Literatūros apžvalga apie dirvožemio drėgmės stebėjimą

1. Dirvožemio drėgmės stebėjimo technologijų klasifikacija

Dirvožemio drėgmės stebėjimo technologijas galima suskirstyti į tris kategorijas pagal stebėjimo skalę ir principą: antžeminio taško matavimo technologija, proksimalinio jutimo technologija ir nuotolinio stebėjimo technologija. Kiekviena iš trijų technologijų turi savo tikslą, apimantį visą taikymo poreikių spektrą nuo vietinio taško matavimo iki pasaulinio masto stebėjimo.

(1) Antžeminio taško matavimo technologija

Antžeminio taško matavimo technologija yra sutelkta į tiesioginio kontakto dirvožemio jutiklio matavimą, kuris gali užtikrinti nuolatinį arba fiksuotą dirvožemio drėgmės duomenų rinkimą ir yra pagrindinė dirvožemio drėgmės stebėjimo priemonė. Jį daugiausia sudaro pasipriešinimo zondai, laiko domeno refleksometrija (TDR), talpos jutikliai, neutronų zondai ir kiti tipai. Įvairių jutiklių tikslumas, kaina ir taikomi scenarijai labai skiriasi.

(2) Proksimalinio jutimo technologija

Proksimalinio jutimo technologija daugiausia taikoma lauko ar baseino mastu. Jis nustato dirvožemio drėgmės erdvinio pasiskirstymo charakteristikas neinvazinėmis priemonėmis ir kompensuoja vietinį antžeminio taško matavimo apribojimą. Įprastos technologijos apima elektromagnetinę indukciją (EMI), žemę skverbiantį radarą (GPR), kosminių spindulių neutronų zondą (CRNP) ir kt. Be jų, CRNP technologija gali atlikti neinvazinį regioninės vidutinės dirvožemio drėgmės matavimą dideliame plote ir tapo pagrindiniu tiltu, jungiančiu antžeminius taškų matavimus ir palydovinį nuotolinį stebėjimą.

(3) Nuotolinio stebėjimo stebėjimo technologija

Nuotolinio stebėjimo technologija realizuoja dinamišką didelio masto (regioninio ir pasaulinio) dirvožemio drėgmės stebėjimą naudojant tokias platformas kaip palydovai ir orlaiviai. Pagal nuotolinio stebėjimo juostas jis gali būti suskirstytas į optinį nuotolinį, terminį infraraudonųjų spindulių nuotolinį stebėjimą ir mikrobangų nuotolinį stebėjimą. Tarp jų mikrobangų nuotolinis stebėjimas tapo pagrindine didelio masto dirvožemio drėgmės stebėjimo technologija dėl mažo jautrumo oro sąlygoms ir gebėjimo prasiskverbti į augmeniją ir paviršiaus dirvožemį. Jį dar galima suskirstyti į aktyvųjį mikrobangų nuotolinį aptikimą (pvz., Sintetinį diafragmos radarą, SAR) ir pasyvųjį mikrobangų nuotolinį aptikimą (pvz., radiometrą).

