KR102073394B1 - 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법 - Google Patents

초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 호소나 강에서 녹조현상을 일으키는 남조류의 양을 파악하기 위하여 직접적인 수질 분석과정을 거치지 않고 초분광 자료를 이용하여 원격에서 비접촉식으로 신속하게 남조류의 피코시아닌 색소의 양을 정량 탐지하는 방법에 관한 것으로, (a) 초분광 자료 측정장치로 정량 탐지 대상이 되는 현장의 내수를 측정하여 초분광 자료를 획득하는 단계; (b) 상기 획득된 초분광 자료를 남조류 정량 탐지 연산장치는 참조파장 조정모듈로 참조파장을 기준으로 전체 파장을 조정하는 단계; (c) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 오차 최소화 모듈로 분광 곡선의 반사율 변형에 대한 영향을 최소화하기 위하여 최저 피크 파장(A)과 반사 피크 파장(B)의 반사율비(B/A)를 산정하는 단계; (d) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 파장 정규화모듈로 파장의 위치정보로부터 피코시아닌 분석을 위하여 복수의 수체 분광자료로부터 반사 피크 파장(B)인근에서 반사 피크가 나타나는 최댓값과 최솟값을 이용하여 정규화값을 구하는 단계; (e) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 지수증가 산정모듈로 상기 정규화값이 피코시아닌 농도와 지수 증가하는 관계를 이용하여 지수증가가 반영된 값(C)을 산정하는 단계; (f) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 피코시아닌 인덱스 생성모듈로 상기 피크 파장의 반사율비(B/A)와 지수증가가 반영된 값(C)을 이용하여 피코시아닌 인덱스를 생성하는 단계; (g) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 회귀분석모듈로 상기 생성된 피코시아닌 인덱스와 현장에서 채취한 시료를 분석한 피코시아닌 농도를 이용하여 회귀분석하는 단계; (h) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 농도분포 산출모듈로 상기 회귀분석을 통해 결정된 회귀계수를 이용하여 분광정보만으로 피코시아닌 농도를 산출하는 단계를 포함하여 이루어진 것이다. 본 발명은 수체 현장에서 시료의 채수와 더불어 실험실의 분석 없이도 분광 자료만을 이용하여 남조류의 피코시아닌을 정량 분석할 수 있도록 한 것이다.

Description

초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법 {Method for Quantification Detection Harmful Blue Green Algae In Inland Waters Using Hyperspectral Information}
본 발명은 내수의 유해 남조류를 정량 탐지하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 호소나 강에서 녹조현상을 일으키는 남조류의 양을 파악하기 위하여 직접적인 수질 분석과정을 거치지 않고 초분광 자료를 이용하여 원격에서 비접촉식으로 신속하게 남조류의 피코시아닌 색소의 양을 정량 탐지하는 방법에 관한 것이다.
여름철의 하천이나 호소에서 부영양화에 의하여 발생되는 남조류는 각종 수중 생물을 폐사시키는 원인으로 작용하고 있다. 해외에서는 일부 유해 남조류가 배출하는 독성물질에 의하여 인명과 가축 피해가 발생한 사례가 보고되고 있다. 더욱이 녹조에 대한 사회적인 불안감이 증가함에 따라 정부에서는 "재난 및 안전·관리 기본법"에서 녹조 현상을 국가 재난으로 지정함으로써 국가 차원의 대응에 힘쓰고 있는 실정이다.
담수의 녹조 현상에 대한 대응 및 사전 예방을 위해서는 주기적인 모니터링이 선행되어야 한다. 특히, 환경부에서는 담수역의 수질 관리를 위해 전국 약 1,800여개 지점에서 주기적으로 채수한 시료를 이용하여 수질 분석을 수행하고 있다. 또한, 기존의 다양한 선행기술에서는 녹조를 모니터링하기 위하여 CCTV를 이용하여 육안으로 녹조의 발생을 판단하거나 수중에 조류의 형광물질, 예컨대, 색소를 측정하여 정량 분석하는 방법이 제시되고 있다. 그러나 국가에서 수행하는 수질 모니터링 기법과 앞선 선행기술들은 지점 단위로 모니터링이 이루어지고, 이는 녹조의 공간적인 분포를 파악하는데 한계가 있었다.
