Using Infrared technology to define soil moisture level

Year 2018, Volume: 6 Issue: 1, 9 - 15, 17.07.2018

Anıl Çay , Ali Aydoğdu Habib Kocabıyık

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

• Allmaras, R.R.,Gardner, C.O., 1956. Soil Sampling for Moisture Determination in IrrigationExperiments. Agron. Jour., 48;15 – 17.
• Aydın, M., Kılıç, Ş., 2010. Toprak Bilimi. Nobel Akademik Yayıncılık Eğitim Danışmanlık TİC. LTD. ŞTİ. Yayın No.:740. Yayın No.:066
• 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.
• 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.
• Fasina, O., 2003. Infraredheating of food and agricultural materials. ASAE Paper No: 036219 St Joseph, Mich.
• 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.
• 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.
• Munsuz, N. 1982. Toprak-Su İlişkileri. Ank. Ü. Z. F. Yay. No. 798, Ankara.
• 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.
• Özcan, H., Ekinci, H., Kavdır, Y., Yüksel, O., Kaptan, H., 2004. Dardanos Yerleşkesi Toprakları, vol. 39. Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi, Çanakkale.
• 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.
• 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
• 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.