Revisión de la literatura sobre monitoreo de la humedad del suelo

1. Clasificación de las tecnologías de monitoreo de la humedad del suelo.

Las tecnologías de monitoreo de la humedad del suelo se pueden dividir en tres categorías según la escala y el principio de monitoreo: tecnología de medición puntual terrestre, tecnología de detección proximal y tecnología de monitoreo de detección remota. Cada una de las tres tecnologías tiene su propio enfoque y cubre toda la gama de necesidades de aplicaciones, desde la medición puntual local hasta el monitoreo a escala global.

(1) Tecnología de medición de puntos terrestres

La tecnología de medición puntual terrestre se centra en la medición de sensores de suelo por contacto directo, que pueden realizar una recopilación de datos de humedad del suelo continua o de punto fijo y es el medio básico para monitorear la humedad del suelo. Incluye principalmente sondas de resistencia, reflectometría en el dominio del tiempo (TDR), sensores de capacitancia, sondas de neutrones y otros tipos. Los diferentes sensores varían significativamente en precisión, costo y escenarios aplicables.

(2) Tecnología de detección proximal

La tecnología de detección proximal se aplica principalmente a escala de campo o de cuenca. Obtiene las características de distribución espacial de la humedad del suelo a través de medios no invasivos, compensando la limitación local de la medición puntual terrestre. Las tecnologías comunes incluyen la inducción electromagnética (EMI), el radar de penetración terrestre (GPR), la sonda de neutrones de rayos cósmicos (CRNP), etc. Entre ellas, la tecnología CRNP puede realizar mediciones no invasivas de la humedad promedio del suelo regional en un área grande, y se ha convertido en un puente clave que conecta la medición puntual terrestre y la detección remota por satélite.

(3) Tecnología de monitoreo por teledetección

La tecnología de teledetección realiza un monitoreo dinámico de la humedad del suelo a gran escala (regional a global) a través de plataformas como satélites y aviones. Según las bandas de teledetección, se puede dividir en teledetección óptica, teledetección por infrarrojos térmicos y teledetección por microondas. Entre ellos, la teledetección por microondas se ha convertido en la tecnología principal para el monitoreo de la humedad del suelo a gran escala debido a su baja sensibilidad a las condiciones climáticas y su capacidad para penetrar la vegetación y la superficie del suelo. Se puede dividir a su vez en teledetección activa por microondas (como el radar de apertura sintética, SAR) y teledetección pasiva por microondas (como el radiómetro).

2. Principios y comparación de desempeño de las principales tecnologías de monitoreo

(1) Comparación de rendimiento de sensores de medición puntuales terrestres

Tipo de sensor	Ventajas	Desventajas	Escenarios aplicables	Índice de precisión
Sonda de resistencia	1. Se puede combinar con registradores de datos para medición continua; 2. Precio más bajo; 3. Bajo consumo de energía	1. Precisión deficiente, el valor de calibración varía según el tipo de suelo y el contenido de sal; 2. Los sensores son propensos a envejecer	Escenarios que solo necesitan juzgar cambios en el contenido de humedad y tienen bajos requisitos de precisión	Baja precisión
Sonda TDR	1. Puede realizar mediciones continuas; 2. Alta precisión (2-3%) después de la calibración específica del suelo; 3. Insensible a la salinidad (hasta que desaparezca la señal); 4. Alto reconocimiento académico	1. Mayor complejidad operativa que los sensores de capacitancia; 2. La instalación requiere zanjas, lo que requiere mucho tiempo; 3. No válido en ambientes de alta salinidad; 4. Alto consumo de energía (requiere baterías recargables grandes)	Laboratorios equipados con sistemas relevantes que requieren mediciones de alta precisión.	Alta precisión (2-3%)
Sensor de capacitancia	1. Puede realizar mediciones continuas; 2. Fácil instalación para algunos tipos; 3. Alta precisión (2-3%) después de la calibración; 4. Bajo consumo de energía (las baterías pequeñas son suficientes); 5. Precio bajo, que permite la medición multipunto	1. La precisión disminuye en ambientes de alta salinidad (conductividad eléctrica del extracto saturado > 8 dS/m); 2. Mal desempeño de las marcas de baja calidad	Escenarios que requieren medición multipunto, implementación y mantenimiento simples del sistema y bajo consumo de energía	Alta precisión (2-3%)
Sonda de neutrones	1. Gran volumen de medición; 2. Insensible a la salinidad; 3. Alto reconocimiento académico (tecnología madura); 4. No se ve afectado por problemas de contacto entre el suelo y el sensor.	1. Caro; 2. La operación requiere certificación de radiación; 3. Lleva mucho tiempo; 4. No se puede realizar una medición continua	Escenarios con equipos existentes y certificación que requieren medición de suelos arcillosos de alta salinidad o de contracción expansiva	Baja precisión (mejorada después de la calibración de campo)
CRNP (Sonda de Neutrones de Rayos Cósmicos)	1. Rango de medición extremadamente grande (volumen de influencia con 800 m de diámetro); 2. Medición automática; 3. Adecuado para la validación terrestre de datos satelitales (suavizando la variabilidad a gran escala); 4. No se ve afectado por problemas de contacto entre el suelo y el sensor.	1. Precio más alto; 2. Definición poco clara del volumen de medición, que varía con la humedad del suelo; 3. Precisión limitada por factores de confusión como la vegetación.	Escenarios que requieren valores promedio de humedad a gran escala y validación terrestre de datos satelitales	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (después de la calibración)

