סקירת ספרות על ניטור לחות קרקע

1. סיווג טכנולוגיות ניטור לחות קרקע

ניתן לחלק את טכנולוגיות ניטור לחות הקרקע לשלוש קטגוריות לפי קנה מידה ועיקרון הניטור: טכנולוגיית מדידת נקודות מבוססת קרקע, טכנולוגיית חישה פרוקסימלית וטכנולוגיית ניטור חישה מרחוק. לכל אחת משלוש הטכנולוגיות יש מיקוד משלה, המכסה את כל מגוון צרכי היישום החל מדידת נקודות מקומית ועד לניטור בקנה מידה גלובלי.

(1) טכנולוגיית מדידת נקודות מבוססת קרקע

טכנולוגיית מדידת נקודות מבוססת קרקע מתרכזת במדידת חיישן אדמה במגע ישיר, שיכולה לממש איסוף נתוני לחות קרקע רציף או קבוע ומהווה את האמצעי הבסיסי לניטור לחות הקרקע. הוא כולל בעיקר בדיקות התנגדות, רפלקטומטריית תחום זמן (TDR), חיישני קיבול, בדיקות נויטרונים וסוגים אחרים. חיישנים שונים משתנים באופן משמעותי בדיוק, עלות ותרחישים ישימים.

(2) טכנולוגיית חישה פרוקסימלית

טכנולוגיית חישה פרוקסימלית מיושמת בעיקר בקנה מידה שדה או פרשת המים. הוא משיג את מאפייני ההפצה המרחבית של לחות הקרקע באמצעים לא פולשניים, המפצים על המגבלה המקומית של מדידת נקודה מבוססת קרקע. הטכנולוגיות הנפוצות כוללות אינדוקציה אלקטרומגנטית (EMI), מכ'ם חודר לקרקע (GPR), בדיקת ניוטרון קוסמית (CRNP) ועוד. ביניהן, טכנולוגיית CRNP יכולה לממש מדידה לא פולשנית של לחות קרקע ממוצעת אזורית על פני שטח גדול, והפכה לגשר מפתח המחבר מדידת נקודות מבוססת קרקע וחישה מרחוק לוויינית.

(3) טכנולוגיית ניטור חישה מרחוק

טכנולוגיית חישה מרחוק מיישמת ניטור דינמי של לחות קרקע בקנה מידה גדול (אזורי עד עולמי) באמצעות פלטפורמות כגון לוויינים ומטוסים. על פי פסי חישה מרחוק, ניתן לחלק אותו לחישה מרחוק אופטית, חישה מרחוק אינפרא אדום תרמית וחישה מרחוק במיקרוגל. ביניהם, חישה מרחוק במיקרוגל הפכה לטכנולוגיה המרכזית לניטור לחות בקרקע בקנה מידה גדול בשל רגישותה הנמוכה לתנאי מזג האוויר ויכולתה לחדור לצמחייה ולקרקע פני השטח. ניתן לחלק אותו לחישה מרחוק אקטיבית במיקרוגל (כגון רדאר צמצם סינתטי, SAR) וחישה מרחוק פסיבית במיקרוגל (כגון רדיומטר).

