5/1/2018

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Athletic Field Performance Testing

Gerald Henry, PhD

University of Georgia                                 

Chase Straw, PhD

University of Minnesota

Grass vs. artificial turf: Battle heats up for Women’s World  Cup – The Post and Courier                                           

Turf war: Artificial surfaces, grass both have pluses, minuses for football – Decatur Daily

The field that the Super Bowl will be played on in 4 months is a disaster – Business Insider

Dolphins blame field conditions, cleats for poor footing vs. Ravens – The Score

Patriots replacing new turf at                    Gillette Stadium after embarrassing              loss to Chiefs – CBS Sports

Falcons, Rams battle slick grass at Coliseum in wild‐card game ‐ ESPN• The media does not understand turfgrass (or synthetic turf) nor its management

• Dramatize, embellish, aggrandize, amplify, hyperbolize…….

• We need to educate coaches, players, administration, the media, and the public

NFC Wild Card GameJanuary 6, 2018

Sports Field Management

• Athletic fields often blamed                                                    first for poor athletic                                               performances

• Monetary inputs for field                                        management are insufficient                                                   and usually an afterthought             

Artificial Turf vs. Natural Grass Sports Fields

• Neither are management free

• Both exhibit field variability

• Injuries occur on either                                                       surface

• Focus needs to be on                                                            player safety and                                                                       field playability

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Concussion Report Highlights Field Maintenance – New York Times

• 15.5% of concussions in high school sports occur when heads hit the playing surface 

• Synthetic Turf• Concussion Legacy Foundation

• No difference between real and synthetic turf injury numbers

Variability

• A big challenge to understanding field conditions• Occurs when a measured quantity is different across and between locations

Soil Moisture

Spatial Relationships

Case Study: Oconee County H.S., GA

‐ 120 samples‐ Soil moisture (VWC)‐ Soil compaction (PR)‐ Turf quality (NDVI)‐ Surface hardness (G‐max)‐ Thatch depth‐ Root mass

‐ 0‐2 inch depth‐ 2‐5 inch depth

Soil moisture represents the irrigation pattern

VWC

Comp

Hard

NDVI

Thatch

Roots (upper)

Roots (lower)

Roots (total)

‐0.71

Spatial Variability

VWC (%)PR

(lbs. force)

Soil Moisture Soil Compaction

Variability

• Occurs regardless of field age, construction, sport, level, etc.

• Plant and soil parameters have major influences on each other

• Variability cannot be controlled, but management options need to account for it

• Need to gather info about your site!

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Disregarding Variability

Effects playability, performance, and predictability of your field

Performance Testing

• Used to evaluate field playability• Linked to player safety

• Can identify field variability• Soil compaction

• Soil moisture

• Surface hardness• Surface evenness• Sod strength• Root mass/depth

Player Safety 

• You will never prevent all field‐related injuries

• Do your best to produce a uniform, “predictable” playing surface 

•DUE DILIGENCE

Performance Testing Challenges

• What to test for?• Sensor technology and limitations

• How many samples do you take?• Accurately describe field variability

• How does your irrigation system impact data collection?• Effect of soil moisture on soil and plant parameters• Increasing irrigation efficiency

• When and how often do you sample?

• What do you do with the information?

Sensor Technology

Types of Sensors

• GPS – Elevation/Sample location

• TDR Probe – Soil moisture

• Penetrometer – Soil compaction

• Clegg Impact Tester – Surface hardness

• Shear Vane – Shear strength• Electrical Conductivity Soil Meter – Soil salinity, soil texture

• NDVI – Turfgrass vigor/health• Infrared Thermometer – Canopy temperature

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Soil Moisture Meter

• TDR Probe 

• Measures soil moisture from a depth of 1.5 to 8 inches

• Recorded as % volumetric water content (%VWC)

• GPS compatible

Soil Compaction

• Penetrometer

• Determines soil compaction (to a depth of 18 inches) and potential water infiltration

• Recorded in pounds per square inch (PSI)

Surface Hardness

• Clegg Impact Tester

• Determines surface hardness in the upper 2 inches of the soil profile

• Recorded in gravities (G‐max)

Shear Strength

• Shear Vane• Measures rotational strength of the turfgrass (Nm)

• Influences the ability of athletes to          grip the turf            and make cuts

Plant Health/Turf Color

• NDVI Chlorophyll Meter

• Readings are reported on a scale of –1 to 1

• The NDVI value is a measure of leaf area index and green biomass

• Color Meter

• Readings reported as turf color on a scale of 1 to 9

Mobile Sensor                        Technology

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• Strong correlations for soil moisture and NDVI

• Moderate correlation for soil compaction• Mobile sensors insert penetrometer rods at a uniform speed = more accuracy 

Historical Testing Procedures

5

4

3

2

1

Testing Natural Turf Sports Surfaces: The Value of Performance Quality Standards

Bartlett et al., 2009

5

6

7

8

9 104

3

2

1

ASTM F1936 – Test Procedure

10 Clegg Readings – Surface Hardness

5

6

7

8

9 104

3

2

1

Testing Procedures

? ?

