Топурактагы нымдуулуктун мониторинги боюнча адабияттар

1. Топурактагы нымдуулуктун мониторингинин технологияларынын классификациясы

Топурактагы нымдуулуктун мониторингинин технологияларын мониторинг масштабы жана принциби боюнча үч категорияга бөлүүгө болот: жерге негизделген чекит өлчөө технологиясы, проксималдык сенсордук технология жана алыстан байкоо технологиясы. Үч технологиянын ар бири жергиликтүү чекиттерди өлчөөдөн баштап глобалдык масштабдагы мониторингге чейинки колдонуу муктаждыктарын толук камтыган өзүнүн фокусуна ээ.

(1) Жерге негизделген чекит өлчөө технологиясы

Жерге негизделген чекит өлчөө технологиясы кыртыштын нымдуулугун үзгүлтүксүз же белгиленген чекитте чогултууну ишке ашыра турган жана кыртыштын нымдуулугуна мониторинг жүргүзүүнүн негизги каражаты болуп саналган түз контакттуу топурактын сенсорун өлчөөгө багытталган. Ал негизинен каршылык зонддорун, Time Domain Reflectometry (TDR), сыйымдуулук сенсорлорун, нейтрондук зонддорду жана башка түрлөрүн камтыйт. Ар кандай сенсорлор тактыгы, баасы жана колдонулуучу сценарийлери боюнча бир топ айырмаланат.

(2) Proximal Sensing Technology

Проксималдык сезүү технологиясы негизинен талаа же суу алкактарынын масштабында колдонулат. Ал жер үстүндөгү чекиттик өлчөөнүн локалдык чектөөсүн толуктап, кыртыштын нымдуулугунун мейкиндик боюнча бөлүштүрүлүшүн инвазивдүү эмес каражаттар аркылуу алат. Common технологиялар кирет Электромагниттик индукция (EMI), Ground-Penetrating Радар (GPR), Космикалык Ray нейтрондук зонд (CRNP), ж.б. Алардын арасында, CRNP технологиясы ири аймакта аймактык орточо топурак нымдуулук эмес invasive өлчөө ишке ашыра алат, жана жерге негизделген чекит өлчөө жана спутник алыстан зонддоо байланыштыруучу негизги көпүрө болуп калды.

(3) Алыстан байкоо жүргүзүү технологиясы

Алыстан зонддоо технологиясы спутниктер жана учактар ​​сыяктуу платформалар аркылуу ири масштабдуу (региондуктан глобалдуу) кыртыштын нымдуулугуна динамикалык мониторингди ишке ашырат. Алыстан зонддоо тилкелери боюнча, ал оптикалык алыстан зонддоо, термикалык инфракызыл алыстан зонддоо жана микротолкундуу алыстан зонддоо болуп бөлүнөт. Алардын ичинен микротолкундар менен алыстан зонддоо аба ырайынын шарттарына аз сезгичтигинен жана өсүмдүктөр менен жер үстүндөгү топуракка өтүү жөндөмдүүлүгүнөн улам кыртыштын нымдуулугуна масштабдуу мониторинг жүргүзүү үчүн негизги технология болуп калды. Аны андан ары активдүү микротолкундуу алыстан зонддоо (мисалы, синтетикалык диафрагма радары, SAR) жана пассивдүү микротолкундуу алыстан зонддоо (радиометр сыяктуу) деп бөлүүгө болот.

2. Мониторингдин негизги технологияларынын принциптери жана натыйжалуулугун салыштыруу

