مراجعة الأدبيات حول مراقبة رطوبة التربة

1. تصنيف تقنيات مراقبة رطوبة التربة

يمكن تقسيم تقنيات مراقبة رطوبة التربة إلى ثلاث فئات وفقًا لمقياس ومبدأ المراقبة: تقنية قياس النقاط الأرضية، وتكنولوجيا الاستشعار القريبة، وتكنولوجيا مراقبة الاستشعار عن بعد. ولكل من التقنيات الثلاث تركيزها الخاص، الذي يغطي النطاق الكامل لاحتياجات التطبيقات بدءًا من قياس النقاط المحلية وحتى المراقبة على نطاق عالمي.

(1) تكنولوجيا قياس النقاط الأرضية

تتمحور تكنولوجيا قياس النقاط الأرضية على قياس مستشعر التربة بالتلامس المباشر، والذي يمكن أن يحقق جمعًا مستمرًا أو ثابتًا لبيانات رطوبة التربة وهو الوسيلة الأساسية لمراقبة رطوبة التربة. وهي تشمل بشكل أساسي مجسات المقاومة، وقياس انعكاسات المجال الزمني (TDR)، وأجهزة استشعار السعة، ومسابير النيوترونات وأنواع أخرى. تختلف أجهزة الاستشعار المختلفة بشكل كبير من حيث الدقة والتكلفة والسيناريوهات القابلة للتطبيق.

(2) تقنية الاستشعار الداني

يتم تطبيق تكنولوجيا الاستشعار القريبة بشكل رئيسي على نطاق الحقل أو مستجمعات المياه. فهو يحصل على خصائص التوزيع المكاني لرطوبة التربة من خلال وسائل غير غازية، مما يعوض عن القيد المحلي لقياس النقطة الأرضية. تشمل التقنيات الشائعة الحث الكهرومغناطيسي (EMI)، والرادار المخترق للأرض (GPR)، ومسبار نيوترون الأشعة الكونية (CRNP)، وما إلى ذلك. ومن بينها، يمكن لتكنولوجيا CRNP تحقيق قياس غير جراحي لمتوسط ​​رطوبة التربة الإقليمية على مساحة كبيرة، وأصبحت جسرًا رئيسيًا يربط بين قياس النقاط الأرضية والاستشعار عن بعد عبر الأقمار الصناعية.

(3) تكنولوجيا الرصد بالاستشعار عن بعد

تحقق تكنولوجيا الاستشعار عن بعد مراقبة ديناميكية واسعة النطاق لرطوبة التربة (الإقليمية إلى العالمية) من خلال منصات مثل الأقمار الصناعية والطائرات. وفقا لنطاقات الاستشعار عن بعد، يمكن تقسيمها إلى الاستشعار عن بعد البصري والاستشعار عن بعد بالأشعة تحت الحمراء الحرارية والاستشعار عن بعد بالموجات الدقيقة. ومن بينها، أصبح الاستشعار عن بعد بالموجات الدقيقة التكنولوجيا السائدة لمراقبة رطوبة التربة على نطاق واسع بسبب حساسيته المنخفضة للظروف الجوية وقدرته على اختراق الغطاء النباتي والتربة السطحية. ويمكن تقسيمها أيضًا إلى الاستشعار عن بعد بالموجات الدقيقة النشطة (مثل رادار الفتحة الاصطناعية، SAR) والاستشعار عن بعد بالموجات الدقيقة السلبية (مثل مقياس الإشعاع).

