2.4 바이오시스템기계와 정보공학 응용

2.4.1 바이오시스템정보공학 개요

○ 정보공학의 정의와 용도

- 자료: 정리되지 않고, 확인되지 않은, 큰 의미가 없는 상태의 숫자,

문자, 기호의 나열

- 정보: 정리와 분석과정을 거쳐 의미 있고 사람들이 이용할 수 있도록

만들어진 자료들의 집합

정보 수집

정보 공유또는 이용

정보 관리또는 분석

○ 바이오시스템정보공학의 대두

① 주변기술의 발달

정보수집：실시간 센서, 자동 모니터링 장치, 무선통신, 유비쿼터스

센서네트워크, 지구위치시스템(Global positioning system),

원격탐사(Remote sensing)

정보 관리 및 분석：시스템 최적화기법, 통계기법,

지리정보시스템(Geographic information system),

데이터마이닝(Data mining), 인공지능

정보이용：인터넷, 멀티미디어, 휴대폰, 자동제어

② 정보의 종류와 양의 증가

정보의 종류：토양상태, 수질상태, 농축산물 생산이력, 생육정보,

농식품 안전성, 유통정보

정보의 양：측정주기(실시간), 측정밀도(생산지역 내 여러 지점)

▶ 생물생산시스템 분야를 둘러싼 주변 여건 변화

- 노동력 부족, 식량의 안정적 확보 필요, 생물생산에 사용된

화학제에 의한 환경피해 저감은 사회적인 과제

- 소비자들의 요구 변화: 고품질의 안전한 농․축산물생산 요구

* From farm to table.... 생산 및 유통이력 정보 소비자에게 제공

○ 농업의 발전과정

노동집약적농업

기술집약적농업

정보집약적농업

생산성 생산성, 환경안전, 에너지

- 단일 기계 --> 원예, 축산, 식품, 환경

- 생산성 위주 --> 친환경성, 농식품 안전성, 에너지 소비 최소화

○ 정보공학기술을 이용하는 생물생산시스템의 개념

- Uniform management --> site-specific (crop/field) management

- 정밀농업 개념: 개별 농경지 내에도 토질, 영양분, 관개수 흐름, 병해충

저항정도 등이 위치별로 차이가 있으므로, 농경지 각 부분에 대한

특성을 이해하고 위치별 특성에 맞는(site-specific) 처리로 적은

투자에서 최대 혹은 최적의 수익을 얻을 수 있음

- Variable rate agriculture, prescription farming

- 농업의 정보화, 전산화, 시스템화

2.4.2 바이오시스템정보공학 요소기술

(1) 지구위치시스템

1) 위치측정의 필요성과 기술의 종류

○ 위치별 정보 수집, 분석 및 의사결정, 농자재 투입: 위치정보+속성정보

- {(x, y), (벼), (4월10일 파종), (생육상태)...}

- {(x, y), (질소 3 g 필요), (농약 20 cc 필요)...}

- {(x, y), (질소 2.7 g 살포), (농약 21 cc 살포), (수확량 21 kg)...}

속성(토양, 작물, 기후 등)

+농경지 내 위치

농자재 투입의사결정

+농경지 내 위치

농자재 변량투입+

농경지 내 위치

정보(변이)수집 정보(변이)분석 정보(변이)이용

○ 위치측정시스템: 자동 또는 수동으로 물체나 사람의 상대적 또는 절대적

위치를 계산․기록하는 방법

- 상대적 위치측정: 위치 측정 오차가 계속 누적

- 절대적 위치측정: land based system, satellite based system

- 위성기반 시스템: 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS

2) GPS 위치측정의 원리

○ 위성을 이용하여 지구상의 전 지역의 절대위치와 시간을 측정

○ 1970년대 초부터 미국 국방부에 의하여 60억 달러의 예산을 투자하여

개발하고 1995년부터 완전 운영되고 있는 항법체계

○ 위치측정 원리: GPS 위성들이 서로 다른 신호를 발신

--> 수신기는 GPS 자체 발생신호와 수신한 GPS 위성신호 비교

--> GPS 위성으로부터 신호가 GPS 수신기에 도달하는 시간 측정

--> 수신기와 위성과 거리 계산

수신기와 위성과의 거리 = 빛의 속도(299,792,458 m/s) × 송수신 경과시간

수신기에서

수신한

GPS위성신호

GPS 수신기

자체 발생신호

시간차이

○ 2차원 평면위치 -- 3개 위성 필요, 3차원 위치 -- 4개 위성 필요

3) GPS 구성 및 신호체계

○ GPS 구성: 우주 부분(space segment), 지상관제국 부분(control

segment), 사용자 부분(user segment)

○ 우주 부분

- 24개의 위성, 지구 공전주기는 약 12시간(11시간 56분)

