Prehľad literatúry o monitorovaní pôdnej vlhkosti

1. Klasifikácia technológií monitorovania pôdnej vlhkosti

Technológie monitorovania pôdnej vlhkosti možno rozdeliť do troch kategórií podľa rozsahu a princípu monitorovania: technológia pozemného bodového merania, technológia proximálneho snímania a technológia monitorovania diaľkového snímania. Každá z troch technológií má svoje vlastné zameranie, pokrývajúce celý rozsah potrieb aplikácií od lokálneho bodového merania až po globálne monitorovanie.

(1) Technológia pozemného bodového merania

Technológia pozemného bodového merania sa sústreďuje na priame kontaktné meranie pôdnym senzorom, ktoré môže realizovať kontinuálny alebo pevný bodový zber údajov o pôdnej vlhkosti a je základným prostriedkom monitorovania pôdnej vlhkosti. Zahŕňa hlavne odporové sondy, Time Domain Reflectometry (TDR), kapacitné senzory, neutrónové sondy a ďalšie typy. Rôzne senzory sa výrazne líšia presnosťou, cenou a použiteľnými scenármi.

(2) Technológia proximálneho snímania

Technológia proximálneho snímania sa používa hlavne na poli alebo v povodí. Neinvazívnymi prostriedkami získava charakteristiky priestorovej distribúcie pôdnej vlhkosti, čím kompenzuje lokálne obmedzenie pozemného bodového merania. Medzi bežné technológie patrí elektromagnetická indukcia (EMI), zemný radar (GPR), kozmická neutrónová sonda (CRNP) atď. Medzi nimi môže technológia CRNP realizovať neinvazívne meranie regionálnej priemernej vlhkosti pôdy na veľkej ploche a stala sa kľúčovým mostom spájajúcim pozemné bodové meranie a satelitný diaľkový prieskum zeme.

(3) Technológia monitorovania diaľkového snímania

Technológia diaľkového snímania realizuje dynamické monitorovanie rozsiahlej (regionálnej až globálnej) vlhkosti pôdy prostredníctvom platforiem, ako sú satelity a lietadlá. Podľa pásiem diaľkového snímania sa dá rozdeliť na optický diaľkový prieskum, tepelný infračervený diaľkový prieskum a mikrovlnný diaľkový prieskum. Spomedzi nich sa mikrovlnný diaľkový prieskum Zeme stal hlavnou technológiou pre rozsiahle monitorovanie pôdnej vlhkosti vďaka svojej nízkej citlivosti na poveternostné podmienky a schopnosti prenikať do vegetácie a na povrch pôdy. Dá sa ďalej rozdeliť na aktívne mikrovlnné diaľkové snímanie (ako je radar so syntetickou apertúrou, SAR) a pasívne mikrovlnné diaľkové snímanie (ako je rádiometer).

