) โดยปราศจากการเข้าไปสัมผัสวัตถุเป้าหมาย ทั้งนี้อาศัยพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic energy) เป็นสื่อในการได้มาของข้อมูลซึ่งมีคุณสมบัติ 3 ประการ คือ ลักษณะการสะท้อนช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Spectral characteristics) ลักษณะเชิงพื้นที่ของวัตถุบนพื้นผิวโลก (Spatial characteristics) และลักษณะการเปลี่ยนแปลงของวัตถุตามช่วงเวลา (Temporal characteristics)

กระบวนการและองค์ประกอบการรับรู้จากระยะไกล

กระบวนการและองค์ประกอบการรับรู้จากระยะไกลประกอบด้วย

       การได้มาซึ่งข้อมูล (Data acquisition) โดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดพลังงาน เช่น ดวงอาทิตย์ (ก) เคลื่อนที่ผ่านชั้นบรรยากาศ (ข) เกิดปฏิสัมพันธ์ของพลังงานกับรูปลักษณ์พื้นผิวโลก (ค) และเดินทางเข้าสู่เครื่องรับรู้ที่ติดตั้งในตัวยาน ได้แก่ เครื่องบิน ยานอวกาศ และดาวเทียม (ง) ถูกบันทึก และผลิตเป็นข้อมูลในรูปแบบภาพ (Pictorial หรือ Photograph) และ/หรือรูปแบบเชิงเลข (Digital form) (จ)

       การวิเคราะห์ข้อมูล (Data analysis) ประกอบด้วย การแปลตีความข้อมูลด้วยสายตา (Visual interpretation) และการวิเคราะห์ข้อมูลเชิงเลข (Digital analysis) (ฉ) โดยมีข้อมูลอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องประกอบด้วยข้อมูลอ้างอิงต่างๆ เช่น แผนที่ดิน ข้อมูลปฏิทินและสถิติการปลูกพืช และอื่นๆ ได้ผลิตผล (ช) ของการแปลตีความในรูปแบบแผนที่ ข้อมูลเชิงเลข ตาราง คำอธิบาย หรือแผนภูมิ เป็นต้น เพื่อใช้ประโยชน์ต่อไป (ซ)

ภาพกระบวนการและองค์ประกอบการรับรู้จากระยะไกล

ภาพกระบวนการและองค์ประกอบการรับรู้จากระยะไกล

แหล่งพลังงานและหลักการแผ่รังสี (Energy sources and radiation principle)

ความยาวคลื่น

        ความยาวคลื่นของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (ภาพที่ 3.2) เป็นพลังงานต่อเนื่องที่มีค่าความยาวของช่วงคลื่นหลายเมตรถึงเศษส่วนของพันล้านเมตร (Nanometer; 10-9 เมตร) โดยดวงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานในรูปแม่เหล็กไฟฟ้าทางธรรมชาติที่สำคัญและเป็นหลักทางการรับรู้จากระยะไกล ซึ่งจะแผ่พลังงานไปตามทฤษฎีของการแผ่พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic theory) แยกออกเป็นทฤษฎีคลื่น (Wave theory) และทฤษฎีอนุภาค (Particle theory) ซึ่งในทางการรับรู้จากระยะไกลจะใช้ทฤษฎีคลื่นเป็นหลักที่มีการเคลื่อนที่แบบฮาร์โมนิค(Harmonic motion) มีช่วงซ้ำและจังหวะเท่ากันในเวลาหนึ่งมีความเร็วเท่าความเร็วแสง (c) ระยะทางจากยอดคลื่นถึงยอดคลื่นถัดไปเรียกว่าความยาวคลื่น (λ) และจำนวนยอดคลื่นที่เคลื่อนผ่านจุดคงที่จุดหนึ่งต่อหน่วยเวลาเรียกว่า ความถี่คลื่น (f) ซึ่งมีความสัมพันธ์ กับความเร็วคลื่น คือ

Λ = C/F

โดยที่  λ = ความยาวคลื่น

c = ความเร็วของคลื่นมีค่าคงที่ 3 x 108 เมตร/วินาที

f = ความถี่คลื่น จำนวนรอบต่อวินาที (cycle/sec หรือ hertz)

