Revizuirea literaturii privind monitorizarea umidității solului

1. Clasificarea tehnologiilor de monitorizare a umidității solului

Tehnologiile de monitorizare a umidității solului pot fi împărțite în trei categorii în funcție de scara și principiul de monitorizare: tehnologia de măsurare a punctelor la sol, tehnologia de detectare proximală și tehnologia de monitorizare cu teledetecție. Fiecare dintre cele trei tehnologii are propriul accent, acoperind întreaga gamă de nevoi de aplicație, de la măsurarea punctului local până la monitorizarea la scară globală.

(1) Tehnologia de măsurare a punctelor la sol

Tehnologia de măsurare a punctului de la sol este centrată pe măsurarea senzorului de sol cu ​​contact direct, care poate realiza colectarea continuă sau în punct fix de date privind umiditatea solului și este mijlocul de bază de monitorizare a umidității solului. Include în principal sonde de rezistență, reflectometrie în domeniul timpului (TDR), senzori de capacitate, sonde de neutroni și alte tipuri. Senzorii diferiți variază semnificativ în ceea ce privește precizia, costul și scenariile aplicabile.

(2) Tehnologia de detectare proximală

Tehnologia de detectare proximală este aplicată în principal la scară de câmp sau bazin hidrografic. Obține caracteristicile de distribuție spațială a umidității solului prin mijloace neinvazive, compensând limitarea locală a măsurării punctuale la sol. Tehnologiile comune includ inducția electromagnetică (EMI), radarul cu penetrare la sol (GPR), sonda cu neutroni cu raze cosmice (CRNP) etc. Printre acestea, tehnologia CRNP poate realiza măsurarea neinvazivă a umidității medii regionale a solului pe o suprafață mare și a devenit o punte cheie care conectează măsurarea punctului de la sol și teledetecția prin satelit.

(3) Tehnologia de monitorizare cu teledetecție

Tehnologia de teledetecție realizează monitorizarea dinamică a umidității solului pe scară largă (de la nivel regional până la global) prin platforme precum sateliți și avioane. Conform benzilor de teledetecție, acesta poate fi împărțit în teledetecție optică, teledetecție termică în infraroșu și teledetecție cu microunde. Printre acestea, teledetecția cu microunde a devenit tehnologia principală pentru monitorizarea pe scară largă a umidității solului datorită sensibilității sale scăzute la condițiile meteorologice și a capacității de a pătrunde în vegetație și solul de suprafață. Poate fi împărțit în continuare în teledetecție activă cu microunde (cum ar fi Radar cu deschidere sintetică, SAR) și teledetecție pasivă cu microunde (cum ar fi radiometru).

2. Principii și compararea performanțelor principalelor tehnologii de monitorizare

(1) Compararea performanței senzorilor de măsurare a punctelor de la sol

Tip senzor	Avantaje	Dezavantaje	Scenarii aplicabile	Indicele de precizie
Sondă de rezistență	1. Poate fi combinat cu inregistratoare de date pentru masurare continua; 2. Cel mai mic preț; 3. Consum redus de energie	1. Precizie slabă, valoarea de calibrare variază în funcție de tipul de sol și conținutul de sare; 2. Senzorii sunt predispuși la îmbătrânire	Scenarii care trebuie doar să judece modificările conținutului de umiditate și au cerințe scăzute pentru precizie	Precizie scăzută
Sonda TDR	1. Poate efectua măsurători continue; 2. Precizie ridicată (2-3%) după calibrarea specifică solului; 3. Insensibil la salinitate (până când semnalul dispare); 4. Recunoaștere academică ridicată	1. Complexitate operațională mai mare decât senzorii de capacitate; 2. Instalarea necesită șanțuri, ceea ce necesită mult timp; 3. Invalid în medii cu salinitate ridicată; 4. Consum mare de energie (necesită baterii mari reîncărcabile)	Laboratoare echipate cu sisteme relevante care necesită măsurare de înaltă precizie	Precizie ridicată (2-3%)
Senzor de capacitate	1. Poate efectua măsurători continue; 2. Instalare ușoară pentru unele tipuri; 3. Precizie ridicată (2-3%) după calibrare; 4. Consum redus de energie (bateriile mici sunt suficiente); 5. Preț scăzut, permițând măsurarea în mai multe puncte	1. Precizia scade în medii cu salinitate ridicată (conductivitate electrică a extractului saturat > 8 dS/m); 2. Performanța slabă a mărcilor de calitate scăzută	Scenarii care necesită măsurare în mai multe puncte, implementare și întreținere simplă a sistemului și consum redus de energie	Precizie ridicată (2-3%)
Sonda cu neutroni	1. Volum mare de măsurare; 2. Insensibil la salinitate; 3. Recunoaștere academică ridicată (tehnologie matură); 4. Nu este afectat de problemele de contact ale senzorului solului	1. Scump; 2. Funcționarea necesită certificare pentru radiații; 3. Extrem de consumator de timp; 4. Nu se poate efectua măsurarea continuă	Scenarii cu echipamente existente și certificare care necesită măsurarea solurilor argiloase cu salinitate ridicată sau cu contracție expansivă	Precizie scăzută (îmbunătățită după calibrarea în câmp)
CRNP (sondă cu neutroni cu raze cosmice)	1. Domeniu de măsurare extrem de mare (volum de influență cu diametrul de 800m); 2. Măsurare automată; 3. Potrivit pentru validarea la sol a datelor satelitare (netezirea variabilității la scară largă); 4. Nu este afectat de problemele de contact ale senzorului solului	1. Cel mai mare preț; 2. Definiție neclară a volumului de măsurare, care variază în funcție de umiditatea solului; 3. Precizie limitată de factori de confuzie precum vegetația	Scenarii care necesită valori medii de umiditate pe scară largă și validarea la sol a datelor satelitare	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (după calibrare)