(1) Жерге негизделген чекит өлчөө сенсорлорунун натыйжалуулугун салыштыруу

Сенсор түрү	Артыкчылыктары	Кемчиликтери	Колдонулуучу сценарийлер	Тактык индекси
Resistance Probe	1. Үзгүлтүксүз өлчөө үчүн маалымат журналдары менен айкалыштырылышы мүмкүн; 2. Эң төмөн баа; 3. Аз энергия керектөө	1. Начар тактык, калибрлөө мааниси топурак түрүнө жана туздун курамына жараша өзгөрөт; 2. Сенсорлор картаюуга жакын	Сценарийлер нымдуулуктун өзгөрүшүнө баа берүү үчүн гана талап кылынат жана тактыкка аз талаптар коюлат	Төмөн тактык
TDR Probe	1. Үзгүлтүксүз өлчөө жүргүзө алат; 2. Топурак-спецификалык калибрлөөдөн кийин жогорку тактык (2-3%); 3. туздуулукту сезбейт (сигнал жоголгончо); 4. Жогорку академиялык таануу	1. Capacitance сенсорлоруна караганда жогорку операциялык татаалдыгы; 2. Орнотуу траншеяны талап кылат, бул көп убакытты талап кылат; 3. Туздуулугу жогору чөйрөдө жараксыз; 4. Жогорку энергия керектөө (чоң кайра заряддалуучу батареяларды талап кылат)	Жогорку тактыктагы өлчөөнү талап кылган тиешелүү системалар менен жабдылган лабораториялар	Жогорку тактык (2-3%)
Capacitance Sensor	1. Үзгүлтүксүз өлчөө жүргүзө алат; 2. Кээ бир түрлөрү үчүн жеңил орнотуу; 3. Калибрлөөдөн кийин жогорку тактык (2-3%); 4. Аз энергия керектөө (кичинекей батарейкалар жетиштүү); 5. Төмөн баа, көп чекиттүү өлчөөнү камсыз кылуу	1. Туздуулугу жогору чөйрөдө тактык төмөндөйт (каныккан экстракттын электр өткөрүмдүүлүгү > 8 дС/м); 2. Сапатсыз бренддердин начар иштеши	Көп чекиттүү өлчөөнү, жөнөкөй системаны жайгаштырууну жана тейлөөнү жана аз энергия керектөөнү талап кылган сценарийлер	Жогорку тактык (2-3%)
Нейтрондук зонд	1. Өлчөөнүн чоң көлөмү; 2. туздуулукту сезбеген; 3. Жогорку академиялык таануу (жетилген технология); 4. Топурак-сенсор байланыш маселелери таасир этпейт	1. кымбат; 2. Иштөө радиациялык сертификатты талап кылат; 3. Өтө көп убакытты талап кылуу; 4. Үзгүлтүксүз өлчөө жүргүзө албайт	Жогорку туздуу же кеңейип бараткан чопо топурактарды өлчөөнү талап кылган учурдагы жабдуулар жана сертификаттар менен сценарийлер	Төмөн тактык (талаа калибрлөөдөн кийин жакшыртылды)
CRNP (Космостук нурлар нейтрондук зонд)	1. Өтө чоң өлчөө диапазону (800м диаметри менен таасир көлөмү); 2. Автоматтык өлчөө; 3. Спутниктик маалыматтардын жер үстүндөгү валидациясы үчүн ылайыктуу (чоң масштабдагы өзгөрмөлүүлүгүн тегиздөө); 4. Топурак-сенсор байланыш маселелери таасир этпейт	1. Эң жогорку баа; 2. Топурак нымдуулугуна жараша өзгөрүп турган өлчөө көлөмүнүн аныктамасы так эмес; 3. Өсүмдүктөр сыяктуу чаташтыруучу факторлор менен чектелген тактык	Чоң масштабдагы орточо нымдуулукту жана спутниктик маалыматтардын жер үстүндөгү валидациясын талап кылган сценарийлер	RMSE ≈ 0,032 см³/см³ (калибрлөөдөн кийин)

