Topragyň çyglylygyna gözegçilik etmek boýunça edebiýata syn

1. Toprak çyglylygyna gözegçilik tehnologiýalarynyň klassifikasiýasy

Topragyň çyglylygyna gözegçilik tehnologiýalaryny gözegçilik masştabyna we ýörelgesine görä üç kategoriýa bölmek bolar: ýerüsti nokat ölçeg tehnologiýasy, proksimal duýgur tehnologiýasy we uzakdan duýgur gözegçilik tehnologiýasy. Üç tehnologiýanyň hersiniň ýerli nokady ölçemekden dünýä derejesindäki gözegçilige çenli ähli zerurlyklary öz içine alýan öz maksady bar.

(1) Nokat esasly nokat ölçeg tehnologiýasy

Grounderüsti nokady ölçemek tehnologiýasy topragyň çyglylygynyň yzygiderli ýa-da kesgitli nokady ýygnamagyny amala aşyryp bilýän we topragyň çyglylygyna gözegçilik etmegiň esasy serişdesi bolan göni kontakt toprak datçigini ölçemäge gönükdirilendir. Esasan garşylyk zondlary, Wagt domeni reflektometri (TDR), sygymlylyk datçikleri, neýtron zondlary we beýleki görnüşleri öz içine alýar. Dürli datçikler takyklygy, bahasy we ulanylýan ssenariýalar boýunça ep-esli üýtgeýär.

(2) Proksimal duýgur tehnologiýasy

Proksimal duýgurlyk tehnologiýasy esasan meýdanda ýa-da suw şkalasynda ulanylýar. Topragyň çyglylygynyň giňişlikde paýlanyş aýratynlyklaryny invaziv däl usullar arkaly alýar, ýerüsti nokat ölçegleriniň ýerli çäklendirmesini düzýär. Umumy tehnologiýalara Elektromagnit induksiýa (EMI), ýerüsti aralaşýan radar (GPR), kosmiki şöhle neýtron zondy (CRNP) we ş.m. girýär, olaryň arasynda CRNP tehnologiýasy uly meýdanyň üstünde topragyň ortaça çyglylygyny invaziv däl ölçemegi amala aşyryp biler we ýerüsti nokat ölçegi we hemra uzakdan duýmagy birleşdirýän esasy köprä öwrüldi.

(3) Uzakdan duýgur gözegçilik tehnologiýasy

Uzakdan duýmak tehnologiýasy hemra we uçar ýaly platformalar arkaly iri (sebitden global) topragyň çyglylygyna dinamiki gözegçilik edýär. Uzakdan duýgur zolaklara görä, optiki uzakdan duýmak, termiki infragyzyl uzakdan duýmak we mikrotolkun uzakdan duýmak ýaly bölümlere bölünip bilner. Olaryň arasynda mikrotolkunly uzakdan duýmak, howa şertlerine pes duýgurlygy we ösümliklere we ýerüsti topraklara aralaşmak ukyby sebäpli topragyň çyglylygyna gözegçilik etmek üçin esasy tehnologiýa öwrüldi. Mundan başga-da, işjeň mikrotolkunly uzakdan duýgurlyga (Sintetiki apertura radary, SAR) we passiw mikrotolkun uzakdan duýgurlyga (radiometr ýaly) bölünip bilner.

