Metodo di elaborazione informatico a supporto di un sistema automatizzato per il monitoraggio del contenuto idrico del suolo.

The aim of the thesis is to develop a working method for computer analysis and processing of data acquired by a system for the monitoring of water content in soil surface horizons through the TDR (Time Domain Reflectometry) technique. The system is already installed and partially automated. The TDR technique estimate the volumetric water content of soil through the measurement of its permittivity (εr). The TDR instrument measures the εr indirectly by recording the propagation velocity of an electromagnetic signal travelling in a transmission line inserted into the soil. The TDR is useful for monitoring of soil water dynamics because it is simple to apply, has high sampling frequency and it is a non-invasive technique. The study is structured to exploit a large database acquired in recent years from the TDR station installed in the experimental field located within the Faculty of Agriculture, Grugliasco (TO). The system monitor the soil water content every hour on 160 stainless steel probes of varying length from 0.15 m to 2 m. The probes are vertically inserted in the soil at different locations in an area of 100 m2. The first step was to reorganize the large data sets acquired. The source text files produced by WinTDR and containing the probes serial numbers were pre-processed a Python 2.5.1 script to divide the probes in five files according to their length. The second step was the manual analysis of 1,641,192 TDR curves. It was performed in order to find a limited number of sample curves representing the widest morphological case study on which to build an algorithms robust and universally applicable. Matlab was used for the processing of TDR curves, which made a wide set of data immediately readable and interpretable. During the third step a computer algorithm was implemented to separate wrong curves. A smoothing process was previously applied to improve the quality of the curves and eliminate all micro reflections that could affect their analysis. The Matlab script used to separate wrong acquisitions was tested on 64,354 curves previously evaluated by manual analysis. This step was iterated to allow the right setting of discriminatory parameters, in order to obtain a software employable on TDR curves with a wide range of shapes. In the fourth step, we wrote a new Matlab script for the identification of two reflection points on the TDR curves, which represent the entry of the signal in the soil and its reflection at the end of the probe. The proposed method allow the immediate calculation of the relative dielectric permittivity of the soil. εr describes how an electric field (in our case it is generated by pulse travelling along the probe) is influenced by a dielectric medium (the volume of soil next to the probe). The last step to obtain the soil water content (θ), is to establish a correlation between it and the values of εr obtained from TDR readings. The literature provides a universally accepted empirical relation between εr and θ (m3/m3) valid for a wide range of soil types (Topp equation, 1980). It was considered appropriate to the soil type studied. The proposed method can be applied to different soil type, such as volcanic or organic soils, provided that the right relation between εr and θ is used. In the final part of the thesis it was identified a number of configurations through which this automatic analysis method can be used in different situations, improving the TDR monitoring in terms of practicality and time saving.

L'obiettivo che si pone la tesi di laurea è lo sviluppo di un metodo di lavoro informatico per l'elaborazione dei dati acquisiti da un sistema di rilevamento finalizzato al monitoraggio del contenuto idrico del suolo attraverso l'uso della tecnica della Riflettometria nel Dominio del Tempo. Tale tecnica, definita ¿TDR, consente di misurare il contenuto idrico volumetrico di un suolo in base alle sue proprietà dielettriche. L'utilizzo della tecnica TDR si è dimostrato utile in relazione soprattutto alla sua semplice applicazione, e alla ridotta invasività. Lo studio è strutturato in modo da rendere maggiormente un ampio database che è stato acquisito presso la Sezione di Idraulica Agraria del Dipartimento di Economia e Ingegneria Forestale e Ambientale dell'Università degli Studi di Torino. I dati provengono dalla stazione TDR automatica del campo sperimentale della sezione all'interno della Facoltà di Agraria di Grugliasco (TO): il sistema è in grado di monitorare il contenuto idrico del suolo attraverso la lettura di 160 sonde di acciaio inox di lunghezza variabile infisse verticalmente in differenti punti in un'area di circa 100 m2. Utilizzando uno script in Python 2.5.1 è stato possibile processare i file di origine prodotti da WinTDR creando, cinque diversi file Excel nei quali le sonde sono suddivise a seconda della loro lunghezza (0.15, 0,30, 0,60, 1 e 2 m). La fase successiva è stata la visualizzazione grafica manuale di 1.641.192 curve rilevate in modo da poter risalire a un numero limitato di curve su cui costruire degli algoritmi di calcolo robusti e universalmente applicabili. Ci si è avvalsi per la fase di elaborazione di Matlab (MATrix LABoratory): software nato per la gestione di matrici caratterizzato da un linguaggio tecnico ad alto rendimento. Nel corso della prima fase ci si è posto l'obiettivo di implementare un algoritmo informatico capace di separare le acquisizioni corrette e quindi idonee a divenire oggetto di studio. Un processo di smoothing (lisciamento) è stato applicato preventivamente per migliorare la qualità delle. Il controllo del corretto funzionamento dello script è avvenuto nuovamente mediante l'analisi manuale di 64.354 curve. Nella seconda fase si è proceduto alla scrittura di un nuovo algoritmo informatico che permette la corretta individuazione dei due punti di riflessione che rappresentano nella pratica il punto di ingresso del segnale nel suolo e quello di ritorno che avviene alla fine della sonda. Eseguendo in successione i passaggi del metodo proposto, si può risalire in modo pressoché immediato alla permettività dielettrica relativa (εr), del mezzo indagato. L'ultimo passaggio indispensabile per ottenere il contenuto idrico del suolo (θ), è quello di stabilire una correlazione tra quest'ultimo e i valori delle costanti dielettriche che si ottengono dalle letture TDR. La letteratura fornisce uno strumento che empiricamente lega εr e θ (m3/m3). Tale strumento è l'equazione di Topp (1980), che è stato ritenuto opportuno utilizzare considerate le caratteristiche pedologiche del suolo del campo sperimentale. Per un utilizzo di questo metodo di lavoro su suoli differenti è necessario trovare una correlazione che sia più idonea al caso specifico. Nella parte conclusiva della tesi si sono individuate alcune configurazioni attraverso le quali questo supporto informatico può essere utilizzato in diverse situazioni, apportando un notevole vantaggio sia in termini di praticità che di tempistica.