مروری بر ادبیات پایش رطوبت خاک

1. طبقه بندی فن آوری های مانیتورینگ رطوبت خاک

فناوری‌های پایش رطوبت خاک را می‌توان بر اساس مقیاس و اصل نظارت به سه دسته تقسیم کرد: فناوری اندازه‌گیری نقطه‌ای مبتنی بر زمین، فناوری سنجش نزدیک و فناوری نظارت سنجش از دور. هر یک از این سه فناوری تمرکز خاص خود را دارند و طیف کاملی از نیازهای برنامه را از اندازه‌گیری نقطه محلی تا نظارت در مقیاس جهانی پوشش می‌دهند.

(1) فناوری اندازه گیری نقطه ای زمینی

فناوری اندازه‌گیری نقطه‌ای زمینی بر روی اندازه‌گیری حسگر تماس مستقیم خاک متمرکز است، که می‌تواند داده‌های رطوبت خاک را در نقطه ثابت یا مداوم جمع‌آوری کند و ابزار اصلی پایش رطوبت خاک است. این عمدتا شامل کاوشگرهای مقاومت، بازتاب سنجی دامنه زمانی (TDR)، حسگرهای خازنی، کاوشگرهای نوترونی و انواع دیگر است. سنسورهای مختلف از نظر دقت، هزینه و سناریوهای قابل اجرا به طور قابل توجهی متفاوت هستند.

(2) فناوری سنجش پروگزیمال

فناوری سنجش پروگزیمال عمدتاً در مقیاس مزرعه یا حوضه استفاده می شود. این ویژگی های توزیع فضایی رطوبت خاک را از طریق ابزارهای غیر تهاجمی به دست می آورد و محدودیت محلی اندازه گیری نقطه زمینی را جبران می کند. فناوری‌های رایج عبارتند از: القای الکترومغناطیسی (EMI)، رادار نافذ به زمین (GPR)، کاوشگر نوترونی پرتو کیهانی (CRNP) و غیره. در میان آنها، فناوری CRNP می‌تواند اندازه‌گیری غیرتهاجمی میانگین رطوبت منطقه‌ای خاک را در یک منطقه بزرگ انجام دهد، و به یک پل کلیدی تبدیل شده است که اندازه‌گیری مجدد نقاط زمینی و ماهواره‌ای را به هم متصل می‌کند.

(3) فناوری مانیتورینگ سنجش از دور

فناوری سنجش از دور نظارت پویا بر رطوبت خاک در مقیاس بزرگ (منطقه ای تا جهانی) را از طریق سکوهایی مانند ماهواره ها و هواپیماها انجام می دهد. با توجه به باندهای سنجش از راه دور، می توان آن را به سنجش از دور نوری، سنجش از راه دور مادون قرمز حرارتی و سنجش از راه دور مایکروویو تقسیم کرد. در میان آنها، سنجش از دور مایکروویو به دلیل حساسیت کم به شرایط آب و هوایی و توانایی نفوذ در پوشش گیاهی و خاک سطحی، به فناوری اصلی برای نظارت بر رطوبت خاک در مقیاس بزرگ تبدیل شده است. می توان آن را بیشتر به سنجش از راه دور مایکروویو فعال (مانند رادار دیافراگم مصنوعی، SAR) و سنجش از راه دور مایکروویو غیرفعال (مانند رادیومتر) تقسیم کرد.

