Преглед на литературата за мониторинг на влажността на почвата

1. Класификация на технологиите за мониторинг на влажността на почвата

Технологиите за мониторинг на влажността на почвата могат да бъдат разделени на три категории според мащаба и принципа на мониторинг: технология за наземно точково измерване, технология за проксимално наблюдение и технология за наблюдение с дистанционно наблюдение. Всяка от трите технологии има свой собствен фокус, покриващ пълния набор от нужди на приложенията от локално точково измерване до мониторинг в глобален мащаб.

(1) Технология за наземно измерване на точки

Технологията за наземно точково измерване е съсредоточена върху измерване на почвен сензор с директен контакт, който може да реализира непрекъснато или фиксирано събиране на данни за влажността на почвата и е основното средство за мониторинг на почвената влага. Включва главно съпротивителни сонди, рефлектометрия във времева област (TDR), сензори за капацитет, неутронни сонди и други видове. Различните сензори се различават значително по точност, цена и приложими сценарии.

(2) Проксимална сензорна технология

Технологията за проксимално отчитане се прилага главно в полеви или водосборни мащаби. Той получава характеристиките на пространственото разпределение на почвената влага чрез неинвазивни средства, компенсирайки локалното ограничение на наземното точково измерване. Общите технологии включват електромагнитна индукция (EMI), проникващ в земята радар (GPR), неутронна сонда за космически лъчи (CRNP) и др. Сред тях технологията CRNP може да реализира неинвазивно измерване на средната регионална влажност на почвата върху голяма площ и се е превърнала в ключов мост, свързващ наземно точково измерване и сателитно дистанционно наблюдение.

(3) Технология за наблюдение с дистанционно наблюдение

Технологията за дистанционно наблюдение реализира динамично наблюдение на широкомащабна (регионална до глобална) влажност на почвата чрез платформи като сателити и самолети. Според лентите за дистанционно наблюдение, то може да бъде разделено на оптично дистанционно наблюдение, термично инфрачервено дистанционно наблюдение и микровълново дистанционно наблюдение. Сред тях, микровълновото дистанционно наблюдение се превърна в основната технология за широкомащабно наблюдение на почвената влага поради ниската си чувствителност към метеорологичните условия и способността да прониква в растителността и повърхността на почвата. То може допълнително да бъде разделено на активно микровълново дистанционно наблюдение (като радар със синтетична апертура, SAR) и пасивно микровълново дистанционно наблюдение (като радиометър).

2. Принципи и сравнение на производителността на основните технологии за мониторинг

(1) Сравнение на производителността на наземни сензори за точково измерване

Тип сензор	Предимства	Недостатъци	Приложими сценарии	Индекс на точност
Сонда за съпротивление	1. Може да се комбинира с регистратори на данни за непрекъснато измерване; 2. Най-ниска цена; 3. Ниска консумация на енергия	1. Слаба точност, стойността на калибриране варира в зависимост от типа на почвата и съдържанието на сол; 2. Сензорите са склонни към стареене	Сценарии, които трябва само да преценят промените в съдържанието на влага и имат ниски изисквания за точност	Ниска точност
TDR сонда	1. Може да извършва непрекъснато измерване; 2. Висока точност (2-3%) след специфично за почвата калибриране; 3. Нечувствителен към соленост (до изчезване на сигнала); 4. Високо академично признание	1. По-висока оперативна сложност от сензорите за капацитет; 2. Монтажът изисква изкопаване на канали, което отнема много време; 3. Невалиден в среда с висока соленост; 4. Висока консумация на енергия (изисква големи акумулаторни батерии)	Лаборатории, оборудвани със съответните системи, които изискват измерване с висока точност	Висока точност (2-3%)
Сензор за капацитет	1. Може да извършва непрекъснато измерване; 2. Лесен монтаж за някои видове; 3. Висока точност (2-3%) след калибриране; 4. Ниска консумация на енергия (достатъчни са малки батерии); 5. Ниска цена, позволяваща многоточково измерване	1. Точността намалява в среда с висока соленост (електрическа проводимост на наситен екстракт > 8 dS/m); 2. Лошо представяне на нискокачествени марки	Сценарии, изискващи многоточково измерване, просто внедряване и поддръжка на системата и ниска консумация на енергия	Висока точност (2-3%)
Неутронна сонда	1. Голям обем на измерване; 2. Нечувствителен към соленост; 3. Високо академично признание (зряла технология); 4. Не се влияе от проблеми с контакта на почвения сензор	1. Скъп; 2. Работата изисква сертифициране за радиация; 3. Изключително времеемки; 4. Не може да извърши непрекъснато измерване	Сценарии със съществуващо оборудване и сертифициране, които изискват измерване на глинести почви с висока соленост или експанзивно свиване	Ниска точност (подобрена след калибриране на място)
CRNP (Неутронна сонда за космически лъчи)	1. Изключително голям обхват на измерване (въздействащ обем с диаметър 800m); 2. Автоматично измерване; 3. Подходящ за наземно валидиране на сателитни данни (изглаждане на мащабна променливост); 4. Не се влияе от проблеми с контакта на почвения сензор	1. Най-висока цена; 2. Неясна дефиниция на измервания обем, вариращ в зависимост от влажността на почвата; 3. Точността е ограничена от объркващи фактори като растителност	Сценарии, изискващи широкомащабни средни стойности на влага и наземно валидиране на сателитни данни	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (след калибриране)

