Đánh giá tài liệu về theo dõi độ ẩm đất

1. Phân loại công nghệ theo dõi độ ẩm đất

Công nghệ giám sát độ ẩm đất có thể được chia thành ba loại theo quy mô và nguyên tắc giám sát: công nghệ đo điểm trên mặt đất, công nghệ cảm biến tiệm cận và công nghệ giám sát viễn thám. Mỗi công nghệ trong số ba công nghệ đều có trọng tâm riêng, đáp ứng đầy đủ các nhu cầu ứng dụng từ đo điểm cục bộ đến giám sát quy mô toàn cầu.

(1) Công nghệ đo điểm trên mặt đất

Công nghệ đo điểm trên mặt đất tập trung vào phép đo cảm biến đất tiếp xúc trực tiếp, có thể thực hiện thu thập dữ liệu độ ẩm đất liên tục hoặc điểm cố định và là phương tiện cơ bản để theo dõi độ ẩm đất. Nó chủ yếu bao gồm các đầu dò điện trở, Máy đo phản xạ miền thời gian (TDR), cảm biến điện dung, đầu dò neutron và các loại khác. Các cảm biến khác nhau có sự khác biệt đáng kể về độ chính xác, chi phí và các tình huống áp dụng.

(2) Công nghệ cảm biến tiệm cận

Công nghệ cảm biến tiệm cận chủ yếu được áp dụng ở quy mô đồng ruộng hoặc quy mô lưu vực. Nó thu được các đặc tính phân bố không gian của độ ẩm đất thông qua các phương tiện không xâm lấn, bù đắp cho giới hạn cục bộ của phép đo điểm trên mặt đất. Các công nghệ phổ biến bao gồm Cảm ứng điện từ (EMI), Radar xuyên đất (GPR), Đầu dò neutron tia vũ trụ (CRNP), v.v. Trong số đó, công nghệ CRNP có thể thực hiện phép đo không xâm lấn độ ẩm đất trung bình khu vực trên một diện tích lớn và đã trở thành cầu nối quan trọng kết nối phép đo điểm trên mặt đất và viễn thám vệ tinh.

(3) Công nghệ giám sát viễn thám

Công nghệ viễn thám thực hiện giám sát động độ ẩm đất trên quy mô lớn (từ khu vực đến toàn cầu) thông qua các nền tảng như vệ tinh và máy bay. Theo các dải viễn thám, nó có thể được chia thành viễn thám quang học, viễn thám hồng ngoại nhiệt và viễn thám vi sóng. Trong số đó, viễn thám vi sóng đã trở thành công nghệ chủ đạo để theo dõi độ ẩm đất trên quy mô lớn do độ nhạy thấp với điều kiện thời tiết và khả năng xuyên qua thảm thực vật và đất bề mặt. Nó có thể được chia thành viễn thám vi sóng chủ động (như Radar khẩu độ tổng hợp, SAR) và viễn thám vi sóng thụ động (như máy đo bức xạ).

