J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 130, p.19 ∼ 25 (2015)

一次補正式を用いた静電容量型 GS3 土壌水分センサーが測定した体積含水率の補正
三石正一 1 · 溝口勝2

A liner offset equation of the volumetric water content that capacitance type GS3
soil moisture sensor measured
Shoichi MITSUISHI1 and Masaru MIZOGUCHI2

Abstract: The ECH2 O GS3 soil moisture sensor (GS3,
Decagon Devices, Inc.,) is suitable for measuring volumetric water content (θ ), temperature, and bulk EC for agricultural materials. Two types of calibration equations are provided for the GS3 water content measurements: a standard
equation (θST ) and an agricultural material equation (θAM ).
In this study, these two equations were evaluated based on
the dry weight method θ (θM ) for agricultural materials(Rock wool, Vermiculite, Peat moss, and Strawberry soil)
and soils (Toyoura sand, Andisol and Kanto loam). The
relative error of θST was 10 % – 14 % for agricultural materials, 3 % for the sand, and 14 % for the Andisol andKanto loam. The θST prediction was reasonably accurate
for Toyoura sand, but practically not applicable for agricultural materials, Andisol, and Kanto loam. The relative
error of θAM was 8 % – 10 %. The accuracy of θAM wasslightly higher than for θST regardless of samples. The
θST was corrected based on the linear regression line forthe θM and θST relationship. The relative error for the corrected θST became 1 % – 5 % for all samples. Furthermore,
the linear regression line was made according to three saturated, intermediate, and dried samples (3-point method).
The relative error for the θST corrected with the 3-point
method was 2 % – 6 %, which was much smaller than forthe original θST . In conclusion, we recommend using the
3-point method to correct θST for the GS2 measurements
for soils snf agricultural materials.
Key Words : ECH2 O GS3 soil moisture sensor, agricultural material, soil, liner regression equation

使用する農業用培地の水分量，電気伝導度，温度測定用に開発された農業用培地用の土壌水分センサーである．

GS3 とデータロガー Em50（Decagon Devices, Inc.）を併用すると，体積含水率 θ ，バルク電気伝導率 EC，温度 T を同時に測定できる．GS3 が測定した θ は，土壌の水分量に対応した出力値を比誘電率 ε に変換し，得たε を Decagon 独自の土壌水分量計算式に入力して求めた値である．しかし，ECH2 O 土壌水分センサーが求めたθ は，特に我が国の土壌では炉乾法で測定した θ と一致しないため，精度の高い測定のためには測定対象土壌を用いてキャリブレーション作業を行って，土壌水分量計
算式を作成する必要がある（三石 · 溝口, 2014）．そのため，GS3 についても同様に土壌水分量計算式について精査する必要がある．
本報告は，4 種類の農業用培地と 3 種類の土壌の実際の体積含水率と GS3 が計算した体積含水率を比較して，GS3 の土壌水分量計算式の正確度について報告する．そして，GS3 が求めた水分量に対する簡便な一次補正式を提案した．

2. 実験と方法
2.1 GS3 土壌水分センサーと試料
2.1.1 データロガーと供試センサー
使用したデータロガーは Em50 である．Em50 の設定および記録された GS3 の測定値のダウンロードは，

1. はじめに
近年，植物工場などで農業用培地の水分量を測定する
ニーズが高まっている．静電容量型土壌水分計 ECH2 O

GS3（Decagon Devices, Inc.，以下 GS3）は，施設園芸で
1 AINEX. Co., LTD. Minami Kamata 2-16-1, Ohta-ku, Tokyo, 144-0035,

Japan. Corresponding author：三石正一，アイネクス株式会社
2 Graduate School of Agricultural and Life Sciences, The University ofTokyo, 1-1-1 Yayoi, Bunkyo-ku, Tokyo 113-8657, Japan.
2013 年 10 月 30 日受稿 2015 年 6 月 16 日受理

Decagon 社 が 開 発 し た Em50 専 用 制 御 ソ フ ト ウ ェ ア
ECH2 O Utility（Ver. 1.65）で行った．使用した GS3 土壌水分センサーの形状は，3 本の金属ロッドを有する櫛，バルク電気形であり（Fig. 1），体積含水率 θ（m3 m−3 ）伝導率 EC（dS m−1 ），温度 T （◦ C）を同時に測定する．
Em50 から得られるデータファイルには，土壌水分量計
算式で求めた θ と GS3 が静電容量法で測定した Raw 値が出力される．マニュアルによると Raw 値と ε の関係は以下の式で表される．