Тип сензор	Предимства	Недостатъци	Приложими сценарии	Индекс на точност
Сонда за съпротивление	1. Може да се комбинира с регистратори на данни за непрекъснато измерване; 2. Най-ниска цена; 3. Ниска консумация на енергия	1. Слаба точност, стойността на калибриране варира в зависимост от типа на почвата и съдържанието на сол; 2. Сензорите са склонни към стареене	Сценарии, които трябва само да преценят промените в съдържанието на влага и имат ниски изисквания за точност	Ниска точност
TDR сонда	1. Може да извършва непрекъснато измерване; 2. Висока точност (2-3%) след специфично за почвата калибриране; 3. Нечувствителен към соленост (до изчезване на сигнала); 4. Високо академично признание	1. По-висока оперативна сложност от сензорите за капацитет; 2. Монтажът изисква изкопаване на канали, което отнема много време; 3. Невалиден в среда с висока соленост; 4. Висока консумация на енергия (изисква големи акумулаторни батерии)	Лаборатории, оборудвани със съответните системи, които изискват измерване с висока точност	Висока точност (2-3%)
Сензор за капацитет	1. Може да извършва непрекъснато измерване; 2. Лесен монтаж за някои видове; 3. Висока точност (2-3%) след калибриране; 4. Ниска консумация на енергия (достатъчни са малки батерии); 5. Ниска цена, позволяваща многоточково измерване	1. Точността намалява в среда с висока соленост (електрическа проводимост на наситен екстракт > 8 dS/m); 2. Лошо представяне на нискокачествени марки	Сценарии, изискващи многоточково измерване, просто внедряване и поддръжка на системата и ниска консумация на енергия	Висока точност (2-3%)
Неутронна сонда	1. Голям обем на измерване; 2. Нечувствителен към соленост; 3. Високо академично признание (зряла технология); 4. Не се влияе от проблеми с контакта на почвения сензор	1. Скъп; 2. Работата изисква сертифициране за радиация; 3. Изключително времеемки; 4. Не може да извърши непрекъснато измерване	Сценарии със съществуващо оборудване и сертифициране, които изискват измерване на глинести почви с висока соленост или експанзивно свиване	Ниска точност (подобрена след калибриране на място)
CRNP (Неутронна сонда за космически лъчи)	1. Изключително голям обхват на измерване (въздействащ обем с диаметър 800m); 2. Автоматично измерване; 3. Подходящ за наземно валидиране на сателитни данни (изглаждане на мащабна променливост); 4. Не се влияе от проблеми с контакта на почвения сензор	1. Най-висока цена; 2. Неясна дефиниция на измервания обем, вариращ в зависимост от влажността на почвата; 3. Точността е ограничена от объркващи фактори като растителност	Сценарии, изискващи широкомащабни средни стойности на влага и наземно валидиране на сателитни данни	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (след калибриране)

(2) Основни принципи и ефективност на технологиите за дистанционно наблюдение

Технологията за наблюдение с дистанционно наблюдение извлича почвената влага чрез откриване на характеристиките на отразяване, излъчване или разсейване на почвата спрямо електромагнитно излъчване в различни ленти. Дълбочината на измерване, пространствената разделителна способност и приложимите сценарии на технологиите в различните ленти варират значително:

• Оптично и термично инфрачервено дистанционно наблюдение: Оптичното дистанционно наблюдение (видима светлина, близка инфрачервена светлина, инфрачервено с къси вълни) извлича почвената влага в изключително тънкия повърхностен слой (≤1 mm) чрез промени в цвета на почвата (влажната почва е по-тъмна); термичното инфрачервено дистанционно наблюдение индиректно отразява условията на влага чрез наблюдение на промените в повърхностната температура на почвата. И двете са податливи на времето и растителната покривка и имат плитка дълбочина на измерване.

