Агляд літаратуры па маніторынгу вільготнасці глебы

1. Класіфікацыя тэхналогій маніторынгу вільготнасці глебы

Тэхналогіі маніторынгу вільготнасці глебы можна падзяліць на тры катэгорыі ў залежнасці ад маштабу і прынцыпу маніторынгу: тэхналогія наземнага кропкавага вымярэння, тэхналогія праксімальнага зандзіравання і тэхналогія маніторынгу дыстанцыйнага зандзіравання. Кожная з трох тэхналогій мае сваю ўласную накіраванасць, якая ахоплівае ўвесь спектр патрэб прыкладанняў ад лакальных кропкавых вымярэнняў да маніторынгу ў глабальным маштабе.

(1) Наземная тэхналогія кропкавага вымярэння

Наземная кропкавая тэхналогія вымярэння засяроджана на прамым кантактным вымярэнні датчыка глебы, які можа ажыццяўляць бесперапынны або фіксаваны збор даных аб вільготнасці глебы і з'яўляецца асноўным сродкам маніторынгу вільготнасці глебы. У асноўным ён уключае зонды супраціву, рэфлектаметрыю ў часовай вобласці (TDR), датчыкі ёмістасці, нейтронныя зонды і іншыя тыпы. Розныя датчыкі істотна адрозніваюцца па дакладнасці, кошту і прыдатным сцэнарыям.

(2) Тэхналогія праксімальнага зандзіравання

Тэхналогія праксімальнага зандзіравання ў асноўным прымяняецца ў маштабе поля або водападзелу. Ён атрымлівае характарыстыкі прасторавага размеркавання вільгаці ў глебе неінвазіўнымі сродкамі, кампенсуючы лакальнае абмежаванне кропкавага наземнага вымярэння. Агульныя тэхналогіі ўключаюць электрамагнітную індукцыю (EMI), геаграфічны радар (GPR), нейтронны зонд касмічных прамянёў (CRNP) і г. д. Сярод іх тэхналогія CRNP можа рэалізаваць неінвазіўнае вымярэнне сярэдняй рэгіянальнай вільготнасці глебы на вялікай тэрыторыі і стала ключавым мостам, які злучае наземныя кропкавыя вымярэнні і спадарожнікавае дыстанцыйнае зандзіраванне.

(3) Тэхналогія маніторынгу дыстанцыйнага зандзіравання

Тэхналогія дыстанцыйнага зандзіравання рэалізуе дынамічны маніторынг буйнамаштабнай (рэгіянальнай і глабальнай) вільготнасці глебы з дапамогай такіх платформаў, як спадарожнікі і самалёты. У адпаведнасці з дыяпазонамі дыстанцыйнага зандзіравання яго можна падзяліць на аптычнае дыстанцыйнае зандзіраванне, цеплавое інфрачырвонае дыстанцыйнае зандзіраванне і мікрахвалевае дыстанцыйнае зандзіраванне. Сярод іх мікрахвалевае дыстанцыйнае зандзіраванне стала асноўнай тэхналогіяй для шырокамаштабнага маніторынгу вільготнасці глебы з-за яго нізкай адчувальнасці да ўмоў надвор'я і здольнасці пранікаць праз расліннасць і паверхню глебы. Яе далей можна падзяліць на актыўную мікрахвалевую дыстанцыйнае зандзіраванне (напрыклад, радар з сінтэтычнай апертурай, SAR) і пасіўнае мікрахвалевае дыстанцыйнае зандзіраванне (напрыклад, радыёметр).