2. المبادئ ومقارنة أداء تقنيات المراقبة الرئيسية

(1) مقارنة أداء أجهزة استشعار قياس النقاط الأرضية

نوع المستشعر	المزايا	العيوب	السيناريوهات القابلة للتطبيق	مؤشر الدقة
مسبار المقاومة	1. يمكن دمجها مع مسجلات البيانات للقياس المستمر؛ 2. أدنى سعر. 3. انخفاض استهلاك الطاقة	1. دقة ضعيفة، وتختلف قيمة المعايرة باختلاف نوع التربة ومحتوى الملح. 2. أجهزة الاستشعار عرضة للشيخوخة	السيناريوهات التي تحتاج فقط إلى الحكم على التغيرات في محتوى الرطوبة ولها متطلبات دقة منخفضة	دقة منخفضة
مسبار TDR	1. يمكن إجراء القياس المستمر. 2. دقة عالية (2-3%) بعد المعايرة الخاصة بالتربة؛ 3. غير حساس للملوحة (حتى تختفي الإشارة). 4. تقدير أكاديمي عالي	1. تعقيد تشغيلي أعلى من أجهزة استشعار السعة؛ 2. يتطلب التثبيت حفر الخنادق، وهو أمر يستغرق وقتًا طويلاً؛ 3. غير صالحة في البيئات عالية الملوحة. 4. استهلاك عالي للطاقة (يتطلب بطاريات كبيرة قابلة للشحن)	مختبرات مجهزة بالأنظمة ذات الصلة التي تتطلب قياسات عالية الدقة	دقة عالية (2-3%)
مستشعر السعة	1. يمكن إجراء القياس المستمر. 2. سهولة التركيب لبعض الأنواع؛ 3. دقة عالية (2-3%) بعد المعايرة؛ 4. انخفاض استهلاك الطاقة (البطاريات الصغيرة كافية)؛ 5. السعر المنخفض، مما يتيح قياس متعدد النقاط	1. تنخفض الدقة في البيئات عالية الملوحة (الموصلية الكهربائية للمستخلص المشبع أكبر من 8 ديسيسيمنز/م)؛ 2. ضعف أداء العلامات التجارية منخفضة الجودة	السيناريوهات التي تتطلب قياسًا متعدد النقاط، ونشرًا وصيانة بسيطة للنظام، واستهلاكًا منخفضًا للطاقة	دقة عالية (2-3%)
مسبار النيوترون	1. حجم قياس كبير. 2. غير حساس للملوحة. 3. الاعتراف الأكاديمي العالي (التكنولوجيا الناضجة)؛ 4. لا يتأثر بمشاكل الاتصال بمستشعر التربة	1. باهظة الثمن. 2. العملية تتطلب شهادة الإشعاع. 3. تستغرق وقتًا طويلاً للغاية؛ 4. لا يمكن إجراء القياس المستمر	السيناريوهات مع المعدات الحالية والشهادات التي تتطلب قياس التربة الطينية عالية الملوحة أو المتقلصة	دقة منخفضة (تم تحسينها بعد المعايرة الميدانية)
CRNP (مسبار نيوترون الأشعة الكونية)	1. نطاق قياس كبير للغاية (حجم التأثير بقطر 800 متر)؛ 2. القياس التلقائي. 3. مناسبة للتحقق الأرضي من بيانات الأقمار الصناعية (تيسير التقلبات واسعة النطاق)؛ 4. لا يتأثر بمشاكل الاتصال بمستشعر التربة	1. أعلى سعر. 2. تعريف حجم القياس غير واضح، ويختلف باختلاف رطوبة التربة؛ 3. الدقة محدودة بعوامل مربكة مثل الغطاء النباتي	السيناريوهات التي تتطلب قيم رطوبة متوسطة واسعة النطاق والتحقق الأرضي من بيانات الأقمار الصناعية	RMSE ≈ 0.032 سم مكعب / سم مكعب (بعد المعايرة)

