Рефлектометрияи интерферометрии GNSS (Global Navigation Satellite System Interferometric Reflectometry, GNSS-IR) усули пассивии рефлектометрия мебошад, ки аз интерференсияи байни сигнали микромавҷии GNSS-и мустақиман аз моҳвора омада ва сигнале, ки пас аз инъикос аз хок ё қабати растанӣ ба ҳамон қабулкунанда мерасад, истифода карда, ченкуниҳои ҳассос ба хусусиятҳои геометрӣ ва диэлектрикии сатҳро ба вуҷуд меорад. Ин таҳқиқот бо коркарди маълумоти GPS/GLONASS SNR, ки аз чор маъракаи саҳроӣ дар чарогоҳи доимии 2-гектараи шимолу ғарби Италия ҷамъоварӣ шудаанд, иқтидори GNSS-IR-ро барои пайгирии баландии соябанди растанӣ, зичии қабати растанӣ ва тағйироти намӣ омӯхтааст. Арзёбии баландии соябанди растанӣ бо ченкуниҳои заминӣ коррелятсияи r = 0.89 нишон дод, хатои миёна −0.067 m ва MAPE %18 буд. Байни амплитудаи ларзиши dSNR ва Sentinel-2 NDVI r = −0.81, байни аъзои фазаи диэлектрикӣ ва намии саҳроии хок r = 0.86 робита гузориш шудааст. Аммо азбаски таҳлил танҳо ба қиматҳои агрегатшудаи чор сана асос ёфтааст, натиҷаҳо набояд ҳамчун муодилаҳои калибровкаи умумӣ барои шароити гуногуни кишоварзӣ тафсир шаванд, балки ҳамчун далели ибтидоии саҳроӣ, ки ҳассосияти нишондиҳандаҳои GNSS-IR-ро ба сохтори растанӣ ва тағйироти диэлектрикӣ нишон медиҳад.

Равиши таҳқиқот кӯшиш намекунад, ки тамоми хусусиятҳои майдонро аз як параметри GNSS-IR барорад. Басомади ларзиш ва баландии маркази фаза, ки аз он ҳисоб карда мешавад, бо сохтори амудии растанӣ; сустшавии амплитудаи ларзиш бо зичии соябанди растанӣ ва сустшавии электромагнитӣ; аъзои фазаи диэлектрикӣ бошад бо тағйироти иҷозатпазирии комплексии муҳити хок–растанӣ, махсусан тағйироте, ки аз намӣ сар мезананд, пайваст карда шудааст. Ин тафсири бисёрпараметрӣ нишон медиҳад, ки аз як сигнали GNSS метавон дар бораи ҷузъҳои гуногуни физикӣ маълумоти иловагии ҳамдигарро пуркунанда гирифт. Аммо таҳқиқот системаи инверсияеро, ки ҳиссаҳои сохторӣ ва диэлектрикиро комилан аз ҳам ҷудо кунад, таҳия накардааст.

Ҷолибияти амалии GNSS-IR дар он аст, ки ба ҷойи тавлиди сигнали фаъоли нави радарӣ аз сигналҳои мавҷудаи моҳвораҳои GNSS, ки пайваста пахш мешаванд, истифода мебарад. Ин метавонад барои ҳамгиро кардани усул ба истгоҳҳои собити GNSS, техникаи кишоварзӣ ё дар оянда ба қабулкунандаҳои арзон имконият фароҳам оварад. Аммо қабулкунандаи дар таҳқиқот истифодашуда Topcon HiPer Pro-и дараҷаи таҳқиқотӣ мебошад; кори смартфон ё дастгоҳҳои арзон дар ин таҷриба санҷида нашудааст.

Мушкилоти мониторинги кишоварзӣ

Баландии растанӣ, зичии соябанди растанӣ ва намии хок тағйирёбандаҳои асосии биофизикӣ мебошанд, ки равандҳои гуногуни кишоварзиро тавсиф мекунанд. Геометрияи соябанди растанӣ бо гирифтани рӯшноӣ, транспиратсия ва мутақобилаи атмосфера–растанӣ; намии хок бошад бо сабзиш, азхудкунии ғизо, равандҳои микробӣ ва стресси обӣ вобаста аст. Азбаски ин тағйирёбандаҳо дар як майдон бо вақт ва ҷой тағйир ёфта метавонанд, ченкуниҳои камшумори нуқтавӣ метавонанд барои ифодаи ҳолати тамоми минтақа нокифоя бошанд.

Мушоҳидаҳои оптикии моҳвораӣ метавонанд минтақаҳои васеъро мунтазам тасвир кунанд, аммо аз абр, аэрозол ва шароити рӯшноӣ таъсир мегиранд ва сохтори сеандозаи соябанди растаниро мустақиман чен намекунанд. LiDAR метавонад геометрияи соябанди растаниро бо дақиқии баланд муайян кунад, вале ҳамчун мушоҳидаи доимии моҳвораӣ бо ҳалнокии баланди вақтӣ васеъ истифода намешавад. Системаҳои радарӣ ва микромавҷии пассивӣ ба намӣ ва миқдори оби растанӣ ҳассосанд, аммо дар миқёси майдон маҳдудиятҳои ҳалнокии вақтӣ/фазоӣ дошта метавонанд.

