Mulla niiskuse seire kirjanduse ülevaade

1. Mulla niiskuse seire tehnoloogiate klassifikatsioon

Mulla niiskuse seiretehnoloogiad võib seireskaala ja -põhimõtte järgi jagada kolme kategooriasse: maapealne punktmõõtmise tehnoloogia, proksimaalse seire tehnoloogia ja kaugseire tehnoloogia. Kõigil kolmel tehnoloogial on oma fookus, mis hõlmab kõiki rakendusvajadusi alates kohalikest punktide mõõtmisest kuni globaalse seireni.

(1) Maapealne punktide mõõtmise tehnoloogia

Maapinnal põhinev punktimõõtmise tehnoloogia on keskendunud otsekontaktiga pinnaseanduri mõõtmisele, mis võimaldab pidevat või fikseeritud punktiga mulla niiskuse andmete kogumist ja on mulla niiskuse seire põhivahend. See hõlmab peamiselt takistussonde, Time Domain Reflectometry (TDR), mahtuvusandureid, neutronsonde ja muud tüüpi. Erinevad andurid erinevad oluliselt täpsuse, maksumuse ja kohaldatavate stsenaariumide poolest.

(2) Proksimaalse anduri tehnoloogia

Proksimaalsensori tehnoloogiat rakendatakse peamiselt põllu või valgala ulatuses. See saab mulla niiskuse ruumilise jaotuse karakteristikud mitteinvasiivsete vahenditega, kompenseerides maapealsete punktide mõõtmise kohaliku piirangu. Levinud tehnoloogiate hulka kuuluvad elektromagnetiline induktsioon (EMI), maapinda läbistav radar (GPR), kosmilise kiirguse neutronsond (CRNP) jne. Nende hulgas võib CRNP-tehnoloogia teostada mitteinvasiivset piirkondliku keskmise mulla niiskuse mõõtmist suurel alal ning sellest on saanud maapealset punktimõõtmist ja satelliidi kaugseiret ühendav võtmesild.

(3) Kaugseire seiretehnoloogia

Kaugseiretehnoloogia teostab suuremahulise (piirkondliku kuni globaalse) mulla niiskuse dünaamilist jälgimist selliste platvormide kaudu nagu satelliidid ja lennukid. Kaugseire ribade järgi võib selle jagada optiliseks kaugseireks, termilise infrapuna kaugseireks ja mikrolaine kaugseireks. Nende hulgas on mikrolainete kaugseirest saanud laiaulatusliku mulla niiskuse seire peavoolutehnoloogia, kuna see on madala tundlikkusega ilmastikutingimuste suhtes ning võime tungida taimestikku ja pinnasesse. Seda saab veelgi jagada aktiivseks mikrolaine kaugseireks (nagu sünteetilise ava radar, SAR) ja passiivseks mikrolaine kaugseireks (nt radiomeeter).

