Топырақ ылғалдылығын бақылау бойынша әдебиеттерге шолу

1. Топырақ ылғалдылығын бақылау технологияларының классификациясы

Топырақ ылғалдылығын бақылау технологияларын бақылау масштабы мен принципі бойынша үш санатқа бөлуге болады: жердегі нүктелерді өлшеу технологиясы, проксимальды зондтау технологиясы және қашықтықтан зондтау бақылау технологиясы. Үш технологияның әрқайсысының жергілікті нүктені өлшеуден бастап жаһандық масштабтағы мониторингке дейінгі қолданбалы қажеттіліктердің толық спектрін қамтитын өзіндік фокусы бар.

(1) Жерге негізделген нүктелерді өлшеу технологиясы

Жер бетіндегі нүктелерді өлшеу технологиясы топырақтың ылғалдылығын үздіксіз немесе тұрақты нүктеде жинауды жүзеге асыра алатын және топырақ ылғалдылығын бақылаудың негізгі құралы болып табылатын тікелей жанасудағы топырақ сенсорын өлшеуге негізделген. Ол негізінен қарсылық зондтарын, уақыт доменінің рефлектометриясын (TDR), сыйымдылық сенсорларын, нейтронды зондтарды және басқа түрлерін қамтиды. Әртүрлі сенсорлар дәлдікте, бағада және қолданылатын сценарийлерде айтарлықтай ерекшеленеді.

(2) Проксимальды сезу технологиясы

Проксимальды зондтау технологиясы негізінен егістік немесе су алабы масштабында қолданылады. Ол жер бетіндегі нүктелік өлшеудің жергілікті шектеуін құрайтын инвазивті емес құралдар арқылы топырақ ылғалдылығының кеңістікте таралу сипаттамаларын алады. Жалпы технологияларға электромагниттік индукция (EMI), жерге енетін радар (GPR), ғарыштық сәулелік нейтронды зонд (CRNP) және т.б. жатады. Олардың ішінде CRNP технологиясы үлкен аумақта аймақтық орташа топырақ ылғалдылығын инвазивті емес өлшеуді жүзеге асыра алады және жердегі нүктелерді өлшеу мен жерсеріктік қашықтықтан зондтауды байланыстыратын негізгі көпір болды.

(3) Қашықтан зондтау бақылау технологиясы

Қашықтықтан зондтау технологиясы спутниктер мен ұшақтар сияқты платформалар арқылы ауқымды (аймақтық және жаһандық) топырақ ылғалдылығын динамикалық бақылауды жүзеге асырады. Қашықтан зондтау жолақтары бойынша оны оптикалық қашықтықтан зондтау, термиялық инфрақызыл қашықтықтан зондтау және микротолқынды қашықтықтан зондтау деп бөлуге болады. Олардың ішінде микротолқынды қашықтықтан зондтау ауа-райының жағдайларына төмен сезімталдығы мен өсімдіктер мен жер үсті топырақтарына ену қабілетіне байланысты топырақтың ылғалдылығын ауқымды бақылаудың негізгі технологиясына айналды. Оны одан әрі белсенді микротолқынды қашықтықтан зондтау (мысалы, синтетикалық диафрагмалық радар, SAR) және пассивті микротолқынды қашықтықтан зондтау (радиометр сияқты) деп бөлуге болады.

