DOI: 10.1051/agro:2001113

Agronomie 21 (2001) 127-138

A theoretical study of an electrostatic multipole to assess the horizontal and vertical distribution of the in situ water content of vegetation canopies

Jérôme Helbert^a, Paul Boissard^b and Jean-Pierre Buis<sup>c

a</sup>  Institut National de la Recherche Agronomique, Unité Environnement et Grandes Cultures, 78850 Thiverval Grignon, France
^b  Institut National de la Recherche Agronomique, Unité de Recherches Intégrées en Horticulture, Route des Colles, Sophia-Antipolis, 06410 Biot, France
^c  CIMEL Électronique, 172 rue de Charonne, 75011 Paris, France

(Received 21 March 2000; revised 9 October 2000; accepted 26 October 2000)

Abstract
A theoretical study of an electrostatic multipole is presented. This instrument allows the non-destructive and in situ estimation of the water content of vegetation canopy horizontal layers from a measurement of their dielectric permittivities. The multipole is composed of four electrodes, two electrodes injecting an alternating current, while the two others measure a potential difference. A prototype instrument showed that good estimations of the wheat spike water content could be achieved. A simulation based on the finite element method is performed to study the response of the instrument for various wheat crop dielectric properties. Results show that the potential difference depends on the dielectric properties of the spikes and the stems, and that the soil influence is not significant. An improved configuration of the instrument, using two pairs of reception electrodes, is also simulated in order to be able to retrieve the spike and the stem permittivities. The inversion of the potential differences is realized by using an artificial neural network. The spikes' and the stems' permittivities can then be retrieved with a good accuracy (variances on estimated permittivities less than 0.01).

Résumé
Étude théorique d'un multipôle électrostatique permettant d'accéder in situ à la distribution horizontale et verticale du contenu en eau des couverts végétaux. Cet article présente une étude théorique d'un multipôle électrostatique. Cet instrument permet une estimation in situ et non destructive du contenu en eau des strates horizontales d'un couvert végétal grâce à la mesure de leur permittivité diélectrique. Le multipôle est composé de quatre électrodes, deux électrodes injectant un courant alternatif tandis que les deux autres mesurent une différence de potentiel. Un premier prototype a montré la validité de la méthode pour estimer le contenu en eau des épis de blé. Un travail de simulation basé sur la méthode des éléments finis a permis d'étudier précisément la réponse de l'instrument en fonction des propriétés diélectriques d'une culture de blé. Les résultats montrent que la différence de potentiel dépend à la fois des propriétés des épis et des tiges, et que l'influence du sol n'est pas significative. Une version améliorée du quadripôle, comportant deux paires d'électrodes de réception, est alors simulée afin de pouvoir retrouver la permittivité des épis et celle des tiges. L'inversion des différences de potentiel est réalisée à l'aide d'un réseau de neurones artificiels. La précision obtenue est bonne, la variance des permittivités estimées étant inférieure à 0,01.

Key words: water content / dielectric permittivity / non-destructive method / vegetation canopy / biomass

Mots clés : teneur en eau / permittivité diélectrique / méthode non-destructive / couvert végétal / biomasse

Correspondence and reprints: Jerome Helbert
    e-mail: Jérôme.Helbert@bcgn.grignon.inra.fr

Communicated by Thomas Schmugge (Beltsville, USA)

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