Revisione della letteratura sul monitoraggio dell'umidità del suolo

1. Classificazione delle tecnologie di monitoraggio dell'umidità del suolo

Le tecnologie di monitoraggio dell'umidità del suolo possono essere suddivise in tre categorie in base alla scala e al principio di monitoraggio: tecnologia di misurazione puntuale a terra, tecnologia di rilevamento prossimale e tecnologia di monitoraggio del rilevamento remoto. Ognuna delle tre tecnologie ha il proprio focus, coprendo l'intera gamma di esigenze applicative, dalla misurazione puntuale locale al monitoraggio su scala globale.

(1) Tecnologia di misurazione puntuale a terra

La tecnologia di misurazione puntuale a terra è incentrata sulla misurazione del sensore del suolo a contatto diretto, che può realizzare la raccolta di dati sull'umidità del suolo continua o fissa e rappresenta il mezzo di base per il monitoraggio dell'umidità del suolo. Comprende principalmente sonde di resistenza, riflettometria nel dominio del tempo (TDR), sensori di capacità, sonde di neutroni e altri tipi. I diversi sensori variano in modo significativo in termini di precisione, costi e scenari applicabili.

(2) Tecnologia di rilevamento prossimale

La tecnologia di rilevamento prossimale viene applicata principalmente su scala di campo o di spartiacque. Ottiene le caratteristiche di distribuzione spaziale dell'umidità del suolo attraverso mezzi non invasivi, compensando la limitazione locale della misurazione puntuale a terra. Le tecnologie comuni includono l'induzione elettromagnetica (EMI), il radar a penetrazione del suolo (GPR), la sonda di neutroni a raggi cosmici (CRNP), ecc. Tra queste, la tecnologia CRNP può realizzare misurazioni non invasive dell'umidità media regionale del suolo su una vasta area ed è diventata un ponte chiave che collega la misurazione dei punti a terra e il telerilevamento satellitare.

(3) Tecnologia di monitoraggio del rilevamento remoto

La tecnologia di telerilevamento realizza il monitoraggio dinamico dell’umidità del suolo su larga scala (da regionale a globale) attraverso piattaforme come satelliti e aerei. Secondo le bande di telerilevamento, può essere suddiviso in telerilevamento ottico, telerilevamento termico a infrarossi e telerilevamento a microonde. Tra questi, il telerilevamento a microonde è diventato la tecnologia principale per il monitoraggio dell’umidità del suolo su larga scala grazie alla sua bassa sensibilità alle condizioni meteorologiche e alla capacità di penetrare nella vegetazione e nel suolo superficiale. Può essere ulteriormente suddiviso in rilevamento remoto a microonde attivo (come il radar ad apertura sintetica, SAR) e rilevamento remoto a microonde passivo (come il radiometro).