          จากสมการความยาวคลื่นกับความถี่คลื่น มีความสัมพันธ์กันแบบผกผัน คือ ความยาวคลื่นมากความถี่คลื่นจะน้อย ความยาวคลื่นมีหน่วยวัดเรียกว่า ไมโครเมตร (Micrometer) หรือไมครอน (Micron, μ) ซึ่งเท่ากับ 0.000001 เมตร หรือ 10-6 เมตร มีรายละเอียดของความยาวคลื่นในมาตราเมตริกดังตาราง

หน่วย ความยาว
กิโลเมตร (km) 1,000 m
เมตร (m) 1.0 m
เซนติเมตร (cm) 0.01 m = 10-2
มิลลิเมตร (mm) 0.001 m = 10-3
ไมโครเมตร (μm) 0.000001 m = 10-6
นาโนเมตร (nm) 10-9
อังสตรอม (A°) 10-10

          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบ่งตามความยาวคลื่นที่เรียกว่า ช่วงคลื่น (Band) ตั้งแต่ช่วงคลื่นที่สั้นที่สุด คือ รังสีคอสมิก (Cosmic rays) มีความยาวช่วงคลื่นน้อยกว่า 10-10 เมตร จนถึงช่วงคลื่นวิทยุที่มีความยาวคลื่นหลายกิโลเมตร สำหรับคุณสมบัติของช่วงคลื่น ประกอบด้วยช่วงคลื่นตามลำดับความยาวดังนี้ รังสีแกมมา รังสีเอกซ์ อัลตราไวโอเลต ช่วงคลื่นตามองเห็น อินฟราเรด ไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ

ภาพลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic spectrum)

ภาพลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic spectrum)

ภาพช่วงคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ภาพช่วงคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ช่วงคลื่นที่ใช้ประกอบในการรับรู้จากระยะไกล แบ่งได้เป็น 2 กลุ่ม คือ

ช่วงคลื่นเชิงแสง (Optical wavelength) อยู่ระหว่าง 0.4-14 ไมโครเมตร สามารถถ่ายภาพและบันทึกภาพด้วยฟิล์มถ่ายรูป และเครื่องรับรู้ ประกอบไปด้วย ช่วงคลื่นที่มีผลตอบสนองต่อตาของมนุษย์ หรือช่วงคลื่นตามองเห็น (Visible light) อยู่ระหว่าง 0.4-0.7 ไมโครเมตร แบ่งเป็น 3 ช่วงคือ น้ำเงิน เขียวและแดง ถัดมาเป็นช่วงคลื่นอินฟราเรดใกล้ (Near infrared) หรืออินฟราเรดสะท้อนซึ่งอยู่ระหว่าง 0.7-3 ไมโครเมตร และอินฟราเรดความร้อน (Thermal infrared) ระหว่าง 3-15 ไมโครเมตร
ช่วงคลื่นไมโครเวฟ อยู่ระหว่าง 1 มิลลิเมตรถึง 1 เมตร โดยช่วงคลื่นในกลุ่มนี้ มักนิยมเรียกหน่วยนับเป็นหน่วยความถี่ ต่างจากกลุ่มช่วงคลื่นเชิงแสงที่มีหน่วยเป็นความยาวคลื่น ที่รู้จักกันดีก็คือระบบเรดาร์ ซึ่งจะทำการบันทึกข้อมูลในช่วงคลื่นความถี่ระหว่าง 3-12.5 GHz (ความยาวคลื่นระหว่าง 2.4-100 เซนติเมตร) นิยมใช้ตัวอักษรบอกช่วงคลื่น แบ่งเป็นช่วงคลื่นต่างๆ ได้ดังนี้
ช่วงคลื่น K ความถี่ 12.5 – 40   GHz     หรือ ความยาวคลื่น  0.70 – 2.4   เซนติเมตร

ช่วงคลื่น X ความถี่  8 – 12.5    GHz     หรือ ความยาวคลื่น   2.4 – 3.75  เซนติเมตร

ช่วงคลื่น C ความถี่      4 – 8   GHz     หรือ ความยาวคลื่น   3.75 – 7.5  เซนติเมตร

ช่วงคลื่น S ความถี่      2 – 4    GHz     หรือ ความยาวคลื่น     7.5 – 15  เซนติเมตร

ช่วงคลื่น L ความถี่      1 – 2    GHz     หรือ ความยาวคลื่น      15 – 30 เซนติเมตร

ช่วงคลื่น P ความถี่    0.3 – 1   GHz     หรือ ความยาวคลื่น    30 – 100  เซนติเมตร