2. Мониторингтің негізгі технологияларының тиімділігін салыстыру принциптері

(1) Жерге негізделген нүктелік өлшеу сенсорларының өнімділігін салыстыру

Сенсор түрі	Артықшылықтары	Кемшіліктері	Қолданылатын сценарийлер	Дәлдік индексі
Қарсылық зонд	1. Үздіксіз өлшеу үшін деректерді тіркеуіштермен біріктіруге болады; 2. Ең төменгі баға; 3. Төмен қуат тұтыну	1. Нашар дәлдік, калибрлеу мәні топырақ түріне және тұздың құрамына байланысты өзгереді; 2. Сенсорлар қартаюға бейім	Ылғалдылықтағы өзгерістерді бағалауды қажет ететін және дәлдікке төмен талаптары бар сценарийлер	Төмен дәлдік
TDR зонд	1. Үздіксіз өлшеуді орындай алады; 2. Топыраққа тән калибрлеуден кейін жоғары дәлдік (2-3%); 3. Тұздылыққа сезімтал емес (сигнал жоғалғанша); 4. Жоғары академиялық тану	1. Сыйымдылық датчиктеріне қарағанда жоғары жұмыс күрделілігі; 2. Орнату траншеяны қажет етеді, бұл көп уақытты қажет етеді; 3. Тұздылығы жоғары орталарда жарамсыз; 4. Қуатты жоғары тұтыну (үлкен қайта зарядталатын батареяларды қажет етеді)	Жоғары дәлдікті өлшеуді қажет ететін тиісті жүйелермен жабдықталған зертханалар	Жоғары дәлдік (2-3%)
Сыйымдылық сенсоры	1. Үздіксіз өлшеуді орындай алады; 2. Кейбір түрлер үшін оңай орнату; 3. Калибрлеуден кейінгі жоғары дәлдік (2-3%); 4. Аз қуат тұтыну (шағын батареялар жеткілікті); 5. Көп нүктелі өлшеуге мүмкіндік беретін төмен баға	1. Тұздылығы жоғары орталарда дәлдік төмендейді (қаныққан сығындының электр өткізгіштігі > 8 дС/м); 2. Сапасы төмен брендтердің нашар өнімділігі	Көп нүктелі өлшеуді, қарапайым жүйені орналастыруды және техникалық қызмет көрсетуді және төмен қуат тұтынуды қажет ететін сценарийлер	Жоғары дәлдік (2-3%)
Нейтронды зонд	1. Үлкен өлшем көлемі; 2. Тұздылыққа сезімтал емес; 3. Жоғары академиялық тану (жетілген технология); 4. Топырақ сенсорының байланыс мәселелеріне әсер етпейді	1. Қымбат; 2. Пайдалану радиациялық сертификаттауды талап етеді; 3. Өте көп уақытты қажет ететін; 4. Үздіксіз өлшеуді орындау мүмкін емес	Жоғары тұзды немесе кеңейетін сазды топырақтарды өлшеуді талап ететін қолданыстағы жабдықпен және сертификаттаумен сценарийлер	Төмен дәлдік (өрісті калибрлеуден кейін жақсартылған)
CRNP (ғарыштық сәулелі нейтронды зонд)	1. Өте үлкен өлшеу диапазоны (диаметрі 800м әсер ету көлемі); 2. Автоматты өлшеу; 3. Жерсеріктік мәліметтерді жердегі валидациялау үшін қолайлы (үлкен масштабты өзгермелілікті тегістеу); 4. Топырақ сенсорының байланыс мәселелеріне әсер етпейді	1. Ең жоғары баға; 2. Топырақ ылғалдылығына қарай өзгеретін өлшем көлемінің анық еместігі; 3. Өсімдіктер сияқты шатастыратын факторлармен шектелген дәлдік	Үлкен ауқымды орташа ылғалдылық мәндерін және спутниктік деректердің жердегі валидациясын талап ететін сценарийлер	RMSE ≈ 0,032 см³/см³ (калибрлеуден кейін)