2. עקרונות והשוואת ביצועים של טכנולוגיות ניטור עיקריות

(1) השוואת ביצועים של חיישני מדידת נקודות מבוססי קרקע

סוג חיישן	יתרונות	חסרונות	תרחישים ישימים	מדד דיוק
בדיקה התנגדות	1. ניתן לשלב עם לוגרי נתונים למדידה רציפה; 2. המחיר הנמוך ביותר; 3. צריכת חשמל נמוכה	1. דיוק ירוד, ערך הכיול משתנה בהתאם לסוג הקרקע ותכולת המלח; 2. חיישנים נוטים להזדקן	תרחישים שצריכים לשפוט רק שינויים בתכולת הלחות ויש להם דרישות נמוכות לדיוק	דיוק נמוך
בדיקה TDR	1. יכול לבצע מדידה רציפה; 2. דיוק גבוה (2-3%) לאחר כיול ספציפי לקרקע; 3. לא רגיש למליחות (עד שנעלם האות); 4. הכרה אקדמית גבוהה	1. מורכבות תפעולית גבוהה יותר מחיישני קיבול; 2. התקנה דורשת חפירת תעלות, אשר גוזלת זמן; 3. לא חוקי בסביבות עם מליחות גבוהה; 4. צריכת חשמל גבוהה (דורש סוללות נטענות גדולות)	מעבדות המצוידות במערכות רלוונטיות הדורשות מדידה דיוק גבוהה	דיוק גבוה (2-3%)
חיישן קיבול	1. יכול לבצע מדידה רציפה; 2. התקנה קלה עבור סוגים מסוימים; 3. דיוק גבוה (2-3%) לאחר כיול; 4. צריכת חשמל נמוכה (סוללות קטנות מספיקות); 5. מחיר נמוך, המאפשר מדידה מרובת נקודות	1. ירידה בדיוק בסביבות עם מליחות גבוהה (מוליכות חשמלית של תמצית רוויה > 8 dS/m); 2. ביצועים גרועים של מותגים באיכות נמוכה	תרחישים הדורשים מדידה מרובת נקודות, פריסה ותחזוקה פשוטה של ​​המערכת וצריכת חשמל נמוכה	דיוק גבוה (2-3%)
פרוב ניוטרונים	1. נפח מדידה גדול; 2. חסר רגישות למליחות; 3. הכרה אקדמית גבוהה (טכנולוגיה בוגרת); 4. לא מושפע מבעיות מגע עם חיישן אדמה	1. יקר; 2. התפעול מחייב אישור קרינה; 3. גוזל זמן רב; 4. לא ניתן לבצע מדידה רציפה	תרחישים עם ציוד והסמכה קיימים הדורשים מדידה של קרקעות חרסית בעלות מליחות גבוהה או מתכווצות.	דיוק נמוך (השתפר לאחר כיול בשטח)
CRNP (חיית ניוטרון קרן קוסמית)	1. טווח מדידה גדול במיוחד (נפח השפעה בקוטר 800 מ'); 2. מדידה אוטומטית; 3. מתאים לאימות קרקעי של נתוני לווין (החלקת שונות בקנה מידה גדול); 4. לא מושפע מבעיות מגע עם חיישן אדמה	1. המחיר הגבוה ביותר; 2. הגדרת נפח מדידה לא ברורה, המשתנה בהתאם ללחות הקרקע; 3. דיוק מוגבל על ידי גורמים מבלבלים כמו צמחייה	תרחישים הדורשים ערכי לחות ממוצעים בקנה מידה גדול ואימות קרקעי של נתוני לווין	RMSE ≈ 0.032 cm³/cm³ (לאחר כיול)

סוג חיישן	יתרונות	חסרונות	תרחישים ישימים	מדד דיוק
בדיקה התנגדות	1. ניתן לשלב עם לוגרי נתונים למדידה רציפה; 2. המחיר הנמוך ביותר; 3. צריכת חשמל נמוכה	1. דיוק ירוד, ערך הכיול משתנה בהתאם לסוג הקרקע ותכולת המלח; 2. חיישנים נוטים להזדקן	תרחישים שצריכים לשפוט רק שינויים בתכולת הלחות ויש להם דרישות נמוכות לדיוק	דיוק נמוך
בדיקה TDR	1. יכול לבצע מדידה רציפה; 2. דיוק גבוה (2-3%) לאחר כיול ספציפי לקרקע; 3. לא רגיש למליחות (עד שנעלם האות); 4. הכרה אקדמית גבוהה	1. מורכבות תפעולית גבוהה יותר מחיישני קיבול; 2. התקנה דורשת חפירת תעלות, אשר גוזלת זמן; 3. לא חוקי בסביבות עם מליחות גבוהה; 4. צריכת חשמל גבוהה (דורש סוללות נטענות גדולות)	מעבדות המצוידות במערכות רלוונטיות הדורשות מדידה דיוק גבוהה	דיוק גבוה (2-3%)
חיישן קיבול	1. יכול לבצע מדידה רציפה; 2. התקנה קלה עבור סוגים מסוימים; 3. דיוק גבוה (2-3%) לאחר כיול; 4. צריכת חשמל נמוכה (סוללות קטנות מספיקות); 5. מחיר נמוך, המאפשר מדידה מרובת נקודות	1. ירידה בדיוק בסביבות עם מליחות גבוהה (מוליכות חשמלית של תמצית רוויה > 8 dS/m); 2. ביצועים גרועים של מותגים באיכות נמוכה	תרחישים הדורשים מדידה מרובת נקודות, פריסה ותחזוקה פשוטה של ​​המערכת וצריכת חשמל נמוכה	דיוק גבוה (2-3%)
פרוב ניוטרונים	1. נפח מדידה גדול; 2. חסר רגישות למליחות; 3. הכרה אקדמית גבוהה (טכנולוגיה בוגרת); 4. לא מושפע מבעיות מגע עם חיישן אדמה	1. יקר; 2. התפעול מחייב אישור קרינה; 3. גוזל זמן רב; 4. לא ניתן לבצע מדידה רציפה	תרחישים עם ציוד והסמכה קיימים הדורשים מדידה של קרקעות חרסית בעלות מליחות גבוהה או מתכווצות.	דיוק נמוך (השתפר לאחר כיול בשטח)
CRNP (חיית ניוטרון קרן קוסמית)	1. טווח מדידה גדול במיוחד (נפח השפעה בקוטר 800 מ'); 2. מדידה אוטומטית; 3. מתאים לאימות קרקעי של נתוני לווין (החלקת שונות בקנה מידה גדול); 4. לא מושפע מבעיות מגע עם חיישן אדמה	1. המחיר הגבוה ביותר; 2. הגדרת נפח מדידה לא ברורה, המשתנה בהתאם ללחות הקרקע; 3. דיוק מוגבל על ידי גורמים מבלבלים כמו צמחייה	תרחישים הדורשים ערכי לחות ממוצעים בקנה מידה גדול ואימות קרקעי של נתוני לווין	RMSE ≈ 0.032 cm³/cm³ (לאחר כיול)