- 고도는 20,183~20,187 km, 6개의 궤도면에 각각 4개씩 위성 배열

- 지구상 어느 곳에서도 6개 이상의 위성을 항상 관측할 수 있음

○ 지상관제국 부분: 6곳의 지상기지국

- 한 기지국이 주 관제국, 나머지 5곳의 기지국이 부 관제국의 역할

- 위성에서 보내는 신호를 받아 궤도 및 위성 원자시계의 정확도를 점검,

위성들 간의 시계를 맞추며, 특히 주 관제국은 위성으로 자료를 송부

- 부 관제국은 무인으로 운영, 전 세계에 5곳으로 나뉘어져 배치

- 주 관제국은 미국 콜로라도 스프링스 팔콘(falcon) 공군기지에 위치

○ 사용자 부분: GPS 수신기 + 사용자

- 표준 출력 형식: 국립해양전자공학협회(National Marine Electronics

Association, NMEA)에서 채택한 NMEA 0183

예) GPGLL 자료형식

$GPGLL, 5106.7198674, N, 11402.3587526, W, 220152.50, A*1B[CR][LF]

○ GPS위성 신호: 반송파(Carrier), PRN(Pseudo-random Number)코드,

항법메시지(Navigation Message)

- 반송파: 2개의 L-Band 주파수의 반송파를 이용하여 PRN코드와

항법메세지를 수신기로 전달

L1: 1,575.42 MHz, L2: 1,227.6 MHz

L1반송파는 민간인에게 허용, L2는 군사용으로 사용

- PRN 코드는 2진화된 코드로, 위성마다 고유의 코드가 있어 수신기는

이 코드로 위성을 구별. C/A(Coarse Acquisition Code)코드와 P코드

- 민간사용자는 L1 반송파에만 실리는 C/A 코드 사용

C/A 코드: 1,023비트로 이루어져 있으며 1 ms마다 반복

4) 위치오차와 정밀도 향상

○ 정밀도에 영향을 주는 요인 ○ 정밀도 향상: DGPS

기지국

보정신호

이동국

인공위성 시계

선택적 이용성

위성궤도

대기 중 지연

다중경로

수신기, 시계 등

분 류 표 준 GPS DGPS

인공위성 시계 1.5 0

궤도 오차 2.5 0

전리층 5.0 0.4

대류권 0.5 0.2

수신기 잡음 0.3 0.3

다중경로(반사) 0.6 0.6

선택적 이용성 30.0 0

전형적인 위치 정확도

수 평 50 1.3

수 직 78 2.0

GPS와 DGPS의 오차 비교 (단위: m)

○ 정밀도 표시: CEP, RMS 및 2DRMS

- CEP(circular error probable): 수평면상에서 GPS로 측정된

위치데이터의 50%를 포함하는 원의 반지름

- RMS: root mean square를 의미하고 대략적으로 통계용어의

표준편차(standard deviation, SD)에 상응

예: 1 m RMS 정밀도 -- 68%의 위치 추정치가 실제 위치의 1 m 이내

(2) 원격탐사

1) 정의 및 원리

○ 원격탐사(remote sensing): 1950년대 후반에 미국의 해양연구소(US

Office of Naval Research)에 의하여 처음 소개

- 대상물의 종류와 환경이 다르면 모든 물체는 서로 다른 전자기파를

반사 혹은 복사하는 특성을 가지고 있다는 특성에 기초하여 물리적인 접촉

없이 대상물체의 특성을 파악하고자 하는 모든 활동

○ 전자기 스펙트럼은 모든 전자기 에너지의 파장으로 구성

- X선, 자외선, 가시광선, 단파, 라디오파 등 전자기적 에너지로 세분화

- X선은 약 1`nm 정도의 매우 작은 파장

- 가시광선 영역: 사람의 눈으로 볼 수 있는 영역, 400~700 nm

- 근적외선 영역: 눈으로 볼 수 없으나 다양한 정보를 포함하고 있어

원격탐사에 매우 중요한 영역

0.8 ㎛

0.7 ㎛

0.6 ㎛

0.5 ㎛

0.4 ㎛

0.3 ㎛

100 m

10 m

1 m

10 cm

1 cm

1 mm

0.1 mm

10 ㎛

1 ㎛

0.1 ㎛

- 현재 농업에서 많이 이용되는 파장영역

․ 가시광선, 근적외선, 중간적외선, 열적외선 영역

․ 최근에는 밤낮과 날씨에 상관없이 자료를 얻을 수 있는

마이크로파를 이용한 레이다 자료의 이용성이 매우 높아지고 있음

○ 광원으로부터 전자기 복사에너지가 물체를 비출 때, 이 에너지는 물체를

만나면 1) 반사, 2) 투과, 3) 흡수

- 원격탐사는 반사되는 각 파장대별 전자기 에너지를 측정하는 것

- 전자기파에 대한 물질 고유의 파장 특성: 분광 특성(spectral characteristics)

대기권

태양

지구

입사에너지

반사에너지 방사에너지

원격탐사위성

작물

입사에너지

반사에너지방사에너지,

원 격 탐 사

투 과 에 너 지

흡수에너지

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6파장, ㎛

80

70

60

50

40

30

20

10

0

100

75

50

25

0

엽록소흡수

녹색잎

물

수분흡수

Visible Near-Infrared Software Infrared

반사율(%

)-

잎

염색소 세포구조 수분함유

흡수율(%

)-

물

녹색 잎과 물의 반사 스펙트럼 사례

2) 원격탐사시스템의 종류와 성능

○ 전자기 에너지원의 사용 유무: 능동(active)시스템, 수동(passive)시스템

* 능동시스템의 예: RADAR(radio direction and ranging)

○ 탑재체: 센서를 탑재하는 수단. 인공위성, 항공기, 기구, 연...

