ข้อมูลหลายช่วงคลื่น

ทำไมต้องรู้

ค่าในภาพจากกล้องคือ ค่าพิกเซล (digital number, DN) ขึ้นกับแสงแดดตอนถ่าย การตั้งค่ากล้อง และความไวของแต่ละแบนด์ ใบข้าวเดียวกันถ่ายตอนแดดจัดกับตอนมีเมฆจะได้ DN ต่างกันมาก ถ้าคำนวณดัชนีพืชจาก DN ตรง ๆ แล้วเทียบสองสัปดาห์ อาจสรุปว่าข้าวแย่ลงทั้งที่แค่วันนั้นมีเมฆ การสอบเทียบเปลี่ยน DN เป็น ค่าสะท้อน (reflectance) ซึ่งเป็นสมบัติของพื้นผิวเอง จึงเทียบข้ามวันและข้ามกล้องได้

ค่าพิกเซลกับค่าสะท้อน

ค่าสะท้อน คือสัดส่วนของแสงที่พื้นผิวสะท้อนกลับเทียบกับแสงที่ตกกระทบ มีค่า 0–1 เปรียบเหมือนการวัดว่ากระดาษขาวแค่ไหน ซึ่งไม่ควรเปลี่ยนตามว่าเปิดไฟสว่างหรือหรี่ ส่วน DN เปรียบเหมือนความสว่างที่เห็นในรูปถ่าย ซึ่งเปลี่ยนตามไฟ

กล้อง MicaSense RedEdge-P มาพร้อมอุปกรณ์สองอย่างสำหรับงานนี้

• แผ่นอ้างอิงค่าสะท้อน (calibrated reflectance panel, CRP) รู้ค่าสะท้อนแน่นอนในแต่ละแบนด์ ถ่ายภาพแผ่นนี้ก่อนและหลังบิน
• เซนเซอร์วัดแสง (downwelling light sensor, DLS2) ติดด้านบนโดรน วัดแสงแดดที่ตกลงมาในแต่ละแบนด์ตลอดการบิน ใช้ปรับเมื่อแสงเปลี่ยน

วิธี Empirical line

Empirical line (Smith และ Milton, 1999) ใช้เป้าที่รู้ค่าสะท้อนอย่างน้อยสองค่า ลากเส้นตรงระหว่าง DN กับค่าสะท้อน แล้วใช้เส้นนั้นแปลงทุกพิกเซลในแบนด์เดียวกัน รายงานของ USGS (2023) เน้นวิธีแผ่นอ้างอิงสองแผ่นนี้สำหรับงานโดรน ต้องทำ แยกทีละแบนด์ เพราะแต่ละแบนด์มีความไวต่างกัน

PANELS = (0.05, 0.50)                          # ค่าสะท้อนของแผ่นมืดและแผ่นสว่าง
panel_dn = {"red": (3200, 26000), "nir": (2500, 21000)}
crop_dn = {"red": 5000, "nir": 20000}          # DN ของใบข้าวในแต่ละแบนด์

def calibrate(dn, dn_pair, rho_pair=PANELS):
    gain = (dn_pair[1] - dn_pair[0]) / (rho_pair[1] - rho_pair[0])
    offset = dn_pair[0] - gain * rho_pair[0]
    return (dn - offset) / gain

rho = {band: calibrate(crop_dn[band], panel_dn[band]) for band in crop_dn}
ndvi_rho = (rho["nir"] - rho["red"]) / (rho["nir"] + rho["red"])
ndvi_dn = (crop_dn["nir"] - crop_dn["red"]) / (crop_dn["nir"] + crop_dn["red"])
print(f"reflectance red {rho['red']:.3f}, NIR {rho['nir']:.3f}")
print(f"NDVI from reflectance {ndvi_rho:.3f} vs from raw DN {ndvi_dn:.3f}")

reflectance red 0.086, NIR 0.476
NDVI from reflectance 0.695 vs from raw DN 0.600

แสงเปลี่ยนระหว่างบิน

ถ้าถ่ายแผ่นอ้างอิงตอนแดดจัด แต่มีเมฆบังขณะบินผ่านบางส่วนของแปลง พิกเซลส่วนนั้นจะได้ค่าสะท้อนต่ำเกินจริง DLS วัดแสงขณะถ่ายแต่ละภาพ จึงปรับด้วยสัดส่วนแสงได้ เมฆลดแสงแต่ละแบนด์ไม่เท่ากัน ดัชนีพืชจึงคลาดได้ด้วย ไม่ใช่เพียงค่าสะท้อน

true_rho = {"red": 0.06, "nir": 0.40}
light_ratio = {"red": 0.70, "nir": 0.80}      # แสงขณะถ่ายภาพ / แสงตอนถ่ายแผ่น

def ndvi(r): return (r["nir"] - r["red"]) / (r["nir"] + r["red"])

raw = {b: true_rho[b] * light_ratio[b] for b in true_rho}      # ไม่ปรับแสง
fixed = {b: raw[b] / light_ratio[b] for b in raw}              # ปรับด้วย DLS
for name, r in (("true", true_rho), ("no DLS correction", raw), ("with DLS correction", fixed)):
    print(f"{name:<20} red {r['red']:.3f}  NIR {r['nir']:.3f}  NDVI {ndvi(r):.3f}")

true                 red 0.060  NIR 0.400  NDVI 0.739
no DLS correction    red 0.042  NIR 0.320  NDVI 0.768
with DLS correction  red 0.060  NIR 0.400  NDVI 0.739

การจัดแนวแบนด์

กล้องหลายช่วงคลื่นแยกเลนส์ละแบนด์ แต่ละเลนส์มองจากตำแหน่งต่างกันเล็กน้อย ถ้าไม่ จัดแนวแบนด์ (band alignment) พิกเซลเดียวกันในแต่ละแบนด์อาจเป็นคนละจุดบนพื้น ขอบคันนาจะมีค่าดัชนีผิดเป็นแนว ชุดคำสั่ง imageprocessing ของ MicaSense (สัญญาอนุญาต MIT) มีตัวอย่างการสอบเทียบด้วยแผ่นอ้างอิงและการจัดแนวภาพ ที่ทดลองได้โดยไม่ต้องมีกล้อง

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• DN ขึ้นกับแสงและกล้อง ค่าสะท้อนเป็นสมบัติของพื้นผิว ต้องแปลงก่อนวิเคราะห์
• CRP ให้ค่าอ้างอิง DLS ปรับแสงที่เปลี่ยนระหว่างบิน
• Empirical line ลากเส้นตรงจากแผ่นอ้างอิงอย่างน้อยสองแผ่น แยกทีละแบนด์
• แสงไม่สม่ำเสมอและแบนด์ไม่ตรงกันทำให้ดัชนีผิดเป็นบริเวณ

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. แผ่น 5% ได้ DN 3,200 แผ่น 50% ได้ DN 26,000 gain ของเส้นเท่าใด
2. จากข้อ 1 พิกเซลที่ DN 14,600 มีค่าสะท้อนเท่าใด
3. ค่าสะท้อนดิบ 0.042 ถ่ายขณะแสงเหลือ 70% หลังปรับแล้วเท่าใด
4. ทำไมต้องสอบเทียบแยกทีละแบนด์
5. การไม่จัดแนวแบนด์ทำให้เกิดอะไรในแผนที่ดัชนี