더욱이 우리나라에서는 내수의 남조류 탐지를 위해 초분광 자료와 피코시아닌 농도 사이의 관계를 정의함에 있어서 통계적으로 유의한 수의 자료를 이용하여 개발한 사례가 부재하다. 또한, 기존 선행기술에서는 피코시아닌 농도를 추정할 때에 필요한 구체적인 파장의 구성과 활용을 위한 방법론에 대한 기술 개발이 이루어지지 않은 실정이다.
본 발명과 관련된 선행기술로서, 특허문헌 1의 등록특허공보 제10-1721098호는 남조류 샘플에서 게놈 DNA를 추출하는 단계; 상기 추출된 게놈 DNA를 절편화 및 표지하는 단계; 상기 표지된 DNA를 DNA 칩에 혼성화 반응시키는 단계; 및 상기 혼성화 정도에 따라 마이크로시스티스 속의 종류 및 양을 판별하는 단계를 포함하는 마이크로시스티스 속의 검출 및/또는 정량방법이 개시되어 있다. 상기 선행기술은 남조류 샘플로부터 게놈 DNA를 추출하여 절편화 및 표지를 거쳐 혼성화 반응에 따른 속의 종류와 양을 판별하고, 마이크로시스티스 속의 검출과 정량화하는 것으로, 시료를 직접 채취하여야 하므로 시간 및 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.
또한, 특허문헌 2의 등록특허공보 제10-1898712호는 조류들이 함유된 물에 침지되며, 상기 물에 함유된 조류들이 발생시키는 복수의 파장을 갖는 형광값을 검출하는 측정 유닛; 상기 측정 유닛과 연결되며, 상기 측정 유닛을 제어하고, 상기 측정 유닛에서 검출된 데이터를 수신하는 제어유닛; 및 상기 제어 유닛에서 데이터를 수신하여 관리하는 관제서버를 포함하고, 상기 측정 유닛은, 상기 조류들에 복수의 파장 대역의 빛을 방출하는 광원 및 상기 조류들에서 발생된 형광값을 검출하는 피코시아닌 센서를 포함하며, 상기 측정 유닛은, 상기 조류들이 함유된 물을 초음파 전처리하는 초음파 발생기 및 상기 조류들의 종류를 검출하기 위해 상기 광원에 의해 조류들이 발생시키는 다파장의 형광값을 검출하는 다파장 센서를 더 포함하고, 상기 피코시아닌 센서는, 상기 조류들이 발생시키는 다파장의 형광값 중 어느 하나의 파장에 해당하는 조류의 피코시아닌 형광값을 검출하며, 상기 제어 유닛은, 상기 측정 유닛이 상기 물에 침지되도록 제어하고, 상기 초음파 발생기의 구동을 제어하는 공정 제어부; 상기 다파장 센서 및 피코시아닌 센서에서 검출된 형광값을 포함하는 정보를 수신하되, 상기 공정 제어부에 의해 구동되는 구성의 상태, 상기 측정 유닛이 설치된 시설에 인가되는 전원의 상태, 온도, 습도 화재 및 침수 상태에 대한 환경 정보를 수집하는 임베디드 센서노드부; 및 상기 임베디드 센서노드부에서 수신된 정보를 외부의 관제센터로 전송하기 위해 교정 및 보정 처리를 수행하되, 상기 측정 유닛에서 측정된 조류들이 발생시키는 복수의 파장을 갖는 형광값과 상기 물에 포함된 비조류 물질이 발생시키는 복수의 파장을 갖는 형광값을 비교하여 상기 측정 유닛에서 측정된 형광값을 교정 및 보정 처리를 수행하는 데이터 처리부를 포함하고, 상기 비조류 물질에 대한 형광값은, 상기 조류들이 함유된 물을 유리섬유여과지에 여과한 물에 상기 광원에서 방출된 빛에 의해 상기 비조류 물질이 발생시키는 형광값이며, 상기 측정 유닛은 조류들이 함유된 물에 초음파를 발산하여 조류들에 대한 형광값을 검출하기 전에 전처리 공정을 수행하고, 상기 전처리 공정이 수행된 물에 복수의 파장을 갖는 빛을 조사하여 조류들이 발생시키는 복수의 파장을 갖는 형광값을 검출하되, 다파장센서를 통하여 복수의 광원에서 조사되는 빛에 의해 조류들이 방출하는 형광을 검출하고, 피코시아닌 센서를 통하여 620nm 파장을 갖는 광원에서 발생한 빛을 남조류에 조사하면 남조류에서 방출된 형광값을 검출하며, 투과도 센서를 통하여 조류들이 함유된 물에 대한 빛의 투과도를 검출하고, pH 검출부 및 탁도 검출부를 통하여 각각 물의 pH 농도와 탁도를 검출하며, 상기 광원에서 방출되는 빛의 파장은 370nm, 470nm, 520nm, 590nm 및 620nm 파장 대역의 빛이고, 상기 데이터 처리부는, 상기 