Сенсор түрү	Артыкчылыктары	Кемчиликтери	Колдонулуучу сценарийлер	Тактык индекси
Resistance Probe	1. Үзгүлтүксүз өлчөө үчүн маалымат журналдары менен айкалыштырылышы мүмкүн; 2. Эң төмөн баа; 3. Аз энергия керектөө	1. Начар тактык, калибрлөө мааниси топурак түрүнө жана туздун курамына жараша өзгөрөт; 2. Сенсорлор картаюуга жакын	Сценарийлер нымдуулуктун өзгөрүшүнө баа берүү үчүн гана талап кылынат жана тактыкка аз талаптар коюлат	Төмөн тактык
TDR Probe	1. Үзгүлтүксүз өлчөө жүргүзө алат; 2. Топурак-спецификалык калибрлөөдөн кийин жогорку тактык (2-3%); 3. туздуулукту сезбейт (сигнал жоголгончо); 4. Жогорку академиялык таануу	1. Capacitance сенсорлоруна караганда жогорку операциялык татаалдыгы; 2. Орнотуу траншеяны талап кылат, бул көп убакытты талап кылат; 3. Туздуулугу жогору чөйрөдө жараксыз; 4. Жогорку энергия керектөө (чоң кайра заряддалуучу батареяларды талап кылат)	Жогорку тактыктагы өлчөөнү талап кылган тиешелүү системалар менен жабдылган лабораториялар	Жогорку тактык (2-3%)
Capacitance Sensor	1. Үзгүлтүксүз өлчөө жүргүзө алат; 2. Кээ бир түрлөрү үчүн жеңил орнотуу; 3. Калибрлөөдөн кийин жогорку тактык (2-3%); 4. Аз энергия керектөө (кичинекей батарейкалар жетиштүү); 5. Төмөн баа, көп чекиттүү өлчөө мүмкүнчүлүгүн берет	1. Туздуулугу жогору чөйрөдө тактык төмөндөйт (каныккан экстракттын электр өткөрүмдүүлүгү > 8 дС/м); 2. Сапатсыз бренддердин начар иштеши	Көп чекиттүү өлчөөнү, жөнөкөй системаны жайгаштырууну жана тейлөөнү жана аз энергия керектөөнү талап кылган сценарийлер	Жогорку тактык (2-3%)
Нейтрондук зонд	1. Өлчөөнүн чоң көлөмү; 2. туздуулукту сезбеген; 3. Жогорку академиялык таануу (жетилген технология); 4. Топурак-сенсор байланыш маселелери таасир этпейт	1. кымбат; 2. Иштөө радиациялык сертификатты талап кылат; 3. Өтө көп убакытты талап кылуу; 4. Үзгүлтүксүз өлчөө жүргүзө албайт	Жогорку туздуу же кеңейип бараткан чопо топурактарды өлчөөнү талап кылган учурдагы жабдуулар жана сертификаттар менен сценарийлер	Төмөн тактык (талаа калибрлөөдөн кийин жакшыртылды)
CRNP (Космостук нурлар нейтрондук зонд)	1. Өтө чоң өлчөө диапазону (800м диаметри менен таасир көлөмү); 2. Автоматтык өлчөө; 3. Спутниктик маалыматтардын жер үстүндөгү валидациясы үчүн ылайыктуу (чоң масштабдагы өзгөрмөлүүлүгүн тегиздөө); 4. Топурак-сенсор байланыш маселелери таасир этпейт	1. Эң жогорку баа; 2. Топурак нымдуулугуна жараша өзгөрүп турган өлчөө көлөмүнүн аныктамасы так эмес; 3. Өсүмдүктөр сыяктуу чаташтыруучу факторлор менен чектелген тактык	Чоң масштабдагы орточо нымдуулукту жана спутниктик маалыматтардын жер үстүндөгү валидациясын талап кылган сценарийлер	RMSE ≈ 0,032 см³/см³ (калибрлөөдөн кийин)

(2) Негизги принциптери жана алыстан байкоо мониторинг технологияларын аткаруу

Ар кандай тилкелерде кыртыштын электромагниттик нурланууга чагылышын, эмиссиясын же чачырандылык мүнөздөмөлөрүн аныктоо аркылуу кыртыштын нымдуулугун алыстан зондоочу мониторинг жүргүзүү технологиясы менен алат. Өлчөөнүн тереңдиги, мейкиндиктин чечилиши жана ар кандай тилкелердеги технологиялардын колдонулуучу сценарийлери олуттуу түрдө айырмаланат:

• Оптикалык жана термикалык инфракызыл алыстан зонддоо: Оптикалык алыстан зонддоо (көрүнүүчү жарык, жакын инфракызыл, кыска толкун инфракызыл) кыртыштын түсүнүн өзгөрүшү (нымдуу топурак караңгыраак) аркылуу өтө жука беттик катмардагы (≤1мм) кыртыштын нымын алат; термикалык инфракызыл алыстан зонддоо кыртыштын үстүнкү температурасынын өзгөрүшүнө мониторинг жүргүзүү аркылуу нымдуулук шарттарын кыйыр түрдө чагылдырат. Экөө тең аба ырайына жана өсүмдүктөргө кабылышат жана тайыз өлчөө тереңдигине ээ.