2. Nguyên tắc và so sánh hiệu suất của các công nghệ giám sát chính

(1) So sánh hiệu suất của các cảm biến đo điểm trên mặt đất

Loại cảm biến	Thuận lợi	Nhược điểm	Kịch bản áp dụng	Chỉ số chính xác
Đầu dò điện trở	1. Có thể kết hợp với bộ ghi dữ liệu để đo liên tục; 2. Giá thấp nhất; 3. Tiêu thụ điện năng thấp	1. Độ chính xác kém, giá trị hiệu chuẩn thay đổi tùy theo loại đất và hàm lượng muối; 2. Cảm biến dễ bị lão hóa	Các kịch bản chỉ cần đánh giá sự thay đổi về độ ẩm và yêu cầu độ chính xác thấp	Độ chính xác thấp
Đầu dò TDR	1. Có thể thực hiện đo liên tục; 2. Độ chính xác cao (2-3%) sau khi hiệu chuẩn theo từng loại đất cụ thể; 3. Không nhạy cảm với độ mặn (cho đến khi tín hiệu biến mất); 4. Sự công nhận học thuật cao	1. Độ phức tạp hoạt động cao hơn cảm biến điện dung; 2. Việc lắp đặt đòi hỏi phải đào rãnh, tốn thời gian; 3. Không hợp lệ trong môi trường có độ mặn cao; 4. Tiêu thụ điện năng cao (cần pin sạc lớn)	Phòng thí nghiệm được trang bị các hệ thống liên quan yêu cầu đo lường có độ chính xác cao	Độ chính xác cao (2-3%)
Cảm biến điện dung	1. Có thể thực hiện đo liên tục; 2. Dễ dàng cài đặt đối với một số loại; 3. Độ chính xác cao (2-3%) sau khi hiệu chuẩn; 4. Tiêu thụ điện năng thấp (pin nhỏ là đủ); 5. Giá thấp, cho phép đo đa điểm	1. Độ chính xác giảm trong môi trường có độ mặn cao (độ dẫn điện của chiết xuất bão hòa > 8 dS/m); 2. Hiệu suất kém của thương hiệu chất lượng thấp	Các kịch bản yêu cầu đo đa điểm, triển khai và bảo trì hệ thống đơn giản và tiêu thụ điện năng thấp	Độ chính xác cao (2-3%)
Đầu dò neutron	1. Khối lượng đo lớn; 2. Không nhạy cảm với độ mặn; 3. Sự công nhận học thuật cao (công nghệ trưởng thành); 4. Không bị ảnh hưởng bởi vấn đề tiếp xúc với cảm biến đất	1. Đắt tiền; 2. Hoạt động phải có chứng nhận bức xạ; 3. Cực kỳ tốn thời gian; 4. Không thể thực hiện đo liên tục	Các kịch bản với thiết bị hiện có và chứng nhận yêu cầu đo đất sét có độ mặn cao hoặc đất sét co giãn	Độ chính xác thấp (được cải thiện sau khi hiệu chỉnh hiện trường)
CRNP (Đầu dò neutron tia vũ trụ)	1. Phạm vi đo cực lớn (khối lượng ảnh hưởng với đường kính 800m); 2. Đo lường tự động; 3. Thích hợp để xác nhận mặt đất dữ liệu vệ tinh (làm trơn biến đổi quy mô lớn); 4. Không bị ảnh hưởng bởi vấn đề tiếp xúc với cảm biến đất	1. Giá cao nhất; 2. Định nghĩa thể tích đo không rõ ràng, thay đổi theo độ ẩm của đất; 3. Độ chính xác bị giới hạn bởi các yếu tố gây nhiễu như thảm thực vật	Các kịch bản yêu cầu giá trị độ ẩm trung bình quy mô lớn và xác thực dữ liệu vệ tinh trên mặt đất	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (sau khi hiệu chuẩn)

Loại cảm biến	Thuận lợi	Nhược điểm	Kịch bản áp dụng	Chỉ số chính xác
Đầu dò điện trở	1. Có thể kết hợp với bộ ghi dữ liệu để đo liên tục; 2. Giá thấp nhất; 3. Tiêu thụ điện năng thấp	1. Độ chính xác kém, giá trị hiệu chuẩn thay đổi tùy theo loại đất và hàm lượng muối; 2. Cảm biến dễ bị lão hóa	Các kịch bản chỉ cần đánh giá sự thay đổi về độ ẩm và yêu cầu độ chính xác thấp	Độ chính xác thấp
Đầu dò TDR	1. Có thể thực hiện đo liên tục; 2. Độ chính xác cao (2-3%) sau khi hiệu chuẩn theo từng loại đất cụ thể; 3. Không nhạy cảm với độ mặn (cho đến khi tín hiệu biến mất); 4. Sự công nhận học thuật cao	1. Độ phức tạp hoạt động cao hơn cảm biến điện dung; 2. Việc lắp đặt đòi hỏi phải đào rãnh, tốn thời gian; 3. Không hợp lệ trong môi trường có độ mặn cao; 4. Tiêu thụ điện năng cao (cần pin sạc lớn)	Phòng thí nghiệm được trang bị các hệ thống liên quan yêu cầu đo lường có độ chính xác cao	Độ chính xác cao (2-3%)
Cảm biến điện dung	1. Có thể thực hiện đo liên tục; 2. Dễ dàng cài đặt đối với một số loại; 3. Độ chính xác cao (2-3%) sau khi hiệu chuẩn; 4. Tiêu thụ điện năng thấp (pin nhỏ là đủ); 5. Giá thấp, cho phép đo đa điểm	1. Độ chính xác giảm trong môi trường có độ mặn cao (độ dẫn điện của chiết xuất bão hòa > 8 dS/m); 2. Hiệu suất kém của thương hiệu chất lượng thấp	Các kịch bản yêu cầu đo đa điểm, triển khai và bảo trì hệ thống đơn giản và tiêu thụ điện năng thấp	Độ chính xác cao (2-3%)
Đầu dò neutron	1. Khối lượng đo lớn; 2. Không nhạy cảm với độ mặn; 3. Sự công nhận học thuật cao (công nghệ trưởng thành); 4. Không bị ảnh hưởng bởi vấn đề tiếp xúc với cảm biến đất	1. Đắt tiền; 2. Hoạt động phải có chứng nhận bức xạ; 3. Cực kỳ tốn thời gian; 4. Không thể thực hiện đo liên tục	Các kịch bản với thiết bị hiện có và chứng nhận yêu cầu đo đất sét có độ mặn cao hoặc đất sét co giãn	Độ chính xác thấp (được cải thiện sau khi hiệu chỉnh hiện trường)
CRNP (Đầu dò neutron tia vũ trụ)	1. Phạm vi đo cực lớn (khối lượng ảnh hưởng với đường kính 800m); 2. Đo lường tự động; 3. Thích hợp để xác nhận mặt đất dữ liệu vệ tinh (làm trơn biến đổi quy mô lớn); 4. Không bị ảnh hưởng bởi vấn đề tiếp xúc với cảm biến đất	1. Giá cao nhất; 2. Định nghĩa thể tích đo không rõ ràng, thay đổi theo độ ẩm của đất; 3. Độ chính xác bị giới hạn bởi các yếu tố gây nhiễu như thảm thực vật	Các kịch bản yêu cầu giá trị độ ẩm trung bình quy mô lớn và xác thực dữ liệu vệ tinh trên mặt đất	RMSE ≈ 0,032 cm³/cm³ (sau khi hiệu chuẩn)