Сенсор түрі	Артықшылықтары	Кемшіліктері	Қолданылатын сценарийлер	Дәлдік индексі
Қарсылық зонд	1. Үздіксіз өлшеу үшін деректерді тіркеуіштермен біріктіруге болады; 2. Ең төменгі баға; 3. Төмен қуат тұтыну	1. Нашар дәлдік, калибрлеу мәні топырақ түріне және тұздың құрамына байланысты өзгереді; 2. Сенсорлар қартаюға бейім	Ылғалдылықтағы өзгерістерді бағалауды қажет ететін және дәлдікке төмен талаптары бар сценарийлер	Төмен дәлдік
TDR зонд	1. Үздіксіз өлшеуді орындай алады; 2. Топыраққа тән калибрлеуден кейін жоғары дәлдік (2-3%); 3. Тұздылыққа сезімтал емес (сигнал жоғалғанша); 4. Жоғары академиялық тану	1. Сыйымдылық датчиктеріне қарағанда жоғары жұмыс күрделілігі; 2. Орнату траншеяны қажет етеді, бұл көп уақытты қажет етеді; 3. Тұздылығы жоғары орталарда жарамсыз; 4. Қуатты жоғары тұтыну (үлкен қайта зарядталатын батареяларды қажет етеді)	Жоғары дәлдікті өлшеуді қажет ететін тиісті жүйелермен жабдықталған зертханалар	Жоғары дәлдік (2-3%)
Сыйымдылық сенсоры	1. Үздіксіз өлшеуді орындай алады; 2. Кейбір түрлер үшін оңай орнату; 3. Калибрлеуден кейінгі жоғары дәлдік (2-3%); 4. Аз қуат тұтыну (шағын батареялар жеткілікті); 5. Көп нүктелі өлшеуге мүмкіндік беретін төмен баға	1. Тұздылығы жоғары орталарда дәлдік төмендейді (қаныққан сығындының электр өткізгіштігі > 8 дС/м); 2. Сапасы төмен брендтердің нашар өнімділігі	Көп нүктелі өлшеуді, қарапайым жүйені орналастыруды және техникалық қызмет көрсетуді және төмен қуат тұтынуды қажет ететін сценарийлер	Жоғары дәлдік (2-3%)
Нейтронды зонд	1. Үлкен өлшем көлемі; 2. Тұздылыққа сезімтал емес; 3. Жоғары академиялық тану (жетілген технология); 4. Топырақ сенсорының байланыс мәселелеріне әсер етпейді	1. Қымбат; 2. Пайдалану радиациялық сертификаттауды талап етеді; 3. Өте көп уақытты қажет ететін; 4. Үздіксіз өлшеуді орындау мүмкін емес	Жоғары тұзды немесе кеңейетін сазды топырақтарды өлшеуді талап ететін қолданыстағы жабдықпен және сертификаттаумен сценарийлер	Төмен дәлдік (өрісті калибрлеуден кейін жақсартылған)
CRNP (ғарыштық сәулелі нейтронды зонд)	1. Өте үлкен өлшеу диапазоны (диаметрі 800м әсер ету көлемі); 2. Автоматты өлшеу; 3. Жерсеріктік деректердің жердегі валидациясы үшін қолайлы (үлкен масштабты өзгермелілікті тегістеу); 4. Топырақ сенсорының байланыс мәселелеріне әсер етпейді	1. Ең жоғары баға; 2. Топырақ ылғалдылығына қарай өзгеретін өлшем көлемінің анық еместігі; 3. Өсімдіктер сияқты шатастыратын факторлармен шектелген дәлдік	Үлкен ауқымды орташа ылғалдылық мәндерін және спутниктік деректердің жердегі валидациясын талап ететін сценарийлер	RMSE ≈ 0,032 см³/см³ (калибрлеуден кейін)

(2) Қашықтан зондтау мониторингі технологияларының негізгі принциптері мен өнімділігі

Қашықтықтан зондтау бақылау технологиясы топырақтың әртүрлі жолақтардағы электромагниттік сәулеленуге шағылысу, сәуле шығару немесе шашырау сипаттамаларын анықтау арқылы топырақ ылғалдылығын алады. Өлшеу тереңдігі, кеңістіктік ажыратымдылық және әртүрлі жолақтардағы технологиялардың қолданылатын сценарийлері айтарлықтай өзгереді:

• Оптикалық және термиялық инфрақызыл қашықтан зондтау: Оптикалық қашықтықтан зондтау (көрінетін жарық, жақын инфрақызыл, қысқа толқынды инфрақызыл) топырақ түсінің өзгеруі (ылғалды топырақ күңгірт) арқылы өте жұқа беттік қабаттағы (≤1мм) топырақ ылғалдылығын алады; термиялық инфрақызыл қашықтықтан зондтау топырақ бетіндегі температураның өзгеруін бақылау арқылы ылғал жағдайларын жанама түрде көрсетеді. Екеуі де ауа райы мен өсімдік жамылғысына сезімтал және өлшеу тереңдігі аз.