2. Princípy a porovnanie výkonu hlavných monitorovacích technológií

(1) Porovnanie výkonu snímačov pozemného bodového merania

Typ snímača	Výhody	Nevýhody	Použiteľné scenáre	Index presnosti
Odporová sonda	1. Možno kombinovať s datalogermi pre nepretržité meranie; 2. Najnižšia cena; 3. Nízka spotreba energie	1. Nízka presnosť, kalibračná hodnota sa líši v závislosti od typu pôdy a obsahu soli; 2. Senzory sú náchylné na starnutie	Scenáre, ktoré potrebujú posúdiť iba zmeny obsahu vlhkosti a majú nízke požiadavky na presnosť	Nízka presnosť
Sonda TDR	1. Môže vykonávať nepretržité meranie; 2. Vysoká presnosť (2-3%) po kalibrácii špecifickej pre pôdu; 3. Necitlivé na slanosť (kým signál nezmizne); 4. Vysoké akademické uznanie	1. Vyššia prevádzková zložitosť ako kapacitné snímače; 2. Inštalácia vyžaduje hĺbenie, čo je časovo náročné; 3. Neplatné v prostrediach s vysokou salinitou; 4. Vysoká spotreba energie (vyžaduje veľké nabíjateľné batérie)	Laboratóriá vybavené príslušnými systémami, ktoré vyžadujú vysoko presné meranie	Vysoká presnosť (2-3%)
Kapacitný senzor	1. Môže vykonávať nepretržité meranie; 2. Jednoduchá inštalácia pre niektoré typy; 3. Vysoká presnosť (2-3%) po kalibrácii; 4. Nízka spotreba energie (stačia malé batérie); 5. Nízka cena, umožňujúca viacbodové meranie	1. Presnosť klesá v prostredí s vysokou salinitou (elektrická vodivosť nasýteného extraktu > 8 dS/m); 2. Slabý výkon nekvalitných značiek	Scenáre vyžadujúce viacbodové meranie, jednoduché nasadenie a údržbu systému a nízku spotrebu energie	Vysoká presnosť (2-3%)
Neutrónová sonda	1. Veľký objem merania; 2. necitlivé na slanosť; 3. Vysoké akademické uznanie (vyspelá technológia); 4. Nie je ovplyvnené problémami s kontaktom snímača pôdy	1. drahé; 2. Prevádzka si vyžaduje radiačnú certifikáciu; 3. Mimoriadne časovo náročné; 4. Nemožno vykonávať nepretržité meranie	Scenáre s existujúcim vybavením a certifikáciou, ktoré vyžadujú meranie vysoko slaných alebo expanzívne sa zmršťujúcich ílovitých pôd	Nízka presnosť (vylepšená po kalibrácii v teréne)
CRNP (Neutrónová sonda kozmického žiarenia)	1. Extrémne veľký rozsah merania (objem vplyvu s priemerom 800 m); 2. Automatické meranie; 3. Vhodné na pozemnú validáciu satelitných údajov (vyhladzovanie variability vo veľkom meradle); 4. Nie je ovplyvnené problémami s kontaktom snímača pôdy	1. Najvyššia cena; 2. Nejasná definícia meraného objemu, ktorá sa mení s vlhkosťou pôdy; 3. Presnosť obmedzená mätúcimi faktormi, ako je vegetácia	Scenáre vyžadujúce rozsiahle priemerné hodnoty vlhkosti a pozemné overenie satelitných údajov	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (po kalibrácii)

Typ snímača	Výhody	Nevýhody	Použiteľné scenáre	Index presnosti
Odporová sonda	1. Možno kombinovať s datalogermi pre nepretržité meranie; 2. Najnižšia cena; 3. Nízka spotreba energie	1. Nízka presnosť, kalibračná hodnota sa líši v závislosti od typu pôdy a obsahu soli; 2. Senzory sú náchylné na starnutie	Scenáre, ktoré potrebujú posúdiť iba zmeny obsahu vlhkosti a majú nízke požiadavky na presnosť	Nízka presnosť
Sonda TDR	1. Môže vykonávať nepretržité meranie; 2. Vysoká presnosť (2-3%) po kalibrácii špecifickej pre pôdu; 3. Necitlivé na slanosť (kým signál nezmizne); 4. Vysoké akademické uznanie	1. Vyššia prevádzková zložitosť ako kapacitné snímače; 2. Inštalácia vyžaduje hĺbenie, čo je časovo náročné; 3. Neplatné v prostrediach s vysokou salinitou; 4. Vysoká spotreba energie (vyžaduje veľké nabíjateľné batérie)	Laboratóriá vybavené príslušnými systémami, ktoré vyžadujú vysoko presné meranie	Vysoká presnosť (2-3%)
Kapacitný senzor	1. Môže vykonávať nepretržité meranie; 2. Jednoduchá inštalácia pre niektoré typy; 3. Vysoká presnosť (2-3%) po kalibrácii; 4. Nízka spotreba energie (stačia malé batérie); 5. Nízka cena, umožňujúca viacbodové meranie	1. Presnosť klesá v prostredí s vysokou salinitou (elektrická vodivosť nasýteného extraktu > 8 dS/m); 2. Slabý výkon nekvalitných značiek	Scenáre vyžadujúce viacbodové meranie, jednoduché nasadenie a údržbu systému a nízku spotrebu energie	Vysoká presnosť (2-3%)
Neutrónová sonda	1. Veľký objem merania; 2. necitlivé na slanosť; 3. Vysoké akademické uznanie (vyspelá technológia); 4. Nie je ovplyvnené problémami s kontaktom snímača pôdy	1. drahé; 2. Prevádzka si vyžaduje radiačnú certifikáciu; 3. Mimoriadne časovo náročné; 4. Nemožno vykonávať nepretržité meranie	Scenáre s existujúcim vybavením a certifikáciou, ktoré vyžadujú meranie vysoko slaných alebo expanzívne sa zmršťujúcich ílovitých pôd	Nízka presnosť (vylepšená po kalibrácii v teréne)
CRNP (Neutrónová sonda kozmického žiarenia)	1. Extrémne veľký rozsah merania (objem vplyvu s priemerom 800 m); 2. Automatické meranie; 3. Vhodné na pozemnú validáciu satelitných údajov (vyhladzovanie variability vo veľkom meradle); 4. Nie je ovplyvnené problémami s kontaktom snímača pôdy	1. Najvyššia cena; 2. Nejasná definícia meraného objemu, ktorá sa mení s vlhkosťou pôdy; 3. Presnosť obmedzená mätúcimi faktormi, ako je vegetácia	Scenáre vyžadujúce rozsiahle priemerné hodnoty vlhkosti a pozemné overenie satelitných údajov	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (po kalibrácii)