2. Esasy gözegçilik tehnologiýalarynyň ýörelgeleri we öndürijilik deňeşdirmesi

(1) ounder esasly nokat ölçeg datçikleriniň öndürijilik deňeşdirmesi

Sensor görnüşi	Üstünlikleri	Adetmezçilikleri	Ulanylýan ssenariýler	Takyklyk görkezijisi
Garşylyk synagy	1. Üznüksiz ölçemek üçin maglumat ýazgylary bilen birleşdirilip bilner; 2. Iň arzan baha; 3. Pes energiýa sarp etmek	1. oraramaz takyklyk, kalibrlemäniň bahasy topragyň görnüşi we duz düzümi bilen üýtgeýär; 2. Sensorlar garramaga ýykgyn edýärler	Diňe çyglylygyň üýtgemegine baha bermeli we takyklygy üçin pes talaplary bolan ssenariýalar	Pes takyklyk
TDR gözleg	1. Üznüksiz ölçemegi amala aşyryp biler; 2. Topraga mahsus kalibrlemeden soň ýokary takyklyk (2-3%); 3. Duzlylyga duýgur däl (signal ýok bolýança); 4. academicokary akademiki ykrar	1. Kuwwatlylyk datçiklerinden has ýokary iş çylşyrymlylygy; 2. Gurmak, köp wagt talap edýän çukur gazmagy talap edýär; 3. highokary duzly şertlerde nädogry; 4. powerokary güýç sarp etmek (uly zarýad berilýän batareýalary talap edýär)	Highokary takyklygy talap edýän degişli ulgamlar bilen enjamlaşdyrylan barlaghanalar	Accokary takyklyk (2-3%)
Potensial datçigi	1. Üznüksiz ölçemegi amala aşyryp biler; 2. Käbir görnüşler üçin aňsat gurnama; 3. Kalibrlemeden soň ýokary takyklyk (2-3%); 4. Pes energiýa sarp etmek (kiçi batareýalar ýeterlik); 5. Köp nokatly ölçemäge mümkinçilik berýän arzan baha	1. highokary duzly şertlerde takyklyk peselýär (doýgun ekstrakt elektrik geçirijiligi> 8 dS / m); 2. Pes hilli markalaryň pes öndürijiligi	Köp nokatly ölçemegi, ýönekeý ulgamy ýerleşdirmegi we tehniki hyzmaty we az energiýa sarp etmegi talap edýän ssenariýler	Accokary takyklyk (2-3%)
Neutron Probe	1. Uly ölçeg göwrümi; 2. Duzlylyga duýgur däl; 3. Academicokary akademiki ykrar (ösen tehnologiýa); 4. Toprak-datçigiň aragatnaşyk meselesi täsir etmeýär	1. Gymmat; 2. Işlemek radiasiýa şahadatnamasyny talap edýär; 3. Örän köp wagt talap edýär; 4. Üznüksiz ölçemegi amala aşyryp bolmaýar	Bar bolan enjamlar we ýokary duzlulygy ýa-da giňelýän toýun topraklaryny ölçemegi talap edýän ssenariýler	Pes takyklyk (meýdan kalibrlemesinden soň gowulaşdy)
CRNP (Kosmiki Reý Neutron Probe)	1. Örän uly ölçeg diapazony (diametri 800 m bolan täsir göwrümi); 2. Awtomatiki ölçeg; 3. Sputnik maglumatlarynyň ýerüsti tassyklanylmagy üçin amatly (uly göwrümli üýtgemegi); 4. Toprak-datçigiň aragatnaşyk meselesi täsir etmeýär	1. Iň ýokary baha; 2. Topragyň çyglylygy bilen üýtgeýän ölçeg ölçegi kesgitlemesi; 3. Ösümlik ýaly bulaşyk faktorlar bilen çäklendirilen takyklyk	Uly göwrümli ortaça çyglylyk bahalaryny we hemra maglumatlarynyň ýerüsti tassyklanmagyny talap edýän ssenariýler	RMSE ≈ 0.032 cm³ / cm³ (kalibrlemeden soň)