Tipo de sensor	Ventajas	Desventajas	Escenarios aplicables	Índice de precisión
Sonda de resistencia	1. Se puede combinar con registradores de datos para medición continua; 2. Precio más bajo; 3. Bajo consumo de energía	1. Precisión deficiente, el valor de calibración varía según el tipo de suelo y el contenido de sal; 2. Los sensores son propensos a envejecer	Escenarios que solo necesitan juzgar cambios en el contenido de humedad y tienen bajos requisitos de precisión	Baja precisión
Sonda TDR	1. Puede realizar mediciones continuas; 2. Alta precisión (2-3%) después de la calibración específica del suelo; 3. Insensible a la salinidad (hasta que desaparezca la señal); 4. Alto reconocimiento académico	1. Mayor complejidad operativa que los sensores de capacitancia; 2. La instalación requiere zanjas, lo que requiere mucho tiempo; 3. No válido en ambientes de alta salinidad; 4. Alto consumo de energía (requiere baterías recargables grandes)	Laboratorios equipados con sistemas relevantes que requieren mediciones de alta precisión.	Alta precisión (2-3%)
Sensor de capacitancia	1. Puede realizar mediciones continuas; 2. Fácil instalación para algunos tipos; 3. Alta precisión (2-3%) después de la calibración; 4. Bajo consumo de energía (las baterías pequeñas son suficientes); 5. Precio bajo, que permite la medición multipunto	1. La precisión disminuye en ambientes de alta salinidad (conductividad eléctrica del extracto saturado > 8 dS/m); 2. Mal desempeño de las marcas de baja calidad	Escenarios que requieren medición multipunto, implementación y mantenimiento simples del sistema y bajo consumo de energía	Alta precisión (2-3%)
Sonda de neutrones	1. Gran volumen de medición; 2. Insensible a la salinidad; 3. Alto reconocimiento académico (tecnología madura); 4. No se ve afectado por problemas de contacto entre el suelo y el sensor.	1. Caro; 2. La operación requiere certificación de radiación; 3. Consume mucho tiempo; 4. No se puede realizar una medición continua	Escenarios con equipos existentes y certificación que requieren medición de suelos arcillosos de alta salinidad o de contracción expansiva	Baja precisión (mejorada después de la calibración de campo)
CRNP (Sonda de Neutrones de Rayos Cósmicos)	1. Rango de medición extremadamente grande (volumen de influencia con 800 m de diámetro); 2. Medición automática; 3. Adecuado para la validación terrestre de datos satelitales (suavizando la variabilidad a gran escala); 4. No se ve afectado por problemas de contacto entre el suelo y el sensor.	1. Precio más alto; 2. Definición poco clara del volumen de medición, que varía con la humedad del suelo; 3. Precisión limitada por factores de confusión como la vegetación.	Escenarios que requieren valores promedio de humedad a gran escala y validación terrestre de datos satelitales	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (después de la calibración)

(2) Principios básicos y desempeño de las tecnologías de monitoreo de teledetección

La tecnología de monitoreo por teledetección recupera la humedad del suelo detectando las características de reflexión, emisión o dispersión del suelo ante la radiación electromagnética en diferentes bandas. La profundidad de medición, la resolución espacial y los escenarios aplicables de tecnologías en diferentes bandas varían significativamente:

• Teledetección infrarroja óptica y térmica: La teledetección óptica (luz visible, infrarrojo cercano, infrarrojo de onda corta) recupera la humedad del suelo en la capa superficial extremadamente delgada (≤1 mm) a través de cambios en el color del suelo (el suelo húmedo es más oscuro); La teledetección térmica por infrarrojos refleja indirectamente las condiciones de humedad al monitorear los cambios en la temperatura de la superficie del suelo. Ambos son susceptibles al clima y a la cubierta vegetal y tienen poca profundidad de medición.