Фосилаи мушоҳидавие, ки таҳқиқот ба он мепардозад, омӯзиши як усули миқёси саҳроӣ мебошад, ки ҳамзамон ба сохтори растанӣ ва тағйироти диэлектрикии вобаста ба намӣ ҳассос буда, бо басомади баланди вақтӣ кор карда тавонад.

GNSS-IR дар мониторинги кишоварзӣ чӣ гуна кор мекунад?

GNSS-IR сигнали мустақиман аз моҳвораи GNSS ба антенна расида ва сигналеро, ки аз хок ва қабати растанӣ инъикос шуда, роҳи дарозтарро тай карда ба ҳамон антенна мерасад, якҷо чен мекунад; фарқи фазаи байни ду роҳ дар SNR ларзишҳои мунтазами интерференсионӣ ба вуҷуд меорад ва басомад, амплитуда ва фазаи ин ларзишҳо метавонанд мутаносибан дар бораи геометрияи сатҳ, сустшавии сигнал ва хусусиятҳои диэлектрикӣ маълумот диҳанд.

Интерференсияи сигнали мустақим ва инъикосшуда

Манбаъ таносуби сигнал ба ғавғоро, ки қабулкунандаи GNSS мушоҳида мекунад, бо Муодилаи (1a) ифода мекунад:

\[ \mathrm{SNR}(\theta)= \frac{|\widetilde{S}(\theta)|^2} {|\widetilde{N}(\theta)|^2} \tag{1a} \]

\(\theta\) кунҷи баландии моҳвора мебошад. \(\widetilde{S}\) сигнали умумии комплексиро, ки ба қабулкунанда мерасад, ва \(\widetilde{N}\) ҷузъи ғавғоро ифода мекунад.

Интерференсияи майдонҳои мустақим ва инъикосшуда дар қувваи умумии сигнали қабулшуда дар манбаъ чунин кушода мешавад:

\[ |\widetilde{S}(\theta)|^2 = |\widetilde{S}_d(\theta)+\widetilde{S}_r(\theta)|^2 = A_d^2(\theta)+A_r^2(\theta) + 2A_d(\theta)A_r(\theta)\cos(\Delta\phi) \tag{1b} \]

\(A_d\) амплитудаи сигнали мустақим ва \(A_r\) амплитудаи сигнали инъикосшуда мебошад. \(\cos(\Delta\phi)\), ки дар аъзои охирин ҷой дорад, нишон медиҳад, ки чаро SNR ҳангоми ҳаракати моҳвора даврӣ боло ва поён меравад.

Фарқи фаза дар манбаъ:

\[ \Delta\phi = \frac{2\pi}{\lambda}(R_1-R_2) = \frac{2\pi}{\lambda}\,2(h_a-h_v)\sin\theta \tag{1c} \]

ба ин шакл дода шудааст. \(\lambda\) дарозии мавҷи интиқолдиҳанда, \(h_a\) баландии антенна аз сатҳи замин ва \(h_v\) баландии маркази фазаи муассири қабати растанӣ мебошад. \(R_1-R_2\) фарқи геометрии роҳи байни роҳҳои мустақим ва инъикосшударо ифода мекунад.

Натиҷаи асосии муодила чунин аст: ҳар қадар фарқи баландӣ байни антенна ва маркази фазаи муассири инъикоскунанда зиёд шавад, тағйироти фазаи вобаста ба кунҷи баландии моҳвора низ тағйир меёбад. Аз ин рӯ, басомади ларзиши SNR метавонад ба маълумоти геометрии баландӣ табдил дода шавад.

Чаро танҳо кунҷҳои баландии 5°–30° истифода шуданд?

Ҳангоми баланд шудани моҳвора дар осмон фарқи геометрии байни роҳҳои сигнали мустақим ва инъикосшуда кам мешавад. Дар ин ҳолат амплитуда ва қобилияти ҷудокунии ларзишҳои multipath-интерференсия паст мешавад. Манбаъ нишон додааст, ки имзои интерференсия дар фосилаи 5°–30° равшантар аст ва қиматҳои SNR берун аз ин фосиларо ниқоб кардааст.