○ 원격탐사 영상 평가사항

① 공간 해상도(spatial resolution): 측정 영상으로부터 구분할 수 있는

대상체의 최소 크기, 즉 하나의 픽셀(pixel)이 나타내는 면적

② 스펙트럼 해상도(spectral resolution): 측정 파장대역 간격을 나타내어

몇 nm 간격으로 측정할 수 있는지

③ 스펙트럼 응답성(spectral response): 측정된 값을 어느 정밀도로

표현할 수 있는가(Landsat 1 위성의 경우 6비트, Lansdat 4의 경우 8비트)

④ 시간적 해상도(temporal resolution): 측정주기

트랙터 탑재

중위도 항공기

고위도 항공기

유인우주선

위성

센서

고도에 따른 원격탐사 센서 탑재체 종류

대표적인 원격탐사 인공위성의 공간 및 시간분해능

26

26

0.50-0.59

0.61-0.68

0.79-0.89

0.51-0.73

60

60

20

10

SPOT Multispectral

Panchromatic

160.45-0.52

0.52-0.60

0.63-0.69

0.76-0.90

1.55-1.75

2.08-2.35

10.4-11.7

18530

120

Thematic Mapper

160.5-0.6

0.6-0.7

0.7-0.8

0.8-1.1

18580LANDSAT Multispectral

반복주기(일)파장대역(μm)측정폭(km)공간해상도(m)위성/모드

26

26

0.50-0.59

0.61-0.68

0.79-0.89

0.51-0.73

60

60

20

10

SPOT Multispectral

Panchromatic

160.45-0.52

0.52-0.60

0.63-0.69

0.76-0.90

1.55-1.75

2.08-2.35

10.4-11.7

18530

120

Thematic Mapper

160.5-0.6

0.6-0.7

0.7-0.8

0.8-1.1

18580LANDSAT Multispectral

반복주기(일)파장대역(μm)측정폭(km)공간해상도(m)위성/모드

3) 원격탐사 자료의 처리와 이용

○ 생물생산시스템에서 원격탐사 자료를 처리하고 이용하는 과정

1) 측정, 2) 기초 처리, 3) 영상검사 및 기본 통계처리

4) 원격탐사 자료를 지표좌표와 일치하도록 처리

5) 원격탐사 자료를 다른 자료들과 결합

6) 작물생육 등 분석하고자 하는 변수와 인과관계 등 분석

7) 분석 결과를 기초로 농경지 관리

○ 측정 자료를 다양한 기법을 이용하여 처리해야 함

- 원격탐사 자료는 전자기에너지 반사율이므로 계측기의 측도설정

- 대기보정, 관측각도 영향의 보정

- 구름 양의 스크리닝(screening, 구름 양에 의한 영상의 선별)

- 면적(面的) 불균일성의 보정과 선 보정

- 파장대간의 등록, 영상의 모자이킹(비디오영상 등) 등의 처리와 변환

- 지리정보시스템에서 이용하려면 영상을 특정 좌표계(예를 들면,

UTM좌표계)로 변환할 필요가 있음

(3) 지리정보시스템

1) 개념 및 데이터 형식

○ 지리정보시스템(GIS, geographic information system)

- 일종의 데이터베이스(데이터 입력, 저장, 검색 등의 기능 수행) +

- 지도화 작업(mapping)이나 기타 복잡하고 다양한 연산작업 등 가능

- 속성정보가 공간정보(위치)와 결합 --> 지형참조(geo-referencing)

위도 경도 옥수수 옥수수

수확량, Bu/acre 수분함량, %

41.8048984 -91.8310704 185.1 19.0

41.8048862 -91.8310705 185.4 18.5

41.8048750 -91.8310718 185.2 18.4

41.8048632 -91.8310743 183.9 18.9

41.8048529 -91.8310752 182.1 19.0

41.8048420 -91.8310765 181.0 18.5

41.8048317 -91.8310718 179.9 18.8

. . . . . .

. . . . . .

41.8047288 -91.8310645 182.7 18.7

수확량 지도

배수상태

토양 PH

농경지 경계

속성자료와 위치자료가 결합된 GIS 데이터 구조(좌)와 여러 속성이 같은

위치와 결합하여 겹쳐지는 상태(우)

○ GIS의 데이터: 래스터(raster)와 벡터(vector)형식

- 래스터형식: 데이터 표현단위는 행과 열로 위치가 정해지는 셀(cell)

벡터 데이터에 비하여 저장 속도가 빠르며, 프린터 등에서 사용

- 벡터형식: 데이터 저장단위가 점(point), 직선(line), 다각형(polygon)

점: 셀과 비슷하게 한 쌍의 좌표로 표시되지만 영역을 차지하지 않음

직선: 서로 연결된 좌표의 집합

영역: 서로 연결된 직선의 집합

래스터형식보다 더 정확한 지형참조가 가능

- 래스터는 빠르고 벡터는 정확

농 경 지

경 계

도로

셀을 기본단위로 하는 래스터 형식을 이용한 농경지 경계의 표현

점

지도개체 GIS 벡터형식 GIS 레스터형식

(x, y) 좌표점

셀

선

면

.....