• Микротолқынды қашықтан зондтау: белсенді (радар жаңғырықты өлшеу үшін сигналдарды жібереді) және пассивті (табиғи микротолқынды сәулеленуді өлшейді) түрлерге бөлінетін топырақтың көлемдік диэлектрлік өтімділігін (судың диэлектрлік өткізгіштігі шамамен 80, топырақтың қатты заттары мен ауаға қарағанда әлдеқайда жоғары) өлшеу арқылы ылғалды алады. Микротолқынды жолақтардың ішінде L-жолағы және P-диапазоны өсімдіктерге күшті ену қабілетіне ие және жер бетіне жақын және тамыр аймағының топырақ ылғалдылығын бақылау үшін жарамды; C-жолағы жалаңаш топырақ немесе сирек өсімдіктері бар жерлерге жарамды.

Негізгі микротолқынды қашықтықтан зондтау спутниктік миссияларының өнімділігін салыстыру

Спутниктік миссия	Сенсор түрі	Топ	Кеңістіктік ажыратымдылық	Қайта қарау кезеңі	Негізгі артықшылықтар	Дәлдік индексі
SMOS (топырақ ылғалдылығы мен мұхит тұздылығының спутнигі)	Пассивті микротолқынды радиометр	L-жолағы	25 км (EASE-2 торы)	3 күн	Топырақ ылғалдылығын бақылауға арналған, өсімдіктердің оптикалық тереңдігін (VOD) алуға қабілетті бірінші спутниктік миссия	Медиана R²=0,75, RMSE=0,023 м³/м³
SMAP (Топырақ ылғалдылығының белсенді пассивті спутнигі)	Белсенді радар + пассивті радиометр (радар сәтсіз аяқталды)	L-жолағы	36 км (стандартты), 9 км (жақсартылған)	2-3 күн	Қазіргі уақытта тамыр аймағы (0-100см) ылғалдылық деректерін қамтамасыз ете алатын ең дәл жаһандық топырақ ылғалдылығы өнімі	ubRMSE=0,035-0,038 см³/см³ (беттік қабат); 0,026-0,03 см³/см³ (тамыр аймағы)
Сентинель-1	Белсенді синтетикалық апертуралы радар (SAR)	C диапазоны	10-20 м	6 күн	Жоғары кеңістіктік ажыратымдылық, 3 км ажыратымдылық өнімдерін жасау үшін SMAP деректерімен біріктірілуі мүмкін	RMSE<0,046 см³/см³
ESA CCI (Климаттың өзгеруі бастамасы)	Белсенді + Пассивті микротолқынды біріктіру	Көп жолақты	Бірнеше ажыратымдылық	Деректер көзіне байланысты	1978 жылдан бері ұзақ мерзімді үздіксіз жаһандық топырақ ылғалдылығы деректерін қамтамасыз етеді	Орташа толық дәлдік, климаттың өзгеруін ұзақ мерзімді зерттеуге жарамды

3. Топырақ ылғалдылығын бақылаудың дәлдігіне әсер ететін негізгі факторлар

3-әдебиеттің мета-талдау нәтижелеріне сүйене отырып, топырақ ылғалдылығын бақылаудың дәлдігіне сенсор түрі, модельдеу әдісі және қоршаған орта жағдайлары сияқты әртүрлі факторлар әсер етеді. Негізгі әсер ететін факторлар мыналар:

(1) Сенсор және техникалық конфигурация

• Сенсор түрі: Белсенді және пассивті микротолқынды датчиктердің дәлдігі жалғыз пайдаланылғанда салыстырмалы (орташа R²=0,7 екеуі үшін), бірақ олардың аралас қолданылуына қатысты зерттеулер аз. Ағымдағы дәлелдер біріктіру дәлдігі айтарлықтай жақсармағанын көрсетеді (орташа R² = 0,59), бұл қосымша зерттеулер мен оңтайландыруды қажет етеді.

