寄稿者

設置がすべてである理由

正確なデータを得たいのであれば、センサーの正しい設置が最優先事項です。土壌で測定する場合、密度の自然な変動により2～3％の精度損失が発生することがありますが、設置が不十分な場合、10％以上の精度損失が発生する可能性があります。センサーの適切な設置は、収集するデータの基礎となります。土台が悪いと、データの解釈が難しくなります。この記事では、土壌水分センサーをより速く、より良く、より高い精度で設置する方法について、インサイダーのヒントを得ます。 学ぶべきこと：

• センサーを取り付ける際の注意点
• データで見るインストレーション・トラブル
• 土壌水分センサーの設置優先順位
• METERがより質の高いデータのためにインストレーションの科学をどのように進めているか

センサーを理解する

なぜセンサーの設置不良がデータの質に多大な影響を与えるのかを理解するには、土壌水分センサーがどのように機能するかを理解する必要があります。

土壌水分センサー（土壌水分センサー）は体積土壌水分を測定します。体積土壌水分（VWC）とは、水の体積を土壌の体積で割ったものであり（式1）、土壌サンプル中の水の割合を示します。

したがって、たとえば、ある体積の土壌 (図 1) が、土壌ミネラル 50%、水 35%、空気 15% の成分で構成されている場合、その土壌の体積水分含有量は 35% になります。

静電容量センサーが機能する理由

すべてのMETER土壌水分センサーは、VWCを測定するためにキャパシタンス技術と呼ばれる間接的な方法を使用しています。「間接的」とは、VWCに関連するパラメータが測定され、その量をVWCに変換するために校正が使用されることを意味します。簡単に言うと、キャパシタンス技術は2つの金属電極（プローブまたは針）を使用して、その間にあるものの電荷蓄積容量（または見かけの誘電率）を測定します。

表1は、一般的な土壌成分ごとに電荷蓄積容量が異なることを示しています。土壌中では、これらの成分の大半の体積は時間と共に一定に保たれるが、空気と水の体積は変動します。

表1.一般的な土壌成分の電荷蓄積容量（見かけ誘電率

空気はほとんど電荷を蓄えず、水は大きな電荷を蓄えるので、土壌の電荷を蓄える能力の変化を測定し、その土壌の水分量（またはVWC）と関連付けることが可能です。(キャパシタンス技術のより詳細な説明は、土壌水分201を参照）。

影響力の大きさがデータに与える影響

影響体積（図3）は、センサーの針から放射される電磁場によって測定される土壌の面積です。図2（上）は、電磁場の相対強度の近似値を示しています。センサーの感度のほとんどは、プローブ針から数ミリメートル以内にあることに注意してください。この電磁場内にあるものはすべてセンサーの出力に影響を与えますが、針のすぐそばにある水の割合は、針から離れた部分よりもセンサーの反応に大きな影響を与えます。

エアギャップは絶対に避ける

誘電性土壌水分センサー（TDR、FDR、キャパシタンスタイプ）の影響範囲は針付近が最も敏感であるため、質の高い土壌水分データを得るには、土壌とセンサーの接触が良好な状態でエアギャップを避けることが不可欠です。また、代表的な測定値を得るためには、設置時に土壌の攪乱をできるだけ少なくすることが重要です。攪乱された土壌（例えば、穴から取り出した土の山）にセンサーを設置することは、ほとんど良い考えではないが、経験の浅い研究者が犯しがちなミスです。

現場の妨害がデータに与える5つの影響"を読む

エアギャップがデータに与える影響

シナリオ1：湿った土壌のエアギャップ

図4は良い設置例です。これは田んぼのデータセットで、土壌に約7.5cm設置された3種類の土壌水分センサーを示しています。

Y軸は体積土壌水分（％）、X軸は日数。黒い実線は、田んぼに水が張られ続けた場所です。グレーの実線は、研究者が土壌をVWC35％まで乾燥させたところです。点線のトレースは、VWC25%まで乾燥させたことを示しています。最初は、センサー間のばらつきが約1％以内であることに注意してください。これは、同じ土壌タイプで同じ水条件下で見たいものです。