(2) Základné princípy a výkonnosť technológií monitorovania diaľkového snímania

Technológia monitorovania diaľkového snímania získava pôdnu vlhkosť detekciou odrazových, emisných alebo rozptylových charakteristík pôdy voči elektromagnetickému žiareniu v rôznych pásmach. Hĺbka merania, priestorové rozlíšenie a použiteľné scenáre technológií v rôznych pásmach sa výrazne líšia:

• Optické a tepelné infračervené diaľkové snímanie: Optické diaľkové snímanie (viditeľné svetlo, blízke infračervené, krátkovlnné infračervené) získava pôdnu vlhkosť v extrémne tenkej povrchovej vrstve (≤1 mm) prostredníctvom zmien farby pôdy (vlhká pôda je tmavšia); tepelné infračervené diaľkové snímanie nepriamo odráža vlhkostné pomery sledovaním zmien povrchovej teploty pôdy. Obe sú citlivé na počasie a vegetačný kryt a majú malú hĺbku merania.

• Mikrovlnné diaľkové snímanie: Získava vlhkosť meraním objemovej dielektrickej konštanty pôdy (dielektrická konštanta vody je asi 80, oveľa vyššia ako u pevných látok v pôde a vzduchu), ktorá sa delí na aktívne (radar prenáša signály na meranie ozveny) a pasívne (meria prirodzené mikrovlnné žiarenie). Medzi mikrovlnnými pásmami majú L-pásmo a P-pásmo silnú schopnosť prenikať do vegetácie a sú vhodné na monitorovanie vlhkosti pôdy v blízkosti povrchu a koreňovej zóny; C-band je vhodný pre holú pôdu alebo miesta s riedkou vegetáciou.