2. Principi e confronto delle prestazioni delle principali tecnologie di monitoraggio

(1) Confronto delle prestazioni dei sensori di misurazione puntuale a terra

Tipo di sensore	Vantaggi	Svantaggi	Scenari applicabili	Indice di precisione
Sonda di resistenza	1. Abbinabile ai datalogger per la misura continua; 2. Prezzo più basso; 3. Basso consumo energetico	1. Scarsa precisione, il valore di calibrazione varia in base al tipo di terreno e al contenuto di sale; 2. I sensori sono soggetti a invecchiamento	Scenari che necessitano solo di valutare i cambiamenti nel contenuto di umidità e hanno bassi requisiti di precisione	Bassa precisione
Sonda TDR	1. Può eseguire misurazioni continue; 2. Elevata precisione (2-3%) dopo calibrazione specifica del terreno; 3. Insensibile alla salinità (fino alla scomparsa del segnale); 4. Elevato riconoscimento accademico	1. Maggiore complessità operativa rispetto ai sensori capacitivi; 2. L'installazione richiede lo scavo di scavi, che richiede molto tempo; 3. Non valido in ambienti ad alta salinità; 4. Elevato consumo energetico (richiede batterie ricaricabili di grandi dimensioni)	Laboratori dotati di sistemi pertinenti che richiedono misurazioni ad alta precisione	Alta precisione (2-3%)
Sensore di capacità	1. Può eseguire misurazioni continue; 2. Installazione semplice per alcuni tipi; 3. Elevata precisione (2-3%) dopo la calibrazione; 4. Basso consumo energetico (sono sufficienti batterie piccole); 5. Prezzo basso, che consente la misurazione multipunto	1. La precisione diminuisce in ambienti ad alta salinità (conduttività elettrica dell'estratto saturo > 8 dS/m); 2. Scarsa performance dei marchi di bassa qualità	Scenari che richiedono misurazioni multipunto, semplice implementazione e manutenzione del sistema e basso consumo energetico	Alta precisione (2-3%)
Sonda neutronica	1. Ampio volume di misurazione; 2. Insensibile alla salinità; 3. Elevato riconoscimento accademico (tecnologia matura); 4. Non influenzato da problemi di contatto del sensore del suolo	1. Costoso; 2. Il funzionamento richiede la certificazione delle radiazioni; 3. Estremamente dispendioso in termini di tempo; 4. Impossibile eseguire la misurazione continua	Scenari con attrezzature e certificazioni esistenti che richiedono la misurazione di terreni argillosi ad elevata salinità o con ritiro espansivo	Bassa precisione (migliorata dopo la calibrazione sul campo)
CRNP (sonda neutronica per raggi cosmici)	1. Campo di misura estremamente ampio (volume d'influenza con diametro di 800 m); 2. Misurazione automatica; 3. Adatto per la validazione a terra dei dati satellitari (compensazione della variabilità su larga scala); 4. Non influenzato da problemi di contatto del sensore del suolo	1. Prezzo più alto; 2. Definizione del volume di misurazione poco chiara, che varia con l'umidità del suolo; 3. Precisione limitata da fattori confondenti come la vegetazione	Scenari che richiedono valori medi di umidità su larga scala e validazione a terra dei dati satellitari	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (dopo la calibrazione)

Tipo di sensore	Vantaggi	Svantaggi	Scenari applicabili	Indice di precisione
Sonda di resistenza	1. Abbinabile ai datalogger per la misura continua; 2. Prezzo più basso; 3. Basso consumo energetico	1. Scarsa precisione, il valore di calibrazione varia in base al tipo di terreno e al contenuto di sale; 2. I sensori sono soggetti a invecchiamento	Scenari che necessitano solo di valutare i cambiamenti nel contenuto di umidità e hanno bassi requisiti di precisione	Bassa precisione
Sonda TDR	1. Può eseguire misurazioni continue; 2. Elevata precisione (2-3%) dopo calibrazione specifica del terreno; 3. Insensibile alla salinità (fino alla scomparsa del segnale); 4. Elevato riconoscimento accademico	1. Maggiore complessità operativa rispetto ai sensori capacitivi; 2. L'installazione richiede lo scavo di scavi, che richiede molto tempo; 3. Non valido in ambienti ad alta salinità; 4. Elevato consumo energetico (richiede batterie ricaricabili di grandi dimensioni)	Laboratori dotati di sistemi pertinenti che richiedono misurazioni ad alta precisione	Alta precisione (2-3%)
Sensore di capacità	1. Può eseguire misurazioni continue; 2. Installazione semplice per alcuni tipi; 3. Elevata precisione (2-3%) dopo la calibrazione; 4. Basso consumo energetico (sono sufficienti batterie piccole); 5. Prezzo basso, che consente la misurazione multipunto	1. La precisione diminuisce in ambienti ad alta salinità (conduttività elettrica dell'estratto saturo > 8 dS/m); 2. Scarsa performance dei marchi di bassa qualità	Scenari che richiedono misurazioni multipunto, semplice implementazione e manutenzione del sistema e basso consumo energetico	Alta precisione (2-3%)
Sonda neutronica	1. Ampio volume di misurazione; 2. Insensibile alla salinità; 3. Elevato riconoscimento accademico (tecnologia matura); 4. Non influenzato da problemi di contatto del sensore del suolo	1. Costoso; 2. Il funzionamento richiede la certificazione delle radiazioni; 3. Estremamente dispendioso in termini di tempo; 4. Impossibile eseguire la misurazione continua	Scenari con attrezzature e certificazioni esistenti che richiedono la misurazione di terreni argillosi ad elevata salinità o con ritiro espansivo	Bassa precisione (migliorata dopo la calibrazione sul campo)
CRNP (sonda neutronica per raggi cosmici)	1. Campo di misura estremamente ampio (volume d'influenza con diametro di 800 m); 2. Misurazione automatica; 3. Adatto per la validazione a terra dei dati satellitari (compensazione della variabilità su larga scala); 4. Non influenzato da problemi di contatto del sensore del suolo	1. Prezzo più alto; 2. Definizione del volume di misurazione poco chiara, che varia con l'umidità del suolo; 3. Precisione limitata da fattori confondenti come la vegetazione	Scenari che richiedono valori medi di umidità su larga scala e validazione a terra dei dati satellitari	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (dopo la calibrazione)

