Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for...

64
Agriculture and AgriFood Canada’s RealTime InSitu Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward April 2019 Science and Technology Branch Agriculture and Agri‐Food Canada

Transcript of Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for...

Page 1: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

 

 

 

 

AgricultureandAgri‐FoodCanada’s

 

 

 

Real‐TimeIn‐SituSoil

MonitoringforAgriculture

(RISMA)NetworkMetadata

 

SecondEdition

 

 

 

Edited by Amanda Ward 

April 2019 

Science and Technology Branch Agriculture and Agri‐Food Canada 

 

Page 2: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

 

 

                    

This page is intentionally left blank                     

Page 3: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

 

 

        

Real‐TimeIn‐SituSoilMonitoringfor

Agriculture(RISMA)NetworkMetadata

 

SecondEdition

   

Edited by Amanda Ward           Anna Pacheco1, Jessika L’Heureux2, Heather McNairn1, Jarrett Powers3, Allan Howard4, Xiaoyuan Geng1, Patrick Rollin5, Kurt Gottfried3, Jacqueline Freeman6, Rotimi Ojo7, Catherine Champagne5, Evan Rodgers3, Craig Smith8, John Fitzmaurice3, Amine Merzouki1, Tom Hansen3, Branden Wyryha3, Mike Chubey9, Erle Einarsson9, Ben Bondaruk 1, Dell Bayne10, Robert Tillie2, Aston Chipanshi11, Mike Hammer12, Ian Douhaniuk12, Kirk Brossart12, Erica Tetlock13, and Amanda Ward1 

 1 Agrienvironment Division, Agriculture and Agri‐Food Canada, Ottawa, ON 2 AgroClimate, Geomatics, and Earth Observations Division, Agriculture and Agri‐Food Canada, Calgary, AB 3 Science and Technology Branch, Agriculture and Agri‐Food Canada, Winnipeg, MB 4 AgroClimate, Geomatics, and Earth Observations Division, Agriculture and Agri‐Food Canada, Regina, SK 5 AgroClimate, Geomatics, and Earth Observations Division, Agriculture and Agri‐Food Canada, Ottawa, ON 6 Science and Technology Branch, Agriculture and Agri‐Food Canada, Winnipeg, MB 7 Faculity Agriculture and Food Sciences, University of Manitoba, Winnipeg, MB 8 National Hydrology Research Centre, Environment and Climate Change Canada, Saskatoon, SK 9 Environmental Health Division, Agriculture and Agri‐Food Canada, Winnipeg, MB  10 Global Institute for Water Security, University of Saskatchewan, Saskatoon, SK 11 AgroClimate, Geomatics, and Earth Observations Division, Agriculture and Agri‐Food Canada, Regina, AB 12 Science and Technology Branch, Agriculture and Agri‐Food Canada, Regina, SK 13 Prediction Services Operations East, Environment and Climate Change Canada, Saskatoon, SK   

Page 4: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

 

                                               

Copyright 2019 Agriculture and Agri‐Food Canada 

 

Page 5: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

 

‐ Page iii ‐ 

TableofContents

 

Table of Contents .......................................................................................................................................... iii 

List of Figures ................................................................................................................................................. v 

List of Tables ................................................................................................................................................. vii 

Introduction ................................................................................................................................................... 1 

Data Usage .....................................................................................................................................................1 

Data Quality ....................................................................................................................................................2 

Contact Information .......................................................................................................................................3 

Manitoba Real‐time In‐situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata ................................ 5 

Overview ........................................................................................................................................................5 

Station Location .............................................................................................................................................6 

Instrumentation .......................................................................................................................................... 10 

Installation Procedure ................................................................................................................................. 10 

General Setup ................................................................................................................................... 10 

Soil Moisture Probe Installation ....................................................................................................... 11 

Regular Maintenance ........................................................................................................................ 13 

Soil Texture .................................................................................................................................................. 13 

Soil Moisture Calibration Equations ............................................................................................................ 15 

Data ............................................................................................................................................................. 17 

15 Minute Data ................................................................................................................................. 17 

Daily Data .......................................................................................................................................... 18 

Data Flags .................................................................................................................................................... 19 

Probe Status ...................................................................................................................................... 22 

References ................................................................................................................................................... 23 

Saskatchewan Real‐time In‐situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata ....................... 25 

Overview ..................................................................................................................................................... 25 

Station Location .......................................................................................................................................... 25 

Instrumentation .......................................................................................................................................... 26 

Installation Procedure ................................................................................................................................. 27 

General Setup ................................................................................................................................... 27 

Soil Moisture Probe Installation ....................................................................................................... 28 

Regular Maintenance ........................................................................................................................ 29 

Soil Texture .................................................................................................................................................. 29 

Soil Moisture Calibration Equations ............................................................................................................ 30 

Page 6: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page iv ‐ 

Data ............................................................................................................................................................. 31 

15 Minute Data ................................................................................................................................. 32 

Daily Data .......................................................................................................................................... 33 

Data Flags .................................................................................................................................................... 33 

Probe Status ...................................................................................................................................... 36 

References ................................................................................................................................................... 37 

Ontario Real‐time In‐situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata ................................. 39 

Overview ..................................................................................................................................................... 39 

Station Location .......................................................................................................................................... 39 

Instrumentation .......................................................................................................................................... 40 

Installation Procedure ................................................................................................................................. 41 

General Setup ................................................................................................................................... 41 

Soil Moisture Probe Installation ....................................................................................................... 43 

Regular Maintenance ........................................................................................................................ 45 

CEF Station ........................................................................................................................................ 45 

Soil Texture .................................................................................................................................................. 45 

CEF Station ........................................................................................................................................ 46 

Soil Moisture Calibration Equations ............................................................................................................ 46 

CEF Station ........................................................................................................................................ 47 

Data ............................................................................................................................................................. 47 

15 Minute Data ................................................................................................................................. 48 

Daily Data .......................................................................................................................................... 49 

Data Flags .................................................................................................................................................... 49 

Probe Status ...................................................................................................................................... 53 

References ................................................................................................................................................... 53 

   

 

 

 

Page 7: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

 

‐ Page v ‐ 

ListofFigures

Figure 1: Map of the RISMA stations in the Carman area, Manitoba.  Easting and Northing are in UTM Zone 14N. ..........................................................................................................................................................................7 

Figure 2: RISMA station locations in the Sturgeon Creek Watershed, Manitoba.  Easting and Northing are UTM Zone 14 WGS84. .......................................................................................................................................................8 

Figure 3: RISMA station locations at the Manitoba Crop Diversification Center, Carberry, Manitoba. ..................9 

Figure 4: a) Photograph of MB5 showing the setup of the Manitoba stations.  b) Location of the soil moisture probes relative to the station.  This station, MB5, has one of the longest distances from the probes to the station. ................................................................................................................................................................... 11 

Figure 5: Schematic, cross‐sectional illustration of the Manitoba RISMA station layout; not to scale. ............... 11 

Figure 6: Schematic illustration of the instillation of the Steven’s HydraProbe sensors in the soil pit wall at the Manitoba RISMA stations. ..................................................................................................................................... 12 

Figure 7: Photographs illustrating the installation of the HydraProbe sensors into the pit wall.  a) extracting a soil cord; b): scraping the soil core cavity clean; and c) a probe installed in the soil core cavity. ........................ 13 

Figure 8: Map of Saskatchewan RISMA stations. .................................................................................................. 26 

Figure 9: Photograph of SK3 showing the setup of the Saskatchewan stations. .................................................. 27 

Figure 10: An illustration of the Saskatchewan RISMA station layout as seen from above. ................................. 28 

Figure 11: A schematic illustration of the Steven’s HydraProbe sensors instillation; not to scale. ...................... 28 

Figure 12: Photographs illustrating the installation of the HydraProbe sensors into the pit wall.  a) extracting a soil cord; b): scraping the soil core cavity clean; and c) installing the soil moisture probe in the soil core cavity. ............................................................................................................................................................................... 29 

Figure 13: Map of the Ontario RISMA stations located in the Casselman (Ontario) area. .................................. 40 

Figure 14: An example of the Ontario station set up prior to June 2018 at station ON4. .................................... 41 

Figure 15: An example of the Ontario RISMA set up after June 2018 of station ON4. ......................................... 42 

Figure 16: Cross section view of the Ontario RISMA station set‐up; not to scale. ................................................ 43 

Figure 17: Photos showing soil cores taken as the soil pit was being excavated.  a) small soil core being taken; and b) a large soil core being taken. ...................................................................................................................... 44 

Figure 18: Photos illustrating the installation of the HydraProbe sensors into the pit wall at one of the Ontario RISMA stations.  a) making a hole for the soil moisture sensor; b) the smoothed walls of the soil core cavity; c) PVC pipe on a soil moisture probe; and d) inserting a soil moisture probe. ......................................................... 44 

 

Page 8: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page vi ‐ 

 

Page 9: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

 

‐ Page vii ‐ 

ListofTables

Table 1: RISMA station locations in Manitoba.  Easting and Northing are in NAD 83 CSRS UTM Zone 14N. ..........6 

Table 2: Soil textures for Manitoba RISMA Stations. ............................................................................................. 14 

Table 3: The soil moisture calibration equations for the Manitoba RISMA stations used for version 1 and 2 of 

data.  The soil moisture calibration equations output soil moisture as m3/m3 and are based on regional field calibration developed by Ojo (2015).  RDC is the non‐temperature corrected Real Dielectric Constant. ............. 16 

Table 4: List of sensors for the Manitoba stations that have been deemed unresponsive as of December 2014.  “A” signifies sensors that are active, “NS” signifies sensors have been disconnected due to failure or anomalies and “R” for sensors which are replaced or reinserted on a regular basis. ............................................................ 22 

Table 5: List of sensors for the Manitoba stations that have been deemed unresponsive as of August 2018.  “A” signifies sensors that are active, “NS” signifies sensors have been disconnected due to failure or anomalies and “R” for sensors which are replaced or reinserted on a regular basis. ................................................................... 22 

Table 6: Saskatchewan RISMA Station Locations.  Note that Easting and Northing are provided in UTM Z13 WGS84. .................................................................................................................................................................. 25 

Table 7: Soil textures for Saskatchewan RISMA Stations.  Note that depth 0‐5 cm indicates the surface (vertically) installed surface sensors. ..................................................................................................................... 30 

Table 8: The soil moisture calibration equations for the Saskatchewan RISMA stations.  The soil moisture 

calibration equations output soil moisture as m3/m3.  RDC is the non‐temperature corrected Real Dielectric Constant. ............................................................................................................................................................... 31 

Table 9: List of sensors for the Saskatchewan stations that have been deemed unresponsive as of December 2014.  “A” signifies sensors that are active, “NI” signifies sensors which were never installed, “NS” signifies sensors have been disconnected due to failure or anomalies and “R” for sensors which are replaced or reinserted on a regular basis. ................................................................................................................................ 36 

Table 10: List of sensors for the Saskatchewan stations that have been deemed unresponsive as of October 2018.  “A” signifies sensors that are active, “NI” signifies sensors which were never installed, “NS” signifies sensors have been disconnected due to failure or anomalies and “R” for sensors which are replaced or reinserted on a regular basis.  Note the surface (0‐5 cm) probes will be annually reinserted starting in 2019. .. 36 

Table 11: Ontario RISMA Station Locations.  Note that Easting and Northing are provided in UTM Z18 WGS84. 39 

Table 12: Soil textures for Ontario RISMA Stations based on the soil core extracted during installation.  Note that depth 0‐5 cm indicates the vertically installed surface sensors. ................................................................... 45 

Table 13: Soil textures for CEF RISMA Station based on soil texture analysis from the pre‐existing experiment on the same site. ........................................................................................................................................................ 46 

Table 14: The soil moisture calibration equations for the Ontario RISMA stations.  The soil moisture calibration equations output soil moisture as m3/m3.  RDCTempCorr is the temperature corrected Real Dielectric Constant, 

Page 10: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page viii ‐ 

RDC is the non‐temperature corrected Real Dielectric Constant and STC is soil temperature in degrees Celsius. ............................................................................................................................................................................... 46 

Table 15: List of sensors for the Ontario stations that have been deemed unresponsive as of December 2014.  “A” signifies sensors that are active, “NI” signifies sensors which were never installed, “NS” signifies sensors have been disconnected due to failure or anomalies and “R” for sensors which are replaced or reinserted on a regular basis. ......................................................................................................................................................... 53 

Table 16: List of sensors for the Ontario stations that have been deemed unresponsive as of July 2018.  “A” signifies sensors that are active, “NI” signifies sensors which were never installed, “NS” signifies sensors have been disconnected due to failure or anomalies and “R” for sensors which are replaced or reinserted on a regular basis. ......................................................................................................................................................... 53 

  

Page 11: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

 

‐ Page 1 ‐ 

Introduction

A soil moisture monitoring network was established in 2010 and 2011 as a collaboration between Agriculture 

and Agri‐Food Canada (AAFC) and Environment and Climate Change Canada (ECCC).  There are fifteen stations 

in Manitoba near the towns of Carman‐Elm Creek, in the Sturgeon Creek watershead, and the town of Carberry 

which were established between 2011 and 2015.  In Saskatchewan there are four stations near the town of 

Kenaston while there are six stations in Ontario.  Five of the Ontario stations are near the town of Casselman, 

while one station is located in the city of Ottawa.  Additional information on the stations and their setup is 

located in the following sections of this document. 

