Torpağın nəmliyinin monitorinqi üzrə ədəbiyyat icmalı

1. Torpağın rütubətinin monitorinqi texnologiyalarının təsnifatı

Torpağın rütubətinin monitorinqi texnologiyaları monitorinq miqyasına və prinsipinə görə üç kateqoriyaya bölünə bilər: yer əsaslı nöqtə ölçmə texnologiyası, proksimal zondlama texnologiyası və uzaqdan zondlama monitorinq texnologiyası. Üç texnologiyanın hər biri yerli nöqtələrin ölçülməsindən qlobal miqyasda monitorinqə qədər tətbiq ehtiyaclarının tam spektrini əhatə edən öz diqqət mərkəzinə malikdir.

(1) Yerə əsaslanan Nöqtə Ölçmə Texnologiyası

Yer əsaslı nöqtə ölçmə texnologiyası, davamlı və ya sabit nöqtəli torpaq rütubəti məlumatlarının toplanması həyata keçirə bilən və torpaq rütubətinin monitorinqinin əsas vasitəsi olan birbaşa təmasda olan torpaq sensorunun ölçülməsinə əsaslanır. Buraya əsasən müqavimət zondları, Time Domain Reflectometry (TDR), tutum sensorları, neytron zondları və digər növlər daxildir. Fərqli sensorlar dəqiqlik, qiymət və tətbiq olunan ssenarilərdə əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənir.

(2) Proksimal Algılama Texnologiyası

Proksimal zondlama texnologiyası əsasən sahə və ya su hövzəsi miqyasında tətbiq edilir. O, qrunt rütubətinin fəzada paylanması xüsusiyyətlərini qeyri-invaziv vasitələrlə əldə edir, yerüstü nöqtələrin ölçülməsinin yerli məhdudiyyətini ödəyir. Ümumi texnologiyalara Elektromaqnit İnduksiyası (EMI), Yerə nüfuz edən Radar (GPR), Kosmik Şüa Neytron Zond (CRNP) və s. daxildir. Onların arasında CRNP texnologiyası böyük bir ərazidə regional orta torpaq nəmliyinin qeyri-invaziv ölçülməsini həyata keçirə bilər və yerüstü nöqtələrin ölçülməsi və peyk vasitəsilə məsafədən zondlamanı birləşdirən əsas körpüyə çevrilmişdir.

(3) Uzaqdan Zondlama Monitorinq Texnologiyası

Uzaqdan zondlama texnologiyası peyklər və təyyarələr kimi platformalar vasitəsilə genişmiqyaslı (regional və qlobal) torpaq rütubətinin dinamik monitorinqini həyata keçirir. Uzaqdan zondlama lentlərinə görə, o, optik uzaqdan zondlama, termal infraqırmızı uzaqdan zondlama və mikrodalğalı uzaqdan zondlamaya bölünə bilər. Onların arasında mikrodalğalı məsafədən zondlama, hava şəraitinə aşağı həssaslığına və bitki örtüyünə və yerüstü torpağa nüfuz etmə qabiliyyətinə görə torpağın rütubətinin genişmiqyaslı monitorinqi üçün əsas texnologiyaya çevrilmişdir. Onu daha da aktiv mikrodalğalı uzaqdan zondlamaya (məsələn, Sintetik Aperture Radar, SAR) və passiv mikrodalğalı məsafədən zondlamaya (radiometr kimi) bölmək olar.