2. Прынцыпы і параўнанне прадукцыйнасці асноўных тэхналогій маніторынгу

(1) Параўнанне прадукцыйнасці наземных датчыкаў кропкавага вымярэння

Тып датчыка	Перавагі	Недахопы	Прыдатныя сцэнарыі	Індэкс дакладнасці
Зонд супраціву	1. Можа спалучацца з рэгістратарамі даных для бесперапыннага вымярэння; 2. Самая нізкая цана; 3. Нізкае энергаспажыванне	1. Нізкая дакладнасць, значэнне каліброўкі вар'іруецца ў залежнасці ад тыпу глебы і ўтрымання солі; 2. Датчыкі схільныя да старэння	Сцэнарыі, якія патрабуюць толькі судзіць аб зменах утрымання вільгаці і маюць нізкія патрабаванні да дакладнасці	Нізкая дакладнасць
Зонд TDR	1. Можа выконваць бесперапыннае вымярэнне; 2. Высокая дакладнасць (2-3%) пасля глебавай каліброўкі; 3. Неадчувальны да салёнасці (да знікнення сігналу); 4. Высокае акадэмічнае прызнанне	1. Больш высокая эксплуатацыйная складанасць, чым датчыкі ёмістасці; 2. Мантаж патрабуе траншэі, што займае шмат часу; 3. Недапушчальны ў асяроддзі з высокай салёнасцю; 4. Высокае энергаспажыванне (патрабуюцца вялікія акумулятарныя батарэі)	Лабараторыі аснашчаны адпаведнымі сістэмамі, якія патрабуюць высокадакладных вымярэнняў	Высокая дакладнасць (2-3%)
Датчык ёмістасці	1. Можа выконваць бесперапыннае вымярэнне; 2. Лёгкая ўстаноўка для некаторых тыпаў; 3. Высокая дакладнасць (2-3%) пасля каліброўкі; 4. Нізкае энергаспажыванне (дастаткова невялікіх батарэек); 5. Нізкая цана, якая дазваляе вымяраць шмат кропак	1. Дакладнасць зніжаецца ў асяроддзях з высокай салёнасцю (электраправоднасць насычанага экстракта > 8 дСм/м); 2. Дрэнная праца няякасных марак	Сцэнарыі, якія патрабуюць шматкропкавага вымярэння, простага разгортвання і абслугоўвання сістэмы і нізкага энергаспажывання	Высокая дакладнасць (2-3%)
Нейтронны зонд	1. Вялікі аб'ём вымярэння; 2. Неадчувальны да салёнасці; 3. Высокае акадэмічнае прызнанне (развітая тэхналогія); 4. Не ўплывае на праблемы з кантактам датчыка глебы	1. Дарагі; 2. Эксплуатацыя патрабуе радыяцыйнай сертыфікацыі; 3. Надзвычай працаёмкі; 4. Немагчыма выканаць бесперапыннае вымярэнне	Сцэнарыі з існуючым абсталяваннем і сертыфікацыяй, якія патрабуюць вымярэння гліністых глеб з высокай салёнасцю або экспансіўнай усадкай	Нізкая дакладнасць (палепшана пасля палявой каліброўкі)
CRNP (нейтронны зонд касмічных прамянёў)	1. Надзвычай вялікі дыяпазон вымярэнняў (ўплывовы аб'ём з дыяметрам 800 м); 2. Аўтаматычнае вымярэнне; 3. Падыходзіць для наземнай праверкі спадарожнікавых даных (згладжванне буйнамаштабнай зменлівасці); 4. Не ўплывае на праблемы з кантактам датчыка глебы	1. Самая высокая цана; 2. Недакладнае вызначэнне аб'ёму вымярэння, якое змяняецца ў залежнасці ад вільготнасці глебы; 3. Дакладнасць абмежавана змешваючымі фактарамі, такімі як расліннасць	Сцэнарыі, якія патрабуюць буйнамаштабных сярэдніх значэнняў вільготнасці і наземнай праверкі спадарожнікавых даных	RMSE ≈ 0,032 см³/см³ (пасля каліброўкі)