ε = Raw/50(1)土壌の物理性

20

第 130 号(2015)

Table 1 供試試料の強熱減量と乾燥密度．
Ignition loss and dry bulk density of agricultural materials
and soil samples.
SampleIgnition loss（%）

Dry bulk density（Mg m−3 ）Rock wool
Vermiculite
Peat moss
Strawberry soil
Sand
Andisol
Kanto loam

0.7
0.6
38.0
39.0
–
18.5
12.5

0.13
0.40
0.13
0.21
1.50
0.55 ∼ 0.79
0.40 ∼ 0.81

Fig. 1 実験装置図．
Experimental apparatus.

GS3 の θ は，上式により Raw 値を変換した ε を土壌水分量計算式に代入して θ を算出している．

加熱して求めた．黒ボク土とローム土の乾燥密度に幅がGS3 のマニュアルには，2 種類の土壌水分量計算式が記載されている．第 1 の計算式は，Em50 から出力される θ に用いられている鉱質土壌用の土壌水分量計算式変化したためである．乾燥密度は風乾法と湿潤法で作成+3.67 × 10−2 × ε − 7.53 × 10−2
ここで，θSTなった（三石 · 溝口，2014）．
の含水比と乾燥密度から以下の式で求めた（Topp and(2)Ferre, 2002）．

θM = ω × ρd /ρw：標準式で求めた体積含水率（m3 m−3 ）である．Topp 式（Topp et al., 1980）と同様に ε の 3 次式
であるが係数は異なる式である．
第 2 の式は，鉢植え土壌やピートモスなどの農業用培
地用水分量計算式（以下，培地式）である．

√
θAM = 0.118 ε − 0.117

した試料で異なり，風乾法の乾燥密度は湿潤法より高くロックウール以外の試料の θ の測定値 θM は，試料

（以下，標準式）である．

θST = 5.89 × 10−6 × ε 3 − 7.62 × 10−4 × ε 2あるのは，水分条件によって土壌が収縮し，その体積が(4)

ここで，θM ：重量測定に基づく体積含水率（m3 m−3 ），ω ：含水比（kg kg−1 ），ρd ：乾燥密度（Mg m−3 ），ρw ：
水の密度（Mg m−3 ）である．
ロックウールの θM は，加えた水分量をロックウールの体積で除して求めた．

(3)

2.2 農業用培地および土壌の水分量測定
2.2.1 供試試料の水分調節方法：培地式で求めた体積含水率（m3 m−3 ）でロックウール，バーミキュライト，ピートモス，イチある．θAM は，出力される Raw 値から（1）式より求め

ゴの土，砂は 105 ◦ C で炉乾して試料中の水分を除去した ε を（3）式に代入して得られる．本報告では，GS3 のた．ロックウールの水分量は，チャック付ポリ袋中に入標準式と培地式の正確度を評価した．

れたブロック形状ロックウールに所定量の蒸留水を吸水

ここで，θAM

バルク EC は 2 電極法で測定される．2 電極法とは，2させて調節した．吸水後，2 時間静置した．バーミキュ

本の電極に流れた電流の抵抗を計測し，この抵抗の逆数

ライト，ピートモス，イチゴの土，砂の水分量は，水分にセル定数（領域間にある電極の距離の比）をかけて導添加法で調節した．黒ボク土と関東ローム土の水分量の出する方法である．温度 T はセンサーヘッドに内蔵され調整には，初期含水比を炉乾法（105 ◦ C，24 時間）で測たサーミスタで測定される．

定した後，試料を蒸発させながら水分調整する風乾法と2.1.2 供試試料

所定の水分を浸潤させて水分量を調整する浸潤法を用い農業用培地試料として，ロックウール（商品名：ロッ

た．水分添加法，風乾法，浸潤法については三石 · 溝口

クウールブロック，有限会社所沢植木鉢センター，寸法（2014）を参照されたい．ロックウールの飽和体積含水10 × 10 × 10 cm），バーミキュライト（商品名：バーミ

