การแปลภาพดาวเทียม

การสำรวจระยะไกลด้วยดาวเทียม เป็นวิทยาศาสตร์และศิลป์ที่ทำให้ได้ข้อมูลเชิงพื้นที่ หรือปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในพื้นที่นั้นๆ โดยปราศจากการเข้าไปสัมผัสกับวัตถุ ไม่ต้องเข้าไปสำรวจในพื้นที่ โดยอาศัยคุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการบันทึกข้อมูลที่อยู่บนพื้นผิวโลก เกี่ยวข้องกับข่วงคลื่น (Spectral) รูปทรงสัณฐานของวัตถุบนพื้นผิวโลก (Spatial) และการเปลี่ยนแปลงตามข่วงเวลา (Temporal) ดังนั้นข้อมูลที่บันทึกได้จากดาวเทียมจึงไม่เหมือนกับรูปถ่ายที่ถ่ายจากกล้องถ่ายรูปทั่วไปที่เราคุ้นเคยกัน กล่าวคือ รูปที่ถ่ายด้วยกล้องธรรมดานั้นเป็นการบันทึกภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า(Electromagnetic Wave) หรือแสงที่ตกกระทบกับวัตถุแล้วสะท้อนมายังกล้องถ่ายรูป จึงเห็นภาพที่ถ่ายแล้วเหมือนกับภาพที่เห็นจริงๆ เนื่องจากแสงที่มองเห็นนั้นเป็นการผสมสีของแม่สี 3 สี ได้แก่ น้ำเงิน เขียว และแดง มีความยาวข่วงคลื่นระหว่าง 0.4-0.7 ไมโครมิเตอร์ (µm) เรียกว่า ข่วงคลื่นที่ตามองเห็น แต่ข้อมูลที่บันทึกได้จากดาวเทียมนั้นไม่ได้บันทึกด้วยกล้องถ่ายรูปธรรมดา หากแต่เป็นเครื่องรับ หรือเครื่องบันทึก (Sensor) ที่มีคุณสมบัติพิเศษที่บันทึกภาพเพียงข่วงคลื่นใดข่วงคลื่นหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเรียกว่า ข่วงคลื่น (Band) ทั้งข่วงคลื่นที่ตามองเห็น เช่น Band 1 บันทึกข้อมูลในข่วงคลื่น 0.45-0.52 µm Band 2 บันทึกข้อมูลในข่วงคลื่น 0.52-0.60 µm Band 3 บันทึกข้อมูลในข่วงคลื่น 0.63-0.69 µm และข่วงคลื่นที่ตามองไม่เห็น เช่น Band 4 บันทึกข้อมูลในข่วงคลื่น 0.76-0.90 µm เป็นข่วงคลื่นอินฟราเรด จากนั้นจึงเปลี่ยนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในข่วงคลื่นต่างๆให้เป็นข้อมูลเชิงตัวเลข (Digital Data) แล้วจัดเก็บไว้ (สืบพงษ์ พงษ์สวัสดิ์, 2551)