Тып датчыка	Перавагі	Недахопы	Прыдатныя сцэнарыі	Індэкс дакладнасці
Зонд супраціву	1. Можа спалучацца з рэгістратарамі даных для бесперапыннага вымярэння; 2. Самая нізкая цана; 3. Нізкае энергаспажыванне	1. Нізкая дакладнасць, значэнне каліброўкі вар'іруецца ў залежнасці ад тыпу глебы і ўтрымання солі; 2. Датчыкі схільныя да старэння	Сцэнарыі, якія патрабуюць толькі судзіць аб зменах утрымання вільгаці і маюць нізкія патрабаванні да дакладнасці	Нізкая дакладнасць
Зонд TDR	1. Можа выконваць бесперапыннае вымярэнне; 2. Высокая дакладнасць (2-3%) пасля глебавай каліброўкі; 3. Неадчувальны да салёнасці (да знікнення сігналу); 4. Высокае акадэмічнае прызнанне	1. Больш высокая эксплуатацыйная складанасць, чым датчыкі ёмістасці; 2. Мантаж патрабуе траншэі, што займае шмат часу; 3. Недапушчальны ў асяроддзі з высокай салёнасцю; 4. Высокае энергаспажыванне (патрабуюцца вялікія акумулятарныя батарэі)	Лабараторыі аснашчаны адпаведнымі сістэмамі, якія патрабуюць высокадакладных вымярэнняў	Высокая дакладнасць (2-3%)
Датчык ёмістасці	1. Можа выконваць бесперапыннае вымярэнне; 2. Лёгкая ўстаноўка для некаторых тыпаў; 3. Высокая дакладнасць (2-3%) пасля каліброўкі; 4. Нізкае энергаспажыванне (дастаткова невялікіх батарэек); 5. Нізкая цана, якая дазваляе вымяраць шмат кропак	1. Дакладнасць зніжаецца ў асяроддзях з высокай салёнасцю (электраправоднасць насычанага экстракта > 8 дСм/м); 2. Дрэнная праца няякасных марак	Сцэнарыі, якія патрабуюць шматкропкавага вымярэння, простага разгортвання і абслугоўвання сістэмы і нізкага энергаспажывання	Высокая дакладнасць (2-3%)
Нейтронны зонд	1. Вялікі аб'ём вымярэння; 2. Неадчувальны да салёнасці; 3. Высокае акадэмічнае прызнанне (развітая тэхналогія); 4. Не ўплывае на праблемы з кантактам датчыка глебы	1. Дарагі; 2. Эксплуатацыя патрабуе радыяцыйнай сертыфікацыі; 3. Надзвычай працаёмкі; 4. Немагчыма выканаць бесперапыннае вымярэнне	Сцэнарыі з існуючым абсталяваннем і сертыфікацыяй, якія патрабуюць вымярэння гліністых глеб з высокай салёнасцю або экспансіўнай усадкай	Нізкая дакладнасць (палепшана пасля палявой каліброўкі)
CRNP (нейтронны зонд касмічных прамянёў)	1. Надзвычай вялікі дыяпазон вымярэнняў (ўплывовы аб'ём з дыяметрам 800 м); 2. Аўтаматычнае вымярэнне; 3. Падыходзіць для наземнай праверкі спадарожнікавых даных (згладжванне буйнамаштабнай зменлівасці); 4. Не ўплывае на праблемы з кантактам датчыка глебы	1. Самая высокая цана; 2. Недакладнае вызначэнне аб'ёму вымярэння, якое змяняецца ў залежнасці ад вільготнасці глебы; 3. Дакладнасць абмежавана змешваючымі фактарамі, такімі як расліннасць	Сцэнарыі, якія патрабуюць буйнамаштабных сярэдніх значэнняў вільготнасці і наземнай праверкі спадарожнікавых даных	RMSE ≈ 0,032 см³/см³ (пасля каліброўкі)

(2) Асноўныя прынцыпы і прадукцыйнасць тэхналогій маніторынгу дыстанцыйнага зандзіравання

Тэхналогія маніторынгу дыстанцыйнага зандзіравання здабывае вільготнасць глебы шляхам выяўлення характарыстык адлюстравання, выпраменьвання або рассейвання глебы ад электрамагнітнага выпраменьвання ў розных дыяпазонах. Глыбіня вымярэнняў, прасторавае дазвол і прыдатныя сцэнарыі тэхналогій у розных дыяпазонах значна адрозніваюцца:

• Аптычнае і цеплавое інфрачырвонае дыстанцыйнае зандзіраванне: аптычнае дыстанцыйнае зандзіраванне (бачнае святло, блізкае інфрачырвонае, кароткахвалевае інфрачырвонае) здабывае вільгаць глебы ў вельмі тонкім павярхоўным слоі (≤1 мм) праз змены колеру глебы (вільготная глеба цямней); цеплавое інфрачырвонае дыстанцыйнае зандзіраванне ўскосна адлюстроўвае ўмовы вільготнасці, адсочваючы змены тэмпературы паверхні глебы. Абодва адчувальныя да надвор'я і расліннага покрыва і маюць невялікую глыбіню вымярэння.

• Мікрахвалевае дыстанцыйнае зандзіраванне: здабывае вільгаць шляхам вымярэння аб'ёмнай дыэлектрычнай пранікальнасці глебы (дыэлектрычная пранікальнасць вады складае каля 80, што значна вышэй, чым у цвёрдых рэчываў глебы і паветра), якая дзеліцца на актыўны (радар перадае сігналы для вымярэння рэха) і пасіўны (вымярае натуральнае мікрахвалевае выпраменьванне) тыпы. Сярод мікрахвалевых дыяпазонаў L-дыяпазон і P-дыяпазон валодаюць моцнай здольнасцю пранікаць праз расліннасць і падыходзяць для маніторынгу вільготнасці глебы ў прыпаверхневай і каранёвай зонах; C-дыяпазон падыходзіць для голай глебы або раёнаў з рэдкай расліннасцю.

Параўнанне прадукцыйнасці асноўных місій мікрахвалевага дыстанцыйнага зандзіравання

Місія спадарожніка	Тып датчыка	Гурт	Прасторавае дазвол	Перыяд перагляду	Асноўныя перавагі	Індэкс дакладнасці
SMOS (Спадарожнік вільготнасці глебы і салёнасці акіяна)	Пасіўны мікрахвалевы радыёметр	L-дыяпазон	25 км (EASE-2 Grid)	3 дні	Першая спадарожнікавая місія спецыяльна для маніторынгу вільготнасці глебы, здольная здабываць аптычную глыбіню расліннасці (VOD)	Медыяна R²=0,75, RMSE=0,023 м³/м³
SMAP (актыўны пасіўны спадарожнік вільготнасці глебы)	Актыўны радар + пасіўны радыёметр (збой радара)	L-дыяпазон	36 км (стандарт), 9 км (палепшаны)	2-3 дня	На дадзены момант гэта самы дакладны глабальны прадукт вільготнасці глебы, здольны даць даныя аб вільготнасці каранёвай зоны (0-100 см).	ubRMSE=0,035-0,038 см³/см³ (павярхоўны пласт); 0,026-0,03 см³/см³ (каранёвая зона)
Вартавы-1	Радар з актыўнай сінтэтычнай апертурай (SAR)	C-дыяпазон	10-20 м	6 дзён	Высокае прасторавае раздзяленне, можа быць аб'яднана з дадзенымі SMAP для атрымання прадуктаў з раздзяленнем 3 км	RMSE<0,046 см³/см³
ESA CCI (Ініцыятыва па змене клімату)	Актыўны + пасіўны мікрахвалевы тэрмаядзерны працэс	Шматдыяпазонны	Некалькі дазволаў	Залежыць ад крыніцы даных	Прадастаўляе доўгатэрміновыя бесперапынныя даныя аб вільготнасці глебы з 1978 года	Сярэдняя ўсебаковая дакладнасць, прыдатны для доўгатэрміновых даследаванняў змены клімату

3. Асноўныя фактары, якія ўплываюць на дакладнасць кантролю вільготнасці глебы

Зыходзячы з вынікаў метааналізу Літаратуры 3, на дакладнасць маніторынгу вільготнасці глебы ўплываюць розныя фактары, такія як тып датчыка, метад мадэлявання і ўмовы навакольнага асяроддзя. Асноўныя фактары ўплыву наступныя:

(1) Датчык і тэхнічная канфігурацыя

• Тып датчыка: Дакладнасць актыўных і пасіўных мікрахвалевых датчыкаў параўнальная пры выкарыстанні паасобку (сярэдняе R²=0,7 для абодвух), але ёсць некалькі даследаванняў па іх сумеснаму выкарыстанню. Сучасныя дадзеныя паказваюць, што дакладнасць сінтэзу не была істотна палепшана (сярэдняе R²=0,59), што патрабуе далейшых даследаванняў і аптымізацыі.

• Рэжым палярызацыі: сярод актыўных мікрахвалевых датчыкаў камбінацыя падвойнай палярызацыі VV+VH мае самую высокую дакладнасць (сярэдняе R²=0,76, RMSE=0,035 м³/м³), за ёй ідзе палярызацыя HH, а палярызацыя VH мае самую нізкую дакладнасць.

• Глыбіня вымярэння: мікрахвалевае дыстанцыйнае зандзіраванне ў асноўным падыходзіць для маніторынгу вільготнасці павярхоўнага пласта (0-5 см) глебы. Вільгаць у глыбокім слоі (>20 см) павінна быць атрымана ўскосна з дапамогай мадэляў машыннага навучання. У цяперашні час колькасць узораў дадзеных для дакладнасці маніторынгу глыбокага пласта невялікая, і выснова яшчэ не ясна.

(2) Мадэляванне і метады апрацоўкі дадзеных

Метад інверсійнага мадэлявання дадзеных маніторынгу істотна ўплывае на дакладнасць:

• Мадэлі машыннага навучання (асабліва нейронныя сеткі) маюць самую высокую дакладнасць з медыянай R²=0,73 і RMSE=0,035 м³/м³; сярод іх сеткі LSTM маюць самую высокую дакладнасць (медыяна R²=0,86), таму што яны могуць фіксаваць часовую залежнасць.

• Паўэмпірычныя мадэлі (такія як мадэль воднага воблака (WCM), мадэль τ-ω) шырока выкарыстоўваюцца, і іх дакладнасць крыху ніжэйшая, чым у машыннага навучання (медыяна R²=0,71, RMSE=0,042 м³/м³).

• Спалучэнне машыннага навучання і паўэмпірычных мадэляў можа яшчэ больш павысіць дакладнасць (медыяна R²=0,79, RMSE=0,030 м³/м³).

(3) Умовы навакольнага асяроддзя і паверхні

• Тып клімату: дакладнасць маніторынгу ў засушлівых і паўзасушлівых рэгіёнах (з больш высокім сярэднім R²) лепшая, чым у вільготных і паўвільготных рэгіёнах. Таму што вільготныя рэгіёны маюць густую расліннасць і вялікія ваганні вільготнасці, якія могуць перашкаджаць сігналам.

• Тэкстура глебы: супесак мае самую высокую дакладнасць маніторынгу (медыяна R²=0,75); пасіўныя датчыкі працуюць лепш на суглінках і гліне, у той час як актыўныя датчыкі працуюць лепш на супесках і суглінках.

• Земляны покрыва: сельскагаспадарчыя землі (пшаніца, кукуруза, соя і г.д.) з'яўляюцца асноўным сцэнарыем даследавання. Шчыльнасць расліннасці ўплывае на пранікненне мікрахвалевых сігналаў, тым самым уплываючы на ​​дакладнасць, але розніца ў дакладнасці маніторынгу паміж рознымі сезонамі не істотная, што адлюстроўвае стабільнасць мікрахвалевай тэхналогіі.