率 θS 試料は，ポリ袋中のロックウールに蒸留水を吸水

キュライト，株式会社井手商会），ピートモス（商品名：

させ，吸水が停止した時の水分量を θS とした．その他

ピートモス，株式会社井手商会），イチゴ栽培用の土（商の試料の θS は，試料を充填したアクリルケースを深型

品名：イチゴの土，株式会社プロトリーフ）を使用した．

角バットに入れて周りに蒸留水を注ぎ，下方から毛管飽

土壌試料は，三石 · 溝口（2014）が用いた豊浦砂（以後和させて作成した．

砂，豊浦硅石鉱業株式会社），黒ボク土（採取地：群馬県

2.2.2 GS3 による水分量測定方法嬬恋村），関東ローム土（採取地：東京都西東京市）でロックウールでは，ポリ袋中のロックウールの側面にある．供試試料の強熱減量と乾燥密度を Table 1 に示す．

対角線上にロッドを挿入して測定した．その他の試料で強熱減量は，電気マッフル炉を用いて 800 度で 6 時間

は，給排水用に底に 1 mm の穴を 10 個平行に開けた長センサー特集

研究ノート：一次補正式を用いた GS3 土壌水分センサーが測定した体積含水率の補正

214 種類の農業用培地の GS3 の標準式で求めた θST と重量測定に基づく θM の関係（●）．
実線は θST の 1：1 直線．破線は θST と θM の一次回帰直線．二点鎖線は 3 点（乾燥：□，
中間：△，飽和：◇）の θST と θM から求めた一次回帰直線．
Fig. 2

The relationship between volumetric water content θST based on the standard equation and gravimetricallymeasured θM for four type of agricultural materials. The solid line shows 1:1 relationship and the broken
line is a regression line between θST and θM . The two-dot chain line is a regression line for three watercontent samples (dried, intermediate, and saturated).

方形のアクリルケース（11 （L） × 5 （W） × 8 （H）,

cm）に GS3 を縦に設置し（Fig. 1），水分量を調節した
供試試料を均一に充填して，1 分間隔で 20 分間連続測定
した．測定値の平均値を代表値とした．

4.1 農業用培地の θM と θST の関係
標準式で求めた θST に対する農業用培地の θM の関係

3. GS3 による水分量測定の正確度の評価

を Fig. 2 に示す．横軸は θST ，縦軸は θM ，実線は 1：

試料の θM に対する GS3 の標準式と培地式の正確度を
次式の平均二乗誤差の平方根（RMSE ）で評価した（Luet al., 2004）．
√
RMSE =(θM − θGS3 )2
n
i=1
n

∑

(5)

ここで，θGS3 ：GS3 の標準式または培地式から求めた θ（θST ，θAM ）（m3 m−3 ），n：データ数である．また，それぞれの測定における θM に対する θST と θAM の正確度
を相対誤差で評価した．

Relative Error(%) =|θGS3 − θM |
× 100
θM

4. 結果と考察(6)

1 直線，黒丸プロットは測定値である．農業用培地の全ての水分量で θST は θM より小さかった．また，θM が増加すると θM と θST の差は広がった．ロックウールはθM < 0.10 m3 m−3 のとき，バーミキュライトとピートモスは θM = 0 m3 m−3 のとき θST がマイナス値となった．
これらの結果から，GS3 の標準式は農業用培地の θM を過小評価することがわかった．農業用培地の θM に対する標準式の RMSE を Table 2 に示す．ロックウールは0.138 m3 m−3 ，バーミキュライトは 0.105 m3 m−3 ，ピー
トモスは 0.131 m3 m−3 ，イチゴの土は 0.098 m3 m−3 で，農業用培地の θM に対する標準式の相対誤差は 10 ∼ 14
% の範囲だった．

土壌の物理性

22

第 130 号(2015)

Fig. 3 4 種類の農業用培地の GS3 の培地式で求めた θAM と重量測定に基づく θM の関係．
実線は θAM の 1：1 直線．破線は θAM と θM の一次回帰直線．

The relationship between volumetric water content θAM based on the agricultural material equationand gravimetrically measured θM for four type of agricultural materials. The solid line shows 1:1
relationship and the broken line is a regression line between θAM and θM .