The stations were setup as part of the Sustainable Agriculture Environmental Systems (SAGES) project titled 

Earth Observation Information on Crops and Soils for Agri‐Environmental Monitoring in Canada.  The stations 

themselves are called the RISMA network: Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture Network.  The data 

obtained from the stations is used to calibrate and validate remote sensing and modelled soil moisture 

products.  The data from the stations is available to the public through a web portal located at 

agriculture.canada.ca/SoilMonitoringStations/index‐en.html.  

DataUsage

The data from the stations is available for use under the Open Government Licence – Canada.  A copy of the 

terms are below and were retrieved from the Open Government website (open.canada.ca/en/open‐

government‐licence‐canada) on 11 March 2019. 

Open Government Licence – Canada

You are encouraged to use the information that is available under this licence with only a few conditions. Using Information under this licence Use of any Information indicates your acceptance of the terms below. The Information Provider grants you a worldwide, royalty-free, perpetual, non-exclusive licence to use the

Information, including for commercial purposes, subject to the terms below. You are free to Copy, modify, publish, translate, adapt, distribute or otherwise use the Information in any medium, mode

or format for any lawful purpose. You must, where you do any of the above Acknowledge the source of the Information by including any attribution statement specified by the

Information Provider(s) and, where possible, provide a link to this licence. If the Information Provider does not provide a specific attribution statement, or if you are using

Information from several information providers and multiple attributions are not practical for your product or application, you must use the following attribution statement:

Contains information licensed under the Open Government Licence – Canada. The terms of this licence are important, and if you fail to comply with any of them, the rights granted to you under this licence, or any similar licence granted by the Information Provider, will end automatically.

Page 12: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 2 ‐ 

Exemptions: This licence does not grant you any right to use: Personal Information; third party rights the Information Provider is not authorized to license; the names, crests, logos, or other official symbols of the Information Provider; and Information subject to other intellectual property rights, including patents, trade-marks and official marks.

Non-endorsement: This licence does not grant you any right to use the Information in a way that suggests any official status or that the Information Provider endorses you or your use of the Information. No Warranty: The Information is licensed “as is”, and the Information Provider excludes all representations, warranties, obligations, and liabilities, whether express or implied, to the maximum extent permitted by law. The Information Provider is not liable for any errors or omissions in the Information, and will not under any circumstances be liable for any direct, indirect, special, incidental, consequential, or other loss, injury or damage caused by its use or otherwise arising in connection with this licence or the Information, even if specifically advised of the possibility of such loss, injury or damage. Governing Law: This licence is governed by the laws of the province of Ontario and the applicable laws of Canada. Legal proceedings related to this licence may only be brought in the courts of Ontario or the Federal Court of Canada. Definitions: In this licence, the terms below have the following meanings:

"Information" - means information resources protected by copyright or other information that is offered for use under the terms of this licence.

"Information Provider" - means Her Majesty the Queen in right of Canada. “Personal Information” - means “personal information” as defined in section 3 of the Privacy Act, R.S.C.

1985, c. P-21. "You" - means the natural or legal person, or body of persons corporate or incorporate, acquiring rights

under this licence.

Versioning: This is version 2.0 of the Open Government Licence – Canada. The Information Provider may make changes to the terms of this licence from time to time and issue a new version of the licence. Your use of the Information will be governed by the terms of the licence in force as of the date you accessed the information. Open Government Licence Consultation Report Date modified: 2017-12-20 

 

DataQuality

The data undergoes a quality control process where suspect data is flagged.  Detailed description of the quality 

control process is located in the Data Flag sections.  However, it is strongly suggested users preform additional 

quality control on the data before use.  

Page 13: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 3 ‐ 

ContactInformation

If there are any questions regarding the RISMA project or to request RISMA data prior to 2013, please contact: 

Jarrett Powers Manager of Science Program Support e‐mail: [email protected]  phone: 204‐259‐4010  

If there are questions regarding the RISMA project in Ontario, please contact: Amanda Ward, MSc. Remote Sensing Technician e‐mail: [email protected]  phone: 613‐694‐2513 

 

   

Page 14: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 4 ‐ 

 

 

Page 15: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

 

‐ Page 5 ‐ 

ManitobaReal‐timeIn‐situSoilMonitoringforAgriculture(RISMA)NetworkMetadata

Overview

The monitoring stations in the Manitoba network were established in three phases.  Nine stations were 

installed near the towns of Carman and Elm Creek, located southwest of the city of Winnipeg, in 2011.  Three 

other stations were installed in the Sturgeon Creek watershed in 2013, located immediately northwest of 

Winnipeg (Table 1, Figure 1 and Figure 2).  In 2015, three additional stations were installed at the Canada‐

Manitoba Crop Diversification Centre (CMCDC) off‐site field, northwest of the town of Carberry within the 

Assiniboine River basin (Figure 3).   

The stations in Carman‐Elm Creek area are situated in the La Salle and Boyne River watersheds.  These 

watersheds are part of the larger Red River basin.  The area is characterized by a distinct soil texture divide 

between heavy clays and clay loams to the east, and lighter sandy and sandy loam soils to the west.  

Topography is generally flat; influenced by lacustrine deposition.   

Two of the Sturgeon Creek watershed locations are located near the town of Warren while the third station is 

located immediately outside Winnipeg near the town of Rosser.  The Sturgeon Creek watershed is part of the 

larger Assiniboine River basin.  Topography is mainly flat, consisting of imperfect to poorly drained lacustrine 

clay and clay loam textured soils.  Glacial till loamy soils occur in the more northern area of the watershed 

where ridges and swales are the more common landform.  These areas are part of Canada’s Prairie/Boreal Plain 

Ecozone and were chosen to capture the diverse soil moisture conditions in the Manitoba portion of the Red 

River and lower Assiniboine River basins.   

The three stations installed northwest of the town of Carberry fall within the Assiniboine River basin.  Soils at 

this site are primarily sandy textured deltaic deposits on slightly undulating landscapes.  The Assiniboine Delta 

aquifer provides a source of irrigation water for potato crops that are grown extensively in this area along with 

cereals, canola, corn and soybeans.  The stations were installed to support irrigation studies at CMCDC. 

The stations are located at the edge of annually cropped agricultural fields with the soil moisture sensors 

installed within the field, about 6 to 30 m away from the edge.  The fields are seeded in May and harvested in 

August through to September, leaving the fields fallow for the remainder of the year; often snow covered 

between December and April.  Annual crops which are typically grown in this area include cereals, canola, corn, 

soybeans and edible beans.  The Manitoba stations record precipitation with a tipping bucket rain gauge as 

well as real dielectric constant, soil moisture and soil temperature using HydraProbe sensors at surface (0‐5 

cm), 5 cm, 20 cm, 50 cm and 100 cm depths.  Three HydraProbe sensors, or replicas, are installed at each 

depth.  This replication provides a measurement of spatial variability in soil moisture, and redundancy in the 

event of sensor malfunction.  To complement the existing soils data, the stations in the Manitoba network are 

Page 16: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 6 ‐ 

also equipped with meteorological sensors such as air temperature, relative humidity, wind speed and wind 

direction. 

StationLocation

The stations are located in three main areas: near the towns of Carman and Elm Creek (Figure 1), northwest of 

Winnipeg (Figure 2) and northwest of Carberry (Figure 3).  The location description of individual stations can be 

found in Table 1. 

Table 1: RISMA station locations in Manitoba.  Easting and Northing are in NAD 83 CSRS UTM Zone 14N. 

Station ID  Legal Land Description*  Easting  Northing  Latitude  Longitude 

MB1  SW 13‐07‐05 W1  570924  5490434  49.56234  ‐98.01924 MB2  SW 22‐06‐04 W1  577265  5482737  49.49250  ‐97.93374 

MB3  SW 33‐06‐04 W1  575556  5485725  49.51951  ‐97.95649 

MB4  SE 07‐08‐04 W1  573041  5498688  49.63609  ‐97.98813 

MB5  SW 04‐08‐04 W1  575222  5497102  49.62145  ‐97.95781 

MB6  NW 21‐08‐04 W1  575084  5503458  49.67877  ‐97.95957 

MB7  SE 24‐08‐05 W1  571640  5501962  49.66552  ‐98.00762 

MB8  NW 17‐09‐04 W1  573335  5511606  49.75253  ‐97.98237 

MB9  NW 25‐08‐05 W1  570393  5505108  49.69462  ‐98.02397 

MB10  NE 35‐11‐01 E1  618431  5537198  49.97536  ‐97.34829 

MB11  SW 20‐13‐01 W1  602004  5551981  50.11131  ‐97.57337 

MB12  NE 13‐14‐2 W1  600078  5560695  50.18998  ‐97.59801 

MB13  SE‐24‐11‐15W1  472221  5531210    49.93262    ‐99.38707 

MB14  SE‐24‐11‐15W1  472064  5531265    49.93310    ‐99.38926 

MB15  SE‐24‐11‐15W1  471858  5531268    49.93312    ‐99.39213  

*QTR‐SEC‐TWP‐RGE 

 

 

Page 17: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 7 ‐ 

 

Figure 1: Map of the RISMA stations in the Carman area, Manitoba.  Easting and Northing are in UTM Zone 14N. 

Page 18: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 8 ‐ 

 

Figure 2: RISMA station locations in the Sturgeon Creek Watershed, Manitoba.  Easting and Northing are UTM Zone 14 WGS84. 

 

Page 19: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 9 ‐ 

 

Figure 3: RISMA station locations at the Manitoba Crop Diversification Center, Carberry, Manitoba.  Easting and Northing are in UTM Zone 14 WGS84. 

 

Page 20: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 10 ‐ 

Instrumentation

The following instruments comprised each station from 2011 to 2013: 

Data transmission: ADCON Radio transmitter Units (RTU) on Rogers cellular (GSM/GPRS) network linked to a central gateway 

Power source: 50W solar panels and two 12 V / 100 AH batteries 

Soil moisture sensor: Steven’s HydraProbe II (SDI‐12) 

Rain gauge: Hydrological Services TB4 tipping bucket rain gauge 

 

The stations underwent an upgrade in 2013 and the following instruments are in use:   

Datalogger: Campbell Scientific datalogger CR1000‐XT, installed April‐June 2013 

Modem: Rogers 4G or LTE Network (HSPA) 

Power source: 50‐100 W solar panels and two 100 AH batteries 

Soil moisture sensor: Steven’s HydraProbe II (SDI‐12) 

Wind speed/ direction: RM Young wind monitor  

Rain gauge: Hydrological Services TB4 tipping bucket rain gauge 

Air temperature and relative humidity: Campbell Scientific temperature and relative humidity probe (HC2‐S3 or HC‐S3) installed inside a RM Young radiation shield  

 

InstallationProcedure

The Carman‐Elm Creek stations were installed in the fall of 2011 and the Sturgeon Creek Stations were installed 

in the fall of 2013.  Detailed descriptions of the Carman‐Elm Creek installation procedure, site selection process 

and the soil profiles are provided by Walker (2012).  Information for the Sturgeon Creek and Carberry stations 

is provided by Eilers (2013) and Eilers (2015), respectively.   

GeneralSetup

The meteorological sensors, datalogger, solar panel and battery were installed at the edge of the field (Figure 

4).  The datalogger and the batteries are located inside the small plywood shelter.  The tipping rain bucket is 

located 2.5 m in the air to avoid interference from the crop with the wind speed/direction sensor installed at a 

height of 3 m.  The air temperature and relative humidity sensor is located inside a radiation shield to reflect 

solar radiation away.  Additionally, the radiation shield is located at a height of 1.5 m on the north side of the 

shelter, where ever possible.  The soil moisture sensors wires run to the shelter and into the datalogger (Figure 

4). 

Page 21: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 11 ‐ 

 

Figure 4: a) Photograph of MB5 showing the setup of the Manitoba stations.  b) Location of the soil moisture probes relative to the station.  This station, MB5, has one of the longest distances from the probes to the station.  

 

SoilMoistureProbeInstallation

The soil moisture sensors were installed in a soil pit, located in the field, approximately 6 to 30 m away from 

the station depending on the farming practices of the landowner (Figure 5).  A trench between the soil pit and 

the station was also dug to protect cables connecting the soil moisture sensors to the datalogger.  Care was 

taken to leave an “undisturbed” pit wall where the sensors were installed.  The soil that was removed from the 

pit was placed on a tarp so that it could be used to backfill the pit with minimal mixing of the soil layers.   

 

Figure 5: Schematic, cross‐sectional illustration of the Manitoba RISMA station layout; not to scale.   

Page 22: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 12 ‐ 

The sensor locations were selected and flagged.  Three sensors, or replicas, were installed at each depth: 0‐5 

cm (vertical), 5 cm (horizontal), 20 cm (horizontal), 50 cm (horizontal) and 100 cm (horizontal).  The three 

replicas were installed to form three columns of sensors according to Figure 6.  Within the columns, the 

sensors are located offset (20 to 30 cm apart) from each other to avoid disturbing the flow to the sensors 

below. 

