LOW-COST SMART SYSTEM FOR SOIL SPATIAL CHARACTERIZATION USING APPARENT ELECTRICAL CONDUCTIVITY
DOI:
https://doi.org/10.31413/Keywords:
Geostatistics, Sensors, Apparent electrical conductivity, Spatial dependence, Agricultural managementAbstract
A low-cost intelligent system was developed to characterize soil spatial variability through apparent electrical conductivity (ECa) using the Wenner method, aiming to reduce costs and sampling requirements. The system was evaluated in laboratory and field settings. In laboratory tests, ECa measurements using resistors (4.7Ω to 680Ω) showed a maximum error of 6.69% and coefficient of variation (CV) below 4%. In the field test (under dry and moist soil conditions), data on apparent electrical conductivity (ECa), moisture, and temperature were collected, showing that ECa positively correlated with moisture and negatively correlated with temperature under both conditions. In dry soil, the spatial dependence index (IDI) was moderate for ECa and moisture but weak for temperature. In moist soil, all variables exhibited moderate dependence. Pearson correlation indicated a weak negative relationship between ECa and temperature in dry soil and a moderate negative one in moist soil; ECa and moisture showed a weak positive correlation, while moisture and temperature had a weak negative correlation in both conditions. In regression analysis at 5% significance, only moisture significantly influenced ECa in dry soil. In moist soil, both temperature and moisture had statistically significant effects on ECa.
References
AMARO FILHO, J.; NEGREIROS, R. F. D. de; ASSIS JÚNIOR, R. N. de; MOTA, J. C. A. Amostragem e variabilidade espacial de atributos físicos de um latossolo vermelho em Mossoró, RN. Revista Brasileira de Ciência do Solo, v. 31, n. 3, p. 415-423, 2007. https://doi.org/10.1590/S0100-06832007000300001
AVENZA MAPS. App features. Disponível em: https://store.avenza.com/pages/app-features. Acessado em: 20 ago. 2024.
BARROS, T. H. da S.; BENDER, F. D.; SILVA, F. R. B.; JOSÉ, J. V.; COSTA, J. O.; COELHO, R. D. Geoestatística como ferramenta para estudos da variabilidade da precipitação pluviométrica no estado de Pernambuco, Brasil. Agrarian, v. 13, n. 50, p. 513-520, 2020. http://dx.doi.org/10.30612/agrarian.v13i50.11982
BASSOI, L. H.; INAMASU, R. Y.; BERNARDI, A. C. de C.; VAZ, C. M. P.; SPERANZA, E. A.; CRUVINEL, P. E. Agricultura de precisão e agricultura digital. TECCOGS - Revista Digital de Tecnologias Cognitivas, n. 20, p. 17-36, 2019. https://doi.org/10.23925/1984-3585.2019i20p17-36
BUGHICI, T.; SKAGGS, T. H.; CORWIN, D. L.; SCUDIERO, E. Ensemble HYDRUS-2D modeling to improve apparent electrical conductivity sensing of soil salinity under drip irrigation. Agricultural Water Management, v. 272, e107813, 2022. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2022.107813
CALAMITA, G.; BROCA, L.; PERRONE, A.; PISCITELLI, S.; LAPENNA, V.; MELONE, F.; MORAMARCO, T. Electrical resistivity and TDR methods for soil moisture estimation in central Italy test-sites. Journal of Hydrology, v. 454, p. 101-112, 2012. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2012.06.001
CAVALCANTE, E. G. S.; ALVES, M. C.; SOUZA, Z. M. de; PEREIRA, G. T. Variabilidade espacial de atributos químicos do solo sob diferentes usos e manejos. Revista Brasileira de Ciência do Solo, v. 31, n. 6, p. 1329-1339, 2007. https://doi.org/10.1590/S0100-06832007000600012
CORWIN, D. L.; LESCH, S. M. Apparent soil electrical conductivity measurements in agriculture. Computers and Electronics in Agriculture, v. 46, n. 1, p. 11-43, 2005a. https://doi.org/10.1016/j.compag.2004.10.005
CORWIN, D. L.; LESCH, S. M. Characterizing soil spatial variability with apparent soil electrical conductivity: I. Survey protocols. Computers and Electronics in Agriculture, v. 46, n. 1, p. 103-133, 2005b. https://doi.org/10.1016/j.compag.2004.11.002
EMBRAPA SOLOS. Zoneamento Agroecológico do Estado de Pernambuco (ZAPE). Rio de Janeiro: Embrapa Solos, 2001. Ativo cartográfico. Disponível em: https://geoinfo.dados.embrapa.br/catalogue/#/dataset/2993. Acesso em: 13 maio 2026.
FONSECA-CAMPOS, J.; REYES-RAMIREZ, I.; GUZMAN-VARGAS, L.; FONSECA-RUIZ, L.; MENDOZA-PEREZ, J. A.; RODRIGUEZ-ESPINOSA, P. F. Multiparametric system for measuring physicochemical variables associated to water quality based on the Arduino Platform. IEEE Access, v. 10, p. 69700-69713, 2022. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3187422
GOMES, F. P. Curso de estatística experimental. 15. ed. Piracicaba: Nobel, 1985. 466p.
FERREIRA, P. V. Estatística experimental aplicada às ciências agrárias. 1. ed. Viçosa: Editora UFV, 2018. 588p.