2. اصول و مقایسه عملکرد فن آوری های اصلی نظارت

(1) مقایسه عملکرد سنسورهای اندازه گیری نقطه پایه زمین

نوع سنسور	مزایا	معایب	سناریوهای قابل اجرا	شاخص دقت
کاوشگر مقاومت	1. می تواند با دیتالاگر برای اندازه گیری مداوم ترکیب شود. 2. پایین ترین قیمت; 3. مصرف برق کم	1. دقت ضعیف، ارزش کالیبراسیون با نوع خاک و محتوای نمک متفاوت است. 2. حسگرها مستعد پیری هستند	سناریوهایی که فقط نیاز به قضاوت در مورد تغییرات رطوبت دارند و نیازهای کمی برای دقت دارند	دقت پایین
پروب TDR	1. می تواند اندازه گیری مداوم انجام دهد. 2. دقت بالا (2-3٪) پس از کالیبراسیون خاص خاک. 3. غیر حساس به شوری (تا زمانی که سیگنال ناپدید می شود). 4. شناخت تحصیلی بالا	1. پیچیدگی عملیاتی بالاتر از حسگرهای ظرفیت. 2. نصب نیاز به ترانشه برداری دارد که زمان بر است. 3. نامعتبر در محیط های با شوری بالا. 4. مصرف برق بالا (نیاز به باتری های قابل شارژ بزرگ)	آزمایشگاه های مجهز به سیستم های مربوطه که نیاز به اندازه گیری با دقت بالایی دارند	دقت بالا (2-3%)
سنسور ظرفیت	1. می تواند اندازه گیری مداوم انجام دهد. 2. نصب آسان برای برخی از انواع. 3. دقت بالا (2-3٪) پس از کالیبراسیون. 4. مصرف برق کم (باتری های کوچک کافی هستند). 5. قیمت پایین، امکان اندازه گیری چند نقطه	1. دقت در محیط های با شوری بالا کاهش می یابد (رسانایی الکتریکی عصاره اشباع شده > dS/m 8). 2. عملکرد ضعیف مارک های بی کیفیت	سناریوهایی که نیاز به اندازه گیری چند نقطه ای، استقرار و نگهداری ساده سیستم و مصرف انرژی کم دارند	دقت بالا (2-3%)
کاوشگر نوترونی	1. حجم اندازه گیری بزرگ. 2. غیر حساس به شوری; 3. شناخت تحصیلی بالا (تکنولوژی بالغ)؛ 4. تحت تأثیر مسائل تماس حسگر خاک نیست	1. گران بودن; 2. عملیات نیاز به گواهی تشعشع دارد. 3. بسیار وقت گیر. 4. نمی تواند اندازه گیری مداوم انجام دهد	سناریوهایی با تجهیزات و گواهینامه های موجود که نیاز به اندازه گیری خاک های رسی با شوری بالا یا انقباض گسترده دارد.	دقت پایین (بهبود پس از کالیبراسیون میدانی)
CRNP (کاوشگر نوترونی پرتو کیهانی)	1. محدوده اندازه گیری بسیار بزرگ (حجم نفوذ با قطر 800 متر). 2. اندازه گیری خودکار. 3. مناسب برای اعتبارسنجی زمینی داده های ماهواره ای (هموارسازی تنوع در مقیاس بزرگ). 4. تحت تأثیر مسائل تماس حسگر خاک نیست	1. بالاترین قیمت; 2. تعریف حجم اندازه گیری نامشخص، با رطوبت خاک متفاوت است. 3. دقت محدود شده توسط عوامل مخدوش کننده مانند پوشش گیاهی	سناریوهایی که به مقادیر متوسط ​​رطوبت در مقیاس بزرگ و اعتبارسنجی زمینی داده های ماهواره ای نیاز دارند	RMSE ≈ 0.032 cm³/cm³ (پس از کالیبراسیون)

نوع سنسور	مزایا	معایب	سناریوهای قابل اجرا	شاخص دقت
کاوشگر مقاومت	1. می تواند با دیتالاگر برای اندازه گیری مداوم ترکیب شود. 2. پایین ترین قیمت; 3. مصرف برق کم	1. دقت ضعیف، ارزش کالیبراسیون با نوع خاک و محتوای نمک متفاوت است. 2. حسگرها مستعد پیری هستند	سناریوهایی که فقط نیاز به قضاوت در مورد تغییرات رطوبت دارند و نیازهای کمی برای دقت دارند	دقت پایین
پروب TDR	1. می تواند اندازه گیری مداوم انجام دهد. 2. دقت بالا (2-3٪) پس از کالیبراسیون خاص خاک. 3. غیر حساس به شوری (تا زمانی که سیگنال ناپدید می شود). 4. شناخت تحصیلی بالا	1. پیچیدگی عملیاتی بالاتر از حسگرهای ظرفیت. 2. نصب نیاز به ترانشه برداری دارد که زمان بر است. 3. نامعتبر در محیط های با شوری بالا. 4. مصرف برق بالا (نیاز به باتری های قابل شارژ بزرگ)	آزمایشگاه های مجهز به سیستم های مربوطه که نیاز به اندازه گیری با دقت بالایی دارند	دقت بالا (2-3%)
سنسور ظرفیت	1. می تواند اندازه گیری مداوم انجام دهد. 2. نصب آسان برای برخی از انواع. 3. دقت بالا (2-3٪) پس از کالیبراسیون. 4. مصرف برق کم (باتری های کوچک کافی هستند). 5. قیمت پایین، امکان اندازه گیری چند نقطه	1. دقت در محیط های با شوری بالا کاهش می یابد (رسانایی الکتریکی عصاره اشباع شده > dS/m 8). 2. عملکرد ضعیف مارک های بی کیفیت	سناریوهایی که نیاز به اندازه گیری چند نقطه ای، استقرار و نگهداری ساده سیستم و مصرف انرژی کم دارند	دقت بالا (2-3%)
کاوشگر نوترونی	1. حجم اندازه گیری بزرگ. 2. غیر حساس به شوری; 3. شناخت تحصیلی بالا (تکنولوژی بالغ)؛ 4. تحت تأثیر مسائل تماس حسگر خاک نیست	1. گران بودن; 2. عملیات نیاز به گواهی تشعشع دارد. 3. بسیار وقت گیر. 4. نمی تواند اندازه گیری مداوم انجام دهد	سناریوهایی با تجهیزات و گواهینامه های موجود که نیاز به اندازه گیری خاک های رسی با شوری بالا یا انقباض گسترده دارد.	دقت پایین (بهبود پس از کالیبراسیون میدانی)
CRNP (کاوشگر نوترونی پرتو کیهانی)	1. محدوده اندازه گیری بسیار بزرگ (حجم نفوذ با قطر 800 متر). 2. اندازه گیری خودکار. 3. مناسب برای اعتبارسنجی زمینی داده های ماهواره ای (هموارسازی تنوع در مقیاس بزرگ). 4. تحت تأثیر مسائل تماس حسگر خاک نیست	1. بالاترین قیمت; 2. تعریف حجم اندازه گیری نامشخص، با رطوبت خاک متفاوت است. 3. دقت محدود شده توسط عوامل مخدوش کننده مانند پوشش گیاهی	سناریوهایی که به مقادیر متوسط ​​رطوبت در مقیاس بزرگ و اعتبارسنجی زمینی داده های ماهواره ای نیاز دارند	RMSE ≈ 0.032 cm³/cm³ (پس از کالیبراسیون)

