A farm observes water: in the soil, in the crop and in the air above it. Crop water use is computed from weather with a method agronomists have shared for decades1; what changes is how densely and how cheaply the inputs can be measured.
Systems
LPWAN soil sensing, Weather station, Machine data
Toward 2030
Field-scale Earth observation
Figures
3, field scene, simulator, layer stack
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01Field scene
Probes, a gateway and a weather station.
Soil-moisture probes at root depth across the plots report a few bytes every quarter of an hour to one gateway on a mast. A weather station supplies radiation, temperature, humidity and wind, the inputs of reference evapotranspiration1.
Machinery in the field speaks its own bus2; the edge joins both so that an irrigation decision can cite the readings it was based on.
Figure as text: Plots, soil probes, a gateway mast, a weather station and a microgrid
Six ploughed plots in a wireframe landscape; four soil probes link by dashed red lines to a gateway mast; a weather station and a solar microgrid stand at the edges.
LPWAN gateway
Soil probe
Weather station
Microgrid
02Simulator
Few bytes, long range, little airtime.
A soil probe is limited less by range than by airtime: in licence-exempt bands, a device may only transmit for a small share of each hour3. Higher spreading factors reach further but stay on air longer, as the modem’s time-on-air formula shows4.
Figure as text: Time on air and uplinks per hour
A bar chart of time on air for spreading factors 7 to 12 with the chosen factor in red.
Time on air and uplinks per hour, at the starting values
Spreading factor
9 SF
Payload
18 bytes
Duty-cycle limit
1 %
Time on air (125 kHz, CR 4/5)
185.3 ms
Uplinks per hour within the limit
194
Shortest interval between uplinks
19 s
03Layer stack
Every layer of the field, registered.
Agronomy happens where layers meet: the terrain that routes water, the imagery that shows vigour, the soil classes, the probes, and the model that turns them into irrigation zones. They are useful only if they share one grid and one time base.
Figure as text: The layers of one field, from terrain to irrigation zones
An exploded stack of seven square plates: terrain contours, imagery strips, soil classes, drainage lines, probes with three live ones in red, an analysis grid and a model plate whose red isoline marks the zone to irrigate.
Terrain: Contours from an elevation model.
Imagery: Optical scenes resampled to the field grid.
Soil classes: Mapped texture classes.
Drainage: Flow lines derived from the terrain.
Probes: Soil-moisture probes; red ones are reporting now.
Analysis grid: Hexagonal cells for aggregation.
Irrigation zones: Modelled soil-water deficit; the red line is the irrigation threshold.
Figure 1
Field scene
Gateway to probe horizon
21.2 km
Farthest probe
319 m
Figure 1. Plots, soil probes, a gateway mast, a weather station and a microgrid. Six ploughed plots in a wireframe landscape; four soil probes link by dashed red lines to a gateway mast; a weather station and a solar microgrid stand at the edges.
References
Crop evapotranspiration: guidelines for computing crop water requirements (FAO Irrigation and Drainage Paper 56). Allen, R. G., Pereira, L. S., Raes, D. and Smith, M., Food and Agriculture Organization of the United Nations, 1998.
ISO 11783 (ISOBUS): Tractors and machinery for agriculture and forestry — Serial control and communications data network. International Organization for Standardization, 2017.
ETSI EN 300 220-2: Short range devices operating in 25 MHz to 1 000 MHz (duty-cycle limits). European Telecommunications Standards Institute, 2018.
SX1276/77/78/79 datasheet, section 4.1.1.7: LoRa time on air. Semtech, 2020.
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4 services
Site Planner "Plan anywhere" vector basemap and label glyphs (OpenMapTiles schema)
Site Planner "Plan anywhere" elevation (Terrarium) for hillshade, line of sight, profiles and sky view
ProviderFournisseur
Terrain: Mapzen Terrain Tiles (AWS Open Data), incl. SRTM, GMTED, ETOPO1, USGS 3DEP and Canadian DEM data
Hosts contactedHôtes contactés
elevation-tiles-prod.s3.amazonaws.com
Observatory Builder weather layers (GDPS 2 m air temperature, global; radar precipitation rate, Canada) and the 2 m air temperature at the site (WMS GetFeatureInfo) that seeds the synthetic run
ProviderFournisseur
Data Source: Environment and Climate Change Canada
Hosts contactedHôtes contactés
geo.weather.gc.ca
Observatory Builder hazard layer and report (earthquakes of magnitude 2.5 and above in the past 30 days, GeoJSON summary feed)
ProviderFournisseur
Earthquakes: U.S. Geological Survey
Hosts contactedHôtes contactés
earthquake.usgs.gov
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