Дар кунҷҳои пасти баландӣ минтақаи сатҳе, ки ба расидани сигнали инъикосшуда ба қабулкунанда саҳм мегузорад, тақрибан бо минтақаи якуми Fresnel ифода карда мешавад. Манбаъ ниммеҳварҳо ва масофаи нуқтаи инъикосро то антенна чунин медиҳад:

\[ a= \frac{\sqrt{\lambda h_a\sin\theta}} {(\sin\theta)^2} \tag{2a} \]

\[ b= \frac{\sqrt{\lambda h_a\sin\theta}} {\sin\theta} \tag{2b} \]

\[ d= \frac{h_a}{\tan\theta} \tag{2c} \]

\(a\) ва \(b\) ниммеҳварҳои тахминии эллипси Fresnel ва \(d\) масофаи уфуқии нуқтаи инъикос аз антеннаро ифода мекунанд.

Вақте ҳамаи роҳҳои мувофиқи моҳвора дар таҳқиқот якҷо арзёбӣ шуданд, ҳисоб карда шуд, ки GNSS-IR дар ҳар маъракаи саҳроӣ аз тақрибан 5000 m² майдони замин маълумоти инъикос гирифтааст. Ин footprint нисбат ба зонди нуқтавии хок ё як ченкунии хаткашак минтақаи хеле васеътарро ифода мекунад; аммо гетерогении дохили майдон низ ба як қисми номуайянии ченкунӣ табдил меёбад.

Контексти саҳроӣ ва фенологӣ

Майдони таҷриба як чарогоҳи доимии сернамуди 2-гектара дар Pogliola, Piedmont, шимолу ғарби Италия мебошад. Қабати растанӣ асосан аз навъҳои Gramineae ва Leguminosae иборат аст. Дар соли 2025 майдон 20 май, 8 июл ва 13 август даравида шуда, 15 сентябр чаронда шудааст.

Чаро Sentinel-2 истифода шуд?

Маълумоти Sentinel-2 вуруди модели GNSS-IR нест. Таҳқиқот NDVI-ро барои арзёбии мустақили он истифода бурд, ки оё амплитудаи ларзиши GNSS-IR ба тағйироти мавсимии зичии қабати растанӣ ҳассос аст ё не.

Аз давраи 1 апрел–1 октябр дар маҷмӯъ 90 тасвири Sentinel-2 Level-2A Harmonized дар Google Earth Engine коркард шуда, пикселҳои абр/cirrus/соя бо Scene Classification Layer хориҷ карда шуданд. Дар ҳар санаи дуруст NDVI аз бандҳои 10 m NIR ва сурх ҳисоб карда шуда, барои чор маъракаи GNSS медианаи минтақа гирифта шуд.

NDVI дар ин таҳқиқот ченаки мустақими миқдории биомасса ё Leaf Area Index нест. Манбаъ NDVI-ро танҳо ҳамчун proxy-и нисбӣ барои ифодаи тағйироти мавсимии қабати сабзи растанӣ ва зичии соябанди растанӣ тафсир кардааст.

Истинодҳои заминӣ

Барои намии хок сенсори иқтидорноки Drill & Drop Bluetooth дар чуқурии 10 cm ҷойгир карда шуда, миқдори ҳаҷмии об ҳар соат сабт шудааст. Дар рӯзҳои маъракаи GNSS қиматҳои SMC байни 08:00–14:00 миёна гирифта шуданд.

Баландии соябанди растанӣ \(h_v\) бошад дар ҳафт нуқта дар атрофи антеннаи GNSS бо хаткашаки амудӣ нисбат ба замин чен карда шуд. Миёна ва инҳирофи стандартии ченкуниҳои заминӣ ҳисоб карда шуданд.

Аз SNR ба dSNR

Силсилаи вақти SNR-и хом танҳо сигнали инъикосшударо дар бар намегирад. Бо сабаби gain pattern-и антенна ва таъсирҳои атмосферӣ, сигнали мустақим бо баланд шудани моҳвора тамоюли ҳамвор ба вуҷуд меорад. Манбаъ ин тамоюли детерминистии пастбасомадро нисбат ба \(\sin\theta\) ҳамчун тағйирёбандаи мустақил бо модели дараҷаи дуюм хориҷ карда, силсилаи SNR-и аз тамоюл тозашуда (dSNR)-ро бо миёнаи наздик ба сифр ба вуҷуд овардааст.

Пас аз ин коркард, ларзишҳои мунтазами дохили dSNR асосан таъсирҳои геометрӣ ва электромагнитии ҷузъи когерентии аз сатҳ инъикосшударо дар бар мегиранд.

GNSS-IR баландии растаниро чӣ гуна баҳогузорӣ мекунад?

GNSS-IR баландии растаниро мустақиман ба таври визуалӣ намеченад; басомади доминантии ларзишҳои dSNR-ро нисбат ба \(\sin\theta\) бо periodogram-и Lomb–Scargle муайян мекунад, ин басомадро ба баландии рефлектор байни антенна ва маркази фазаи муассири инъикоскунанда табдил медиҳад ва бо тарҳ кардани баландии рефлектор аз баландии антенна, баландии маркази фазаи соябанди растанӣ \(h_v\)-ро ба даст меорад.