• Поляризация режимі: Белсенді микротолқынды сенсорлардың ішінде VV+VH қос поляризация комбинациясы ең жоғары дәлдікке ие (орташа R²=0,76, RMSE=0,035 м³/м³), одан кейін HH поляризациясы және VH поляризациясы ең төмен дәлдікке ие.

• Өлшеу тереңдігі: Микротолқынды қашықтықтан зондтау негізінен топырақтың беткі қабатының (0-5см) ылғалдылығын бақылау үшін қолайлы. Терең қабаттағы (>20 см) ылғалдылықты машиналық оқыту үлгілері арқылы жанама түрде алу қажет. Қазіргі уақытта терең қабаттың мониторингінің дәлдігіне арналған деректер үлгілерінің саны аз, ал қорытынды әлі анық емес.

(2) Модельдеу және деректерді өңдеу әдістері

Бақылау деректерін инверсиялық модельдеу әдісі дәлдікке айтарлықтай әсер етеді:

• Machine Learning модельдері (әсіресе нейрондық желілер) ең жоғары дәлдікке ие, медианасы R²=0,73 және RMSE=0,035 м³/м³; олардың арасында LSTM желілері ең жоғары дәлдікке ие (орташа R²=0,86), өйткені олар уақытша тәуелділікті ұстай алады.

• Жартылай эмпирикалық үлгілер (мысалы, су бұлты үлгісі (WCM), τ-ω үлгісі) кеңінен қолданылады және олардың дәлдігі машиналық оқытудан сәл төмен (орташа R²=0,71, RMSE=0,042 м³/м³).

• Машиналық оқыту мен жартылай эмпирикалық үлгілердің үйлесімі дәлдікті одан әрі жақсарта алады (орташа R²=0,79, RMSE=0,030 м³/м³).

(3) Қоршаған орта және жер үсті жағдайлары

• Климат түрі: құрғақ және жартылай құрғақ аймақтардағы (орташа R² жоғары) бақылау дәлдігі ылғалды және жартылай ылғалды аймақтарға қарағанда жақсырақ. Ылғалды аймақтарда тығыз өсімдіктер мен ылғалдың үлкен ауытқулары бар, бұл сигналдарға кедергі келтіруі мүмкін.

• Топырақ құрылымы: құмды саздаудың ең жоғары бақылау дәлдігі бар (орташа R²=0,75); пассивті сенсорлар саздақ пен сазда жақсырақ жұмыс істейді, ал белсенді датчиктер құмды саздақ пен сазда жақсырақ жұмыс істейді.

• Жер жамылғысы: Ауыл шаруашылығы алқаптары (бидай, жүгері, соя және т.б.) зерттеудің негізгі сценарийі болып табылады. Өсімдік жамылғысының тығыздығы микротолқынды сигналдардың енуіне әсер етеді, осылайша дәлдікке әсер етеді, бірақ әртүрлі маусымдар арасындағы бақылау дәлдігінің айырмашылығы айтарлықтай емес, микротолқынды пеш технологиясының тұрақтылығын көрсетеді.

