Kajian Literatur tentang Pemantauan Kelembapan Tanah

1. Klasifikasi Teknologi Pemantauan Kelembapan Tanah

Teknologi pemantauan kelembapan tanah boleh dibahagikan kepada tiga kategori mengikut skala dan prinsip pemantauan: teknologi pengukuran titik berasaskan tanah, teknologi penderiaan proksimal, dan teknologi pemantauan penderiaan jauh. Setiap satu daripada tiga teknologi mempunyai fokus tersendiri, meliputi rangkaian penuh keperluan aplikasi daripada pengukuran titik tempatan kepada pemantauan skala global.

(1) Teknologi Pengukuran Titik Berasaskan Tanah

Teknologi pengukuran titik berasaskan tanah tertumpu pada pengukuran sensor tanah sentuhan langsung, yang boleh merealisasikan pengumpulan data kelembapan tanah titik tetap atau berterusan dan merupakan cara asas pemantauan kelembapan tanah. Ia terutamanya termasuk probe rintangan, Time Domain Reflectometry (TDR), sensor kapasitans, probe neutron dan jenis lain. Penderia yang berbeza berbeza dengan ketara dalam ketepatan, kos dan senario yang berkenaan.

(2) Teknologi Penderiaan Proksimal

Teknologi penderiaan proksimal digunakan terutamanya di lapangan atau skala tadahan. Ia memperoleh ciri pengedaran spatial lembapan tanah melalui cara bukan invasif, menggantikan had tempatan pengukuran titik berasaskan tanah. Teknologi biasa termasuk Induksi Elektromagnet (EMI), Radar Penembusan Tanah (GPR), Probe Neutron Sinar Kosmik (CRNP), dll. Antaranya, teknologi CRNP boleh merealisasikan pengukuran tidak invasif bagi kelembapan tanah purata serantau di kawasan yang luas, dan telah menjadi jambatan utama yang menghubungkan pengukuran titik berasaskan tanah dan penderiaan jauh satelit.

(3) Teknologi Pemantauan Penderiaan Jauh

Teknologi penderiaan jauh merealisasikan pemantauan dinamik terhadap kelembapan tanah berskala besar (serantau hingga global) melalui platform seperti satelit dan pesawat. Mengikut jalur penderiaan jauh, ia boleh dibahagikan kepada penderiaan jauh optik, penderiaan jauh inframerah terma dan penderiaan jauh gelombang mikro. Antaranya, penderiaan jauh gelombang mikro telah menjadi teknologi arus perdana untuk pemantauan kelembapan tanah berskala besar kerana kepekaannya yang rendah terhadap keadaan cuaca dan keupayaan untuk menembusi tumbuh-tumbuhan dan tanah permukaan. Ia boleh dibahagikan lagi kepada penderiaan jauh gelombang mikro aktif (seperti Radar Apertur Sintetik, SAR) dan penderiaan jauh gelombang mikro pasif (seperti radiometer).

