Огляд літератури з моніторингу вологості ґрунту

1. Класифікація технологій моніторингу вологості ґрунту

Технології моніторингу вологості ґрунту можна розділити на три категорії відповідно до масштабу та принципу моніторингу: технологія наземного точкового вимірювання, технологія проксимального зондування та технологія моніторингу дистанційного зондування. Кожна з трьох технологій має власну спрямованість, охоплюючи повний спектр потреб застосування від локальних точкових вимірювань до глобального моніторингу.

(1) Технологія наземного вимірювання точки

Технологія наземного точкового вимірювання зосереджена на вимірюванні датчика ґрунту прямим контактом, який може здійснювати безперервний або фіксований збір даних про вологість ґрунту та є основним засобом моніторингу вологості ґрунту. В основному це зонди опору, рефлектометрія у часовій області (TDR), датчики ємності, нейтронні зонди та інші типи. Різні датчики значно відрізняються за точністю, вартістю та застосовними сценаріями.

(2) Технологія проксимального зондування

Технологія проксимального зондування в основному застосовується в масштабі поля або вододілу. Він отримує характеристики просторового розподілу вологи в ґрунті неінвазивними засобами, компенсуючи локальне обмеження наземних точкових вимірювань. Поширені технології включають електромагнітну індукцію (EMI), георадар (GPR), зонд космічних нейтронів (CRNP) тощо. Серед них технологія CRNP може здійснювати неінвазивне вимірювання регіональної середньої вологості ґрунту на великій території та стала ключовим мостом, що з’єднує наземні точкові вимірювання та супутникове дистанційне зондування.

(3) Технологія моніторингу дистанційного зондування

Технологія дистанційного зондування реалізує динамічний моніторинг великомасштабної (від регіональної до глобальної) вологості ґрунту за допомогою таких платформ, як супутники та літаки. Відповідно до смуг дистанційного зондування його можна розділити на оптичне дистанційне зондування, теплове інфрачервоне дистанційне зондування та мікрохвильове дистанційне зондування. Серед них мікрохвильове дистанційне зондування стало основною технологією для широкомасштабного моніторингу вологості ґрунту через низьку чутливість до погодних умов і здатність проникати крізь рослинність і поверхню ґрунту. Далі його можна розділити на активне мікрохвильове дистанційне зондування (таке як радар із синтетичною апертурою, SAR) і пасивне мікрохвильове дистанційне зондування (таке як радіометр).

2. Принципи та порівняння продуктивності основних технологій моніторингу

(1) Порівняння продуктивності наземних точкових вимірювальних датчиків

Тип датчика	Переваги	Недоліки	Застосовні сценарії	Індекс точності
Зонд опору	1. Можна поєднувати з реєстраторами даних для безперервного вимірювання; 2. Найнижча ціна; 3. Низьке енергоспоживання	1. Низька точність, значення калібрування змінюється залежно від типу ґрунту та вмісту солі; 2. Сенсори схильні до старіння	Сценарії, які потребують оцінки лише змін вмісту вологи та мають низькі вимоги до точності	Низька точність
Зонд TDR	1. Може виконувати безперервні вимірювання; 2. Висока точність (2-3%) після калібрування по ґрунту; 3. Нечутливий до солоності (до зникнення сигналу); 4. Високе академічне визнання	1. Вища експлуатаційна складність, ніж датчики ємності; 2. Монтаж вимагає риття траншей, що займає багато часу; 3. Недійсний у середовищах з високою солоністю; 4. Високе енергоспоживання (потрібні великі акумуляторні батареї)	Лабораторії, оснащені відповідними системами, що вимагають високоточного вимірювання	Висока точність (2-3%)
Датчик ємності	1. Може виконувати безперервні вимірювання; 2. Легка установка для деяких типів; 3. Висока точність (2-3%) після калібрування; 4. Низьке енергоспоживання (достатньо маленьких батарейок); 5. Низька ціна, що дозволяє багатоточкове вимірювання	1. Точність знижується в середовищах з високою солоністю (електропровідність насиченої витяжки > 8 дСм/м); 2. Погана продуктивність неякісних марок	Сценарії, що вимагають багатоточкового вимірювання, простого розгортання та обслуговування системи та низького енергоспоживання	Висока точність (2-3%)
Нейтронний зонд	1. Великий обсяг вимірювання; 2. Нечутливі до засолення; 3. Високе академічне визнання (розвинена технологія); 4. Не впливає на проблеми контакту датчика ґрунту	1. Дорогий; 2. Експлуатація вимагає радіаційної сертифікації; 3. Надзвичайно трудомісткий; 4. Неможливо виконати безперервне вимірювання	Сценарії з наявним обладнанням і сертифікацією, які вимагають вимірювання високої солоності або експансивної усадки глинистих ґрунтів	Низька точність (покращено після польового калібрування)
CRNP (космічний нейтронний зонд)	1. Надзвичайно великий діапазон вимірювання (впливний об'єм діаметром 800 м); 2. Автоматичне вимірювання; 3. Підходить для наземної перевірки супутникових даних (згладжування великомасштабної мінливості); 4. Не впливає на проблеми контакту датчика ґрунту	1. Найвища ціна; 2. Нечітке визначення вимірюваного об'єму, що змінюється залежно від вологості ґрунту; 3. Точність обмежена такими факторами, як рослинність	Сценарії, що вимагають великомасштабних середніх значень вологості та наземної перевірки супутникових даних	RMSE ≈ 0,032 см³/см³ (після калібрування)