Sensor görnüşi	Üstünlikleri	Adetmezçilikleri	Ulanylýan ssenariýler	Takyklyk görkezijisi
Garşylyk synagy	1. Üznüksiz ölçemek üçin maglumat ýazgylary bilen birleşdirilip bilner; 2. Iň arzan baha; 3. Pes energiýa sarp etmek	1. oraramaz takyklyk, kalibrlemäniň bahasy topragyň görnüşi we duz düzümi bilen üýtgeýär; 2. Sensorlar garramaga ýykgyn edýärler	Diňe çyglylygyň üýtgemegine baha bermeli we takyklygy üçin pes talaplary bolan ssenariýalar	Pes takyklyk
TDR gözleg	1. Üznüksiz ölçemegi amala aşyryp biler; 2. Topraga mahsus kalibrlemeden soň ýokary takyklyk (2-3%); 3. Duzlylyga duýgur däl (signal ýok bolýança); 4. academicokary akademiki ykrar	1. Kuwwatlylyk datçiklerinden has ýokary iş çylşyrymlylygy; 2. Gurmak, köp wagt talap edýän çukur gazmagy talap edýär; 3. highokary duzly şertlerde nädogry; 4. powerokary güýç sarp etmek (uly zarýad berilýän batareýalary talap edýär)	Highokary takyklygy talap edýän degişli ulgamlar bilen enjamlaşdyrylan barlaghanalar	Accokary takyklyk (2-3%)
Potensial datçigi	1. Üznüksiz ölçemegi amala aşyryp biler; 2. Käbir görnüşler üçin aňsat gurnama; 3. Kalibrlemeden soň ýokary takyklyk (2-3%); 4. Pes energiýa sarp etmek (kiçi batareýalar ýeterlik); 5. Köp nokatly ölçemäge mümkinçilik berýän arzan baha	1. highokary duzly şertlerde takyklyk peselýär (doýgun ekstrakt elektrik geçirijiligi> 8 dS / m); 2. Pes hilli markalaryň pes öndürijiligi	Köp nokatly ölçemegi, ýönekeý ulgamy ýerleşdirmegi we tehniki hyzmaty we az energiýa sarp etmegi talap edýän ssenariýler	Accokary takyklyk (2-3%)
Neutron Probe	1. Uly ölçeg göwrümi; 2. Duzlylyga duýgur däl; 3. Academicokary akademiki ykrar (ösen tehnologiýa); 4. Toprak-datçigiň aragatnaşyk meselesi täsir etmeýär	1. Gymmat; 2. Işlemek radiasiýa şahadatnamasyny talap edýär; 3. Örän köp wagt talap edýär; 4. Üznüksiz ölçemegi amala aşyryp bolmaýar	Bar bolan enjamlar we ýokary duzlulygy ýa-da giňelýän toýun topraklaryny ölçemegi talap edýän ssenariýler	Pes takyklyk (meýdan kalibrlemesinden soň gowulaşdy)
CRNP (Kosmiki Reý Neutron Probe)	1. Örän uly ölçeg diapazony (diametri 800 m bolan täsir göwrümi); 2. Awtomatiki ölçeg; 3. Sputnik maglumatlarynyň ýerüsti tassyklanylmagy üçin amatly (uly göwrümli üýtgemegi); 4. Toprak-datçigiň aragatnaşyk meselesi täsir etmeýär	1. Iň ýokary baha; 2. Topragyň çyglylygy bilen üýtgeýän ölçeg ölçegi kesgitlemesi; 3. Ösümlik ýaly bulaşyk faktorlar bilen çäklendirilen takyklyk	Uly göwrümli ortaça çyglylyk bahalaryny we hemra maglumatlarynyň ýerüsti tassyklanmagyny talap edýän ssenariýler	RMSE ≈ 0.032 cm³ / cm³ (kalibrlemeden soň)

(2) Uzakdan duýgur gözegçilik tehnologiýalarynyň esasy ýörelgeleri we öndürijiligi

Uzakdan duýgur gözegçilik tehnologiýasy topragyň şöhlelenmesini, ýaýramagyny ýa-da dürli zolaklarda elektromagnit şöhlelenmesine ýaýramagynyň aýratynlyklaryny kesgitlemek arkaly topragyň çyglylygyny alýar. Ölçeg çuňlugy, giňişlik çözgüdi we dürli zolaklarda tehnologiýalaryň ulanylýan ssenarileri ep-esli üýtgeýär:

• Optiki we termiki infragyzyl uzakdan duýgurlyk: Optiki uzakdan duýmak (görünýän ýagtylyk, infragyzyl, gysga tolkunly infragyzyl) topragyň reňkiniň üýtgemegi (çygly toprak has garaňky) arkaly gaty inçe ýer gatlagynda (≤1mm) topragyň çyglylygyny alýar; malylylyk infragyzyl uzakdan duýmak, topragyň temperaturasynyň üýtgemegine gözegçilik etmek bilen çyglylyk şertlerini gytaklaýyn görkezýär. Bularyň ikisi hem howa we ösümlik örtügine sezewar bolup, çuň ölçeg çuňlugyna eýe.