2. Prinsip dan Perbandingan Prestasi Teknologi Pemantauan Utama

(1) Perbandingan Prestasi Penderia Pengukuran Titik Berasaskan Tanah

Jenis Sensor	Kelebihan	Keburukan	Senario Berkenaan	Indeks Ketepatan
Siasatan Rintangan	1. Boleh digabungkan dengan pembalak data untuk pengukuran berterusan; 2. Harga terendah; 3. Penggunaan kuasa yang rendah	1. Ketepatan yang lemah, nilai penentukuran berbeza mengikut jenis tanah dan kandungan garam; 2. Sensor terdedah kepada penuaan	Senario yang hanya perlu menilai perubahan dalam kandungan lembapan dan mempunyai keperluan yang rendah untuk ketepatan	Ketepatan Rendah
Siasatan TDR	1. Boleh melakukan pengukuran berterusan; 2. Ketepatan tinggi (2-3%) selepas penentukuran khusus tanah; 3. Tidak sensitif kepada kemasinan (sehingga isyarat hilang); 4. Pengiktirafan akademik yang tinggi	1. Kerumitan operasi yang lebih tinggi daripada penderia kapasitans; 2. Pemasangan memerlukan parit, yang memakan masa; 3. Tidak sah dalam persekitaran dengan kemasinan tinggi; 4. Penggunaan kuasa tinggi (memerlukan bateri boleh dicas semula yang besar)	Makmal yang dilengkapi dengan sistem berkaitan yang memerlukan pengukuran ketepatan tinggi	Ketepatan Tinggi (2-3%)
Penderia Kapasitan	1. Boleh melakukan pengukuran berterusan; 2. Pemasangan mudah untuk beberapa jenis; 3. Ketepatan tinggi (2-3%) selepas penentukuran; 4. Penggunaan kuasa yang rendah (bateri kecil mencukupi); 5. Harga rendah, membolehkan pengukuran berbilang titik	1. Ketepatan berkurangan dalam persekitaran dengan kemasinan tinggi (ekstrak tepu kekonduksian elektrik > 8 dS/m); 2. Prestasi buruk jenama berkualiti rendah	Senario yang memerlukan pengukuran berbilang titik, penggunaan dan penyelenggaraan sistem yang mudah, dan penggunaan kuasa yang rendah	Ketepatan Tinggi (2-3%)
Probe Neutron	1. Isipadu ukuran besar; 2. Tidak sensitif kepada kemasinan; 3. Pengiktirafan akademik yang tinggi (teknologi matang); 4. Tidak terjejas oleh isu sentuhan sensor tanah	1. Mahal; 2. Operasi memerlukan pensijilan sinaran; 3. Sangat memakan masa; 4. Tidak boleh melakukan pengukuran berterusan	Senario dengan peralatan dan pensijilan sedia ada yang memerlukan pengukuran tanah liat berkemasinan tinggi atau mengecut luas	Ketepatan Rendah (diperbaiki selepas penentukuran medan)
CRNP (Siasatan Neutron Sinar Kosmik)	1. Julat ukuran yang sangat besar (isipadu pengaruh dengan diameter 800m); 2. Pengukuran automatik; 3. Sesuai untuk pengesahan darat data satelit (melicinkan kebolehubahan berskala besar); 4. Tidak terjejas oleh isu sentuhan sensor tanah	1. Harga tertinggi; 2. Takrif isipadu ukuran yang tidak jelas, berbeza dengan kelembapan tanah; 3. Ketepatan dihadkan oleh faktor yang mengelirukan seperti tumbuh-tumbuhan	Senario yang memerlukan nilai lembapan purata berskala besar dan pengesahan tanah bagi data satelit	RMSE ≈ 0.032 cm³/cm³ (selepas penentukuran)

Jenis Sensor	Kelebihan	Keburukan	Senario Berkenaan	Indeks Ketepatan
Siasatan Rintangan	1. Boleh digabungkan dengan pembalak data untuk pengukuran berterusan; 2. Harga terendah; 3. Penggunaan kuasa yang rendah	1. Ketepatan yang lemah, nilai penentukuran berbeza mengikut jenis tanah dan kandungan garam; 2. Sensor terdedah kepada penuaan	Senario yang hanya perlu menilai perubahan dalam kandungan lembapan dan mempunyai keperluan yang rendah untuk ketepatan	Ketepatan Rendah
Siasatan TDR	1. Boleh melakukan pengukuran berterusan; 2. Ketepatan tinggi (2-3%) selepas penentukuran khusus tanah; 3. Tidak sensitif kepada kemasinan (sehingga isyarat hilang); 4. Pengiktirafan akademik yang tinggi	1. Kerumitan operasi yang lebih tinggi daripada penderia kapasitans; 2. Pemasangan memerlukan parit, yang memakan masa; 3. Tidak sah dalam persekitaran dengan kemasinan tinggi; 4. Penggunaan kuasa tinggi (memerlukan bateri boleh dicas semula yang besar)	Makmal yang dilengkapi dengan sistem berkaitan yang memerlukan pengukuran ketepatan tinggi	Ketepatan Tinggi (2-3%)
Penderia Kapasitan	1. Boleh melakukan pengukuran berterusan; 2. Pemasangan mudah untuk beberapa jenis; 3. Ketepatan tinggi (2-3%) selepas penentukuran; 4. Penggunaan kuasa yang rendah (bateri kecil mencukupi); 5. Harga rendah, membolehkan pengukuran berbilang titik	1. Ketepatan berkurangan dalam persekitaran dengan kemasinan tinggi (ekstrak tepu kekonduksian elektrik > 8 dS/m); 2. Prestasi buruk jenama berkualiti rendah	Senario yang memerlukan pengukuran berbilang titik, penggunaan dan penyelenggaraan sistem yang mudah, dan penggunaan kuasa yang rendah	Ketepatan Tinggi (2-3%)
Probe Neutron	1. Isipadu ukuran besar; 2. Tidak sensitif kepada kemasinan; 3. Pengiktirafan akademik yang tinggi (teknologi matang); 4. Tidak terjejas oleh isu sentuhan sensor tanah	1. Mahal; 2. Operasi memerlukan pensijilan sinaran; 3. Sangat memakan masa; 4. Tidak boleh melakukan pengukuran berterusan	Senario dengan peralatan dan pensijilan sedia ada yang memerlukan pengukuran tanah liat berkemasinan tinggi atau mengecut luas	Ketepatan Rendah (diperbaiki selepas penentukuran medan)
CRNP (Siasatan Neutron Sinar Kosmik)	1. Julat ukuran yang sangat besar (isipadu pengaruh dengan diameter 800m); 2. Pengukuran automatik; 3. Sesuai untuk pengesahan darat data satelit (melicinkan kebolehubahan berskala besar); 4. Tidak terjejas oleh isu sentuhan sensor tanah	1. Harga tertinggi; 2. Takrif isipadu ukuran yang tidak jelas, berbeza dengan kelembapan tanah; 3. Ketepatan dihadkan oleh faktor yang mengelirukan seperti tumbuh-tumbuhan	Senario yang memerlukan nilai lembapan purata berskala besar dan pengesahan tanah bagi data satelit	RMSE ≈ 0.032 cm³/cm³ (selepas penentukuran)