광원에서 방출된 370nm 파장 대역에 의해 상기 조류들이 발생시키는 형광값에 대해 교정 및 보정 처리를 수행하며, 상기 측정 유닛은, 와이어로프에 연결된 상태에서 제어 유닛에 의해 제어되며, 조류들이 함유된 물에 침지된 상태에서 상기 물에 함유된 조류들이 발생시키는 복수의 파장을 갖는 형광값을 측정하고, 상기 측정이 완료된 다음, 수면 위로 상승되어 세정 유닛에 의해 세정되며, 상기 세정 유닛은, 세정액 또는 공기를 상기 측정 유닛에 분사하여 상기 측정 유닛의 내부에 잔류된 조류를 제거하고, 상기 측정 유닛은 원형 형상을 갖는 지지프레임의 하부에 조류를 검출하고, 조류들이 함유된 물을 포함하되, 하부에 배치된 이너 하우징과 이너 하우징을 감싸는 아우터 하우징을 포함하고, 상부에 배치되며 이너 하우징과 아우터 하우징을 지지하되 아우터 하우징을 회전 구동시키는 구동부를 포함하는 수용용기와, 이너 하우징의 내부에 배치되며, 이너 하우징에 수용된 조류들이 함유된 물에 초음파를 발산하는 초음파 발생기와, 수용용기에 수용된 조류들이 함유된 물에 복수의 파장을 갖는 빛을 조사하여 조류들이 발생시키는 복수의 파장을 갖는 형광값을 검출센서부를 포함하는 조류 검출부; 상기 조류 검출부에 인접하게 배치되며, 물의 pH 농도를 검출하는 pH 검출부; 상기 조류 검출부에 인접하게 배치되며, 물의 탁도를 검출하는 탁도 검출부; 및 상기 조류 검출부, pH 검출부 및 탁도 검출부가 결합되며, 원형 형상을 가지지는 지지프레임;을 포함하고, 상기 이너 하우징은 상면이 개방된 원통 형상으로 형성되고, 내부에 초음파 발생기와 센서부가 배치되고, 측벽과 바닥면에 조류들이 함유된 물이 유입되고 배출되는 복수의 제1 홀이 서로 이격된 상태로 형성되며, 상기 아우터 하우징은 상면이 개방된 원통 형상으로 형성되고, 이너 하우징에 대응되도록 측벽과 바닥면에 제2홀이 서로 이격된 상태로 형성되되, 상기 제2 홀은 제1 홀의 개수와 동일하게 형성되며, 제1 홀이 형성된 위치에 대응되는 위치에 형성되고, 상기 아우터 하우징은 구동부에 의해 회전되고, 이너 하우징과 아우터 하우징에 형성된 제1 홀 및 제2 홀이 동일한 위치에 배치되면, 이너 하우징의 내부에 조류들이 포함된 물이 유입되고, 그 상태에서 아우터 하우징이 구동부에 의해 회전되어 제1 홀 및 제2 홀의 위치가 엇갈리게 배치되어 이너 하우징으로 유입된 물이 배출되지 않도록 하고, 이 상태에서 센서부에서 조류가 함유된 물에 대한 측정이 이루어지도록 하며, 측정이 완료되면, 수용용기가 수면 위로 상승한 상태에서, 구동부에 의해 아우터 하우징이 회전되어 이너 하우징과 아우터 하우징에 형성된 제1 홀 및 제2 홀이 동일한 위치에 배치되며, 이너 하우징의 내부에 수용된 물이 외부로 배출되고, 상기 센서부는 이너 하우징의 내부에 배치되며, 상부가 구동부의 하면에 결합되고, 광원, 다파장 센서, 피코시아닌 센서 및 투과도 센서를 지지하며, 측면에 조류를 향해 빛을 조사하고 조류에서 발생되는 형광을 용이하게 검출할 수 있게 홈부가 형성되는 본체; 홈부의 측면에 배치되며, 복수의 파장을 갖는 빛을 이너 하우징에 수용된 물에 포함된 조류들을 향해 방출하는 복수의 광원; 복수의 광원에서 발생되는 빛의 세기를 감지하고 조절하는 광원 제어부; 다양한 파장을 갖는 복수의 광원에서 조사되는 빛에 의해 조류들이 방출하는 형광을 검출하여 조류들의 종류를 검출하는 다파장 센서; 620nm 파장을 갖는 광원에서 발생한 빛을 남조류에 조사하면, 남조류에서 방출된 형광값을 검출하여 남조류의 분포를 확인하기 위해 구비되는 피코시아닌 센서; 및 조류들이 함유된 물에 대한 빛의 투과도를 검출하는 투과도 센서를 포함하며, 상기 이너 하우징의 표면에는 부식현상을 방지하기 위해 토일트리아졸 20중량%, 벤즈이미다졸 15중량%, 트리옥틸아민 10중량%, 하프늄 15중량%, 산화알루미늄40중량%로 구성되며, 코팅두께는 8㎛로 구성된 도포층이 형성되고, 상기 아우터 하우징의 외부면에는 오염 방지도포용 조성물이 스프레이법에 의해 500 ~ 2000Å 의 두께로 도포된 오염방지도포층이 형성되되, 상기 오염 방지 도포용 조성물은 알카놀아마이드 및 암포프로피오네이트가1:0.01 ~ 1:2 몰비로 포함되어 있고, 알카놀아마이드 및 암포프로피오네이트의 총함량은 전체 수용액에 대해 1 ~10 중량%인 침지형 피코시아닌 센서를 이용한 통합 모니터링 시스템이 개시되어 있다. 