Periodogram-и Lomb–Scargle

Манбаъ таркиби гармоникии силсилаи dSNR-ро нисбат ба \(\sin\theta\) бо periodogram-и Lomb–Scargle таҳлил мекунад. Шакли асосии матритсаи истифодашуда:

\[ P(\omega)=0.5\,\beta(\omega)^{T}\beta(\omega) \tag{3a} \]

\[ \beta(\omega) = \left[X(\omega)^TX(\omega)\right]^{-1} X(\omega)^Ty \tag{3b} \]

ва:

\[ X(\omega)= \begin{bmatrix} \cos(\omega\sin\theta_1) & \sin(\omega\sin\theta_1)\\ \vdots & \vdots\\ \cos(\omega\sin\theta_n) & \sin(\omega\sin\theta_n) \end{bmatrix} \tag{3c} \]

мебошад. \(y\) мушоҳидаҳои dSNR, \(n\) шумораи мушоҳидаҳо дар силсилаи вақт ва \(\omega=2\pi f\) тағйирёбандаи спектралии кунҷиро ифода мекунад.

\(f\) дар ин ҷо басомади Hertz нисбат ба вақт нест. Манбаъ онро ҳамчун даврҳои ларзиш ба ҳар воҳиди \(\sin\theta\) муайян мекунад. Фосилаи ҷустуҷӯ 0.1–50 cycles per unit of \(\sin\theta\), қадам 0.01 мебошад.

Аз басомади доминантӣ ба баландии соябанди растанӣ

Манбаъ Муодилаи (4a)-ро дар шакли чопшуда чунин медиҳад:

\[ f= \frac{\partial\Delta\phi}{\partial t} \frac{1}{2\pi} \simeq \frac{2RH}{\lambda} \tag{4a} \]

Ёддошти нотацияи манбаъ: Гарчанде дар ҳамон бахш \(f\) ҳамчун басомади ларзиш ба ҳар воҳиди \(\sin\theta\) муайян шудааст, тағйирёбандаи ҳосила дар Муодилаи (4a) дар PDF-и манбаъ ҳамчун \(t\) чоп шудааст. Verianla ин ифодаро ба тағйирёбандаи дигаре, ки дар манбаъ навишта нашудааст, хомӯшона иваз намекунад.

Пас аз ба даст омадани басомад, баландии рефлектор:

\[ RH=\frac{f\lambda}{2} \tag{4b} \]

ва баландии маркази фазаи растанӣ:

\[ h_v=h_a-RH \tag{4c} \]

ҳисоб карда мешавад.

\(h_a\) баландии антенна аз замин, яъне 2 m аст. \(RH\) масофаи байни антенна ва маркази фазаи муассири инъикоскунандаро, \(h_v\) бошад баландии ин маркази фазаро аз сатҳи замин ифода мекунад.

Назорати сифат

Пас аз филтркунӣ, гарчанде дар аввал барои ҳар маърака тақрибан 100 роҳ мавҷуд буд, камтар аз %8 ҳамаи роҳҳои моҳвораӣ барои моделсозии ниҳоӣ боқӣ монданд. Ин ҳолат сифат ва тафсирпазирии физикии маълумоти боқимондаро беҳтар мекунад, аммо метавонад дар намояндагии шароити мураккаби парокандашавӣ таъсири интихоб ба вуҷуд оварад.

Модели ғайрихаттии dSNR

Пас аз муайян шудани басомади геометрии доминантӣ ва \(h_v\), манбаъ дар марҳилаи дуюм барои ҷудо кардани амплитудаи ларзиш ва фазаи диэлектрикӣ модели ғайрихаттии гармоникиро истифода кардааст:

\[ dSNR(\theta) = A(\theta) \cos \left[ \phi_{geom}(\theta)+\phi_{die}(\theta) \right] \tag{5a} \]

Шакли татбиқшудаи модел:

\[ dSNR(\theta) = A_0e^{m_0\sin\theta} \cos \left[ \frac{4\pi}{\lambda}(h_a-h_v)\sin\theta+\phi_0 \right] \tag{5b} \]

мебошад.

\(A_0\) миқёси асосии амплитуда, \(m_0\) сустшавии амплитудаи вобаста ба кунҷи баландӣ ва \(\phi_0\) ҷойивазкунии тақрибан доимии фазаро, ки ба рафтори диэлектрикии муҳити инъикоскунанда вобаста аст, ифода мекунад. \(h_v\) дар ин марҳила озодона аз нав оптимизатсия нашудааст; маълумоти геометрии аз таҳлили басомади Lomb–Scargle гирифташуда собит нигоҳ дошта шудааст.

