Revue de la littérature sur la surveillance de l'humidité des sols

1. Classification des technologies de surveillance de l'humidité du sol

Les technologies de surveillance de l'humidité du sol peuvent être divisées en trois catégories selon l'échelle et le principe de surveillance : la technologie de mesure ponctuelle au sol, la technologie de détection proximale et la technologie de surveillance par télédétection. Chacune des trois technologies a son propre objectif, couvrant la gamme complète des besoins d'application, depuis la mesure de points locaux jusqu'à la surveillance à l'échelle mondiale.

(1) Technologie de mesure de points au sol

La technologie de mesure ponctuelle au sol est centrée sur la mesure par capteur de sol à contact direct, qui peut réaliser une collecte de données continue ou en point fixe sur l'humidité du sol et constitue le moyen de base de surveillance de l'humidité du sol. Il comprend principalement des sondes à résistance, la réflectométrie dans le domaine temporel (TDR), des capteurs de capacité, des sondes à neutrons et d'autres types. Les différents capteurs varient considérablement en termes de précision, de coût et de scénarios applicables.

(2) Technologie de détection proximale

La technologie de détection proximale est principalement appliquée à l’échelle du champ ou du bassin versant. Il obtient les caractéristiques de distribution spatiale de l’humidité du sol par des moyens non invasifs, compensant ainsi la limitation locale de la mesure ponctuelle au sol. Les technologies courantes incluent l'induction électromagnétique (EMI), le radar pénétrant dans le sol (GPR), la sonde à neutrons à rayons cosmiques (CRNP), etc. Parmi elles, la technologie CRNP peut réaliser une mesure non invasive de l'humidité moyenne régionale du sol sur une vaste zone et est devenue un pont clé reliant la mesure ponctuelle au sol et la télédétection par satellite.

(3) Technologie de surveillance par télédétection

La technologie de télédétection permet une surveillance dynamique de l’humidité du sol à grande échelle (régionale à mondiale) via des plates-formes telles que des satellites et des avions. Selon les bandes de télédétection, elle peut être divisée en télédétection optique, télédétection infrarouge thermique et télédétection micro-ondes. Parmi elles, la télédétection par micro-ondes est devenue la technologie dominante pour la surveillance de l’humidité du sol à grande échelle en raison de sa faible sensibilité aux conditions météorologiques et de sa capacité à pénétrer la végétation et le sol de surface. Il peut être divisé en télédétection active par micro-ondes (telle que le radar à synthèse d'ouverture, SAR) et en télédétection passive par micro-ondes (telle que le radiomètre).

2. Comparaison des principes et des performances des principales technologies de surveillance

(1) Comparaison des performances des capteurs de mesure ponctuelles au sol

Type de capteur	Avantages	Inconvénients	Scénarios applicables	Indice de précision
Sonde de résistance	1. Peut être combiné avec des enregistreurs de données pour une mesure continue ; 2. Prix le plus bas ; 3. Faible consommation d'énergie	1. Mauvaise précision, la valeur d’étalonnage varie en fonction du type de sol et de la teneur en sel ; 2. Les capteurs sont sujets au vieillissement	Scénarios qui nécessitent uniquement d'évaluer les changements de teneur en humidité et qui ont de faibles exigences en matière de précision	Faible précision
Sonde TDR	1. Peut effectuer une mesure continue ; 2. Haute précision (2-3 %) après étalonnage spécifique au sol ; 3. Insensible à la salinité (jusqu'à disparition du signal) ; 4. Haute reconnaissance académique	1. Complexité opérationnelle plus élevée que les capteurs de capacité ; 2. L’installation nécessite une tranchée, ce qui prend du temps ; 3. Invalide dans les environnements à haute salinité ; 4. Consommation d'énergie élevée (nécessite de grosses piles rechargeables)	Laboratoires équipés de systèmes pertinents nécessitant des mesures de haute précision	Haute précision (2-3%)
Capteur de capacité	1. Peut effectuer une mesure continue ; 2. installation facile pour certains types ; 3. Haute précision (2-3 %) après calibrage ; 4. Faible consommation d’énergie (de petites piles suffisent) ; 5. Prix bas, permettant une mesure multipoint	1. La précision diminue dans les environnements à haute salinité (conductivité électrique de l'extrait saturé > 8 dS/m) ; 2. Mauvaises performances des marques de mauvaise qualité	Scénarios nécessitant une mesure multipoint, un déploiement et une maintenance simples du système et une faible consommation d'énergie	Haute précision (2-3%)
Sonde à neutrons	1. Grand volume de mesure ; 2. Insensible à la salinité ; 3. Reconnaissance académique élevée (technologie mature) ; 4. Non affecté par les problèmes de contact sol-capteur	1. Cher ; 2. L'exploitation nécessite une certification en matière de rayonnement ; 3. Extrêmement chronophage ; 4. Impossible d'effectuer une mesure continue	Scénarios avec équipement existant et certification nécessitant la mesure de sols argileux à forte salinité ou à retrait expansif	Faible précision (améliorée après étalonnage sur le terrain)
CRNP (sonde à neutrons à rayons cosmiques)	1. Plage de mesure extrêmement large (volume d’influence d’un diamètre de 800 m) ; 2. Mesure automatique ; 3. Convient à la validation au sol des données satellite (lissage de la variabilité à grande échelle) ; 4. Non affecté par les problèmes de contact sol-capteur	1. Prix le plus élevé ; 2. Définition du volume de mesure peu claire, variant en fonction de l'humidité du sol ; 3. Précision limitée par des facteurs confondants tels que la végétation	Scénarios nécessitant des valeurs d’humidité moyennes à grande échelle et une validation au sol des données satellite	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (après calibrage)

