文章导读
随着全球人口增长和气候变化的影响，精准农业成为提高农业生产效率和优化资源使用的重要策略。精准农业需要精确的土壤属性信息来指导田间管理。传统的土壤监测方法 (如土壤取样和实验室分析) 具有破坏性、耗时且成本高，不适合大规模应用或实时监测。探地雷达 (GPR) 和电磁感应 (EMI) 技术提供了一种非破坏性、高分辨率的土壤属性监测手段，能够在短时间内覆盖较大面积并获得土壤的时空变异性数据。来自加拿大纽芬兰纪念大学的Mumtaz Cheema教授等学者在 Remote Sensing 期刊发表了文章，探索GPR和EMI技术的潜在整合应用，以克服单一技术的限制并增强它们在土壤数据研究中的互补性。并通过文献综述识别当前研究中的知识空白和挑战 (图1)，为未来的研究方向提供指导。
图1. 文章综述流程图
研究过程与结果
本文通过深入的文献综述和元数据分析，对GPR和EMI技术在农业土壤属性评估中的应用进行了详尽的探讨和评估 (图2)。研究首先回顾了这两种技术的基本原理，包括其在不同频率和条件下对土壤介质的电磁响应，以及如何利用土壤的电磁特性来推断土壤的物理和化学属性。并结合这些技术在实际农业场景中的应用案例进行分析，重点讨论了它们在估算土壤水分含量 (SWC)、土壤盐分、容重和土壤压实度等方面的有效性和准确性。
图2. 从1995年到2022年，使用 (a) GPR和 (b) EMI估计的土壤性质和状态的占比情况。
通过对超过250篇相关文献的系统性分析，研究揭示了GPR和EMI技术相较于传统土壤测量方法的显著优势。这些优势包括能够进行快速、大面积的土壤属性监测，同时提供了高分辨率的空间数据，这对于精准农业实践尤为重要。这些技术能够为农业管理者提供实时数据，帮助他们做出更明智的决策，例如优化灌溉计划、施肥策略和土地管理。
然而，研究也指出了这些技术在实际应用中面临的挑战。GPR在高导电性土壤中的信号衰减问题可能会限制其测量深度和精度，而EMI测量则需要特定场地的校准来确保准确性。此外，不同土壤类型、结构和湿度条件对这两种技术的响应也存在差异。因此，研究者和实践者在应用这些技术时必须考虑这些因素。
为了克服这些挑战并提高土壤属性估算的准确性和实用性，文章提出了未来的研究方向，包括技术整合、算法优化和模型改进。特别是，文章强调了通过结合GPR和EMI技术的优势，可以更全面地评估土壤属性，从而为精准农业提供更有力的支持。例如，GPR可以提供土壤水分的高分辨率图像，而EMI可以提供关于土壤盐分和质地的综合信息。通过整合这两种技术的数据，可以更准确地划分管理区域，计算农业景观中最优的投入量。
研 究 总 结
本文概括了探地雷达 (GPR) 和电磁感应 (EMI) 技术在农业土壤属性评估中的有效性和潜力。这两种非破坏性技术因能够提供重复、节省劳动力、广泛空间覆盖的测量，并生成具有地理参考的土壤属性数据而受到重视。GPR和EMI技术通过测量土壤的介电常数和表观电导率，能够预测土壤的时空变异性，在估算土壤水分、盐分及其他属性方面展现出广泛的应用潜力，对精准农业具有重要意义。尽管存在实时数据处理和解释的挑战，但随着先进的商业解决方案的出现，这些技术表现出了良好的应用前景。
未来研究应当集中在如何整合GPR和EMI技术，以克服各自的局限性并发挥互补优势，从而在农业景观中同时评估多种土壤属性。这将需要在多变的田间条件下，进一步研究不同土壤属性对这两种技术测量结果的综合影响，以提高土壤属性预测的准确性和可靠性。通过这种方式，GPR和EMI技术将为精准农业提供更全面的支持，帮助优化农业投入的用量、时间和位置，从而提高农业生产效率和可持续性。
原文出自 Remote Sensing 期刊：https://www.mdpi.com/2327484
进入期刊英文主页：https://www.mdpi.com/journal/remotesensing
Remote Sensing 期刊介绍
主编：Prasad S. Thenkabail, USGS Western Geographic Science Center (WGSC), USA
期刊范围涵盖遥感科学所有领域，从传感器的设计、验证和校准到遥感在地球科学、环境生态、城市建筑等各方面的广泛应用。
2023 Impact Factor：4.2
2023 CiteScore：8.3
Time to First Decision：24.7 Days
Acceptance to Publication：2.8 Days
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