2. Əsas Monitorinq Texnologiyalarının Prinsipləri və Performans Müqayisəsi

(1) Yerə əsaslanan Nöqtə Ölçmə Sensorlarının Performans Müqayisəsi

Sensor növü	Üstünlüklər	Mənfi cəhətləri	Tətbiq olunan Ssenarilər	Dəqiqlik indeksi
Müqavimət Probu	1. Davamlı ölçmə üçün dataloggerlərlə birləşdirilə bilər; 2. Ən aşağı qiymət; 3. Aşağı enerji istehlakı	1. Zəif dəqiqlik, kalibrləmə dəyəri torpağın növü və duz tərkibinə görə dəyişir; 2. Sensorlar qocalmağa meyllidir	Yalnız rütubətdəki dəyişiklikləri mühakimə etməli və dəqiqlik üçün aşağı tələblərə malik olan ssenarilər	Aşağı Dəqiqlik
TDR Probu	1. Davamlı ölçmə apara bilir; 2. Torpağın xüsusi kalibrlənməsindən sonra yüksək dəqiqlik (2-3%); 3. Duzluluğa həssas olmayan (siqnal yox olana qədər); 4. Yüksək akademik tanınma	1. Kapasitans sensorlarından daha yüksək əməliyyat mürəkkəbliyi; 2. Quraşdırma çox vaxt aparan xəndəklərin qazılmasını tələb edir; 3. Duzluluğu yüksək olan mühitlərdə etibarsızdır; 4. Yüksək enerji istehlakı (böyük təkrar doldurulan batareyalar tələb olunur)	Yüksək dəqiqlikli ölçmə tələb edən müvafiq sistemlərlə təchiz olunmuş laboratoriyalar	Yüksək dəqiqlik (2-3%)
Kapasitans Sensoru	1. Davamlı ölçmə apara bilir; 2. Bəzi növlər üçün asan quraşdırma; 3. Kalibrləmədən sonra yüksək dəqiqlik (2-3%); 4. Aşağı enerji istehlakı (kiçik batareyalar kifayətdir); 5. Çox nöqtəli ölçmə imkanı verən aşağı qiymət	1. Yüksək duzlu mühitlərdə dəqiqlik azalır (doymuş ekstraktın elektrik keçiriciliyi > 8 dS/m); 2. Keyfiyyətsiz brendlərin zəif işləməsi	Çox nöqtəli ölçmə, sadə sistemin yerləşdirilməsi və saxlanması və aşağı enerji istehlakı tələb edən ssenarilər	Yüksək dəqiqlik (2-3%)
Neytron zond	1. Böyük ölçü həcmi; 2. Duzluluğa həssas olmayan; 3. Yüksək akademik tanınma (yetkin texnologiya); 4. Torpaq-sensor təması problemlərindən təsirlənmir	1. Bahalı; 2. Əməliyyat radiasiya sertifikatını tələb edir; 3. Çox vaxt aparan; 4. Davamlı ölçmə apara bilmir	Yüksək şoranlıq və ya genişlənən gil torpaqların ölçülməsini tələb edən mövcud avadanlıq və sertifikatlaşdırma ilə ssenarilər	Aşağı Dəqiqlik (sahənin kalibrlənməsindən sonra təkmilləşdirilmişdir)
CRNP (Kosmik Şüa Neytron Probu)	1. Çox böyük ölçü diapazonu (təsir həcmi 800 m diametrli); 2. Avtomatik ölçmə; 3. Peyk məlumatlarının yer üzərində yoxlanılması üçün uyğundur (böyük miqyaslı dəyişkənliyin hamarlanması); 4. Torpaq-sensor təması problemlərindən təsirlənmir	1. Ən yüksək qiymət; 2. Torpağın rütubətindən asılı olaraq dəyişən qeyri-müəyyən ölçü həcmi; 3. Bitki örtüyü kimi çaşdırıcı amillərlə məhdudlaşdırılan dəqiqlik	Geniş miqyaslı orta rütubət dəyərlərini və peyk məlumatlarının yerdən təsdiqini tələb edən ssenarilər	RMSE ≈ 0,032 sm³/sm³ (kalibrləmədən sonra)