?

? ?

?

• Issues:• Sample locations (≤ 12)• Assumes diamond            shaped wear

• Descriptive stats                               determine variability

ASTM F1936 – Test Procedure60

110 70

80

50

120

80

50 120

110

Clegg Readings – Surface Hardness Avg: 85

Limit = 100 Gmax

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How many samples are needed to accurately depict 

field performance?

450 Samples 115 Samples 36 Samples

Accuracy of Sample Size

Straw et al. 2017 – J. of Testing and Evaluation  

450 SamplesMean = 22.9

VWC (%)

115 SamplesMean = 22.7

36 SamplesMean = 21.5

Accuracy of Sample Size

Soil Moisture

Influence of Soil Moisture on Data Collection

Irrigation System Efficiency

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Malfunctioning Irrigation Head

Improving the efficiency of your irrigation system

Current Approach ‐ Catch Can Method

• Assessment usually based on a small number of samples

• Measures distribution uniformity

• No indication of “effective” irrigation

Catch Can Method

Fate of Irrigation

Mass Flow vs. Preferential Flow

Uniformity vs. Efficiency

• The use of a soil moisture meter following irrigation application will provide more valuable information

• Water infiltration location• Rewetting potential• Soil compaction/thatch issues• Need for wetting agent applications

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Soil Moisture vs. Catch Can Soil Moisture vs. Catch Can

VWC (%) ml

= Irrigation head

VWC

Comp

Hard

NDVI

Thatch

Roots (upper)

Roots (lower)

Roots (total)

ID of Easily Correctable Problems

When a problem head is identified, field investigation is conducted to determine:

• Incorrect scheduling

• Localized dry spot

• Head alignment

• Head not operating

• Head spacing

• Wrong nozzle size

• Sprinkler or nozzle wear

• Mismatched sprinklers or nozzles

Influence of sampling time on data collection

Dry Down Following Irrigation Events

‐ 5 day soil dry down

‐ 120 samples‐ Soil moisture (VWC)‐ Soil compaction (PR)‐ Turf quality (NDVI)‐ Surface hardness (Gmax)‐ Traction

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Volumetric Water Content

%

lbs. force

Penetration Resistance

Normalized Difference 

Vegetative Index

Day 1 Day 3 Day 5

Spatiotemporal Variability

‐ 34% + 25% + 3%

Gmax

Surface Hardness

Nm

Shear Strength

Day 1 Day 5

Spatiotemporal Variability

+ 15 % ‐ 12 %

Low Tech Mapping

Low‐Tech Mapping?

• What if I can’t afford this technology?

• What if I’m not comfortable using this technology?

• MAPS ARE NOT REQUIRED (although they provide the most detail):

• Low‐Tech Mapping = eyes + turf background + pencil & paper

• Google Earth – photos can be outdated!!

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Athletic Field Maps

• Mowing patterns

• Cultivation practices

• Pest presence• Wind direction

• Irrigation leaks

• Drainage issues

Information Application 

• The more you know about your site the better decisions you can make

• Athletic field maps can help plan:• Irrigation Scheduling/Syringing

• Wetting Agent Applications

• Pesticide Applications

• PGR Applications

• Aerification Practices

• Drainage Installation

• Field Rotations

What do you do with the information?

Precision Turfgrass Management

• Applying inputs (water, cultivation, etc.) only where needed, when needed, and in the amount needed

• Fosters more precise and efficient application of inputs

PTM Examples

Soil Compaction SSMUs

Low

Moderate

High

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Site‐Specific Cultivation Study

Rep 1

Rep 2

Rep 3

Rep 4

Treatment plot

1. Control2. 1x entire plot3. 1x site‐specific4. 3x entire plot5. 3x site‐specific

Upper quartile map:

Top 25 % surface hardness of this plot:

Bottom 75% surface hardness of this plot:

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Spring 2015 Spring 2016

Site Specific Cultivation New Sprayer Technology

Smithco Star Command‐ Capstan SharpShooter‐ Raven Envizio GPS Pro

Star Command System

• On/off spraying function controlled at nozzle tip• Any application rate from 0.4 gal/1000 ft2

• Operating speed from 2 to 10 mph

• Proper flow and pressure is maintained

• No overspray

• Records/Maps of applications

Soil Moisture SSMUs

Low

Moderate

High

Weed Control

Spray Zones

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Estimated ET

Drone Technology Questions?

Dr. Gerald HenryE‐mail: gmhenry@uga.edu

@UGATurfgrass

Dr. Chase StrawE‐mail: cmstra4@uga.edu