 

 

Figure 6: Schematic illustration of the instillation of the Steven’s HydraProbe sensors in the soil pit wall at the Manitoba RISMA stations.   

 

To install the soil moisture sensors, a soil coring device (1.5 inch diameter × 6 inch long [3.81 × 15.25 cm]) was 

used to extract an undisturbed soil sample from the pit wall at each flagged sensor location (Figure 7).  The soil 

coring device was hammered into the back wall of the soil pit horizontally and the soil was retained for 

analysis.  Then a long narrow piece of wood was used to scrape the hole clean as the soil moisture probes need 

to be installed flush with the soil surface.  Following, the sensors were inserted into the cavity using a piece of 

PVC tube for leverage (Figure 7).  After installing the sensors, the soil core cavity was backfilled with soil and a 

mix of soil and bentonite to prevent preferential flow towards the sensor.  Once all the sensors were installed, 

the soil pit and the trench were carefully backfilled.   

Page 23: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 13 ‐ 

 

Figure 7: Photographs illustrating the installation of the HydraProbe sensors into the pit wall.  a) extracting a soil cord; b): scraping the soil core cavity clean; and c) a probe installed in the soil core cavity. 

 

The soil removed during the coring process was used to do site specific lab calibration (dry down of undisturbed 

sample) and a soil texture analysis for each sensor depth.   

RegularMaintenance

Agriculture and Agri‐Food Canada carefully seeds and cuts the crop surrounding the sensors to avoid damage to 

the soil moisture equipment and to better emulate field conditions.  Due to poor performance of the sensors at 

site MB5, a complete re‐installation of the sensors was completed on October 15, 2014 by AAFC employees 

and has been thoroughly documented (Powers, 2014).  Subsequent re‐installations have occurred at MB2 

(September 16, 2015) and MB4 (September 8, 2016). 

Due to heaving during the freeze‐thaw process in the spring and winter, the buildup of organic matter at the 

soil surface, cracks forming in the soil during dry periods, and animals pulling the probes out of the ground, the 

surface (0‐5 cm) and 5 cm probes are often reinserted into the ground.  This often occurs throughout the spring 

and fall, and occasionally throughout the season.   

SoilTexture

A hydrometer method was used to determine soil textural composition from samples that were taken during 

installation. 

 

a  b  c 

Page 24: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 14 ‐ 

Table 2: Soil textures for Manitoba RISMA Stations. 

Station Depth (cm) 

Density 

(g/cm3) 

Sand (%) 

Silt (%) 

Clay (%) 

Classification 

MB1  5  1.28  78.8  10.1  11.1  Sandy Loam 

MB1  20  1.56  80.2  8.3  11.5  Sandy Loam 

MB1  50  1.5  81.5  8.2  10.3  Loamy Sand 

MB1  100  1.57  81.0  6.8  12.2  Sandy Loam 

MB2  5  1.35  44.9  20.8  34.3  Clay Loam 

MB2  20  1.63  62.6  12.9  24.5  Sandy Clay Loam 

MB2  50  1.63  65.8  13.2  21.0  Sandy Clay Loam 

MB2  100  1.57  75.3  15.0  9.7  Sandy Loam 

MB3  5  1.47  47.1  21.1  31.8  Sandy Clay Loam 

MB3  20  1.52  45.8  21.3  32.9  Sandy Clay Loam 

MB3  50  1.44  31.3  23.7  45.0  Clay 

MB3  100  1.41  69.9  17.7  12.4  Sandy Loam 

MB4  5  1.33  90.4  0.2  9.4  Sand 

MB4  20  1.50  88.7  1.6  9.7  Loamy Sand 

MB4  50  1.60  88.7  1.6  9.7  Loamy Sand 

MB4  100  1.58  85.6  5.0  9.4  Loamy Sand 

MB5  5  1.46  41.4  18.1  40.5  Clay 

MB5  20  1.41  22.7  19.5  57.8  Clay 

MB5  50  1.33  4.3  27.2  68.5  Heavy Clay 

MB5  100  1.32  3.0  27.7  69.3  Heavy Clay 

MB6  5  1.21  3.7  24.6  71.7  Heavy Clay 

MB6  20  1.39  3.8  21.3  74.9  Heavy Clay 

MB6  50  1.31  2.0  25.9  72.1  Heavy Clay 

MB6  100  1.31  0.5  27.3  72.2  Heavy Clay 

MB7  5  1.40  78.3  9.2  12.5  Sandy Loam 

MB7  20  1.59  82.3  5.8  11.9  Loamy Sand 

MB7  50  1.57  78.1  8.6  13.3  Sandy Loam 

MB7  100  1.58  80.3  8.0  11.7  Sandy Loam 

MB8  5  1.22  3.6  33.2  63.2  Heavy Clay 

MB8  20  1.38  3.5  22.6  73.9  Heavy Clay 

MB8  50  1.38  3.9  23.3  72.8  Heavy Clay 

MB8  100  1.50  1.5  27.6  70.9  Heavy Clay 

MB9  5  1.53  81.3  6.0  12.7  Sandy Loam 

MB9  20  1.60  85.5  3.2  11.3  Loamy Sand 

MB9  50  1.53  83.4  5.1  11.5  Loamy Sand 

MB9  100  1.58  87.5  6.7  5.8  Loamy Sand 

MB10  5  1.05  4.55  24.0  71.6  Heavy Clay 

MB10  20  1.27  2.4  13.5  84.1  Heavy Clay 

MB10  50  1.24  6.7  22.9  70.4  Heavy Clay 

MB10  100  1.30  13.6  44.6  41.8  Silty Clay 

Page 25: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 15 ‐ 

MB11  5  1.3  23.8  39.5  36.8  Clay Loam 

MB11  20  1.59  25.4  38.8  35.8  Clay Loam 

MB11  50  1.64  24.0  46.6  29.3  Clay Loam 

MB11  100  1.74  64.9  29.4  5.8  Sandy Loam 

MB12  5  1.33  42.1  41.7  16.2  Loam 

MB12  20  1.57  36.5  38.7  24.8  Loam 

MB12  50  1.65  27.9  45.0  27.1  Loam 

MB12  100  1.55  24.9  46.2  28.9  Clay Loam 

MB13  5  1.3  81.0  12.0  7.0  Loamy Sand 

MB13  20  1.6  81.0  11.0  8.0  Loamy Sand 

MB13  50  1.52  73.0  15.0  12.0  Sandy Loam 

MB13  100  1.32  19.0  39.0  42.0  Clay 

MB14  5  1.4  89.0  7.0  4.0  Sand 

MB14  20  1.4  73.0  17.0  10.0  Sandy Loam 

MB14  50  1.4  49.0  31.0  20.0  Loam 

MB14  100  1.4  23.0  43.0  34.0  Clay Loam 

MB15  5  1.52  83.0  11.0  6.0  Loamy Sand 

MB15  20  1.5  75.0  15.0  10.0  Sandy Loam 

MB15  50  1.5  89.0  9.0  8.0  Loamy Sand 

MB15  100  1.42  97.0  3.0  0.0  Sand 

Station Depth (cm) 

Density 

(g/cm3) 

Sand (%) 

Silt (%) 

Clay (%) 

Classification 

 

SoilMoistureCalibrationEquations

The soil moisture calibration equations are based on a regional in‐situ calibration developed by Ojo (2015).  The 

regional calibration equations were applied to the regionally consistent sandy and loam soils, while the site 

specific lab equations were applied to the more variable clay soils. 

   

Page 26: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 16 ‐ 

Table 3: The soil moisture calibration equations for the Manitoba RISMA stations used for version 1 

and 2 of data.  The soil moisture calibration equations output soil moisture as m3/m3 and are based on regional field calibration developed by Ojo (2015).  RDC is the non‐temperature corrected Real Dielectric Constant. 

 

Station  Depth (cm) 

Equation (x=√RDC) 

  Station  Depth (cm) 

Equation (x=√RDC) 

MB1  0‐5  0.1059x – 0.1582    MB9  0‐5  0.0869x – 0.1159 MB1  5  0.1059x – 0.1582    MB9  5  0.0869x – 0.1159 MB1  20  0.1059x – 0.1582    MB9  20  0.1034x – 0.1603 MB1  50  0.1059x – 0.1582    MB9  50  0.1087x – 0.1548 MB1  100  0.1059x – 0.1582    MB9  100  0.1087x – 0.1548 MB2  0‐5  0.0748x – 0.0299    MB10  0‐5  0.0672x + 0.0807 MB2  5  0.0748x – 0.0299    MB10  5  0.0672x + 0.0807 MB2  20  0.0748x – 0.0299    MB10  20  0.0662x + 0.0865 MB2  50  0.084x – 0.0773    MB10  50  0.0662x + 0.0865 MB2  100  0.07642x – 0.05692    MB10  100  0.0662x + 0.0865 MB3  0‐5  0.0786x – 0.0766    MB11  0‐5  0.059x + 0.0866 MB3  5  0.0786x – 0.0766    MB11  5  0.059x + 0.0866 MB3  20  0.0753x – 0.0551    MB11  20  0.059x + 0.0866 MB3  50  0.0776x – 0.066    MB11  50  0.059x + 0.0866 MB3  100  0.07642x – 0.05692    MB11  100  0.1084x – 0.1633 MB4  0‐5  0.1169x – 0.1831    MB12  0‐5  0.0653x + 0.0521 MB4  5  0.1169x – 0.1831    MB12  5  0.0653x + 0.0521 MB4  20  0.1169x – 0.1831    MB12  20  0.0577x  + 0.0968 MB4  50  0.1169x – 0.1831    MB12  50  0.0584x + 0.0864 MB4  100  0.1169x – 0.1831    MB12  100  0.0616x + 0.0730 MB5  0‐5  0.0759x – 0.0649    MB13  0‐5  0.1059x – 0.1582 MB5  5  0.0759x – 0.0649    MB13  5  0.1059x – 0.1582 MB5  20  0.0672x – 0.0294    MB13  20  0.1059x – 0.1582 MB5  50  0.0672x – 0.0294    MB13  50  0.1059x – 0.1582 MB5  100  0.0672x – 0.0294    MB13  100  0.0776x – 0.066 MB6  0‐5  0.0804x – 0.0605    MB14  0‐5  0.1059x – 0.1582 MB6  5  0.0804x – 0.0605    MB14  5  0.1059x – 0.1582 MB6  20  0.0734x – 0.0111    MB14  20  0.1059x – 0.1582 MB6  50  0.0734x – 0.0111    MB14  50  0.1059x – 0.1582 MB6  100  0.0734x – 0.0111    MB14  100  0.0616x + 0.0730 MB7  0‐5  0.0978x – 0.12    MB15  0‐5  0.1059x – 0.1582 MB7  5  0.0978x – 0.12    MB15  5  0.1059x – 0.1582 MB7  20  0.0978x – 0.12    MB15  20  0.1059x – 0.1582 MB7  50  0.0978x – 0.12    MB15  50  0.1059x – 0.1582 MB7  100  0.0978x – 0.12    MB15  100  0.1059x – 0.1582 

MB8  0‐5  0.0592x + 0.0635         MB8  5  0.0592x + 0.0635         MB8  20  0.059x + 0.067         MB8  50  0.059x + 0.067         MB8  100  0.059x + 0.067         

 

Page 27: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 17 ‐ 

Data

Sensor data is logged every 15 minutes and the data is updated on the AAFC internal server, SOS cloud server 

and the web portal once per hour.   

The data format changed in 2013 with the installation of the additional sensors and new dataloggers.  Data 

recorded prior to 2013 can be requested directly from Agriculture and Agri‐Food Canada.  Data recorded after 

June 2013 is provided at the following data portal:  agriculture.canada.ca/SoilMonitoringStations/index‐en.html.  

Current conditions, 15‐minute data series and daily data summaries can be visualized and downloaded through 

the portal. 

The headers for the soil moisture sensors are constructed according to: 

Depth of measurement in cm, replica or column number, parameter  

#1 sensors were installed in column #1 

#2 sensors were installed in column #2, which is the middle column (always located between column 1  and 3) 

#3 sensors were installed in column #3 

 

15MinuteData

The following are examples of 15‐minute data headers for station MB1: 

MB1 Reading Time (CST): Date and time of the data recordings in Local Standard Time, 24 hour clock 

MB1 Ambient Air RHAvg (%):  Average relative humidity measured in the past 15 minutes at a 1.5 m height, in percent 

MB1 Ambient Air Temp (°C): Average air temperature measured in the past 15 minutes at a 1.5 m height, in °C  

MB1 Precipitation (mm): Total amount of rain in the past 15 minutes measured at a 2.5 m height, in mm  

MB1 Wind WindDir: Average wind direction in the past 15 minutes measured at a 3 m height, in cardinal direction  

MB1 Wind WindSpeed (km/h): Average wind speed in the past 15 minutes measured at a 3 m height, in km/h 

MB1 Wind WindSpeedMax (km/h):  Maximum wind speed in the past 15 minutes measured at a 3 m height, in km/h 

MB1 Wind WindSpeedMin (km/h):  Minimum wind speed in the past 15 minutes measured at a 3 m height, in km/h 

MB1 0‐5 cm Depth Sensor 1 Temp (°C): Soil temperature (HydraProbe parameter F) measured at 0‐5 cm (vertical surface sensor) in column #1, in °C 

Page 28: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 18 ‐ 

MB1 0‐5 cm Depth Sensor 1 WFV (%): Calibrated soil moisture as calculated based on the recorded RDC at 0‐5 cm (vertical surface sensor) in column #1, in m3/m3. 