(2) اصول اصلی و عملکرد فن آوری های نظارت سنجش از دور

فناوری نظارت سنجش از دور رطوبت خاک را با تشخیص بازتاب، انتشار یا پراکندگی خاک در برابر تشعشعات الکترومغناطیسی در باندهای مختلف بازیابی می کند. عمق اندازه گیری، وضوح فضایی و سناریوهای کاربردی فن آوری ها در باندهای مختلف به طور قابل توجهی متفاوت است:

• سنجش از دور مادون قرمز نوری و حرارتی: سنجش از دور نوری (نور مرئی، مادون قرمز نزدیک، مادون قرمز موج کوتاه) رطوبت خاک را در لایه سطحی بسیار نازک (≤1 میلی متر) از طریق تغییر رنگ خاک (خاک مرطوب تیره تر) بازیابی می کند. سنجش از دور مادون قرمز حرارتی به طور غیرمستقیم شرایط رطوبت را با نظارت بر تغییرات دمای سطح خاک منعکس می کند. هر دو نسبت به آب و هوا و پوشش گیاهی حساس هستند و عمق اندازه گیری کمی دارند.

• سنجش از راه دور مایکروویو: با اندازه گیری ثابت دی الکتریک حجمی خاک (ثابت دی الکتریک آب حدود 80 است، بسیار بیشتر از مواد جامد خاک و هوا) رطوبت را بازیابی می کند، که به انواع فعال (رادار سیگنال ها را برای اندازه گیری پژواک ارسال می کند) و غیرفعال (اندازه گیری تشعشعات مایکروویو طبیعی) تقسیم می شود. در میان باندهای مایکروویو، باند L و باند P توانایی قوی برای نفوذ به پوشش گیاهی دارند و برای نظارت بر رطوبت خاک نزدیک به سطح و منطقه ریشه مناسب هستند. باند C برای خاک لخت یا مناطق با پوشش گیاهی کم مناسب است.