สำนักงานพัฒนาเทคโนโลยีอวกาศและภูมิสารสนเทศ (2558) กล่าวไว้ว่า สัดส่วนของการดูดกลืน การส่งผ่าน การสะท้อนพลังงานแตกต่างกันตามชนิดของสสาร ทำให้สามารถแยกชนิดของวัตถุในภาพถ่ายได้ นอกจากนี้ในวัตถุเดียวกันสัดส่วนของการเกิดปฏิสัมพันธ์ทั้งสามนี้แตกต่างกันตามความยาวของช่วงคลื่นที่ตกกระทบอีกด้วย วัตถุสองชนิดอาจไม่แตกต่างกันในช่วงคลื่นหนึ่ง แต่สามารถแยกจากกันได้ในอีกช่วงคลื่นหนึ่ง ในช่วงคลื่นสายตามองเห็นความแตกต่างกันทางด้านเชิงคลื่นรังสีของวัตถุจะแสดงให้เห็นในรูปของสีต่างๆ เช่น การที่เราเห็นวัตถุเป็นสีเขียวเนื่องจากวัตถุนั้นสะท้อนพลังงานในช่วงคลื่นสีเขียวมาก เมื่อพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านชั้นบรรยากาศมาตกกระทบพื้นผิวโลก จะเกิดปฏิสัมพันธ์ 3 แบบ คือ การสะท้อนพลังงาน (Reflection) การดูดกลืนพลังงาน (Absorption) และการส่งผ่านพลังงาน (Transmission) อันเป็นปรากฏการณ์สำคัญในการรับรู้จากระยะไกลของวัตถุบนพื้นผิวโลก ค่าการสะท้อนเชิงคลื่นของสิ่งปกคลุมดินที่แตกต่างกันจะแตกต่างกันออกไป หลักการดังกล่าวนี้ทำให้สามารถจำแนกประเภทของสิ่งปกคลุมดินโดยวิธีการรับรู้จากระยะไกล ได้ ด้วยการสังเกตค่าการสะท้อนเชิงคลื่นหรือค่าการแผ่รังสีเชิงคลื่นจากผิวนั้นๆ ภาพที่ 6 แสดงกราฟของค่าการสะท้อนเชิงคลื่นของสิ่งปกคลุมดินหลัก คือ พืชพรรณ ดิน และ น้ำ จะเห็นได้จากรูปว่าพืชพรรณมีค่าการสะท้อนสูงในช่วงคลื่นอินฟราเรดใกล้และมีค่าการสะท้อนที่ต่ำถึงสามช่วงเนื่องจากการดูดกลืน ดินให้การสะท้อนที่ค่อยข้างสูงเกือบทุกช่วงคลื่น ในขณะที่น้ำเกือบจะไม่มีค่าการสะท้อนเลยในช่วงคลื่นอินฟราเรด (ชรัตน์ มงคลสวัสดิ์, 2540)

กลุ่มวิจัยระบบภูมิสารสนเทศเพื่อการพัฒนาท้องถิ่น (2549) กล่าวว่า ปฏิสัมพันธ์ที่มีลักษณะเฉพาะตัวของวัตถุบนพื้นผิวโลกใด ๆ ทำให้เกิดคุณสมบัติของความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและวัตถุบนพื้นผิวโลก 4 ประการ ได้แก่

(1) วัตถุต่างชนิดจะมีปฏิสัมพันธ์กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแตกต่างกัน ที่ช่วงคลื่นเดียวกัน อาคารสิ่งปลูกสร้างกับพืช จะมีปฏิสัมพันธ์กับช่วงคลื่นนั้นแตกต่างกัน

(2) วัตถุชนิดเดียวกันจะมีปฏิสัมพันธ์กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่างชนิดกันแตกต่างกัน พืชจะมีปฏิสัมพันธ์กับช่วงคลื่นของพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ต่างกันนั้นไม่เหมือนกัน

(3) ลักษณะปฏิสัมพันธ์ของวัตถุชนิดเดียวกันกับพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงเวลาและสิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกัน ย่อมจะมีลักษณะที่แตกต่างกัน เช่น ต้นข้าวที่ต่างวัย คือ ต้นอ่อน และที่กำลังออกรวง ย่อมมีลักษณะปฏิสัมพันธ์กับคลื่นที่ไม่เหมือนกัน

(4) วัตถุชนิดเดียวกันจะมีปฏิสัมพันธ์กับพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แสดงในรูปเส้นกราฟมีลักษณะเฉพาะตัว เรียกว่า ลายเส้นเชิงคลื่น (Signature) ซึ่งใช้ประโยชน์ในการตีความและจำแนกวัตถุต่าง ๆ ออกจากกัน

                สำนักงานพัฒนาเทคโนโลยีอวกาศและภูมิสารสนเทศ (2558) อธิบายไว้ว่า จุดประสงค์หลักในการสำรวจระยะไกลก็เพื่อให้ทราบถึงข้อมูลของวัตถุเป้าหมายที่ต้องการศึกษา ซึ่งวัตถุที่ปกคลุมผิวโลกโดยส่วนใหญ่จะแบ่งออกเป็น 3 กลุ่มใหญ่ ๆ คือ กลุ่มน้ำ กลุ่มพืช รวมทั้งกลุ่มดินและแร่ธาตุ การสะท้อนพลังงานที่ความยาวช่วงคลื่นต่างกันของทั้ง 3 กลุ่ม ทำให้สามารถแยกประเภทของวัตถุชนิดต่างๆ ได้ โดยวัตถุทั้งสามชนิดหลักนี้มีรูปแบบการตอบสนองต่อช่วงคลื่นต่างๆ เฉพาะตัว มีรายละเอียด ดังนี้

