Using Infrared technology to define soil moisture level

Abstract

Accurate and rapid measurement of soil moisture is vital for some agricultural applications. The development of various measurement methods with different advantages has been ongoing for years to determine soil moisture. The direct measurement method is based on weight change and gives the most accurate result, but it requires a long time and labour. In indirect methods, soil moisture is generally estimated by using different soil properties such as soil electrical conductivity, electrical resistance change and radioactive reactions in the soil. Indirect methods needs complex calculation and calibration processes and additional analysis. In this study, the possibility of using infrared technology as alternative to conventional measurement method based on gravimetric measures was investigated to define soil moisture. The success of the developed technique was tested by comparing the conventional measurements on the soil samples with eight different moisture content. Three different radiation intensities (IR) (2358 w m^-2, 3165 w m^-2 and 4187 w m^-2) were used for soil drying. Variance analyses, multiple comparisons and MAPE (mean absolute percentage error) values were used to determine the differences between infrared and conventional methods. It was determined that the difference between the conventional and infrared methods for all power levels was not statistically significant. The correlation coefficients between moisture values of the conventional and infrared were determined as 0.966, 0.964 and 0.979 at given IR levels, respectively. For all experiments, correlation coefficient was defined as 0.979. Although the lowest MAPE values were determined using 4187 w m^-2 of IR, there was no statistical difference between the MAPE values of IR levels. The time requirement in the conventional method is at least of 24 hours. It was decreased to 34.75 minutes with IR technique. The IR technique yielded very fast and correct results and there was no need for complex calibration procedures.

Keywords

• Soil moisture determination,gravimetrik method,infrared technology

Toprak Nemi Belirlenmesinde İnfrared Teknolojinin Kullanımı

Abstract

 Toprak neminin hızlı ve doğru bir biçimde belirlenmesi bazı tarımsal uygulamalar için hayati öneme sahiptir. Toprak neminin tahminlenmesi üzerine yıllar boyunca geliştirilen doğrudan ve dolaylı özellikleri kullanarak tahmin yapan birçok farklı metot bulunmaktadır. Bu metotların farklı avantaj ve dezavantajları vardır. Doğrudan ağırlık tabanlı nem tayini genellikle en doğru sonucu vermektedir ancak, oldukça büyük zaman ve iş gücü gereksinimi bulunmaktadır. Dolaylı yöntemlerde ise toprak nemi, elektriksel iletkenlik, radyoaktif tepkiler gibi toprağın farklı özelliklerinden yararlanılarak nem tahmini yapılmaktadır. Ayrıca bu yöntemlerde oldukça karmaşık kalibrasyon işlemlerine ve ek analizlere ihtiyaç duyulabilmektedir. Bu çalışmada toprak nem tayini için, birçok alanda kullanımı yaygınlaşan infrared (IR) teknolojisinin ağırlık bazlı (gravimetrik) yönteme alternatif olabilme durumu araştırılmıştır. Geliştirilen sistemin başarısını test etmek için sekiz farklı nem içeriğine sahip örneklemelerin geleneksel ve IR yöntemiyle nem tayinleri yapılarak karşılaştırılmıştır. Denemelerde üç farklı IR gücü (2358 w m^-2, 3165 w m^-2 and 4187 w m^-2) kullanılmıştır. Varyans analizi, çoklu karşılaştırmalar ve ortalama yüzdesel mutlak hata (MAPE) testleri yapılarak yöntemler arası farklılıkların önemlilik durumları incelenmiştir. Sonuçta, ele alınan tüm nem seviyeleri ve IR güçleri arasında geleneksel ve IR yöntemleri arası istatistiksel bir fark belirlenmemiştir. Her iki yöntem arası kolerasyon katsayıları güç yoğunlukları için sırasıyla 0.966, 0.964 ve 0.979 ile oldukça yüksek olarak belirlenmiştir. Tüm denemeler için ise kolerasyon katsayısı 0.979 olmuştur. 4187 w m^-2 güç yoğunluğu en düşüm MAPE’ye sahip güç seviyesi olmuş ancak, yöntemler arası istatistiksel fark önemsiz bulunmuştur. IR yönteminin zaman gereksinimi ortalama 34.75 dakika olurken, geleneksel yöntemin 24 saattir. Sonuç olarak geliştirilen IR tekniği tüm güç seviyeleri için oldukça hızlı ve doğru toprak nemi tahminlemesi yapabilmiştir. Ayrıca IR yönteminin karmaşık kalibrasyona ve ek analizlere de ihtiyacı olmamıştır.

Keywords

• toprak nem tayini,infrared teknoloji,gravietrik yöntem

References

1. Allmaras, R.R.,Gardner, C.O., 1956. Soil Sampling for Moisture Determination in IrrigationExperiments. Agron. Jour., 48;15 – 17.
2. Aydın, M., Kılıç, Ş., 2010. Toprak Bilimi. Nobel Akademik Yayıncılık Eğitim Danışmanlık TİC. LTD. ŞTİ. Yayın No.:740. Yayın No.:066
3. Blake G.R., Hartge K.H. (1986): Methods soil anaysesl Part 1-Physical Mineral Methods: 363–375. Available at: doi:10.2136/sssabookser5.1.2ed.frontmatter.
4. Çay, A., Kocabıyık, H., Karaaslan, B., May, S., Khurelbaatar, M., 2017. Development of an opto-electronic measurement system for planter laboratory Tests. Measurement102 (2017) 90–95.
5. Fasina, O., 2003. Infraredheating of food and agricultural materials. ASAE Paper No: 036219 St Joseph, Mich.
6. Hebbar, H.U., Viswanathan, K.H., Ramesh, M.N., 2004. Development of combined infrared and hot air dryer for vegetables. Journal of Food Engineering 65: 557–563.
7. Kocabıyık, H., Sümer, S.K., Tuncel, N.B., Büyükcan, M.B., Yılmaz, N.,2012. İnfrared Kurutma Yönteminin Domates Kurutmada Kullanılması ve Kurutulmuş Domatesin Bazı Kalite Özellikleri ve Özgül Enerji Tüketimi Üzerine Etkilerinin Belirlenmesi. TÜBİTAK Projesi. No:109 O 578.
8. Munsuz, N. 1982. Toprak-Su İlişkileri. Ank. Ü. Z. F. Yay. No. 798, Ankara.

9. Müftüoğlu, N.M., Türkmen, C., Çıkılı, Y., 2014. Toprak ve Bitkide Verimlilik Analizleri. Nobel Akademik Yayıncılık Eğitim Danışmanlık TİC. LTD. ŞTİ. Yayın No.:994. Gıda, Tarım ve Hayvancılık No.:009.
10. Özcan, H., Ekinci, H., Kavdır, Y., Yüksel, O., Kaptan, H., 2004. Dardanos Yerleşkesi Toprakları, vol. 39. Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi, Çanakkale.
11. Ozpinar S., Cay A., (2006): Effect of different tillage systems on the quality and crop productivity of a clay-loam soil in semi-arid north-western Turkey. Soil Tillage Research, 88: 95–106.
12. Sakai, N., Mao, W., 2006. InfraredHeating. In Thermal Food Processing New Technologies and Quality Issues, Editedby D.W. Sun, Boca Raton, Florida, 493-527p.Skjöldebrand, C., 2001. InfraredHeating. InThermal Technologies in FoodProcessing, Editedby R. Richardson, Boca Raton, Florida, 208-227p
13. Yeşilsoy, M. Ş., Aydın, M., 1991. Toprak Fiziği. Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi, Ders Kitabı No:124, Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Ofset ve Teksir Atölyesi, Adana. s. 228.