2. Peamiste seiretehnoloogiate põhimõtted ja tulemuslikkuse võrdlus

(1) Maapealsete punktimõõtmisandurite jõudluse võrdlus

Anduri tüüp	Eelised	Puudused	Kohaldatavad stsenaariumid	Täpsusindeks
Vastupidavuse sond	1. Pidevaks mõõtmiseks kombineeritav andmelogeritega; 2. Madalaim hind; 3. Madal energiatarve	1. Kehv täpsus, kalibreerimisväärtus varieerub sõltuvalt mullatüübist ja soolasisaldusest; 2. Andurid on altid vananemisele	Stsenaariumid, mis peavad hindama ainult niiskusesisalduse muutusi ja millel on madalad nõuded täpsusele	Madal täpsus
TDR-sond	1. Oskab teostada pidevat mõõtmist; 2. Kõrge täpsus (2-3%) pärast mullaspetsiifilist kalibreerimist; 3. soolsuse suhtes tundetu (kuni signaal kaob); 4. Kõrge akadeemiline tunnustus	1. suurem töökeerukus kui mahtuvusanduritel; 2. Paigaldamine nõuab kraavi kaevamist, mis on aeganõudev; 3. Kehtetu kõrge soolsusega keskkondades; 4. Suur energiatarve (nõuab suuri laetavaid akusid)	Laborid, mis on varustatud asjakohaste süsteemidega, mis nõuavad ülitäpset mõõtmist	Suur täpsus (2–3%)
Mahtuvusandur	1. Oskab teostada pidevat mõõtmist; 2. Lihtne paigaldamine teatud tüüpidele; 3. Kõrge täpsus (2-3%) pärast kalibreerimist; 4. Väike voolutarve (piisab väikestest akudest); 5. Madal hind, mis võimaldab mitme punkti mõõtmist	1. Täpsus langeb kõrge soolsusega keskkondades (küllastunud ekstrakti elektrijuhtivus > 8 dS/m); 2. Madala kvaliteediga kaubamärkide kehv jõudlus	Stsenaariumid, mis nõuavad mitme punkti mõõtmist, lihtsat süsteemi juurutamist ja hooldust ning madalat energiatarbimist	Suur täpsus (2–3%)
Neutronsond	1. Suur mõõtmismaht; 2. soolsuse suhtes tundetu; 3. Kõrge akadeemiline tunnustus (küps tehnoloogia); 4. Mullaanduri kontaktprobleemid ei mõjuta	1. Kallis; 2. Töötamiseks on vaja kiirgussertifikaati; 3. Äärmiselt aeganõudev; 4. Pidevat mõõtmist ei saa teostada	Stsenaariumid olemasoleva varustuse ja sertifikaadiga, mis nõuavad kõrge soolsusega või ekspansiivselt kokkutõmbuvate savimuldade mõõtmist	Madal täpsus (täiustatud pärast välikalibreerimist)
CRNP (kosmilise kiirte neutronsond)	1. Äärmiselt suur mõõtmisulatus (mõjuruum läbimõõduga 800m); 2. Automaatne mõõtmine; 3. Sobib satelliidiandmete maapealseks valideerimiseks (suureulatusliku varieeruvuse silumiseks); 4. Mullaanduri kontaktprobleemid ei mõjuta	1. Kõrgeim hind; 2. Ebaselge mõõtmismahu määratlus, mis sõltub mulla niiskusest; 3. Täpsust piiravad segavad tegurid, nagu taimestik	Stsenaariumid, mis nõuavad suuremahulisi keskmisi niiskuse väärtusi ja satelliidiandmete maapealset kinnitamist	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (pärast kalibreerimist)

Anduri tüüp	Eelised	Puudused	Kohaldatavad stsenaariumid	Täpsusindeks
Vastupidavuse sond	1. Pidevaks mõõtmiseks kombineeritav andmelogeritega; 2. Madalaim hind; 3. Madal energiatarve	1. Kehv täpsus, kalibreerimisväärtus varieerub sõltuvalt mullatüübist ja soolasisaldusest; 2. Andurid on altid vananemisele	Stsenaariumid, mis peavad hindama ainult niiskusesisalduse muutusi ja millel on madalad nõuded täpsusele	Madal täpsus
TDR-sond	1. Oskab teostada pidevat mõõtmist; 2. Kõrge täpsus (2-3%) pärast mullaspetsiifilist kalibreerimist; 3. soolsuse suhtes tundetu (kuni signaal kaob); 4. Kõrge akadeemiline tunnustus	1. suurem töökeerukus kui mahtuvusanduritel; 2. Paigaldamine nõuab kraavi kaevamist, mis on aeganõudev; 3. Kehtetu kõrge soolsusega keskkondades; 4. Suur energiatarve (nõuab suuri laetavaid akusid)	Laborid, mis on varustatud asjakohaste süsteemidega, mis nõuavad ülitäpset mõõtmist	Suur täpsus (2–3%)
Mahtuvusandur	1. Oskab teostada pidevat mõõtmist; 2. Lihtne paigaldamine teatud tüüpidele; 3. Kõrge täpsus (2-3%) pärast kalibreerimist; 4. Väike voolutarve (piisab väikestest akudest); 5. Madal hind, mis võimaldab mitme punkti mõõtmist	1. Täpsus langeb kõrge soolsusega keskkondades (küllastunud ekstrakti elektrijuhtivus > 8 dS/m); 2. Madala kvaliteediga kaubamärkide kehv jõudlus	Stsenaariumid, mis nõuavad mitme punkti mõõtmist, lihtsat süsteemi juurutamist ja hooldust ning madalat energiatarbimist	Suur täpsus (2–3%)
Neutronsond	1. Suur mõõtmismaht; 2. soolsuse suhtes tundetu; 3. Kõrge akadeemiline tunnustus (küps tehnoloogia); 4. Mullaanduri kontaktprobleemid ei mõjuta	1. Kallis; 2. Tööks on vaja kiirgussertifikaati; 3. Äärmiselt aeganõudev; 4. Pidevat mõõtmist ei saa teha	Stsenaariumid olemasoleva varustuse ja sertifikaadiga, mis nõuavad kõrge soolsusega või ekspansiivselt kokkutõmbuvate savimuldade mõõtmist	Madal täpsus (täiustatud pärast välikalibreerimist)
CRNP (kosmilise kiirte neutronsond)	1. Äärmiselt suur mõõtmisulatus (mõjuruum läbimõõduga 800m); 2. Automaatne mõõtmine; 3. Sobib satelliidiandmete maapealseks valideerimiseks (suureulatusliku varieeruvuse silumiseks); 4. Mullaanduri kontaktprobleemid ei mõjuta	1. Kõrgeim hind; 2. Ebaselge mõõtmismahu määratlus, mis sõltub mulla niiskusest; 3. Täpsust piiravad segavad tegurid, nagu taimestik	Stsenaariumid, mis nõuavad suuremahulisi keskmisi niiskuse väärtusi ja satelliidiandmete maapealset kinnitamist	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (pärast kalibreerimist)