Porovnanie výkonu bežných mikrovlnných misií s diaľkovým snímaním

Satelitná misia	Typ snímača	kapela	Priestorové rozlíšenie	Obdobie opätovnej návštevy	Hlavné výhody	Index presnosti
SMOS (satelit pre pôdnu vlhkosť a slanosť oceánu)	Pasívny mikrovlnný rádiometer	L-pásmo	25 km (EASE-2 Grid)	3 dni	Prvá satelitná misia špeciálne na monitorovanie pôdnej vlhkosti, schopná získať vegetačnú optickú hĺbku (VOD)	Medián R2=0,75, RMSE=0,023 m³/m³
Aktívny pasívny satelit SMAP (Soil Moisture Active Passive Satellite)	Aktívny radar + pasívny rádiometer (radar zlyhal)	L-pásmo	36 km (štandard), 9 km (rozšírený)	2-3 dni	V súčasnosti najpresnejší globálny produkt pôdnej vlhkosti, schopný poskytnúť údaje o vlhkosti koreňovej zóny (0-100 cm).	ubRMSE = 0,035-0,038 cm3/cm3 (povrchová vrstva); 0,026-0,03 cm³/cm³ (koreňová zóna)
Sentinel-1	Radar s aktívnou syntetickou apertúrou (SAR)	C-pásmo	10-20 m	6 dní	Vysoké priestorové rozlíšenie, môže byť spojené s údajmi SMAP na generovanie produktov s rozlíšením 3 km	RMSE <0,046 cm³/cm³
ESA CCI (Climate Change Initiative)	Aktívna + pasívna mikrovlnná fúzia	Viacpásmové	Viacnásobné rozlíšenia	Závisí od zdroja údajov	Poskytuje dlhodobé nepretržité globálne údaje o pôdnej vlhkosti od roku 1978	Stredne komplexná presnosť, vhodná pre dlhodobý výskum klimatických zmien

3. Kľúčové faktory ovplyvňujúce presnosť monitorovania pôdnej vlhkosti

Na základe výsledkov metaanalýzy z literatúry 3 je presnosť monitorovania pôdnej vlhkosti ovplyvnená rôznymi faktormi, ako je typ senzora, metóda modelovania a podmienky prostredia. Hlavné ovplyvňujúce faktory sú nasledovné:

(1) Senzor a technická konfigurácia

• Typ senzora: Presnosť aktívnych a pasívnych mikrovlnných senzorov je porovnateľná, keď sa používajú samostatne (stredná hodnota R²=0,7 pre oba), ale existuje len málo štúdií o ich kombinovanom použití. Súčasné dôkazy ukazujú, že presnosť fúzie sa výrazne nezlepšila (medián R² = 0,59), čo si vyžaduje ďalší výskum a optimalizáciu.

• Režim polarizácie: Spomedzi aktívnych mikrovlnných senzorov má kombinácia dvojitej polarizácie VV+VH najvyššiu presnosť (stredná hodnota R²=0,76, RMSE=0,035 m³/m³), po ktorej nasleduje polarizácia HH a najnižšiu presnosť má polarizácia VH.

• Hĺbka merania: Mikrovlnné diaľkové snímanie je vhodné hlavne na monitorovanie povrchovej vlhkosti (0-5 cm) pôdy. Vlhkosť z hlbokej vrstvy (>20 cm) sa musí získať nepriamo prostredníctvom modelov strojového učenia. V súčasnosti je počet vzoriek údajov na presnosť monitorovania hlbokých vrstiev malý a záver ešte nie je jasný.

(2) Modelovanie a metódy spracovania údajov

Metóda inverzného modelovania údajov monitorovania výrazne ovplyvňuje presnosť:

• Modely strojového učenia (najmä neurónové siete) majú najvyššiu presnosť, s mediánom R²=0,73 a RMSE=0,035 m³/m³; spomedzi nich majú siete LSTM najvyššiu presnosť (medián R²=0,86), pretože dokážu zachytiť časovú závislosť.

• Semi-empirické modely (ako je model vodného mraku (WCM), model τ-ω) sú široko používané a ich presnosť je o niečo nižšia ako presnosť strojového učenia (medián R²=0,71, RMSE=0,042 m³/m³).

• Kombinácia strojového učenia a semiempirických modelov môže ďalej zlepšiť presnosť (medián R²=0,79, RMSE=0,030 m³/m³).

(3) Podmienky prostredia a povrchu

• Typ podnebia: Presnosť monitorovania v suchých a polosuchých oblastiach (s vyšším mediánom R²) je lepšia ako vo vlhkých a polovlhkých oblastiach. Pretože vlhké oblasti majú hustú vegetáciu a veľké výkyvy vlhkosti, ktoré pravdepodobne rušia signály.

• Textúra pôdy: Piesočnatá hlina má najvyššiu presnosť monitorovania (medián R²=0,75); pasívne senzory fungujú lepšie v ílovitej hline a hline, zatiaľ čo aktívne senzory fungujú lepšie v piesčitej hline a hline.