Sensor növü	Üstünlüklər	Mənfi cəhətləri	Tətbiq olunan Ssenarilər	Dəqiqlik indeksi
Müqavimət Probu	1. Davamlı ölçmə üçün dataloggerlərlə birləşdirilə bilər; 2. Ən aşağı qiymət; 3. Aşağı enerji istehlakı	1. Zəif dəqiqlik, kalibrləmə dəyəri torpağın növü və duz tərkibinə görə dəyişir; 2. Sensorlar qocalmağa meyllidir	Yalnız rütubətdəki dəyişiklikləri mühakimə etməli və dəqiqlik üçün aşağı tələblərə malik olan ssenarilər	Aşağı Dəqiqlik
TDR Probu	1. Davamlı ölçmə apara bilir; 2. Torpağın xüsusi kalibrlənməsindən sonra yüksək dəqiqlik (2-3%); 3. Duzluluğa həssas olmayan (siqnal yox olana qədər); 4. Yüksək akademik tanınma	1. Kapasitans sensorlarından daha yüksək əməliyyat mürəkkəbliyi; 2. Quraşdırma çox vaxt aparan xəndəklərin qazılmasını tələb edir; 3. Duzluluğu yüksək olan mühitlərdə etibarsızdır; 4. Yüksək enerji istehlakı (böyük təkrar doldurulan batareyalar tələb olunur)	Yüksək dəqiqlikli ölçmə tələb edən müvafiq sistemlərlə təchiz olunmuş laboratoriyalar	Yüksək dəqiqlik (2-3%)
Kapasitans Sensoru	1. Davamlı ölçmə apara bilir; 2. Bəzi növlər üçün asan quraşdırma; 3. Kalibrləmədən sonra yüksək dəqiqlik (2-3%); 4. Aşağı enerji istehlakı (kiçik batareyalar kifayətdir); 5. Çox nöqtəli ölçmə imkanı verən aşağı qiymət	1. Yüksək duzlu mühitlərdə dəqiqlik azalır (doymuş ekstraktın elektrik keçiriciliyi > 8 dS/m); 2. Keyfiyyətsiz brendlərin zəif işləməsi	Çox nöqtəli ölçmə, sadə sistemin yerləşdirilməsi və saxlanması və aşağı enerji istehlakı tələb edən ssenarilər	Yüksək dəqiqlik (2-3%)
Neytron zond	1. Böyük ölçü həcmi; 2. Duzluluğa həssas olmayan; 3. Yüksək akademik tanınma (yetkin texnologiya); 4. Torpaq-sensor təması problemlərindən təsirlənmir	1. Bahalı; 2. Əməliyyat radiasiya sertifikatını tələb edir; 3. Çox vaxt aparan; 4. Davamlı ölçmə apara bilmir	Yüksək şoranlıq və ya genişlənən gil torpaqların ölçülməsini tələb edən mövcud avadanlıq və sertifikatlaşdırma ilə ssenarilər	Aşağı Dəqiqlik (sahənin kalibrlənməsindən sonra təkmilləşdirilmişdir)
CRNP (Kosmik Şüa Neytron Probu)	1. Çox böyük ölçü diapazonu (təsir həcmi 800 m diametrli); 2. Avtomatik ölçmə; 3. Peyk məlumatlarının yer üzərində yoxlanılması üçün uyğundur (böyük miqyaslı dəyişkənliyin hamarlanması); 4. Torpaq-sensor təması problemlərindən təsirlənmir	1. Ən yüksək qiymət; 2. Torpağın rütubətindən asılı olaraq dəyişən qeyri-müəyyən ölçü həcmi; 3. Bitki örtüyü kimi çaşdırıcı amillərlə məhdudlaşdırılan dəqiqlik	Geniş miqyaslı orta rütubət dəyərlərini və peyk məlumatlarının yerdən təsdiqini tələb edən ssenarilər	RMSE ≈ 0,032 sm³/sm³ (kalibrləmədən sonra)

(2) Uzaqdan Zondlama Monitorinq Texnologiyalarının Əsas Prinsipləri və Performansı

Uzaqdan zondlama monitorinq texnologiyası müxtəlif zolaqlarda torpağın elektromaqnit şüalanmasına əks olunması, emissiya və ya səpilmə xüsusiyyətlərini aşkar edərək torpağın nəmini alır. Müxtəlif diapazonlarda ölçmə dərinliyi, məkan həlli və tətbiq olunan texnologiyalar ssenariləri əhəmiyyətli dərəcədə dəyişir:

• Optik və Termal İnfraqırmızı Uzaqdan Zondlama: Optik məsafədən zondlama (görünən işıq, yaxın infraqırmızı, qısa dalğalı infraqırmızı) torpağın rənginin dəyişməsi (rütubətli torpaq daha qaranlıqdır) vasitəsilə son dərəcə nazik səth qatında (≤1mm) torpağın nəmini alır; termal infraqırmızı uzaqdan zondlama qruntun səthinin temperaturunda dəyişiklikləri izləyərək dolayı yolla rütubət şəraitini əks etdirir. Hər ikisi hava və bitki örtüyünə həssasdır və dayaz ölçmə dərinliyinə malikdir.