상기 선행기술도 측정 유닛을 조류들이 함유된 물에 침지하여 물에 함유된 조류들이 발생시키는 복수의 파장을 갖는 형광값을 검출하고, 측정 유닛에서 검출된 데이터를 제어유닛에서 처리과정을 거쳐 관제서버에서 검출된 데이터를 관리하는 것으로, 조류가 함유된 물에서 조류가 발생하는 복수 파장의 형광값을 검출하므로 시스템의 구축에 따른 시간 및 비용이 많이 소요되는 문제가 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1721098호(2017.03.29. 공고, 한국 담수 수계의 위해성 남조류의 검출과 정량측정을 위한 DNA 칩) 대한민국 등록특허공보 제10-1898712호(2018.09.13. 공고, 침지형 피코시아닌 센서를 이용한 통합 모니터링 시스템)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 초분광 자료를 취득하는 점 단위의 분광복사계나 초분광 센서를 이용한 면 단위의 초분광 영상정보를 통해 획득된 분광 신호로부터 남조류의 피코시아닌 색소 농도를 도출하는 기법을 제공하기 위한 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 내수에서 현장조사를 통해 수집된 초분광 및 피코시아닌 농도 자료를 이용하여 피코시아닌에 반응하는 구체적인 파장과 파장비를 제공하여 초분광 영상으로부터 피코시아닌 농도 분포도를 작성할 수 있는 기반 기술을 제공하기 위한 것이 다른 목적이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, (a) 초분광 자료 측정장치로 정량 탐지 대상이 되는 현장의 내수를 측정하여 초분광 자료를 획득하는 단계; (b) 상기 획득된 초분광 자료를 남조류 정량 탐지 연산장치는 참조파장 조정모듈로 참조파장을 기준으로 전체 파장을 조정하는 단계; (c) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 오차 최소화 모듈로 분광 곡선의 반사율 변형에 대한 영향을 최소화하기 위하여 최저 피크 파장(A)과 반사 피크 파장(B)의 반사율비(B/A)를 산정하는 단계; (d) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 파장 정규화모듈로 파장의 위치정보로부터 피코시아닌 분석을 위하여 복수의 수체 분광자료로부터 반사 피크 파장(B)인근에서 반사 피크가 나타나는 최댓값과 최솟값을 이용하여 정규화값을 구하는 단계; (e) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 지수증가 산정모듈로 상기 정규화값이 피코시아닌 농도와 지수 증가하는 관계를 이용하여 지수증가가 반영된 값(C)을 산정하는 단계; (f) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 피코시아닌 인덱스 생성모듈로 상기 피크 파장의 반사율비(B/A)와 지수증가가 반영된 값(C)을 이용하여 피코시아닌 인덱스를 생성하는 단계; (g) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 회귀분석모듈로 상기 생성된 피코시아닌 인덱스와 현장에서 채취한 시료를 분석한 피코시아닌 농도를 이용하여 회귀분석하는 단계; (h) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 농도분포 산출모듈로 상기 회귀분석을 통해 결정된 회귀계수를 이용하여 분광정보만으로 피코시아닌 농도를 산출하는 단계를 포함하여 이루어진 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법을 제공한 것이 특징이다.