(1) พืชพรรณในช่วงคลื่นสายตามองเห็น คลอโรฟิลล์ของใบพืชดูดกลืนพลังงานสีน้ำเงิน (0.4-0.5 ไมโครเมตร) และสีแดง (0.6-0.7 ไมโครเมตร) แต่สะท้อนพลังงานสีเขียว (0.5-0.6 ไมโครเมตร) ดังนั้นดวงตามนุษย์จึงมองเห็นใบพืชเป็นสีเขียว ถ้าใบพืชมีอาการผิดปกติ เช่น แห้ง หรือเหี่ยว ทำให้คลอโรฟิลล์ลดลงก็จะทำให้การสะท้อนที่คลื่นสีแดงสูงขึ้นในช่วงคลื่นอินฟราเรดสะท้อน (0.7-1.3 ไมโครเมตร) การสะท้อนพลังงานของใบพืชสูงมาก คือ สะท้อนพลังงานประมาณร้อยละ 50 ของพลังงานที่ตกกระทบ ซึ่งลักษณะของการสะท้อนพลังงานนี้เป็นผลเนื่องมาจากโครงสร้างภายในใบของพืช (Cell Structure) เนื่องจากพืชก็จะสามารถแยกชนิดจะมีลักษณะโครงสร้างภายในที่แตกต่างกัน ดังนั้นการสะท้อนพลังงานในช่วงนี้ก็จะสามารถแยกชนิดของพืชได้ แม้ว่าการสะท้อนพลังงานของพืชในช่วงคลื่นสายตามองเห็นได้จะใกล้เคียงกัน ในทำนองเดียวกันการสะท้อนพลังงานที่ความยาวคลื่นอินฟราเรดสะท้อนของพืชที่มีอาการผิดปกติทางใบ จะมีความแตกต่างไปจากการสะท้อนที่มีความยาวคลื่นเดียวกันของพืชที่สมบูรณ์กว่า ดังนั้นระบบการรับรู้จากระยะไกลสามารถบันทึกค่าสะท้อนของช่วงคลื่นนี้ได้ สามารถใช้สำรวจอาการผิดปกติของพืชได้ในช่วงคลื่นที่มีความยาวสูงกว่า 1.3 ไมโครเมตร พลังงานส่วนใหญ่จะถูกดูดกลืนหรือสะท้อนมีการส่งผ่านพลังงานน้อยมาก มักพบค่าต่ำลงที่ช่วงคลื่น 1.4 1.9 และ 2.7 ไมโครเมตร เพราะว่าในช่วงเหล่านี้น้ำในใบพืชจะดูดกลืนพลังงาน จึงเรียกว่า ช่วงคลื่นดูดกลืนน้ำ (Water Absorption Bands) ดังนั้นค่าการสะท้อนพลังงานของใบพืชจึงแปรผกผันกับปริมาณน้ำในใบพืชด้วย

(2) ดินมีความสัมพันธ์ระหว่างการสะท้อนพลังงานของดินกับความยาวคลื่นมีความแปรปรวนน้อย ปัจจัยหลักที่มีผลต่อการสะท้อนพลังงานของดิน คือ ความชื้นในดิน ปริมาณอินทรีย์วัตถุ เนื้อดิน ปริมาณเหล็กออกไซด์ และความขรุขระของผิวดิน ปัจจัยดังกล่าวมีความซับซ้อน และสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน เช่น ลักษณะเนื้อดิน มีความสัมพันธ์กับปริมาณน้ำในดิน ดินทรายหยาบมีการระบายน้ำดีจะสะท้อนพลังงานสูง ดินละเอียดมีการระบายน้ำเลวจะสะท้อนพลังงานต่ำ ดินที่มีอินทรียวัตถุสูงจะมีสีคล้ำ ดูดกลืนพลังงานสูงในช่วงคลื่นสายตามองเห็น เช่นเดียวกับดินที่มีเหล็กออกไซด์ในปริมาณสูง จะปรากฏเป็นสีเข้ม เนื่องจากการสะท้อนพลังงานลดลง ความขรุขระของผิวดินมากก็จะทำให้การสะท้อนของพลังงานลดลงเช่นเดียวกัน