(2) Prinsip Teras dan Prestasi Teknologi Pemantauan Penderiaan Jauh

Teknologi pemantauan penderiaan jauh mendapatkan semula kelembapan tanah dengan mengesan pantulan, pancaran atau ciri serakan tanah kepada sinaran elektromagnet dalam jalur yang berbeza. Kedalaman pengukuran, resolusi spatial dan senario teknologi yang berkenaan dalam jalur berbeza berbeza dengan ketara:

• Penderiaan Jauh Inframerah Optik dan Termal: Penderiaan jauh optik (cahaya kelihatan, inframerah dekat, inframerah gelombang pendek) mendapatkan semula kelembapan tanah dalam lapisan permukaan yang sangat nipis (≤1mm) melalui perubahan warna tanah (tanah lembap lebih gelap); penderiaan jauh inframerah terma secara tidak langsung mencerminkan keadaan lembapan dengan memantau perubahan suhu tanah permukaan. Kedua-duanya terdedah kepada cuaca dan litupan tumbuh-tumbuhan serta mempunyai kedalaman ukuran yang cetek.

• Penderiaan Jauh Gelombang Mikro: Mendapatkan semula kelembapan dengan mengukur pemalar dielektrik isipadu tanah (pemalar dielektrik air adalah kira-kira 80, jauh lebih tinggi daripada pepejal tanah dan udara), yang dibahagikan kepada jenis aktif (radar menghantar isyarat untuk mengukur gema) dan pasif (mengukur sinaran gelombang mikro semulajadi). Antara jalur gelombang mikro, jalur-L dan jalur-P mempunyai keupayaan yang kuat untuk menembusi tumbuh-tumbuhan dan sesuai untuk memantau kelembapan tanah berhampiran permukaan dan zon akar; C-band sesuai untuk tanah kosong atau kawasan tumbuhan yang jarang.

Perbandingan Prestasi Misi Satelit Penderiaan Jauh Gelombang Mikro Aliran Perdana