4.2 農業用培地の θM と θAM の関係低いことや乾燥密度が小さいことが原因と考えられて培地式で求めた θAM に対する農業用培地の θM の関いる（Miyamoto et al., 2003）．各土壌に対する標準式の係を Fig. 3 に示す．図中のグラフ軸やプロット，実線はFig. 2 と同様である．θAM は，ロックウールの θM より小さかった．その他の試料は，θM > 0.10 m3 m−3 では

θAM が小さく，θM < 0.10 m3 m−3 では θAM が大きかった．農業用培地の θM に対する培地式の RMSE （Table2）は，ロックウールは 0.104 m3 m−3 ，バーミキュライ
トは 0.079 m3 m−3 ，ピートモスは 0.104 m3 m−3 ，イチ
ゴの土は 0.075 m3 m−3 で，農業用培地の θM に対する培地式の相対誤差は 8 ∼ 10 % の範囲だった．農業用培地における GS3 の土壌水分量計算式の正確度は，標準式RMSE （Table 2）は，砂は 0.033 m3 m−3 ，黒ボク土は0.143 m3 m−3 ，関東ローム土は 0.130 m3 m−3 だった．
土壌の θM に対する標準式の相対誤差は，砂は 3 % と小さかったが，黒ボク土と関東ローム土は約 14 % で大きかった．
Table 2 全試料の θM に対する標準式と培地式，一次式と 3
点式の正確度（RMSE ）．Accuracy (RMSE) of volumetric watercontent θM for all samples calculated by the standard, agricultural
material, linear regression, and 3P regression equations.

より培地式が高かった．

4.3 土壌の θM と θST の関係

θST に対する 3 種類の土壌の θM の関係を Fig. 2，3 と同様に Fig. 4 に示す．砂の θST は θM より大きかった．
黒ボク土と関東ローム土の場合，θM < 0.10 m3 m−3 では θST とほぼ一致したが，θM が高くなるにつれて θSTより小さくなり，その差は拡大した．標準式が火山灰
土壌の水分量を過小評価したのは，黒ボク土を測定した Miyamoto et al.（2003）の結果と同じで，その原因は団粒内間隙に保持された水の比誘電率が自由水より

SampleStandard
Eq.

Rock wool
Vermiculite
Peat moss
Strawberry soil
Sand
Andisol
Loam

0.138
0.105
0.131
0.098
0.033
0.143
0.130

RMSE (m3 m−3 )Agricultural Linear
3P
medium regression regression
Eq.
Eq.
Eq.
0.104
0.079
0.104
0.075
–
–
–

0.031
0.025
0.034
0.021
0.012
0.035
0.045

0.060
0.037
0.068
0.027
0.020
0.050
0.063

センサー特集

研究ノート：一次補正式を用いた GS3 土壌水分センサーが測定した体積含水率の補正

234.4 θM に基づく一次補正式
それぞれの試料の GS3 の θST と θAM に対する θM の関係に対して一次回帰式（以下，一次補正式）を求め，Fig. 2，Fig. 3，Fig. 4 中に破線で示した．一次補正式の係数と決定係数（R2 ）は Table 3 に示す．いずれの一次補正式の決定係数は 0.94 以上と高く，θST と θAM は θMに対して強い線形関係があることがわかる．すなわち，GS3 の θST と θAM の計算値に一次補正式を用いると計算値の補正が可能である．
一次補正式を用いた θST の補正値を GS3 の測定値としたときの RMSE （Table 2）は，ロックウールは 0.031

m3 m−3 ，バーミキュライトは 0.025 m3 m−3 ，ピートモスは 0.034 m3 m−3 ，イチゴの土は 0.021 m3 m−3 ，砂は0.012 m3 m−3 ，黒ボク土は 0.035 m3 m−3 ，関東ローム土は 0.045 m3 m−3 となった．これらの値は，いずれの標
準式の RMSE の 20 ∼ 40 % 程度である．また，それぞれの θM に対する補正値の相対誤差は 1 ∼ 5 % まで低下
し，一次補正式を用いることで GS3 による水分量の測定
精度は格段に向上することが明らかになった．