ตารางช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และคุณสมบัติ

ช่วงคลื่น รายละเอียด รายละเอียด
รังสีแกมม่า (Gamma ray) < 0.03 ไมโครเมตร รังสีแกมม่าถูกดูดซึมทั้งหมดโดยบรรยากาศชั้นบน
รังสีเอกซ์ (X-ray) 0.03-3.1 ไมโครเมตร รังสีเอกซเรย์ถูกดูดซึมทั้งหมดโดยชั้นบรรยากาศเช่นกัน
รังสีเหนือม่วง หรือรังสีอัลตราไวโอเลต 0.03-0.4 ไมโครเมตร ช่วงคลื่นสั้นกว่า 0.3 ไมโครเมตร ถูกดูดซึมทั้งหมดโดยโอโซน(O3) ในบรรยากาศชั้นบน
ช่วงคลื่นไวโอเลตภาพถ่าย(Photographic UV band) 0.3-0.4 ไมโครเมตร ช่วงคลื่นสามารถผ่านชั้นบรรยากาศ สามารถถ่ายภาพด้วยฟิล์มถ่ายรูป แต่การกระจายในชั้นบรรยากาศเป็นอุปสรรคมาก
ช่วงคลื่นตามองเห็นได้ 0.4-0.7 ไมโครเมตร

บันทึกภาพด้วยฟิล์มและอุปกรณ์บันทึกภาพได้รวมทั้งช่วงคลื่นโลกมีการสะท้อนพลังงานสูงสุด (Reflected energy peak) ที่ 0.5 ไมครอน ช่วงคลื่นแคบที่มีผลตอบสนองสายตามนุษย์ แบ่งได้ 3 ช่วงคือ0.4-0.5 ไมโครเมตร (สีน้ำเงิน)0.5-0.6 ไมโครเมตร (สีเขียว)

0.6-0.7 ไมโครเมตร (สีแดง)

อินฟราเรด 0.7-1.00 ไมโครเมตร มีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุตามความยาวคลื่นและการผ่านชั้นบรรยากาศ มีการดูดซึมในบางช่วงคลื่น
ช่วงคลื่นอินฟราเรดชนิดสะท้อน(Reflected IR band) 0.7-3.0 ไมโครเมตร สะท้อนรังสีดวงอาทิตย์ ซึ่งไม่มีรายละเอียดเกี่ยวกับช่วงความร้อนของวัตถุช่วงคลื่น 0.7-0.9 ไมโครเมตร สามารถถ่ายรูปด้วยฟิล์ม เรียกว่า ช่วงคลื่นอินฟราเรด (Photographic IR band)
ช่วงคลื่นอินฟราเรดความร้อน 3-5 ไมโครเมตร8-14 ไมโครเมตร การบันทึกภาพต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ เช่น เครื่อง วาดภาพ
ไมโครเวฟ 0.1-30 เซนติเมตร ช่วงคลื่นยาวสามารถทะลุผ่านหมอกและฝนได้ บันทึกภาพได้ทั้งระบบเอ็กทิฟและระบบแพสซิฟ
เรดาร์ 0.1-3.0 เซนติเมตร ระบบแอ็กทิฟมีความยาวช่วงคลื่นต่างๆ เช่น Ka band (10 mm), X band (30 มิลลิเมตร) และ L band (25 เซนติเมตร)
วิทยุ (Radio) > 30 เซนติเมตร ช่วงคลื่นที่ยาวที่สุด บางครั้งมีเรดาร์อยู่ในช่วงนี้ด้วย

การแผ่รังสีของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า

          การแผ่รังสีของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า สามารถอธิบายด้วยทฤษฎีอนุภาค กล่าวคือการแผ่รังสีของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ประกอบด้วยหน่วยอิสระที่เรียกว่าโฟตอน (Photon) หรือควอนตัม (Quantum) พลังงานของแต่ละควอนตัมจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่ของคลื่น ดังนี้