 

The data from the remaining Stevens HydraProbe sensors follow the exact pattern as the example provided 

above.  The soil moisture measured by a 20 cm sensor in column #3, would have the following header:  

MB1 20 cm Depth Sensor 3 WFV (%). 

Note, the station ID in the header may be provided as MB_1 or MB1 depending on where the data is 

downloaded.  The data from the remaining Stevens HydraProbe sensors follow the exact pattern as the 

MB1_0to5cm_1 example provided above.  The soil moisture measured by a horizontal 5 cm sensor in column 

#2, would have the following header:  

MB_1_Hydra_5cm_WFV_2. 

The data files for all stations are structured exactly the same and the headers are the same with the exception 

of Station ID. 

DailyData

The daily data values provided at the data portal (agriculture.canada.ca/SoilMonitoringStations/index‐en.html) 

are calculated at midnight Local Standard Time (CST for MB stations) and cover the previous 24 hour period. 

The following is an example of the daily data headers for MB stations: 

Reading Time: Date, as year‐month‐day 

Ambient Air RHAvg (%):  Average daily relative humidity measured at a 1.5 m height, in percent 

Ambient Air Temp (°C): Average daily air temperature measured at a 1.5 m height, in °C  

Ambient Air TempMax (°C): Maximum daily air temperature measured at a 1.5 m height, in °C 

Ambient Air TempMin (°C): Minimum daily air temperature measured at a 1.5 m height, in °C 

Precipitation Total (mm): Total daily rain amount measured at a 2.5 m height, in mm 

Wind WindDir: Average daily wind direction measured at 3 m height, in cardinal direction  

Wind WindSpeed (km/h): Average daily wind speed measured at a 3 m height, in km/h 

Wind WindSpeedMax (km/h): Maximum daily wind speed measured at a 3 m height, in km/h  

Wind WindSpeedMin (km/h): Minimum daily wind speed measured at a 3 m height, in km/h 

0‐5 cm Depth Average (°C): Average daily soil temperature (HydraProbe parameter F) at 0‐5 cm (vertical surface sensor) for all columns, in °C 

0‐5 cm Depth Average WFV (%): Average daily calibrated soil moisture at 0‐5cm (vertical surface sensor) for all columns, in % 

 

Page 29: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 19 ‐ 

The data from the remaining Stevens HydraProbe sensors follow the exact pattern as the example provided 

above.  The daily average soil moisture measured at 20‐cm depth would have the following header: 

20 cm Depth Average WFV (%). 

DataFlags

The HydraProbe data has gone through a basic, automated quality control (QC) procedure where data not 

meeting the quality standards has either been removed or flagged. 

Missing data and data removed by QC process is reported as “NoData” in the data columns and as NA in the flag 

columns. 

The data flags have been modified over time and are considered cumulative after V2.20140214. 

V1.20130617: Applied June 27, 2013. 

These data flags apply to data downloaded between June 17, 2013, and the application of the next data 

version. 

Original QC Flags   “Flag1,Flag2,Flag3,Flag4,Flag5”  The flags will be listed as OK, NA or an error message.  Here are the possible outputs for each flag:  

 Flag 1  Output: “OK” / “Out of WFV range” / “NA” Flag 2  Output: “OK” / “Frozen soil” / “NA” Flag 3  Output: “OK” / “Out of average range” / “NA”  Flag 4  Output: “OK” / “Readings below zero” / “NA”  Flag 5  Output: “OK” / “DLT > 2” / “NA” 

 

Flag 1 “Out of WFV range”: activated if Soil Moisture (m3/m3) is less than 0 or greater than 0.60 

 Flag 2 “Frozen soil”: activated if the soil temperature is below zero °C and indicates that the soil moisture readings should not be used  

Flag 3 “Out of WFV average range”: activated if Soil Moisture value (m3/m3) is more than 10% different from the average, i.e. if there are sudden changes in soil moisture (these could be due to rain events or data noise; the flag is there to assist in interpretation along with rain gauge data)  

Flag 4 “Readings below zero”: activated if Real Dielectric Constant (RDC) or Temperature Corrected Soil Conductivity (CON) is negative 

 Flag 5 “DLT > 2”: activated if the Dielectric Loss Tangent (DLT = Imaginary Dielectric Constant / Real Dielectric Constant) is greater than 2 

Page 30: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 20 ‐ 

 

V2.20140214: Applied February 14, 2014.   

Updates: The automated QC protocol has been adjusted and the soil moisture flags have been modified. 

These updates apply to all RISMA data (June 2013 to current) downloaded between November 28, 2014, and the application date of the next data version.  

Meteorological data: The known bad data between June 2013 and November 2013 has been removed.  Also new to this version is that the precipitation data will be removed and reported as “NoData” when the air temperature is below freezing point. 

 Soil Moisture QC Flags: “Flag1,Flag2,Flag3,Flag4,Flag5,Flag6”  The flags will be listed as OK, NA or an error message.  Here are the possible outputs for each flag:  

Flag 1  Output: “OK” / “Out of WFV range” / “NA” Flag 2  Output: “OK” / “Out of WFV average range” / “NA” Flag 3  Output: “OK” / “Frozen soil” / warning: “STC averaged using depth 1 & 2” / “NA” Flag 4  Output: “OK” / “Out of RDC range” / “NA” Flag 5  Output: “OK” / “DLT >= 1.5” / “NA” Flag 6  Output: “OK” / “CON >= 0.2” / “NA” 

 Flag 1 “Out of WFV range”: activated if the Soil Moisture (m3/m3) is less than 0.02 or greater than 0.60  

Flag 2 “Out of WFV average range”: activated if Soil Moisture value (m3/m3) is more than 10% different from the average, i.e. if there are sudden changes in soil moisture (these could be due to rain events or data noise; the flag is there to assist in interpretation along with rain gauge data)  

Flag 3 “Frozen soil”: activated if the soil temperature is below zero degrees Celsius and indicates that the soil moisture readings should not be used  

Flag 3 “STC averaged using depth 1 & 2”: activated when HydraProbe sensor #3 does not measure soil temperature.  The average soil temperature from sensor #1 and 2 is used instead.  Occurs at some ON stations.  

Flag 4 “Out of RDC range”: activated when Real Dielectric Constant (RDC) is less than 2.4 

 Flag 5 “DLT >= 1.5”: activated when the Dielectric Loss Tangent (DLT = Imaginary Dielectric Constant / Real Dielectric Constant) is equal to or larger than 1.5 

 Flag 6 “CON >= 0.2”: activated when temperature corrected soil conductivity (CON) is equal to or larger than 0.2 S/m 

 The HydraProbe data is removed if real dielectric constant (RDC), conductivity (Con) or dielectric loss tangent is negative as it indicates a malfunctioning sensor.  

Page 31: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 21 ‐ 

V3.20141128: Applied November 28, 2014.   

Updates: New calibration equations have been implemented for the Sturgeon Creek stations (MB10, 11 

and 12) and these stations have been added to the QC automated protocol.  The soil moisture flags 

remain similar to V2.20140214.   

Timestamps have been adjusted and will now include both date and time recorded in two time formats: 

Local Standard Time and Coordinated Universal Time. 

These updates apply to all RISMA data (June 2013 to current) downloaded between November 28, 2014, 

and the application date of the next data version. 

New calibration equations have been implemented on the data and all Manitoba RISMA data have been 

re‐processed using these equations.  The new equations were derived from a site‐specific calibration 

methodology developed by Ojo (2015).  The data flags have not been modified since the last version and 

are applied on the data as per previous versions. 

Meteorological data: Please note that precipitation data will be removed and reported as “NoData” when 

the air temperature is below freezing point. 

V4.20170104: Applied January 4, 2017.   

Updates: New calibration equations have been implemented for the Carberry stations (MB13, 14 and 

15) and these stations have been added to the QC automated protocol.  The soil moisture flags remain 

similar to V2.20140214.   

These updates apply to all RISMA data (June 2013 to current) downloaded between January 4, 2017, and 

the application date of the next data version. 

Non‐responsive HydraProbe sensors: HydraProbe sensors that have been non‐responsive at 20‐cm 

depths and below will not be replaced with new sensors and thus are now being reported as 

“NoSensor”.  Table 4 identifies the sensors that are currently active from those who have been deemed 

non‐responsive as of December 2014. 

V5.20170918: Applied September 19, 2017 

Updates: Currently, Flag 1 is activated if the soil moisture value is less than 0.02 m3/m3 or greater than 

0.60 m3/m3.  If values fall outside of this range, then the data is flagged. This flag will remain in place 

but the soil moisture (WFV) value will be changed to “No Data” if the value is less than 0.02 m3/m3.  

This will avoid negative values in the dataset. 

This update applies to all RISMA data downloaded after September 19, 2017. 

Page 32: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 22 ‐ 

ProbeStatus

Occasionally the HydroProbe sensors stop working.  While the surface (0‐5 cm) and 5 cm probes are replace, 

the 20 cm and deeper probes are not replaced.  Replacement of the deep probes may result a significant shift 

in soil moisture due to the recent soil disturbance.  Table 4 and Table 5 identifies the sensors that are currently 

active from those who have been deemed non‐responsive in 2014 and 2018, respectively.   

Table 4: List of sensors for the Manitoba stations that have been deemed unresponsive as of December 2014.  “A” signifies sensors that are active, “NS” signifies sensors have been disconnected due to failure or anomalies and “R” for sensors which are replaced or reinserted on a regular basis. 

Station 0‐5cm  5 cm  20cm  50cm  100cm 

1  2  3  1  2  3  1  2  3  1  2  3  1  2  3 

MB1  R  R  R  R  R  R  A  A  A  NS  A  A  A  A  NS 

MB2  R  R  R  R  R  R  A  NS  A  A  NS  A  A  NS  A 

MB3  R  R  R  R  R  R  NS  A  A  A  A  A  A  A  A 

MB4  R  R  R  R  R  R  NS  A  A  A  A  NS  NS  A  A 

MB5  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A 

MB6  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  NS 

MB7  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  NS  A 

MB8  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A 

MB9  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  NS  A  A 

MB10  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A 

MB11  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A 

MB12  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A 

  

Table 5: List of sensors for the Manitoba stations that have been deemed unresponsive as of April 2019.  “A” signifies sensors that are active, “NS” signifies sensors have been disconnected due to failure or anomalies and “R” for sensors which are replaced or reinserted on a regular basis. 

Station 0‐5cm  5 cm  20cm  50cm  100cm 

1  2  3  1  2  3  1  2  3  1  2  3  1  2  3 

MB1  R  R  R  R  R  R  A  A  NS  NS  NS  A  A  A  NS 

MB2  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A 

MB3  R  R  R  R  R  R  NS  A  A  A  A  A  NS  A  NS 

MB4  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A 

MB5  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A 

MB6  R  R  R  R  NS  R  NS  NS  NS  A  A  A  A  NS  NS 

MB7  R  R  R  R  R  R  A  NS  A  A  A  A  A  NS  NS 

MB8  R  R  R  R  R  R  NS  A  A  A  A  NS  NS  A  A 

MB9  R  R  R  R  R  R  A  NS  A  A  A  A  NS  NS  A 

MB10  R  R  R  R  NS  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A 

MB11  R  R  R  R  R  R  NS  A  A  A  A  A  A  A  A 

Page 33: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 23 ‐ 

MB12  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A 

MB13  R  R  R  R  R  NS  A  A  A  A  A  A  NS  A  NS 

MB14  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A 

MB15  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A 

Station 1  2  3  1  2  3  1  2  3  1  2  3  1  2  3 

0‐5cm  5 cm  20cm  50cm  100cm 

 

References

Eilers, R.G.  (2013).  Sturgeon Creek Soil Moisture Monitoring Stations (SMMS) Soil and Landscape 

Classification.  Agriculture and Agri‐Food Canada, Science and Technology Branch, Winnipeg, MB.  30pp. 

Eilers, R.G.  (2015).  Carberry Soil Moisture Monitoring Stations – Canada‐Manitoba Crop Diversification 

Center (SMMS – CMCDC) Soil and Landscape Classification.  Agriculture and Agri‐Food Canada, Science and 

Technology Branch, Winnipeg, MB.  18pp. 

Ojo, R.  (2012).  Multi‐depth HydraProbe Calibration.  SMAPVEX12: SMAP Validation Experiment 2012.  

University of Manitoba.  7pp. 

Ojo, R., L’Heureux, J.,  Bullock, P.  R., Powers, J.,  McNairn, H.  and A.  Pacheco (2015).  Calibration and 

Evaluation of an FDR Sensor for the Real‐time In Situ Monitoring for Agriculture Network in Manitoba. 