Misi Satelit	Jenis Sensor	Band	Resolusi Spatial	Tempoh Lawatan Semula	Kelebihan Teras	Indeks Ketepatan
SMOS (Kelembapan Tanah dan Saliniti Lautan)	Radiometer Gelombang Mikro Pasif	L-band	25 km (Grid EASE-2)	3 hari	Misi satelit pertama khusus untuk memantau kelembapan tanah, mampu mendapatkan semula Kedalaman Optik Vegetasi (VOD)	Median R²=0.75, RMSE=0.023 m³/m³
SMAP (Satelit Pasif Aktif Kelembapan Tanah)	Radar Aktif + Radiometer Pasif (Radar gagal)	L-band	36 km (Standard), 9 km (Dipertingkat)	2-3 hari	Pada masa ini produk kelembapan tanah global yang paling tepat, mampu menyediakan data kelembapan zon akar (0-100cm)	ubRMSE=0.035-0.038 cm³/cm³ (lapisan permukaan); 0.026-0.03 cm³/cm³ (zon akar)
Sentinel-1	Radar Bukaan Sintetik Aktif (SAR)	C-band	10-20 m	6 hari	Resolusi spatial yang tinggi, boleh digabungkan dengan data SMAP untuk menjana produk resolusi 3km	RMSE<0.046 cm³/cm³
ESA CCI (Inisiatif Perubahan Iklim)	Gabungan Gelombang Mikro Aktif + Pasif	Berbilang jalur	Pelbagai Resolusi	Bergantung pada sumber data	Menyediakan data kelembapan tanah global berterusan jangka panjang sejak 1978	Ketepatan komprehensif sederhana, sesuai untuk penyelidikan perubahan iklim jangka panjang

3. Faktor Utama Mempengaruhi Ketepatan Pemantauan Kelembapan Tanah

Berdasarkan hasil meta-analisis Literatur 3, ketepatan pemantauan kelembapan tanah dipengaruhi oleh pelbagai faktor seperti jenis sensor, kaedah pemodelan dan keadaan persekitaran. Faktor teras yang mempengaruhi adalah seperti berikut:

(1) Penderia dan Konfigurasi Teknikal

• Jenis Penderia: Ketepatan penderia gelombang mikro aktif dan pasif adalah setanding apabila digunakan secara bersendirian (median R²=0.7 untuk kedua-duanya), tetapi terdapat beberapa kajian mengenai penggunaan gabungannya. Bukti semasa menunjukkan bahawa ketepatan gabungan tidak dipertingkatkan dengan ketara (median R²=0.59), yang memerlukan penyelidikan dan pengoptimuman lanjut.

• Mod Polarisasi: Antara penderia gelombang mikro aktif, kombinasi dwi-polarisasi VV+VH mempunyai ketepatan tertinggi (median R²=0.76, RMSE=0.035 m³/m³), diikuti dengan polarisasi HH, dan polarisasi VH mempunyai ketepatan paling rendah.

• Kedalaman Pengukuran: Penderiaan jauh gelombang mikro adalah sesuai terutamanya untuk memantau kelembapan tanah lapisan permukaan (0-5cm). Kelembapan lapisan dalam (>20cm) perlu diambil secara tidak langsung melalui model pembelajaran mesin. Pada masa ini, bilangan sampel data untuk ketepatan pemantauan lapisan dalam adalah kecil, dan kesimpulannya masih belum jelas.

(2) Kaedah Pemodelan dan Pemprosesan Data

Kaedah pemodelan penyongsangan data pemantauan memberi kesan ketara kepada ketepatan:

• Model Pembelajaran Mesin (terutamanya rangkaian saraf) mempunyai ketepatan tertinggi, dengan median R²=0.73 dan RMSE=0.035 m³/m³; antaranya, rangkaian LSTM mempunyai ketepatan tertinggi (median R²=0.86) kerana ia boleh menangkap pergantungan sementara.

• Model Separuh Empirikal (seperti Model Awan Air (WCM), Model τ-ω) digunakan secara meluas, dan ketepatannya lebih rendah sedikit daripada pembelajaran mesin (median R²=0.71, RMSE=0.042 m³/m³).

• Gabungan model pembelajaran mesin dan separa empirikal boleh meningkatkan lagi ketepatan (median R²=0.79, RMSE=0.030 m³/m³).

(3) Keadaan Persekitaran dan Permukaan

• Jenis Iklim: Ketepatan pemantauan di kawasan gersang dan separa gersang (dengan median R² yang lebih tinggi) adalah lebih baik daripada di kawasan lembap dan separa lembap. Kerana kawasan lembap mempunyai tumbuh-tumbuhan yang lebat dan turun naik kelembapan yang besar, yang mungkin mengganggu isyarat.

