Pagsusuri ng Literatura sa Pagsubaybay sa Halumigmig ng Lupa

1. Klasipikasyon ng Soil Moisture Monitoring Technologies

Ang mga teknolohiya sa pagsubaybay sa kahalumigmigan ng lupa ay maaaring nahahati sa tatlong kategorya ayon sa sukat at prinsipyo ng pagsubaybay: teknolohiya sa pagsukat ng punto na nakabatay sa lupa, teknolohiya ng proximal sensing, at teknolohiya ng pagmamanman ng remote sensing. Ang bawat isa sa tatlong teknolohiya ay may sariling pokus, na sumasaklaw sa buong hanay ng mga pangangailangan ng aplikasyon mula sa lokal na pagsukat ng punto hanggang sa global scale na pagsubaybay.

(1) Ground-Based Point Measurement Technology

Nakasentro ang teknolohiya sa pagsukat ng punto na nakabatay sa lupa sa pagsukat ng sensor ng lupa ng direktang kontak, na maaaring magkaroon ng tuluy-tuloy o fixed-point na pagkolekta ng data ng kahalumigmigan ng lupa at ang pangunahing paraan ng pagsubaybay sa kahalumigmigan ng lupa. Pangunahing kasama dito ang resistance probes, Time Domain Reflectometry (TDR), capacitance sensors, neutron probes at iba pang uri. Ang iba't ibang sensor ay malaki ang pagkakaiba-iba sa katumpakan, gastos, at mga naaangkop na sitwasyon.

(2) Proximal Sensing Technology

Pangunahing ginagamit ang teknolohiya ng proximal sensing sa field o watershed scale. Nakukuha nito ang mga katangian ng spatial distribution ng moisture ng lupa sa pamamagitan ng non-invasive na paraan, na bumubuo sa lokal na limitasyon ng ground-based point measurement. Kasama sa mga karaniwang teknolohiya ang Electromagnetic Induction (EMI), Ground-Penetrating Radar (GPR), Cosmic Ray Neutron Probe (CRNP), atbp. Kabilang sa mga ito, ang teknolohiya ng CRNP ay maaaring makamit ang hindi invasive na pagsukat ng rehiyonal na average na kahalumigmigan ng lupa sa isang malaking lugar, at naging pangunahing tulay na nagkokonekta sa ground-based point measurement at satellite remote sensing.

(3) Remote Sensing Monitoring Technology

Napagtatanto ng teknolohiya ng remote sensing ang pabago-bagong pagsubaybay sa malakihang (rehiyonal hanggang pandaigdig) na kahalumigmigan ng lupa sa pamamagitan ng mga platform tulad ng mga satellite at sasakyang panghimpapawid. Ayon sa remote sensing bands, maaari itong nahahati sa optical remote sensing, thermal infrared remote sensing at microwave remote sensing. Kabilang sa mga ito, ang microwave remote sensing ay naging pangunahing teknolohiya para sa malakihang pagsubaybay sa kahalumigmigan ng lupa dahil sa mababang sensitivity nito sa mga kondisyon ng panahon at kakayahang tumagos sa mga halaman at ibabaw ng lupa. Maaari pa itong hatiin sa aktibong microwave remote sensing (tulad ng Synthetic Aperture Radar, SAR) at passive microwave remote sensing (tulad ng radiometer).

2. Mga Prinsipyo at Paghahambing ng Pagganap ng Pangunahing Teknolohiya sa Pagsubaybay

(1) Paghahambing ng Pagganap ng Mga Sensor sa Pagsukat ng Punto na Nakabatay sa Lupa