Vadose Zone 14, doi:10.2136/vzj2014.08. 

Powers, J.  (2014).  Re‐Installation of Hydra‐Probes at RISMA Station MB 5.  Agriculture and Agri‐Food Canada, 

Winnipeg, MB.  6pp. 

Walker, B.D.  (2012).  Agri‐Environmental Monitoring – Manitoba: Methodology and landscape descriptions.  

Agriculture and Agri‐Food Canada, Agri‐Environmental Services Branch.  Winnipeg, MB and Ottawa, ON.  29 pp. 

 

   

Page 34: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 24 ‐ 

   

Page 35: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 25 ‐ 

SaskatchewanReal‐timeIn‐situSoilMonitoringforAgriculture(RISMA)NetworkMetadata

Overview

The Saskatchewan monitoring stations were established in 2011 by AAFC to supplement an existing network 

established by Environment and Climate Change Canada (ECCC) and the University of Guelph.  The ECCC‐

Guelph network supports a variety of hydrological, land surface modelling and satellite data validation research.  

The stations were established west of Kenaston, 100 km south of Saskatoon (Table 6 and Figure 8) and are in 

Canada’s Prairie/Boreal Plain Ecozone. 

The AAFC sites were installed on four pasture sites to supplement the existing sites which are installed 

primarily on annual cropland.  Cereals, canola and peas are typically grown in this area.  The Saskatchewan 

stations record precipitation, air temperature, wind direction and wind speed, as well as the real dielectric 

constant, soil moisture and soil temperature using HydraProbe sensors at surface (0‐5 cm), 5 cm, 20 cm, 50 cm, 

100 cm and 150 cm depths.  There are two to three probes at each depth, or replicates.  This replication 

provides a measurement of spatial variability in soil moisture and redundancy in the event of sensor 

malfunction. 

StationLocation

Table 6: Saskatchewan RISMA Station Locations.  Note that Easting and Northing are provided in UTM Z13 WGS84. 

Station ID  Legal Land Description*  Easting  Northing  Latitude  Longitude 

SK1  SW 30‐27‐04 W3  390984  5688224  51.33484  ‐106.56494 SK2  SW 30‐27‐04 W3  391057  5688245  51.335042  ‐106.563899 SK3  NW 11‐28‐04 W3  397761  5693570  51.384154  ‐106.469228 SK4  NW 07‐28‐03 W3   401471  5693217  51.381637  ‐106.415833 

*QTR‐SEC‐TWP‐RGE 

Page 36: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 26 ‐ 

 

Figure 8: Map of Saskatchewan RISMA stations.  

Instrumentation

The following instruments were used from 2011‐2013: 

Datalogger: Campbell Scientific datalogger (CR800) 

Power source: 40W solar panels and 12V / 100 AH battery 

Modem: Bluetree 6800 modems on Bell 3G or LTE Network (HSPA) 

Soil moisture sensor: Steven’s HydraProbe II (SDI‐12)  

Rain gauge: Campbell Scientific tipping bucket rain gauge (CS700) 

Wind speed/ direction: RM Young wind monitor (Model 05103) 

 

In 2013 the stations underwent an upgrade and the following instruments are currently used: 

Datalogger: Campbell Scientific datalogger (CR1000) 

Page 37: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 27 ‐ 

Modem: Bluetree 6800 modems on Bell 3G or LTE Network (HSPA) 

Power source: 40W solar panels and 12V / 100 AH battery 

Soil moisture sensor: Steven’s HydraProbe II (SDI‐12)  

Rain gauge: Campbell Scientific tipping bucket rain gauge (CS700) 

Wind speed/ direction: RM Young wind monitor (Model 05103) 

Air temperature and relative humidity: Campbell Scientific temperature and relative humidity probe (HC2‐S3 or HC‐S3) installed inside a RM Young radiation shield (model 41003) 

 

InstallationProcedure

The stations were installed in the summer of 2011 and detailed descriptions of the installation procedure and 

the soil profiles are provided by L’Heureux (2011).  The four Saskatchewan RISMA stations were installed in 

pastures, meaning the stations could be installed anywhere on the field without risk of being hit by agricultural 

machinery.  The locations are fenced to prevent cattle from interfering with the sensors.   

GeneralSetup

The meteorological sensors, datalogger, solar panel, battery and soil moisture probes were installed inside a 

fenced area, 10 × 20 ft (3.048 × 6.096 m) (Figure 9) to prevent interference from cattle.  The tipping rain bucket 

is located at a height of 1.5 m, to ensure accurate measurement of rainfall while the wind speed/direction 

sensor is at a 2 m height.  The temperature and relative humidity sensor is located inside a radiation shield 

minimizing influence from solar radiation.  The radiation shield is on a 1.5 m fence post located and faces north 

where ever possible.  An illustration of the station layout is shown in Figure 10.   

 

Figure 9: Photograph of SK3 showing the setup of the Saskatchewan stations.    

Page 38: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 28 ‐ 

 

 Figure 10: An illustration of the Saskatchewan RISMA station layout as seen from above. 

 

SoilMoistureProbeInstallation

The soil moisture sensors were installed in a soil pit excavated with a backhoe.  Care was taken to leave an 

“undisturbed” wall where the sensors were installed.  The soil removed from the pit was placed on a tarp so 

that it could be used to backfill the pit with minimal mixing of the soil layers.  The sensor locations were 

selected and flagged.  Three sensors, or replicas, were installed at each depth: 0‐5 cm (vertical), 5 cm 

(horizontal), 20 cm (horizontal), 50 cm (horizontal), where at 100 cm (horizontal) and 150 cm (horizontal) were 

installed.  The replicas were installed to form three columns of sensors except at the 100 cm and 150 cm depths 

where only two sensors were installed (Figure 11).  Within the columns, the sensors are offset from each other, by 

approximately 1 m, to avoid disturbing the flow to the sensors below. 

 Figure 11: A schematic illustration of the Steven’s HydraProbe sensors instillation; not to scale. 

 

To install the soil moisture sensors, a soil coring device (2 inch diameter × 3 inch long [5.08 × 7.62 cm]) was used 

to extract an undisturbed soil sample from the pit wall at each flagged sensor location (Figure 12).  The soil 

Page 39: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 29 ‐ 

coring device was hammered horizontally into the pit wall.  The soil removed from each location was retained 

for analysis.  Then, the cavity was scraped clean and smooth as the soil moisture probes need to be installed 

flush with the soil surface.  Next, the sensors were inserted into the cavity left after extracting the soil core 

using a length of PVC tube for leverage.  After installing the sensors, the soil core cavity was backfilled with soil 

and a mix of soil and bentonite to prevent preferential flow towards the sensor.  Once all the sensors were 

installed, the soil pit and the trench were carefully backfilled.    

 

Figure 12: Photographs illustrating the installation of the HydraProbe sensors into the pit wall.  a) extracting a soil cord; b): scraping the soil core cavity clean; and c) installing the soil moisture probe in the soil core cavity. 

The soil removed during the coring process was used to do site specific lab calibration (dry down of undisturbed 

sample) and a soil texture analysis for each sensor location.   

RegularMaintenance

The plots require very little maintenance and probes have had minimal reinserted since instillation.  A few of 

the surface (0‐5 cm) and 5 cm probes have been moved and reinserted.  However, in 2019, an annual 

reinsertion of the surface (0‐5 cm) soil probes will occur.  This is due to the build up of soil organic matter on 

the soil surface and the need to maintain contact with the soil. 

 

SoilTexture

A hydrometer method was used to determine soil textural composition from samples that were taken during 

installation. 

a  c b 

Page 40: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 30 ‐ 

Table 7: Soil textures for Saskatchewan RISMA Stations.  Note that depth 0‐5 cm indicates the surface (vertically) installed surface sensors. 

Station Depth 

(cm) 

Density 

(g/cm3) 

Sand 

(%) 

Silt 

(%) 

Clay 

(%) Classification 

SK1  0‐5  1.01  14.5  56.3  29.2  Silty Clay Loam 

SK1  5  1.07  14.8  56.3  28.9  Silty Clay Loam 

SK1  20  1.52  23.0  49.9  27.1  Loam 

SK1  50  1.59  11.7  53.2  35.1  Silty Clay Loam 

SK1  100  1.81  38.8  31.5  29.7  Clay Loam 

SK1  150  1.81  24.0  47.3  28.7  Clay Loam 

SK2  0‐5  1.10  20.2  55.4  24.4  Silt Loam 

SK2  5  1.34  24.3  49.6  26.1  Loam 

SK2  20  1.58  21.5  48.6  29.9  Clay Loam 

SK2  50  1.69  52.5  26.8  20.7  Sandy Clay Loam 

SK2  100  1.87  35.1  25.8  39.1  Clay Loam 

SK2  150  1.88  36.2  31.0  32.8  Clay Loam 

SK3  0‐5  1.31  35.6  36.8  27.6  Loam 

SK3  5  1.61  45.1  30.7  24.2  Loam 

SK3  20  1.63  49.5  26.1  24.4  Sandy Clay Loam 

SK3  50  1.73  41.4  25.2  33.4  Clay Loam 

SK3  100  1.86  40.9  31.9  27.2  Loam 

SK3  150  2.00  37.1  29.4  33.5  Clay Loam 

SK4  0‐5  1.25  24.3  44.9  30.8  Clay Loam 

SK4  5  1.57  29.1  37.6  33.3  Clay Loam 

SK4  20  1.52  26.5  40.7  32.8  Clay Loam 

SK4  50  1.59  28.7  38  33.3  Clay Loam 

SK4  100  1.57  30.4  36.6  33.0  Clay Loam 

SK4  150  1.62  33.5  34.6  31.9  Clay Loam 

 

SoilMoistureCalibrationEquations

The soil moisture calibration equations are based on a lab calibration from site specific soil cores. 

   

Page 41: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 31 ‐ 

Table 8: The soil moisture calibration equations for the Saskatchewan RISMA stations.  The soil 

moisture calibration equations output soil moisture as m3/m3.  RDC is the non‐temperature corrected Real Dielectric Constant. 

Station Depth (cm) 

Equation (x=RDC) 

SK1  0‐5  (0.00663x2 + 1.14948x + 3.525889) / 100 

SK1  5  (0.000127x2 + 1.43425x + 1.334277) / 100 

SK1  20  (0.02280x2 + 0.57818x + 2.92099) / 100 

SK1  50  (0.02021x2 + 0.26598x + 4.32800) / 100 

SK1  100  (0.02168x2 + 0.62133x + 0.35983) / 100 

SK1  150  (0.00873x2 + 0.94502x ‐ 1.65041) / 100 

SK2  0‐5  (0.0107x2 + 0.9161x + 4.062) / 100 

SK2  5  (0.0152x2 + 0.8583x + 2.4355) / 100 

SK2  20  (0.0228x2 + 0.479x + 3.3194) / 100 

SK2  50  (0.0439x2 + 0.2804x + 2.0212) / 100 

SK2  100  (0.0466x2 ‐ 0.4425x + 8.6272) / 100 

SK2  150  (‐0.0038x2 + 1.3114x ‐ 3.618) / 100 

SK3  0‐5  (0.01666x2 + 0.73262x + 2.38252) / 100 

SK3  5  (0.01089x2 + 1.05061x ‐ 0.70396) / 100 

SK3  20  (0.01827x2 + 0.72865x + 0.76218) / 100 

SK3  50  (‐0.00794x2 + 1.053396x ‐ 2.48302) / 100 

SK3  100  (‐0.00267x2 + 0.54936x + 2.19025) / 100 

SK3  150  (‐0.00602x2 + 1.06546x ‐ 4.60197) / 100 

SK4  0‐5  (0.0217x2 + 0.4287x + 4.4967) / 100 

SK4  5  (0.0263x2 + 0.1246x + 4.8707) / 100 

SK4  20  (0.0258x2 + 0.1622x + 4.0373) / 100 

SK4  50  (0.0171x2 + 0.6727x + 0.2673) / 100 

SK4  100  (0.0016x2 + 0.556x + 1.5024) / 100 

SK4  150  (‐0.0056x2 + 1.0049x ‐ 2.0664) / 100 

 

Data

Sensor data is logged every 15 minutes and the data is updated on the AAFC internal server, SOS cloud server 

and the web portal once per hour. 

Data format changed in 2013 with the installation of the additional sensors and new dataloggers.  Data 

recorded prior to 2013 can be requested directly from Agriculture and Agri‐Food Canada.  Data recorded after 

June 2013 is provided at the following data portal:  agriculture.canada.ca/SoilMonitoringStations/index‐en.html.  

Page 42: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 32 ‐ 

Current conditions, 15‐minute data series and daily data summaries can be visualized and downloaded through 

the portal. 

The headers for the soil moisture sensors are constructed according to: 

Depth of measurement in cm, replica or column number, parameter 

#1 sensors were installed in column #1 

#2 sensors were installed in column #2, which is the middle column (always located between column 1 and 3) 

#3 sensors were installed in column #3 

 

15MinuteData

The following are examples of 15‐minute data headers for station SK1. 