... . .

.. .....

... . .

.. .

..... .... .

지도 개체인 점, 선, 영역의 벡터 형식과 래스터 형식 표현

2) 좌표시스템 및 변환

○ GIS에서 사용하는 자료들이 각각 다른 좌표시스템을 사용할 경우, 같은

좌표시스템 값으로 변환하여야 함 --> 보다 보편적인 좌표시스템 필요

- 위도-경도(lat-long) 좌표계

․ 적도와 중심 자오선에서 지표면 위의 한 점까지 두 각의

측정량으로 각도, 분, 초 단위로 저장

․ 위도 1초는 약 30`m이고, 경도는 정확도가 극 주위에서 증가

- UTM(Universal Transverse Mercatur) 좌표계: 평면 투영 좌표계

․ 1:500,000에서 1:24,000까지의 척도로 매핑하는 미터단위 좌표시스템

․ 위도성분은 북향(northing), 경도성분은 동향(easting)으로 투영

․ 경위도 좌표를 투영하여 평면좌표로 변환할 때는, 지구상 위치별로

지구 타원체의 형상이 다르기 때문에 위치가 투영되는 기준평면에

대한 정보를 이용 --> 각 나라에 맞는 타원체를 채용

○ GPS 경위도 좌표는 WGS84 타원체를 기준으로 한 좌표

- 우리나라는 베셀타원체를 사용 --> 각 타원체 간 좌표변환 필요

- 데이텀(datum): 좌표변환 시 필요한 이 타원체를 구성하고 있는

요소들(원점요소, 장반경, 단반경, 편평률, 이심률 등)

* 우리나라는 도쿄데이텀을 채용

* 국립지리원에서 내규 제66호의 GPS에 의한 정밀1차 기준점측량

작업규정에서 이러한 내용을 명시

3) 시스템 구성

○ GIS를 위하여 다양한 하드웨어와 소프트웨어가 필요

컴퓨터

모니터

플로터

컬러프린터

디지타이저

키보드

스캐너

PCMCIA카드

(4) 유비쿼터스 센서네트워크(USN, Ubiquitous Sensor Network)

○ 언제 어디서나 네트워크에 접속할 수 있다는 개념

○ 1988년 미국 제록스 팰 러앨토연구소(PARC)의 마크 와이저가 처음

제시한 유비쿼터스 컴퓨팅이 그 효시

○ 최근 무선통신과 마이크로 전자공학 기술의 발전으로 저가격, 극소형의

센서 간 네트워크가 가능해진 것

○ USN 센서(노드)에서 감지된 정보를 게이트웨어 역할을 하는

기지국(base station)으로 전달하고 기지국에서는 네트워크를 통하여

사용자에게 전달

○ 센서 노드는 전력 소모가 작아야 하고, 극소형으로 많은 수가 사용

○ USN은 RFID 태그, RFID 판독기, 네트워크로 구성

2.4.3 정보취득기술

(1) 바이오시스템 정보의 특징과 분류

○ 바이오시스템 정보의 특징

- 관행에 사용되던 정보에 비하여 그 종류가 다양

- 측정 지점과 주기의 증가로 단일 정보의 양이 많아짐

- 이러한 정보가 대부분 위치정보와 결합

○ 정보 취득방법과 원리 등에 따른 분류

- 취득 위치 및 기간：샘플 채취 및 실험실 분석, 센서(휴대형, 기계부착 이동형)

- 취득방법：전기적(electrical), 광학적(optical), 화학적(chemical), 기계적(mechanical)

- 취득면적：점정보(point measurement), 광역정보(area measurement)

- 속성：토양/물의 오염도, 농산물 생육, 수확량, 수확 후 품질, 유통 정보 등

(2) 토양 이․화학적 특성 측정

1) 토양강도(soil strength)

○ 토양다짐 상태(+ 가비중, 공극률)를 현장에서 알 수 있는 물리성

○ 원추관입기(cone penetrometer)를 많이 사용

- 단면적이 3.23 cm2인 원추를 토양 속으로 관입하며 깊이별 저항력 측정

- 원추지수(cone index): 저항력을 단면적으로 나눈 값

- 일부 밭작물의 경우 원추지수 값이 2 MPa 이상이면 작물생육과

수확량을 감소시킨다고 알려져 있음

- 여러 지점의 원추지수를 측정하여 농경지 위치별 차이를 알기 위해

시간과 노력이 많이 듦 --> 여러 개의 원추관입기를 유압이나

전기모터로 작동시켜 작업속도를 높이는 방법이 개발되고 있음

- 또한, GPS결합으로 위치정보도 취득, 원추 부분에 사파이어 등으로

창(window)을 내어 영상이나 분광반사특성을 측정하는 센서, 수분

또는 전기전도도센서가 결합된 센서도 연구

원추 5개 동시 관입 트랙터 부착형 원추관입기(좌)와 수평이동식 토양강도

프로파일 센서(우)