(2) עקרונות ליבה וביצועים של טכנולוגיות ניטור חישה מרחוק

טכנולוגיית ניטור חישה מרחוק משחזרת את לחות הקרקע על ידי זיהוי מאפייני השתקפות, פליטה או פיזור של אדמה לקרינה אלקטרומגנטית בפסים שונים. עומק המדידה, הרזולוציה המרחבית והתרחישים הישימים של טכנולוגיות ברצועות שונות משתנים באופן משמעותי:

• חישה מרחוק אינפרא אדום אופטית ותרמית: חישה מרחוק אופטית (אור נראה, אינפרא אדום קרוב, אינפרא אדום עם גלים קצרים) משחזרת את לחות הקרקע בשכבת פני השטח הדקה במיוחד (≤1 מ'מ) באמצעות שינויים בצבע הקרקע (אדמה הלחה כהה יותר); חישה מרחוק אינפרא אדום תרמית משקפת בעקיפין את תנאי הלחות על ידי ניטור שינויים בטמפרטורת הקרקע. שניהם רגישים למזג אוויר ולכיסוי צמחייה ויש להם עומק מדידה רדוד.

• חישה מרחוק במיקרוגל: שואבת לחות על ידי מדידת הקבוע הדיאלקטרי הנפחי של האדמה (הקבוע הדיאלקטרי של המים הוא כ-80, גבוה בהרבה מזה של מוצקי הקרקע והאוויר), שמתחלק לסוגים אקטיביים (הרדאר משדר אותות למדידת הדים) ופסיבי (מודד קרינת מיקרוגל טבעית). בין רצועות המיקרוגל, L-band ו-P-band בעלי יכולת חזקה לחדור לצמחייה והם מתאימים לניטור לחות הקרקע הקרובה לפני השטח ואזור השורשים; C-band מתאים לאדמה חשופה או אזורים דלים בצמחייה.