• Teledetección por microondas: recupera la humedad midiendo la constante dieléctrica volumétrica del suelo (la constante dieléctrica del agua es aproximadamente 80, mucho más alta que la de los sólidos del suelo y el aire), que se divide en tipos activos (el radar transmite señales para medir ecos) y pasivos (mide la radiación natural de microondas). Entre las bandas de microondas, la banda L y la banda P tienen una gran capacidad para penetrar la vegetación y son adecuadas para monitorear la humedad del suelo cerca de la superficie y en la zona de las raíces; La banda C es adecuada para suelos desnudos o zonas con escasa vegetación.

Comparación del rendimiento de las principales misiones de satélites de teledetección por microondas

Misión satelital	Tipo de sensor	Banda	Resolución espacial	Período de revisión	Ventajas principales	Índice de precisión
SMOS (Satélite de humedad del suelo y salinidad del océano)	Radiómetro de microondas pasivo	banda L	25 km (cuadrícula EASE-2)	3 dias	La primera misión satelital específica para monitorear la humedad del suelo, capaz de recuperar la Profundidad Óptica de la Vegetación (VOD)	Mediana R²=0,75, RMSE=0,023 m³/m³
SMAP (Satélite pasivo activo de humedad del suelo)	Radar Activo + Radiómetro Pasivo (Radar falló)	banda L	36 km (estándar), 9 km (mejorado)	2-3 días	Actualmente, el producto global de humedad del suelo más preciso, capaz de proporcionar datos de humedad de la zona de las raíces (0-100 cm).	ubRMSE=0,035-0,038 cm³/cm³ (capa superficial); 0,026-0,03 cm³/cm³ (zona de la raíz)
Centinela-1	Radar activo de apertura sintética (SAR)	banda C	10-20 metros	6 dias	Alta resolución espacial, se puede fusionar con datos SMAP para generar productos con resolución de 3 km.	RMSE<0,046 cm³/cm³
ESA CCI (Iniciativa de Cambio Climático)	Fusión Microondas Activa + Pasiva	multibanda	Múltiples resoluciones	Depende de la fuente de datos	Proporciona datos continuos a largo plazo sobre la humedad del suelo global desde 1978.	Precisión integral media, adecuada para investigaciones sobre el cambio climático a largo plazo

3. Factores clave que afectan la precisión del monitoreo de la humedad del suelo

Según los resultados del metanálisis de la Literatura 3, la precisión del monitoreo de la humedad del suelo se ve afectada por varios factores, como el tipo de sensor, el método de modelado y las condiciones ambientales. Los principales factores que influyen son los siguientes:

(1) Sensor y configuración técnica

• Tipo de sensor: La precisión de los sensores de microondas activos y pasivos es comparable cuando se usan solos (mediana R²=0,7 para ambos), pero existen pocos estudios sobre su uso combinado. La evidencia actual muestra que la precisión de la fusión no ha mejorado significativamente (mediana R²=0,59), lo que requiere más investigación y optimización.

• Modo de polarización: entre los sensores de microondas activos, la combinación de polarización dual VV+VH tiene la mayor precisión (mediana R²=0,76, RMSE=0,035 m³/m³), seguida de la polarización HH y la polarización VH tiene la precisión más baja.

• Profundidad de medición: La detección remota por microondas es principalmente adecuada para monitorear la humedad del suelo en la capa superficial (0-5 cm). La humedad de la capa profunda (>20 cm) debe recuperarse indirectamente mediante modelos de aprendizaje automático. Actualmente, la cantidad de muestras de datos para la precisión del monitoreo de capas profundas es pequeña y la conclusión aún no está clara.

(2) Métodos de modelado y procesamiento de datos

El método de modelado de inversión para monitorear datos afecta significativamente la precisión:

• Los modelos de aprendizaje automático (especialmente las redes neuronales) tienen la mayor precisión, con una mediana de R²=0,73 y RMSE=0,035 m³/m³; entre ellas, las redes LSTM tienen la mayor precisión (mediana R² = 0,86) porque pueden capturar la dependencia temporal.

• Los modelos semiempíricos (como el modelo de nube de agua (WCM), el modelo τ-ω) se utilizan ampliamente y su precisión es ligeramente inferior a la del aprendizaje automático (mediana R²=0,71, RMSE=0,042 m³/m³).