○ 경운저항: 쟁기나 플라우작업에 필요한 힘으로 주로 트랙터와 작업기

사이에 힘 센서를 장착하여 측정

- 경운저항력이 트랙터 연료소모량, 엔진속도, 경운속도, 토양의

점토함량과 깊은 상관있다는 보고가 있음

○ 수평이동식 토양강도 센서가 최근 전세계적으로 개발되고 있음

2) 전기전도도

○ 전기전도도(Electrical Conductivity)는 토양진단 기본 항목의 하나

○ 전하를 통과시키는 정도를 S/m(Siemens per meter)로 표시

- 은: 63 × 106 S/m, 바닷물: 5 S/m 정도, 순수한 물: 5.5 × 10-6 S/m

○ 토양입자크기, 수분함량, 이온농도, 온도 등에 영향을 받음

- EC 값이 너무 낮으면 토양 중 작물이 이용할 수 있는 양분이 적어

작물생육이 불량

- 너무 높으면 농도장애로 결국 생육장애 생길 수 있음

○ 측정방법

- 비접촉 전자기 유도방식: 두 개의 코일(coil)뭉치로 구성되어 송신측에서

자장을 발생시키고 수신측에서 토양을 통과하여 돌아오는

유도전기의 크기를 측정

- 접촉 전류투입 전극방식: 직접 토양에 접촉된 전극을 통하여 전류를

통과시키고 토양을 통과한 후의 크기를 측정

* 송수신 전극 간 거리에 따라 유효 측정깊이가 달라지며 여러 쌍의

전극으로 서로 다른 유효깊이까지 측정이 가능

○ 농경지의 상태에 따라, 토성, 수분과 양분분포, 유기물함량, 양이온

치환용량(Cation Exchange Capacity) 등 다양한 토양 이․화학성과 관계

전극 접촉식 전기전도도 센서(좌)와 전기전도도와 점토함량 관계 지도(우)

3) 수분

○ 측정방법

1) 중성자 산란법(또는 감마선 감쇠법), 2) 전파반사법(원격탐사 등)

3) 전자기 유도법, 4) 토양에 의한 신호의 속도, 에너지, 임피던스(저항),

주파수, 위상 변화를 측정하는 유전율 방식

* 이러한 현장 측정기술은 토양수분을 직접 측정하기보다는 간접적인

방법으로 용적수분함량을 측정, 여러 가지 토양 이․화학 조건의 영향받음

○ 토양의 유전율 특성을 이용한 방식

- 유전율: 토양 등 부도체의 전기적인 특성으로 교류 전자기파에 의하여

토양 등 부도체 성분의 +, - 극이 반응(정렬)되는 정도

토양광물 25, 공기 1

- TDR(Time Domain Reflectometry)

TDR은 토양에 삽입된 전극을 따라 고주파(0.02~3 GHz)를

발생시키면 이 전자기파가 토양을 통과할 때 속도 변화가 생기는데,

이 속도 변화로 유전율을 측정하고 수분함량으로 변환

- FD(Frequency Domain)

TDR에 비하여 주로 낮은 주파수(100 MHz 이하)를 사용하며 전극

주변 토양의 정전용량을 이용하는 방식

정전용량식(capacitive type): 토양내 충전시간으로 유전율 결정

FDR식: 수분함량에 따른 공진주파수 변화 이용

4) 산성도

○ 토양 산성도(Acidity, pH)

- 질소, 인산, 칼륨 등 양분의 용해도, 유기물을 분해하는 미생물 활동성,

대부분 화학 변환에 영향을 주어 결국 작물생육에 큰 영향을 줌

- 작물생육에 좋은 조건은 주로 약산성, 대부분 6~7이 적당하며 벼의

경우에도 약 산성인 5.0~6.5

○ pH 실험실 측정방법

- 비색법: 해리도에 따라 색이 달라지는 원리 이용, 사용되는 용매 또는

발색시약 종류와 농도에 따라 정밀도 약간씩 달라짐

- 전극법: 수소 이온 활동성과 전극 측정 전압이 비례하는 원리 이용,

주로 25℃에서 pH가 1 변하면 측정전압은 59.1 mV가 변함

○ 실험실 측정절차를 현장에서 반복적으로 수행할 수 있는 이동식 연속

pH 측정센서가 미국에서 개발되어 판매되. 주행하며 연속하여 토양샘플,

희석, 측정, 세척을 실시하여 8초에 한 번 정도 pH 측정이 이루어지는

구조. 산성도 측정에 선택적 투과막(ion-selective membrane) 사용,

양분측정 화학센서에도 이러한 투과막이 이용

센서 장착 본체

pH센서

공기 밸브

물 공급/ 배출 밸브

센서값 판독

토양 샘플 채취부

NIR온도계

소형 CCD카메라

가시 광섬유

근적외선 광섬유

조사 광섬유

토양표면토양 평탄화 칼날

치즐 팁

생크

5) 양분: 작물이 잘 자라도록 하는 요소

○ 토양에 존재하거나 작물이 사용할 수 있는 유효 양분량 측정이 중요

○ 필수원소: 비광물성 원소와 광물성 원소 등 16개 원소

- 광물성 다량원소: 1차 필수원소(N, P, K), 2차 필수원소(Ca, Mg, S)