(2) Principi fondamentali e prestazioni delle tecnologie di monitoraggio del telerilevamento

La tecnologia di monitoraggio con telerilevamento recupera l'umidità del suolo rilevando le caratteristiche di riflessione, emissione o diffusione del suolo rispetto alla radiazione elettromagnetica in diverse bande. La profondità di misurazione, la risoluzione spaziale e gli scenari applicabili delle tecnologie nelle diverse bande variano in modo significativo:

• Rilevamento remoto a infrarossi ottico e termico: il rilevamento remoto ottico (luce visibile, vicino infrarosso, infrarosso a onde corte) rileva l'umidità del suolo nello strato superficiale estremamente sottile (≤1 mm) attraverso cambiamenti nel colore del suolo (il terreno umido è più scuro); il telerilevamento termico a infrarossi riflette indirettamente le condizioni di umidità monitorando i cambiamenti nella temperatura superficiale del suolo. Entrambi sono sensibili alle intemperie e alla copertura vegetale e hanno una profondità di misurazione ridotta.

• Telerilevamento a microonde: recupera l'umidità misurando la costante dielettrica volumetrica del suolo (la costante dielettrica dell'acqua è circa 80, molto superiore a quella dei solidi del suolo e dell'aria), che è divisa in attiva (il radar trasmette segnali per misurare gli echi) e passiva (misura la radiazione naturale a microonde). Tra le bande a microonde, la banda L e la banda P hanno una forte capacità di penetrare nella vegetazione e sono adatte per monitorare l'umidità del suolo in prossimità della superficie e nella zona radicale; La banda C è adatta per terreni nudi o aree scarsamente vegetate.

Confronto delle prestazioni delle principali missioni satellitari di rilevamento remoto a microonde

