Earth Observation Satellite (EOS): Eye from Space

ปัจจุบันมีดาวเทียมเพื่อการสำรวจโลก (Earth Observation Satellites หรือ EOS) โคจรอยู่รอบโลกมากกว่า 1,000 ดวง ดาวเทียมเหล่าเปรียบเสมือน "ดวงตา" ที่ค่อยเฝ้าดูโลก ช่วยให้เราสามารถสำรวจและเฝ้าติดตามความเปลี่ยนแปลงของโลกในมุมที่ที่ไม่เคยมีมาก่อน

ไม่ว่าจะเป็นการติดตามสภาพอากาศ ภัยพิบัติทางธรรมชาติ ไปจนถึงการวางแผนจัดการทรัพยากรธรรมชาติ ดาวเทียมเหล่านี้ได้กลายเป็นเครื่องมือสำคัญที่ช่วยสร้างความเข้าใจเกี่ยวกับโลกอย่างลึกซึ้งและครบถ้วน ในยุคที่ข้อมูลมีบทบาทสำคัญต่อการพัฒนา การนำข้อมูลที่ได้จากดาวเทียมมาประยุกต์ใช้ ไม่เพียงช่วยให้การตัดสินใจในระดับใหญ่ แต่ยังช่วยปูทางไปสู่อนาคตที่ยั่งยืนยิ่งขึ้น

ด้วยเทคโนโลยีที่ก้าวล้ำ การเพิ่มขึ้นของจำนวนดาวเทียมและความสามารถในการเก็บข้อมูลจากพื้นที่กว้างใหญ่อย่างต่อเนื่อง ดาวเทียมเพื่อการสำรวจโลกไม่ได้เป็นเพียงแค่เทคโนโลยีทางวิทยาศาสตร์ แต่ยังเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการพัฒนาสังคมและความยั่งยืนทั่วโลก  มาร่วมทำความรู้จักกับดาวเทียมเพื่อการสำรวจโลก พร้อมค้นหาว่ามันกำลังเปลี่ยนแปลงโลกของเราในทางที่ดีขึ้นได้อย่างไร!

การติดตามโลกผ่านดาวเทียม

[External Video URL]

กองทัพดาวเทียมสำรวจโลกของ NASA โคจรรอบโลกตั้งแต่ก่อนปี 2000 แต่ละดวงมีภารกิจเฉพาะ เช่น ติดตามการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศ ตรวจสอบการใช้ทรัพยากรธรรมชาติ และอนุรักษ์ความหลากหลายทางชีวภาพ

เทคโนโลยีดาวเทียมเพื่อการสำรวจโลกคืออะไร?

เทคโนโลยีดาวเทียมเพื่อการสำรวจโลก คือการใช้ดาวเทียมที่ติดตั้งเซนเซอร์พิเศษในการเก็บข้อมูลจากพื้นผิวโลก หลักการทำงานของดาวเทียมเหล่านี้อาศัย "การตรวจจับระยะไกล" (Remote Sensing) ซึ่งช่วยให้เราสำรวจโลกจากระยะไกล สามารถวิเคราะห์ข้อมูลที่ตามนุษย์ไม่สามารถเห็นหรือสัมผัสได้โดยตรง เช่น ความชื้นในดิน อุณหภูมิพื้นผิว หรือปริมาณน้ำฝน

ดาวเทียมเพื่อการสำรวจโลกแบ่งออกเป็น 2 ประเภทหลักตามแหล่งพลังงานที่ใช้ในการเก็บข้อมูล เครื่องมือที่ใช้พลังงานจากดวงอาทิตย์ตามธรรมชาติเรียกว่า “Passive instruments” ในขณะที่เครื่องมือที่สร้างแหล่งพลังงานของตัวเองได้เรียกว่า “Active Instruments”