(2) Kaugseire seiretehnoloogiate põhiprintsiibid ja toimivus

Kaugseire seiretehnoloogia otsib pinnase niiskust, tuvastades pinnase peegeldus-, emissiooni- või hajumise karakteristikud elektromagnetilise kiirguse suhtes erinevates ribades. Erinevates sagedusalades kasutatavate tehnoloogiate mõõtmissügavus, ruumiline eraldusvõime ja rakendatavad stsenaariumid erinevad oluliselt:

• Optiline ja termiline infrapuna kaugseire: optiline kaugseire (nähtav valgus, lähiinfrapuna, lühilaineline infrapuna) eemaldab mulla niiskuse üliõhukesest pinnakihist (≤1mm) läbi mulla värvimuutuste (niiske pinnas on tumedam); termiline infrapuna kaugseire peegeldab kaudselt niiskustingimusi, jälgides pinnase pinnatemperatuuri muutusi. Mõlemad on vastuvõtlikud ilmastikule ja taimkattele ning neil on madal mõõtmissügavus.

• Mikrolaine kaugseire: võtab niiskuse välja, mõõtes pinnase mahulise dielektrilise konstanti (vee dielektriline konstant on umbes 80, palju kõrgem kui pinnase tahkete osakeste ja õhu oma), mis jaguneb aktiivseks (radar edastab signaale kaja mõõtmiseks) ja passiivseks (mõõdab looduslikku mikrolainekiirgust). Mikrolaineribadest on L-ribal ja P-ribal tugev taimestiku läbitungimisvõime ning need sobivad pinna- ja juuretsooni mulla niiskuse jälgimiseks; C-riba sobib lagedale pinnasele või hõreda taimestikuga aladele.