• Микровълново дистанционно наблюдение: Извлича влага чрез измерване на обемната диелектрична константа на почвата (диелектричната константа на водата е около 80, много по-висока от тази на твърдите частици в почвата и въздуха), която е разделена на активен (радарът предава сигнали за измерване на ехото) и пасивен (измерва естественото микровълново излъчване) видове. Сред микровълновите ленти, L-лентата и P-лентата имат силна способност да проникват през растителността и са подходящи за наблюдение на влажността на почвата в близост до повърхността и кореновата зона; C-лентата е подходяща за голи почви или райони с рядка растителност.

Сравнение на производителността на основните мисии на сателит за дистанционно наблюдение с микровълнова фурна

Сателитна мисия	Тип сензор	Група	Пространствена резолюция	Период на повторно посещение	Основни предимства	Индекс на точност
SMOS (сателит за влажност на почвата и соленост на океана)	Пасивен микровълнов радиометър	L-лента	25 km (решетка EASE-2)	3 дни	Първата сателитна мисия специално за наблюдение на влажността на почвата, способна да извлича оптична дълбочина на растителността (VOD)	Медиана R²=0,75, RMSE=0,023 m³/m³
SMAP (Активен пасивен сателит за влажност на почвата)	Активен радар + пасивен радиометър (Радарът е повреден)	L-лента	36 км (стандартно), 9 км (подобрено)	2-3 дни	Понастоящем най-точният глобален продукт за влажност на почвата, способен да предостави данни за влажността на кореновата зона (0-100 cm).	ubRMSE=0,035-0,038 cm³/cm³ (повърхностен слой); 0,026-0,03 cm³/cm³ (коренна зона)
Сентинел-1	Радар с активна синтетична апертура (SAR)	C-лента	10-20м	6 дни	Висока пространствена разделителна способност, може да се комбинира с SMAP данни за генериране на продукти с разделителна способност 3 km	RMSE<0,046 cm³/cm³
ESA CCI (Инициатива за изменението на климата)	Активен + пасивен микровълнов синтез	Многолентов	Множество резолюции	Зависи от източника на данни	Предоставя дългосрочни непрекъснати глобални данни за влажността на почвата от 1978 г	Средна изчерпателна точност, подходяща за дългосрочни изследвания на изменението на климата

3. Основни фактори, влияещи върху точността на мониторинга на влажността на почвата

Въз основа на резултатите от мета-анализа на литература 3, точността на мониторинга на влажността на почвата се влияе от различни фактори като тип сензор, метод на моделиране и условия на околната среда. Основните влияещи фактори са следните:

(1) Сензор и техническа конфигурация

• Тип на сензора: Точността на активните и пасивните микровълнови сензори е сравнима, когато се използват самостоятелно (медиана R²=0,7 и за двата), но има малко проучвания за тяхната комбинирана употреба. Настоящите доказателства показват, че точността на термоядрения синтез не е значително подобрена (медиана R²=0,59), което изисква допълнителни изследвания и оптимизация.

• Режим на поляризация: Сред активните микровълнови сензори комбинацията с двойна поляризация VV+VH има най-висока точност (медиана R²=0,76, RMSE=0,035 m³/m³), следвана от поляризацията HH, а поляризацията VH има най-ниска точност.

• Дълбочина на измерване: Микровълновото дистанционно наблюдение е подходящо главно за наблюдение на почвената влага в повърхностния слой (0-5 cm). Влагата в дълбок слой (>20 cm) трябва да бъде индиректно извлечена чрез модели за машинно обучение. Понастоящем броят на извадките от данни за точността на мониторинг на дълбокия слой е малък и заключението все още не е ясно.

(2) Методи за моделиране и обработка на данни

Методът на инверсионно моделиране на данните за мониторинг значително влияе върху точността:

• Моделите за машинно обучение (особено невронните мрежи) имат най-висока точност, с медиана R²=0,73 и RMSE=0,035 m³/m³; сред тях LSTM мрежите имат най-висока точност (медиана R²=0,86), тъй като те могат да уловят времевата зависимост.