또한, 본 발명에서, 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 수집된 초분광 자료를 연산하여 피코시아닌 농도분포를 출력장치로 출력하여 모니터링할 수 있도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 단계 (d)에서, 파장 정규화모듈은 다음의 수학식,
Figure 112018114151231-pat00001
(여기서,
Figure 112018114151231-pat00002
는 i번째 자료의 700nm 인근에서 피크가 나타나는 파장값이고,
Figure 112018114151231-pat00003
은 전체 자료 중에서 700nm 인근 피크가 가장 낮게 나타나는 파장값이며,
Figure 112018114151231-pat00004
는 전체 자료 중에서 700nm 인근 피크가 가장 높게 나타나는 파장값임)으로 정규화하고, 상기 단계 (e)에서, 지수증가 산정모듈은 다음의 수학식,
Figure 112018114151231-pat00005
으로 지수증가가 반영된 값을 산정하며, 상기 단계 (f)에서, 피코시아닌 인덱스 생성모듈은 다음의 수학식,
Figure 112018114151231-pat00006
(여기서, B/A 는 피크 파장의 반사율비임)으로 피코시아닌 인덱스를 생성하고, 상기 단계 (g)에서, 회귀분석모듈은 다음의 수학식,
Figure 112018114151231-pat00007
(여기서, α는 계수이고, β는 절편이다)으로 피코시아닌 농도를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 단계 (a)에서, 상기 획득된 초분광 자료를 저장장치에 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 단계 (b)에서, 조류 색소에 의하여 흡수가 발생되는 흡수파장대의 반사율이 최저치가 나오는 파장값을 기준으로 하는 참조파장의 반사율값을 전체 파장대의 반사율값으로부터 빼주어 반사율 오차를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 단계 (b)에서, 상기 참조파장 조정모듈은 피코시아닌 색소의 정량 탐지를 위하여 조류에 의하여 나타나는 600nm 이후의 분광을 이용할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 단계 (c)에서, 상기 피크 파장의 반사율비(B/A)는 피코시아닌 색소를 정량화하는데 오차를 발생시키는 간섭물질의 영향을 최소화하기 위한 것으로, A는 조류 색소에 의해 흡수가 나타나는 최저 피크 파장(675nm)의 깊이를 나타내는 반사율값으로, 클로로필-a 농도가 높을수록 증가하고, B는 조류 색소에 의한 피크 파장(700nm)에서 반사 피크 파장의 반사율값으로, 클로로필-a와 피코시아닌의 조류 색소와 관련될 수 있다.
본 발명에 따르면, 수체 현장에서 시료의 채수와 더불어 실험실의 분석 없이도 분광 자료만을 이용하여 남조류의 피코시아닌을 정량 분석할 수 있고, 특히, 초분광 영상에 적용함으로서 국가수질측정망 지점 이외의 구간에서도 피코시아닌 농도를 모니터링할 수 있으며, 무엇보다 공간적인 피코시아닌 분포 정보를 획득함으로써 남조류의 발생 및 확산, 상습 발생 지역 등의 분석과 녹조에 대한 효과적인 대응에 적극 활용할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시 예로, 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지를 위한 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법에서, 조류 색소에 의한 흡수파장을 참조파장으로 하여 기준을 조정하는 과정을 나타낸 분광곡선이다.
도 3은 본 발명에 따른 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법에서, 간섭물질에 의한 오차를 최소화하기 위하여 비율을 이용하는 과정을 나타낸 분광곡선이다.
도 4는 본 발명에 따른 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법으로 대청호 추동지역의 남조류 피코시아닌 농도 분포를 모니터링한 것을 예시적으로 나타낸 그림이다.