• Mikrodalğalı Uzaqdan Zondlama: Aktiv (radar əks-sədaları ölçmək üçün siqnallar ötürür) və passiv (təbii mikrodalğalı şüalanmanı ölçür) növlərə bölünən torpağın həcmli dielektrik keçiriciliyini (suyun dielektrik keçiriciliyi təxminən 80-dir, torpağın bərk cisimlərinin və havanınkından xeyli yüksəkdir) ölçməklə rütubəti alır. Mikrodalğalı zolaqlar arasında L-zolağı və P-zolağı güclü bitki örtüyünə nüfuz etmək qabiliyyətinə malikdir və səthə yaxın və kök zonasında torpaq rütubətinin monitorinqi üçün əlverişlidir; C-band çılpaq torpaq və ya seyrək bitki örtüyü olan ərazilər üçün uyğundur.

Əsas Mikrodalğalı Uzaqdan Zondlama Peyk Missiyalarının Performans Müqayisəsi

Peyk Missiyası	Sensor növü	Qrup	Məkan Rezolyusiya	Yenidən Baxış Dövrü	Əsas üstünlüklər	Dəqiqlik indeksi
SMOS (Torpaq Rütubəti və Okean Duzluluğu Peyki)	Passiv mikrodalğalı radiometr	L-band	25 km (EASE-2 Grid)	3 gün	Bitki örtüyünün Optik Dərinliyini (VOD) əldə edə bilən torpaq nəminin monitorinqi üçün xüsusi olaraq ilk peyk missiyası	Median R²=0,75, RMSE=0,023 m³/m³
SMAP (Torpaq Rütubəti Aktiv Passiv Peyk)	Aktiv Radar + Passiv Radiometr (Radar uğursuz)	L-band	36 km (Standart), 9 km (Təkmilləşdirilmiş)	2-3 gün	Hazırda kök zonası (0-100 sm) nəmlik məlumatlarını təmin edə bilən ən dəqiq qlobal torpaq nəmliyi məhsuludur.	ubRMSE=0,035-0,038 sm³/sm³ (səth təbəqəsi); 0,026-0,03 sm³/sm³ (kök zonası)
Sentinel-1	Aktiv Sintetik Diyafram Radarı (SAR)	C-band	10-20 m	6 gün	Yüksək məkan ayırdetmə qabiliyyəti, SMAP məlumatları ilə birləşdirilə və 3km ayırdetmə məhsulları yarada bilər.	RMSE<0,046 sm³/sm³
ESA CCI (İqlim Dəyişikliyi Təşəbbüsü)	Aktiv + Passiv Mikrodalğalı Füzyon	Çox zolaqlı	Çoxsaylı Qətnamələr	Məlumat mənbəyindən asılıdır	1978-ci ildən bəri uzunmüddətli davamlı qlobal torpaq rütubəti məlumatlarını təmin edir	Orta hərtərəfli dəqiqlik, uzunmüddətli iqlim dəyişikliyi tədqiqatı üçün uyğundur

3. Torpağın rütubətinin monitorinqinin dəqiqliyinə təsir edən əsas amillər

Ədəbiyyat 3-ün meta-analiz nəticələrinə əsasən, torpağın rütubətinin monitorinqinin düzgünlüyünə sensor növü, modelləşdirmə metodu və ətraf mühit şəraiti kimi müxtəlif amillər təsir edir. Əsas təsir edən amillər aşağıdakılardır:

(1) Sensor və Texniki Konfiqurasiya

• Sensor Tipi: Aktiv və passiv mikrodalğalı sensorların dəqiqliyi tək istifadə olunduqda müqayisə edilə bilər (hər ikisi üçün median R²=0,7), lakin onların birgə istifadəsi ilə bağlı az sayda tədqiqat var. Hazırkı sübutlar göstərir ki, birləşmə dəqiqliyi əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırılmayıb (median R²=0,59), bu da əlavə tədqiqat və optimallaşdırma tələb edir.