Peavoolu mikrolaineahju kaugseire satelliitmissioonide toimivuse võrdlus

Satelliidi missioon	Anduri tüüp	Bänd	Ruumiline eraldusvõime	Taasvaatamise periood	Põhilised eelised	Täpsusindeks
SMOS (pinnase niiskuse ja ookeani soolasuse satelliit)	Passiivne mikrolaineradiomeeter	L-riba	25 km (EASE-2 võrk)	3 päeva	Esimene spetsiaalselt mulla niiskuse jälgimiseks mõeldud satelliidi missioon, mis on võimeline leidma taimestiku optilise sügavuse (VOD)	Mediaan R²=0,75, RMSE=0,023 m³/m³
SMAP (mulla niiskuse aktiivne passiivne satelliit)	Aktiivne radar + passiivne radiomeeter (radar ebaõnnestus)	L-riba	36 km (standard), 9 km (täiustatud)	2-3 päeva	Hetkel kõige täpsem ülemaailmne mulla niiskustoode, mis suudab anda juurtsooni (0–100 cm) niiskuse andmeid	ubRMSE = 0,035-0,038 cm³/cm³ (pinnakiht); 0,026–0,03 cm³/cm³ (juuretsoon)
Sentinel-1	Aktiivse sünteetilise ava radar (SAR)	C-riba	10-20 m	6 päeva	Kõrge ruumiline eraldusvõime, mida saab ühendada SMAP-andmetega, et luua 3 km eraldusvõimega tooteid	RMSE <0,046 cm³/cm³
ESA CCI (kliimamuutuste algatus)	Aktiivne + passiivne mikrolainefusioon	Mitmeribaline	Mitu eraldusvõimet	Oleneb andmeallikast	Pakub pikaajalisi pidevaid ülemaailmseid mulla niiskuse andmeid alates 1978. aastast	Keskmise laiaulatusliku täpsusega, sobib pikaajaliseks kliimamuutuste uurimiseks

3. Peamised tegurid, mis mõjutavad mulla niiskuse seire täpsust

Kirjanduse 3 metaanalüüsi tulemuste põhjal mõjutavad mulla niiskuse seire täpsust erinevad tegurid nagu anduri tüüp, modelleerimismeetod ja keskkonnatingimused. Peamised mõjutegurid on järgmised:

(1) Andur ja tehniline konfiguratsioon

• Anduri tüüp: aktiivsete ja passiivsete mikrolaineandurite täpsus on võrreldav eraldi kasutamisel (keskmine R² = 0,7 mõlema puhul), kuid nende kombineeritud kasutamise kohta on vähe uuringuid. Praegused tõendid näitavad, et liitmise täpsus ei ole oluliselt paranenud (mediaan R² = 0, 59), mis nõuab täiendavat uurimist ja optimeerimist.

• Polarisatsioonirežiim: aktiivsetest mikrolaineanduritest on VV+VH topeltpolarisatsiooni kombinatsioonil suurim täpsus (mediaan R²=0,76, RMSE=0,035 m³/m³), millele järgneb HH polarisatsioon ja VH polarisatsioonil on madalaim täpsus.

• Mõõtmissügavus: Mikrolaine kaugseire sobib peamiselt pinnakihi (0-5cm) pinnase niiskuse jälgimiseks. Sügava kihi (> 20 cm) niiskust tuleb masinõppemudelite abil kaudselt kätte saada. Praegu on süvakihi seire täpsuse andmeproovide arv väike ja järeldus pole veel selge.

(2) Modelleerimis- ja andmetöötlusmeetodid

Andmete seire inversioonmodelleerimise meetod mõjutab oluliselt täpsust:

• Suurima täpsusega on masinõppemudelid (eriti närvivõrgud), mille mediaan R²=0,73 ja RMSE=0,035 m³/m³; nende hulgas on LSTM-võrkudel suurim täpsus (mediaan R² = 0, 86), kuna need suudavad tabada ajalist sõltuvust.

• Poolempiirilisi mudeleid (nagu veepilve mudel (WCM), τ-ω mudel) kasutatakse laialdaselt ja nende täpsus on veidi madalam masinõppe omast (mediaan R²=0,71, RMSE=0,042 m³/m³).

• Masinõppe ja poolempiiriliste mudelite kombinatsioon võib täpsust veelgi parandada (mediaan R²=0,79, RMSE=0,030 m³/m³).

(3) Keskkonna- ja pinnasetingimused

• Kliimatüüp: seire täpsus kuivades ja poolkuivades piirkondades (kõrgema keskmise R²-ga) on parem kui niisketes ja poolniiskes piirkondades. Kuna niisketes piirkondades on tihe taimestik ja suured niiskuse kõikumised, mis tõenäoliselt häirivad signaale.

• Mulla tekstuur: Liivsavi on kõrgeima seiretäpsusega (mediaan R²=0,75); passiivsed andurid toimivad paremini savis ja savis, samas kui aktiivsed andurid toimivad paremini liivsavi ja liivsavi korral.