이하, 본 발명에 따른 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명의 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법으로 원격탐사 기법과 초분광 자료를 이용하여 내수에 직접적인 접촉 없이 표층에서 측정된 분광과 조류 색소의 농도의 관계를 분석함으로써, 원격으로 정량 분석이 가능하도록 하고, 나아가 하천이나 호소 전체를 촬영한 초분광 영상에 적용하면 조류 색소 농도의 공간적인 분포 정도를 모니터링 한다.
더욱이 본 발명은 초분광 자료로부터 남조류의 피코시아닌 색소의 비접촉식 정량 모니터링을 위하여 관련된 파장이나 분광특징에 대한 관계를 정의한 기술이다. 또한, 기존의 수질 모니터링 기법은 조류가 가지고 있는 클로로필-a 색소를 탐지하여 정량화 하였으나, 클로로필-a 색소는 유해하지 않은 녹조류나 규조류에도 포함되어 있으므로 본 발명은 남조류만을 탐지하기 위해 피코시아닌 색소를 원격 정량화하기 위한 기법이다.
도 1에서, 초분광 자료 측정장치(10)는 담수, 하천이나 호소 등의 내수에서 일정 지점이나 일정 지역을 측정하기 위한 것으로, 일정 고도를 비행하는 드론과 같은 비행체에 탑재될 수도 있다. 더욱이 초분광 자료 측정장치(10)는 측정 대상이 되는 내수에 일정 높이 및 거리에서 고정된 지점에 설치될 수도 있다. 초분광 자료 측정장치(10)는 측정된 초분광 자료를 저장장치(11)에 저장한다. 더욱이 초분광 자료 측정장치(10)에서 측정된 자료는 통신망을 통해 원격으로 송수신될 수 있다. 초분광 자료의 측정 장치는 종류에 따라 한 지점을 측정하는 분광복사계나 라인스캔(line scan)을 통해 면단위의 초분광 자료를 얻을 수 있는 초분광 센서 등이 될 수 있고, 이때 초분광 센서에 의해 획득된 초분광 영상은 수많은 화소(Pixel)로 이루어져 있다.
남조류 정량 탐지 연산장치(20)는 초분광 자료 측정장치(10)에서 측정하여 획득된 초분광 자료를 유해 남조류의 정량 탐지를 위한 기법을 포함하는 것으로, 참조파장 조정모듈(21), 오차 최소화모듈(22), 파장 정규화모듈(23), 지수증가 산정모듈(24), 피코시아닌 인덱스 생성모듈(25), 회귀분석모듈(26) 및 농도분포 산출모듈(27)을 포함한다. 남조류 정량 탐지 연산장치(20)는 서버, 데스크톱, 노트북 또는 휴대용 단말기 등으로, 남조류의 정량 탐지를 연산하기 위한 소프트웨어를 포함한다. 더욱이 참조파장 조정모듈(21)은 초분광 자료 측정장치(10)에서 획득된 초분광 자료를 참조파장(Reference Wavelength)을 기준으로 전체 파장을 조정하는 것이고, 오차 최소화모듈(22)은 분광 곡선의 반사율 변형에 대한 영향을 최소화하기 위하여 최저 피크 파장(A)과 반사 피크 파장(B)의 반사율비(B/A)를 산정하는 것이며, 파장 정규화모듈(23)은 파장의 위치정보로부터 피코시아닌 분석을 위하여 복수의 수체 분광자료로부터 반사 피크 파장(B) 인근에서 반사 피크가 나타나는 최댓값과 최솟값을 이용하여 정규화하는 것이다. 또한, 지수증가 산정모듈(24)은 피코시아닌 농도와 지수 증가하는 관계를 이용하여 지수증가가 반영된 값(C)을 산정하는 것이고, 피코시아닌 인덱스 생성모듈(25)은 피크 파장의 반사율비(B/A)와 지수증가가 반영된 값(C)을 이용하여 피코시아닌 인덱스를 생성하는 것이고, 회귀분석모듈(26)은 생성된 피코시아닌 인덱스와 현장에서 채취한 시료를 분석한 피코시아닌 농도를 이용하여 회귀분석하는 것이며, 농도분포 산출모듈은 회귀분석을 통해 결정된 회귀계수를 이용하여 분광정보만으로 피코시아닌 농도분포를 산출하는 것이다.