Type de capteur	Avantages	Inconvénients	Scénarios applicables	Indice de précision
Sonde de résistance	1. Peut être combiné avec des enregistreurs de données pour une mesure continue ; 2. Prix le plus bas ; 3. Faible consommation d'énergie	1. Mauvaise précision, la valeur d’étalonnage varie en fonction du type de sol et de la teneur en sel ; 2. Les capteurs sont sujets au vieillissement	Scénarios qui nécessitent uniquement d'évaluer les changements de teneur en humidité et qui ont de faibles exigences en matière de précision	Faible précision
Sonde TDR	1. Peut effectuer une mesure continue ; 2. Haute précision (2-3 %) après étalonnage spécifique au sol ; 3. Insensible à la salinité (jusqu'à disparition du signal) ; 4. Haute reconnaissance académique	1. Complexité opérationnelle plus élevée que les capteurs de capacité ; 2. L’installation nécessite une tranchée, ce qui prend du temps ; 3. Invalide dans les environnements à haute salinité ; 4. Consommation d'énergie élevée (nécessite de grosses piles rechargeables)	Laboratoires équipés de systèmes pertinents nécessitant des mesures de haute précision	Haute précision (2-3%)
Capteur de capacité	1. Peut effectuer une mesure continue ; 2. installation facile pour certains types ; 3. Haute précision (2-3 %) après calibrage ; 4. Faible consommation d’énergie (de petites piles suffisent) ; 5. Prix bas, permettant une mesure multipoint	1. La précision diminue dans les environnements à haute salinité (conductivité électrique de l'extrait saturé > 8 dS/m) ; 2. Mauvaises performances des marques de mauvaise qualité	Scénarios nécessitant une mesure multipoint, un déploiement et une maintenance simples du système et une faible consommation d'énergie	Haute précision (2-3%)
Sonde à neutrons	1. Grand volume de mesure ; 2. Insensible à la salinité ; 3. Reconnaissance académique élevée (technologie mature) ; 4. Non affecté par les problèmes de contact sol-capteur	1. Cher ; 2. L'exploitation nécessite une certification en matière de rayonnement ; 3. Extrêmement chronophage ; 4. Impossible d'effectuer une mesure continue	Scénarios avec équipement existant et certification nécessitant la mesure de sols argileux à forte salinité ou à retrait expansif	Faible précision (améliorée après étalonnage sur le terrain)
CRNP (sonde à neutrons à rayons cosmiques)	1. Plage de mesure extrêmement large (volume d’influence d’un diamètre de 800 m) ; 2. Mesure automatique ; 3. Convient à la validation au sol des données satellite (lissage de la variabilité à grande échelle) ; 4. Non affecté par les problèmes de contact sol-capteur	1. Prix le plus élevé ; 2. Définition du volume de mesure peu claire, variant en fonction de l'humidité du sol ; 3. Précision limitée par des facteurs confondants tels que la végétation	Scénarios nécessitant des valeurs d’humidité moyennes à grande échelle et une validation au sol des données satellite	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (après calibrage)

(2) Principes fondamentaux et performances des technologies de surveillance par télédétection

La technologie de surveillance par télédétection récupère l'humidité du sol en détectant les caractéristiques de réflexion, d'émission ou de diffusion du sol par rapport au rayonnement électromagnétique dans différentes bandes. La profondeur de mesure, la résolution spatiale et les scénarios applicables des technologies dans différentes bandes varient considérablement :

• Télédétection optique et infrarouge thermique : La télédétection optique (lumière visible, proche infrarouge, infrarouge à ondes courtes) récupère l'humidité du sol dans la couche superficielle extrêmement fine (≤ 1 mm) grâce aux changements de couleur du sol (le sol humide est plus foncé) ; la télédétection thermique infrarouge reflète indirectement les conditions d’humidité en surveillant les changements de température de surface du sol. Les deux sont sensibles aux intempéries et à la couverture végétale et ont une faible profondeur de mesure.