• Микротолкундарды алыстан зондтоо: топурактын көлөмдүк диэлектрик өтүмдүүлүгүн өлчөө аркылуу нымдуулукту алат (суунун диэлектрдик өтүмдүүлүгү топурактын катуу заттарына жана абага караганда 80ге жакын), ал активдүү (радар жаңырыктарды өлчөө үчүн сигналдарды өткөрөт) жана пассивдүү (табигый микротолкундуу нурланууну өлчөйт) түрлөргө бөлүнөт. Микротолкундуу тилкелердин арасында L-тилкеси жана P-тилкеси өсүмдүктөрдү кирүү жөндөмдүүлүгүнө ээ жана жер үстүндөгү жана тамыр зонасында топурактын нымдуулугун көзөмөлдөө үчүн ылайыктуу; C-тобу жылаңач топурак же сейрек өсүмдүктүү аймактарга ылайыктуу.

Негизги микротолкундарды алыстан зонддоо спутниктик миссияларынын натыйжалуулугун салыштыруу

Спутниктик миссия	Сенсор түрү	Band	Spatial Resolution	Кайра көрүү мезгили	Негизги артыкчылыктары	Тактык индекси
SMOS (Топурактын нымдуулугу жана океан туздуулугунун спутниги)	Пассивдүү микротолкундуу радиометр	L-топ	25 км (EASE-2 тор)	3 күн	Биринчи спутник миссиясы атайын топурактын нымдуулугуна мониторинг жүргүзүү үчүн, өсүмдүктөрдүн оптикалык тереңдигин (VOD) алууга жөндөмдүү.	Медиана R²=0,75, RMSE=0,023 м³/м³
SMAP (Топурактын нымдуулугунун активдүү пассивдүү спутниги)	Активдүү радар + Пассивдүү радиометр (Радар иштебей калды)	L-топ	36 км (Стандарттык), 9 км (Жакшыртылган)	2-3 күн	Учурда эң так глобалдык топурактын нымдуу продуктусу, тамыр зонасы (0-100см) нымдуулук маалыматтарын берүүгө жөндөмдүү.	ubRMSE=0,035-0,038 см³/см³ (беттик катмар); 0,026-0,03 см³/см³ (тамыр зонасы)
Сентинел-1	Активдүү синтетикалык диафрагма радары (SAR)	C-топ	10-20 м	6 күн	Жогорку мейкиндик токтому, SMAP маалыматтары менен бириктирилип, 3 км резолюциядагы өнүмдөрдү жаратат	RMSE<0,046 см³/см³
ESA CCI (Климаттын өзгөрүшү демилгеси)	Активдүү + Пассивдүү микротолкундуу Fusion	Көп тилкелүү	Бир нече токтомдор	Маалымат булагына көз каранды	1978-жылдан бери узак мөөнөттүү үзгүлтүксүз глобалдык топурак нымдуулугу боюнча маалыматтарды берет	Климаттын өзгөрүшүн узак мөөнөттүү изилдөөгө ылайыктуу орто ар тараптуу тактык

3. Топурактагы нымдуулуктун мониторингинин тактыгына таасир этүүчү негизги факторлор

Адабият 3 мета-анализ жыйынтыктарынын негизинде, топурактын нымдуулугун мониторинг тактыгына сенсор түрү, моделдөө ыкмасы жана айлана-чөйрөнүн шарттары сыяктуу ар кандай факторлор таасир этет. Негизги таасир этүүчү факторлор болуп төмөнкүлөр саналат:

(1) Сенсор жана техникалык конфигурация

• Сенсордун түрү: активдүү жана пассивдүү микротолкундуу сенсорлордун тактыгы жалгыз колдонулганда салыштырууга болот (экөө үчүн тең R²=0,7 медианасы), бирок аларды чогуу колдонуу боюнча изилдөөлөр аз. Учурдагы далилдер синтездин тактыгы олуттуу жакшыртылган эмес экенин көрсөтүп турат (орточо R² = 0,59), бул андан ары изилдөө жана оптималдаштырууну талап кылат.