Missione satellitare	Tipo di sensore	Banda	Risoluzione spaziale	Periodo di rivisitazione	Vantaggi fondamentali	Indice di precisione
SMOS (satellite per l'umidità del suolo e la salinità dell'oceano)	Radiometro passivo a microonde	Banda L	25 km (griglia EASE-2)	3 giorni	La prima missione satellitare specifica per il monitoraggio dell'umidità del suolo, in grado di recuperare la profondità ottica della vegetazione (VOD)	R² medio=0,75, RMSE=0,023 m³/m³
SMAP (satellite passivo attivo per l'umidità del suolo)	Radar attivo + Radiometro passivo (Radar guasto)	Banda L	36 km (Standard), 9 km (Avanzata)	2-3 giorni	Attualmente il prodotto globale più accurato sull'umidità del suolo, in grado di fornire dati sull'umidità della zona radicale (0-100 cm).	ubRMSE=0,035-0,038 cm³/cm³ (strato superficiale); 0,026-0,03 cm³/cm³ (zona radicale)
Sentinella-1	Radar attivo ad apertura sintetica (SAR)	Banda C	10-20 minuti	6 giorni	Alta risoluzione spaziale, può essere fusa con i dati SMAP per generare prodotti con risoluzione di 3 km	RMSE<0,046 cm³/cm³
ESA CCI (Iniziativa sul cambiamento climatico)	Fusione microonde attiva + passiva	Multibanda	Risoluzioni multiple	Dipende dall'origine dati	Fornisce dati continui e a lungo termine sull’umidità globale del suolo dal 1978	Precisione media e completa, adatta per la ricerca sui cambiamenti climatici a lungo termine

3. Fattori chiave che influenzano la precisione del monitoraggio dell'umidità del suolo

Sulla base dei risultati della meta-analisi della Letteratura 3, l’accuratezza del monitoraggio dell’umidità del suolo è influenzata da vari fattori come il tipo di sensore, il metodo di modellazione e le condizioni ambientali. I principali fattori che influenzano sono i seguenti:

(1) Sensore e configurazione tecnica

• Tipo di sensore: la precisione dei sensori a microonde attivi e passivi è paragonabile se usati da soli (R² mediano=0,7 per entrambi), ma ci sono pochi studi sul loro uso combinato. Le prove attuali mostrano che la precisione della fusione non è stata significativamente migliorata (R² mediano = 0,59), il che richiede ulteriori ricerche e ottimizzazioni.

• Modalità di polarizzazione: tra i sensori a microonde attivi, la combinazione a doppia polarizzazione VV+VH ha la massima precisione (R² mediano=0,76, RMSE=0,035 m³/m³), seguita dalla polarizzazione HH e la polarizzazione VH ha la precisione più bassa.

• Profondità di misurazione: il telerilevamento a microonde è adatto principalmente per monitorare l'umidità del suolo dello strato superficiale (0-5 cm). L'umidità dello strato profondo (>20 cm) deve essere recuperata indirettamente tramite modelli di apprendimento automatico. Attualmente, il numero di campioni di dati per la precisione del monitoraggio degli strati profondi è piccolo e la conclusione non è ancora chiara.

(2) Metodi di modellazione ed elaborazione dei dati

Il metodo di modellazione dell'inversione per il monitoraggio dei dati influisce in modo significativo sulla precisione:

• I modelli di machine learning (in particolare le reti neurali) hanno la massima precisione, con R² mediano=0,73 e RMSE=0,035 m³/m³; tra questi, le reti LSTM hanno la massima precisione (R² mediano = 0,86) perché possono catturare la dipendenza temporale.

• I modelli semi-empirici (come il Water Cloud Model (WCM), il modello τ-ω) sono ampiamente utilizzati e la loro accuratezza è leggermente inferiore a quella dell'apprendimento automatico (R² mediano=0,71, RMSE=0,042 m³/m³).

• La combinazione di apprendimento automatico e modelli semi-empirici può migliorare ulteriormente la precisione (R² mediano=0,79, RMSE=0,030 m³/m³).

(3) Condizioni ambientali e superficiali

• Tipo climatico: la precisione del monitoraggio nelle regioni aride e semi-aride (con R² mediano più elevato) è migliore rispetto a quella nelle regioni umide e semi-umide. Perché le regioni umide hanno una fitta vegetazione e grandi fluttuazioni di umidità, che potrebbero interferire con i segnali.

• Tessitura del terreno: il terriccio sabbioso ha la massima precisione di monitoraggio (R² mediano=0,75); i sensori passivi funzionano meglio su terreno argilloso e argilloso, mentre i sensori attivi funzionano meglio su terreno sabbioso e argilloso.