(2) Nguyên tắc cốt lõi và hiệu suất của công nghệ giám sát viễn thám

Công nghệ giám sát viễn thám thu thập độ ẩm của đất bằng cách phát hiện các đặc tính phản xạ, phát xạ hoặc tán xạ của đất đối với bức xạ điện từ ở các dải khác nhau. Độ sâu đo, độ phân giải không gian và các kịch bản áp dụng công nghệ ở các dải khác nhau khác nhau đáng kể:

• Viễn thám hồng ngoại quang học và nhiệt: Viễn thám quang học (ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại cận hồng ngoại, hồng ngoại sóng ngắn) thu thập độ ẩm của đất ở lớp bề mặt cực mỏng (<1mm) thông qua sự thay đổi màu đất (đất ẩm sẫm màu hơn); Viễn thám hồng ngoại nhiệt phản ánh gián tiếp điều kiện độ ẩm bằng cách theo dõi sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đất. Cả hai đều dễ bị ảnh hưởng bởi thời tiết và thảm thực vật và có độ sâu đo nông.

• Viễn thám vi sóng: Lấy độ ẩm bằng cách đo hằng số điện môi thể tích của đất (hằng số điện môi của nước khoảng 80, cao hơn nhiều so với chất rắn trong đất và không khí), được chia thành loại chủ động (radar truyền tín hiệu để đo tiếng vang) và loại thụ động (đo bức xạ vi sóng tự nhiên). Trong số các dải vi sóng, dải L và dải P có khả năng xuyên qua thảm thực vật mạnh mẽ và thích hợp để theo dõi độ ẩm đất gần bề mặt và vùng rễ; Dải C phù hợp với vùng đất trống hoặc vùng cây cối thưa thớt.