Uri ng Sensor	Mga kalamangan	Mga disadvantages	Mga Naaangkop na Sitwasyon	Index ng Katumpakan
Panlaban Probe	1. Maaaring isama sa mga data logger para sa tuluy-tuloy na pagsukat; 2. Pinakamababang presyo; 3. Mababang paggamit ng kuryente	1. Mahina ang katumpakan, ang halaga ng pagkakalibrate ay nag-iiba sa uri ng lupa at nilalaman ng asin; 2. Ang mga sensor ay madaling kapitan ng pagtanda	Mga sitwasyong kailangan lang hatulan ang mga pagbabago sa moisture content at may mababang mga kinakailangan para sa katumpakan	Mababang Katumpakan
TDR Probe	1. Maaaring magsagawa ng tuluy-tuloy na pagsukat; 2. Mataas na katumpakan (2-3%) pagkatapos ng pagkakalibrate na partikular sa lupa; 3. Hindi sensitibo sa kaasinan (hanggang sa mawala ang signal); 4. Mataas na pagkilala sa akademya	1. Mas mataas na operational complexity kaysa sa capacitance sensor; 2. Ang pag-install ay nangangailangan ng trenching, na nakakaubos ng oras; 3. Di-wasto sa mga kapaligirang may mataas na kaasinan; 4. Mataas na pagkonsumo ng kuryente (nangangailangan ng malalaking rechargeable na baterya)	Mga laboratoryo na nilagyan ng mga nauugnay na sistema na nangangailangan ng pagsukat ng mataas na katumpakan	Mataas na Katumpakan (2-3%)
Capacitance Sensor	1. Maaaring magsagawa ng tuluy-tuloy na pagsukat; 2. Madaling pag-install para sa ilang uri; 3. Mataas na katumpakan (2-3%) pagkatapos ng pagkakalibrate; 4. Mababang paggamit ng kuryente (sapat na ang maliliit na baterya); 5. Mababang presyo, nagpapagana ng multi-point na pagsukat	1. Bumababa ang katumpakan sa mga kapaligirang may mataas na kaasinan (saturated extract electrical conductivity > 8 dS/m); 2. Hindi magandang pagganap ng mga mababang kalidad na tatak	Mga sitwasyong nangangailangan ng multi-point measurement, simpleng pag-deploy at pagpapanatili ng system, at mababang paggamit ng kuryente	Mataas na Katumpakan (2-3%)
Neutron Probe	1. Malaking dami ng pagsukat; 2. Hindi sensitibo sa kaasinan; 3. Mataas na pagkilala sa akademiko (mature na teknolohiya); 4. Hindi apektado ng soil-sensor contact issues	1. Mahal; 2. Ang operasyon ay nangangailangan ng sertipikasyon ng radiation; 3. Lubhang nakakaubos ng oras; 4. Hindi makapagsagawa ng tuluy-tuloy na pagsukat	Mga sitwasyong may umiiral na kagamitan at sertipikasyon na nangangailangan ng pagsukat ng mataas na kaasinan o malawak na lumiliit na mga lupang luad	Mababang Katumpakan (pinahusay pagkatapos ng pag-calibrate ng field)
CRNP (Cosmic Ray Neutron Probe)	1. Napakalaking hanay ng pagsukat (volume ng impluwensya na may diameter na 800m); 2. Awtomatikong pagsukat; 3. Angkop para sa ground validation ng satellite data (smoothing large-scale variability); 4. Hindi apektado ng soil-sensor contact issues	1. Pinakamataas na presyo; 2. Hindi malinaw na kahulugan ng dami ng pagsukat, nag-iiba sa kahalumigmigan ng lupa; 3. Ang katumpakan ay nalilimitahan ng nakakalito na mga salik tulad ng mga halaman	Mga sitwasyong nangangailangan ng malakihang average na mga halaga ng moisture at ground validation ng satellite data	RMSE ≈ 0.032 cm³/cm³ (pagkatapos ng pagkakalibrate)