E = HF

โดยที่  E = พลังงานของ 1 ควอนตัม มีหน่วยเป็น จูล (Joules)

h = ค่าคงที่ของพลังค์ (Planck’s constant) = 6.626 x 10-34 J.sec

f = ค่าความถี่ของคลื่น

หรืออาจจะเปลี่ยนให้อยู่ในรูปความยาวคลื่นได้ดังนี้ E = hc/λ

         ดังนั้นพลังงานจะเป็นสัดส่วนผกผันกับความยาวคลื่น คือ ความยาวคลื่นมากจะให้พลังงานต่ำ ถ้าวัตถุใดส่งพลังงานช่วงคลื่นยาว เช่น ไมโครเวฟ การตรวจรับพลังงานโดยอุปกรณ์ทางการรับรู้จากระยะไกลที่ช่วงคลื่นนี้จะยากกว่าการตรวจรับพลังงานที่ช่วงคลื่นสั้น ถ้าต้องการบันทึกพลังงานช่วงคลื่นยาวจะต้องบันทึกพลังงานในบริเวณกว้าง และใช้เวลาในการบันทึกนาน

ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่สำคัญที่สุดของการรับรู้จากระยะไกล อย่างไรก็ตาม สสารทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่าองศาสัมบูรณ์ (0 K หรือ -273 ํC) สามารถเปล่งพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่อง โดยมีขนาดและส่วนประกอบของช่วงคลื่นแตกต่างกันไป ซึ่งพลังงานที่วัตถุแผ่ออกมามากน้อยเพียงใดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของผิววัตถุ สามารถคำนวณได้จากกฎของ Stefan Boltzmann ดังนี้

 

ΣT4

 

โดยที่   W = พลังงานทั้งหมดที่เปล่งออกมาจากผิววัตถุ Wm-2

σ = ค่าคงที่ Stefan-Boltzmann ; 5.6697 x 10- 8 Wm-2 K-4

T = อุณหภูมิของวัตถุ (K)

          การแผ่พลังงานทั้งหมดจากวัตถุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิยกกำลัง 4 เห็นได้ว่าพลังงานที่ออกมาจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น กฎนี้ใช้ได้กับวัตถุที่มีลักษณะเรียกว่า “เทหวัตถุสีดำ (Black body)” ซึ่งเป็นวัตถุสมมติที่มีคุณสมบัติในการดูดกลืนพลังงานทั้งหมดที่มาตกกระทบ (Incident energy) และแผ่พลังงานออกไปได้สูงสุด ณ อุณหภูมิต่างๆ ซึ่งในความเป็นจริงไม่มีวัตถุใดที่มีคุณสมบัติแบบนี้ มีเพียงใกล้เคียงเท่านั้น โดยพลังงานที่แผ่ออกไปจะแปรผันกับอุณหภูมิของวัตถุและความยาวคลื่น

          พลังงานที่แผ่ออกไปจะแปรผันกับอุณหภูมิของวัตถุและพลังงานนี้จะมีการกระจายของสเปกตรัมแตกต่างกันไปด้วย หรือมีสัดส่วนของสเปกตรัมแปรผันไปกับอุณหภูมิของวัตถุ ภาพที่ 3.4 แสดงความสัมพันธ์ของความยาวคลื่นกับพลังงานทั้งหมดที่เปล่งออกมาจากผิววัตถุ และพลังงานสูงสุดของวัตถุ การกระจายของสเปกตรัมตั้งแต่อุณหภูมิจาก 200 K ถึง 6,000 K ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นกับพลังงานที่แผ่รังสีออกมาต่อ 1 ไมโครเมตร ของช่วงคลื่น ซึ่งมีหน่วยเป็น Wm-2 μm-1 ดังนั้น พื้นที่ใต้เส้นโค้งจะเป็นพลังงานที่แผ่ออกมาทั้งหมด จะเห็นได้ว่าวัตถุหรือตัวแผ่รังสีที่มีอุณหภูมิสูงให้พลังงานทั้งหมดออกมาสูงกว่า จากภาพดังกล่าวพบว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจุดยอดจะเอียงไปทางด้านที่มีความยาวคลื่นสั้น

 

ภาพการกระจายของสเปกตรัมของการแผ่รังสีจากเทหวัตถุสีดำกับอุณหภูมิต่างๆ

ภาพการกระจายของสเปกตรัมของการแผ่รังสีจากเทหวัตถุสีดำกับอุณหภูมิต่างๆ

อย่างไรก็ตาม สามารถคำนวณหาพลังงานต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่สำหรับความยาวคลื่นหนึ่งๆ ที่กำหนดจากกฎของพลังค์ ดังนี้

โดยที่  C1 ค่าคงที่ = 3.74 x 10 -16 W.m2

C2 ค่าคงที่ = 1.44 x 10 -2 m.K

T = อุณหภูมิ (K)