Passive Instruments

Passive Instruments เป็นเครื่องมือที่ใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์ที่สะท้อนจากพื้นโลก เพื่อตรวจวัดข้อมูล โดยอาศัย Radiometers ที่วัดความเข้มของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านความถี่เฉพาะ (Intensity of electromagnetic radiation) และ Spectrometers ที่ตรวจจับ วัด และวิเคราะห์สเปกตรัมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่สะท้อนกลับมา (Reflected electromagnetic radiation) เครื่องมือเหล่านี้มักเก็บข้อมูลในย่านแสงที่ตามองเห็น (Visible) อินฟราเรด (Infrared) อินฟราเรดความร้อน (Thermal Infrared) และ ไมโครเวฟ (Microwave) ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Spectrum) อย่างไรก็ตามเนื่องจาก Passive Instruments ใช้พลังงานจากดวงอาทิตย์ในการสร้างภาพ จึงมีข้อจำกัดในสภาพอากาศที่มีเมฆปกคลุม และไม่สามารถเก็บข้อมูลได้ในเวลากลางคืน

ตัวอย่างเช่น Sentinel-2 ซึ่งติดตั้ง Multispectral Instrument (MSI) เครื่องมือแบบ Passive ที่ตรวจวัดแสงอาทิตย์ที่สะท้อนจากพื้นโลก ภารกิจหลักของ Sentinel-2 คือการสนับสนุนการเกษตร การจัดการป่าไม้ และการบริหารจัดการความมั่นคงด้านอาหาร แต่ข้อมูลที่ได้จากดาวเทียม Sentinel 2 ถูกใช้อย่างแพร่หลายในหลายด้าน ไม่ว่าจะเป็นการติดตามการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิวโลก การตรวจสอบคุณภาพน้ำ การจัดการภัยพิบัติทางธรรมชาติ และการทำแผนที่ความเสี่ยง นอกจากนี้ Sentinel-2 ยังมีบทบาทสำคัญในการเฝ้าติดตามระบบนิเวศธรรมชาติ ด้วยความสามารถในการแยกแยะประเภทของพืชพรรณและการวัดตัวแปรทางชีวฟิสิกส์ เช่น ปริมาณคลอโรฟิลล์ในใบพืช (Leaf Chlorophyll Content) และ ปริมาณน้ำในใบพืช (Leaf Water Content)

Sentinel-2C ติดตามไฟป่าในแคลิฟอร์เนีย ภาพสีจริงด้านซ้ายแสดงให้เห็นกลุ่มควันจากไฟป่า ในขณะที่ภาพสมสีทางด้านขวาแสดงพื้นที่ขนาดใหญ่ที่ถูกไฟไหม้ รวมถึงจุดไฟที่ยังลุกไหม้อยู่ซึ่งปรากฏเป็นจุดสีส้มสว่างในภาพ

Active Instruments

Active Instruments เป็นเครื่องมือที่ทำงานโดยการส่งพลังงานจากตัวเครื่องมือไปยังพื้นโลก จากนั้นรวบรวมข้อมูลโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณที่ส่งกลับสะท้อนกลับมา (Backscattered) Active Sensor ส่วนใหญ่ทำงานในย่านไมโครเวฟของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งทำให้สามารถทะลุผ่านชั้นบรรยากาศ เก็บข้อมูลได้ในทุกสภาพอากาศ และยังสามารถทำงานได้ในเวลากลางคืน เนื่องจากไม่ต้องพึ่งพาแหล่งพลังงานจากแสงอาทิตย์

ตัวอย่างเช่น Sentinel-1 ซึ่งติดตั้ง Synthetic Aperture Radar (SAR) ซึ่งเป็น Active Sensor ที่สามารถเก็บข้อมูลพื้นผิวโลกได้ในทุกสภาพอากาศ และทำงานได้ทั้งกลางวันและกลางคืน ภารกิจหลักของ Sentinel-1 คือการพัฒนาบริการข้อมูลเพื่อสนับสนุนการจัดการสิ่งแวดล้อมและความมั่นคง โดยครอบคลุมงานที่หลากหลาย เช่น การติดตามลักษณะภูมิประเทศ การถ่ายภาพสำหรับการใช้งานทางทะเล การตรวจสอบการปกคลุมของน้ำแข็งในทะเล การวัดความชื้นในดิน และการตรวจสอบพืชพรรณ

Sentinel-1 ภาพก่อนและหลัง (7 มีนาคม เทียบกับ 19 มีนาคม 2021) แสดงให้เห็นน้ำท่วมที่ Kempsey, Australia ได้อย่างชัดเจน

สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นพลังงานที่เคลื่อนที่ผ่านอวกาศและชั้นบรรยากาศ โดยมีความยาวคลื่นและความถี่ที่แตกต่างกัน บางคลื่นถูกดูดซับหรือสะท้อนโดยชั้นบรรยากาศ ขณะที่บางคลื่น เช่น แสงที่มองเห็นได้ สามารถผ่านได้อย่างอิสระ