• Mikrotolkun uzakdan duýgurlyk: Işjeň (radar sesleri ölçemek üçin signal iberýär) we passiw (tebigy mikrotolkun radiasiýasyny ölçän) görnüşlere bölünen topragyň göwrümli dielektrik üýtgewsizligini (suwuň dielektrik durnuklylygy takmynan 80, toprak gaty we howadan has ýokary) ölçemek arkaly çyglylygy alýar. Mikrotolkun zolaklarynyň arasynda L-band we P-band ösümliklere aralaşmak üçin güýçli ukybyna eýedir we ýerüsti we kök zolakdaky topragyň çyglylygyna gözegçilik etmek üçin amatlydyr; C-band ýalaňaç toprak ýa-da seýrek ösümlik ýerleri üçin amatlydyr.

Esasy mikrotolkun uzakdan duýgur hemra missiýalarynyň öndürijilik deňeşdirmesi

Sputnik missiýasy	Sensor görnüşi	Topar	Giňişlik çözgüdi	Döwre täzeden serediň	Esasy artykmaçlyklary	Takyklyk görkezijisi
SMOS (Topragyň çyglylygy we ummanyň duzlulyk hemrasy)	Passiw mikrotolkun radiometri	L-band	25 km (EASE-2 Grid)	3 gün	Ösümlik optiki çuňlugyny (VOD) alyp bilýän topragyň çyglylygyna gözegçilik etmek üçin ýörite hemra missiýasy	Ortaça R² = 0.75, RMSE = 0.023 m³ / m³
SMAP (Toprak çyglylygy işjeň passiw hemra)	Işjeň radar + passiw radiometr (Radar şowsuz)	L-band	36 km (Standart), 9 km (Giňeldilen)	2-3 gün	Häzirki wagtda kök zonasyny (0-100 sm) çyglylyk maglumatlary bermäge ukyply, topragyň çyglylygynyň iň takyk önümi	ubRMSE = 0.035-0.038 cm³ / cm³ (ýerüsti gatlak); 0.026-0.03 cm³ / cm³ (kök zona)
Sentinel-1	Işjeň sintetiki apertura radary (SAR)	C-band	10-20 m	6 gün	Kokary giňişlik çözgüdi, 3 km ölçegli önüm öndürmek üçin SMAP maglumatlary bilen birleşdirilip bilner	RMSE <0.046 cm³ / cm³
ESA CCI (Howanyň üýtgemegi başlangyjy)	Işjeň + passiw mikrotolkun birleşmesi	Köp zolakly	Birnäçe karar	Maglumat çeşmesine bagly	1978-nji ýyldan bäri topragyň çyglylygy barada uzak möhletli maglumat berýär	Uzak möhletli howanyň üýtgemegi boýunça gözleg üçin amatly orta takyklyk

3. Topragyň çyglylygyna gözegçilik etmegiň takyklygyna täsir edýän esasy faktorlar

Edebiýat 3-iň meta-derňew netijelerine esaslanyp, topragyň çyglylygyna gözegçilik etmegiň takyklygy datçigiň görnüşi, modellemek usuly we daşky gurşaw şertleri ýaly dürli faktorlara täsir edýär. Täsir edýän esasy faktorlar aşakdakylar:

(1) Sensor we tehniki konfigurasiýa

• Sensoryň görnüşi: Işjeň we passiw mikrotolkun datçikleriniň takyklygy ýeke ulanylanda deňeşdirilýär (ikisi üçin ortaça R² = 0.7), ýöne olaryň bilelikde ulanylmagy boýunça gözlegler az. Häzirki subutnamalar, birleşdirmegiň takyklygynyň ep-esli gowulaşmandygyny görkezýär (ortaça R² = 0.59), bu bolsa has köp gözleg we optimizasiýa talap edýär.