• Copertura del suolo: i terreni agricoli (grano, mais, soia, ecc.) costituiscono lo scenario principale della ricerca. La densità della vegetazione influenza la penetrazione dei segnali a microonde, influenzando così la precisione, ma la differenza nella precisione del monitoraggio tra le diverse stagioni non è significativa, riflettendo la stabilità della tecnologia a microonde.

4. Sistemi applicativi e risorse di dati per il monitoraggio dell'umidità del suolo

(1) Internet delle cose (IoT) e sistemi di gestione dei dati

Il sistema ZENTRA proposto nella Letteratura 1 è una tipica soluzione IoT per il monitoraggio dell'umidità del suolo. Integra sensori, registratori di dati e piattaforme cloud (ZENTRA Cloud) per realizzare installazione semplificata, download remoto dei dati, allarme tempestivo di guasti in tempo reale e fusione di dati multi-sito. Può ridurre significativamente il carico di lavoro dei ricercatori e migliorare l’efficienza della gestione dei dati.

(2) Reti di monitoraggio globali e regionali

• Rete COSMOS: una rete globale di osservazione dell'umidità del suolo basata sulla tecnologia CRNP. Attualmente ci sono circa 194 stazioni permanenti in tutto il mondo, che coprono regioni come Stati Uniti, Germania, Australia e Regno Unito. Può colmare il divario su scala spaziale tra la misurazione puntuale a terra e il telerilevamento satellitare.

• Rete internazionale sull'umidità del suolo (ISMN): integra i dati sull'umidità del suolo in situ provenienti da più stazioni in tutto il mondo, coprendo una varietà di tecnologie di misurazione e costituisce un'importante risorsa di dati di base per la convalida dei dati di telerilevamento.

• Rete TERENO: la rete tedesca di osservatori ambientali terrestri, che comprende 20 stazioni CRNP per il monitoraggio dinamico dell'umidità del suolo su scala spartiacque.

(3) Prodotti dati e piattaforme di condivisione

• Dati SMOS: disponibili sul sito web ufficiale dell'ESA e sulla piattaforma CATDS, tra cui umidità superficiale del suolo, VOD, umidità del suolo nella zona radicale e altri prodotti.

• Dati SMAP: rilasciati dal National Snow and Ice Data Center (NSIDC) degli Stati Uniti, inclusi i prodotti relativi all'umidità del suolo della superficie e della zona radicale con la massima precisione.

• Dati ESA CCI: fornisce dati globali sull'umidità del suolo a lungo termine (tre tipi di prodotti: attivo, passivo e fuso) dal 1978, che possono essere ottenuti dal sito ufficiale ESA Soil Moisture CCI.

5. Conclusioni della ricerca e direzioni future

Le tre letterature indicano costantemente che le tecnologie di monitoraggio dell’umidità del suolo hanno formato un sistema su vasta scala, dalla misurazione puntuale a terra al telerilevamento globale. Tra questi, il telerilevamento a microonde è la tecnologia principale per il monitoraggio su larga scala e i modelli di apprendimento automatico hanno migliorato significativamente la precisione dell’inversione. Le sfide principali delle attuali tecnologie includono: ottimizzazione della precisione della fusione di sensori a microonde attivi e passivi, verifica dei metodi di monitoraggio dell’umidità del suolo profondo e miglioramento della precisione del monitoraggio nella vegetazione complessa e nelle regioni umide. La ricerca futura dovrebbe concentrarsi su queste direzioni, migliorando ulteriormente i metodi di assimilazione dei dati, rafforzando la combinazione di dati di telerilevamento e osservazioni del terreno e promuovendo l’applicazione approfondita dei dati sull’umidità del suolo in campi come la gestione dell’irrigazione agricola, l’allerta precoce di siccità e inondazioni e la ricerca sui cambiamenti climatici.