• Polarizasiya rejimi: Aktiv mikrodalğalı sensorlar arasında VV+VH ikili qütbləşmə kombinasiyası ən yüksək dəqiqliyə malikdir (median R²=0,76, RMSE=0,035 m³/m³), ondan sonra HH polarizasiyası və VH polarizasiyası ən aşağı dəqiqliyə malikdir.

• Ölçmə Dərinliyi: Mikrodalğalı məsafədən zondlama əsasən səth qatının (0-5cm) torpağın nəmliyini izləmək üçün uyğundur. Dərin təbəqə (>20 sm) rütubət maşın öyrənmə modelləri vasitəsilə dolayı yolla əldə edilməlidir. Hazırda dərin təbəqənin monitorinqinin dəqiqliyi üçün məlumat nümunələrinin sayı azdır və nəticə hələ aydın deyil.

(2) Modelləşdirmə və Məlumatların Emalı Metodları

Monitorinq məlumatlarının inversiya modelləşdirmə metodu dəqiqliyə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir:

• Maşın Öyrənmə Modelləri (xüsusilə neyron şəbəkələri) ən yüksək dəqiqliyə malikdir, median R²=0,73 və RMSE=0,035 m³/m³; onların arasında LSTM şəbəkələri ən yüksək dəqiqliyə malikdir (median R²=0,86), çünki onlar müvəqqəti asılılığı ələ keçirə bilirlər.

• Yarı Empirik Modellər (məsələn, Su Bulud Modeli (WCM), τ-ω Modeli) geniş istifadə olunur və onların dəqiqliyi maşın öyrənməsindən bir qədər aşağıdır (median R²=0,71, RMSE=0,042 m³/m³).

• Maşın öyrənməsi və yarı empirik modellərin birləşməsi dəqiqliyi daha da təkmilləşdirə bilər (median R²=0,79, RMSE=0,030 m³/m³).

(3) Ətraf Mühit və Səthi Şərait

• İqlim Tipi: Arid və yarımquraq bölgələrdə (daha yüksək median R² ilə) monitorinq dəqiqliyi rütubətli və yarı rütubətli bölgələrdəkindən daha yaxşıdır. Çünki rütubətli bölgələrdə sıx bitki örtüyü və böyük rütubət dalğalanmaları var ki, bu da siqnallara mane ola bilər.

• Torpağın Teksturası: Qumlu gil ən yüksək monitorinq dəqiqliyinə malikdir (median R²=0,75); passiv sensorlar gil və gildə, aktiv sensorlar isə qumlu gil və gildə daha yaxşı işləyir.

• Torpaq örtüyü: Kənd təsərrüfatı torpaqları (buğda, qarğıdalı, soya və s.) əsas tədqiqat ssenarisidir. Bitki örtüyünün sıxlığı mikrodalğalı siqnalların nüfuzuna təsir edir və bununla da dəqiqliyə təsir edir, lakin müxtəlif fəsillər arasında monitorinq dəqiqliyindəki fərq əhəmiyyətli deyil, mikrodalğalı texnologiyanın sabitliyini əks etdirir.

4. Torpaq Rütubətinin Monitorinqi üçün Tətbiq Sistemləri və Məlumat Resursları

(1) Əşyaların İnterneti (IoT) və Məlumat İdarəetmə Sistemləri

Ədəbiyyat 1-də təklif olunan ZENTRA sistemi torpağın rütubətinin monitorinqi üçün tipik IoT həllidir. O, sadələşdirilmiş quraşdırma, uzaqdan məlumatların endirilməsi, real vaxtda nasazlığın erkən xəbərdarlığı və çoxlu sayt məlumatlarının birləşməsini həyata keçirmək üçün sensorları, məlumat kaydediciləri və bulud platformalarını (ZENTRA Cloud) birləşdirir. Bu, tədqiqatçıların iş yükünü əhəmiyyətli dərəcədə azalda və məlumatların idarə edilməsinin səmərəliliyini artıra bilər.