Fit-и ғайрихаттӣ дар муҳити R бо функсияи `nlsLM` аз бастаи `minpack.lm`, бо алгоритми bounded least-squares Levenberg–Marquardt анҷом дода шудааст. Амплитудаи ибтидоӣ ба қимати максималии мушоҳидашудаи dSNR, \(m_0=-0.1\), \(\phi_0=0\) гузошта шудааст. Ҳудудҳо ба шакли \(A>0\), \(m\le0\) ва \(\phi\in[-\pi,\pi]\) мебошанд.

Модели физикии майдони инъикосшуда

Манбаъ инъикоси когерентӣ ва ғайрикогерентиро бо:

\[ \widetilde{S}_r(\theta) = |\Gamma(\theta,\widetilde{\varepsilon})| e^{j\,\angle[\Gamma(\theta,\widetilde{\varepsilon})]} + \widetilde{S}_{incoh} \tag{5c} \]

тавзеҳ медиҳад.

\(\Gamma\) коэффисиенти Fresnel мебошад, ки ба иҷозатпазирии комплексии муассири муҳити хок–растанӣ \(\widetilde{\varepsilon}\) вобаста аст. Ҷузъи \(\widetilde{S}_{incoh}\), ки аз самтгирии тасодуфии барг, поя, холигӣ ва гетерогении намӣ ба вуҷуд меояд, ба ҷойи тавлиди ларзиши детерминистӣ сатҳи ғавғоро баланд мекунад.

Аз ин рӯ, ҷузъи гармоникии маънодори dSNR натиҷаи мушоҳидашавандаи интерференсияи на тамоми майдони инъикосшуда, балки қисми ба қадри кофӣ когерент боқимондаи он бо сигнали мустақим мебошад.

Чаро маркази фаза метавонад аз қуллаи воқеии растанӣ поёнтар бошад?

Соябанди чарогоҳ ё майдони кишт аз нигоҳи микромавҷ як сатҳи сахти ягона нест. Баргҳо ва пояҳо дар баландии гуногун парокандашавӣ ба вуҷуд меоранд. Манбаъ ин сохтори тақсимшударо бо:

\[ \widetilde{S}_r(\theta) = \int_{z_0}^{z_0+h_{top}} F_v(z,\theta)e^{ikz}\,dz \tag{6} \]

ифода мекунад.

\(F_v(z,\theta)\) профили амудии рефлективияти соябанди растанӣ; \(z_0\) сатҳи замин, \(h_{top}\) баландии физикии соябанди растанӣ ва \(k=4\pi/\lambda\) адади мавҷ мебошад.

Маркази фазаи ин тақсимот:

\[ PCH(\theta)= \frac{ \int_{z_0}^{z_0+h_{top}} z\,F_v(z,\theta)\,dz }{ \int_{z_0}^{z_0+h_{top}} F_v(z,\theta)\,dz } \tag{7} \]

таъриф мешавад.

Муодилаи (7) мефаҳмонад, ки чаро GNSS-IR ҳатман сатҳи баландтарини барги бо хаткашак ченшударо намедиҳад. Азбаски дар қабатҳои амиқтари растанӣ сустшавӣ ва парокандашавӣ зиёд мешавад, маркази вазни инъикоси когерентӣ метавонад аз қуллаи физикии соябанди растанӣ поёнтар бошад. Bias-и манфии баландие, ки дар таҳқиқот мушоҳида шудааст, бо ҳамин рафтори маркази фаза вобаста карда шудааст.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Занҷири ҷамъоварӣ ва санҷиши маълумот

Натиҷаи баландии соябанди растанӣ

Арзёбиҳои баландӣ махсусан дар давраи июн–июл шароити баландтари соябанди растанӣ ва дар давраи август–сентябр шароити пасттари пас аз даравро пайгирӣ кардаанд. Манбаъ баррасӣ мекунад, ки дар июн–июл баландии растанӣ тақрибан 50 cm буд ва давраҳои баъдии дарав ҳам баландӣ ва ҳам қиматҳои NDVI-ро кам карданд.

Зичии соябанди растанӣ ва амплитудаи dSNR

Байни Sentinel-2 NDVI ва амплитудаи модели dSNR, ки барои θ = 15° ҳисоб шудааст:

r = −0.81

робита пайдо шудааст.

Аломати манфӣ нишон медиҳад, ки бо зичтар шудани қабати растанӣ амплитудаи ларзиши dSNR кам мешавад. Тафсири физикии манбаъ ин аст, ки зиёд шудани масоҳати барг, биомасса ва миқдори об инъикоси когерентии L-band-ро суст мекунад.

Ин натиҷа маънои онро надорад, ки NDVI аз ҷониби GNSS-IR баҳогузорӣ шудааст. NDVI танҳо proxy-и мустақил барои арзёбии ҳассосияти параметри амплитудаи GNSS-IR ба рушди қабати растанӣ мебошад.

Намии хок ва фазаи диэлектрикӣ

Байни ченкунии заминии soil moisture content (SMC) ва \(|\phi_{die}|\):

r = 0.86

робитаи мусбат пайдо шудааст.