SK1 Reading Time (CST): Date and time reported in Local Standard Time (CST), 24‐hour clock 

SK1 Ambient Air RHAvg(%): Average relative humidity in the past 15 minutes measured at a 1.5 m height, in percent 

SK1 Ambient Air Temp (°C): Average air temperature in the past 15 minutes measured at a 1.5 m height, in °C 

SK1 Precipitation (mm): Total amount of rain in the past 15 minutes measured at a 1.5 m height, in mm 

SK1 Wind WindDir: Average wind direction in the past 15 minutes measured at a 2 m height, in cardinal direction

SK1 Wind WindSpeed (km/h): Average wind speed in the past 15 minutes measured at a 2 m height, in km/h 

SK1 Wind WindSpeedMax (km/h): Maximum wind speed in the past 15 minutes measured at a 2 m height, km/h 

SK1 Wind WindSpeedMin (km/h): Minimum wind speed in the past 15 minutes measured at a 2 m height, km/h 

SK1 0‐5 cm Depth Sensor 1 Temp (°C): Soil temperature (HydraProbe parameter F) measured at 0‐5 cm (vertical surface sensor) in column #1, in °C 

SK1 0‐5 cm Depth Sensor 1 WFV (%): Calibrated soil moisture as calculated based on the recorded RDC at 0‐5 cm (vertical surface sensor) in column #1, in m3/m3 

 

The data from the remaining Stevens HydraProbe sensors follow the exact pattern as the example provided 

above.  The soil moisture measured by a 20cm sensor in column #3, would have the following header: 

SK1 20 cm Depth Sensor 3 WFV (%). 

Page 43: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 33 ‐ 

Note, the station ID in the header may be provided as SK_1 or SK1 depending on where the data is downloaded.  

The data from the remaining Stevens HydraProbe sensors follow the exact pattern as the example provided 

above.  The soil moisture measured by a horizontal 5 cm sensor in column #2, would have the following header:  

SK_1_Hydra_5cm_WFV_2. 

The data files for all stations are structured exactly the same and the headers are the same with the exception 

of Station ID. 

DailyData

The daily data values provided on the data portal (agriculture.canada.ca/SoilMonitoringStations/index‐en.html) 

are calculated at midnight Local Standard Time (CST for SK stations) and cover the previous 24 hour period. 

The following is an example of the daily data headers for SK stations: 

Reading Time (CST): Date, year‐month‐day 

Ambient Air RHAvg(%): Average daily relative humidity measured at a 2 m height, in percent 

Ambient Air Temp (°C): Average daily air temperature measured at a 2 m height, in °C  

Ambient Air TempMax (°C): Maximum daily air temperature measured at a 1.5 m height, in °C 

Ambient Air TempMin (°C): Minimum daily air temperature measured at a 1.5 m height, in °C 

Precipitation Total (mm): Total daily rain amount measured at a 1.5 m height, in mm 

Wind WindDir: Average daily wind direction measured at a 3 m height, in cardinal direction  

Wind WindSpeed (km/h): Average daily wind speed measured at a 2 m height, in km/h 

Wind WindSpeedMax (km/h): Maximum daily wind speed measured at a 2 m height, in km/h  

Wind WindSpeedMin (km/h): Minimum daily wind speed measured at a  2m height, in km/h 

0‐5 cm Depth Average (°C): Average daily soil temperature (HydraProbe parameter F) at 0‐5 cm (vertical surface sensor) for all columns, in °C 

0‐5 cm Depth Average WFV (%): Average daily calibrated soil moisture at 0‐5 cm (vertical surface sensor) for all columns, in % 

 

The data from the remaining Steven’s HydraProbe sensors follow the exact pattern as the example provided 

above.  The daily average soil temperature measured at 20‐cm depth would have the following header:  

20 cm Depth Average Temp (°C). 

DataFlags

The HydraProbe data has gone through a basic, automated QC procedure where data not meeting quality 

standards has either been removed or flagged. 

Page 44: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 34 ‐ 

Missing data and data removed by QC process is reported as “NoData” in the data columns and as NA in the flag 

columns. 

The data flags have been modified over time and are considered cumulative after V2.20140214. 

V1.20130617: Applied June 27, 2013. 

These data flags apply to data downloaded between June 17, 2013, and the application of the next data 

version.   

Original QC Flags 

“Flag1,Flag2,Flag3,Flag4,Flag5 ” 

The flags will be OK, NA or an error message.  Here are the possible outputs for each Flag:  

Flag 1  Output: “OK” / “Out of WFV range” / “NA” Flag 2  Output: “OK” / “Frozen soil” / “NA” Flag 3  Output: “OK” / “Out of average range” / “NA”  Flag 4   Output: “OK” / “Readings below zero” / “NA”  Flag 5  Output: “OK” / “DLT > 2” / “NA” 

 

Flag 1 “Out of WFV range”: activated if Soil Moisture (m3/m3) is less than 0 or greater than 0.60 

Flag 2 “Frozen soil”: activated if the soil temperature is below zero degrees Celsius and indicates that the 

soil moisture readings should not be used. 

Flag 3 “Out of WFV average range”: activated if Soil Moisture value (m3/m3) is more than 10% different 

from the average, i.e. if there are sudden changes in soil moisture (these could be due to rain events or 

data noise; the flag is there to assist in interpretation along with rain gauge data) 

Flag 4 “Readings below zero”: activated if Real Dielectric Constant (RDC) or Temperature Corrected Soil 

Conductivity (CON) is negative 

Flag 5 “DLT > 2”: activated if the Dielectric Loss Tangent (DLT = Imaginary Dielectric Constant / Real 

Dielectric Constant) is greater than 2 

V2.20140214: Applied February 14, 2014.   

Updates: The automated QC protocol has been adjusted and the soil moisture flags have been modified. 

Page 45: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 35 ‐ 

These updates apply to all RISMA data (June 2013 to current) downloaded between February 14, 2014, 

and the application date of the next data version. 

Meteorological data: The known bad data between June 2013 and November 2013 has been removed.  

Also new to this version is that the precipitation data will be removed and reported as “NoData” when 

the air temperature is below freezing point. 

Soil Moisture QC Flags: “Flag1,Flag2,Flag3,Flag4,Flag5,Flag6” 

The flags will be OK, NA or an error message.  Here are the possible outputs for each Flag:  

Flag 1  Output: “OK” / “Out of WFV range” / “NA” Flag 2  Output: “OK” / “Out of WFV average range” / “NA” Flag 3  Output: “OK” / “Frozen soil” / warning: “STC averaged using depth 1 & 2” / “NA”  Flag 4  Output: “OK” / “Out of RDC range” / “NA” Flag 5  Output: “OK” / “DLT >= 1.5” / “NA” Flag 6  Output: “OK” / “CON >= 0.2” / “NA” 

 

Flag 1 “Out of WFV range”: activated if the Soil Moisture (m3/m3) is less than 0.02 or greater than 0.60 

Flag 2 “Out of WFV average range”: activated if Soil Moisture value (m3/m3) is more than 10% different 

from the average, i.e. if there are sudden changes in soil moisture (these could be due to rain events or 

data noise; the flag is there to assist in interpretation along with rain gauge data) 

Flag 3 “Frozen soil”: activated if the soil temperature is below zero degrees Celsius and indicates that the 

soil moisture readings should not be used 

Flag 3 “STC averaged using depth 1 & 2”: activated when HydraProbe sensor #3 does not measure soil 

temperature.  The average soil temperature from sensor #1 and 2 is used instead.  Occurs at some ON 

stations. 

Flag 4 “Out of RDC range”: activated when Real Dielectric Constant (RDC) is less than 2.4 

Flag 5 “DLT >= 1.5”: activated when the Dielectric Loss Tangent (DLT = Imaginary Dielectric Constant / 

Real Dielectric Constant) is equal to or larger than 1.5 

Flag 6 “CON >= 0.2”: activated when temperature corrected soil conductivity (CON) is equal to or larger 

than 0.2 S/m. 

The HydraProbe data is removed if real dielectric constant (RDC), conductivity (Con) or dielectric loss 

tangent is negative as it indicates a malfunctioning sensor. 

Page 46: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 36 ‐ 

V3.20141128: Applied November 28, 2014.   

Updates: The soil moisture flags have not been modified from V2.20140214. 

These updates apply to all RISMA data (June 2013 to current) downloaded between November 28, 2014, 

and the application date of the next data version. 

V4.20170104: Applied January 4, 2017.   

Updates: No specific updates were applied to the Saskatchewan stations.  The soil moisture flags remain 

similar to V2.20140214.   

These updates apply to all RISMA data (June 2013 to current) downloaded between January 4, 2017, and 

the application date of the next data version. 

ProbeStatus

Occasionally the HydroProbe sensors stop working.  While the surface (0‐5 cm) and 5 cm probes are replace, 

the 20 cm and deeper probes are not replaced.  Replacement of the deep probes may result a significant shift 

in soil moisture due to the recent soil disturbance.  Table 9 and Table 10 identifies the sensors that are 

currently active from those who have been deemed non‐responsive in 2014 and 2018, respectively.   

Table 9: List of sensors for the Saskatchewan stations that have been deemed unresponsive as of December 2014.  “A” signifies sensors that are active, “NI” signifies sensors which were never installed, “NS” signifies sensors have been disconnected due to failure or anomalies and “R” for sensors which are replaced or reinserted on a regular basis. 

Station 0‐5cm  5cm  20cm  50cm  100cm  150cm 

1  2  3  1  2  3  1  2  3  1  2  3  1  2  3  1  2  3 

SK1  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  NI  A  A  NI SK2  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  NI  A  A  NI SK3  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  NI  A  A  NI SK4  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  NI  A  A  NI 

 

Table 10: List of sensors for the Saskatchewan stations that have been deemed unresponsive as of October 2018.  “A” signifies sensors that are active, “NI” signifies sensors which were never installed, “NS” signifies sensors have been disconnected due to failure or anomalies and “R” for sensors which are replaced or reinserted on a regular basis.  Note the surface (0‐5 cm) probes will be annually reinserted starting in 2019.  

Station 0‐5cm  5cm  20cm  50cm  100cm  150cm 

1  2  3  1  2  3  1  2  3  1  2  3  1  2  3  1  2  3 

SK1  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  NI  A  A  NI SK2  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  NI  A  A  NI SK3  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  NI  A  A  NI SK4  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  A  NI  A  A  NI 

Page 47: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 37 ‐ 

References

L’Heureux, J.  (2011).  2011 Installation Report for AAFC‐SAGES Soil Moisture Stations in Kenaston, SK.  

Agriculture and Agri‐Food Canada, Regina, SK.  

   

Page 48: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 38 ‐ 

 

 

Page 49: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

 

‐ Page 39 ‐ 

OntarioReal‐timeIn‐situSoilMonitoringforAgriculture(RISMA)NetworkMetadata

Overview

The Ontario monitoring network (ON1 – ON5) was established in 2010 and 2011 by AAFC at a site of ongoing 

research in the development and validation of soil moisture retrieval models from active microwave satellites.  

The network is situated near Casselman, about 50 km east of Ottawa (see Table 11 and Figure 13), in Canada’s 

Mixed Wood Plain Ecozone.  The location of each station was selected based on soil texture variability across 

the area, as well as variability at the field level.  One additional station is located on Agriculture and Agri‐Food 

Canada’s Central Experimental Farm (CEF) in Ottawa.   

In the fall of 2015, the ON1 station was discontinued and a new station, labelled ON6, was installed northwest 

of ON1 within the same soil texture.   

The Ontario stations are located at the edge of agricultural fields with annual crops.  The fields are seeded in 

May and harvested in August through to September, leaving the fields fallow for the remainder of the year; 

often snow covered between December and April.  Annual crops generally grown in the area include corn, 

soybeans and wheat.  The deeper (50 cm and 100 cm) soil moisture sensors are located in the field, about 5‐10 

m away from the edge, while the shallow sensors (0‐5 cm, 5 cm and 20 cm) are located in the grassy area at the 

edge of the field to avoid interference with farming operations.  The Ontario stations record precipitation, as 

well as real dielectric constant, soil moisture and soil temperature at each depth.  Many of the stations have a 

high water table and 100 cm sensors could only be installed at two stations (ON3 and ON5).  Three HydraProbe 

sensors, or replicas, are installed at each depth.  This replication provides a measurement of spatial variability 

in soil moisture and redundancy in the event of sensor malfunction. 

StationLocation

Table 11: Ontario RISMA Station Locations.  Note that Easting and Northing are provided in UTM Z18 WGS84. 

Station ID  Legal Land Description  Easting  Northing  Latitude  Longitude  Status 

ON1  CON 20 PT LOT 12  505020  5020462  45.33765  ‐74.93593  Inactive 

ON2  CON 15 S PT LOT 9  504077  5027566  45.40160  ‐74.94790  Active 

ON3  CON 17E PT LOT 18  500228  5023235  45.36263  ‐74.99708  Active 

ON4  CON 8 PT GORE LOT CON 9  498489  5017836  45.31403  ‐75.01928  Active 

ON5  CON 16 E PT LOT 18  499754  5024816  45.37686  ‐75.00314  Active 

ON6  CON 18 W PT LOTS 9, 10  504701  5020723  45.3628  ‐74.93420  Active CEF1  ‐  443652  5026024  45.38548  ‐75.71978  Active 

Page 50: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 40 ‐ 

 

Figure 13: Map of the Ontario RISMA stations located in the Casselman (Ontario) area.   