Wλ = พลังงานที่ความยาวคลื่น λ

 

เห็นได้ว่าพลังงานที่แผ่รังสีออกมาแปรผันไปตามอุณหภูมิ และความยาวช่วงคลื่น ดังนั้นเมื่อทราบอุณหภูมิก็สามารถคำนวณหาความยาวคลื่นที่ให้พลังงานสูงสุดได้จาก กฎการแทนที่ของเวียน (Wien’s displacementl law) ดังนี้

ΛM = C/T

โดยที่  λm = ความยาวคลื่นที่จะให้พลังงานสูงสุด

C = ค่าคงที่ 2.898 x 10-3 m.K

ตัวอย่างที่ 1 ที่พื้นผิวโลก มีอุณหภูมิ 300 K ดังนั้น

λm = (2.898 x 10 -3)/ 300 m

= 9.66 x 10 -6 m

= 9.66 ไมโครเมตร (ช่วงคลื่น Thermal infrared) หรือประมาณ 10 ไมโครเมตร

 

          ดังนั้นอุณหภูมิของพื้นผิวโลก (พืช ดิน และน้ำ) ประมาณ 300 ํK มีพลังงานที่แผ่ออกมาสูงสุดเกิดขึ้นที่ความยาวคลื่นประมาณ 10 ไมโครเมตร หรือที่ช่วงคลื่นอินฟราเรดความร้อน เนื่องจากการแผ่รังสีออกมามีความสัมพันธ์กับความร้อนของพื้นผิวโลก จึงนิยมเรียกรังสีที่แผ่ออกมานี้ว่า พลังงานอินฟราเรดความร้อน (Thermal infrared energy) พลังงานนี้ไม่สามารถี่ตรวจวัดได้ด้วยการบันทึกด้วยกล้องถ่ายรูปที่ใช้ฟิล์มทั่วๆ ไปแต่สามารถบันทึกด้วยเครื่องมือพิเศษ เช่น เรดิโอมิเตอร์ (Radiometer) หรือ เครื่องกวาดภาพ ดวงอาทิตย์มีพลังงานที่แผ่ออกมาสูงสุดที่ความยาวคลื่นประมาณ 0.5 ไมโครเมตร ตาของมนุษย์และฟิล์มถ่ายรูปทั่วไปไวต่อพลังงานในช่วงคลื่นขนาดนี้ ดังนั้นเมื่อดวงอาทิตย์ขึ้นเราสามารถมองเห็นพื้นผิวโลก เนื่องจากการสะท้อนของพลังแสงอาทิตย์ พลังงานที่ความยาวคลื่นที่ยาวกว่านี้จะแผ่รังสีออกจากพื้นโลกเช่นกัน แต่สามารถสังเกตหรือตรวจวัดได้ด้วยระบบอื่นที่ไม่ใช่ฟิล์มถ่ายรูปทั่วๆ ไปดังกล่าวมาแล้ว การแบ่งขอบเขตระหว่างช่วงคลื่นอินฟราเรดสะท้อนกับอินฟราเรดความร้อนที่แผ่รังสีออกมาจากวัตถุประมาณ 3 ไมโครเมตร (ความยาวคลื่นต่ำกว่านี้ จะมีอินฟราเรดสะท้อนเป็นส่วนใหญ่ หากสูงกว่านี้จะเป็นอินฟราเรดที่แผ่ออกจากวัตถุเอง)

โดยทั่วไปแล้วระบบการรับรู้ (Sensing system) ที่สามารถตรวจวัดพลังงานที่สะท้อนจากวัตถุและแผ่รังสีออกมาโดยธรรมชาติเรียกว่า ระบบแพสซิฟ ไม่ว่าจะอาศัยดวงอาทิตย์ หรือเป็นพลังงานที่แผ่รังสีจากตัวเองส่วนระบบการรับรู้ที่มีแหล่งพลังงานที่สร้างขึ้นและส่งไปยังวัตถุเป้าหมายเรียกว่า ระบบแอ็กทิฟ เช่น ระบบเรดาร์ต้องส่งพลังงานที่สังเคราะห์ขึ้นไปกระทบวัตถุเป้าหมาย แล้วตรวจหา (Detect) พลังงานที่กระจัดกระจายกลับ(Backscatter)

 

 

ที่มา : ตำราเทคโนโลยีอวกาศและภูมิสารสนเทศศาสตร์