Азбаски зиёд шудани миқдори оби хок иҷозатпазирии комплексии муҳити хок–растаниро тағйир медиҳад, фазаи коэффисиенти инъикоси Fresnel низ метавонад тағйир ёбад. Аз ин рӯ, манбаъ параметри \(\phi_0\)-ро ҳамчун нишондиҳандаи ҳассос ба тағйироти диэлектрикии вобаста ба намӣ тафсир мекунад.

Оё GNSS-IR дар ин таҳқиқот метавонад сохтори растанӣ ва намии хокро комилан аз ҳам ҷудо кунад?

Не. Таҳқиқот дастгирӣ мекунад, ки баландии соябанди растанӣ, сустшавии амплитудаи dSNR ва фазаи диэлектрикӣ мутаносибан ба сохтор, зичии соябанди растанӣ ва тағйироти намӣ ҳассосиятҳои гуногун нишон медиҳанд; аммо азбаски сигнали инъикосшудаи GNSS аз муҳити электромагнитии якҷояи хок ва қабати растанӣ меояд, саҳмҳои сохторӣ ва диэлектрикӣ дар ин маҷмӯи маълумот комилан ва дақиқ ҷудо карда нашудаанд.

Маънои ҳамдигарро пуркунандаи се нишондиҳандаи GNSS-IR

Ин ҷадвал маънои онро надорад, ки се параметр ченкуниҳои физикии комилан мустақил мебошанд. Дар як раванди инъикос геометрия, зичии соябанди растанӣ, миқдори об ва сохтори парокандашавӣ метавонанд ба ҳамдигар таъсир расонанд. Хулосаи манбаъ ин аст, ки параметрҳои гуногуни GNSS-IR ба ҷузъҳои гуногуни физикӣ ҳассосияти бартаридошта нишон медиҳанд; separation-и комил ҳанӯз ба даст наомадааст.

Номувофиқии усул–натиҷа дар натиҷаҳои намии хок

Бахши усул NDVI ва SMC-ро ҳамчун ҳадафи мустақими retrieval муайян намекунад ва мегӯяд, ки робита бо ин ду истинод танҳо тавассути коррелятсияи Pearson арзёбӣ мешавад. Бо вуҷуди ин, дар бахши натиҷаҳо барои SMC инчунин “ME = −5.3” ва “MAPE = %21” оварда шудааст.

Манбаъ дар бахши усул шарҳ намедиҳад, ки чӣ гуна байни \(\phi_{die}\) ва SMC баҳогузории мустақими SMC ҳосил шудааст ва ин ду метрикаи хато аз кадом занҷири ҳисоббарорӣ гирифта шудаанд. Аз ин рӯ, Verianla ин ду рақамро ҳамчун метрикаи тасдиқшудаи “GNSS-IR soil-moisture retrieval error” истифода намекунад. Робитаи миқдорие, ки бо эътимод дастгирӣ мешавад, Pearson \(r=0.86\) мебошад.

Ҳудуди омории коррелятсияҳо

Ҳамаи коррелятсияҳои асосӣ танҳо ба қиматҳои агрегатшудаи чор маъракаи саҳроӣ асос ёфтаанд: \(n=4\). Аз ин рӯ, манбаъ возеҳ мегӯяд, ки коррелятсияҳо бояд на ҳамчун умумисозии қатъии оморӣ, балки ҳамчун нишондиҳандаи робитаҳои физикӣ тафсир шаванд.

Чор сана такрорҳои тасодуфии як шароит нестанд; онҳо режимҳои гуногуни фенологии пеш аз дарав ва баъд аз даравро ифода мекунанд. Ин гуногунӣ барои нишон додани вокуниши усул ба ҳолатҳои гуногуни саҳроӣ кумак мекунад, аммо шумораи намунаҳоро зиёд намекунад.

Филтркунӣ ва selection bias

Филтрҳои сифат роҳҳоеро интихоб мекунанд, ки дар SNR ларзиши когерентии multipath бо тафсири физикӣ доранд. Ин равиш ҳалҳои пурғавғо ва ноустуворро кам мекунад.

Ҷониби дигари масъала ин аст, ки роҳҳои моҳвораӣ дар шароити соябанди гетерогенӣ, геометрияи мураккаби инъикос ё намии тезтағйирёбанда, ки ба фарзияҳои модел камтар мувофиқанд, метавонанд аз маҷмӯи маълумот бештар хориҷ шаванд. Аз ин рӯ, муаллифон қайд мекунанд, ки роҳҳои ниҳоӣ намунаи бетарафи тамоми шароити саҳроӣ нестанд, балки мушоҳидаҳое мебошанд, ки модел дар онҳо равшантар кор мекунад.

