Sub-Meter Remote Sensing of Soil Moisture Using Portable L-band Microwave Radiometer
यह अध्ययन मध्य इलिनॉय में एक पोर्टेबल एल-बैंड रेडियोमीटर (PoLRa) से प्राप्त सब-मीटर मृदा नमी पुनर्प्राप्ति (रिट्रीवल) की उच्च सटीकता और निरंतरता को प्रमाणित करता है, जो यह दर्शाता है कि नासा के SMAP एल्गोरिदम इसके डेटा को भविष्य के अंतरिक्ष-आधारित सेंसरों के लिए एक विश्वसनीय संदर्भ के रूप में कार्य करने हेतु प्रभावी ढंग से संसाधित कर सकते हैं।
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कल्पना कीजिए कि आप यह मापने की कोशिश कर रहे हैं कि एक स्पंज में कितना पानी है। यदि आप इसके बस एक छोटे से कोने को निचोड़ते हैं, तो आपको एक गीला रीडिंग मिल सकता है, लेकिन बाकी का स्पंज सूखा हो सकता है। अब, कल्पना कीजिए कि आप आकाश में बहुत ऊपर से एक उपग्रह के माध्यम से पूरे जंगल या खेत के लिए ऐसा ही करने की कोशिश कर रहे हैं। वर्तमान अंतरिक्ष सेंसर यही करते हैं: वे हमें मिट्टी की नमी की एक अच्छी "बड़ी तस्वीर" देते हैं, लेकिन वह तस्वीर धुंधली होती है। यह एक धुंधली खिड़की से जंगल को देखने जैसा है; आप पेड़ों को देख सकते हैं, लेकिन आप यह नहीं बता सकते कि क्या कोई विशिष्ट पेड़ प्यासा है या नहीं।
यह शोध पत्र एक नया उपकरण पेश करता है जिसे PoLRa (पोर्टेबल एल-बैंड रेडियोमीटर) कहा जाता है, जो इस "धुंधली खिड़की" वाली समस्या को हल करता है। PoLRa को एक शक्तिशाली, पोर्टेबल टॉर्च के रूप में समझें जो प्रकाश नहीं फैलाती, बल्कि जमीन से आने वाले ताप संकेतों (माइक्रोवेव) को "सुनती" है। क्योंकि इसे एक पोल, ड्रोन या वाहन पर लगाया जा सकता है, इसलिए यह जमीन के बहुत करीब पहुँच सकती है, जिससे यह मिट्टी के छोटे पैच को—लगभग एक छोटे योग मैट (लगभग 0.7 मीटर x 1.0 मीटर) के आकार का—अविश्वसनीय स्पष्टता के साथ देख सकती है।
यहाँ शोधकर्ताओं द्वारा किए गए और पाए गए कार्यों का सरल विवरण दिया गया है:
प्रयोग: मिट्टी के लिए एक "स्वाद परीक्षण"
शोधकर्ताओं ने इस "सुनने वाली टॉर्च" को मध्य इलिनॉय के चार अलग-अलग स्थानों (कुछ खाली मिट्टी, कुछ घास वाले क्षेत्र) में एक स्टील पोल पर स्थापित किया। इस बार उन्होंने ड्रोन नहीं उड़ाया; उन्होंने यह देखने के लिए कि यह नियंत्रित सेटिंग में कितनी अच्छी तरह काम करता है, सेंसर को पोल पर स्थिर रखा।
यह जांचने के लिए कि क्या सेंसर सच बोल रहा है, उन्होंने एक "ग्राउंड ट्रुथ" विधि का उपयोग किया। उन्होंने सेंसर के दृश्य के भीतर पांच अलग-अलग स्थानों में एक हैंडहेल्ड प्रोब (मिट्टी के लिए डिजिटल थर्मामीटर की तरह) डाला और उनका औसत लिया। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे सेंसर के ठीक बगल में एक मानव स्वाद-परीक्षक खड़ा होकर उसके रीडिंग की पुष्टि कर रहा हो।
उन्होंने संकेतों को कैसे डिकोड किया
सेंसर "ब्राइटनेस टेम्परेचर" मापता है, जो एक फैंसी तरीका है यह बताने का कि मिट्टी कितनी माइक्रोवेव ऊर्जा उत्सर्जित कर रही है। उस ऊर्जा संख्या को "पानी के प्रतिशत" में बदलने के लिए, टीम ने तीन अलग-अलग गणितीय व्यंजनों (एल्गोरिदम) का उपयोग किया। इनमें से दो वही रेसिपी हैं जिनका उपयोग नासा अपने विशाल उपग्रहों (SMAP) के लिए करता है, और एक सरल, पुराना नुस्खा है।
वे यह देखना चाहते थे कि:
- निरंतरता: यदि वे सेंसर को चार अलग-अलग कोणों से मिट्टी के एक ही पैच की ओर लक्षित करते हैं, तो क्या यह एक ही रीडिंग देगा?