مقایسه عملکرد مأموریت‌های ماهواره‌ای سنجش از راه دور مایکروویو اصلی

ماموریت ماهواره ای	نوع سنسور	باند	تفکیک فضایی	بازبینی دوره	مزایای اصلی	شاخص دقت
SMOS (ماهواره رطوبت خاک و شوری اقیانوس)	رادیومتر مایکروویو غیرفعال	باند L	25 کیلومتر (EASE-2 Grid)	3 روز	اولین ماموریت ماهواره ای به طور خاص برای نظارت بر رطوبت خاک، قادر به بازیابی عمق نوری گیاهی (VOD)	میانه R²=0.75، RMSE=0.023 m³/m³
SMAP (ماهواره غیرفعال فعال رطوبت خاک)	رادار فعال + رادیومتر غیرفعال (رادار از کار افتاد)	باند L	36 کیلومتر (استاندارد)، 9 کیلومتر (بهبود)	2-3 روز	در حال حاضر دقیق ترین محصول جهانی رطوبت خاک است که قادر به ارائه داده های رطوبت منطقه ریشه (0-100 سانتی متر) است.	ubRMSE=0.035-0.038 cm³/cm³ (لایه سطحی)؛ 0.026-0.03 cm³/cm³ (منطقه ریشه)
نگهبان-1	رادار دیافراگم مصنوعی فعال (SAR)	باند سی	10-20 متر	6 روز	وضوح فضایی بالا، می تواند با داده های SMAP برای تولید محصولات با وضوح 3 کیلومتر ترکیب شود	RMSE<0.046cm³/cm³
ESA CCI (ابتکار تغییر آب و هوا)	مایکروویو فیوژن فعال + غیرفعال	چند باندی	قطعنامه های چندگانه	بستگی به منبع داده دارد	از سال 1978 داده های مداوم رطوبت جهانی خاک را دراز مدت ارائه می دهد	دقت جامع متوسط، مناسب برای تحقیقات طولانی مدت تغییرات آب و هوا

3. عوامل کلیدی موثر بر دقت نظارت بر رطوبت خاک

بر اساس نتایج متاآنالیز ادبیات 3، دقت پایش رطوبت خاک تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند نوع حسگر، روش مدل‌سازی و شرایط محیطی قرار می‌گیرد. عوامل اصلی تأثیرگذار به شرح زیر است:

(1) سنسور و پیکربندی فنی

• نوع سنسور: دقت سنسورهای مایکروویو فعال و غیرفعال در صورت استفاده به تنهایی قابل مقایسه است (متوسط ​​R²=0.7 برای هر دو)، اما مطالعات کمی در مورد استفاده ترکیبی آنها وجود دارد. شواهد فعلی نشان می دهد که دقت همجوشی به طور قابل توجهی بهبود نیافته است (متوسط ​​R² = 0.59)، که به تحقیقات و بهینه سازی بیشتر نیاز دارد.

• حالت پلاریزاسیون: در میان سنسورهای مایکروویو فعال، ترکیب دو قطبی VV+VH دارای بالاترین دقت (متوسط ​​R²=0.76، RMSE=0.035 m³/m³)، و پس از آن قطبش HH و قطبش VH کمترین دقت را دارد.

• عمق اندازه گیری: سنجش از راه دور مایکروویو عمدتاً برای نظارت بر رطوبت لایه سطحی (0-5 سانتی متر) مناسب است. رطوبت لایه عمیق (بیش از 20 سانتی متر) باید به طور غیر مستقیم از طریق مدل های یادگیری ماشین بازیابی شود. در حال حاضر، تعداد نمونه های داده برای دقت نظارت بر لایه های عمیق کم است و نتیجه گیری هنوز مشخص نیست.

(2) مدل سازی و روش های پردازش داده ها

روش مدل سازی وارونه نظارت بر داده ها به طور قابل توجهی بر دقت تأثیر می گذارد:

• مدل‌های یادگیری ماشین (مخصوصاً شبکه‌های عصبی) بالاترین دقت را دارند، با میانگین R²=0.73 و RMSE=0.035 m³/m³. در میان آنها، شبکه های LSTM بالاترین دقت را دارند (متوسط ​​R² = 0.86) زیرا می توانند وابستگی زمانی را بگیرند.

• مدل های نیمه تجربی (مانند مدل ابر آب (WCM)، مدل τ-ω) به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند و دقت آنها کمی کمتر از یادگیری ماشین است (متوسط ​​R²=0.71، RMSE=0.042 m³/m³).

• ترکیبی از یادگیری ماشین و مدل های نیمه تجربی می تواند دقت را بیشتر بهبود بخشد (متوسط ​​R²=0.79، RMSE=0.030 m³/m³).

(3) شرایط محیطی و سطحی

• نوع آب و هوا: دقت پایش در مناطق خشک و نیمه خشک (با میانگین R² بیشتر) بهتر از مناطق مرطوب و نیمه مرطوب است. زیرا مناطق مرطوب دارای پوشش گیاهی متراکم و نوسانات زیاد رطوبت هستند که احتمالاً در سیگنال ها اختلال ایجاد می کند.

• بافت خاک: لوم شنی بالاترین دقت نظارت را دارد (متوسط ​​R²=0.75). سنسورهای غیرفعال در لوم رسی و خاک رس بهتر عمل می کنند، در حالی که سنسورهای فعال در لوم شنی و لوم بهتر عمل می کنند.