4. Прыкладныя сістэмы і рэсурсы даных для маніторынгу вільготнасці глебы

(1) Інтэрнэт рэчаў (IoT) і сістэмы кіравання дадзенымі

Сістэма ZENTRA, прапанаваная ў Літаратуры 1, з'яўляецца тыповым рашэннем IoT для маніторынгу вільготнасці глебы. Ён аб'ядноўвае датчыкі, рэгістратары даных і воблачныя платформы (ZENTRA Cloud) для рэалізацыі спрошчанай устаноўкі, аддаленай загрузкі даных, ранняга папярэджання аб няспраўнасцях у рэжыме рэальнага часу і аб'яднання даных на некалькіх сайтах. Гэта можа значна знізіць нагрузку на даследчыкаў і павысіць эфектыўнасць кіравання дадзенымі.

(2) Глабальныя і рэгіянальныя сеткі маніторынгу

• COSMOS Network: глабальная сетка назірання за вільготнасцю глебы на аснове тэхналогіі CRNP. У цяперашні час існуе каля 194 пастаянных станцый па ўсім свеце, якія ахопліваюць такія рэгіёны, як ЗША, Германія, Аўстралія і Вялікабрытанія. Гэта можа запоўніць разрыў у прасторавым маштабе паміж наземнымі кропкавымі вымярэннямі і спадарожнікавым дыстанцыйным зандзіраваннем.

• Міжнародная сетка вільготнасці глебы (ISMN): аб'ядноўвае даныя пра вільготнасць глебы на месцы з некалькіх станцый па ўсім свеце, якія ахопліваюць розныя тэхналогіі вымярэння, і з'яўляецца важным базавым рэсурсам дадзеных для праверкі дадзеных дыстанцыйнага зандзіравання.

• Сетка TERENO: сетка наземных экалагічных абсерваторый Германіі, якая ўключае 20 станцый CRNP для дынамічнага маніторынгу вільготнасці глебы ў водападзельным маштабе.

(3) Прадукты дадзеных і платформы абмену

• Даныя SMOS: даступныя на афіцыйным сайце ESA і платформе CATDS, у тым ліку вільготнасць паверхні глебы, VOD, вільготнасць глебы ў каранёвай зоне і іншыя прадукты.

• Дадзеныя SMAP: апублікаваныя Нацыянальным цэнтрам даных аб снезе і лёдзе (NSIDC) Злучаных Штатаў, уключаючы прадукты вільготнасці глебы на паверхні і каранёвай зоне з самай высокай дакладнасцю.

• Дадзеныя ESA CCI: забяспечвае доўгатэрміновыя глабальныя даныя аб вільготнасці глебы (тры тыпы прадуктаў: ​​актыўныя, пасіўныя і злітыя) з 1978 г., якія можна атрымаць на афіцыйным сайце ESA Soil Moisture CCI.

5. Высновы даследаванняў і далейшыя напрамкі

Тры літаратуры паслядоўна паказваюць, што тэхналогіі маніторынгу вільготнасці глебы сфармавалі поўнамаштабную сістэму ад наземных кропкавых вымярэнняў да глабальнага дыстанцыйнага зандзіравання. Сярод іх мікрахвалевае дыстанцыйнае зандзіраванне з'яўляецца асноўнай тэхналогіяй для буйнамаштабнага маніторынгу, а мадэлі машыннага навучання значна палепшылі дакладнасць інверсіі. Асноўныя задачы сучасных тэхналогій ўключаюць: аптымізацыю дакладнасці зліцця актыўных і пасіўных мікрахвалевых датчыкаў, праверку метадаў глыбокага маніторынгу вільготнасці глебы і павышэнне дакладнасці маніторынгу ў рэгіёнах са складанай расліннасцю і вільготным кліматам. Будучыя даследаванні павінны быць сканцэнтраваны на гэтых кірунках, адначасова з далейшым удасканаленнем метадаў асіміляцыі даных, узмацненнем спалучэння даных дыстанцыйнага зандзіравання і наземных назіранняў, а таксама садзейнічаннем паглыбленаму прымяненню даных аб вільготнасці глебы ў такіх галінах, як кіраванне ірыгацыяй сельскай гаспадаркі, ранняе папярэджанне аб засухах і паводках і даследаванні змены клімату.