So sánh hiệu suất của các nhiệm vụ vệ tinh viễn thám vi sóng chính thống

Sứ mệnh vệ tinh	Loại cảm biến	Ban nhạc	Độ phân giải không gian	Thời gian xem lại	Ưu điểm cốt lõi	Chỉ số chính xác
SMOS (Vệ tinh độ ẩm đất và độ mặn đại dương)	Máy đo phóng xạ vi sóng thụ động	băng tần L	25 km (Lưới EASE-2)	3 ngày	Nhiệm vụ vệ tinh đầu tiên chuyên theo dõi độ ẩm của đất, có khả năng truy xuất Độ sâu quang học của thực vật (VOD)	Trung vị R²=0,75, RMSE=0,023 m³/m³
SMAP (Vệ tinh thụ động chủ động độ ẩm đất)	Radar chủ động + Máy đo phóng xạ thụ động (Radar bị lỗi)	băng tần L	36 km (Tiêu chuẩn), 9 km (Nâng cao)	2-3 ngày	Hiện tại là sản phẩm độ ẩm đất toàn cầu chính xác nhất, có khả năng cung cấp dữ liệu độ ẩm vùng rễ (0-100cm)	ubRMSE=0,035-0,038 cm³/cm³ (lớp bề mặt); 0,026-0,03 cm³/cm³ (vùng rễ)
Lính canh-1	Radar khẩu độ tổng hợp chủ động (SAR)	băng tần C	10-20m	6 ngày	Độ phân giải không gian cao, có thể kết hợp với dữ liệu SMAP để tạo ra sản phẩm có độ phân giải 3km	RMSE<0,046 cm³/cm³
ESA CCI (Sáng kiến ​​biến đổi khí hậu)	Kết hợp vi sóng chủ động + thụ động	Đa băng tần	Nhiều độ phân giải	Phụ thuộc vào nguồn dữ liệu	Cung cấp dữ liệu độ ẩm đất toàn cầu liên tục trong thời gian dài kể từ năm 1978	Độ chính xác toàn diện trung bình, phù hợp cho nghiên cứu biến đổi khí hậu lâu dài

3. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác của việc theo dõi độ ẩm đất

Dựa trên kết quả phân tích tổng hợp của Tài liệu 3, độ chính xác của việc theo dõi độ ẩm đất bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau như loại cảm biến, phương pháp lập mô hình và điều kiện môi trường. Các yếu tố ảnh hưởng cốt lõi như sau:

(1) Cấu hình cảm biến và kỹ thuật

• Loại cảm biến: Độ chính xác của cảm biến vi sóng chủ động và thụ động tương đương nhau khi sử dụng riêng lẻ (trung vị R²=0,7 cho cả hai), nhưng có rất ít nghiên cứu về việc sử dụng kết hợp chúng. Bằng chứng hiện tại cho thấy độ chính xác của phản ứng tổng hợp chưa được cải thiện đáng kể (trung bình R2=0,59), điều này đòi hỏi phải nghiên cứu và tối ưu hóa thêm.

• Chế độ phân cực: Trong số các cảm biến vi sóng đang hoạt động, tổ hợp phân cực kép VV+VH có độ chính xác cao nhất (trung bình R²=0,76, RMSE=0,035 m³/m³), tiếp theo là phân cực HH và phân cực VH có độ chính xác thấp nhất.

• Đo độ sâu: Viễn thám vi sóng chủ yếu thích hợp để theo dõi độ ẩm của lớp bề mặt (0-5cm). Độ ẩm của lớp sâu (>20cm) cần được lấy gián tiếp thông qua các mô hình học máy. Hiện tại, số lượng mẫu dữ liệu để giám sát lớp sâu có độ chính xác còn ít và kết luận vẫn chưa rõ ràng.

(2) Phương pháp mô hình hóa và xử lý dữ liệu

Phương pháp lập mô hình đảo ngược của dữ liệu giám sát ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác:

• Các mô hình Machine Learning (đặc biệt là mạng nơ-ron) có độ chính xác cao nhất, với trung vị R²=0,73 và RMSE=0,035 m³/m³; trong số đó, mạng LSTM có độ chính xác cao nhất (trung vị R2=0,86) vì chúng có thể nắm bắt được sự phụ thuộc theo thời gian.

• Các mô hình bán thực nghiệm (như Mô hình đám mây nước (WCM), Mô hình τ-ω) được sử dụng rộng rãi và độ chính xác của chúng thấp hơn một chút so với mô hình học máy (trung bình R²=0,71, RMSE=0,042 m³/m³).

• Sự kết hợp giữa học máy và mô hình bán thực nghiệm có thể cải thiện hơn nữa độ chính xác (trung vị R²=0,79, RMSE=0,030 m³/m³).

(3) Điều kiện môi trường và bề mặt

• Loại khí hậu: Độ chính xác quan trắc ở vùng khô cằn và bán khô hạn (có R² ​​trung bình cao hơn) tốt hơn so với vùng ẩm và bán ẩm. Bởi vì những vùng ẩm ướt có thảm thực vật dày đặc và độ ẩm dao động lớn nên dễ gây nhiễu tín hiệu.

• Kết cấu đất: Đất pha cát có độ chính xác quan trắc cao nhất (trung bình R²=0,75); cảm biến thụ động hoạt động tốt hơn trong đất sét và đất sét, trong khi cảm biến chủ động hoạt động tốt hơn trong đất sét và đất sét.