Тип датчика	Переваги	Недоліки	Застосовні сценарії	Індекс точності
Зонд опору	1. Можна поєднувати з реєстраторами даних для безперервного вимірювання; 2. Найнижча ціна; 3. Низьке енергоспоживання	1. Низька точність, значення калібрування змінюється залежно від типу ґрунту та вмісту солі; 2. Сенсори схильні до старіння	Сценарії, які потребують оцінки лише змін вмісту вологи та мають низькі вимоги до точності	Низька точність
Зонд TDR	1. Може виконувати безперервні вимірювання; 2. Висока точність (2-3%) після калібрування по ґрунту; 3. Нечутливий до солоності (до зникнення сигналу); 4. Високе академічне визнання	1. Вища експлуатаційна складність, ніж датчики ємності; 2. Монтаж вимагає риття траншей, що займає багато часу; 3. Недійсний у середовищах з високою солоністю; 4. Високе енергоспоживання (потрібні великі акумуляторні батареї)	Лабораторії, оснащені відповідними системами, що вимагають високоточного вимірювання	Висока точність (2-3%)
Датчик ємності	1. Може виконувати безперервні вимірювання; 2. Легка установка для деяких типів; 3. Висока точність (2-3%) після калібрування; 4. Низьке енергоспоживання (достатньо маленьких батарейок); 5. Низька ціна, що дозволяє багатоточкове вимірювання	1. Точність знижується в середовищах з високою солоністю (електропровідність насиченої витяжки > 8 дСм/м); 2. Погана продуктивність неякісних марок	Сценарії, що вимагають багатоточкового вимірювання, простого розгортання та обслуговування системи та низького енергоспоживання	Висока точність (2-3%)
Нейтронний зонд	1. Великий обсяг вимірювання; 2. Нечутливі до засолення; 3. Високе академічне визнання (розвинена технологія); 4. Не впливає на проблеми контакту датчика ґрунту	1. Дорогий; 2. Експлуатація вимагає радіаційної сертифікації; 3. Надзвичайно трудомісткий; 4. Неможливо виконати безперервне вимірювання	Сценарії з наявним обладнанням і сертифікацією, які вимагають вимірювання високої солоності або експансивної усадки глинистих ґрунтів	Низька точність (покращено після польового калібрування)
CRNP (космічний нейтронний зонд)	1. Надзвичайно великий діапазон вимірювання (впливний об'єм діаметром 800 м); 2. Автоматичне вимірювання; 3. Підходить для наземної перевірки супутникових даних (згладжування великомасштабної мінливості); 4. Не впливає на проблеми контакту датчика ґрунту	1. Найвища ціна; 2. Нечітке визначення вимірюваного об'єму, що змінюється залежно від вологості ґрунту; 3. Точність обмежена такими факторами, як рослинність	Сценарії, що вимагають великомасштабних середніх значень вологості та наземної перевірки супутникових даних	RMSE ≈ 0,032 см³/см³ (після калібрування)

(2) Основні принципи та ефективність технологій моніторингу дистанційного зондування

Технологія моніторингу дистанційного зондування відновлює вологість ґрунту, виявляючи характеристики відбиття, випромінювання або розсіювання ґрунту від електромагнітного випромінювання в різних діапазонах. Глибина вимірювання, просторова роздільна здатність і застосовні сценарії технологій в різних діапазонах значно відрізняються:

• Оптичне та теплове інфрачервоне дистанційне зондування: оптичне дистанційне зондування (видиме світло, ближнє інфрачервоне, короткохвильове інфрачервоне) витягує вологість ґрунту в надзвичайно тонкому поверхневому шарі (≤1 мм) через зміни кольору ґрунту (вологий ґрунт темніший); теплове інфрачервоне дистанційне зондування опосередковано відображає умови вологості, відстежуючи зміни температури поверхні ґрунту. Обидва чутливі до погоди та рослинного покриву та мають малу глибину вимірювання.