2. Pagrindinių stebėjimo technologijų principai ir efektyvumo palyginimas

(1) Antžeminių taško matavimo jutiklių našumo palyginimas

Jutiklio tipas	Privalumai	Trūkumai	Taikomi scenarijai	Tikslumo indeksas
Atsparumo zondas	1. Galima derinti su duomenų kaupikliais nuolatiniam matavimui; 2. Mažiausia kaina; 3. Mažas energijos suvartojimas	1. Prastas tikslumas, kalibravimo vertė skiriasi priklausomai nuo dirvožemio tipo ir druskos kiekio; 2. Jutikliai yra linkę senti	Scenarijai, kuriuose reikia įvertinti tik drėgmės pokyčius ir kurių tikslumo reikalavimai yra žemi	Žemas tikslumas
TDR zondas	1. Gali atlikti nuolatinį matavimą; 2. Didelis tikslumas (2-3%) po dirvožemio specifinio kalibravimo; 3. Nejautrus druskingumui (kol išnyks signalas); 4. Aukštas akademinis pripažinimas	1. Didesnis veikimo sudėtingumas nei talpos jutikliai; 2. Montuojant reikia kasti tranšėjas, o tai užima daug laiko; 3. Netinkamas didelio druskingumo aplinkoje; 4. Didelis energijos suvartojimas (reikia didelių įkraunamų baterijų)	Laboratorijos, aprūpintos atitinkamomis sistemomis, kurioms reikalingas didelio tikslumo matavimas	Didelis tikslumas (2–3 %)
Talpos jutiklis	1. Gali atlikti nuolatinį matavimą; 2. Lengvas montavimas kai kuriems tipams; 3. Didelis tikslumas (2-3%) po kalibravimo; 4. Mažas energijos suvartojimas (pakanka mažų baterijų); 5. Maža kaina, leidžianti atlikti kelių taškų matavimą	1. Tikslumas mažėja esant dideliam druskingumui (sočiojo ekstrakto elektrinis laidumas > 8 dS/m); 2. Prastas nekokybiškų prekių ženklų veikimas	Scenarijai, kuriems reikalingas kelių taškų matavimas, paprastas sistemos diegimas ir priežiūra bei mažas energijos suvartojimas	Didelis tikslumas (2–3 %)
Neutronų zondas	1. Didelė matavimo apimtis; 2. Nejautrus druskingumui; 3. Aukštas akademinis pripažinimas (brendusios technologijos); 4. Neturi įtakos dirvožemio jutiklio sąlyčio problemoms	1. Brangus; 2. Eksploatacijai reikalingas radiacijos sertifikatas; 3. Itin daug laiko; 4. Neįmanoma atlikti nuolatinio matavimo	Scenarijai su esama įranga ir sertifikavimu, kai reikia išmatuoti didelio druskingumo arba besitraukiančius molio dirvožemius	Mažas tikslumas (patobulintas po lauko kalibravimo)
CRNP (kosminių spindulių neutronų zondas)	1. Itin didelis matavimo diapazonas (įtakos tūris su 800m skersmens); 2. Automatinis matavimas; 3. Tinka palydovinių duomenų antžeminiam patvirtinimui (išlyginti didelio masto kintamumą); 4. Neturi įtakos dirvožemio jutiklio sąlyčio problemoms	1. Aukščiausia kaina; 2. Neaiškus matavimo tūrio apibrėžimas, kintantis priklausomai nuo dirvožemio drėgmės; 3. Tikslumą riboja klaidinantys veiksniai, pvz., augmenija	Scenarijai, kuriems reikia didelio masto vidutinių drėgmės verčių ir palydovinių duomenų patvirtinimo ant žemės	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (po kalibravimo)

Jutiklio tipas	Privalumai	Trūkumai	Taikomi scenarijai	Tikslumo indeksas
Atsparumo zondas	1. Galima derinti su duomenų kaupikliais nuolatiniam matavimui; 2. Mažiausia kaina; 3. Mažas energijos suvartojimas	1. Prastas tikslumas, kalibravimo vertė skiriasi priklausomai nuo dirvožemio tipo ir druskos kiekio; 2. Jutikliai yra linkę senti	Scenarijai, kuriuose reikia įvertinti tik drėgmės pokyčius ir kurių tikslumo reikalavimai yra žemi	Žemas tikslumas
TDR zondas	1. Gali atlikti nuolatinį matavimą; 2. Didelis tikslumas (2-3%) po dirvožemio specifinio kalibravimo; 3. Nejautrus druskingumui (kol išnyks signalas); 4. Aukštas akademinis pripažinimas	1. Didesnis veikimo sudėtingumas nei talpos jutikliai; 2. Montuojant reikia kasti tranšėjas, o tai užima daug laiko; 3. Netinkamas didelio druskingumo aplinkoje; 4. Didelis energijos suvartojimas (reikia didelių įkraunamų baterijų)	Laboratorijos, aprūpintos atitinkamomis sistemomis, kurioms reikalingas didelio tikslumo matavimas	Didelis tikslumas (2–3 %)
Talpos jutiklis	1. Gali atlikti nuolatinį matavimą; 2. Lengvas montavimas kai kuriems tipams; 3. Didelis tikslumas (2-3%) po kalibravimo; 4. Mažas energijos suvartojimas (pakanka mažų baterijų); 5. Maža kaina, leidžianti atlikti kelių taškų matavimą	1. Tikslumas mažėja esant dideliam druskingumui (sočiojo ekstrakto elektrinis laidumas > 8 dS/m); 2. Prastas nekokybiškų prekių ženklų veikimas	Scenarijai, kuriems reikalingas kelių taškų matavimas, paprastas sistemos diegimas ir priežiūra bei mažas energijos suvartojimas	Didelis tikslumas (2–3 %)
Neutronų zondas	1. Didelė matavimo apimtis; 2. Nejautrus druskingumui; 3. Aukštas akademinis pripažinimas (brendusios technologijos); 4. Neturi įtakos dirvožemio jutiklio sąlyčio problemoms	1. Brangus; 2. Eksploatacijai reikalingas radiacijos sertifikatas; 3. Itin daug laiko; 4. Negalima atlikti nuolatinio matavimo	Scenarijai su esama įranga ir sertifikavimu, kai reikia išmatuoti didelio druskingumo arba besitraukiančius molio dirvožemius	Mažas tikslumas (patobulintas po lauko kalibravimo)
CRNP (kosminių spindulių neutronų zondas)	1. Itin didelis matavimo diapazonas (įtakos tūris su 800m skersmens); 2. Automatinis matavimas; 3. Tinka palydovinių duomenų antžeminiam patvirtinimui (išlyginti didelio masto kintamumą); 4. Neturi įtakos dirvožemio jutiklio sąlyčio problemoms	1. Aukščiausia kaina; 2. Neaiškus matavimo tūrio apibrėžimas, kintantis priklausomai nuo dirvožemio drėgmės; 3. Tikslumą riboja klaidinantys veiksniai, pvz., augmenija	Scenarijai, kuriems reikia didelio masto vidutinių drėgmės verčių ir palydovinių duomenų patvirtinimo ant žemės	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (po kalibravimo)

