Spectral Signature และการสะท้อนช่วงคลื่นของสิ่งปกคลุมผิวโลก
ลายเซ็นเชิงคลื่นและการสะท้อนพลังงานของสิ่งปกคลุมผิวโลก (Spectral Signature and Surface Cover Reflectance)
ความสามารถในการจำแนกวัตถุบนผิวโลกผ่านระบบรีโมทเซนซิงนั้นขึ้นอยู่กับ ลักษณะเฉพาะ ของการปฏิสัมพันธ์ระหว่างพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับวัตถุแต่ละประเภท ซึ่งสามารถอธิบายได้ผ่านแนวคิดของ ลายเส้นเชิงคลื่น (Spectral Signature) ที่แสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างค่าการสะท้อนพลังงานกับความยาวคลื่นในช่วงต่าง ๆ โดยมีข้อสังเกตสำคัญ 4 ประการดังนี้:
ประการแรก วัตถุต่างชนิดกัน เช่น อาคาร สิ่งปลูกสร้าง กับพืชพรรณธรรมชาติ จะมีปฏิสัมพันธ์ต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแตกต่างกัน แม้จะอยู่ในช่วงคลื่นเดียวกันก็ตาม ตัวอย่างเช่น พื้นที่ป่าจะสะท้อนคลื่นในช่วง Near Infrared สูงกว่าสิ่งปลูกสร้างอย่างมีนัยสำคัญ
ประการที่สอง วัตถุชนิดเดียวกันจะมีลักษณะการตอบสนองที่แตกต่างกันเมื่อถูกคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นต่างกัน กล่าวคือ พืช จะสะท้อนคลื่นในช่วง Near Infrared (0.7–1.1 μm) ได้สูงกว่าช่วง Visible (0.4–0.7 μm) อย่างชัดเจน
ประการที่สาม แม้จะเป็นวัตถุชนิดเดียวกัน แต่สภาพแวดล้อมและช่วงเวลาอาจส่งผลต่อการตอบสนองของวัตถุนั้น เช่น ต้นข้าวในระยะเจริญเติบโต จะมีค่าการสะท้อนคลื่นในช่วงอินฟราเรดสูงกว่าต้นข้าวที่เริ่มแก่หรือโรยรา
ประการสุดท้าย การปฏิสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับวัตถุที่กล่าวมา สามารถแสดงออกเป็นกราฟลายเส้นเชิงคลื่น (spectral curve) ซึ่งใช้ในการแปลภาพและจำแนกประเภทของสิ่งปกคลุมผิวโลก อาทิ พื้นน้ำ ดิน พืชพรรณ หรือสิ่งปลูกสร้าง
การแปลความหมายจากลายเส้นเชิงคลื่น
จากกราฟการสะท้อนพลังงานที่แนบมานั้น จะเห็นได้ว่า น้ำใส มีค่าการสะท้อนต่ำตลอดช่วงคลื่น โดยเฉพาะในช่วง Near Infrared ขณะที่ พืช มีการสะท้อนต่ำในช่วงคลื่นแสงสีแดง (Red) แต่มีการสะท้อนสูงในช่วง Near Infrared แสดงให้เห็นถึงความแตกต่างอย่างชัดเจน ส่วน ดิน โดยเฉพาะดินแห้ง จะมีลักษณะการสะท้อนที่เพิ่มขึ้นตามความยาวคลื่นโดยทั่วไป
การประยุกต์ใช้
การศึกษาลายเส้นเชิงคลื่นเป็นพื้นฐานสำคัญในการพัฒนาระบบจำแนกประเภทภาพถ่ายจากดาวเทียมหรือระบบสำรวจระยะไกล เช่น Landsat TM หรือ Sentinel-2 โดยการเลือกใช้แถบคลื่น (bands) ที่เหมาะสมในการวิเคราะห์จะช่วยเพิ่มความแม่นยำในการแปลข้อมูลและประเมินทรัพยากรธรรมชาติ
ข้อสรุปเชิงการวิเคราะห์