ทุกสิ่งบนโลกมี “Spectral fingerprint" ที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งเกิดจากการสะท้อนหรือดูดซับพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่เฉพาะเจาะจงของวัตถุแต่ละชนิดในย่านความยาวคลื่นต่างๆ  ซึ่ง Spectral fingerprint นี้เองที่ทำให้เราสามารถสามารถแยกแยะประเภทของวัตถุหรือวิเคราะห์คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของวัตถุนั้นได้

ความท้าทายของการใช้ดาวเทียมเพื่อการสำรวจโลก

แม้ว่าดาวเทียมเพื่อการสำรวจโลกจะมีศักยภาพที่สูง แต่ก็ยังเผชิญกับความท้าทายหลายประการ ข้อดีที่โดดเด่นของเทคโนโลยีนี้ ได้แก่ ความหลากหลายของเซนเซอร์ที่สามารถเก็บข้อมูลได้หลากหลาย มีการเก็บข้อมูลอย่างต่อเนื่องและมีข้อมูลย้อนหลังหลายสิบปีเพื่อใช้ในการวิเคราะห์แนวโน้มระยะยาว นอกจากนี้ยังสามารถครอบคลุมพื้นที่กว้างขวางและไม่จำกัดการเข้าถึงพื้นที่ที่ยากต่อการไปถึง

(ซ้าย) ภาพแรกของโลกที่ถ่ายจากอวกาศในปี 1946 โดย suborbital rocket เหนือพื้นที่ทะเลทรายนิวเม็กซิโก (ขวา) ภาพถ่ายในปี 1972 จาก Landsat 1 ดาวเทียมดวงแรกเพื่อการสำรวจโลกในด้านป่าไม้และการเกษตร เหนือพื้นที่รัฐเท็กซัส

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้ยังมีข้อจำกัดบางประการ เช่น เซนเซอร์บางประเภทอาจถูกจำกัดจากสภาพอากาศ รวมถึงข้อจำกัดในด้านความถี่ของการวนเก็บข้อมูล (Temporal resolution) และความละเอียดของจุดภาพ (Pixel resolution) ที่อาจไม่เพียงพอในการวิเคราะห์บางกรณี นอกจากนี้การวิเคราะห์ข้อมูลจากดาวเทียมยังต้องการความเชี่ยวชาญเฉพาะทาง ขณะที่ต้นทุนในการส่งดาวเทียมขึ้นสู่อวกาศและข้อมูลบางประเภทก็ยังคงมีราคาสูง

ในอนาคต เทคโนโลยีดาวเทียมคาดว่าจะพัฒนาไปในทิศทางที่ลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพ เช่น การใช้ดาวเทียมขนาดเล็ก (CubeSats) ที่ทำงานร่วมกันในรูปแบบกลุ่ม (Satellite Constellations) รวมถึงการนำ ปัญญาประดิษฐ์ (Artificial Intelligence: AI) และ การเรียนรู้ของเครื่อง (Machine Learning: ML) มาใช้ช่วยวิเคราะห์ข้อมูลได้รวดเร็วและแม่นยำยิ่งขึ้น.

การประยุกต์ใช้งานดาวเทียมเพื่อการสำรวจโลก

เทคโนโลยีดาวเทียมเพื่อการสำรวจโลกไม่เพียงแค่เป็นเครื่องมือในการเก็บข้อมูล แต่ยังเปิดโอกาสให้เกิดการประยุกต์ใช้ในหลากหลายด้าน โดยเฉพาะเมื่อร่วมกับ AI และ ML ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการวิเคราะห์ข้อมูลดาวเทียม