しかし、この研究者は、その後の洪水時に、処理区の飽和度が当初よりもはるかに高くなったことに気づきました。なぜでしょうか？これらのセンサーは、収縮・膨張能力の高い粘土質のバーティソルに設置されていました。この土壌では、乾燥すると大きな亀裂が生じる可能性があります。土壌が裂けて隙間が生まれ、針葉樹のすぐ近くに水が溜まると、水の誘電率が80と土壌よりもはるかに高いため、測定値は高くなります。これは、センサーの設置が不十分で、飽和した側の土壌に空隙が残ると何が起こるかを示す良い例でもあります。

シナリオ2：乾燥した土壌の空隙

図5は、非常に乾燥しやすいネバダ州の、非常に多孔質で粗い基質の土壌に、地表近くに設置した場合の時系列を示しています。

紺色のトレースは植物の下に設置されたセンサーで、水色のトレースは植物から離れた場所に設置されたセンサーです。図5は、設置に問題のない良好なデータセットが乾燥した土壌でどのように見えるかを示したものです。

図 6 は、同じ実験設計による近隣のサイトの時系列データであり、異なる状況を示しています。植物の下で起こっていることと植物から離れたところで起こっていることの間に大きなギャップがあることに注目してください。これは、何かがおかしいという危険信号です。いくつかの場所では、VWC が 0% を下回っていますが、これは定義上、土壌が到達し得る最低値です。しかし、空気の誘電率は土壌よりも低いことを忘れないでください。つまり、これはおそらくセンサーが何らかの空気の影響を受けていることを意味します。キャリブレーションの問題である可能性もありますが、近くに設置された同じセンサーの動作がわずかに異なるため、その可能性は低いです。したがって、このデータは、センサーの針の近くに空隙があるか、センサーが地表に近すぎて電磁場を空気中に放出しているか、センサーが妨害されているかのいずれかを示しています。

土壌水分センサーの正しい取り付け方

質の高いデータを得るには、実際の設置の前から始まっています。以下は、時間と費用を費やし、データを利用できなくなる可能性のある、調査を設計する際に犯しがちな間違いです。

• サイトの特性：サイト、その変動性、またはデータ解釈の指針となるその他の影響力のある環境要因について十分に知られていない。
• センサーの設置場所：センサーの設置場所：研究の目標にそぐわない場所にセンサーが設置されている（例：土壌の場合、センサーの地理的位置と土壌プロファイル内の位置の両方が研究課題に該当しなければならない）
• センサーの取り付け：センサーが正しく取り付けられていないため、不正確な測定値になる。
• データ収集：センサーとロガーが保護されておらず、継続的かつ正確なデータ記録を維持するために定期的にデータがチェックされていない。
• データの普及：他の科学者がデータを理解したり、再現したりすることができない。

研究を計画する際にはこれらの問題を考慮し、将来の問題を回避するために以下のベストプラクティスを使用します。

設置前の準備で時間とコストを節約

圃場に行く前に、ラボにいくつかのセンサーを設置し、異なる土壌タイプで測定値を取っておきます。これにより、さまざまなシナリオで予想される土壌水分値をしっかりと理解することができます。また、正しい設置方法、設置にかかる時間、必要な道具、センサーが正しく読み取れないなどの問題を理解するのに役立ちます。ジッパータイ、ペンチ、マーカー、懐中電灯、電池など、重要な工具を詰めた設置専用の工具箱を準備します。こうすることで、現場に何度も足を運ぶ手間を省くことができます。

プログラミングが必要なデータロガーを使用する場合は、2週間前にプログラミング言語を学習し、ロガーのプログラム作成方法を理解しておきましょう。ZL6のようなプラグアンドプレイのクラウドデータロガーであっても、研究場所が携帯電話基地局の電波圏内にあることを確認するなど、事前の準備が必要です。

メタデータ：洞察への鍵

調査現場で記録するメタデータが多ければ多いほど、データの理解が深まります。各センサーにセンサーの種類、設置深度、その他重要な情報をラベル付けする。数百のセンサーを設置する場合は、センサーをバーコード化する電子ラベル装置を購入できますが、テープや油性マーカーでもかまいません。ラベルは、天候から保護するためにデータロガーの内側に挟みます。

データロガーは ZL6データロガーは、GPS位置、気圧、センサーのシリアル番号などの重要なメタデータを自動的に記録し、cloud に保存します。 ZENTRA Cloudまた、土壌の種類、土壌密度、覆いの種類、測定間隔、使用した生データと校正の種類、センサーの深さ、その場所を選んだ理由などのメモなど、ユーザーが入力したメタデータを記録することもできます。この情報は、公開するときに重要であり、ZENTRA Cloud のような共有されたcloud ベースの場所に置くことで、頭痛の種を減らすことができます。