- 농경지 토양 종류, 관리작업에 따라 양분 양이 지역별, 필지별, 필지 내

위치별 변이 존재

○ 관행 측정 방법: 농경지로부터 시료채취 → 건조 및 전처리 →

분석항목에 따른 시약조제 → 양분분석, 정밀분석용 장비는 매우

비싸고 사용법에 있어 전문지식이 필요

○ 연속 현장측정센서가 연구․개발

- 원리는 대략적으로 전기전도도 이용, 광반사도 이용, 이온선택성 전극

또는 트랜지스터 이용으로 구분

- 이온선택성 전극 방법: pH센서와 마찬가지로 센서 본체에서 토양샘플,

희석, 측정, 세척을 실시. 10초 이내에 80% 이상의 농도까지 측정할 수

있는 것으로 보고

- 한번에 N, P, K 등 여러 성분을 동시 측정하는 시스템 개발중

6) 광을 이용한 이․화학성 측정

○ 토성, 유기물 함량, 수분함량, 양이온 치환용량, pH, Ca, Mg 등에 대한

측정가능성 보고되고 있음

○ 측정하고자 하는 토양속성 종류 등에 따라 이용 파장대의 수, 센서의

정밀도, 센서 장착위치를 달리하여 다양한 방식으로 광반사방식 이용

○ 농경지를 주행하면서 측정하는 센서

(3) 작물생육측정

1) 생육장애 검출

○ 작물 생육장애: 해충, 병, 양분과 수분의 과부족, 기계적(풍수해 등) 또는

화학적(염해, 농약해 등) 요인 등에 의하여 발생

○ 이러한 장애는 작물체 지상부의 변화, 즉 잎색과 잎의 형상(위조와

비틀림, 부패), 잎면적(낙엽을 포함), 또는 잎과 줄기의 각도(절손, 도복

등) 변화로 나타남

--> 원격탐사에 의하여 이러한 변화를 감지 --> 작물 생육장애상태 판단

2) 작물의 발육과 생장

○ 원격탐사로 영양생장기, 생식생장기, 노화기의 생육상태를 검출

- 식생지수, 레드앳지(red edge)의 계절적 변화, 반사의 차이, 반사광의

편광 정도 등을 이용

- 작물 발육과 노화에 따른 잎 내 색소 양 및 군락구조 변화를

반사스펙트럼에 의하여 알아낸

- 식생지수 (vegetation index), 잎 면적지수(LAI, leaf area index),

식피율(coverage), 또는 광합성유효반사 등을 이용

3) 질소 결핍

○ 작물 질소함유량과 엽록소 농도는, 녹색 영역(545 nm), 적색 영역(660

nm) 및 근적외선 영역(800 nm)의 반사스펙트럼과 깊은 관계가 있음

○ 엽록소 농도 -- 광합성이 얼마나 활발하게 일어나는지 나타내는 척도

4) 생육지수

○ 비율식생지수(ratio vegetation index : RVI): Jordan(1969)이 처음 제안

- 녹색식물의 반사율이 적색 영역에서 대체로 낮고 근적외선 영역에서는

높다는 것을 이용

- 근적외선 반사도/적색 반사도 --> 식생의 밀집도 등 나타냄

○ 정규식생지수(normalized difference vegetation index : NDVI)

- 비율식생지수가 0에서 무한대

- 정규식생지수: -1~1

∋

∋

(4) 수확량 모니터링

1) 시스템 기능 및 구성

○ 작물을 수확하면서 실시간으로 포장 전체의 수확량, 작업시간당 수확량,

면적당 수확량, 지정된 지점의 수확량과 곡물 함수율 측정

○ 수확한 면적과 시간당 작업면적, 이동거리, 주행속도도 측정할 수 있음

○ 일반적으로 수확량센서, 함수율센서, 속도센서, 예취부 작동유무

감지센서, 디스플레이부, 데이터 저장 및 전산처리부, 전원부로 구성

<벼 수확용 자탈형 4조 콤바인에 장착된 수확량 모니터링 시스템>

- 주행속도：초음파를 이용하는 방식, 자기(magnetic)를 이용한 방식

․ 초음파 방식: 콤바인에 부착된 초음파 발신장치에서 지면에 음파를

발사하고 지면에서 반사되는 신호를 검출하여 콤바인의 지면에 대한

절대속도를 측정

․ 자기 방식: 주행속도와 비례하여 회전하는 부분에 자석을 부착하고

자기센서로 자석의 펄스를 검출하여 회전수로부터 속도를 계산

- 예취부 작동 유무 감지：콤바인이 수확을 하고 있는 동안에는 예취부를

내리게 되고 단순히 주행을 할 경우에는 예취부를 올리게 되는 원리를

이용, 자기방식 사용

* 수확량과 함수율 지도를 얻고자 할 경우에는 수확하는 콤바인의 위치를

자동으로 알려주는 지구위치시스템(DGPS)과 연결해야 함

<수확량 모니터링 시스템의 입력값, 측정값, 계산값의 종류와 관계>

2) 수확량측정의 원리

○ 수확된 곡물이 이송 부분에서 곡물 부피나 질량 측정 --> 수확량 추정

- 무게 측정 방식: 스트레인게이지 이용 충격력 측정법(impact force

method), 복사측정법(radiometric sensor)

․충격력: 힘(load cell 이용) 또는 거리(potentiometer 이용)를 측정

․복사측정법: 센서를 향해 방사선 주사 --> 센서 검출 방사선 강도는

그 경로를 방해하는 것이 아무 것도 없을 때 최대값

- 부피 측정 방식: 면화 등 수확량 계측에 적합, 광센서(photosensor)

이용하여 곡물에 의해 차단되는 부피를 계산하고 밀도를 곱한다.