- सटीकता: क्या सेंसर का पानी का प्रतिशत हैंडहेल्ड प्रोब के रीडिंग से मेल खाता है?
परिणाम: एक स्पष्ट तस्वीर
अध्ययन में पाया गया कि PoLRa एक बहुत ही विश्वसनीय श्रोता है:
- स्थिर सुनना: जब सेंसर ने अलग-अलग कोणों से एक ही स्थान को देखा, तो रीडिंग बहुत सुसंगत थी। "वर्टिकल" सिग्नल (जैसे सीधे नीचे देखना) विशेष रूप से स्थिर था, जबकि "होरिजॉन्टल" सिग्नल थोड़ा अस्थिर था, जो संभवतः इस बात के प्रति संवेदनशील है कि मिट्टी की सतह कितनी खुरदरी है (जैसे कि एक ऊबड़-खाबड़ सड़क चिकनी सड़क की तुलना में प्रकाश को अलग तरह से परावर्तित करती है)।
- उच्च सटीकता: सेंसर के पानी के रीडिंग हैंडहेल्ड प्रोब के रीडिंग के बहुत करीब थे। त्रुटि का अंतर बहुत कम था (0.04 से कम), जो वास्तव में उन कई उपग्रहों से बेहतर है जो अपने बड़े, धुंधले पिक्सल के लिए काम करते हैं।
- गणित काम करता है: नासा के एल्गोरिदम, जो अंतरिक्ष के लिए डिज़ाइन किए गए थे, इस छोटे, जमीनी स्तर के सेंसर पर लागू होने पर आश्चर्यजनक रूप से अच्छी तरह से काम कर रहे थे।
पकड़: यह अभी भी पूर्ण नहीं है
हालांकि सेंसर बहुत अच्छा काम करता है, लेकिन सिग्नल को संख्या में बदलने के लिए उपयोग किए जाने वाले "नुस्खे" में कुछ सुधार की आवश्यकता है।
- तापमान की गड़बड़ी: सेंसर का अनुमान लगाने का चलन था कि मिट्टी वास्तव में जितनी गीली थी उससे थोड़ी अधिक गीली है। शोधकर्ताओं का मानना है कि ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि उन्होंने गणितीय सूत्र के लिए पूरी तरह से समायोजित नहीं किया गया प्रोब का कच्चा तापमान उपयोग किया था। यह एक केक बनाने के लिए रेसिपी का उपयोग करने जैसा है जो मानता है कि ओवन 350°F है, लेकिन आपका ओवन वास्तव में 375°F है; परिणाम करीब है, लेकिन बिल्कुल सही नहीं है।
- हस्तक्षेप का "कोहरा": कभी-कभी, पास के इलेक्ट्रॉनिक्स या परीक्षण के दौरान लैपटॉप को सेट करने के तरीके ने सिग्नल में "स्टैटिक शोर" जोड़ दिया, जिससे रीडिंग डगमगा गई।
निष्कर्ष
यह शोध पत्र सिद्ध करता है कि आप "सब-मीटर" परिशुद्धता (योग मैट जितने छोटे विवरण देखना) के साथ मिट्टी की नमी को मापने के लिए एक पोर्टेबल, पोल-माउंटेड सेंसर का उपयोग कर सकते हैं। यह एक बड़ा कदम है क्योंकि यह दिखाता है कि हम वह हाई-डेफिनिशन विवरण प्राप्त कर सकते हैं जो उपग्रहों से छूट जाता है।
शोधकर्ताओं का सुझाव है कि भविष्य में, इस उपकरण को खेतों और जंगलों के ऊपर उड़ने के लिए ड्रोनों पर लगाया जा सकता है, जिससे मिट्टी की नमी का एक सुपर-शार्प मानचित्र बनाया जा सके। यह मानचित्र एक "गोल्ड स्टैंडर्ड" संदर्भ के रूप में कार्य कर सकता है ताकि भविष्य के उपग्रहों से आने वाली धुंधली छवियों को कैलिब्रेट और बेहतर बनाया जा सके, यह सुनिश्चित करने के लिए कि जब हम अंतरिक्ष से पृथ्वी को देखते हैं, तो हम केवल कोहरा नहीं देख रहे होते, बल्कि स्पष्ट, विस्तृत वास्तविकता देख रहे होते हैं।
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