• Полуемпиричните модели (като модел на водния облак (WCM), τ-ω модел) са широко използвани и тяхната точност е малко по-ниска от тази на машинното обучение (медиана R²=0,71, RMSE=0,042 m³/m³).

• Комбинацията от машинно обучение и полуемпирични модели може допълнително да подобри точността (медиана R²=0,79, RMSE=0,030 m³/m³).

(3) Условия на околната среда и повърхността

• Тип климат: Точността на мониторинга в сухи и полусухи региони (с по-висока средна стойност на R²) е по-добра от тази във влажни и полувлажни региони. Тъй като влажните региони имат гъста растителност и големи колебания на влагата, които вероятно ще пречат на сигналите.

• Структура на почвата: Пясъчната глинеста почва има най-висока точност на наблюдение (медиана R²=0,75); пасивните сензори се представят по-добре в глинеста почва и глина, докато активните сензори се представят по-добре в пясъчна почва и глинеста почва.

• Земно покритие: Земеделската земя (пшеница, царевица, соя и др.) е основният сценарий за изследване. Гъстотата на растителността влияе върху проникването на микровълнови сигнали, като по този начин влияе върху точността, но разликата в точността на наблюдение между различните сезони не е значителна, което отразява стабилността на микровълновата технология.

4. Приложни системи и ресурси за данни за мониторинг на влажността на почвата

(1) Интернет на нещата (IoT) и системи за управление на данни

Системата ZENTRA, предложена в Литература 1, е типично IoT решение за мониторинг на почвената влага. Той интегрира сензори, регистратори на данни и облачни платформи (ZENTRA Cloud) за реализиране на опростена инсталация, дистанционно изтегляне на данни, ранно предупреждение за грешки в реално време и обединяване на данни от множество сайтове. Може значително да намали натоварването на изследователите и да подобри ефективността на управление на данните.

(2) Глобални и регионални мрежи за наблюдение

• Мрежа COSMOS: Глобална мрежа за наблюдение на влажността на почвата, базирана на технологията CRNP. В момента има около 194 постоянни станции по света, покриващи региони като Съединените щати, Германия, Австралия и Обединеното кралство. Той може да запълни празнината в пространствения мащаб между наземното точково измерване и сателитното дистанционно наблюдение.

• Международна мрежа за влажност на почвата (ISMN): Интегрира данни за влажността на почвата на място от множество станции по целия свят, обхващащи различни технологии за измерване, и е важен основен източник на данни за валидиране на данни от дистанционно наблюдение.

• Мрежа TERENO: Германската мрежа от наземни екологични обсерватории, която включва 20 CRNP станции за динамично наблюдение на почвената влага в водосборен мащаб.

(3) Продукти за данни и платформи за споделяне

• Данни за SMOS: Достъпни от официалния уебсайт на ESA и платформата CATDS, включително повърхностна влажност на почвата, VOD, влажност на почвата в кореновата зона и други продукти.

• Данни SMAP: Публикувани от Националния център за данни за сняг и лед (NSIDC) на Съединените щати, включително продукти за влага на почвата в повърхностната и кореновата зона с най-висока точност.

• Данни на ESA CCI: Предоставя дългосрочни глобални данни за влажността на почвата (три вида продукти: активни, пасивни и слети) от 1978 г. насам, които могат да бъдат получени от официалния уебсайт на CCI на ESA Soil Moisture.

5. Заключения от изследването и бъдещи насоки

Трите литератури последователно показват, че технологиите за мониторинг на влажността на почвата са формирали пълномащабна система от наземно точково измерване до глобално дистанционно наблюдение. Сред тях микровълновото дистанционно наблюдение е основната технология за широкомащабно наблюдение, а моделите за машинно обучение са значително подобрили точността на инверсия. Основните предизвикателства на настоящите технологии включват: оптимизиране на точността на сливането на активни и пасивни микровълнови сензори, проверка на методите за дълбоко наблюдение на влажността на почвата и подобряване на точността на наблюдение в сложна растителност и влажни региони. Бъдещите изследвания трябва да се съсредоточат върху тези насоки, като същевременно подобрят методите за асимилиране на данни, засилят комбинацията от данни от дистанционно наблюдение и наземни наблюдения и насърчават задълбоченото прилагане на данните за почвената влага в области като управление на напояването в селското стопанство, ранно предупреждение за суша и наводнения и изследване на изменението на климата.