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さらに、土壌温度や微気候モニタリングのような補助的な測定も、メタデータのもう1つの情報源となり得ます。ATMOS 41のような複合型気象計測ユニットは、自動的に気象イベントを記録し、土壌水分、水ポテンシャル、またはその他のデータをベンチマークしたり、真実性を確認したりする重要な方法となります。

土壌とセンサーの接触が最も重要な要素である

図7は、土壌とセンサーの接触が良好な土壌プロファイルに正しく設置された（ボーリング孔を見下ろした）センサーの図です。

土壌とセンサーの接触は、良い土壌水分データを得るために最も重要なことです。

小型ハンドオーガーとMETER社のTEROSボーリングホール設置ツールを用いたボーリングホール設置では、直径わずか10cmの穴しか開けられません。これは、トレンチ面積のわずか2～3%に相当します。掘削現場への撹乱規模が最小限に抑えられるため、マクロポア、根、植物への影響が少なく、掘削現場をより早く自然状態に戻すことができます。また、設置ツールを小型ボーリングホール内で使用すると、硬質土壌であっても土壌とセンサーの良好な接触が確保されます。小型ボーリングホールでは、分離する土壌の量が少なくなるため、地層を分離し、適切な土壌密度に再充填することがはるかに容易になります。

ケーブル保護は安心に等しい

図7は、センサーケーブルを束ねて埋設し、電線管に被覆した状態を示しています。センサーを何としても保護することは、研究において極めて重要です。露出したセンサーケーブルは、PVCパイプ、ワイヤールーム、またはフレキシブル電線管に被覆し、データロガーの支柱まで約60cm（2フィート）ほど引き回すことが重要です。これにより、げっ歯類、トラクター、シャベルなどによる損傷を防ぐことができます。ケーブルは、UV耐性の結束バンドで支柱にしっかりと固定し、データロガーに引っ張られないようにしてください（張力緩和機能があることを確認してください）。

埋める前にチェック

センサーの設置後、オーガーホールやトレンチを閉じる前に、ZSC、スマートフォンで瞬時に測定できる小さなツールでセンサーをチェックし、センサーの測定値が正確であることを確認する。シーズン分の悪いデータを収集した後でセンサーを掘り起こすのは骨が折れる。

時間をかけて、できるだけ頻繁にデータをチェックし、問題のトラブルシューティングを行い、研究プロジェクトに不利になるような問題を未然に防ぎましょう。 ZENTRA Cloudそして ZL6を使えば、毎日でもデータのトラブルシューティングとグラフ化ができます。トレンドの発見やエラーの発見に2～3分費やすだけで、何週間分ものデータ損失を防ぐことができます。 また、ZENTRA Cloud アラートを設定して、問題が発生したときに通知を送信することもできます。

インストール時に避けるべきこと

図10は、センサーの設置でやってはいけないことの説明図です。

これらは、岩だらけの土壌に直径10cm（4インチ）のボーリングホールに設置されたセンサーで、手で押し込まれました。今回のケースでは、研究者は右下のセンサーを押し込むのに苦労したため、2cm（約1インチ）の隙間ができてしまいました。これは間違いなくデータの品質に影響を与えます。彼はセンサーを様々な場所に移動させようとしましたが、その度に岩にぶつかってしまいました。最終的に、センサーの周りに土を詰めました。これは理想的な状況ではありませんが、今回のケースではそれが最善の策でした。

センサーの取り付け

以下の動画 、TEROS 土壌水分センサーの設置のベストプラクティスを示しています。

ZENTRA より少ない労力でより質の高いデータを

高品質な土壌水分データを取得するための時間と労力を削減するために、ZENTRAシステムを開発しました。ZENTRAは、センサー、ロガー、ソフトウェアを統合したシステムです。導入が簡単で、メンテナンスもほとんど不要です。ほぼリアルタイムのデータをすぐに入手できるため、作業量を削減しつつ、より多くの情報を公開できます。その仕組みは以下のとおりです。