• Tekstur Tanah: Lempung berpasir mempunyai ketepatan pemantauan tertinggi (median R²=0.75); penderia pasif berprestasi lebih baik dalam tanah liat dan tanah liat, manakala penderia aktif berprestasi lebih baik dalam tanah liat berpasir dan tanah liat.

• Litupan Tanah: Tanah pertanian (gandum, jagung, kacang soya, dll.) ialah senario penyelidikan utama. Ketumpatan tumbuh-tumbuhan menjejaskan penembusan isyarat gelombang mikro, dengan itu menjejaskan ketepatan, tetapi perbezaan dalam ketepatan pemantauan antara musim yang berbeza tidak ketara, mencerminkan kestabilan teknologi gelombang mikro.

4. Sistem Aplikasi dan Sumber Data untuk Pemantauan Kelembapan Tanah

(1) Internet of Things (IoT) dan Sistem Pengurusan Data

Sistem ZENTRA yang dicadangkan dalam Literatur 1 ialah penyelesaian IoT tipikal untuk pemantauan kelembapan tanah. Ia menyepadukan penderia, pembalak data dan platform awan (ZENTRA Cloud) untuk merealisasikan pemasangan yang dipermudahkan, muat turun data jauh, amaran awal kerosakan masa nyata dan gabungan data berbilang tapak. Ia boleh mengurangkan beban kerja penyelidik dengan ketara dan meningkatkan kecekapan pengurusan data.

(2) Rangkaian Pemantauan Global dan Serantau

• Rangkaian COSMOS: Rangkaian pemerhatian kelembapan tanah global berdasarkan teknologi CRNP. Pada masa ini, terdapat kira-kira 194 stesen tetap di seluruh dunia, meliputi wilayah seperti Amerika Syarikat, Jerman, Australia dan United Kingdom. Ia boleh mengisi jurang skala spatial antara pengukuran titik berasaskan tanah dan penderiaan jauh satelit.

• Rangkaian Lembapan Tanah Antarabangsa (ISMN): Mengintegrasikan data kelembapan tanah in-situ daripada berbilang stesen di seluruh dunia, meliputi pelbagai teknologi pengukuran dan merupakan sumber data asas yang penting untuk pengesahan data penderiaan jauh.

• Rangkaian TERENO: Rangkaian Balai Cerap Alam Sekitar Terestrial Jerman, yang merangkumi 20 stesen CRNP untuk pemantauan dinamik kelembapan tanah skala tadahan.

(3) Produk Data dan Platform Perkongsian

• Data SMOS: Tersedia daripada tapak web rasmi ESA dan platform CATDS, termasuk kelembapan tanah permukaan, VOD, kelembapan tanah zon akar dan produk lain.

• Data SMAP: Dikeluarkan oleh Pusat Data Salji dan Ais Kebangsaan (NSIDC) Amerika Syarikat, termasuk produk kelembapan tanah zon permukaan dan akar dengan ketepatan tertinggi.

• Data ESA CCI: Menyediakan data kelembapan tanah global jangka panjang (tiga jenis produk: aktif, pasif dan bercantum) sejak 1978, yang boleh diperoleh daripada laman web rasmi ESA Soil Moisture CCI.

5. Kesimpulan Penyelidikan dan Hala Tuju Masa Depan

Tiga literatur secara konsisten menunjukkan bahawa teknologi pemantauan kelembapan tanah telah membentuk sistem berskala penuh daripada pengukuran titik berasaskan tanah kepada penderiaan jauh global. Antaranya, penderiaan jauh gelombang mikro ialah teknologi teras untuk pemantauan berskala besar, dan model pembelajaran mesin telah meningkatkan ketepatan penyongsangan dengan ketara. Cabaran teras teknologi semasa termasuk: pengoptimuman ketepatan gabungan penderia gelombang mikro aktif dan pasif, pengesahan kaedah pemantauan kelembapan tanah dalam, dan peningkatan ketepatan pemantauan dalam tumbuh-tumbuhan kompleks dan kawasan lembap. Penyelidikan masa depan harus menumpukan pada arah ini, sambil menambah baik kaedah asimilasi data, mengukuhkan gabungan data penderiaan jauh dan pemerhatian tanah, dan mempromosikan aplikasi mendalam data kelembapan tanah dalam bidang seperti pengurusan pengairan pertanian, amaran awal kemarau dan banjir, dan penyelidikan perubahan iklim.