• Télédétection par micro-ondes : récupère l'humidité en mesurant la constante diélectrique volumétrique du sol (la constante diélectrique de l'eau est d'environ 80, bien supérieure à celle des solides du sol et de l'air), qui est divisée en types actifs (le radar transmet des signaux pour mesurer les échos) et passifs (mesure le rayonnement naturel des micro-ondes). Parmi les bandes micro-ondes, la bande L et la bande P ont une forte capacité à pénétrer la végétation et conviennent à la surveillance de l'humidité du sol près de la surface et dans la zone racinaire ; La bande C convient aux sols nus ou aux zones à végétation clairsemée.

Comparaison des performances des missions satellitaires de télédétection micro-ondes grand public

Mission satellite	Type de capteur	Groupe	Résolution spatiale	Période de revisite	Avantages principaux	Indice de précision
SMOS (Satellite sur l'humidité des sols et la salinité des océans)	Radiomètre à micro-ondes passif	Bande L	25 km (grille EASE-2)	3 jours	La première mission satellite spécifiquement destinée à surveiller l'humidité du sol, capable de récupérer la profondeur optique de la végétation (VOD)	R² médian=0,75, RMSE=0,023 m³/m³
SMAP (Satellite Passif Actif Humidité du Sol)	Radar actif + radiomètre passif (échec du radar)	Bande L	36 km (Standard), 9 km (Amélioré)	2-3 jours	Actuellement, le produit mondial d'humidité du sol le plus précis, capable de fournir des données sur l'humidité de la zone racinaire (0-100 cm).	ubRMSE=0,035-0,038 cm³/cm³ (couche superficielle) ; 0,026-0,03 cm³/cm³ (zone racinaire)
Sentinelle-1	Radar actif à synthèse d'ouverture (SAR)	Bande C	10-20 m	6 jours	Haute résolution spatiale, peut être fusionnée avec les données SMAP pour générer des produits avec une résolution de 3 km	RMSE<0,046 cm³/cm³
ESA CCI (Initiative sur le Changement Climatique)	Fusion micro-ondes active + passive	Multi-bande	Résolutions multiples	Dépend de la source de données	Fournit des données mondiales continues sur l’humidité des sols à long terme depuis 1978	Précision globale moyenne, adaptée à la recherche à long terme sur le changement climatique

3. Facteurs clés affectant la précision de la surveillance de l’humidité du sol

D'après les résultats de la méta-analyse de la littérature 3, la précision de la surveillance de l'humidité du sol est affectée par divers facteurs tels que le type de capteur, la méthode de modélisation et les conditions environnementales. Les principaux facteurs d’influence sont les suivants :

(1) Capteur et configuration technique

• Type de capteur : La précision des capteurs micro-ondes actifs et passifs est comparable lorsqu'ils sont utilisés seuls (R² médian = 0,7 pour les deux), mais il existe peu d'études sur leur utilisation combinée. Les preuves actuelles montrent que la précision de la fusion n’a pas été significativement améliorée (R² médian = 0,59), ce qui nécessite des recherches et une optimisation supplémentaires.

• Mode de polarisation : parmi les capteurs micro-ondes actifs, la combinaison à double polarisation VV+VH présente la précision la plus élevée (R² médian=0,76, RMSE=0,035 m³/m³), suivie par la polarisation HH, et la polarisation VH présente la précision la plus faible.

• Profondeur de mesure : la télédétection par micro-ondes convient principalement à la surveillance de l'humidité du sol dans la couche superficielle (0 à 5 cm). L'humidité des couches profondes (> 20 cm) doit être récupérée indirectement via des modèles d'apprentissage automatique. Actuellement, le nombre d’échantillons de données pour la précision de la surveillance des couches profondes est faible et la conclusion n’est pas encore claire.

(2) Méthodes de modélisation et de traitement des données

La méthode de modélisation par inversion de surveillance des données affecte considérablement la précision :

• Les modèles d'apprentissage automatique (en particulier les réseaux de neurones) ont la plus grande précision, avec un R² médian=0,73 et un RMSE=0,035 m³/m³ ; parmi eux, les réseaux LSTM ont la plus grande précision (R² médian = 0,86) car ils peuvent capturer la dépendance temporelle.