نوع المستشعر	المزايا	العيوب	السيناريوهات القابلة للتطبيق	مؤشر الدقة
مسبار المقاومة	1. يمكن دمجها مع مسجلات البيانات للقياس المستمر؛ 2. أدنى سعر. 3. انخفاض استهلاك الطاقة	1. دقة ضعيفة، وتختلف قيمة المعايرة باختلاف نوع التربة ومحتوى الملح. 2. أجهزة الاستشعار عرضة للشيخوخة	السيناريوهات التي تحتاج فقط إلى الحكم على التغيرات في محتوى الرطوبة ولها متطلبات دقة منخفضة	دقة منخفضة
مسبار TDR	1. يمكن إجراء القياس المستمر. 2. دقة عالية (2-3%) بعد المعايرة الخاصة بالتربة؛ 3. غير حساس للملوحة (حتى تختفي الإشارة). 4. تقدير أكاديمي عالي	1. تعقيد تشغيلي أعلى من أجهزة استشعار السعة؛ 2. يتطلب التثبيت حفر الخنادق، وهو أمر يستغرق وقتًا طويلاً؛ 3. غير صالحة في البيئات عالية الملوحة. 4. استهلاك عالي للطاقة (يتطلب بطاريات كبيرة قابلة للشحن)	مختبرات مجهزة بالأنظمة ذات الصلة التي تتطلب قياسات عالية الدقة	دقة عالية (2-3%)
مستشعر السعة	1. يمكن إجراء القياس المستمر. 2. سهولة التركيب لبعض الأنواع؛ 3. دقة عالية (2-3%) بعد المعايرة؛ 4. انخفاض استهلاك الطاقة (البطاريات الصغيرة كافية)؛ 5. السعر المنخفض، مما يتيح قياس متعدد النقاط	1. تنخفض الدقة في البيئات عالية الملوحة (الموصلية الكهربائية للمستخلص المشبع أكبر من 8 ديسيسيمنز/م)؛ 2. ضعف أداء العلامات التجارية منخفضة الجودة	السيناريوهات التي تتطلب قياسًا متعدد النقاط، ونشرًا وصيانة بسيطة للنظام، واستهلاكًا منخفضًا للطاقة	دقة عالية (2-3%)
مسبار النيوترون	1. حجم قياس كبير. 2. غير حساس للملوحة. 3. الاعتراف الأكاديمي العالي (التكنولوجيا الناضجة)؛ 4. لا يتأثر بمشاكل الاتصال بمستشعر التربة	1. باهظة الثمن. 2. العملية تتطلب شهادة الإشعاع. 3. تستغرق وقتًا طويلاً للغاية؛ 4. لا يمكن إجراء القياس المستمر	السيناريوهات مع المعدات الحالية والشهادات التي تتطلب قياس التربة الطينية عالية الملوحة أو المتقلصة	دقة منخفضة (تم تحسينها بعد المعايرة الميدانية)
CRNP (مسبار نيوترون الأشعة الكونية)	1. نطاق قياس كبير للغاية (حجم التأثير بقطر 800 متر)؛ 2. القياس التلقائي. 3. مناسبة للتحقق الأرضي من بيانات الأقمار الصناعية (تيسير التقلبات واسعة النطاق)؛ 4. لا يتأثر بمشاكل الاتصال بمستشعر التربة	1. أعلى سعر. 2. تعريف حجم القياس غير واضح، ويختلف باختلاف رطوبة التربة؛ 3. الدقة محدودة بعوامل مربكة مثل الغطاء النباتي	السيناريوهات التي تتطلب قيم رطوبة متوسطة واسعة النطاق والتحقق الأرضي من بيانات الأقمار الصناعية	RMSE ≈ 0.032 سم مكعب / سم مكعب (بعد المعايرة)

(2) المبادئ الأساسية وأداء تقنيات المراقبة بالاستشعار عن بعد

تقوم تقنية مراقبة الاستشعار عن بعد باسترداد رطوبة التربة عن طريق الكشف عن خصائص الانعكاس أو الانبعاث أو الانتثار للتربة للإشعاع الكهرومغناطيسي في نطاقات مختلفة. يختلف عمق القياس والاستبانة المكانية والسيناريوهات المطبقة للتكنولوجيات في النطاقات المختلفة بشكل كبير:

• الاستشعار البصري والحراري عن بعد بالأشعة تحت الحمراء: يقوم الاستشعار البصري عن بعد (الضوء المرئي، والأشعة تحت الحمراء القريبة، والأشعة تحت الحمراء ذات الموجات القصيرة) باستعادة رطوبة التربة في الطبقة السطحية الرقيقة للغاية (mm1mm) من خلال التغيرات في لون التربة (التربة الرطبة أغمق)؛ يعكس الاستشعار الحراري عن بعد بالأشعة تحت الحمراء بشكل غير مباشر ظروف الرطوبة من خلال مراقبة التغيرات في درجة حرارة التربة السطحية. كلاهما عرضة للطقس والغطاء النباتي ولهما عمق قياس ضحل.

• الاستشعار عن بعد بالموجات الدقيقة: يستعيد الرطوبة عن طريق قياس ثابت العزل الكهربائي الحجمي للتربة (ثابت العزل الكهربائي للماء حوالي 80، وهو أعلى بكثير من ثابت عزل المواد الصلبة في التربة والهواء)، والذي ينقسم إلى أنواع نشطة (يرسل الرادار إشارات لقياس الصدى) وأنواع سلبية (تقيس إشعاعات الموجات الدقيقة الطبيعية). من بين نطاقات الموجات الدقيقة، يتمتع النطاق L والنطاق P بقدرة قوية على اختراق الغطاء النباتي ومناسبان لمراقبة رطوبة التربة القريبة من السطح ومنطقة الجذر؛ النطاق C مناسب للتربة العارية أو المناطق ذات الغطاء النباتي المتناثر.

مقارنة أداء بعثات الأقمار الصناعية للاستشعار عن بعد بالموجات الدقيقة

مهمة القمر الصناعي	نوع المستشعر	فرقة	القرار المكاني	فترة إعادة النظر	المزايا الأساسية	مؤشر الدقة
SMOS (القمر الصناعي الخاص برطوبة التربة وملوحة المحيطات)	مقياس إشعاع الميكروويف السلبي	الفرقة L	25 كم (شبكة EASE-2)	3 أيام	أول مهمة فضائية مخصصة لرصد رطوبة التربة، قادرة على استرجاع العمق البصري للغطاء النباتي (VOD)	الوسيط R²=0.75، RMSE=0.023 م³/م³
SMAP (القمر الصناعي السلبي النشط لرطوبة التربة)	الرادار النشط + مقياس الإشعاع السلبي (فشل الرادار)	الفرقة L	36 كم (قياسي)، 9 كم (مُحسّن)	2-3 أيام	حاليًا هو المنتج الأكثر دقة عالميًا لرطوبة التربة، وهو قادر على توفير بيانات رطوبة منطقة الجذر (0-100 سم).	ubRMSE=0.035-0.038 سم مكعب/سم مكعب (الطبقة السطحية)؛ 0.026-0.03 سم مكعب/سم مكعب (منطقة الجذر)
الحارس-1	رادار ذو فتحة اصطناعية نشطة (SAR)	النطاق C	10-20 م	6 أيام	يمكن دمج الدقة المكانية العالية مع بيانات SMAP لإنشاء منتجات بدقة 3 كيلومتر	RMSE <0.046 سم مكعب / سم مكعب
ESA CCI (مبادرة تغير المناخ)	نشط + سلبي فيوجن الميكروويف	متعدد الفرقة	قرارات متعددة	يعتمد على مصدر البيانات	يوفر بيانات رطوبة التربة العالمية المستمرة طويلة المدى منذ عام 1978	دقة شاملة متوسطة، ومناسبة لأبحاث تغير المناخ على المدى الطويل

3. العوامل الرئيسية المؤثرة على دقة مراقبة رطوبة التربة

استنادا إلى نتائج التحليل التلوي للأدب 3، تتأثر دقة مراقبة رطوبة التربة بعوامل مختلفة مثل نوع المستشعر، وطريقة النمذجة، والظروف البيئية. العوامل المؤثرة الأساسية هي كما يلي:

(1) المستشعر والتكوين الفني

• نوع المستشعر: يمكن مقارنة دقة مستشعرات الموجات الدقيقة النشطة والسلبية عند استخدامها بمفردها (متوسط ​​R²=0.7 لكليهما)، ولكن هناك القليل من الدراسات حول استخدامها معًا. تظهر الأدلة الحالية أن دقة الاندماج لم تتحسن بشكل ملحوظ (متوسط ​​R² = 0.59)، الأمر الذي يتطلب المزيد من البحث والتحسين.

• وضع الاستقطاب: من بين أجهزة استشعار الموجات الدقيقة النشطة، تتمتع مجموعة الاستقطاب المزدوج VV+VH بأعلى دقة (متوسط ​​R²=0.76، RMSE=0.035 m³/m³)، يليها استقطاب HH، واستقطاب VH له أقل دقة.

• عمق القياس: الاستشعار عن بعد بالموجات الدقيقة مناسب بشكل رئيسي لمراقبة رطوبة التربة في الطبقة السطحية (0-5 سم). يجب استرجاع رطوبة الطبقة العميقة (> 20 سم) بشكل غير مباشر من خلال نماذج التعلم الآلي. حاليًا، عدد عينات البيانات لدقة مراقبة الطبقة العميقة صغير، والاستنتاج ليس واضحًا بعد.

(2) طرق النمذجة ومعالجة البيانات

تؤثر طريقة النمذجة العكسية لمراقبة البيانات بشكل كبير على الدقة:

• تتمتع نماذج التعلم الآلي (خاصة الشبكات العصبية) بأعلى دقة، بمتوسط ​​R²=0.73 وRMSE=0.035 m³/m³; من بينها، تتمتع شبكات LSTM بأعلى دقة (متوسط ​​R² = 0.86) لأنها تستطيع التقاط الاعتماد الزمني.

• تُستخدم النماذج شبه التجريبية (مثل نموذج سحابة الماء (WCM)، ونموذج τ-ω) على نطاق واسع، ودقتها أقل قليلاً من دقة التعلم الآلي (متوسط ​​R²=0.71، RMSE=0.042 م³/م³).

• يمكن أن يؤدي الجمع بين التعلم الآلي والنماذج شبه التجريبية إلى زيادة تحسين الدقة (الوسيط R²=0.79، RMSE=0.030 m³/m³).

(3) الظروف البيئية والسطحية

• نوع المناخ: دقة الرصد في المناطق القاحلة وشبه القاحلة (مع ارتفاع متوسط ​​R²) أفضل من تلك الموجودة في المناطق الرطبة وشبه الرطبة. لأن المناطق الرطبة بها نباتات كثيفة وتقلبات كبيرة في الرطوبة، والتي من المحتمل أن تتداخل مع الإشارات.

• قوام التربة: يتمتع الطميية الرملية بأعلى دقة في المراقبة (متوسط ​​R²=0.75)؛ تعمل المستشعرات السلبية بشكل أفضل في الطميية والطينية، بينما تعمل المستشعرات النشطة بشكل أفضل في الطميية والطينية الرملية.

• الغطاء الأرضي: الأراضي الزراعية (القمح، الذرة، فول الصويا، الخ) هي السيناريو البحثي الرئيسي. تؤثر كثافة الغطاء النباتي على اختراق إشارات الموجات الميكروية، وبالتالي تؤثر على الدقة، إلا أن الاختلاف في دقة الرصد بين الفصول المختلفة ليس كبيرًا، مما يعكس استقرار تكنولوجيا الموجات الدقيقة.