GONÇALVES, L. A.; SOUZA, E. G. de; NÓBREGA, L. H. P.; BIER, V. A.; MAGGI, M. F.; BAZZI, C. L.; URIBE-OPAZO, M. G. Spatial and temporal variability of soil apparent electrical conductivity. Precision Agriculture, v. 26, a10, 2025. https://doi.org/10.1007/s11119-024-10209-x
HERCOG, D.; LERHER, T.; TRUNTIC, M.; TEZAK, O. Design and implementation of ESP32-Based IoT devices. Sensors, v. 23, n. 15, p. 6739, 2023. https://doi.org/10.3390/s23156739
INAMASU, R. Y.; BERNARDI, A. C. C.; VAZ, C. M. P.; NAIME, J. de M.; QUEIROS, L. R.; JORGE, L. A. C.; BASSOI, L. H.; FRAGALLE, E. P.; RESENDE, A. V.; VILELA, M. F.; PEREZ, N. B. Agricultura de precisão para a sustentabilidade de sistemas produtivos do agronegócio brasileiro. In: INAMASU, R. Y.; NAIME, J. de M.; RESENDE, A. V. de; BASSOI, L. H.; BERNARDI, A. de C. (Ed.). Agricultura de precisão: um novo olhar. São Carlos, SP: Embrapa Instrumentação, 2011. p. 14-26.
KARUNATHILAKE, E. M. B. M.; LE, A. T.; HEO, S.; CHUNG, Y. S.; MANSOOR, S. The path to smart farming: Innovations and opportunities in precision agriculture. Agriculture, v. 13, n. 8, e1593, 2023. https://doi.org/10.3390/agriculture13081593
KULMÁNY, I. M.; BEDE, L.; STENCINGER, D.; ZSEBO, S.; CSAVAJDA, P.; KALOCSAI, R.; VONA, M.; JAKAB, G.; VONA, V. M.; BEDE-FAZEKAS, Á. Challenges in mapping soil variability using apparent soil electrical conductivity under heterogeneous topographic conditions. Agronomy, v. 14, n. 6, e1161, 2024. https://doi.org/10.3390/agronomy14061161
MAGERSKI, J. M.; VIRGENS FILHO, J. S. Avaliação da técnica de krigagem ordinária utilizando o modelo geoestatístico estável no preenchimento de falhas de séries de precipitação pluviométrica. Revista Brasileira de Geografia Física, v. 14, n. 4, p. 1890-1903, 2021. https://doi.org/10.26848/rbgf.v14.4.p2149-2171
NASCIMENTO, E. F.; BASSOI, L. H.; RABELLO, L. M. Definição da malha de amostragem da condutividade elétrica do solo para obtenção de classes de manejo em pomar de videira. In: EMBRAPA (Org.). Agricultura de precisão: resultados de um novo olhar. Brasília: Embrapa, 2014. p. 413-420.
PEREIRA, G. W.; VALENTE, D. S. M.; QUEIROZ, D. M. de; COELHO, A. L. de F.; COSTA, M. M.; GRIFT, T. Smart-map: an open-source QGIS plugin for digital mapping using machine learning techniques and ordinary kriging. Agronomy, v. 12, n. 6, p. 1350, 2022. https://doi.org/10.3390/agronomy12061350
QUEIROZ, D. M. de; SOUSA, E. D. T. S.; LEE, W. S.; SCHUELLER, J. K. Development and testing of a low-cost portable apparent soil electrical conductivity sensor using a beaglebone black. Applied Engineering in Agriculture, v. 36, n. 3, p. 341-355, 2020. https://doi.org/10.13031/aea.13439
RABELLO, L. M.; BERNARDI, A. C. C.; INAMASU, R. Y. Condutividade elétrica aparente do solo. In: INAMASU, R. Y.; NAIME, J. de M.; RESENDE, A. V. de; BASSOI, L. H.; BERNARDI, A. de C. (Ed.). Agricultura de precisão: um novo olhar. São Carlos, SP: Embrapa Instrumentação, 2014. p. 48-57.
RATSHIEDANA, P. E.; ELBASIT, M. A. M. A.; ADAM, E.; CHIRIMA, J. G.; LIU, G.; ECONOMON, E. B. Determination of soil electrical conductivity and moisture on different soil layers using electromagnetic techniques. Water, v. 15, n. 10, p. 1911, 2023. DOI: https://doi.org/10.3390/w15101911
SANTOS, H. G. dos; JACOMINE, P. K. T.; ANJOS, L. H. C. dos; OLIVEIRA, V. A. de; LUMBRERAS, J. F.; COELHO, M. R.; ALMEIDA, J. A. de; ARAÚJO FILHO, J. C. de; LIMA, H. N.; MARQUES, F. A.; OLIVEIRA, J. B. de; CUNHA, T. J. F. Sistema Brasileiro de Classificação de Solos. 6. ed. rev. e ampl. Brasília, DF: Embrapa, 2025. 393p.
SOUSA, E. D. T. dos S.; QUEIROZ, D. M. de; COELHO, A. L. de F.; VALENTE, D. S. M. Development of signal analysis algorithm for apparent soil electrical conductivity sensor. Biosystems Engineering, v. 211, p. 183-191, 2021. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2021.09.007
SOUSA, E. D. T. dos S.; QUEIROZ, D. M. de; COELHO, A. L. de F.; VALENTE, D. S. M. Development of a portable intelligent system platform for soil mapping. Revista Ciência Agronômica, v. 54, e20217886, 2023. https://doi.org/10.5935/1806-6690.20230008
WHEELAN, C. J. Estatística: O que é, para que serve, como funciona. 1. ed. Rio de Janeiro: Zahar, 2016. 328p.
ZIMBACK, C. R. L. Análise espacial de atributos químicos de solos para fins de mapeamento da fertilidade. 114f. Tese (Livre-Docência) - Universidade Estadual Paulista, Botucatu, 2001.
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