• Polýarizasiýa tertibi: Işjeň mikrotolkun datçikleriniň arasynda VV + VH goşa polýarizasiýa kombinasiýasy iň ýokary takyklyga eýe (ortaça R² = 0.76, RMSE = 0.035 m³ / m³), ​​ondan soň HH polýarizasiýasy we VH polýarizasiýasy iň pes takyklyga eýe.

• Ölçegiň çuňlugy: Mikrotolkunly uzakdan duýmak, esasan, ýerüsti gatlagyň (0-5 sm) çyglylygyna gözegçilik etmek üçin amatlydyr. Çuň gatlak (> 20 sm) çyglylygy maşyn öwreniş modelleriniň üsti bilen gytaklaýyn almaly. Häzirki wagtda çuňňur gatlak gözegçiliginiň takyklygy üçin maglumat nusgalarynyň sany az we netijesi entek belli däl.

(2) Modelleri we maglumatlary gaýtadan işlemegiň usullary

Maglumatlara gözegçilik etmegiň inwersiýa modelleme usuly takyklyga ep-esli derejede täsir edýär:

• Maşyn öwreniş modelleri (esasanam nerw ulgamlary) iň ýokary takyklyga eýe, ortaça R² = 0.73 we RMSE = 0.035 m³ / m³; olaryň arasynda LSTM torlary iň ýokary takyklyga eýe (ortaça R² = 0.86), sebäbi wagtlaýyn garaşlylygy alyp bilýärler.

• Emparym empirik modeller (Suw buludy modeli (WCM), τ-ω model) giňden ulanylýar we olaryň takyklygy maşyn öwrenişinden birneme pesdir (ortaça R² = 0.71, RMSE = 0.042 m³ / m³).

• Maşyn öwrenmek we ýarym empirik modelleriň utgaşmasy takyklygy hasam gowulandyryp biler (ortaça R² = 0.79, RMSE = 0.030 m³ / m³).

(3) Daşky gurşaw we ýerüsti şertler

• Howanyň görnüşi: Gurak we ýarym gurak sebitlerde gözegçilik takyklygy (ortaça R² has ýokary) çygly we ýarym çygly sebitlerden has gowudyr. Çygly sebitlerde dykyz ösümlikler we signallaryň päsgel bermegi ähtimal çygly üýtgemeler bar.

• Topragyň dokumasy: Çäge topragy iň ýokary gözegçilik takyklygyna eýe (ortaça R² = 0.75); passiw datçikler palçykdan we palçykdan has gowy ýerine ýetirýär, işjeň datçikler bolsa çägeli we palçykda has gowy ýerine ýetirýär.

• Cover örtügi: Oba hojalygy ýerleri (bugdaý, mekgejöwen, soýa we ş.m.) esasy gözleg işidir. Ösümlikleriň dykyzlygy mikrotolkun signallarynyň aralaşmagyna täsir edýär we şeýlelik bilen takyklyga täsir edýär, ýöne mikrotolkun tehnologiýasynyň durnuklylygyny görkezýän dürli möwsümleriň arasyndaky gözegçilik takyklygynyň tapawudy möhüm däl.

4. Topragyň çyglylygyna gözegçilik etmek üçin amaly ulgamlar we maglumatlar çeşmeleri

(1) Zatlar interneti (IoT) we maglumatlary dolandyryş ulgamlary

Edebiýat 1-de teklip edilen ZENTRA ulgamy, topragyň çyglylygyna gözegçilik etmek üçin adaty IoT çözgüdi. Simplönekeýleşdirilen gurnamany, uzakdan maglumatlary göçürip almagy, real wagt ýalňyşlygy öňünden duýduryş bermegi we köp sahypaly maglumatlary birleşdirmegi amala aşyrmak üçin datçikleri, maglumat ýazgylaryny we bulut platformalaryny (ZENTRA Cloud) birleşdirýär. Gözlegçileriň iş ýüküni ep-esli azaldyp, maglumatlary dolandyrmagyň netijeliligini ýokarlandyryp biler.