Bias-и манфӣ дар баландии Lomb–Scargle

Periodogram-и Lomb–Scargle воситаи пурқувват барои ёфтани басомади доминантии ларзиш дар намунаҳои SNR-и нобаробартақсим мебошад; аммо равзанаи маҳдуди кунҷи моҳвора метавонад spectral leakage ба вуҷуд оварад. Роҳҳои иловагии инъикос низ метавонанд ба қуллаи асосии periodogram таъсир расонанд.

Манбаъ баррасӣ мекунад, ки ин таъсирҳо метавонанд басомади доминантиро каме ба поён ҳаракат диҳанд ва ин ҳамчун bias дар баҳогузории баландии рефлектор инъикос шавад. Илова бар ин, яке аз сабабҳои асосии физикӣ ҳаҷман парокандакунанда будани соябанди растанӣ аст: маркази фаза аз сатҳи физикии боло поёнтар аст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

Таҳқиқот дастгирӣ мекунад, ки дар чор шароити гуногуни фенологии саҳроӣ сигнали GNSS-IR dSNR тағйироти систематикии вобаста ба сохтори соябанди растанӣ ва намиро дар бар мегирад.

Таҳқиқот дастгирӣ мекунад, ки баландии рефлектори GNSS-IR дар асоси Lomb–Scargle метавонад тағйироти баландии соябанди чарогоҳро пайгирӣ кунад ва бо истиноди хаткашак робитаи қавӣ нишон диҳад.

Таҳқиқот дастгирӣ мекунад, ки сустшавии амплитудаи dSNR ба тағйироти мавсимии зичии соябанди растанӣ/NDVI ва параметри фазаи диэлектрикӣ ба тағйироти намии саҳро ҳассос аст.

Таҳқиқот дастгирӣ мекунад, ки GNSS-IR аз як инфрасохтори мушоҳида метавонад якчанд канали иттилооти биофизикии кишоварзиро ба даст орад.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад

Таҳқиқот нишон намедиҳад, ки GNSS-IR дар ҳамаи намудҳои зироат бо хатои %18 баландии соябанди растанӣ кор мекунад.

Таҳқиқот нишон намедиҳад, ки \(\phi_{die}\) ченаки софи намии хок аст, ки аз таъсири қабати растанӣ комилан пок шудааст.

Таҳқиқот нишон намедиҳад, ки обёрии саҳро ба таври худкор бо GNSS-IR идора шудааст ё истеъмоли об кам карда шудааст.

Таҳқиқот нишон намедиҳад, ки системаҳои арзони GNSS дар смартфон ҳамон самаранокиро медиҳанд; истифодаи смартфон самти кори оянда мебошад.

Таҳқиқот нишон намедиҳад, ки ҳамин робитаҳо дар maize, wheat, soybean ё дигар зироатҳои саҳроӣ тасдиқ шудаанд.

Маҳдудиятҳои асосӣ

Самтҳои таҳқиқоти оянда

Манбаъ намунагирии зичтари вақтӣ, майдонҳои бештар, меъмориҳои гуногуни зироат ва санҷишро дар шароити гетерогенӣ пешниҳод мекунад. Аз ҷумла maize, wheat ва soybean дар қатори зироатҳое ҳастанд, ки дар оянда санҷиданашон пешбинӣ шудааст.

Моделҳои чандиртари multi-frequency ё time-varying harmonic, равишҳои robust regression ва моделҳои физикии scattering, ки гетерогении соябанди растаниро бевосита ба назар мегиранд, метавонанд барои гирифтани параметрҳо бе аз даст додани роҳҳои зиёди GNSS таҳқиқ шаванд.

Қабулкунандаҳои арзони ду-басомадаи GNSS ва сенсорҳои смартфон низ ҳамчун роҳҳои миқёспазири истифода дар оянда нишон дода шудаанд. Ин имконият натиҷаи санҷидашудаи таҳқиқоти ҷорӣ нест, балки самти рушди ояндаи муаллифон мебошад.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Унвони аслӣ: Monitoring Crop Structure and Moisture Using GNSS Interferometric Reflectometry Based on SNR Modeling

Муаллифон: Samuele De Petris; Enrico Borgogno-Mondino

Муаллифи масъул: Enrico Borgogno-Mondino

Муассиса: Department of Agriculture, Forestry and Food Science, University of Turin, Grugliasco, Italy.

Маҷалла: Agronomy

Ношир: MDPI

Ҷилд / Шумора / Мақола: 16 / 9 / 922

DOI: 10.3390/agronomy16090922

Санаҳо: Қабул шуд: 25 март 2026; таҷдид шуд: 27 апрел 2026; пазируфта шуд: 29 апрел 2026; нашр шуд: 1 май 2026.

Навъи манбаъ: Мақолаи таҷрибавии таҳқиқотии аз баррасии ҳамсолон гузашта; ченкунии саҳроии GNSS, рефлектометрияи интерферометрии микромавҷӣ, таҳлили спектралӣ ва моделсозии ғайрихаттии сигнал.

Нусха: Version of Record.