(3) น้ำโดยทั่วไปมีคุณสมบัติดูดกลืนพลังงาน อย่างไรก็ตามน้ำมีหลายประเภทซึ่งจะทำให้การดูดกลืนพลังงานแตกต่างกันไป การสะท้อนพลังงานของน้ำมีลักษณะต่างจากวัตถุอื่นอย่างชัดเจน โดยเฉพาะในช่วงคลื่นอินฟราเรด น้ำจะดูดกลืนพลังงานอย่างสมบูรณ์ทำให้สามารถเขียนขอบเขตของน้ำได้ เนื่องจากน้ำที่ปรากฏอยู่บนผิวโลกมีหลายสภาพด้วยกัน เช่น น้ำขุ่น น้ำใส หรือน้ำที่มีสารแขวนลอยต่างๆ เจือปน ดังนั้นการสะท้อนพลังงานจึงแตกต่างกันออกไป บางครั้งพื้นที่ที่รองรับน้ำอาจมีผลต่อการสะท้อนพลังงานของน้ำ น้ำใสจะดูดกลืนพลังงานเล็กน้อยที่ช่วงคลื่นต่ำกว่า 0.6 ไมโครเมตร การส่งผ่านพลังงานเกิดขึ้นสูงในช่วงคลื่นแสงสีน้ำเงิน เขียว แต่น้ำที่มีตะกอนหรือมีสิ่งเจือปนการสะท้อนและการส่งผ่านพลังงานจะเปลี่ยนไป เช่น น้ำที่มีตะกอนดินแขวนลอยอยู่มาก จะสะท้อนพลังงานได้มากกว่าน้ำใส ถ้ามีสารคลอโรฟิลล์ในน้ำมากขึ้น การสะท้อนช่วงคลื่นสีน้ำเงินจะลดลงและจะเพิ่มขึ้นในช่วงคลื่นสีเขียว ซึ่งอาจใช้เป็นประโยชน์ในการติดตามและคาดคะเนปริมาณสาหร่าย นอกจากนี้ข้อมูลการสะท้อนพลังงานยังเป็นประโยชน์ในการสำรวจคราบน้ำมัน และมลพิษจากโรงงานได้

การแปลตีความข้อมูลจากดาวเทียมด้วยสายตา (Visual Interpretation) ใช้องค์ประกอบหลักที่สำคัญ (Elements Of Interpretation) ได้แก่

(1) ความเข้มของสีและสี (Tone/Color) ระดับความแตกต่างของความเข้มของสีหนึ่งๆ มีความสัมพันธ์กับค่าการสะท้อนของช่วงคลื่นและการผสมสีของช่วงคลื่นต่างๆ เช่น น้ำในช่วงคลื่นอินฟราเรดใกล้ถูกดูดกลืนทำให้ปรากฏเป็นสีดำ ในภาพสีผสมพืชพรรณปรากฏเป็นสีแดงเมื่อกำหนดให้ช่วงคลื่นอินฟราเรดใกล้เป็นสีแดง ช่วงคลื่นสีแดงกำหนดให้เป็นสีเขียว และช่วงคลื่นสีเขียวกำหนดให้เป็นสีน้ำเงิน

(2) ขนาด (Size) ขนาดของภาพวัตถุที่ปรากฏในข้อมูลจากดาวเทียมขึ้นอยู่กับขนาดของวัตถุ และมาตราส่วนของข้อมูลจากดาวเทียม เช่น ความยาว ความกว้าง หรือพื้นที่ แสดงให้เห็นความแตกต่างของขนาดระหว่างแม่น้ำและลำคลอง

(3) รูปร่าง (Shape) รูปร่างของวัตถุที่เป็นเฉพาะตัวอาจสม่ำเสมอ (Regular) หรือไม่สม่ำเสมอ (Irregular) วัตถุที่มนุษย์สร้างขึ้นมีรูปร่างส่วนใหญ่เป็นรูปทรงเรขาคณิต เช่น สนามบิน พื้นที่นาข้าว ถนนคลองชลประทาน และเขื่อนเก็บกักน้ำ เป็นต้น

(4) เนื้อภาพ (Texture) หรือความหยาบละเอียดของผิววัตถุ เป็นผลมาจากความแปรปรวน หรือความสม่ำเสมอของวัตถุ เช่น น้ำมีลักษณะเรียบ และป่าไม้มีลักษณะขรุขระ เป็นต้น