4. Топырақ ылғалдылығын бақылауға арналған қолданбалы жүйелер мен деректер ресурстары

(1) Интернет заттары (IoT) және деректерді басқару жүйелері

1-әдебиетте ұсынылған ZENTRA жүйесі топырақ ылғалдылығын бақылауға арналған типтік IoT шешімі болып табылады. Ол жеңілдетілген орнатуды, деректерді қашықтан жүктеп алуды, нақты уақыттағы қатені ерте ескертуді және көп сайттағы деректерді біріктіруді жүзеге асыру үшін сенсорларды, деректер тіркеушілерін және бұлттық платформаларды (ZENTRA Cloud) біріктіреді. Ол зерттеушілердің жұмыс жүктемесін айтарлықтай азайтып, деректерді басқару тиімділігін арттырады.

(2) Жаһандық және аймақтық мониторинг желілері

• COSMOS желісі: CRNP технологиясына негізделген топырақ ылғалдылығын бақылаудың жаһандық желісі. Қазіргі уақытта дүние жүзінде АҚШ, Германия, Австралия және Ұлыбритания сияқты аймақтарды қамтитын шамамен 194 тұрақты станция бар. Ол жердегі нүктені өлшеу мен жерсеріктік қашықтықтан зондтау арасындағы кеңістіктік масштабтағы бос орынды толтыра алады.

• Халықаралық топырақ ылғалдылығы желісі (ISMN): әртүрлі өлшеу технологияларын қамтитын дүние жүзіндегі көптеген станциялардан алынған жердегі топырақ ылғалдылығы деректерін біріктіреді және қашықтықтан зондтау деректерін тексеру үшін маңызды негізгі деректер ресурсы болып табылады.

• TERENO желісі: Германияның құрлықтағы экологиялық обсерваториялар желісі, ол су алабы масштабындағы топырақ ылғалдылығын динамикалық бақылауға арналған 20 CRNP станциясын қамтиды.

(3) Деректер өнімдері және ортақ пайдалану платформалары

• SMOS деректері: ESA ресми веб-сайтынан және CATDS платформасынан қол жетімді, соның ішінде жер үсті топырақ ылғалдылығы, VOD, тамыр аймағының топырақ ылғалдылығы және басқа өнімдер.

• SMAP деректері: Америка Құрама Штаттарының Ұлттық қар және мұз деректер орталығы (NSIDC) шығарған, оның ішінде жер үсті және тамыр аймағының топырақ ылғалдылығы жоғары дәлдіктегі өнімдер.

• ESA CCI деректері: ESA Soil Moisture CCI ресми веб-сайтынан алуға болатын 1978 жылдан бері ұзақ мерзімді жаһандық топырақ ылғалдылығы деректерін (өнімнің үш түрі: белсенді, пассивті және балқытылған) қамтамасыз етеді.

5. Зерттеу қорытындылары және болашақ бағыттары

Үш әдебиетте топырақ ылғалдылығын бақылау технологиялары жердегі нүктелерді өлшеуден жаһандық қашықтықтан зондтауға дейінгі толық масштабты жүйені қалыптастырғанын дәйекті түрде көрсетеді. Олардың ішінде микротолқынды қашықтықтан зондтау кең ауқымды бақылаудың негізгі технологиясы болып табылады және машиналық оқыту үлгілері инверсия дәлдігін айтарлықтай жақсартты. Ағымдағы технологиялардың негізгі міндеттеріне мыналар жатады: белсенді және пассивті микротолқынды датчиктерді біріктірудің дәлдігін оңтайландыру, топырақтың терең ылғалдылығын бақылау әдістерін тексеру және күрделі өсімдіктер мен ылғалды аймақтарда бақылау дәлдігін жақсарту. Деректерді ассимиляциялау әдістерін одан әрі жетілдіре отырып, қашықтықтан зондтау деректері мен жердегі бақылауларды біріктіруді күшейту және ауылшаруашылық суаруын басқару, құрғақшылық пен су тасқынын ерте ескерту және климаттың өзгеруін зерттеу сияқты салаларда топырақ ылғалдылығы туралы мәліметтерді тереңдете қолдануды ынталандыру кезінде болашақ зерттеулер осы бағыттарға бағытталуы керек.