Tip senzor	Avantaje	Dezavantaje	Scenarii aplicabile	Indicele de precizie
Sondă de rezistență	1. Poate fi combinat cu inregistratoare de date pentru masurare continua; 2. Cel mai mic preț; 3. Consum redus de energie	1. Precizie slabă, valoarea de calibrare variază în funcție de tipul de sol și conținutul de sare; 2. Senzorii sunt predispuși la îmbătrânire	Scenarii care trebuie doar să judece modificările conținutului de umiditate și au cerințe scăzute pentru precizie	Precizie scăzută
Sonda TDR	1. Poate efectua măsurători continue; 2. Precizie ridicată (2-3%) după calibrarea specifică solului; 3. Insensibil la salinitate (până când semnalul dispare); 4. Recunoaștere academică ridicată	1. Complexitate operațională mai mare decât senzorii de capacitate; 2. Instalarea necesită șanțuri, ceea ce necesită mult timp; 3. Invalid în medii cu salinitate ridicată; 4. Consum mare de energie (necesită baterii mari reîncărcabile)	Laboratoare echipate cu sisteme relevante care necesită măsurare de înaltă precizie	Precizie ridicată (2-3%)
Senzor de capacitate	1. Poate efectua măsurători continue; 2. Instalare ușoară pentru unele tipuri; 3. Precizie ridicată (2-3%) după calibrare; 4. Consum redus de energie (bateriile mici sunt suficiente); 5. Preț scăzut, permițând măsurarea în mai multe puncte	1. Precizia scade în medii cu salinitate ridicată (conductivitate electrică a extractului saturat > 8 dS/m); 2. Performanța slabă a mărcilor de calitate scăzută	Scenarii care necesită măsurare în mai multe puncte, implementare și întreținere simplă a sistemului și consum redus de energie	Precizie ridicată (2-3%)
Sonda cu neutroni	1. Volum mare de măsurare; 2. Insensibil la salinitate; 3. Recunoaștere academică ridicată (tehnologie matură); 4. Nu este afectat de problemele de contact ale senzorului solului	1. Scump; 2. Funcționarea necesită certificare pentru radiații; 3. Extrem de consumator de timp; 4. Nu se poate efectua măsurarea continuă	Scenarii cu echipamente existente și certificare care necesită măsurarea solurilor argiloase cu salinitate ridicată sau cu contracție expansivă	Precizie scăzută (îmbunătățită după calibrarea în câmp)
CRNP (sondă cu neutroni cu raze cosmice)	1. Domeniu de măsurare extrem de mare (volum de influență cu diametrul de 800m); 2. Măsurare automată; 3. Potrivit pentru validarea la sol a datelor satelitare (netezirea variabilității la scară largă); 4. Nu este afectat de problemele de contact ale senzorului solului	1. Cel mai mare preț; 2. Definiție neclară a volumului de măsurare, care variază în funcție de umiditatea solului; 3. Precizie limitată de factori de confuzie precum vegetația	Scenarii care necesită valori medii de umiditate pe scară largă și validarea la sol a datelor satelitare	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (după calibrare)

(2) Principiile de bază și performanța tehnologiilor de monitorizare cu teledetecție

Tehnologia de monitorizare cu teledetecție recuperează umiditatea solului prin detectarea caracteristicilor de reflexie, emisie sau împrăștiere ale solului la radiația electromagnetică în benzi diferite. Adâncimea de măsurare, rezoluția spațială și scenariile aplicabile ale tehnologiilor în diferite benzi variază semnificativ:

• Teledetecție optică și termică în infraroșu: teledetecția optică (lumină vizibilă, infraroșu apropiat, infraroșu cu unde scurte) recuperează umiditatea solului în stratul de suprafață extrem de subțire (≤1mm) prin modificări ale culorii solului (solul umed este mai închis); teledetecția cu infraroșu termic reflectă indirect condițiile de umiditate prin monitorizarea modificărilor temperaturii solului de suprafață. Ambele sunt sensibile la intemperii și la acoperirea vegetației și au adâncime mică de măsurare.