4.5

3 点水分量から求めた一次補正式

一次補正式を用いた補正は有効であるが，一次補正式を得るために，複数の水分量を調節した試料を作成するのは手間と時間がかかる作業である．しかし，GS3 の

θST と θM の強い正の線形関係に注目すれば，この作業の大幅な省力化が可能であると考えられる．そこで 3 点の水分量試料（乾燥，中間，飽和）の θST と θM の関係（以下，3 点法）から一次補正式（以下，3 点式）を求めた．
3 点式を Fig. 2，Fig. 3，Fig. 4 中に二点鎖線で示し，3点式の係数と決定係数（R2 ）を Table 3 に示す．3 点式のRMSE（Table 2）は，ロックウールは 0.06 m3 m−3 ，バー
ミキュライトは 0.037 m3 m−3 ，ピートモスは 0.068 m3
m−3 ，イチゴの土は 0.027 m3 m−3 ，砂は 0.02 m3 m−3 ，黒ボク土は 0.05 m3 m−3 ，関東ローム土は 0.063 m3 m−3となった．θM に対する 3 点式の相対誤差は 2 ∼ 6 % で一次補正式よりやや大きかったが，標準式に比べて相対誤差を大きく減少させることができた．

5. おわりに
3 種類の土壌の GS3 の標準式で求めた θST と重量測定に基づく θM の関係（●）．実線は θST の 1：1
直線．破線は θST と θM の一次回帰直線．二点鎖線は3 点（乾燥：□，中間：△，飽和：◇）の θST と θMから求めた一次回帰直線．黒ボク土とローム土の図中の印は，上下で土壌の水分調節方法（上：浸潤法，下：風乾法）の水分領域を示す．
Fig. 4

The relationship between volumetric water content θST basedon the standard equation and gravimetrically measured θMfor three type of soils. The solid line shows 1:1 relationshipand the broken line is a regression line between θST and θM .
The two-dot chain line is a regression line for three watercontent samples (dried, intermediate, and saturated). The
arrow for Loam and Andisol indicates the infiltration
method for higher water contents and the air dry method
for lower water contents to adjust water contents.

農業用培地（ロックウール，バーミキュライト，ピー
トモス，イチゴ栽培用の土）と土壌（砂，黒ボク土，関東ローム土）の水分量（θM ）に対する GS3 土壌水分セ
ンサーの土壌水分量計算式（標準式，培地式）の正確度を評価した．

Decagon 社の標準式，培地式の正確度は低く，土壌水分量測定にこれらの式をそのまま使用できなかった．特に標準式の正確度は，農業用培地では低かった．土壌の場合，標準式の正確度は，砂は全水分量域で高かった．
黒ボク土，関東ローム土は θM < 0.10 m3 m−3 以下では高かったが，水分量が増加すると標準式は水分量を過小評価した．標準式の相対誤差は，農業用培地では 10 ∼

土壌の物理性

24

第 130 号(2015)

Table 3 農業用培地と土壌の 3 種類の 1 次回帰直線の係数．（1）全試料の θST と θM ，（2）全試料の θAM と
θM ，（3） 3 点（乾燥，中間，飽和）の θST と θM .
Coefficients of three linear regression lines for agricultural materials and soil samples: (1) θST vs. θM , (2) θAMvs. θM for all samples, and (3) θST vs. θM for three water content samples (dried, intermediate, and saturated).
Liner regression (θST )Liner regression (θAM )3 points regression

θ = a× θST + b

θ = a× θAM + b

θ = a× θST + b

SampleRock wool
Vermiculite
Peat moss
Strawberry soil
Sand
Andisol
Loam

a

b

R2

1.099
1.170
1.321
1.254
1.033
1.327
1.219

0.112
0.051
0.014
0.016
0.036
0.026
0.031

0.945
0.973
0.972
0.992
0.985
0.971
0.973

a
1.178
1.237
1.373
1.324
–
–
–

b

R2

a

b

R2

0.05
0.015
0.053
0.054
–
–
–

0.945
0.963
0.983
0.991
–
–
–

1.115
1.207
1.445
1.342
1.004
1.493
1.313

0.072
0.037
0.027
0.015
0.038
0.007
0.035

0.970
0.981
0.996
0.999
0.999
0.996
0.999

14 %，砂は 3 % ，黒ボク土，関東ローム土は 14 % だっ
た．培地式の正確度は，ロックウールとバーミキュライ

引用文献

ト、イチゴの土では低かった．ピートモスは θM < 0.20

m3 m−3 以下では高かったが，水分量が増加すると培地
式は水分量を過小評価した．培地式の相対誤差は 8 ∼ 10
% であり，培地式の正確度は標準式に比べて高かった．
得られた θM と θST および θM と θAM の関係は直線性が高く，決定係数が 0.94 以上の一次回帰式が得られた．この関係を一次補正式として θST を補正すると，相対誤差
は 1 ∼ 5 % まで低下した．さらに，θST と θM の強い線