또한, 출력장치(30)는 남조류 정량 탐지 연산장치(20)에서 일정 면단위의 초분광 영상을 연산하여 산출된 남조류의 피코시아닌 농도분포를 모니터링 할 수 있도록 모니터를 통해 가시적으로 출력하거나 또는 인쇄된 출력물로 출력한다. 더욱이 남조류 정량 탐지 연산장치(20)에서 연산된 정보는 저장장치(11)에 저장되도록 하는 것이 좋다.
이와 같이 이루어진 본 발명에 따른 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법에 관하여 도 4의 흐름도를 참조하여 설명한다.
먼저, 정량 탐지 대상이 되는 현장의 담수, 호소 또는 하천 등의 내수를 초분광 자료 측정장치(10)로 점단위 또는 면단위로 측정하여 초분광 자료를 획득한다(S1).
그리고 도 2의 분광곡선에서 내수를 측정한 초분광 자료의 반사율(Reflectance)은 수체 내 여러 물질들에 의해 나타나는 결과이다. 그 중에서 피코시아닌 색소의 정량 탐지를 위해서는 조류, 즉, 홍조류, 녹조류 및 남조류 등에 의해 그 패턴이 나타나는 것으로 알려진 600nm 이후의 분광곡선을 이용한다. 더욱이 수체 반사율은 측정할 때에 여러 가지 물질(용존물질 등)과 측정 방향, 수표면 반사광 효과에 의해 Y축 방향으로의 반사율 증감에 영향을 준다. 따라서 이러한 영향을 최소화하기 위하여, 남조류 정량 탐지 연산장치(20)의 참조파장 조정모듈(21)은, 클로로필-a 및 피코시아닌 등을 포함하는 조류 색소에 의해 흡수가 발생하는 675nm 인근은 간섭물질 등의 영향을 받는 흡수 파장대의 반사율값을 기준으로 하는 참조파장(Reference Wavelength)으로 전체 파장대의 반사율값에서 참조파장의 반사율값을 빼주어 Y축 방향으로의 오차를 최소화하는 과정을 수행한다(S2). 따라서 조류 색소에 의한 흡수파장을 참조파장으로 하여 기준을 조정하는 과정에서 반사율이 최저치가 되는 675nm의 파장값을 기준으로 조정한다. 이때, 675nm의 파장값은 반사율이 0이 된다. 상술한 과정을 수행하지 않으면 후술하는 B/A값이 차이가 나 본 발명의 목적을 달성하기가 어렵게 된다.
다음으로, 남조류 정량 탐지 연산장치(20)의 오차 최소화모듈(22)은 분광 곡선의 반사율 변형에 대한 영향을 최소화하기 위하여 최저 피크 파장(A)과 반사 피크 파장(B)의 반사율비(B/A)를 산정한다(S3). 즉, 도 3에서, 수체 내 용존 유기탄소나 용존 유기물질 등 여러 가지 물질에 의해 분광곡선의 모양이 Y축 방향으로 찌그러지거나 늘어나는 현상에 대한 영향을 최소화하기 위해 두 파장간의 반사율값 비율인 피크 파장의 반사율비(B/A)값을 이용한다. 즉, 분광곡선의 모양이 Y축 방향으로 찌그러지거나 늘어나더라도 A와 B 각각의 값에는 영향을 미치지만 그 비율인 B/A에는 영향이 미미하다. 이때, A는 조류 색소에 의해 흡수가 나타나는 675nm 인근의 피크 파장의 깊이(p1)를 의미하는 반사율값으로, 클로로필-a 농도가 높을수록 증가하는 특징이 있고, 또한, B는 조류 색소에 의해 700nm 인근에서 반사피크 파장(p2)의 반사율값으로, 클로로필-a와 피코시아닌 등의 조류 색소와 관련이 깊다. 더욱이 반사피크 파장(p2)은 피코시아닌의 농도가 높으면 오른쪽으로 시프트 된다. 피크 파장 반사율비(B/A)는 피코시아닌 색소를 정량화하는데 오차를 발생시키는 간섭물질과 클로로필-a의 영향을 최소화하는 역할을 한다.
남조류 정량 탐지 연산장치(20)의 파장 정규화모듈(23)은 파장의 위치정보로부터 피코시아닌 분석을 위하여 복수의 수체 분광자료로부터 반사 피크 파장(p2) 인근에서 반사 피크가 나타나는 최댓값과 최솟값을 이용하여 정규화를 수행한다(S4).