• Teledetecție cu microunde: Recuperează umiditatea prin măsurarea constantei dielectrice volumetrice a solului (constanta dielectrică a apei este de aproximativ 80, mult mai mare decât cea a solidelor din sol și a aerului), care este împărțită în tipuri active (radarul transmite semnale pentru măsurarea ecourilor) și pasive (măsoară radiația naturală cu microunde). Dintre benzile de microunde, banda L și banda P au o capacitate puternică de a pătrunde în vegetație și sunt potrivite pentru monitorizarea umidității solului în apropierea suprafeței și a zonei rădăcinilor; Banda C este potrivită pentru solul gol sau zone cu vegetație slabă.

Comparație de performanță a misiunilor de teledetecție prin satelit cu microunde

Misiune prin satelit	Tip senzor	Bandă	Rezoluție spațială	Perioada de revizuire	Avantajele de bază	Indicele de precizie
SMOS (satelit pentru umiditatea solului și salinitatea oceanului)	Radiometru pasiv cu microunde	Banda L	25 km (grilă EASE-2)	3 zile	Prima misiune satelit specială pentru monitorizarea umidității solului, capabilă să recupereze adâncimea optică a vegetației (VOD)	R² median=0,75, RMSE=0,023 m³/m³
SMAP (satelit pasiv activ pentru umiditatea solului)	Radar activ + radiometru pasiv (radarul eșuat)	Banda L	36 km (Standard), 9 km (Îmbunătățit)	2-3 zile	În prezent, cel mai precis produs global de umiditate a solului, capabil să furnizeze date privind umiditatea zonei rădăcinilor (0-100 cm)	ubRMSE=0,035-0,038 cm³/cm³ (strat de suprafață); 0,026-0,03 cm³/cm³ (zona rădăcină)
Santinela-1	Radar activ cu deschidere sintetică (SAR)	banda C	10-20 m	6 zile	Rezoluție spațială mare, poate fi fuzionată cu date SMAP pentru a genera produse cu rezoluție de 3 km	RMSE <0,046 cm³/cm³
ESA CCI (Inițiativa privind schimbările climatice)	Fuziune activă + pasivă la microunde	Multi-bandă	Rezoluții multiple	Depinde de sursa de date	Oferă date continue pe termen lung privind umiditatea solului din 1978	Precizie cuprinzătoare medie, potrivită pentru cercetarea pe termen lung a schimbărilor climatice

3. Factori cheie care afectează acuratețea monitorizării umidității solului

Pe baza rezultatelor meta-analizei din Literatura 3, acuratețea monitorizării umidității solului este afectată de diverși factori, cum ar fi tipul de senzor, metoda de modelare și condițiile de mediu. Principalii factori de influență sunt următorii:

(1) Senzor și configurație tehnică

• Tip senzor: Precizia senzorilor activi și pasivi cu microunde este comparabilă atunci când sunt utilizați singuri (R² median=0,7 pentru ambii), dar există puține studii privind utilizarea lor combinată. Dovezile actuale arată că acuratețea fuziunii nu a fost îmbunătățită semnificativ (R² median=0,59), ceea ce necesită cercetări și optimizare suplimentare.

• Modul de polarizare: Dintre senzorii activi cu microunde, combinația de polarizare dublă VV+VH are cea mai mare precizie (R² median=0,76, RMSE=0,035 m³/m³), urmată de polarizarea HH, iar polarizarea VH are cea mai mică precizie.

• Adâncimea de măsurare: Teledetecția cu microunde este potrivită în principal pentru monitorizarea umidității solului stratului de suprafață (0-5 cm). Umiditatea stratului profund (>20 cm) trebuie recuperată indirect prin modele de învățare automată. În prezent, numărul de mostre de date pentru acuratețea monitorizării stratului profund este mic, iar concluzia nu este încă clară.

(2) Metode de modelare și prelucrare a datelor

Metoda de modelare inversă de monitorizare a datelor afectează în mod semnificativ acuratețea:

• Modelele de învățare automată (în special rețelele neuronale) au cea mai mare precizie, cu mediana R²=0,73 și RMSE=0,035 m³/m³; dintre ele, rețelele LSTM au cea mai mare acuratețe (mediana R²=0,86) deoarece pot capta dependența temporală.