• پوشش زمین: زمین های کشاورزی (گندم، ذرت، سویا و غیره) سناریوی اصلی تحقیق است. تراکم پوشش گیاهی بر نفوذ سیگنال‌های مایکروویو تأثیر می‌گذارد و در نتیجه بر دقت تأثیر می‌گذارد، اما تفاوت در دقت نظارت بین فصول مختلف قابل توجه نیست، که نشان‌دهنده پایداری فناوری مایکروویو است.

4. سیستم های کاربردی و منابع داده برای پایش رطوبت خاک

(1) اینترنت اشیا (IoT) و سیستم های مدیریت داده

سیستم ZENTRA پیشنهاد شده در ادبیات 1 یک راه حل معمولی اینترنت اشیا برای نظارت بر رطوبت خاک است. این سنسورها، ثبت‌کننده‌های داده و پلت‌فرم‌های ابری (ZENTRA Cloud) را برای تحقق نصب ساده، دانلود داده‌های از راه دور، هشدار سریع خطای بلادرنگ و ادغام داده‌های چند سایتی یکپارچه می‌کند. این می تواند حجم کار محققان را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و کارایی مدیریت داده ها را بهبود بخشد.

(2) شبکه های نظارتی جهانی و منطقه ای

• شبکه COSMOS: یک شبکه جهانی مشاهده رطوبت خاک بر اساس فناوری CRNP. در حال حاضر، حدود 194 ایستگاه دائمی در سراسر جهان وجود دارد که مناطقی مانند ایالات متحده، آلمان، استرالیا و بریتانیا را پوشش می دهد. این می تواند شکاف مقیاس فضایی بین اندازه گیری نقطه ای زمینی و سنجش از راه دور ماهواره ای را پر کند.

• شبکه بین المللی رطوبت خاک (ISMN): داده های رطوبت خاک در محل را از ایستگاه های متعدد در سراسر جهان ادغام می کند و انواع فناوری های اندازه گیری را پوشش می دهد و یک منبع داده اساسی مهم برای اعتبارسنجی داده های سنجش از دور است.

• شبکه TERENO: شبکه رصدخانه های محیطی زمینی آلمان، که شامل 20 ایستگاه CRNP برای پایش دینامیکی رطوبت خاک در مقیاس حوضه است.

(3) محصولات داده و بسترهای اشتراک گذاری

• داده های SMOS: موجود در وب سایت رسمی ESA و پلت فرم CATDS، از جمله رطوبت خاک سطحی، VOD، رطوبت خاک ناحیه ریشه و سایر محصولات.

• SMAP Data: منتشر شده توسط مرکز ملی داده های برف و یخ (NSIDC) ایالات متحده، شامل محصولات رطوبتی خاک ناحیه سطح و ریشه با بالاترین دقت.

• داده های ESA CCI: داده های بلندمدت جهانی رطوبت خاک (سه نوع محصول: فعال، غیرفعال و ذوب شده) را از سال 1978 ارائه می دهد که می توانید از وب سایت رسمی ESA Soil Moisture CCI دریافت کنید.

5. نتیجه گیری تحقیق و جهت گیری های آینده

این سه مقاله به طور مداوم نشان می‌دهند که فناوری‌های پایش رطوبت خاک یک سیستم در مقیاس کامل از اندازه‌گیری نقطه‌ای زمینی تا سنجش از دور جهانی را تشکیل داده‌اند. در میان آنها، سنجش از راه دور مایکروویو فناوری اصلی برای نظارت در مقیاس بزرگ است و مدل‌های یادگیری ماشینی دقت وارونگی را به طور قابل توجهی بهبود داده‌اند. چالش‌های اصلی فناوری‌های کنونی عبارتند از: بهینه‌سازی دقت ادغام حسگرهای مایکروویو فعال و غیرفعال، تأیید روش‌های پایش رطوبت عمیق خاک، و بهبود دقت نظارت در پوشش گیاهی پیچیده و مناطق مرطوب. تحقیقات آتی باید بر روی این جهت‌ها متمرکز شود، در حالی که روش‌های جذب داده‌ها را بهبود بخشد، ترکیب داده‌های سنجش از دور و مشاهدات زمینی را تقویت کند، و کاربرد عمیق داده‌های رطوبت خاک را در زمینه‌هایی مانند مدیریت آبیاری کشاورزی، هشدار زودهنگام خشکسالی و سیل، و تحقیقات تغییرات آب و هوایی ارتقا بخشد.