4. أنظمة التطبيقات وموارد البيانات لمراقبة رطوبة التربة

(1) إنترنت الأشياء (IoT) وأنظمة إدارة البيانات

يعد نظام ZENTRA المقترح في الأدب 1 حلاً نموذجيًا لإنترنت الأشياء لمراقبة رطوبة التربة. فهو يدمج أجهزة الاستشعار ومسجلات البيانات والأنظمة الأساسية السحابية (ZENTRA Cloud) لتحقيق التثبيت المبسط وتنزيل البيانات عن بعد والإنذار المبكر بالأخطاء في الوقت الفعلي ودمج البيانات متعددة المواقع. يمكن أن يقلل بشكل كبير من عبء عمل الباحثين ويحسن كفاءة إدارة البيانات.

(2) شبكات الرصد العالمية والإقليمية

• شبكة COSMOS: شبكة عالمية لمراقبة رطوبة التربة تعتمد على تقنية CRNP. يوجد حاليًا حوالي 194 محطة دائمة حول العالم، تغطي مناطق مثل الولايات المتحدة وألمانيا وأستراليا والمملكة المتحدة. يمكنه سد فجوة النطاق المكاني بين قياس النقاط الأرضية والاستشعار عن بعد عبر الأقمار الصناعية.

• الشبكة الدولية لرطوبة التربة (ISMN): تدمج بيانات رطوبة التربة في الموقع من محطات متعددة حول العالم، وتغطي مجموعة متنوعة من تقنيات القياس، وهي مصدر بيانات أساسي مهم للتحقق من صحة بيانات الاستشعار عن بعد.

• شبكة TERENO: شبكة المراصد البيئية الأرضية في ألمانيا، والتي تتضمن 20 محطة CRNP للرصد الديناميكي لرطوبة التربة على نطاق مستجمعات المياه.

(3) منتجات البيانات ومنصات المشاركة

• بيانات SMOS: متاحة على الموقع الإلكتروني الرسمي لوكالة الفضاء الأوروبية ومنصة CATDS، بما في ذلك رطوبة التربة السطحية، وVOD، ورطوبة تربة منطقة الجذر وغيرها من المنتجات.

• بيانات SMAP: صادرة عن المركز الوطني لبيانات الثلوج والجليد (NSIDC) في الولايات المتحدة، بما في ذلك منتجات رطوبة التربة السطحية ومنطقة الجذر بأعلى دقة.

• بيانات ESA CCI: توفر بيانات رطوبة التربة العالمية طويلة المدى (ثلاثة أنواع من المنتجات: النشطة والسلبية والمدمجة) منذ عام 1978، والتي يمكن الحصول عليها من الموقع الإلكتروني الرسمي لـ ESA Soil Moisture CCI.

5. استنتاجات البحث والتوجهات المستقبلية

تشير الأدبيات الثلاثة باستمرار إلى أن تقنيات مراقبة رطوبة التربة قد شكلت نظامًا واسع النطاق بدءًا من قياس النقاط الأرضية وحتى الاستشعار العالمي عن بعد. ومن بينها، يعد الاستشعار عن بعد بالموجات الدقيقة التكنولوجيا الأساسية للمراقبة على نطاق واسع، وقد حسنت نماذج التعلم الآلي دقة الانعكاس بشكل كبير. وتشمل التحديات الأساسية للتقنيات الحالية ما يلي: تحسين دقة دمج أجهزة استشعار الموجات الدقيقة النشطة والسلبية، والتحقق من طرق مراقبة رطوبة التربة العميقة، وتحسين دقة المراقبة في النباتات المعقدة والمناطق الرطبة. وينبغي أن تركز البحوث المستقبلية على هذه الاتجاهات، مع مواصلة تحسين أساليب استيعاب البيانات، وتعزيز الجمع بين بيانات الاستشعار عن بعد والرصد الأرضي، وتشجيع التطبيق المتعمق لبيانات رطوبة التربة في مجالات مثل إدارة الري الزراعي، والإنذار المبكر بالجفاف والفيضانات، وأبحاث تغير المناخ.