• Мікрохвильове дистанційне зондування: витягує вологу шляхом вимірювання об’ємної діелектричної проникності ґрунту (діелектрична проникність води становить приблизно 80, що набагато вище, ніж у твердих частинок ґрунту та повітря), яка поділяється на активний (радар передає сигнали для вимірювання відлуння) і пасивний (вимірює природне мікрохвильове випромінювання). Серед мікрохвильових діапазонів L-діапазон і P-діапазон мають сильну здатність проникати крізь рослинність і підходять для моніторингу вологості ґрунту в приповерхневій зоні та в кореневій зоні; C-діапазон підходить для голого ґрунту або місцевостей з рідкою рослинністю.

Порівняння продуктивності основних мікрохвильових супутникових місій дистанційного зондування

Супутникова місія	Тип датчика	Група	Просторова роздільна здатність	Період перегляду	Основні переваги	Індекс точності
SMOS (супутник для визначення вологості ґрунту та солоності океану)	Пасивний мікрохвильовий радіометр	L-діапазон	25 км (сітка EASE-2)	3 дні	Перша супутникова місія спеціально для моніторингу вологості ґрунту, здатна відновлювати оптичну глибину рослинності (VOD).	Медіана R²=0,75, RMSE=0,023 м³/м³
SMAP (активний пасивний супутник вологості ґрунту)	Активний радар + пасивний радіометр (збій радара)	L-діапазон	36 км (стандарт), 9 км (покращений)	2-3 дні	Наразі це найточніший глобальний продукт щодо вологості ґрунту, здатний надавати дані про вологість кореневої зони (0–100 см).	ubRMSE=0,035-0,038 см³/см³ (поверхневий шар); 0,026-0,03 см³/см³ (коренева зона)
Вартовий-1	Радар з активною синтетичною апертурою (SAR)	С-діапазон	10-20 м	6 днів	Висока просторова роздільна здатність може бути об’єднана з даними SMAP для створення продуктів з роздільною здатністю 3 км	RMSE <0,046 см³/см³
ESA CCI (Ініціатива зі зміни клімату)	Активний + пасивний мікрохвильовий синтез	Багатосмуговий	Кілька дозволів	Залежить від джерела даних	Надає довгострокові безперервні глобальні дані про вологість ґрунту з 1978 року	Середня всебічна точність, підходить для довгострокових досліджень зміни клімату

3. Основні фактори, що впливають на точність моніторингу вологості ґрунту

Виходячи з результатів метааналізу літератури 3, на точність моніторингу вологості ґрунту впливають різні фактори, такі як тип датчика, метод моделювання та умови навколишнього середовища. Основні фактори впливу:

(1) Датчик і технічна конфігурація

• Тип датчика: точність активних і пасивних мікрохвильових датчиків порівнянна при окремому використанні (медіана R²=0,7 для обох), але є кілька досліджень щодо їх спільного використання. Поточні дані показують, що точність термоядерного синтезу не була значно покращена (медіана R²=0,59), що потребує подальших досліджень та оптимізації.

• Режим поляризації: серед активних мікрохвильових датчиків комбінація подвійної поляризації VV+VH має найвищу точність (медіана R²=0,76, RMSE=0,035 м³/м³), за якою йде поляризація HH, а поляризація VH має найнижчу точність.

• Глибина вимірювання: мікрохвильове дистанційне зондування в основному підходить для моніторингу вологості поверхневого шару (0-5 см) ґрунту. Вологість глибокого шару (>20 см) потрібно опосередковано отримати за допомогою моделей машинного навчання. В даний час кількість зразків даних для точності моніторингу глибокого шару невелика, і висновок ще не зрозумілий.

(2) Методи моделювання та обробки даних

Метод інверсійного моделювання даних моніторингу істотно впливає на точність:

• Моделі машинного навчання (особливо нейронні мережі) мають найвищу точність із медіаною R²=0,73 і RMSE=0,035 м³/м³; серед них мережі LSTM мають найвищу точність (медіана R²=0,86), оскільки вони можуть фіксувати часову залежність.