• Maakate: Põllumajandusmaa (nisu, mais, sojaoad jne) on peamine uurimisstsenaarium. Taimestiku tihedus mõjutab mikrolainesignaalide läbitungimist, mõjutades seeläbi täpsust, kuid seire täpsuse erinevus erinevate aastaaegade vahel ei ole märkimisväärne, peegeldades mikrolainetehnoloogia stabiilsust.

4. Pinnase niiskuse seire rakendussüsteemid ja andmeressursid

(1) Asjade Internet (IoT) ja andmehaldussüsteemid

Kirjanduses 1 pakutud ZENTRA süsteem on tüüpiline asjade interneti lahendus mulla niiskuse jälgimiseks. See integreerib andurid, andmelogerid ja pilveplatvormid (ZENTRA Cloud), et teostada lihtsustatud installimist, kaugandmete allalaadimist, reaalajas tõrkete varajast hoiatamist ja mitme saidi andmete liitmist. See võib oluliselt vähendada teadlaste töökoormust ja parandada andmehalduse tõhusust.

(2) Ülemaailmsed ja piirkondlikud seirevõrgustikud

• COSMOS Network: CRNP tehnoloogial põhinev ülemaailmne mulla niiskuse vaatlusvõrk. Praegu on üle maailma umbes 194 alalist jaama, mis hõlmavad selliseid piirkondi nagu Ameerika Ühendriigid, Saksamaa, Austraalia ja Ühendkuningriik. See võib täita ruumilise skaala tühimiku maapealse punktimõõtmise ja satelliidi kaugseire vahel.

• International Soil Moisture Network (ISMN): integreerib in situ mulla niiskuse andmeid mitmest jaamast üle maailma, hõlmates erinevaid mõõtmistehnoloogiaid ja on oluline põhiandmete ressurss kaugseire andmete valideerimiseks.

• TERENO võrk: Saksamaa terrestrial Environmental Observatories võrgustik, mis hõlmab 20 CRNP jaama veelahkme skaalal mulla niiskuse dünaamilise seire jaoks.

(3) Andmetooted ja jagamisplatvormid

• SMOS-andmed: saadaval ESA ametlikul veebisaidil ja CATDS-i platvormil, sealhulgas pinnase pinnaniiskus, VOD, juuretsooni mulla niiskus ja muud tooted.

• SMAP-andmed: välja andnud Ameerika Ühendriikide riiklik lume- ja jääandmekeskus (NSIDC), mis sisaldab suurima täpsusega pinna- ja juurtsooni mulla niiskustooteid.

• ESA CCI andmed: pakub pikaajalisi globaalseid mulla niiskuse andmeid (kolme tüüpi tooteid: aktiivne, passiivne ja sulatatud) alates 1978. aastast, mida saab hankida ESA mullaniiskuse CCI ametlikult veebisaidilt.

5. Uurimistöö järeldused ja tulevikusuunad

Kolm kirjandust näitavad järjekindlalt, et mulla niiskuse seiretehnoloogiad on moodustanud täismahus süsteemi maapealsest punktimõõtmisest kuni globaalse kaugseireni. Nende hulgas on mikrolaine kaugseire põhitehnoloogia suuremahuliseks jälgimiseks ja masinõppemudelid on oluliselt parandanud inversiooni täpsust. Praeguste tehnoloogiate peamised väljakutsed on järgmised: aktiivsete ja passiivsete mikrolaineandurite liitmise täpsuse optimeerimine, sügava pinnase niiskuse seire meetodite kontrollimine ja monitooringu täpsuse parandamine keerulises taimestikus ja niisketes piirkondades. Tulevased uuringud peaksid keskenduma nendele suundadele, täiustades samal ajal andmete assimilatsioonimeetodeid, tugevdades kaugseireandmete ja maapinna vaatluste kombinatsiooni ning edendades mulla niiskuse andmete põhjalikku rakendamist sellistes valdkondades nagu põllumajanduslik niisutuskorraldus, põua ja üleujutuste varajane hoiatamine ning kliimamuutuste uurimine.