 

Instrumentation

Prior to June 2018, the following instrumentation was used: 

Data Transmission: Adcon A755 GSM/GPRS Radio Telemetry Unit (RTU), powered by Adcon 9 VDC 460 mA battery and 4.3 W solar panel 

Station power source: 40 W solar panels and 12V / 18 AH batteries 

Soil moisture sensor: Steven’s HydraProbe II (SDI‐12) 

Rain gauge: Tipping bucket rain gauge (Adcon RG1 2mm) 

Motion camera: Moultrie MCG‐12589 

 

Page 51: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 41 ‐ 

In June 2018, the Ontario RISMA stations underwent a system change with updates to several of the 

components: 

Datalogger: Campbell Scientific CR1000X measurement and control datalogger 

Modem: Microhard Bullet‐LTE modem on Bell 4G network 

Station power source: 40 W solar panels with 12 V / 22 AH batteries 

Soil moisture sensor: Steven’s HydraProbe II (SDI‐12) 

Rain gauge: Adcon RG12 mm tipping rain bucket 

Motion camera: Moultrie MCG‐12589 

 

InstallationProcedure

The stations (ON1 to ON5) were installed in the summer of 2010 and 2011.  In the fall of 2015, the ON1 station 

was discontinued and a new station within the same soil texture was installed northwest of ON1 and labelled 

ON6.  The Ontario stations were designed to be low maintenance and to avoid interference from agricultural 

machinery, particularly the soil moisture sensors.  The shallow soil moisture sensors are at the edge of the 

field, while the deeper soil moisture sensors are buried within the field. 

GeneralSetup

The stations consist of a datalogger, rain gauge, battery and solar panel (Figure 16) and installed on the edge of 

the field in a grassy area.  The surface (0‐5 cm), 5 cm and 20 cm are considered to be the shallow probes and 

are located in the grassy area on the edge of the field.   

 

Figure 14: An example of the Ontario station set up prior to June 2018 at station ON4.   

Page 52: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 42 ‐ 

The Adcon RTU system had a limited number of variables it could record.  For stations recording soil moisture 

at the 100 cm depth (ON3 and ON5), the soil temperature can only be recorded from two of the soil moisture 

probes at this depth in order to accommodate the additional space needed to record the soil moisture 

measurements from the 100 cm sensor.   

In June 2018, a new datalogger and modem were installed.  The datalogger and modem are now located inside 

the enclosure and the modem antenna is attached to the main pole below the rain bucket (Figure 15).  This 

datalogger can handle significantly more variables and soil temperature at the 100 cm depth is recorded on all 

three replicates.  

 

 

Figure 15: An example of the Ontario RISMA set up after June 2018 of station ON4.   

 

A rain tipping bucket gauge, is installed approximately 2.5 m above ground level, preventing interference from 

the crop, on the main pole of the station.  Additionally, the tipping rain bucket is installed on the opposite side 

of the pole from the solar panel, eliminating interference from the solar panel.  As the bucket measures rain 

Page 53: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 43 ‐ 

fall only, it is removed from the station in late November and installed in April when temperatures are 

consistently above 0°C.   

A motion camera is located inside a housing attached to the central pole.  The camera is set to take a 

photograph when movement is sensed.  The photographs are used to verify field activity and possible events 

affecting soil moisture readings (i.e. spraying). 

SoilMoistureProbeInstallation

The soil moisture probes were buried in two separate pits.  A small soil pit at edge of the field was dug for the 5 

cm and 20 cm probes, while another deeper pit was dug in the field for the 50 cm and 100 cm probes.  The 

deeper pit is approximately 5 to 10 m from the edge of the field (Figure 16).  However, due to the high water 

table in the Casselman area, the 100 cm sensors could only be installed at two of the Ontario stations (ON3 and 

ON5).   

 Figure 16: Cross section view of the Ontario RISMA station set‐up; not to scale. 

 

The soil pits were carefully excavated manually and the soil was carefully placed on a tarp.  Additionally, 

trenches for the sensor’s wires were dug and soil was also placed on a tarp.  After the soil pit was excavated, a 

small and a large undisturbed soil core were taken at each depth for analysis (Figure 17).   

Page 54: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 44 ‐ 

 

Figure 17: Photos showing soil cores taken as the soil pit was being excavated.  a) small soil core being taken; and b) a large soil core being taken. 

 

The sensor locations were selected and flagged in the soil pit.  Three sensors, or replicas, were installed at each 

depth.  A large soil coring device (2 inch diameter × 6 inches long [5.08 × 15.24 cm]) was hammered vertically 

into the pit wall and the soil carefully set aside (Figure 18).  The inside of the cavity left by the soil coring device 

was scraped clean and smooth as the soil moisture probes need to be installed flush with the soil surface.  The 

soil moisture sensors were installed into the cavity left by the coring device using a short PVC pipe for leverage.  

The remainder of the soil core hole was filled with a mixture of soil and bentonite to prevent preferential flow 

towards the sensor.  Once all sensors were installed, the soil pit and trench were carefully backfilled to prevent 

mixing of the soil layers.   

 

 

Figure 18: Photos illustrating the installation of the HydraProbe sensors into the pit wall at one of the Ontario RISMA stations.  a) making a hole for the soil moisture sensor; b) the smoothed walls of the soil core cavity; c) PVC pipe on a soil moisture probe; and d) inserting a soil moisture probe. 

 

 

a  b 

a  c b  d 

Page 55: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 45 ‐ 

RegularMaintenance

Given their tendency to shift during freeze‐thaw cycles, removal by animals and to effects of soil cracking, the 

vertical sensors (0‐5 cm) are reinserted often to ensure measurements remain accurate.   As well, the 5 cm 

sensors are affected by freeze‐thaw cycles, often being heaved to the soil surface, and have to be reinstalled in 

the spring. 

Each spring the area around the shallow soil moisture probes is hand tilled and planted with the same crop as 

in the field.  The plants in this plot are tended to mimic the conditions in the field which includes regularly 

weeding the plot by hand or cutting surrounding weeds with a weed trimmer.   

CEFStation

The CEF station was installed in the summer of 2010 as an addition to an existing experiment at the Ottawa 

Research and Development Centre.  The station is installed within a fenced area which is cropped seasonally. 

The installation and setup of the station followed the same procedure as the Cassleman sites.  Soil texture 

analysis was complete earlier as part of the existing experiment on the field.     

SoilTexture

The small undisturbed soil cores taken during the soil moisture probe instillation were analyzed to determine 

soil texture using the hydrometer method.  

Table 12: Soil textures for Ontario RISMA Stations based on the soil core extracted during installation.  Note that depth 0‐5 cm indicates the vertically installed surface sensors. 

Station Depth (cm) 

Density 

(g/cm3) 

Sand (%) 

Silt (%) 

Clay (%) 

Classification 

ON1  0‐5  1.44  8.3  38.6  53.1  Clay 

ON1  5  1.44  8.3  38.6  53.1  Clay 

ON1  20  1.38  8.6  39.2  52.2  Clay 

ON1  50  1.22  28.4  29.9  41.7  Clay 

ON2  0‐5  1.32  34.7  45.4  19.9  Loam 

ON2  5  1.32  34.7  45.4  19.9  Loam 

ON2  20  1.5  36.5  45.9  17.6  Loam 

ON2  50  1.6  68.2  25.7  6.1  Sandy Loam 

ON3  0‐5  1.36  23.8  32.4  43.8  Clay 

ON3  5  1.36  23.8  32.4  43.8  Clay 

ON3  20  1.42  24.4  29.5  46.1  Clay 

ON3  50  1.29  2.4  45.4  52.2  Silty Clay 

ON4  0‐5  1.36  28.1  43.1  28.8  Clay Loam 

ON4  5  1.36  28.1  43.1  28.8  Clay Loam 

ON4  20  1.42  10.6  32.8  56.6  Clay 

ON4  50  1.29  2.4  53.3  44.3  Silty Clay 

Page 56: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 46 ‐ 

ON5  0‐5  1.36  51.6  41.9  6.5  Sandy Loam 

ON5  5  1.36  51.6  41.9  6.5  Sandy Loam 

ON5  20  1.42  47.9  45.6  6.5  Sandy Loam 

ON5  50  1.29  71.2  23.8  5  Sandy Loam 

ON5  100  1.29  39.7  32.3  28  Clay Loam 

ON6  0‐5  1.44  8.3  38.6  53.1  Clay 

ON6  5  1.44  8.3  38.6  53.1  Clay 

ON6  20  1.38  8.6  39.2  52.2  Clay 

ON6  50  1.22  28.4  29.9  41.7  Clay 

Station Depth (cm) 

Density 

(g/cm3) 

Sand (%) 

Silt (%) 

Clay (%) 

Classification 

 

CEFStation

Soil texture analysis was completed prior to the instillation of the soil monitoring station as part of a previous 

experiment.  Soil texture analysis was provided (Gregorich, personal communication, 2019) during the 

instillation of the station. 

Table 13: Soil textures for CEF RISMA Station based on soil texture analysis from the pre‐existing experiment on the same site. 

Station Sand (%) 

Silt (%) 

Clay (%) 

Classification 

CEF1  67.9  20  12.1  Sandy loam 

 

SoilMoistureCalibrationEquations

The soil moisture calibration equations are based on Seyfried (2005) and Bellingham (2007).  Additionally, soil 

moisture calibrations were verified by field testing and lab calibration.  The soil cores from the sites were taken 

and site specific functions were developed, however the texture based equations from Seyfried (2005) and 

Bellingham (2007) were found to reduced error when compared to field collected gravimetric samples 

(Canisius, 2011). 

Table 14: The soil moisture calibration equations for the Ontario RISMA stations.  The soil moisture calibration equations output soil moisture as m3/m3.  RDCTempCorr is the temperature corrected Real Dielectric Constant, RDC is the non‐temperature corrected Real Dielectric Constant and STC is soil temperature in degrees Celsius. 

Station Depth (cm) 

Equation (x=RDCTempCorr=RDC *1.011 / (1.045‐0.00225 * STC)) 

ON1  0‐5  (‐20.93 + (6.553x) + (‐0.2464x2) + (0.0032414x3)) / 100 

ON1  5  (‐20.93 + (6.553x) + (‐0.2464 x2) + (0.0032414 x3)) / 100 

Page 57: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 47 ‐ 

ON1  20  (‐20.93 + (6.553x) + (‐0.2464 x2) + (0.0032414 x3)) / 100 

ON1  50  (‐20.93 + (6.553x) + (‐0.2464 x2) + (0.0032414 x3)) / 100 

ON2  0‐5  0.109 * √ x ‐ 0.179 

ON2  5  0.109 * √ x ‐ 0.179 

ON2  20  0.109 * √ x ‐ 0.179 

ON2  50  0.109 * √ x ‐ 0.179 

ON3  0‐5  (‐20.93 + (6.553x) + (‐0.2464x2) + (0.0032414x3)) / 100 

ON3  5  (‐20.93 + (6.553x) + (‐0.2464x2) + (0.0032414x3)) / 100 

ON3  20  (‐20.93 + (6.553x) + (‐0.2464x2) + (0.0032414x3)) / 100 

ON3  50  0.1088 * √ x ‐ 0.1738 

ON3  100  0.1088 * √ x ‐ 0.1738 

ON4  0‐5  0.1033 * √ x ‐ 0.1768 

ON4  5  0.1033 * √ x ‐ 0.1768 

ON4  20  (‐20.93 + (6.553x)   (‐0.2464x2) + (0.0032414x3)) / 100 

ON4  50  0.1088 * √ x ‐ 0.1738 

ON5  0‐5  0.1105 * √ x ‐ 0.1725 

ON5  5  0.1105 * √ x ‐ 0.1725 

ON5  20  0.109 * √ x ‐ 0.179 

ON5  50  0.109 * √ x ‐ 0.179 

ON5  100  0.1033 * √ x ‐ 0.1768 

ON6  0‐5  (‐20.93 + (6.553x) + (‐0.2464x2) + (0.0032414x3)) / 100 

ON6  5  (‐20.93 + (6.553x) + (‐0.2464x2) + (0.0032414x3)) / 100 

ON6  20  (‐20.93 + (6.553x) + (‐0.2464x2) + (0.0032414x3)) / 100 

ON6  50  (‐20.93 + (6.553x) + (‐0.2464x2) + (0.0032414x3)) / 100 

Station  Depth ( )

Equation ( * / ( * )) 

CEFStation

The soil calibration equation for the CEF station uses Bellingham’s (2007) Loam 1 equation on all sensor depths. 

0.109√ 0.179 

Data

Sensor data is logged every 15 minutes and the data is updated on the AAFC internal server, SOS cloud server 

and the web portal once per hour. 