Иҷозатнома: Creative Commons Attribution (CC BY). Азбаски дар матни намоёни иҷозатномаи PDF рақами версия алоҳида нишон дода нашудааст, версияи иҷозатнома тахмин карда нашудааст.

Майдони асосӣ: Pogliola, Piedmont, шимолу ғарби Италия; 2 ha чарогоҳи доимии сернамуд.

Қабулкунандаи GNSS: Topcon HiPer Pro; GPS ва GLONASS; L1/L2; баландии антенна 2 m; 1 Hz.

Маъракаҳои GNSS: 1 июн, 4 июл, 2 август ва 7 сентябр 2025.

Маълумоти ёрирасони оптикӣ: Copernicus Sentinel-2 Level-2A Harmonized; 90 тасвир; 1 апрел–1 октябр 2025; Google Earth Engine.

Истиноди намии хок: Сенсори иқтидорноки Drill & Drop Bluetooth; чуқурии 10 cm; hourly volumetric water content.

Истиноди баландии соябанди растанӣ: Ченкунии дастии хаткашак дар ҳафт нуқта атрофи антеннаи GNSS.

Коркарди асосии сигнал: Ҷудокунии камони ascending/descending; 5°–30° elevation mask; quadratic detrending; periodogram-и Lomb–Scargle; nonlinear harmonic regression.

Фосилаи басомади LSP: 0.1–50 cycles per unit of sin θ; қадам = 0.01.

Филтрҳои сифат: P2N > 3 dB-Hz; Δθ > 15°; 0.05 m < h_v < 2 m; nonlinear model R² > 0.6.

Fit-и ғайрихаттӣ: R `nlsLM`, `minpack.lm`; bounded least-squares Levenberg–Marquardt.

Натиҷаҳои асосӣ: Баландии соябанди растанӣ r = 0.89, ME = −0.067 m, MAPE = %18; NDVI бо амплитудаи dSNR r = −0.81; SMC бо фазаи мутлақи диэлектрикӣ r = 0.86.

Маҳдудияти намунаи оморӣ: Муқоисаҳои асосӣ ба қиматҳои агрегатшудаи чор маърака асос меёбанд, n = 4.

Маблағгузорӣ: Таҳқиқот маблағгузории беруна нагирифтааст.

Дастрасии маълумот: Гузориш шудааст, ки маълумот бо дархост пешниҳод карда мешавад.

Маводи иловагӣ: Table S1 шумораи роҳҳои моҳвораиро пас аз ҳар марҳилаи назорати сифат дар бар мегирад.

Баррасии манфиатҳо: Муаллифон бархӯрди манфиатҳоро гузориш накардаанд.

Саҳми муаллифон: Samuele De Petris вазифаҳои консептуализатсия, усул, нармафзор, санҷиш, таҳлили формалӣ, куратсияи маълумот, тарҳи аввал ва визуализатсияро иҷро кардааст. Таҳқиқот ва захираҳо байни ду муаллиф тақсим шудаанд. Enrico Borgogno-Mondino вазифаҳои машварат, идоракунии лоиҳа ва дарёфти маблағгузориро иҷро кардааст; ҳар ду муаллиф дар баррасӣ ва таҳрир саҳм гузоштаанд.

Огоҳии нотация дар манбаъ: Гарчанде матн тағйирёбандаи спектралии Lomb–Scargle-ро ҳамчун даври ларзиш ба ҳар воҳиди sin θ муайян мекунад, дар Муодилаи (4a) тағйирёбандаи ҳосила ҳамчун t чоп шудааст. Ин ифода аз ҷониби Verianla хомӯшона тағйир дода нашудааст.

Огоҳии усул/натиҷа дар манбаъ: Бахши усул мегӯяд, ки дар муқоисаи soil moisture ва NDVI танҳо Pearson r истифода мешавад, аммо бахши натиҷаҳо барои soil moisture ҳамчунин ME = −5.3 ва MAPE = %21 гузориш мекунад. Азбаски тарзи ба даст овардани ин метрикаҳои хато шарҳ дода нашудааст, онҳо ҳамчун нишондиҳандаи мустақили retrieval-и намӣ истифода нашудаанд.

Маҳдудияти асосии методологӣ: Бо сабаби як майдон, як навъи соябанди растанӣ, чор маърака, истинодҳои камшумори заминӣ ва филтрҳои сахти сифат, натиҷаҳо барои системаи амалии бисёрзироатии кишоварзӣ калибровкаи ниҳоӣ нестанд.

Ҳудуди асосии тафсири илмӣ: Таҳқиқот дастгирӣ мекунад, ки нишондиҳандаҳои GNSS-IR ба сохтори растанӣ ва тағйироти диэлектрикӣ/намӣ ҳассосияти гуногун нишон медиҳанд; он нишон намедиҳад, ки ин ду саҳми физикӣ пурра аз ҳам ҷудо карда шудаанд.