• Modelele semi-empirice (cum ar fi Modelul Water Cloud (WCM), Modelul τ-ω) sunt utilizate pe scară largă, iar acuratețea lor este puțin mai mică decât cea a învățării automate (mediana R²=0,71, RMSE=0,042 m³/m³).

• Combinația dintre învățarea automată și modelele semi-empirice poate îmbunătăți și mai mult precizia (R² median=0,79, RMSE=0,030 m³/m³).

(3) Condiții de mediu și de suprafață

• Tipul de climă: Precizia monitorizării în regiunile aride și semi-aride (cu R² median mai mare) este mai bună decât cea din regiunile umede și semi-umede. Deoarece regiunile umede au vegetație densă și fluctuații mari de umiditate, care pot interfera cu semnalele.

• Textura solului: lut nisipos are cea mai mare precizie de monitorizare (R² median=0,75); Senzorii pasivi au o performanță mai bună în lut argilos și argilă, în timp ce senzorii activi funcționează mai bine în lut nisipos și lut.

• Acoperirea terenului: Terenurile agricole (grâu, porumb, soia etc.) reprezintă scenariul principal de cercetare. Densitatea vegetației afectează pătrunderea semnalelor cu microunde, afectând astfel acuratețea, dar diferența de precizie a monitorizării între diferite anotimpuri nu este semnificativă, reflectând stabilitatea tehnologiei cu microunde.

4. Sisteme de aplicare și resurse de date pentru monitorizarea umidității solului

(1) Internetul obiectelor (IoT) și sistemele de gestionare a datelor

Sistemul ZENTRA propus în literatura 1 este o soluție tipică IoT pentru monitorizarea umidității solului. Acesta integrează senzori, înregistrări de date și platforme cloud (ZENTRA Cloud) pentru a realiza o instalare simplificată, descărcare de date de la distanță, avertizare timpurie a erorilor în timp real și fuziunea datelor pe mai multe site-uri. Poate reduce semnificativ volumul de muncă al cercetătorilor și poate îmbunătăți eficiența gestionării datelor.

(2) Rețele globale și regionale de monitorizare

• Rețeaua COSMOS: O rețea globală de observare a umidității solului bazată pe tehnologia CRNP. În prezent, există aproximativ 194 de stații permanente în întreaga lume, care acoperă regiuni precum Statele Unite, Germania, Australia și Regatul Unit. Poate umple golul de scară spațială dintre măsurarea punctului de la sol și teledetecția prin satelit.

• Rețeaua internațională de umiditate a solului (ISMN): integrează datele in situ privind umiditatea solului de la mai multe stații din întreaga lume, acoperind o varietate de tehnologii de măsurare și este o resursă de date de bază importantă pentru validarea datelor de teledetecție.

• Rețeaua TERENO: Rețeaua Observatoarelor de Mediu Terestre din Germania, care include 20 de stații CRNP pentru monitorizarea dinamică a umidității solului la scara bazinului hidrografic.

(3) Produse de date și platforme de partajare

• Date SMOS: Disponibil de pe site-ul oficial ESA și platforma CATDS, inclusiv umiditatea solului de suprafață, VOD, umiditatea solului din zona rădăcinilor și alte produse.

• Date SMAP: Eliberate de Centrul Național de Date despre Zăpadă și Gheață (NSIDC) din Statele Unite, inclusiv produse de umiditate a solului de suprafață și zone de rădăcină cu cea mai mare precizie.

• Date CCI ESA: Oferă date pe termen lung privind umiditatea solului la nivel global (trei tipuri de produse: active, pasive și topite) din 1978, care pot fi obținute de pe site-ul oficial al ESA Soil Moisture CCI.

5. Concluziile cercetării și direcțiile viitoare

Cele trei literaturi indică în mod constant că tehnologiile de monitorizare a umidității solului au format un sistem la scară completă, de la măsurarea punctului de la sol la teledetecția globală. Printre acestea, teledetecția cu microunde este tehnologia de bază pentru monitorizarea la scară largă, iar modelele de învățare automată au îmbunătățit semnificativ acuratețea inversării. Provocările de bază ale tehnologiilor actuale includ: optimizarea acurateței fuziunii senzorilor cu microunde activi și pasivi, verificarea metodelor de monitorizare a umidității solului în adâncime și îmbunătățirea acurateței monitorizării în vegetația complexă și regiunile umede. Cercetările viitoare ar trebui să se concentreze pe aceste direcții, îmbunătățind în același timp metodele de asimilare a datelor, consolidând combinația de date de teledetecție și observații la sol și promovând aplicarea aprofundată a datelor privind umiditatea solului în domenii precum managementul irigațiilor agricole, avertizarea timpurie la secetă și inundații și cercetarea schimbărilor climatice.