• Напівемпіричні моделі (такі як модель водяної хмари (WCM), модель τ-ω) широко використовуються, і їх точність трохи нижча, ніж у машинного навчання (медіана R²=0,71, RMSE=0,042 м³/м³).

• Поєднання машинного навчання та напівемпіричних моделей може ще більше підвищити точність (медіана R²=0,79, RMSE=0,030 м³/м³).

(3) Умови навколишнього середовища та поверхні

• Тип клімату: точність моніторингу в посушливих і напівпосушливих регіонах (з вищим середнім R²) краща, ніж у вологих і напіввологих регіонах. Оскільки у вологих регіонах густа рослинність і значні коливання вологи, які можуть заважати сигналам.

• Структура ґрунту: супісок має найвищу точність моніторингу (медіана R²=0,75); пасивні датчики працюють краще на суглинках і глинах, тоді як активні датчики працюють краще на супісках і суглинках.

• Землевий покрив: сільськогосподарські землі (пшениця, кукурудза, соя тощо) є основним сценарієм дослідження. Щільність рослинності впливає на проникнення мікрохвильових сигналів, тим самим впливаючи на точність, але різниця в точності моніторингу між різними сезонами незначна, що відображає стабільність мікрохвильової технології.

4. Прикладні системи та ресурси даних для моніторингу вологості ґрунту

(1) Інтернет речей (IoT) і системи управління даними

Система ZENTRA, запропонована в літературі 1, є типовим рішенням IoT для моніторингу вологості ґрунту. Він інтегрує датчики, реєстратори даних і хмарні платформи (ZENTRA Cloud) для реалізації спрощеної інсталяції, віддаленого завантаження даних, раннього попередження про несправності в режимі реального часу та об’єднання даних із кількох сайтів. Це може значно зменшити навантаження на дослідників і підвищити ефективність управління даними.

(2) Глобальні та регіональні мережі моніторингу

• Мережа COSMOS: глобальна мережа спостереження за вологістю ґрунту на основі технології CRNP. На даний момент існує близько 194 постійних станцій по всьому світу, які охоплюють такі регіони, як США, Німеччина, Австралія та Велика Британія. Це може заповнити розрив у просторовому масштабі між наземним точковим вимірюванням і супутниковим дистанційним зондуванням.

• Міжнародна мережа вологості ґрунту (ISMN): об’єднує дані про вологість ґрунту на місці з багатьох станцій по всьому світу, охоплюючи різноманітні технології вимірювання, і є важливим основним джерелом даних для перевірки даних дистанційного зондування.

• Мережа TERENO: мережа наземних екологічних обсерваторій Німеччини, яка включає 20 станцій CRNP для динамічного моніторингу вологості ґрунту на вододілах.

(3) Продукти даних і платформи обміну

• Дані SMOS: доступні на офіційному веб-сайті ESA та платформі CATDS, включаючи поверхневу вологість ґрунту, VOD, вологість ґрунту в кореневій зоні та інші продукти.

• Дані SMAP: опубліковані Національним центром даних про сніг і лід (NSIDC) Сполучених Штатів, включно з високоточною інформацією про вологість ґрунту на поверхні та кореневій зоні.

• Дані ESA CCI: надає довгострокові глобальні дані про вологість ґрунту (три типи продуктів: активний, пасивний і злитий) з 1978 року, які можна отримати на офіційному веб-сайті ESA Soil Moisture CCI.

5. Висновки дослідження та подальші напрямки

Три літератури послідовно показують, що технології моніторингу вологості ґрунту сформували повномасштабну систему від наземних точкових вимірювань до глобального дистанційного зондування. Серед них мікрохвильове дистанційне зондування є основною технологією для великомасштабного моніторингу, а моделі машинного навчання значно підвищили точність інверсії. Основні проблеми сучасних технологій включають: оптимізацію точності злиття активних і пасивних мікрохвильових датчиків, перевірку методів глибокого моніторингу вологості ґрунту та підвищення точності моніторингу в регіонах зі складною рослинністю та вологістю. Майбутні дослідження повинні зосередитися на цих напрямках, одночасно вдосконалюючи методи асиміляції даних, зміцнюючи поєднання даних дистанційного зондування та наземних спостережень, а також сприяючи поглибленому застосуванню даних про вологість ґрунту в таких сферах, як управління сільськогосподарським зрошенням, раннє попередження про посуху та повені та дослідження зміни клімату.