השוואת ביצועים של משימות לוויין של חישה מרחוק במיקרוגל

משימת לוויין	סוג חיישן	לְהִתְאַגֵד	רזולוציה מרחבית	תקופת ביקור חוזר	יתרונות ליבה	מדד דיוק
SMOS (לווין לחות קרקע ומליחות אוקיינוס)	מד רדיו פסיבי למיקרוגל	L-band	25 ק'מ (EASE-2 Grid)	3 ימים	משימת הלוויין הראשונה במיוחד לניטור לחות הקרקע, המסוגלת לאחזר עומק אופטי צמחי (VOD)	חציון R²=0.75, RMSE=0.023 m³/m³
SMAP (לווין פסיבי פעיל לחות קרקע)	מכ'ם פעיל + מד רדיו פסיבי (רדאר נכשל)	L-band	36 ק'מ (סטנדרטי), 9 ק'מ (משופר)	2-3 ימים	נכון לעכשיו מוצר הלחות העולמי המדויק ביותר, המסוגל לספק נתוני לחות באזור השורשים (0-100 ס'מ)	ubRMSE=0.035-0.038 cm³/cm³ (שכבת פני השטח); 0.026-0.03 cm³/cm³ (אזור שורש)
סנטינל-1	מכ'ם צמצם סינתטי פעיל (SAR)	להקת C	10-20 מ'	6 ימים	רזולוציה מרחבית גבוהה, ניתן להתמזג עם נתוני SMAP ליצירת מוצרים ברזולוציה של 3 ק'מ	RMSE<0.046 ס'מס'מ
ESA CCI (יוזמת שינויי אקלים)	Fusion מיקרוגל אקטיבי + פסיבי	רב-להקה	רזולוציות מרובות	תלוי במקור הנתונים	מספק נתוני לחות קרקע גלובליים מתמשכים לטווח ארוך מאז 1978	דיוק בינוני מקיף, מתאים לחקר שינויי אקלים ארוך טווח

3. גורמים מרכזיים המשפיעים על דיוק ניטור לחות הקרקע

בהתבסס על תוצאות המטה-אנליזה של ספרות 3, הדיוק של ניטור לחות הקרקע מושפע מגורמים שונים כגון סוג חיישנים, שיטת מידול ותנאי סביבה. גורמי הליבה המשפיעים הם כדלקמן:

(1) חיישן ותצורה טכנית

• סוג חיישן: הדיוק של חיישני מיקרוגל אקטיביים ופסיביים ניתן להשוואה בשימוש לבד (חציון R²=0.7 עבור שניהם), אך יש מעט מחקרים על השימוש המשולב שלהם. עדויות עדכניות מראות שדיוק ההיתוך לא שופר באופן משמעותי (חציון R²=0.59), מה שמצריך מחקר ואופטימיזציה נוספים.

• מצב קיטוב: מבין חיישני מיקרוגל פעילים, לשילוב הקיטוב הכפול VV+VH יש את הדיוק הגבוה ביותר (חציון R²=0.76, RMSE=0.035 m³/m³), ואחריו קיטוב HH, ולקיטוב VH יש את הדיוק הנמוך ביותר.

• עומק מדידה: חישה מרחוק במיקרוגל מתאימה בעיקר לניטור הלחות של שכבת הקרקע (0-5 ס'מ). יש לאחזר לחות בשכבה עמוקה (>20 ס'מ) בעקיפין באמצעות מודלים של למידת מכונה. נכון לעכשיו, מספר דגימות הנתונים לדיוק ניטור שכבות עמוקות הוא קטן, והמסקנה עדיין לא ברורה.

(2) שיטות מידול ועיבוד נתונים

שיטת מידול ההיפוך של ניטור נתונים משפיעה באופן משמעותי על הדיוק:

• מודלים של למידת מכונה (במיוחד רשתות עצביות) הם בעלי הדיוק הגבוה ביותר, עם חציון R²=0.73 ו-RMSE=0.035 m³/m³; ביניהן, לרשתות LSTM יש את הדיוק הגבוה ביותר (חציון R²=0.86) מכיוון שהן יכולות ללכוד תלות זמנית.

• מודלים חצי אמפיריים (כגון Water Cloud Model (WCM), τ-ω Model) נמצאים בשימוש נרחב, והדיוק שלהם נמוך במעט מזה של למידת מכונה (חציון R²=0.71, RMSE=0.042 m³/m³).

• השילוב של למידת מכונה ומודלים סמי-אמפיריים יכול לשפר עוד יותר את הדיוק (חציון R²=0.79, RMSE=0.030 m³/m³).

(3) תנאי סביבה ושטח

• סוג אקלים: דיוק הניטור באזורים צחיחים וצחיחים למחצה (עם חציון R² גבוה יותר) טוב יותר מזה שבאזורים לחים ולחים למחצה. מכיוון שבאזורים לחים יש צמחייה צפופה ותנודות לחות גדולות, שסביר להניח שיפריעו לאותות.

• מרקם קרקע: לחצפת חולית יש את דיוק הניטור הגבוה ביותר (חציון R²=0.75); חיישנים פסיביים מתפקדים טוב יותר בחמר חרס וחמר, בעוד שחיישנים אקטיביים מתפקדים טוב יותר בחמר חולי ובחמר.