Lu, D., Shao, M., Horton, R. and Liu, C. (2004): Effect of chang-形関係に注目して，省力化を目的として乾燥，中間，飽

sured by time domain reflectmetry. Vadose Zone Journal, 2:

和の 3 点水分量試料で一次補正式（3 点式）を求めた．3
点式の相対誤差は 2 ∼ 6 % で，3 点式による補正で標準式より正確度を大きく向上することができた．この結果
は，GS3 で農業用培地や土壌の水分量を測定場合，3 点の測定値による θST の一次補正を行うだけで，実用的で十分に正確度の高い土壌水分量測定が可能なことを意味する．GS3 を使用する場合は，3 点法による補正が強く推奨される．

ing bulk density during water desorption measurement on soil
hydraulic properties. Soil Science, 169: 319–329.
三石正一, 溝口勝 (2014): 静電容量型 ECH2 O 土壌水分セン

サーのキャリブレーション. 土壌の物理性, 126: 63–70.

Miyamoto T., Annaka T. and Chikushi J. (2003): Soil Aggregate
structure effects on dielectric permittivity of an Andisol mea90–97.
Topp, G.C., Davis, J.L. and Annan, A.P. (1980): Electromagnetic
determination of soil water content: Measurements in coaxial
transmission lines. Water Resour. Res., 16: 574–582
Topp, G.C. and Ferre, P.A. (TY) (2002): 3.1 Water content: General information. Method of Soil Analysis. Part4. Physical
Methods. p.417, Soil Science Society of America, Madison,
WI.

センサー特集

研究ノート：一次補正式を用いた GS3 土壌水分センサーが測定した体積含水率の補正

要旨

Decagon 社が販売している ECH2 O GS3 土壌水分センサー（GS3）は，農業用培地の土壌水分量，温度と電気伝導度を同時に測定する．農業用培地（ロックウール，バーミキュライト，ピートモス，イチゴ
栽培用の土）と土壌（豊浦砂，黒ボク土，関東ローム土）の θM に対する GS3 の土壌水分量計算式（標準式，培地式）の正確度を評価した．

Decagon 社の標準式，培地式の正確度は低く，土壌水分量測定にこれらの式をそのまま使用できな
かった．標準式の正確度は，農業用培地では低かった．土壌では砂は全水分量域で高かった．黒ボク
土，関東ローム土は θM < 0.10 m3 m−3 以下では高かったが，水分量が増加すると標準式は θM を過小評価して正確度は低かった．標準式の相対誤差は，農業用培地では 10 ∼ 14 % ，砂は 3 %，黒ボク土，
関東ローム土は 14 % だった．培地式の正確度は，ロックウールとバーミキュライト、イチゴの土では低かった．ピートモスは θM < 0.20 m3 m−3 以下では高かったが，水分量が増加すると培地式は θM を過小評価して正確度は低くなった．培地式の相対誤差は 8 ∼ 10 % だった．標準式と培地式の正確度は，培地式が高かった．全試料の θM と標準式から求めた θST ，培地式から求めた θAM を回帰すると，決定係数が 0.94 以上の精度の高い一次補正式が得られた．この一次補正式を使用すると相対誤差は 1 ∼ 5% まで低下した．また，θST と θM には強い線形関係があった．そこで，省力化を目的として乾燥，中間，飽和の 3 点水分量試料で一次補正式（3 点式）を求めた．3 点式の相対誤差は 2 ∼ 6 % で，水分量が異なる試料が少なくても 3 点式の正確度は標準式より高かった．この結果は，GS3 で農業用培地や土壌の水分量を測定する前に，3 点法で θM と θST の関係を確認するだけで実用的で十分に正確度の高い
土壌水分量計算式が得られることを意味する．GS3 を使用する場合は，3 点法を行うことを推奨する．
キーワード：ECH2 O GS3 土壌水分センサー, 農業用培地，土壌，一次補正式

25