- 곡물 외에도 마초, 과채류, 구근류 등의 수확량 모니터링도 사용화

곡물이송엘리베이터오우거

곡물유량 (flow)센서검출기

곡물이송

엘리베이터

에너지원(source)

<충격력식(좌) 및 복사측정법식(우) 수확량 모니터링>

3) 함수율측정 원리

○ 대부분 곡물이송량 센서 옆 콤바인 곡물정선 운반시스템에 위치

○ 계속적으로 흐르는 곡물 함수율 측정에 수분의 전기적 특성 이용

○ 극판을 설치하고 전기신호를 입력한 다음 극판 사이에 곡물을

통과시키면 수분의 양에 따라 출력되는 신호의 주파수 및 정전용량(또는

유전상수)이 달라짐. 밀도, 온도에 따라 신호가 영향을 받음

곡물

전기장

금속벽

전기장

<곡물이 함수율 센서를 통과하는 모습>

4) 수확량 지도 작성과 오차

○ 수확량 모니터링시스템 및 지도작성 소프트웨어의 일반적인 오차원인

- 예취폭이 수확기간 동안 일정하지 않고 지속적으로 변할 수 있음

- 예취된 후 탈곡․선별과정을 거쳐 수확량센서에 도달하는 데 걸리는

시간 지연

- DGPS가 가지는 위치오차

- 콤바인 내에서 곡물흐름이 일정하지 못하여 생기는 오차

- 콤바인의 곡물 손실량

- 센서의 정밀도, 측도설정 상태 및 시스템 응답

2.4.4 정보분석기술

○ 취득한 자료의 중심치와 분포형태: 기술통계학

○ 속성자료들의 관계분석을 위해 다양한 모수(parametric) 또는 비모수

(non-parametric) 통계기법 이용

○ 공간적인 변이(variability) 분석: 공간 통계학(geostatistics) 기법과 보간

및 지도화 기법(interpolation and mapping) 사용

○ 쉽게 수식화하기 힘든 서로 복잡한 관계가 있으므로 속성자료들의 관계

--> 인공지능 등 다양한 기법 이용

3-4-1 공간통계학을 이용한 변이분석

○ 공간통계학: 공간 의존성(spatial dependency)에 근거한 변이분석

* 공간적으로 가까운 곳에 위치한 속성값들이 멀리 떨어진 속성값보다는

유사할 것이라는 가정을 근간으로 함

- 두 위치에서 측정한 값의 분산

- 거리가 h만큼 떨어져 있는 임의의 두 지점에서 측정한 값의 분산

- 거리가 0~h 사이에 있는 모든 측정값의 분산

* 분모가 2이므로 반변이(semi-variance)라고도 함

- 측정 지점이 1차원으로 배치되어 있는 경우

․단위 거리(1)만큼 떨어진 측정값들만을 가지고 분산계산

․떨어진 거리(lag, 래그)가 h인 값들의 분산

<직선적으로 배열된 측정값 간의 반변이 계산 과정>

- 2차원 측정값이 배열된 경우 래그 p, q에 해당하는 반변이

- 베리오그램(Variogram): 래그를 x 축, 반변이를 y축에 나타낸 것

․ 베리오그램의 특성으로 공간 변이 구조를 알 수 있음

․ 실(Sill): 최대 반변이, 증가하는 부분 기울기는 측정값들이

공간적으로 얼마나 빨리 변화하는가를 나타냄

․ Range: Sill에서의 lag값, 측정값의 공간의존 한계값

․ Nugget: lag가 0일 때의 반변이 (이론적으로 0), 실제는 측정오차

또는 최소 lag보다 작은 변이구조에 의해 0보다 큰 값을 보임

Lag distance, m

Sem

ivariance .

Range

Sill (variance)

Nugget (variance)

<전형적인 베리오그램>

○ Nugget, sill, range, nugget에서 sill까지 변화하는 반변이의 패턴을

기초로 베리오그램을 수학식으로 모델, r은 lag, a는 range, c는 sill

<다양한 베리오그램 패턴>

․제한 선형 모델(bounded linear model)

for ≤

for

․원형 모델(circular model)

cos

for ≤

for

․구형 모델(spherical model)

for ≤

for

․가우시안 모델(Gaussian model)

exp for ≤

for

․지수 모델(exponential model)

exp

․비제한 선형 모델(unbounded linear model)

․누승 모델(power model)

․단순 너겟 모델(pure nugget model)

○ 안긴 베리오그램(nested variogram): 다수의 변이구조가 존재할 경우,

단순 베리오그램의 합으로 표현

⋯

for ≤

for ≤

for

0

4

8

12

16

0 100 200 300

Lag distance, m

Sem

ivariance .