• Lớp phủ đất: Đất nông nghiệp (lúa mì, ngô, đậu nành, v.v.) là kịch bản nghiên cứu chính. Mật độ thảm thực vật ảnh hưởng đến sự xâm nhập của tín hiệu vi sóng, từ đó ảnh hưởng đến độ chính xác, tuy nhiên sự khác biệt về độ chính xác giám sát giữa các mùa khác nhau là không đáng kể, phản ánh tính ổn định của công nghệ vi sóng.

4. Hệ thống ứng dụng và tài nguyên dữ liệu để theo dõi độ ẩm đất

(1) Internet vạn vật (IoT) và Hệ thống quản lý dữ liệu

Hệ thống ZENTRA được đề xuất trong Tài liệu 1 là một giải pháp IoT điển hình để theo dõi độ ẩm của đất. Nó tích hợp các cảm biến, bộ ghi dữ liệu và nền tảng đám mây (ZENTRA Cloud) để thực hiện cài đặt đơn giản, tải xuống dữ liệu từ xa, cảnh báo sớm lỗi theo thời gian thực và tổng hợp dữ liệu đa trang web. Nó có thể giảm đáng kể khối lượng công việc của các nhà nghiên cứu và cải thiện hiệu quả quản lý dữ liệu.

(2) Mạng lưới giám sát toàn cầu và khu vực

• Mạng COSMOS: Mạng quan sát độ ẩm đất toàn cầu dựa trên công nghệ CRNP. Hiện tại, có khoảng 194 trạm cố định trên khắp thế giới, bao gồm các khu vực như Hoa Kỳ, Đức, Úc và Vương quốc Anh. Nó có thể lấp đầy khoảng cách quy mô không gian giữa đo điểm trên mặt đất và viễn thám vệ tinh.

• Mạng Độ ẩm Đất Quốc tế (ISMN): Tích hợp dữ liệu độ ẩm đất tại chỗ từ nhiều trạm trên khắp thế giới, bao gồm nhiều công nghệ đo lường khác nhau và là nguồn dữ liệu cơ bản quan trọng để xác thực dữ liệu viễn thám.

• Mạng lưới TERENO: Mạng lưới quan sát môi trường trên mặt đất của Đức, bao gồm 20 trạm CRNP để theo dõi động thái độ ẩm đất ở quy mô lưu vực.

(3) Sản phẩm dữ liệu và nền tảng chia sẻ

• Dữ liệu SMOS: Có sẵn từ trang web chính thức của ESA và nền tảng CATDS, bao gồm độ ẩm bề mặt đất, VOD, độ ẩm đất vùng rễ và các sản phẩm khác.

• Dữ liệu SMAP: Được phát hành bởi Trung tâm Dữ liệu Băng Tuyết Quốc gia (NSIDC) của Hoa Kỳ, bao gồm các sản phẩm độ ẩm đất vùng bề mặt và vùng rễ với độ chính xác cao nhất.

• Dữ liệu CCI của ESA: Cung cấp dữ liệu độ ẩm đất toàn cầu dài hạn (ba loại sản phẩm: chủ động, thụ động và hợp nhất) kể từ năm 1978, có thể lấy từ trang web chính thức của ESA Soil Moisture CCI.

5. Kết luận nghiên cứu và định hướng tương lai

Ba tài liệu này đều chỉ ra một cách nhất quán rằng các công nghệ giám sát độ ẩm của đất đã hình thành một hệ thống quy mô đầy đủ từ đo điểm trên mặt đất đến viễn thám toàn cầu. Trong số đó, viễn thám vi sóng là công nghệ cốt lõi để giám sát quy mô lớn và các mô hình học máy đã cải thiện đáng kể độ chính xác của việc đảo ngược. Những thách thức cốt lõi của các công nghệ hiện nay bao gồm: tối ưu hóa độ chính xác của việc kết hợp các cảm biến vi sóng chủ động và thụ động, xác minh các phương pháp theo dõi độ ẩm của đất sâu và cải thiện độ chính xác của việc giám sát ở các vùng có thảm thực vật phức tạp và ẩm ướt. Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào các hướng này, đồng thời cải tiến hơn nữa các phương pháp đồng hóa dữ liệu, tăng cường kết hợp dữ liệu viễn thám và quan sát mặt đất, đồng thời thúc đẩy ứng dụng chuyên sâu dữ liệu độ ẩm đất trong các lĩnh vực như quản lý tưới tiêu nông nghiệp, cảnh báo sớm hạn hán và lũ lụt và nghiên cứu biến đổi khí hậu.