• Поляризация режими: активдүү микротолкундуу сенсорлордун ичинен VV+VH кош поляризациялуу айкалышы эң жогорку тактыкка ээ (орто R²=0,76, RMSE=0,035 м³/м³), андан кийин HH поляризациясы, ал эми VH поляризациясы эң төмөнкү тактыкка ээ.

• Өлчөө тереңдиги: Микротолкундуу алыстан зонддоо негизинен жер үстүндөгү катмардын (0-5см) топурактын нымдуулугун көзөмөлдөө үчүн ылайыктуу. Терең катмар (>20см) нымдуулукту машина үйрөнүү моделдери аркылуу кыйыр түрдө алуу керек. Учурда терең катмардын мониторингинин тактыгы үчүн маалымат үлгүлөрүнүн саны аз жана корутунду азырынча так эмес.

(2) Моделдөө жана маалыматтарды иштетүү ыкмалары

Мониторинг маалыматтарынын инверсиялык моделдөө ыкмасы тактыгына олуттуу таасир этет:

• Machine Learning моделдери (өзгөчө нейрон тармактары) эң жогорку тактыкка ээ, медианасы R²=0,73 жана RMSE=0,035 м³/м³; алардын арасында LSTM тармактары эң жогорку тактыкка ээ (орто R² = 0,86), анткени алар убактылуу көз карандылыкты кармай алышат.

• Жарым эмпирикалык моделдер (мисалы, суу булутунун модели (WCM), τ-ω модели) кеңири колдонулат жана алардын тактыгы машина үйрөнүүсүнөн бир аз төмөн (орто R²=0,71, RMSE=0,042 м³/м³).

• Машина үйрөнүү жана жарым эмпирикалык моделдердин айкалышы тактыкты андан ары жакшыртат (орточо R²=0,79, RMSE=0,030 м³/м³).

(3) Экологиялык жана жер үстүндөгү шарттар

• Климаттын түрү: Кургак жана жарым кургак аймактардагы мониторингдин тактыгы (орточо R² жогору) нымдуу жана жарым нымдуу аймактарга караганда жакшыраак. Анткени нымдуу аймактарда жыш өсүмдүктөр жана нымдуулуктун чоң өзгөрүүлөрү бар, алар сигналдарга тоскоол болушу мүмкүн.

• Топурак Текстурасы: Кумдуу чопо эң жогорку мониторинг тактыгына ээ (орто R²=0,75); пассивдүү сенсорлор чопо жана чоподо жакшыраак иштешет, ал эми активдүү сенсорлор кумдуу чопо жана чоподо жакшыраак иштешет.

• Жер катмары: Айыл чарба жерлери (буудай, жүгөрү, соя ж.б.) изилдөөнүн негизги сценарийи болуп саналат. Өсүмдүктөрдүн тыгыздыгы микротолкундуу сигналдардын киришине таасирин тийгизет, ошону менен тактыкка таасирин тийгизет, бирок ар кандай мезгилдердин ортосундагы тактыктын мониторингинин айырмасы анча деле чоң эмес, микротолкундуу технологиянын туруктуулугун чагылдырат.

4. Колдонмо системалары жана кыртыштын нымдуулугуна мониторинг жүргүзүү үчүн маалымат ресурстары

(1) нерселердин интернети (IoT) жана маалыматтарды башкаруу системалары

Литература 1де сунушталган ZENTRA системасы топурактын нымдуулугуна мониторинг жүргүзүү үчүн типтүү IoT чечими болуп саналат. Ал жөнөкөйлөштүрүлгөн орнотууну, алыстан маалыматтарды жүктөп алууну, каталарды алдын ала эскертүүнү жана көп сайттагы маалыматтарды бириктирүүнү ишке ашыруу үчүн сенсорлорду, маалымат логгерлерди жана булут платформаларын (ZENTRA Cloud) бириктирет. Бул изилдөөчүлөрдүн иш жүгүн бир кыйла азайтып, маалыматтарды башкаруунун натыйжалуулугун жогорулата алат.