(2) Global we sebitleýin gözegçilik ulgamlary

• COSMOS tory: CRNP tehnologiýasy esasynda topragyň çyglylygyna gözegçilik etmek ulgamy. Häzirki wagtda dünýäde ABŞ, Germaniýa, Awstraliýa we Angliýa ýaly sebitleri öz içine alýan 194-e golaý hemişelik stansiýa bar. Grounderüsti nokat ölçegi bilen hemra uzak aralykdan duýmagyň arasyndaky giňişlik boşlugyny dolduryp biler.

• Halkara toprak çyglylygy ulgamy (ISMN): Dürli ölçeg tehnologiýalaryny öz içine alýan dünýäniň dürli stansiýalaryndan toprak çyglylygy baradaky maglumatlary birleşdirýär we uzakdan duýgur maglumatlary barlamak üçin möhüm maglumat çeşmesidir.

• TERENO tory: Suw giňişliginde topragyň çyglylygynyň dinamiki gözegçiligi üçin 20 CRNP stansiýasyny öz içine alýan Germaniýanyň ýerüsti daşky gurşaw synlaýyş ulgamy.

(3) Maglumat önümleri we paýlaşma platformalary

• SMOS maglumatlary: ESA resmi web sahypasyndan we CATDS platformasyndan, ýerüsti topragyň çyglylygy, VOD, kök zonanyň toprak çyglylygy we beýleki önümleri öz içine alýar.

• SMAP maglumatlary: ABŞ-nyň Milli Gar we buz maglumatlary merkezi (NSIDC) tarapyndan iň ýokary takyklyk bilen ýerüsti we kök zonanyň toprak çyglylygy önümlerini goşmak bilen çykaryldy.

• ESA CCI maglumatlary: ESA toprak çyglylygy CCI resmi web sahypasyndan alyp bolýan 1978-nji ýyldan bäri topragyň çyglylygy baradaky uzak möhletli maglumatlary (önümleriň üç görnüşi: işjeň, passiw we birleşdirilen) üpjün edýär.

5. Gözleg netijeleri we geljekki ugurlar

Üç edebiýat topragyň çyglylygyna gözegçilik tehnologiýalarynyň ýerüsti nokat ölçeginden global uzakdan duýgurlyga çenli doly göwrümli ulgam döredendigini yzygiderli görkezýär. Olaryň arasynda mikrotolkunly uzakdan duýgurlyk uly göwrümli gözegçilik üçin esasy tehnologiýa bolup, maşyn öwreniş modelleri inwersiýanyň takyklygyny ep-esli ýokarlandyrdy. Häzirki tehnologiýalaryň esasy kynçylyklary: işjeň we passiw mikrotolkun datçikleriniň birleşmeginiň takyklygyny optimizirlemek, topragyň çyglylygyna gözegçilik etmegiň çuň usullaryny barlamak we çylşyrymly ösümliklerde we çygly sebitlerde gözegçilik takyklygyny ýokarlandyrmak. Geljekki gözlegler, maglumatlary assimilýasiýa etmegiň usullaryny has-da kämilleşdirmek, uzakdan duýgur maglumatlaryň we ýerüsti gözegçilikleriň utgaşdyrylmagyny güýçlendirmek we oba hojalygynyň suwaryş dolandyryşy, gurakçylyk we suw joşmasy barada öňünden duýduryş we howanyň üýtgemegi boýunça gözleg ýaly ugurlarda topragyň çyglylygy baradaky maglumatlaryň çuňňur ulanylmagyny öňe sürmeli.