Talajnedvesség-tartalom mérése földradarral (GPR) és mezőgazdasági alkalmazhatóságának lehetőségei = Soil Water Content Measurements with Ground Penetrating Radar (GPR) and Its Application Possibilities in the Agriculture

Herceg, András and Tóth, Csaba (2023) Talajnedvesség-tartalom mérése földradarral (GPR) és mezőgazdasági alkalmazhatóságának lehetőségei = Soil Water Content Measurements with Ground Penetrating Radar (GPR) and Its Application Possibilities in the Agriculture. AGROKÉMIA ÉS TALAJTAN = AGROCHEMISTRY AND SOIL SCIENCE, 72 (2). pp. 95-117. ISSN 0002-1873 (nyomtatott); 1588-2713 (elektronikus)

Preview

Text 0088-article-p95.pdf Available under License Creative Commons Attribution. Download (931kB) | Preview

Abstract

A talajnedvesség-tartalom variabilitásának mérését jelentősen megnehezíti a talaj heterogenitása és a környezeti változatosság. Jelenleg még nem fejlesztettek ki olyan univerzális módszert, amely a magas vagy alacsony talajnedvesség-zónák szántóföldi léptékű feltérképezésére alkalmas úgy, hogy a talajnak és a talajnedvesség áramlásának teljes zavarásmentességét nagy mélységben is biztosítja. A talajnedvesség-mérés részben (talajkapcsolt), vagy teljesen roncsolásmentes (levegőkapcsolt) lehetőségét biztosítja a földradar (GPR), amely nagy felbontást és jelentős behatolási mélységet biztosít a közepes léptékű talajnedvesség meghatározáshoz, így hiánypótló technikát jelent a kisléptékű pontszerű és a nagyléptékű távérzékelt mérési technikák közötti metodikai hiány kitöltésére. Emellett jobb időhatékonyággal alkalmazható más roncsolásos és roncsolásmentes eljárásokkal összevetve. A talajradart sikeresen alkalmazták a talajnedvesség-meghatározásra, de hidrológiai vizsgálatokban történő alkalmazásának nagy potenciálja ellenére nem minden körülmény között működik optimálisan. Felhasználhatósága többnyire olyan területekre korlátozódik, ahol viszonylag alacsony az elektromos vezetőképesség (az elektromágneses hullám gyenge csillapodására való tekintettel). Ezen túlmenően egyes talajradar módszerek működésének alapfeltétele a jól azonosítható és folyamatos jelvisszaverődés, továbbá a dielektromos állandó tekintetében a földradar-rendszerek térben folyamatos felszín alatti kontrasztot igényelnek. A talajnedvesség és annak áramlása kulcsparaméter a mezőgazdaság különböző területein. A talajnedvesség (és a talajvíz) látja el a növényeket, ami elengedhetetlen feltétele a növények fejlődésének. Ennélfogva a talaj nedvességtartalmának, eloszlásának, áramlásának, valamint a beszivárgás sajátosságainak alapos és lokális ismerete az öntözés hatékony megvalósításának alapköve, különösen a félszáraz és száraz éghajlatú területeken. A talajradar mérési alapjaival, valamint hasznosítási lehetőségeivel összefüggésben az elsősorban nemzetközi szakirodalmat összegezve megállapítható, hogy a GPR előnyös mérőeszköz lehet, amely segíthet a talaj nedvességeloszlásának feltérképezésében, tekintettel a beszivárgásra, a párolgás és a növényi vízfelvétel okozta vízveszteségre is. Következésképpen mezőgazdasági felhasználhatósága lehetséges. A talajradar hasznos része lehet a „Smart farming”-nak (intelligens gazdálkodás), segítséget nyújthat a talajban elhelyezett talajnedvesség-mérő szenzorok kijelölésében. Különösen, ha a közelmúltban megjelent új, szimultán többeltolásos és többcsatornás (SiMoc) GPR rendszerre asszociálunk, amely gyors talajprofil-feltérképezést tesz lehetővé a hét vevőegységével, de a hagyományos egycsatornás GPR sebességével. Ha a teljes roncsolásmentesség a cél, úgy a drónra szerelt levegőkapcsolt GPRek nyújthatnak lehetőséget. Megjegyzendő azonban, hogy a talaj-levegő határfelületen jelentkező szignifikáns jelcsillapodás (hullámszóródás) következtében a feltárási mélység jelentősen csökken. A földradar végső soron mérési alapul szolgálhat a hatékony (precíziós) öntözési gazdálkodás kialakításához, és a megfelelő vízfelhasználási hatékonyságot biztosítva járulhat hozzá a precíziós mezőgazdasági programok megvalósításához. Measurement of soil water content is complicated due to the soil heterogeneity and environmental variability. No single efficient method has been developed to map the different soil moisture zones at great depth at the field scale without disturbing the soil structure and paths of the waterflow. Partially or completely non-destructive measurement of soil moisture is provided by ground-penetrating radar (GPR), which offers high resolution and significant penetration depth for medium-scale soil moisture measurements, bridging the methodological gap between small-scale point-based and large-scale remote sensing techniques. In addition, this technique can be used with better time efficiency compared to other destructive or non-destructive procedures. GPR has been used for soil water content estimation including measuring soil water content profile, identifying specific soil water depths or soil water variation under irrigation conditions. Despite the high potential of GPR for hydrological investigations, it is important to realize that no single geophysical method is able to perform optimally under all conditions. For example, GPR is mostly restricted to areas with relatively low electrical conductivity (low attenuation of the electromagnetic wave). In addition, some of the GPR interpretation methods require the presence of well identifiable and continuous GPR reflections, which requires sufficient and spatially continuous subsurface contrast in dielectric permittivity. the essential requirement for plants to grow. Consequently, soil moisture is important for irrigation management particularly in semiarid and arid regions. In this paper, the literature of the principles of GPR measurements and utilization possibilities is summarized with the emphasis on the agricultural sector. GPR can be a beneficial measuring device that can help in mapping soil moisture distribution, taking into account infiltration, but also water loss caused by evaporation and plant water absorption. Consequently, it can be used in agriculture, due to its precision at high central frequency values, even (fine)root characteristics of the plants, essentially the xylem-water relationship can also be determined (xylem transports water and water-soluble minerals and supply water used during photosynthesis). In addition, GPR can provide valuable information regarding natural stratification and soil compaction. The data interpretation of GPR measurements, in addition to soil compaction causing a decrease in the moisture of soils (as three-phase systems), can in principle be extended to other aspects of agrotechnology, such as soil contamination studying. However, it has not been sufficiently explored, as no recent literature can be found on this subject. Soil radar can be a useful part of "Smart farming", which can help in the selection of soil moisture measuring sensors placed in the soil as part of it. Especially when associated with the recently released new simultaneous multi-offset and multichannel (SiMoc) GPR system, which enables fast soil profile mapping with seven receivers, but at the speed of a traditional single-channel GPR. If complete non-destruction is the goal, air-coupled GPRs mounted on a drone can provide an opportunity. It should be noted, however, that due to the significant signal attenuation (wave scattering) occurring at the soil-air interface, only a small penetration depth can be achieved.

Actions (login required)

Edit Item