(2) Мониторингдин глобалдык жана аймактык тармактары

• COSMOS тармагы: CRNP технологиясына негизделген кыртыштын нымдуулугуна байкоо жүргүзүүнүн глобалдык тармагы. Учурда дүйнө жүзү боюнча АКШ, Германия, Австралия жана Улуу Британия сыяктуу аймактарды камтыган 194кө жакын туруктуу станциялар бар. Ал жердеги чекит өлчөө жана спутниктик алыстан зонддоо ортосундагы мейкиндик масштабындагы боштукту толтура алат.

• Эл аралык топурак нымдуулугу тармагы (ISMN): дүйнө жүзү боюнча бир нече станциялардан алынган жер кыртышынын нымдуулугу боюнча маалыматтарды интеграциялайт, ар кандай өлчөө технологияларын камтыйт жана алыстан зонддоо маалыматтарын текшерүү үчүн маанилүү негизги маалымат ресурсу болуп саналат.

• TERENO тармагы: Германиянын жер үстүндөгү экологиялык обсерваториялар тармагы, ал суу бассейнинин масштабында кыртыштын нымдуулугуна динамикалык мониторинг жүргүзүү үчүн 20 CRNP станциясын камтыйт.

(3) Маалымат продуктулары жана бөлүшүү платформалары

• SMOS маалыматтары: ESA расмий веб-сайтынан жана CATDS платформасынан, анын ичинде жер үстүндөгү топурактын нымдуулугу, VOD, тамыр зонасынын топурак нымдуулугу жана башка продуктылардан жеткиликтүү.

• SMAP маалыматтары: Америка Кошмо Штаттарынын Улуттук Кар жана Муз Маалымат Борбору (NSIDC) тарабынан чыгарылган, анын ичинде жер үстүндөгү жана тамыр зонасында топурактын нымдуулугунун продуктулары эң жогорку тактык менен.

• ESA CCI маалыматтары: 1978-жылдан бери топурактын нымдуулугу боюнча узак мөөнөттүү глобалдык маалыматтарды (продукциянын үч түрү: активдүү, пассивдүү жана эритилген) камсыз кылат, аны ESA Топурак Нымдуулугу CCI расмий веб-сайтынан алууга болот.

5. Изилдөөнүн корутундулары жана келечектеги багыттары

Үч адабият ырааттуу түрдө кыртыштын нымдуулугуна мониторинг жүргүзүү технологиялары жер үстүндөгү чекиттик өлчөөдөн глобалдык аралыктан зондго чейин толук масштабдуу системаны түзгөнүн көрсөтүп турат. Алардын арасында микротолкундуу алыстан зонддоо масштабдуу мониторингдин негизги технологиясы болуп саналат жана машинаны үйрөнүү моделдери инверсия тактыгын бир топ жакшыртты. Учурдагы технологиялардын негизги көйгөйлөрүнө төмөнкүлөр кирет: активдүү жана пассивдүү микротолкундуу сенсорлордун биригүүсүнүн тактыгын оптималдаштыруу, кыртыштын терең нымдуулугуна мониторинг жүргүзүү ыкмаларын текшерүү жана татаал өсүмдүктөр жана нымдуу аймактарда мониторингдин тактыгын жакшыртуу. Келечектеги изилдөөлөр ушул багыттарга көңүл бурушу керек, ошону менен бирге маалыматтарды ассимиляциялоо ыкмаларын андан ары өркүндөтүү, алыстан байкоо маалыматтары менен жер үстүндөгү байкоолордун айкалышын бекемдөө, ошондой эле айыл чарба сугаттарын башкаруу, кургакчылык жана суу ташкындарын эрте эскертүү, климаттын өзгөрүшүн изилдөө сыяктуу тармактарда кыртыштын нымдуулугу боюнча маалыматтарды терең колдонууга көмөктөшүү.