(2) Pagrindiniai nuotolinio stebėjimo stebėjimo technologijų principai ir veikimas

Nuotolinio stebėjimo stebėjimo technologija nustato dirvožemio drėgmę, aptikdama dirvožemio atspindžio, emisijos ar sklaidos charakteristikas elektromagnetinei spinduliuotei įvairiose juostose. Matavimo gylis, erdvinė skiriamoji geba ir taikomi technologijų scenarijai skirtingose ​​juostose labai skiriasi:

• Optinis ir terminis infraraudonųjų spindulių nuotolinis aptikimas: optinis nuotolinis aptikimas (matoma šviesa, artimi infraraudonieji spinduliai, trumpųjų bangų infraraudonieji spinduliai) paima dirvožemio drėgmę itin ploname paviršiaus sluoksnyje (≤1mm), pasikeitus dirvožemio spalvai (drėgna dirva tamsesnė); terminis infraraudonųjų spindulių nuotolinis stebėjimas netiesiogiai atspindi drėgmės sąlygas, stebėdamas paviršiaus dirvožemio temperatūros pokyčius. Abu yra jautrūs oro sąlygoms ir augalinei dangai, o matavimo gylis yra nedidelis.

• Mikrobangų nuotolinis aptikimas: išima drėgmę, matuodamas dirvožemio tūrinę dielektrinę konstantą (vandens dielektrinė konstanta yra apie 80, daug didesnė nei dirvožemio kietųjų dalelių ir oro), kuri skirstoma į aktyvųjį (radaras perduoda signalus aidams matuoti) ir pasyviuosius (matuoja natūralią mikrobangų spinduliuotę). Tarp mikrobangų juostų L-juostos ir P-juostos pasižymi stipriu gebėjimu prasiskverbti į augmeniją ir yra tinkamos stebėti arti paviršiaus ir šaknų zonos dirvožemio drėgmę; C-juostos tinka plikoje dirvoje arba retai apaugusiuose plotuose.