• כיסוי קרקע: קרקע חקלאית (חיטה, תירס, סויה וכו') היא תרחיש המחקר העיקרי. צפיפות הצמחייה משפיעה על חדירת אותות מיקרוגל, ובכך משפיעה על הדיוק, אך ההבדל בדיוק הניטור בין עונות שונות אינו משמעותי, המשקף את יציבות טכנולוגיית המיקרוגל.

4. מערכות יישום ומשאבי נתונים לניטור לחות בקרקע

(1) האינטרנט של הדברים (IoT) ומערכות ניהול נתונים

מערכת ZENTRA המוצעת בספרות 1 היא פתרון IoT טיפוסי לניטור לחות בקרקע. הוא משלב חיישנים, רותי נתונים ופלטפורמות ענן (ZENTRA Cloud) כדי לממש התקנה פשוטה, הורדת נתונים מרחוק, אזהרה מוקדמת על תקלות בזמן אמת ומיזוג נתונים מרובה אתרים. זה יכול להפחית משמעותית את עומס העבודה של החוקרים ולשפר את יעילות ניהול הנתונים.

(2) רשתות ניטור גלובליות ואזוריות

• COSMOS Network: רשת גלובלית לתצפית על לחות הקרקע המבוססת על טכנולוגיית CRNP. נכון להיום, ישנן כ-194 תחנות קבועות ברחבי העולם, המכסות אזורים כמו ארצות הברית, גרמניה, אוסטרליה ובריטניה. זה יכול למלא את הפער בקנה מידה מרחבי בין מדידת נקודות מבוססת קרקע לבין חישה מרחוק לוויינית.

• International Soil Moisture Network (ISMN): משלבת נתוני לחות בקרקע באתר ממספר תחנות ברחבי העולם, המכסה מגוון טכנולוגיות מדידה, ומהווה משאב נתונים בסיסי חשוב לאימות נתוני חישה מרחוק.

• רשת TERENO: רשת תצפיות הסביבה הקרקעית של גרמניה, הכוללת 20 תחנות CRNP לניטור דינמי של לחות הקרקע בקנה מידה של פרשת מים.

(3) מוצרי נתונים ופלטפורמות שיתוף

• נתוני SMOS: זמינים מהאתר הרשמי של ESA ומפלטפורמת CATDS, כולל לחות אדמה משטחית, VOD, לחות קרקע באזור שורש ומוצרים אחרים.

• נתוני SMAP: שוחררו על ידי המרכז הלאומי לנתוני השלג והקרח (NSIDC) של ארצות הברית, כולל מוצרי לחות של פני השטח ואזור השורשים ברמת הדיוק הגבוהה ביותר.

• נתוני ESA CCI: מספקים נתוני לחות קרקע גלובליים ארוכי טווח (שלושה סוגי מוצרים: פעילים, פסיביים ומחוברים) מאז 1978, אותם ניתן להשיג מהאתר הרשמי של ESA Soil Moisture CCI.

5. מסקנות מחקר וכיוונים עתידיים

שלוש הספרות מצביעות באופן עקבי על כך שטכנולוגיות ניטור הלחות בקרקע יצרו מערכת בקנה מידה מלא ממדידת נקודות מבוססת קרקע ועד לחישה מרחוק גלובלית. ביניהם, חישה מרחוק במיקרוגל היא טכנולוגיית הליבה לניטור בקנה מידה גדול, ומודלים של למידת מכונה שיפרו משמעותית את דיוק ההיפוך. אתגרי הליבה של הטכנולוגיות הנוכחיות כוללים: אופטימיזציית דיוק של היתוך של חיישני מיקרוגל אקטיביים ופסיביים, אימות שיטות ניטור לחות בקרקע עמוקה, ושיפור דיוק הניטור בצמחייה מורכבת ואזורים לחים. מחקר עתידי צריך להתמקד בכיוונים אלה, תוך שיפור נוסף של שיטות הטמעת נתונים, חיזוק השילוב של נתוני חישה מרחוק ותצפיות קרקע, וקידום יישום מעמיק של נתוני הלחות בקרקע בתחומים כמו ניהול השקיה חקלאית, התרעה מוקדמת על בצורת ושיטפונות וחקר שינויי אקלים.