インストレーション・ツール：より優れた迅速なインストレーション

土壌とセンサーの良好な接触、特に空気隙間の無い接触を確保するには、センサーを揺らさずにまっすぐに側壁に押し込む必要があります。METERのボーリングホール設置ツールを使えば、この作業がはるかに容易になります。このツールは機械的利点を活かし、TEROS土壌水分センサーを困難な土壌の側壁にまっすぐに押し込むことで、より短時間で最大限の土壌とセンサーの接触を実現します。

ZSC は、設置ワークフローを簡素化します。

センサーの取り付け時に、新しいZSC Bluetoothセンサー・インターフェースを使用すると、センサーの読み取り値をモニターしながら取り付けることができます。

スマートフォンのBluetooth経由でリアルタイムのワイヤレス測定値を提供します。読み取り値はZENTRA Utility Mobileに表示され、穴や溝を埋め戻す前に設置上の問題（センサーと土壌の接触不良、エアポケット、岩など）を検出するのに役立ちます。

また ZSCもSDI-12の頭痛の種を解決します。また ZSCを使えば、問題のあるセンサーがどこにあるかを正確に見つけることができます。さらに、ZSC 、SDI-12アドレスをデジタルセンサーに割り当てることができるので、SDI-12プログラミングが簡単になります。

ZENTRA Cloud トラブルシューティング

ZENTRA Cloudは、ZL6 データロガーと連動し、オフィスにいながらにして、データロガーの管理、セットアップエラーの修正、センサーの再設定をリモートで行うことができます。

ZENTRA Cloud を使って、技術者が必要なフィールド作業をすべて正しく完了したことを確認することもできます。ZENTRA Cloud 研究期間中、すべてのデータを保存するシンプルな場所を提供します。

ZL6 は、センサーの種類、シリアル番号、ファームウェアバージョン、ロガーの設置場所といった重要なメタデータを自動的に記録し、クラウドに保存します。さらに、ユーザーが入力するセンサーの深さや設置高さなどのメタデータも、データ記録の永久的な一部として保存され、失われることはありません。加えて、リアルタイムでクラウドにデータが上がるため、多様な関係者とのデータ共有も驚くほどスムーズになります。

TEROS センサーが精度の障壁を取り除く

私たちは、ZENTRA システムの一部として、設置の不一致、センサー間のばらつき、センサーの検証など、精度を向上させる障壁を排除するために、新しいTEROS センサーラインを作りました。

TEROS 土壌水分センサーは、ZENTRA システム全体と連動することで、従来のシステムを超え、センサーだけでなくデータセット全体の精度を最適化します。設置ツールによる一貫した完璧な設置、極めて堅牢な構造、センサー間のばらつきの最小化、影響力の大きさ、検証基準、高度なデータロギングを組み合わせ、最高の性能、精度、使いやすさ、信頼性をお求めやすい価格で提供します。

表1 TEROS センサーの比較

土壌水分の専門家であるレオ・リベラが、なぜ私たちが 20 年をかけて新しい TEROS 水分含有量センサー製品ラインを開発したのかを詳しく説明するビデオを以下でご覧ください。

少ない投資で、大きな成果

TEROS センサーラインは、較正技術の進歩、設置ツール、より良い原材料を活用し、より耐久性があり、正確で、設置がより簡単で速く、一貫性があり、強力で直感的なほぼリアルタイムのデータロギングと可視化システムと呼ばれるセンサーを製造しています。 ZENTRA Cloud.

すべての TEROS センサーを見る

土壌水分データの見方

土壌水分について深く学びましょう。以下のウェビナーでは、コリン・キャンベル博士が、驚くべき土壌水分データや問題のある土壌水分データの解釈方法について論じています。また、土壌、土地、環境の様々な状況において何が予想されるかを教えてくれます。

全体像を見る

土壌水分の測定に必要な情報がすべてここに。

• 土壌水分に関する研究者の完全ガイドをダウンロードする
• 水ポテンシャルに関する研究者の完全ガイドをダウンロードする

土壌水分マスタークラス

6つの短いビデオで、土壌含水量と土壌水ポテンシャルについて知っておくべきこと、そしてなぜそれらを一緒に測定する必要があるのかをすべて学ぶことができます。 さらに、土壌の透水係数の基本もマスターしましょう。

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当社の科学者には、研究者や生産者が土壌-植物-大気の連続体を測定するのを何十年も支援してきた経験があります。

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