Gaussian

Gaussian-spherical

Spherical

<가우시안 구조와 구형 구조가 복합적으로 존재하는 변이구조>

3-4-2 보간 및 지도화 기법

○ 보간(interpolation): 측정한 지점의 값을 이용하여 측정하지 않은 지점의

값을 추정하는 방법

○ 지도화(mapping): 측정값 또는 보간된 값을 지도 형태로 표현하는 것

보간 --> 지도화

○ 보간법

- 최근린법(nearest neighbor): 가장 가까운 샘플값을 단순히 채택

- 지역평균법(local average): 원하는 지점 주위 값들의 평균치를 채택

- 역거리 가중치법(inverse distance weighting): 지역 평균법과

비슷하지만 단순히 평균을 구하는 것이 아니라 가까이 있는 샘플이

멀리 있는 샘플에 비해 가중치를 크게 하는 방법

- 등고선법(contouring): 같은 값을 가진 점들을 연결

- 크리깅(Kriging): 생물생산과 관련된 정보들의 자연적인 공간분포패턴을

잘 표현할 수 있는 방법, 데이터의 변이구조, 즉 베리오그램 모델식을

이용, lag가 비교적 작은 경우의 반변이 변화패턴, range, sill 등을

이용하여 보간

<최근린(좌) 및 지역평균(우) 보간법 사례(×는 샘플 위치, •는 보간된 값)>

3-4-3 GIS 이용 및 의사결정

○ GIS는 공간자료를 지도로 표현하거나(mapping), 데이터간 관계분석을

통하여 사용자가 올바른 의사결정을 하는데 도움을 줌

○ 자료간 관계가 비선형이거나 설명하기 복잡한 생물생산작업 의사결정

과정은 퍼지, 인공신경망, 전문가 시스템 등 인공지능 기법 도입

3-5 생물생산작업 및 정보이용

3-5-1 변량농작업

○ 농경지를 주행하면서 원하는 위치에 원하는 양의 농자재를 투입하기

위해서는 농자재 투입량을 변화시키는 기능(변량형 기술, variable rate

technology)이 꼭 필요

○ 센서기반(sensor-based), 지도기반(map-based) 변량농작업 시스템

<센서기반 변량형 농작업(좌)과 지도기반 변량형 농작업(우) 비교>

○ VRT 시스템 개발과 완성을 위해서는 수많은 공학적인 도전이 필요하며,

이러한 시스템에서의 물리적인 연결과 데이터의 흐름은 매우 복잡

<전자지도기반 이앙동시 입제비료 변량살포기>

DGPS

컴퓨터 및 제어기GIS 실제 주행 속도 센서

화학제 주입탱크 및 펌프 물 탱크

펌프 주입기

유량 센서

붐 밸브

유량 제어 밸브

<붐형 액제 살포기의 구성도>

○ 중앙 집중형, 분산형 제어시스템 구조

- 중앙 집중형 제어장치: 단일 제어기가 차량캡에 탑재되고 전용선을

통하여 센서와 액츄에이터를 구동

- 분산형 제어장치: 사용자 캡 안에 있는 인터페이스 콘솔이 여러 개의

디지털 제어기와 통신하는 형태이며, 각 제어기는 한 개나 또는 몇

개의 처리과정을 모니터링하고 제어

○ VRT 시스템 구성요소간의 호환성 향상

- 이동식 장비를 위한 표준 전자 통신 규약(프로토콜)을 개발

예) Bosch가 1991년 개발한 CAN(Controller Area Network) 통신규약을

이용하여 Stone과 Zachos(1993)는 농기계를 위한 J1939/ ISO11783

작업기 네트워크 표준을 개발

3-5-2 생산 환경 모니터링 및 제어

○ 각종 센서 및 통신기술의 발달로 생물생산 작업 및 생산 환경을

모니터링하고 제어

환경조절장치

센서

RFID

USN

무선LAN

Access Point

인터넷

인터넷휴대전화

관리센터

가축 및 축사 관리 DB

MMS생체센서

축사관리센서

축사관리센서

생체센서

<유비쿼터스 센서 네트워크와 무선통신을 이용한 원예시설(상) 및

축산시설(우) 작업 및 환경 모니터링과 제어 개념도>

3-5-3 정보를 이용한 인증 및 생산이력관리

○ 생물생산 작업 및 환경에서 취득한 정보를 관계기관 및 소비자에게

제공하는 추세로 변하고 있음

- 관계기관에 제출하는 경우는 농축산물 품질 또는 친환경 재배 인증을

위한 객관적인 자료로 이용

- 생산이력제 등을 통해 재배이력을 소비자에게 제공

토양토양 분석분석 센터센터

농산물농산물 정보정보 센터센터

품질품질 인증인증 센터센터

생산이력생산이력 시스템시스템

생물환경 센서

Grading robot

정밀농업

소비자 시장 (판매)

농산물 정보농경지 정보

생물산업 의사결정

잔류물

브랜드 브랜드소비자 의견 품질 및 시장 가치

토양 및 화확제 분석

GIS, DSS

바이오매스재활용

운송

작업 이력센싱 정보

전자태그

신선농산물

상품 및 정보의 새로운 흐름

정보화 농경지 정보 가미된 농산물

<생물생산 재배환경 및 작업이력자료가 제공되는 농축산물 품질 인증 및

생산이력제의 개념(소비자는 RFID 판독기, 인터넷, 휴대폰 등을 통해 이력

정보 확인)>