Calculation of soil water content using dielectric-permittivity-based sensors – benefits of soil-specific calibration - Archive ouverte HAL Access content directly
Journal Articles Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems Year : 2023

Calculation of soil water content using dielectric-permittivity-based sensors – benefits of soil-specific calibration

Calcul de la teneur en eau dans le sol à l'aide de capteurs basés sur la permittivité diélectrique : avantages de l'étalonnage spécifique du sol

Abstract

Soil water content (SWC) sensors are widely used for scientific studies or for the management of agricultural practices. The most common sensing techniques provide an estimate of volumetric soil water content based on sensing of dielectric permittivity. These techniques include frequency domain reflectometry (FDR), time domain reflectometry (TDR), capacitance and even remote-sensing techniques such as ground-penetrating radar (GPR) and microwavebased techniques. Here, we will focus on frequency domain reflectometry (FDR) sensors and more specifically on the questioning of their factory calibration, which does not take into account soil-specific features and therefore possibly leads to inconsistent SWC estimates. We conducted the present study in the southwest of France on two plots that are part of the ICOS ERIC network (Integrated Carbon Observation System, European Research and Infrastructure Consortium), FR-Lam and FR-Aur. We propose a simple protocol for soil-specific calibration, particularly suitable for clayey soil, to improve the accuracy of SWC determination when using commercial FDR sensors. We compared the sensing accuracy after soil-specific calibration versus factory calibration. Our results stress the necessity of performing a thorough soil-specific calibration for very clayey soils. Hence, locally, we found that factory calibration results in a strong overestimation of the actual soil water content. Indeed, we report relative errors as large as +115 % with a factory-calibrated sensor based on the real part of dielectric permittivity and up to + 245 % with a factory-calibrated sensor based on the modulus of dielectric permittivity.
Les capteurs de teneur en eau du sol (SWC) sont largement utilisés pour les études scientifiques ou pour la gestion des pratiques agricoles. Les techniques de détection les plus courantes fournissent une estimation de la teneur volumétrique en eau du sol basée sur la détection de la permittivité diélectrique. Ces techniques comprennent la réflectométrie dans le domaine fréquentiel (FDR), la réflectométrie dans le domaine temporel (TDR), la capacitance et même des techniques de télédétection telles que le radar à pénétration de sol (GPR) et les techniques basées sur les micro-ondes. Ici, nous nous concentrerons sur les capteurs de réflectométrie dans le domaine fréquentiel (FDR) et plus particulièrement sur la remise en question de leur étalonnage en usine, qui ne prend pas en compte les caractéristiques spécifiques du sol et conduit donc éventuellement à des estimations de CES incohérentes. Nous avons mené la présente étude dans le sud-ouest de la France sur deux parcelles faisant partie du réseau ICOS ERIC (Integrated Carbon Observation System, European Research and Infrastructure Consortium), FR-Lam et FR-Aur. Nous proposons un protocole simple d’étalonnage spécifique au sol, particulièrement adapté aux sols argileux, afin d’améliorer la précision de la détermination du SWC lors de l’utilisation de capteurs FDR commerciaux. Nous avons comparé la précision de détection après un étalonnage spécifique au sol par rapport à un étalonnage en usine. Nos résultats soulignent la nécessité d’effectuer un étalonnage approfondi spécifique au sol pour les sols très argileux. Ainsi, localement, nous avons constaté que l’étalonnage en usine entraîne une forte surestimation de la teneur réelle en eau du sol. En effet, nous rapportons des erreurs relatives allant jusqu'à +115 % avec un capteur calibré en usine basé sur la partie réelle de la permittivité diélectrique et jusqu'à + 245 % avec un capteur calibré en usine basé sur le module de permittivité diélectrique.
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Dates and versions

hal-04388406 , version 1 (11-01-2024)

Identifiers

Cite

Bartosz M Zawilski, Franck Granouillac, Nicole Claverie, Baptiste Lemaire, Aurore Brut, et al.. Calculation of soil water content using dielectric-permittivity-based sensors – benefits of soil-specific calibration. Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems, 2023, 12, pp.45-56. ⟨10.5194/gi-12-45-2023⟩. ⟨hal-04388406⟩
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