(2) Qlobal və Regional Monitorinq Şəbəkələri

• COSMOS Şəbəkəsi: CRNP texnologiyasına əsaslanan qlobal torpaq rütubətinin müşahidəsi şəbəkəsi. Hazırda dünyada ABŞ, Almaniya, Avstraliya və Böyük Britaniya kimi regionları əhatə edən təxminən 194 daimi stansiya var. O, yer əsaslı nöqtələrin ölçülməsi və peyklərin uzaqdan zondlanması arasında məkan miqyası boşluğunu doldura bilər.

• Beynəlxalq Torpaq Rütubəti Şəbəkəsi (ISMN): Müxtəlif ölçmə texnologiyalarını əhatə edən dünyanın bir çox stansiyalarından in-situ torpaq rütubəti məlumatlarını birləşdirir və uzaqdan zondlama məlumatlarının yoxlanılması üçün mühüm əsas məlumat resursudur.

• TERENO Şəbəkəsi: Almaniyanın Yerüstü Ətraf Mühit Rəsədxanaları şəbəkəsi, su hövzəsi miqyasında torpaq rütubətinin dinamik monitorinqi üçün 20 CRNP stansiyasını əhatə edir.

(3) Məlumat Məhsulları və Paylaşım Platformaları

• SMOS Məlumatı: ESA-nın rəsmi internet saytından və CATDS platformasından, o cümlədən yerüstü torpağın rütubəti, VOD, kök zonasının torpaq rütubəti və digər məhsullardan əldə edilə bilər.

• SMAP Məlumatı: ABŞ-ın Milli Qar və Buz Məlumat Mərkəzi (NSIDC) tərəfindən, o cümlədən səth və kök zonasında torpaq rütubəti məhsulları ən yüksək dəqiqliklə buraxılmışdır.

• ESA CCI Məlumatı: 1978-ci ildən bəri uzunmüddətli qlobal torpaq rütubəti məlumatlarını (üç növ məhsul: aktiv, passiv və əridilmiş) təmin edir, bunları ESA Torpaq Nəmliyi CCI rəsmi saytından əldə etmək olar.

5. Tədqiqatın nəticələri və gələcək istiqamətlər

Üç ədəbiyyat ardıcıl olaraq göstərir ki, torpaq rütubətinin monitorinqi texnologiyaları yerüstü nöqtələrin ölçülməsindən qlobal məsafədən zondlamaya qədər tam miqyaslı sistem formalaşdırmışdır. Onların arasında mikrodalğalı məsafədən zondlama genişmiqyaslı monitorinq üçün əsas texnologiyadır və maşın öyrənmə modelləri inversiya dəqiqliyini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırmışdır. Mövcud texnologiyaların əsas problemlərinə aşağıdakılar daxildir: aktiv və passiv mikrodalğalı sensorların birləşməsinin dəqiqliyinin optimallaşdırılması, dərin torpaq rütubətinin monitorinqi üsullarının yoxlanılması və mürəkkəb bitki örtüyü və rütubətli bölgələrdə monitorinq dəqiqliyinin təkmilləşdirilməsi. Gələcək tədqiqatlar bu istiqamətlərə diqqət yetirməklə yanaşı, məlumatların mənimsənilməsi üsullarını daha da təkmilləşdirməklə, məsafədən zondlama məlumatlarının və yerüstü müşahidələrin birləşməsini gücləndirməklə, torpaq rütubəti məlumatlarının kənd təsərrüfatının suvarılmasının idarə edilməsi, quraqlıq və daşqınların erkən xəbərdarlığı və iqlim dəyişikliyinin tədqiqatı kimi sahələrdə dərindən tətbiqini təşviq etməlidir.