• Les modèles semi-empiriques (tels que le modèle de nuage d'eau (WCM) et le modèle τ-ω) sont largement utilisés et leur précision est légèrement inférieure à celle de l'apprentissage automatique (R² médian=0,71, RMSE=0,042 m³/m³).

• La combinaison de l'apprentissage automatique et de modèles semi-empiriques peut encore améliorer la précision (R² médian=0,79, RMSE=0,030 m³/m³).

(3) Conditions environnementales et de surface

• Type de climat : la précision de la surveillance dans les régions arides et semi-arides (avec un R² médian plus élevé) est meilleure que celle dans les régions humides et semi-humides. Parce que les régions humides ont une végétation dense et d’importantes fluctuations d’humidité, susceptibles de perturber les signaux.

• Texture du sol : le loam sableux présente la précision de surveillance la plus élevée (R² médian = 0,75) ; les capteurs passifs fonctionnent mieux dans les loams argileux et les argiles, tandis que les capteurs actifs fonctionnent mieux dans les limons sableux et les limons.

• Couverture terrestre : Les terres agricoles (blé, maïs, soja, etc.) constituent le principal scénario de recherche. La densité de la végétation affecte la pénétration des signaux micro-ondes, affectant ainsi la précision, mais la différence de précision de surveillance entre les différentes saisons n'est pas significative, ce qui reflète la stabilité de la technologie micro-ondes.

4. Systèmes d'application et ressources de données pour la surveillance de l'humidité des sols

(1) Internet des objets (IoT) et systèmes de gestion de données

Le système ZENTRA proposé dans la littérature 1 est une solution IoT typique pour la surveillance de l'humidité du sol. Il intègre des capteurs, des enregistreurs de données et des plateformes cloud (ZENTRA Cloud) pour réaliser une installation simplifiée, un téléchargement de données à distance, une alerte précoce de panne en temps réel et une fusion de données multi-sites. Cela peut réduire considérablement la charge de travail des chercheurs et améliorer l’efficacité de la gestion des données.

(2) Réseaux de surveillance mondiaux et régionaux

• Réseau COSMOS : Un réseau mondial d'observation de l'humidité des sols basé sur la technologie CRNP. Il existe actuellement environ 194 stations permanentes dans le monde, couvrant des régions telles que les États-Unis, l'Allemagne, l'Australie et le Royaume-Uni. Il peut combler le fossé d’échelle spatiale entre la mesure ponctuelle au sol et la télédétection par satellite.

• Réseau international sur l'humidité des sols (ISMN) : intègre des données in situ sur l'humidité du sol provenant de plusieurs stations à travers le monde, couvrant une variété de technologies de mesure, et constitue une ressource de données de base importante pour la validation des données de télédétection.

• Réseau TERENO : réseau allemand d'observatoires de l'environnement terrestre, qui comprend 20 stations CRNP pour la surveillance dynamique de l'humidité du sol à l'échelle des bassins versants.

(3) Produits de données et plateformes de partage

• Données SMOS : disponibles sur le site officiel de l'ESA et sur la plateforme CATDS, comprenant l'humidité de surface du sol, la VOD, l'humidité du sol de la zone racinaire et d'autres produits.

• Données SMAP : publiées par le Centre national de données sur la neige et la glace (NSIDC) des États-Unis, comprenant les produits d'humidité du sol en surface et dans la zone racinaire avec la plus grande précision.

• Données ESA CCI : Fournit des données mondiales à long terme sur l'humidité du sol (trois types de produits : actif, passif et fusionné) depuis 1978, qui peuvent être obtenues sur le site officiel de l'ESA Soil Moisture CCI.

5. Conclusions de la recherche et orientations futures

Les trois publications indiquent systématiquement que les technologies de surveillance de l’humidité du sol ont formé un système à grande échelle allant de la mesure ponctuelle au sol à la télédétection mondiale. Parmi eux, la télédétection par micro-ondes est la technologie de base pour la surveillance à grande échelle, et les modèles d'apprentissage automatique ont considérablement amélioré la précision de l'inversion. Les principaux défis des technologies actuelles comprennent : l’optimisation de la précision de la fusion des capteurs micro-ondes actifs et passifs, la vérification des méthodes de surveillance de l’humidité du sol en profondeur et l’amélioration de la précision de la surveillance dans la végétation complexe et les régions humides. Les recherches futures devraient se concentrer sur ces orientations, tout en améliorant davantage les méthodes d'assimilation des données, en renforçant la combinaison des données de télédétection et des observations au sol, et en promouvant l'application approfondie des données sur l'humidité du sol dans des domaines tels que la gestion de l'irrigation agricole, l'alerte précoce contre les sécheresses et les inondations et la recherche sur le changement climatique.