• La combinación de aprendizaje automático y modelos semiempíricos puede mejorar aún más la precisión (mediana R²=0,79, RMSE=0,030 m³/m³).

(3) Condiciones ambientales y de superficie

• Tipo de clima: la precisión del monitoreo en regiones áridas y semiáridas (con una mediana de R² más alta) es mejor que en regiones húmedas y semihúmedas. Porque las regiones húmedas tienen una vegetación densa y grandes fluctuaciones de humedad, que probablemente interfieran con las señales.

• Textura del suelo: el franco arenoso tiene la mayor precisión de monitoreo (mediana R²=0,75); Los sensores pasivos funcionan mejor en franco arcilloso y arcilloso, mientras que los sensores activos funcionan mejor en franco arenoso y franco.

• Cobertura del suelo: Los terrenos agrícolas (trigo, maíz, soja, etc.) son el principal escenario de investigación. La densidad de la vegetación afecta la penetración de las señales de microondas, lo que afecta la precisión, pero la diferencia en la precisión del monitoreo entre diferentes estaciones no es significativa, lo que refleja la estabilidad de la tecnología de microondas.

4. Sistemas de aplicación y recursos de datos para el monitoreo de la humedad del suelo

(1) Internet de las cosas (IoT) y sistemas de gestión de datos

El sistema ZENTRA propuesto en la Literatura 1 es una solución típica de IoT para el monitoreo de la humedad del suelo. Integra sensores, registradores de datos y plataformas en la nube (ZENTRA Cloud) para realizar una instalación simplificada, descarga remota de datos, alerta temprana de fallas en tiempo real y fusión de datos en múltiples sitios. Puede reducir significativamente la carga de trabajo de los investigadores y mejorar la eficiencia de la gestión de datos.

(2) Redes de Monitoreo Globales y Regionales

• Red COSMOS: Una red global de observación de la humedad del suelo basada en tecnología CRNP. Actualmente, existen alrededor de 194 estaciones permanentes en todo el mundo, abarcando regiones como Estados Unidos, Alemania, Australia y Reino Unido. Puede llenar el vacío de escala espacial entre la medición puntual terrestre y la teledetección por satélite.

• Red Internacional de Humedad del Suelo (ISMN): integra datos de humedad del suelo in situ de múltiples estaciones alrededor del mundo, cubriendo una variedad de tecnologías de medición y es un importante recurso de datos básicos para la validación de datos de teledetección.

• Red TERENO: Red de Observatorios Ambientales Terrestres de Alemania, que incluye 20 estaciones CRNP para el monitoreo dinámico de la humedad del suelo a escala de cuencas hidrográficas.

(3) Productos de datos y plataformas para compartir

• Datos SMOS: disponibles en el sitio web oficial de la ESA y en la plataforma CATDS, incluida la humedad superficial del suelo, VOD, humedad del suelo de la zona de las raíces y otros productos.

• Datos SMAP: Publicados por el Centro Nacional de Datos de Hielo y Nieve (NSIDC) de los Estados Unidos, que incluyen productos de humedad del suelo de la superficie y la zona de las raíces con la mayor precisión.

• Datos CCI de la ESA: proporciona datos globales de humedad del suelo a largo plazo (tres tipos de productos: activos, pasivos y fusionados) desde 1978, que se pueden obtener en el sitio web oficial de CCI de humedad del suelo de la ESA.

5. Conclusiones de la investigación y direcciones futuras

Las tres literaturas indican consistentemente que las tecnologías de monitoreo de la humedad del suelo han formado un sistema a gran escala desde la medición puntual terrestre hasta la detección remota global. Entre ellos, la teledetección por microondas es la tecnología central para el monitoreo a gran escala, y los modelos de aprendizaje automático han mejorado significativamente la precisión de la inversión. Los desafíos principales de las tecnologías actuales incluyen: optimización de la precisión de la fusión de sensores de microondas activos y pasivos, verificación de métodos de monitoreo de la humedad del suelo profundo y mejora de la precisión del monitoreo en vegetación compleja y regiones húmedas. Las investigaciones futuras deberían centrarse en estas direcciones, mejorando al mismo tiempo los métodos de asimilación de datos, fortaleciendo la combinación de datos de teledetección y observaciones terrestres, y promoviendo la aplicación en profundidad de los datos de humedad del suelo en campos como la gestión del riego agrícola, la alerta temprana de sequías e inundaciones y la investigación del cambio climático.