Uri ng Sensor	Mga kalamangan	Mga disadvantages	Mga Naaangkop na Sitwasyon	Index ng Katumpakan
Panlaban Probe	1. Maaaring isama sa mga data logger para sa tuluy-tuloy na pagsukat; 2. Pinakamababang presyo; 3. Mababang paggamit ng kuryente	1. Mahina ang katumpakan, ang halaga ng pagkakalibrate ay nag-iiba sa uri ng lupa at nilalaman ng asin; 2. Ang mga sensor ay madaling kapitan ng pagtanda	Mga sitwasyong kailangan lang hatulan ang mga pagbabago sa moisture content at may mababang mga kinakailangan para sa katumpakan	Mababang Katumpakan
TDR Probe	1. Maaaring magsagawa ng tuluy-tuloy na pagsukat; 2. Mataas na katumpakan (2-3%) pagkatapos ng pagkakalibrate na partikular sa lupa; 3. Insensitive sa kaasinan (hanggang mawala ang signal); 4. Mataas na pagkilala sa akademya	1. Mas mataas na operational complexity kaysa sa capacitance sensor; 2. Ang pag-install ay nangangailangan ng trenching, na nakakaubos ng oras; 3. Di-wasto sa mga kapaligirang may mataas na kaasinan; 4. Mataas na pagkonsumo ng kuryente (nangangailangan ng malalaking rechargeable na baterya)	Mga laboratoryo na nilagyan ng mga nauugnay na sistema na nangangailangan ng pagsukat ng mataas na katumpakan	Mataas na Katumpakan (2-3%)
Capacitance Sensor	1. Maaaring magsagawa ng tuluy-tuloy na pagsukat; 2. Madaling pag-install para sa ilang uri; 3. Mataas na katumpakan (2-3%) pagkatapos ng pagkakalibrate; 4. Mababang paggamit ng kuryente (sapat na ang maliliit na baterya); 5. Mababang presyo, nagpapagana ng multi-point na pagsukat	1. Bumababa ang katumpakan sa mga kapaligirang may mataas na kaasinan (saturated extract electrical conductivity > 8 dS/m); 2. Hindi magandang pagganap ng mga mababang kalidad na tatak	Mga sitwasyong nangangailangan ng multi-point measurement, simpleng pag-deploy at pagpapanatili ng system, at mababang paggamit ng kuryente	Mataas na Katumpakan (2-3%)
Neutron Probe	1. Malaking dami ng pagsukat; 2. Hindi sensitibo sa kaasinan; 3. Mataas na pagkilala sa akademiko (mature na teknolohiya); 4. Hindi apektado ng soil-sensor contact issues	1. Mahal; 2. Ang operasyon ay nangangailangan ng sertipikasyon ng radiation; 3. Lubhang nakakaubos ng oras; 4. Hindi makapagsagawa ng tuluy-tuloy na pagsukat	Mga sitwasyong may umiiral na kagamitan at sertipikasyon na nangangailangan ng pagsukat ng mataas na kaasinan o malawak na lumiliit na mga lupang luad	Mababang Katumpakan (pinahusay pagkatapos ng pag-calibrate ng field)
CRNP (Cosmic Ray Neutron Probe)	1. Napakalaking hanay ng pagsukat (volume ng impluwensya na may diameter na 800m); 2. Awtomatikong pagsukat; 3. Angkop para sa ground validation ng satellite data (smoothing large-scale variability); 4. Hindi apektado ng soil-sensor contact issues	1. Pinakamataas na presyo; 2. Hindi malinaw na kahulugan ng dami ng pagsukat, nag-iiba sa kahalumigmigan ng lupa; 3. Ang katumpakan ay nalilimitahan ng nakakalito na mga salik tulad ng mga halaman	Mga sitwasyong nangangailangan ng malakihang average na mga halaga ng moisture at ground validation ng satellite data	RMSE ≈ 0.032 cm³/cm³ (pagkatapos ng pagkakalibrate)

(2) Mga Pangunahing Prinsipyo at Pagganap ng Remote Sensing Monitoring Technologies

Kinukuha ng remote sensing monitoring technology ang moisture ng lupa sa pamamagitan ng pag-detect ng reflection, emission o scattering na katangian ng lupa sa electromagnetic radiation sa iba't ibang banda. Ang lalim ng pagsukat, spatial na resolusyon at mga naaangkop na senaryo ng mga teknolohiya sa iba't ibang banda ay malaki ang pagkakaiba-iba:

• Optical at Thermal Infrared Remote Sensing: Ang optical remote sensing (nakikitang ilaw, near-infrared, short-wave infrared) ay kumukuha ng kahalumigmigan ng lupa sa napakanipis na layer ng ibabaw (≤1mm) sa pamamagitan ng mga pagbabago sa kulay ng lupa (mas madidilim ang basang lupa); Ang thermal infrared remote sensing ay hindi direktang nagpapakita ng mga kondisyon ng moisture sa pamamagitan ng pagsubaybay sa mga pagbabago sa temperatura ng ibabaw ng lupa. Parehong madaling kapitan sa lagay ng panahon at mga halaman at may mababaw na lalim ng pagsukat.

• Microwave Remote Sensing: Kinukuha ang moisture sa pamamagitan ng pagsukat ng volumetric dielectric constant ng lupa (ang dielectric constant ng tubig ay humigit-kumulang 80, mas mataas kaysa sa solids at hangin ng lupa), na nahahati sa active (nagpapadala ang radar ng mga signal para sukatin ang mga dayandang) at passive (nagsusukat ng natural na radiation ng microwave). Sa mga microwave band, ang L-band at P-band ay may malakas na kakayahan na tumagos sa mga halaman at angkop para sa pagsubaybay sa malapit sa ibabaw at root zone ng kahalumigmigan ng lupa; Ang C-band ay angkop para sa hubad na lupa o mga lugar na kakaunti ang halaman.

Paghahambing ng Pagganap ng Mainstream Microwave Remote Sensing Satellite Missions

Satellite Mission	Uri ng Sensor	banda	Spatial na Resolusyon	Panahon ng Pagbisita	Mga Pangunahing Kalamangan	Index ng Katumpakan
SMOS (Soil Moisture at Ocean Salinity Satellite)	Passive Microwave Radiometer	L-band	25 km (EASE-2 Grid)	3 araw	Ang unang satellite mission partikular para sa pagsubaybay sa kahalumigmigan ng lupa, na may kakayahang kunin ang Vegetation Optical Depth (VOD)	Median R²=0.75, RMSE=0.023 m³/m³
SMAP (Soil Moisture Active Passive Satellite)	Aktibong Radar + Passive Radiometer (Nabigo ang Radar)	L-band	36 km (Karaniwan), 9 km (Pinahusay)	2-3 araw	Sa kasalukuyan ang pinakatumpak na pandaigdigang produkto ng moisture ng lupa, na may kakayahang magbigay ng root zone (0-100cm) moisture data	ubRMSE=0.035-0.038 cm³/cm³ (patong sa ibabaw); 0.026-0.03 cm³/cm³ (root zone)
Sentinel-1	Active Synthetic Aperture Radar (SAR)	C-band	10-20 m	6 na araw	Mataas na spatial na resolution, maaaring isama sa SMAP data upang makabuo ng 3km resolution na mga produkto	RMSE<0.046 cm³/cm³
ESA CCI (Climate Change Initiative)	Aktibo + Passive Microwave Fusion	Multi-band	Maramihang Resolusyon	Depende sa data source	Nagbibigay ng pangmatagalang tuluy-tuloy na data ng kahalumigmigan sa lupa mula noong 1978	Katamtamang komprehensibong katumpakan, angkop para sa pangmatagalang pagsasaliksik sa pagbabago ng klima

3. Mga Pangunahing Salik na Nakakaapekto sa Katumpakan ng Pagsubaybay sa Halumigmig ng Lupa

Batay sa mga resulta ng meta-analysis ng Literatura 3, ang katumpakan ng pagsubaybay sa kahalumigmigan ng lupa ay apektado ng iba't ibang salik tulad ng uri ng sensor, paraan ng pagmomodelo, at mga kondisyon sa kapaligiran. Ang mga pangunahing salik na nakakaimpluwensya ay ang mga sumusunod:

(1) Sensor at Teknikal na Configuration

• Uri ng Sensor: Ang katumpakan ng mga active at passive na microwave sensor ay maihahambing kapag ginamit nang mag-isa (median R²=0.7 para sa pareho), ngunit kakaunti ang mga pag-aaral sa kanilang pinagsamang paggamit. Ipinapakita ng kasalukuyang ebidensya na ang katumpakan ng pagsasanib ay hindi gaanong napabuti (median R²=0.59), na nangangailangan ng karagdagang pananaliksik at pag-optimize.

• Polarization Mode: Sa mga aktibong microwave sensor, ang VV+VH dual-polarization combination ay may pinakamataas na katumpakan (median R²=0.76, RMSE=0.035 m³/m³), na sinusundan ng HH polarization, at ang VH polarization ay may pinakamababang katumpakan.

• Lalim ng Pagsukat: Ang remote sensing ng microwave ay pangunahing angkop para sa pagsubaybay sa ibabaw ng layer (0-5cm) na kahalumigmigan ng lupa. Ang malalim na layer (>20cm) moisture ay kailangang hindi direktang makuha sa pamamagitan ng mga modelo ng machine learning. Sa kasalukuyan, ang bilang ng mga sample ng data para sa katumpakan ng pagsubaybay sa malalim na layer ay maliit, at ang konklusyon ay hindi pa malinaw.

(2) Mga Paraan ng Pagmomodelo at Pagproseso ng Data

Ang paraan ng inversion modeling ng pagsubaybay sa data ay makabuluhang nakakaapekto sa katumpakan:

• Ang Machine Learning Models (lalo na ang mga neural network) ay may pinakamataas na katumpakan, na may median R²=0.73 at RMSE=0.035 m³/m³; sa kanila, ang mga network ng LSTM ay may pinakamataas na katumpakan (median R²=0.86) dahil nakukuha nila ang temporal na pag-asa.

• Ang mga Semi-Empirical Models (gaya ng Water Cloud Model (WCM), τ-ω Model) ay malawakang ginagamit, at ang kanilang katumpakan ay bahagyang mas mababa kaysa sa machine learning (median R²=0.71, RMSE=0.042 m³/m³).

• Ang kumbinasyon ng machine learning at semi-empirical na mga modelo ay maaaring higit pang mapabuti ang katumpakan (median R²=0.79, RMSE=0.030 m³/m³).

(3) Mga Kondisyon sa Kapaligiran at Ibabaw

• Uri ng Klima: Ang katumpakan ng pagsubaybay sa mga tigang at semi-arid na rehiyon (na may mas mataas na median R²) ay mas mahusay kaysa sa mga lugar na mahalumigmig at semi-humid. Dahil ang mga mahalumigmig na rehiyon ay may siksik na halaman at malalaking pagbabago sa kahalumigmigan, na malamang na makagambala sa mga signal.

• Tekstur ng Lupa: Ang sandy loam ay may pinakamataas na katumpakan sa pagsubaybay (median R²=0.75); Ang mga passive sensor ay mas mahusay na gumaganap sa clay loam at clay, habang ang mga aktibong sensor ay gumaganap nang mas mahusay sa sandy loam at loam.

• Land Cover: Ang lupang pang-agrikultura (trigo, mais, soybeans, atbp.) ay ang pangunahing senaryo ng pananaliksik. Ang density ng mga halaman ay nakakaapekto sa pagtagos ng mga signal ng microwave, sa gayon ay nakakaapekto sa katumpakan, ngunit ang pagkakaiba sa katumpakan ng pagsubaybay sa pagitan ng iba't ibang mga panahon ay hindi makabuluhan, na sumasalamin sa katatagan ng teknolohiya ng microwave.