(5) รูปแบบ (Pattern) ลักษณะการจัดเรียงตัวของวัตถุปรากฏเด่นชัดระหว่างความแตกต่างตามธรรมชาติและสิ่งที่มนุษย์สร้างขึ้น เช่น แม่น้ำ คลอง กับคลองชลประทาน บ่อ และสระน้ำกับเขื่อน เป็นต้น

(6) ความสูงและเงา (Height And Shadow) เงาของวัตถุมีความสำคัญในการคำนวณหาความสูงและมุมสูงของดวงอาทิตย์ เช่น เงาบริเวณเขาหรือหน้าผา เงาของเมฆ เป็นต้น

(7) ที่ตั้ง (Site) หรือตำแหน่งของวัตถุที่พบตามธรรมชาติ เช่น พื้นที่ป่าชายเลนพบบริเวณชายฝั่งทะเลน้ำท่วมถึง สนามบินอยู่ใกล้แหล่งชุมชน เป็นต้น

(8) ความเกี่ยวพัน (Association) หมายถึงความเกี่ยวพันขององค์ประกอบทั้ง 7 ที่กล่าวมา เช่นบริเวณที่มีต้นไม้เป็นกลุ่มๆ มักเป็นที่ตั้งของหมู่บ้าน ไร่เลื่อนลอยอยู่ในพื้นที่ป่าไม้บนเขา นากุ้งอยู่บริเวณชายฝั่งรวมกับป่าชายเลน เป็นต้น

การแปลตีความภาพเพื่อจำแนกวัตถุได้ดีและถูกต้อง ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบต่างๆ ดังกล่าวข้างต้นอย่างใดอย่างหนึ่งหรือหลายอย่างพร้อมๆ กันไป ตามความยากง่ายและมาตราส่วนที่แตกต่างกัน ซึ่งอาจไม่แน่นอนเสมอไปรูปร่าง สี และขนาด อาจใช้เป็นองค์ประกอบในการแปลตีความภาพพื้นที่หนึ่งหรือลักษณะหนึ่ง ส่วนอีกบริเวณอื่นของพื้นที่เดียวกันอาจต้องใช้องค์ประกอบอีกอย่างก็ได้ นอกจากนี้จำเป็นต้องนำข้อมูลจากดาวเทียมอีก 3 ลักษณะมาประกอบการพิจารณา คือ ลักษณะการสะท้อนช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของวัตถุ (Spectral Characteristic) ซึ่งสัมพันธ์กับความยาวช่วงคลื่นแสงในแต่ละช่วงคลื่นโดยวัตถุต่างๆ สะท้อนแสงในแต่ละช่วงคลื่นไม่เท่ากัน ทำให้สีของวัตถุในภาพแต่ละช่วงคลื่นแตกต่างกันในระดับสีขาว-ดำ ซึ่งทำให้สีแตกต่างในภาพสีผสมด้วย ลักษณะรูปร่างของวัตถุที่ปรากฏในภาพ (Spatial Characteristic) แตกต่างตามมาตราส่วนและรายละเอียดภาพจากดาวเทียม เช่น MSS วัตถุหรือพื้นที่ขนาด 80×80 เมตร จึงจะปรากฏในภาพ และระบบ PLA มีขนาด 10×10 เมตร เมื่อคุ้นเคยกับลักษณะรูปร่างวัตถุทำให้ทราบลักษณะที่จำลองในภาพจากดาวเทียม และลักษณะการเปลี่ยนแปลงของวัตถุตามช่วงเวลา (Temporal Characteristic) ซึ่งทำให้สถานะของวัตถุต่างๆ มีการเปลี่ยนแปลง เช่น การเปลี่ยนแปลงตามช่วงฤดูกาล การเปลี่ยนแปลงรายปี หรือรายคาบ เป็นต้นลักษณะการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว ทำให้มีความแตกต่างของระดับสีในภาพขาวดำ และภาพสีผสม ทำให้เราสามารถใช้ข้อมูลดาวเทียมที่ถ่ายซ้ำที่เดิมในช่วงเวลาต่างๆ มาติดตามการเปลี่ยนแปลงได้ เช่น สามารถติดตามการบุกรุกทำลายป่าการเติบโตของพืชตั้งแต่ปลูกจนถึงการเก็บเกี่ยว เป็นต้น