Page 58: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 48 ‐ 

Data format changed in 2013 with the installation of the additional sensors and the new dataloggers.  Data 

recorded prior to 2013 can be requested directly from Agriculture and Agri‐Food Canada.  Data recorded after 

June 2013 is provided at the following data portal: agriculture.canada.ca/SoilMonitoringStations/index‐

en.html.  Current conditions, 15‐minute data series and daily data summaries can be visualized and 

downloaded through the portal. 

The headers for the soil moisture sensors are constructed according to: 

Depth of measurement in cm, replica or column number, parameter 

#1 sensors were installed in column #1 

#2 sensors were installed in column #2, which is the middle column (always located between column 1 and 3) 

#3 sensors were installed in column #3 

 

15MinuteData

The following are examples of 15‐minute data headers for station ON2: 

ON2 Reading Time (EST): Date and time of the data recordings in Local Standard Time (EST), 24 hour clock 

ON2 Precipitation (mm): Total amount of rain in the past 15 minutes measured at a 2.5 m height, in mm  

ON2 0‐5 cm Depth Sensor 1 Temp (°C): Soil temperature (HydraProbe parameter F) measured at 0‐5 cm (vertical surface sensor) in column #1, in °C. 

ON 2 0‐5 cm Depth Sensor 1 WFV (%): Calibrated soil moisture as calculated based on the recorded RDC at 0‐5cm (vertical surface sensor) in column #1, in m3/m3. 

 

The data from the remaining Stevens HydraProbe sensors follow the exact pattern as the example provided 

above.  The soil moisture measured by a 20 cm sensor in column #3, would have the following header:  

ON2 20 cm Depth Sensor 3 WFV (%). 

Note, the station ID in the header may be provided as ON_1 or ON1 depending on where the data is 

downloaded.  The data from the remaining Stevens HydraProbe sensors follow the exact pattern as the 

0to5cm_1 example provided above.  The soil moisture measured by a horizontal 5 cm sensor in column #2, 

would have the following header:  

ON_1_Hydra_5cm_WFV_2. 

Page 59: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 49 ‐ 

The data files for all stations are structured exactly the same and the headers are the same with the exception 

of Station ID. 

DailyData

The daily data values provided at the data portal (agriculture.canada.ca/SoilMonitoringStations/index‐en.html) 

are calculated from midnight Local Standard Time (EST for ON stations) for the previous 24 hour period. 

The following is an example of the daily data headers for ON stations: 

Reading Time (EST): Date, year‐month‐day 

Precipitation Total (mm): Total daily amount of rain measured at 2.5 m height, in mm  

0‐5 cm Depth Average (°C): Average daily soil temperature (HydraProbe parameter F) at 0‐5 cm (vertical surface sensor) for all columns, in °C 

0‐5 cm Depth Average WFV (%): Average daily calibrated soil moisture at 0‐5cm (vertical surface sensor) for all columns, in % 

 

The data from the remaining Stevens HydraProbe sensors follow the exact pattern as the example provided 

above.  The daily average soil moisture measured at 20‐cm depth would have the following header:  

20 cm Depth Average WFV (%). 

DataFlags

The HydraProbe data has gone through a basic, automated QC procedure where data not meeting quality 

standards has either been removed or flagged. 

Missing data and data removed by QC process is reported as “NoData” in the data columns and as NA in the 

flag columns. 

The data flags have been modified over time. 

V1.20130617: Applied June 27, 2013. 

These data flags apply to data downloaded between June 17, 2013, and the application of the next data 

version.  Original QC Flags 

“Flag1,Flag2,Flag3,Flag4,Flag5 ” 

The flags will be OK, NA or an error message.  Here are the possible outputs for each Flag:  

Page 60: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 50 ‐ 

Flag 1  Output: “OK” / “Out of WFV range” / “NA” Flag 2  Output: “OK” / “Frozen soil” / “NA” Flag 3  Output: “OK” / “Out of average range” / “NA”  Flag 4  Output: “OK” / “Readings below zero” / “NA”  Flag 5  Output: “OK” / “DLT > 2” / “NA” 

 

Flag 1 “Out of WFV range”: activated if Soil Moisture (m3/m3) is less than 0 or greater than 0.60. 

Flag 2 “Frozen soil”: activated if the soil temperature is below zero degrees Celsius and indicates that the 

soil moisture readings should not be used 

Flag 3 “Out of WFV average range”: activated if Soil Moisture value (m3/m3) is more than 10% different 

from the average, i.e. if there are sudden changes in soil moisture (these could be due to rain events or 

data noise; the flag is there to assist in interpretation along with rain gauge data). 

Flag 4 “Readings below zero”: activated if Real Dielectric Constant (RDC) is negative 

Flag 5 “DLT > 2”: activated if the Dielectric Loss Tangent (DLT = Imaginary Dielectric Constant / Real 

Dielectric Constant) is greater than 2.  Note that since Imaginary Dielectric Permittivity is not recorded at 

Ontario stations, this flag is not relevant. 

V2.20140214: Applied February 14, 2014.   

Updates: The automated QC protocol has been adjusted and the soil moisture flags modified. 

These updates apply to all RISMA data (June 2013 to current) downloaded between February 14, 2014, 

and the application date of the next data version. 

Meteorological data: The known bad data between June 2013 and November 2013 has been removed.  

Soil Moisture QC Flags: 

“Flag1,Flag2,Flag3,Flag4,Flag5,Flag6” 

The flags will be OK, NA or an error message.  Here are the possible outputs for each Flag:  

Flag 1  Output: “OK” / “Out of WFV range” / “NA” Flag 2  Output: “OK” / “Out of WFV average range” / “NA” Flag 3  Output: “OK” / “Frozen soil” / warning: “STC averaged using depth 1 & 2” / “NA”  Flag 4  Output: “OK” / “Out of RDC range” / “NA” Flag 5  Output: “OK” / “DLT >= 1.5” / “NA” Flag 6 Output: “OK” / “CON >= 0.2” / “NA” 

 

Page 61: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 51 ‐ 

Flag 1 “Out of WFV range”: activated if the Soil Moisture (m3/m3) is less than 0.02 or greater than 0.60 

Flag 2 “Out of WFV average range”: activated if Soil Moisture value (m3/m3) is more than 10% different 

from the average, i.e. if there are sudden changes in soil moisture (these could be due to rain events or 

data noise; the flag is there to assist in interpretation along with rain gauge data). 

Flag 3 “Frozen soil”: activated if the soil temperature is below zero degrees Celsius and indicates that the 

soil moisture readings should not be used 

Flag 3 “STC averaged using depth 1 & 2”: activated when HydraProbe sensor #3 does not measure soil 

temperature.  The average soil temperature from sensor #1 and 2 is used instead.  Occurs at some ON 

stations. 

Flag 4 “Out of RDC range”: activated when Real Dielectric Constant (RDC) is less than 2.4 

Flag 5 “DLT >= 1.5”: activated when the Dielectric Loss Tangent (DLT = Imaginary Dielectric Constant / 

Real Dielectric Constant) is equal to or larger than 1.5.  Note that since Imaginary Dielectric Permittivity is 

not recorded at Ontario stations, this flag is not relevant. 

Flag 6 “CON >= 0.2”: activated when temperature corrected soil conductivity (CON) is equal to or larger 

than 0.2S/m.  Note that since conductivity is not recorded at Ontario stations, this flag is not relevant. 

The HydraProbe data is removed if real dielectric constant (RDC) is negative as it indicates a 

malfunctioning sensor. 

V3.20141128: Applied November 28, 2014.   

The soil moisture flags have not been modified from V2.20140214.   

These updates apply to all RISMA data (June 2013 to current) downloaded between November 28, 2014, 

and the application date of the next data version. 

V4.20170104: Applied January 4, 2017.   

Updates: A new station ON6 has been installed in the Ontario network.  A new calibration equation has 

been implemented for this station and added to the QC automated protocol.  Station ON1 has been 

discontinued and removed from the QC automated protocol.  The soil moisture flags remain similar to 

V2.20140214.   

These updates apply to all RISMA data (June 2013 to current) downloaded between January 4, 2017, and 

the application date of the next data version. 

Page 62: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 52 ‐ 

Non‐responsive HydraProbe sensors: HydraProbe sensors that have been non‐responsive at 20‐cm 

depths and below will not be replaced with new sensors and thus are now being reported as 

“NoSensor”.  Table 15 and Table 16 identifies the sensors that are currently active from those who have 

been deemed non‐responsive. 

V5.20171024: Applied October 24, 2017 

Updates: three 100 cm probes have been installed in ON3 station.  The soil moisture flags remain similar 

to V2.20140214 

V6.20180613: Applied on June 13, 2018 

Updates: The Ontario stations have undergone an upgrade, including a datalogger capable of handling 

more sensors and channels.  With this upgrade, all RISMA stations have the same quality control 

procedure and flags.  The flags remain similar to Vs.20140214. 

“Flag1,Flag2,Flag3,Flag4,Flag5,Flag6” 

The flags will be OK, NA or an error message.  Here are the possible outputs for each Flag:  

Flag 1  Output: “OK” / “Out of WFV range” / “NA” Flag 2  Output: “OK” / “Out of WFV average range” / “NA” Flag 3  Output: “OK” / “Frozen soil”  Flag 4  Output: “OK” / “Out of RDC range” / “NA” Flag 5  Output: “OK” / “DLT >= 1.5” / “NA”  Flag 6  Output: “OK” / “CON >= 0.2” / “NA” 

 

Flag 1 “Out of WFV range”: activated if the Soil Moisture (m3/m3) is less than 0.02 or greater than 0.60 

Flag 2 “Out of WFV average range”: activated if Soil Moisture value (m3/m3) is more than 10% different 

from the average, i.e. if there are sudden changes in soil moisture (these could be due to rain events or 

data noise; the flag is there to assist in interpretation along with rain gauge data). 

Flag 3 “Frozen soil”: activated if the soil temperature is below zero degrees Celsius and indicates that the 

soil moisture readings should not be used. 

Flag 4 “Out of RDC range”: activated when Real Dielectric Constant (RDC) is between 0 and 2.4. 

Flag 5 “DLT >= 1.5”: activated when the Dielectric Loss Tangent (DLT = Imaginary Dielectric Constant / 

Real Dielectric Constant) is equal to or larger than 1.5.   

Page 63: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 53 ‐ 

Flag 6 “CON >= 0.2”: activated when temperature corrected soil conductivity (CON) is equal to or larger 

than 0.2 S/m.   

The HydraProbe data is removed if real dielectric constant (RDC) is negative as it indicates a 

malfunctioning sensor. 

ProbeStatus

Table 15: List of sensors for the Ontario stations that have been deemed unresponsive as of December 2014.  “A” signifies sensors that are active, “NI” signifies sensors which were never installed, “NS” signifies sensors have been disconnected due to failure or anomalies and “R” for sensors which are replaced or reinserted on a regular basis. 

Stations 0‐5cm  5 cm  20cm  50cm  100cm 

1  2  3  1  2  3  1  2  3  1  2  3  1  2  3 

ON1  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A  NI  NI  NI 

ON2  R  R  R  R  R  R  A  A  NS  A  A  A  NI  NI  NI 

ON3  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A 

ON4  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  NI  NI  NI 

ON5  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  A  A  A 

CEF1  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  NI  NI  NI 

 

Table 16: List of sensors for the Ontario stations that have been deemed unresponsive as of July 2018.  “A” signifies sensors that are active, “NI” signifies sensors which were never installed, “NS” signifies sensors have been disconnected due to failure or anomalies and “R” for sensors which are replaced or reinserted on a regular basis. 

Stations 0‐5cm  5 cm  20cm  50cm  100cm 

1  2  3  1  2  3  1  2  3  1  2  3  1  2  3 

ON1  DS  DS  DS  DS  DS  DS  DS  DS  DS  DS  DS  DS  NI  NI  NI 

ON2  R  R  R  R  R  NS  A  A  A  A  A  A  NI  NI  NI 

ON3  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  NS  A  A  A  A 

ON4  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  NI  NI  NI 

ON5  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  NS  A  A  A  A 

ON6  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  NI  NI  NI 

CEF1  R  R  R  R  R  R  A  A  A  A  A  A  NI  NI  NI 

 

References

Bellingham, K.  (2007).  The Stevens HydraProbe Inorganic Soil Calibrations. Stevens Water Monitoring 

Systems, Portland, Oregon. 5pp.  

www.stevenswater.com/resources/documentation/hydraprobe_inorganic_soil_calibrations.pdf (Accessed July 

23, 2018). 

Page 64: Agriculture and Agri Food Canada’s · 2019. 8. 21. · Real‐Time In‐Situ Soil Monitoring for Agriculture (RISMA) Network Metadata Second Edition Edited by Amanda Ward Anna Pacheco1,

‐ Page 54 ‐ 

Canisius, F.  (2011).  Calibration of Casselman, Ontario Soil Moisture Monitoring Network. Agriculture and 

Agri‐Food Canada, Ottawa, ON. 37pp. 

Seyfried, MS, LE Grant, E Du and K Humes.  (2005).  Dielectric Loss and Calibration of the HydraProbe Soil 

Water Sensor.  Vadose Zone Journal 4: 1070‐1079.