จากกราฟในภาพที่แนบมา แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างปัจจัยทางสรีรวิทยาของพืชกับค่าการสะท้อนแสงในช่วงคลื่นต่าง ๆ ได้อย่างชัดเจน โดยสามารถสังเคราะห์ได้ว่า:
- พืชที่มีสุขภาพดีจะมีการสะท้อนต่ำในช่วง Visible และสูงในช่วง Near Infrared
- การลดลงของการสะท้อนในช่วง NIR และการเพิ่มขึ้นใน SWIR อาจแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างเซลล์หรือปริมาณน้ำในพืช ซึ่งสามารถนำมาใช้วิเคราะห์การเจริญเติบโตหรือภาวะเครียดของพืชได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ลักษณะการสะท้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของดิน (Soil Spectral Reflectance Characteristics)
การสะท้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของดินมีความสัมพันธ์โดยตรงกับ องค์ประกอบทางกายภาพและเคมีของดิน ได้แก่ เนื้อดิน (soil texture), ความชื้น (moisture content), อินทรียวัตถุ (organic matter) และ องค์ประกอบแร่ธาตุ (mineral composition) ซึ่งสามารถสังเคราะห์สาระสำคัญได้ดังนี้:
1. ความชื้นในดิน (Soil Moisture)
ความชื้นในดินมีผลโดยตรงต่อการดูดกลืนพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า
- เมื่อ ความชื้นในดินสูง จะส่งผลให้การ ดูดกลืน (Absorption) เพิ่มขึ้น และการ สะท้อน (Reflectance) ลดลง
- ในช่วงคลื่นใกล้อินฟราเรดและอินฟราเรดกลาง (1.4 µm และ 2.2 µm) จะพบ จุดดูดกลืน พลังงานที่สัมพันธ์กับโมเลกุลของน้ำ
2. เนื้อดิน (Soil Texture)
เนื้อดินเป็นปัจจัยสำคัญที่ควบคุมความสามารถในการกักเก็บความชื้นและลักษณะการสะท้อนของดิน
- ดินเหนียว (Clay): มีอนุภาคเล็กกว่า 0.002 มิลลิเมตร สามารถเก็บความชื้นได้มากที่สุด จึงมีการสะท้อนต่ำ
- ทรายแป้ง (Silt): ขนาดอนุภาคระหว่าง 0.002–0.05 มิลลิเมตร มีความสามารถในการกักเก็บความชื้นปานกลาง
- ทรายหยาบ (Sand): ขนาดอนุภาคระหว่าง 0.05–2.0 มิลลิเมตร มีการสะท้อนสูงกว่าดินประเภทอื่น โดยเฉพาะเมื่อแห้ง
3. ลักษณะพื้นผิว (Surface Roughness)
พื้นผิวที่ ขรุขระ (rough surface) ทำให้การสะท้อนลดลงเมื่อเทียบกับพื้นผิวที่ เรียบ (smooth surface) เพราะเกิดการกระเจิงมากกว่า
4. ปริมาณอินทรียวัตถุ (Organic Matter Content)
ดินที่มี อินทรียวัตถุสูง เช่น ดิน Muck (Carlisle) จะมีค่าการสะท้อนต่ำกว่าดินประเภทอื่น เนื่องจากอินทรียวัตถุมีสมบัติดูดกลืนแสงได้ดี
5. ปริมาณออกไซด์ของเหล็ก (Iron Oxide Content)
การสะท้อนพลังงานจะ ลดลง หากดินมี ปริมาณเหล็กออกไซด์ (Fe₂O₃) สูง โดยเฉพาะในช่วงคลื่นแสงที่ตามองเห็น
ข้อสรุปจากภาพประกอบ