Įprastų mikrobangų nuotolinio stebėjimo palydovų misijų našumo palyginimas

Palydovinė misija	Jutiklio tipas	Grupė	Erdvinė raiška	Peržiūros laikotarpis	Pagrindiniai privalumai	Tikslumo indeksas
SMOS (Dirvožemio drėgmės ir vandenyno druskingumo palydovas)	Pasyvus mikrobangų radiometras	L juosta	25 km (EASE-2 tinklelis)	3 dienos	Pirmoji palydovinė misija specialiai dirvožemio drėgmei stebėti, galinti atkurti augalijos optinį gylį (VOD)	Mediana R²=0,75, RMSE=0,023 m³/m³
SMAP (Dirvožemio drėgmės aktyvus pasyvus palydovas)	Aktyvus radaras + pasyvus radiometras (radaras sugedo)	L juosta	36 km (standartinis), 9 km (patobulintas)	2-3 dienas	Šiuo metu tiksliausias pasaulinis dirvožemio drėgmės produktas, galintis pateikti šaknų zonos (0-100 cm) drėgmės duomenis	ubRMSE=0,035-0,038 cm³/cm³ (paviršinis sluoksnis); 0,026–0,03 cm³/cm³ (šaknies zona)
Sentinel-1	Aktyvios sintetinės apertūros radaras (SAR)	C juosta	10-20 m	6 dienos	Didelė erdvinė skiriamoji geba, gali būti sujungta su SMAP duomenimis, kad būtų sukurti 3 km raiškos produktai	RMSE <0,046 cm³/cm³
ESA CCI (klimato kaitos iniciatyva)	Aktyvus + pasyvus mikrobangų sintezė	Daugiajuostė	Kelios rezoliucijos	Priklauso nuo duomenų šaltinio	Teikia ilgalaikius nuolatinius pasaulinius dirvožemio drėgmės duomenis nuo 1978 m	Vidutinis išsamus tikslumas, tinka ilgalaikiams klimato kaitos tyrimams

3. Pagrindiniai veiksniai, turintys įtakos dirvožemio drėgmės stebėjimo tikslumui

Remiantis 3 literatūros metaanalizės rezultatais, dirvožemio drėgmės stebėjimo tikslumą įtakoja įvairūs veiksniai, tokie kaip jutiklio tipas, modeliavimo metodas ir aplinkos sąlygos. Pagrindiniai įtakos veiksniai yra šie:

(1) Jutiklis ir techninė konfigūracija

• Jutiklio tipas: aktyvių ir pasyvių mikrobangų jutiklių tikslumas yra panašus, kai jie naudojami atskirai (abiejų R² = 0,7), tačiau yra nedaug tyrimų apie jų naudojimą kartu. Dabartiniai įrodymai rodo, kad sintezės tikslumas reikšmingai nepagerėjo (mediana R² = 0,59), todėl reikia atlikti tolesnius tyrimus ir optimizuoti.

• Poliarizacijos režimas: tarp aktyvių mikrobangų jutiklių VV+VH dvigubos poliarizacijos derinys turi didžiausią tikslumą (mediana R²=0,76, RMSE=0,035 m³/m³), po to seka HH poliarizacija, o VH poliarizacija turi mažiausią tikslumą.

• Matavimo gylis: Mikrobangų nuotolinis aptikimas daugiausia tinka paviršinio sluoksnio (0-5cm) dirvožemio drėgmei stebėti. Gilaus sluoksnio (> 20 cm) drėgmė turi būti netiesiogiai išgaunama naudojant mašininio mokymosi modelius. Šiuo metu duomenų mėginių, skirtų giluminio sluoksnio stebėjimo tikslumui, skaičius yra mažas, o išvada dar nėra aiški.

(2) Modeliavimo ir duomenų apdorojimo metodai

Duomenų stebėjimo inversinio modeliavimo metodas labai paveikia tikslumą:

• Mašininio mokymosi modeliai (ypač neuroniniai tinklai) turi didžiausią tikslumą, kurių mediana R²=0,73 ir RMSE=0,035 m³/m³; tarp jų LSTM tinklai turi didžiausią tikslumą (mediana R² = 0,86), nes jie gali užfiksuoti laiko priklausomybę.

• Pusiau empiriniai modeliai (tokie kaip vandens debesies modelis (WCM), τ-ω modelis) yra plačiai naudojami, o jų tikslumas yra šiek tiek mažesnis nei mašininio mokymosi (mediana R²=0,71, RMSE=0,042 m³/m³).

• Mašininio mokymosi ir pusiau empirinių modelių derinys gali dar labiau pagerinti tikslumą (mediana R²=0,79, RMSE=0,030 m³/m³).

(3) Aplinkos ir paviršiaus sąlygos

• Klimato tipas: stebėjimo tikslumas sausringuose ir pusiau sausuose regionuose (su aukštesne R² mediana) yra geresnis nei drėgnuose ir pusiau drėgnuose regionuose. Kadangi drėgnuose regionuose yra tanki augmenija ir dideli drėgmės svyravimai, kurie gali trukdyti signalams.

• Dirvožemio tekstūra: priesmėlis turi didžiausią stebėjimo tikslumą (mediana R²=0,75); pasyvieji jutikliai geriau veikia priemolyje ir priemolyje, o aktyvūs jutikliai geriau veikia priesmėlyje ir priemolyje.