4. Application System at Data Resources para sa Soil Moisture Monitoring

(1) Internet of Things (IoT) at Data Management System

Ang ZENTRA system na iminungkahi sa Literature 1 ay isang tipikal na solusyon ng IoT para sa pagsubaybay sa kahalumigmigan ng lupa. Pinagsasama nito ang mga sensor, data logger at cloud platform (ZENTRA Cloud) upang maisakatuparan ang pinasimpleng pag-install, malayuang pag-download ng data, real-time na maagang babala ng pagkakamali at multi-site na pagsasanib ng data. Maaari nitong makabuluhang bawasan ang workload ng mga mananaliksik at mapabuti ang kahusayan sa pamamahala ng data.

(2) Global at Regional Monitoring Networks

• COSMOS Network: Isang pandaigdigang network ng pagmamasid sa kahalumigmigan ng lupa batay sa teknolohiya ng CRNP. Sa kasalukuyan, may humigit-kumulang 194 na permanenteng istasyon sa buong mundo, na sumasaklaw sa mga rehiyon tulad ng United States, Germany, Australia, at United Kingdom. Maaari nitong punan ang spatial scale gap sa pagitan ng ground-based point measurement at satellite remote sensing.

• International Soil Moisture Network (ISMN): Pinagsasama ang in-situ na data ng moisture ng lupa mula sa maraming istasyon sa buong mundo, na sumasaklaw sa iba't ibang teknolohiya sa pagsukat, at ito ay isang mahalagang pangunahing mapagkukunan ng data para sa pagpapatunay ng data ng remote sensing.

• TERENO Network: Ang network ng Terrestrial Environmental Observatories ng Germany, na kinabibilangan ng 20 CRNP station para sa watershed-scale soil moisture dynamic monitoring.

(3) Mga Produkto ng Data at Mga Platform ng Pagbabahagi

• Data ng SMOS: Magagamit mula sa opisyal na website ng ESA at platform ng CATDS, kabilang ang kahalumigmigan sa ibabaw ng lupa, VOD, kahalumigmigan ng lupa sa root zone at iba pang mga produkto.

• SMAP Data: Inilabas ng National Snow and Ice Data Center (NSIDC) ng United States, kasama ang surface at root zone na mga produktong moisture sa lupa na may pinakamataas na katumpakan.

• Data ng ESA CCI: Nagbibigay ng pangmatagalang data ng kahalumigmigan sa lupa (tatlong uri ng mga produkto: aktibo, passive, at fused) mula noong 1978, na maaaring makuha mula sa opisyal na website ng ESA Soil Moisture CCI.

5. Mga Konklusyon sa Pananaliksik at Direksyon sa Hinaharap

Ang tatlong literatura ay patuloy na nagsasaad na ang mga teknolohiya sa pagsubaybay sa kahalumigmigan ng lupa ay nakabuo ng isang buong sistema mula sa ground-based point measurement hanggang sa global remote sensing. Kabilang sa mga ito, ang microwave remote sensing ay ang pangunahing teknolohiya para sa malakihang pagsubaybay, at ang mga modelo ng machine learning ay lubos na nagpabuti ng katumpakan ng inversion. Kabilang sa mga pangunahing hamon ng kasalukuyang mga teknolohiya ang: pag-optimize ng katumpakan ng pagsasanib ng mga aktibo at passive na microwave sensor, pag-verify ng mga pamamaraan ng pagsubaybay sa kahalumigmigan ng malalim na lupa, at pagpapabuti ng katumpakan ng pagsubaybay sa mga kumplikadong halaman at mahalumigmig na mga rehiyon. Ang hinaharap na pananaliksik ay dapat tumuon sa mga direksyong ito, habang higit na pinapabuti ang mga pamamaraan ng asimilasyon ng data, pinapalakas ang kumbinasyon ng remote sensing data at mga obserbasyon sa lupa, at isinusulong ang malalim na aplikasyon ng data ng kahalumigmigan ng lupa sa mga larangan tulad ng pamamahala ng irigasyon sa agrikultura, tagtuyot at maagang babala sa baha, at pagsasaliksik sa pagbabago ng klima.