• ภาคเกษตรกรรม ดาวเทียมสามารถช่วยเกษตรกรตรวจสอบสุขภาพพืชและคาดการณ์ผลผลิต
• สภาพอากาศและภูมิอากาศ ติดตามตัวชี้วัดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ เช่น ระดับน้ำทะเลที่เพิ่มขึ้นและการละลายของน้ำแข็งขั้วโลก พยากรณ์รูปแบบสภาพอากาศและติดตามเหตุการณ์รุนแรง เช่น พายุเฮอริเคนหรือภัยแล้ง
• การศึกษาเกี่ยวกับทะเลและพื้นที่ชายฝั่ง สังเกตการณ์กระแสน้ำในมหาสมุทร ความสูงของคลื่น และอุณหภูมิผิวทะเล เฝ้าติดตามสุขภาพของแนวปะการังและการกัดเซาะชายฝั่ง
• การจัดการภัยพิบัติ ดาวเทียมมีบทบาทสำคัญในการติดตามสถานการณ์น้ำท่วม และประเมินพื้นที่เสี่ยงภัยแล้ง ซึ่งช่วยให้การตอบสนองต่อภัยพิบัติเป็นไปได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ
• การจัดการทรัพยากรป่าไม้ การใช้ภาพจากดาวเทียมช่วยตรวจจับการสูญเสียพื้นที่ป่า วิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงที่ดิน และประเมินความหนาแน่นของเรือนยอด รวมถึงตรวจสอบพื้นที่ที่ถูกไฟไหม้

ตัวอย่างการตรวจสอบพื้นที่เผาไหม (Burned Scar)

ตัวอย่างการตรวจสอบพื้นที่น้ำท่วม (Flood areas detection)

ความสำคัญของการใช้ดาวเทียมเพื่อการสำรวจโลกในการจัดการทรัพยากรโลก

เทคโนโลยีดาวเทียมเพื่อการสำรวจโลกเปรียบเสมือน "ดวงตาจากอวกาศ" ที่ช่วยให้มนุษย์มองเห็นสิ่งที่ไม่สามารถมองเห็นได้จากภาคพื้นดิน ด้วยความสามารถในการเก็บข้อมูลที่ครอบคลุมและต่อเนื่อง รวมกับพลังของ ปัญญาประดิษฐ์ (AI) และ การเรียนรู้ของเครื่อง (ML) เทคโนโลยีนี้จึงเป็นเครื่องมือสำคัญในการแก้ปัญหาและสนับสนุนการตัดสินใจในหลายภาคส่วน ช่วยให้การจัดการทรัพยากรเป็นไปอย่างยั่งยืน และลดผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อม ในอนาคต เทคโนโลยีนี้จะยิ่งมีบทบาทสำคัญมากขึ้น พร้อมกับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

References

• Copernicus. S1 Mission. Retrieved from https://sentiwiki.copernicus.eu/web/s1-mission
• eoPortal. Copernicus: Sentinel-2 - eoPortal. Retrieved from https://www.eoportal.org/satellite-missions/copernicus-sentinel-2#eop-quick-facts-section
• Geospatial World. How Many Satellites are Orbiting Around Earth in 2022?. Retrieved from https://geospatialworld.net/prime/how-many-satellites-orbiting-earth/
• NASA. Earth Science Missions. Retrieved from https://science.nasa.gov/earth-science/missions/
• NASA. 20 Years Ago: First Image of Earth from Mars and Other Postcards of Home. Retrieved from https://www.nasa.gov/history/20-years-ago-first-image-of-earth-from-mars-and-other-postcards-of-home/
• NASA Earthdata. Active Instruments. Retrieved from https://earthdata.nasa.gov/learn/earth-observation-data-basics/remote-sensing/active-instruments
• NASA Earthdata. Passive Instruments. Retrieved from https://earthdata.nasa.gov/learn/earth-observation-data-basics/remote-sensing/passive-instruments
• NASA Earthdata. Remote Sensing. Retrieved from https://www.earthdata.nasa.gov/learn/earth-observation-data-basics/remote-sensing
• PMC. Fifty Years of Earth Observation Satellites. Retrieved from https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2690060/#:~=Although the first images of,radio signals that could be
• Sentinel Online. Copernicus Sentinels Observe Earth’s Extreme Weather Events - Sentinel Success Stories. Retrieved from https://sentinels.copernicus.eu/web/success-stories/-/copernicus-sentinels-observe-earth-s-extreme-weather-events
• Sentinel Online. Copernicus Sentinel-1 Facilitates Australia's Flood Extent Delineation - Sentinel Success Stories. Retrieved from https://sentinels.copernicus.eu/web/success-stories/-/copernicus-sentinel-1-facilitates-australia-s-flood-extent-delineation
• U.S. Geological Survey. Landsat 1. Retrieved from https://www.usgs.gov/landsat-missions/landsat-1