จากกราฟแสดงการสะท้อนของดิน 3 ประเภท:
- Silt (Princeton) มีค่าการสะท้อนสูงสุด โดยเฉพาะในช่วงคลื่น 1.0–2.5 µm
- Sand (Chelsea) มีการสะท้อนปานกลาง
- Muck (Carlisle) มีค่าการสะท้อนต่ำที่สุดอย่างต่อเนื่อง ซึ่งสัมพันธ์กับอินทรียวัตถุที่มีอยู่มาก
ลักษณะการสะท้อนพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าของน้ำ (Spectral Reflectance Characteristics of Water)
การศึกษาลักษณะการสะท้อนของน้ำในช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นองค์ประกอบสำคัญในการวิเคราะห์ แหล่งน้ำ, คุณภาพน้ำ, และ สารแขวนลอย ผ่านเทคนิครีโมทเซนซิง โดยพิจารณาจากพฤติกรรมการดูดกลืนและสะท้อนของแสงในช่วงคลื่นต่าง ๆ ดังนี้:
1. ช่วงคลื่นที่เหมาะสมในการจำแนกแหล่งน้ำ (Water Boundary Identification)
น้ำมีคุณสมบัติดูดกลืนพลังงานได้ดีในช่วงคลื่น ใกล้อินฟราเรด (Near-Infrared) โดยเฉพาะตั้งแต่ความยาวคลื่น 0.8 ไมโครเมตรขึ้นไป ดังนั้น การใช้ข้อมูลจากช่องคลื่นนี้จะช่วยแยกขอบเขตของน้ำออกจากสิ่งปกคลุมผิวโลกอื่น ๆ ได้อย่างชัดเจน
2. การศึกษาคุณภาพน้ำหรือสภาพน้ำ (Water Quality Analysis)
สามารถใช้ช่วงคลื่น ที่ตามองเห็น (Visible Range, 0.4–0.75 µm) ซึ่งน้ำมีค่าการสะท้อนต่ำ แต่จะแปรผันตามปริมาณสารแขวนลอยและสิ่งเจือปน เช่น ตะกอนดิน แพลงก์ตอน หรือคลอโรฟิลล์
3. ผลของความขุ่นและสารแขวนลอย (Turbidity and Suspended Solids)
- น้ำที่ ขุ่น (Turbid Water) ซึ่งมีปริมาณสารแขวนลอยสูง เช่น ตะกอนดิน 99 mg/L จะมีค่าการสะท้อนสูงกว่าน้ำใส เนื่องจากการเกิดปรากฏการณ์ การกระจัดกระจายย้อนกลับ (Back Scattering)
- น้ำที่ ใส (Clear Water) ซึ่งมีสารแขวนลอยน้อย เช่น 10 mg/L จะมีค่าการสะท้อนต่ำกว่าตลอดช่วงคลื่น
4. บทบาทของพืชน้ำ (Aquatic Vegetation)
การมีอยู่ของ คลอโรฟิลล์ (Chlorophyll) ในพืชน้ำจะทำให้เกิดการดูดกลืนพลังงานในช่วงคลื่น สีฟ้า (0.45 µm) และ สีแดง (0.65 µm) ส่งผลให้ค่าการสะท้อนของน้ำที่มีพืชปกคลุมจะลดต่ำลงเมื่อเทียบกับน้ำที่ไม่มีพืช
ข้อสรุปจากภาพประกอบ
กราฟแสดงให้เห็นว่า:
- น้ำขุ่น (เส้นทึบ) มีค่าสะท้อนสูงในช่วง 0.55–0.75 µm
- น้ำใส (เส้นประ) มีค่าสะท้อนต่ำและลดลงอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะหลัง 0.75 µm ซึ่งใกล้อินฟราเรด น้ำแทบไม่มีการสะท้อนเลย
ข้อเสนอแนะในการใช้งานรีโมทเซนซิง:
- ใช้ช่องคลื่นใกล้อินฟราเรดเพื่อตรวจจับ พื้นที่น้ำ
- ใช้ช่องคลื่นที่ตามองเห็นเพื่อตรวจวิเคราะห์ คุณภาพน้ำ
- ต้องพิจารณา ความขุ่น, สารแขวนลอย, และพืชน้ำ ในการวิเคราะห์ภาพจากดาวเทียมหรืออากาศยานด้วย