• Land Cover: Poľnohospodárska pôda (pšenica, kukurica, sója atď.) je hlavným scenárom výskumu. Hustota vegetácie ovplyvňuje prenikanie mikrovlnných signálov, čím ovplyvňuje presnosť, ale rozdiel v presnosti monitorovania medzi rôznymi ročnými obdobiami nie je významný, čo odráža stabilitu mikrovlnnej technológie.

4. Aplikačné systémy a zdroje údajov pre monitorovanie pôdnej vlhkosti

(1) Internet vecí (IoT) a systémy správy údajov

Systém ZENTRA navrhnutý v literatúre 1 je typickým riešením internetu vecí na monitorovanie pôdnej vlhkosti. Integruje senzory, datalogery a cloudové platformy (ZENTRA Cloud) na realizáciu zjednodušenej inštalácie, vzdialeného sťahovania údajov, včasného varovania pri poruchách v reálnom čase a zlučovania údajov na viacerých miestach. Môže výrazne znížiť pracovné zaťaženie výskumníkov a zlepšiť efektivitu správy údajov.

(2) Globálne a regionálne monitorovacie siete

• COSMOS Network: Globálna sieť na pozorovanie pôdnej vlhkosti založená na technológii CRNP. V súčasnosti je na svete približne 194 stálych staníc, ktoré pokrývajú regióny ako Spojené štáty americké, Nemecko, Austrália a Spojené kráľovstvo. Môže vyplniť medzeru v priestorovej mierke medzi pozemným bodovým meraním a satelitným diaľkovým prieskumom Zeme.

• Medzinárodná sieť pôdnej vlhkosti (ISMN): Integruje in-situ údaje o pôdnej vlhkosti z viacerých staníc po celom svete, pokrýva rôzne meracie technológie a je dôležitým základným zdrojom údajov pre overovanie údajov z diaľkového prieskumu.

• Sieť TERENO: Nemecká sieť terestriálnych environmentálnych observatórií, ktorá zahŕňa 20 staníc CRNP na dynamické monitorovanie pôdnej vlhkosti v povodiach.

(3) Dátové produkty a platformy na zdieľanie

• Údaje SMOS: Dostupné z oficiálnej webovej stránky ESA a platformy CATDS vrátane povrchovej vlhkosti pôdy, VOD, vlhkosti pôdy koreňovej zóny a iných produktov.

• Údaje SMAP: Vydané Národným strediskom údajov o snehu a ľade (NSIDC) v Spojených štátoch, vrátane produktov povrchovej a koreňovej vlhkosti pôdy s najvyššou presnosťou.

• Údaje ESA CCI: Poskytuje dlhodobé globálne údaje o pôdnej vlhkosti (tri typy produktov: aktívne, pasívne a tavené) od roku 1978, ktoré možno získať z oficiálnej webovej stránky ESA Soil Moisture CCI.

5. Závery výskumu a budúce smerovanie

Tieto tri literatúry konzistentne naznačujú, že technológie monitorovania pôdnej vlhkosti vytvorili komplexný systém od pozemného bodového merania až po globálne diaľkové snímanie. Medzi nimi je mikrovlnné diaľkové snímanie hlavnou technológiou pre rozsiahle monitorovanie a modely strojového učenia výrazne zlepšili presnosť inverzie. Medzi hlavné výzvy súčasných technológií patrí: optimalizácia presnosti fúzie aktívnych a pasívnych mikrovlnných senzorov, overenie metód hĺbkového monitorovania pôdnej vlhkosti a zlepšenie presnosti monitorovania v komplexnej vegetácii a vlhkých oblastiach. Budúci výskum by sa mal zamerať na tieto smery a zároveň ďalej zlepšovať metódy asimilácie údajov, posilňovať kombináciu údajov z diaľkového snímania a pozemných pozorovaní a podporovať hĺbkovú aplikáciu údajov o pôdnej vlhkosti v oblastiach, ako je riadenie zavlažovania v poľnohospodárstve, včasné varovanie pred suchom a povodňami a výskum klimatických zmien.