• Žemės danga: Žemės ūkio paskirties žemė (kviečiai, kukurūzai, sojos pupelės ir kt.) yra pagrindinis tyrimo scenarijus. Augalijos tankumas turi įtakos mikrobangų signalų skverbimuisi, todėl turi įtakos tikslumui, tačiau stebėjimo tikslumo skirtumas tarp skirtingų sezonų nėra reikšmingas, atspindintis mikrobangų technologijos stabilumą.

4. Taikymo sistemos ir duomenų ištekliai dirvožemio drėgmės stebėjimui

(1) Daiktų internetas (IoT) ir duomenų valdymo sistemos

1 literatūroje siūloma ZENTRA sistema yra tipiškas daiktų interneto sprendimas dirvožemio drėgmės stebėjimui. Jame integruoti jutikliai, duomenų kaupikliai ir debesų platformos (ZENTRA Cloud), kad būtų galima supaprastinti diegimą, nuotolinį duomenų atsisiuntimą, išankstinį įspėjimą apie gedimus ir kelių svetainių duomenų suliejimą. Tai gali žymiai sumažinti tyrėjų darbo krūvį ir pagerinti duomenų valdymo efektyvumą.

(2) Pasauliniai ir regioniniai stebėjimo tinklai

• COSMOS tinklas: pasaulinis dirvožemio drėgmės stebėjimo tinklas, pagrįstas CRNP technologija. Šiuo metu visame pasaulyje yra apie 194 nuolatinės stotys, apimančios tokius regionus kaip JAV, Vokietija, Australija ir Jungtinė Karalystė. Jis gali užpildyti erdvinio masto spragą tarp antžeminio taško matavimo ir palydovinio nuotolinio stebėjimo.

• Tarptautinis dirvožemio drėgmės tinklas (ISMN): Integruoja in situ dirvožemio drėgmės duomenis iš kelių stočių visame pasaulyje, apima įvairias matavimo technologijas, ir yra svarbus pagrindinis duomenų šaltinis nuotolinio stebėjimo duomenų patvirtinimui.

• TERENO tinklas: Vokietijos sausumos aplinkos observatorijų tinklas, apimantis 20 CRNP stočių, skirtų vandens baseino masto dirvožemio drėgmės dinaminiam stebėjimui.

(3) Duomenų produktai ir bendrinimo platformos

• SMOS duomenys: pasiekiami oficialioje ESA svetainėje ir CATDS platformoje, įskaitant paviršiaus dirvožemio drėgmę, VOD, šaknų zonos dirvožemio drėgmę ir kitus produktus.

• SMAP duomenys: išleido JAV Nacionalinis sniego ir ledo duomenų centras (NSIDC), įskaitant paviršiaus ir šaknų zonos dirvožemio drėgmės produktus su didžiausiu tikslumu.

• ESA CCI duomenys: pateikia ilgalaikius pasaulinius dirvožemio drėgmės duomenis (trijų tipų produktai: aktyvūs, pasyvūs ir sulieti) nuo 1978 m., kuriuos galima gauti iš ESA Soil Moisture CCI oficialios svetainės.

5. Tyrimo išvados ir ateities kryptys

Trys literatūroje nuosekliai nurodoma, kad dirvožemio drėgmės stebėjimo technologijos sudarė visapusišką sistemą nuo antžeminio taško matavimo iki pasaulinio nuotolinio stebėjimo. Tarp jų mikrobangų nuotolinis aptikimas yra pagrindinė didelio masto stebėjimo technologija, o mašininio mokymosi modeliai žymiai pagerino inversijos tikslumą. Pagrindiniai dabartinių technologijų iššūkiai yra šie: aktyvių ir pasyvių mikrobangų jutiklių sintezės tikslumo optimizavimas, giluminio dirvožemio drėgmės stebėjimo metodų patikrinimas ir stebėjimo tikslumo tobulinimas sudėtingose ​​augmenijos ir drėgnose srityse. Būsimi tyrimai turėtų būti sutelkti į šias kryptis, toliau tobulinant duomenų įsisavinimo metodus, stiprinant nuotolinio stebėjimo duomenų ir žemės stebėjimų derinį ir skatinant nuodugnų dirvožemio drėgmės duomenų taikymą tokiose srityse kaip žemės ūkio drėkinimo valdymas, išankstinis įspėjimas apie sausras ir potvynius ir klimato kaitos tyrimai.