더욱이 700nm 인근의 반사피크가 장파장 쪽으로 이동하는 현상은 클로로필-a 보다 피코시아닌과 더욱 상관성이 높은 것으로 분석된다. 즉, 상술한 바와 같이 분광곡선에서 반사피크 파장(p2)은 피코시아닌의 농도가 높으면 오른쪽으로 시프트 된다. 반사피크가 나타나는 파장의 정규화를 통해 파장의 위치정보를 피코시아닌 분석에 활용한다. 통계적으로 설명이 가능한 수십 개 이상, 바람직하게는 30개 이상의 수체 분광자료에서 700nm 인근에서 반사피크가 나타나는 파장의 최댓값과 최솟값을 이용하여 다음의 수학식 1을 통해 정규화를 수행한다.
Figure 112018114151231-pat00008
여기에서,
Figure 112018114151231-pat00009
는 1 내지 30개의 수체 분광자료 중 i번째 자료의 700nm 인근에서 피크가 나타나는 파장값이고,
Figure 112018114151231-pat00010
은 전체 자료 중에서 700nm 인근 피크가 가장 낮게 나타나는 파장값이며,
Figure 112018114151231-pat00011
는 전체 자료 중에서 700nm 인근 피크가 가장 높게 나타나는 파장값이다.
다음은, 남조류 정량 탐지 연산장치(20)의 지수증가 산정모듈(24)은 피코시아닌 농도와 지수 증가하는 관계를 이용하여 지수증가가 반영된 값(C)을 산정한다(S5). 즉, 상기 정규화값(수학식 1)은 피코시아닌 농도와 지수 증가하는 관계, 즉 분광곡선에서 피코시아닌 농도가 높아지면 파장이 오른쪽으로 시프트되는 것보다 반사율값이 위로 증가하는 비율이 상대적으로 더 커지므로 다음의 수학식 2를 적용하여 지수증가가 반영된 값(C)을 산정한다.
Figure 112018114151231-pat00012
그리고 남조류 정량 탐지 연산장치(20)의 피코시아닌 인덱스 생성모듈(25)은 피크 파장의 반사율비(B/A)와 지수증가가 반영된 값(C)을 이용하여 피코시아닌 인덱스를 생성한다(S6). 이는 다음의 수학식 3을 이용하여 피코시아닌 인덱스를 생성한다.
Figure 112018114151231-pat00013
남조류 정량 탐지 연산장치(20)의 회귀분석모듈(26)은 생성된 피코시아닌 인덱스와 현장에서 채취한 시료를 분석한 피코시아닌 농도를 이용하여 회귀분석한다(S7). 즉, 산출된 피코시아닌 인덱스는 현장에서 동시간대로 분광 측정한 지점과 동일 지점에서 채수한 시료를 이용하여 실측으로 분석(냉해동법 등)한 피코시아닌 농도와 함께 회귀분석을 수행한다. 회귀분석을 통해 다음의 수학식 4와 같이 계수(
Figure 112018114151231-pat00014
)와 절편(
Figure 112018114151231-pat00015
)을 결정한다.
Figure 112018114151231-pat00016
따라서 회귀계수
Figure 112018114151231-pat00017
와
Figure 112018114151231-pat00018
가 결정되면, 상기 수학식 4는 PI값에 의한 함수로 표현된다. PI값은 대기보정, 방사보정 및 기하보정의 전처리과정을 거친 후 산출될 수도 있다. 그러므로 점단위의 분광 복사계나 초분광 센서를 통한 면 단위의 초분광 영상정보를 통해 측정된 분광정보만을 이용하여 PI값을 산출하고 상기 수학식 4에 적용하면 수질분석이 이루어지지 않은 지점(분광곡선에서는 화소에 해당)에 대해서도 피코시아닌 농도를 산출할 수 있다.
한편, 남조류 정량 탐지 연산장치(20)의 농도분포 산출모듈(27)은 회귀분석을 통해 결정된 회귀계수를 이용하여 분광정보만으로 일정 지점의 피코시아닌 농도와 나아가 농도분포를 산출한다(S8). 그리고 남조류 정량 탐지 연산장치(20)는 수집된 초분광 영상정보를 연산하여 피코시아닌 농도분포를 출력장치(30)로 출력하여 모니터링할 수 있도록 한다(S9).
도 5에서, 본 발명의 남조류 정량 탐지 연산장치(20)에서 연산되어 산출된 결과 자료를 예시한 것으로, 대청호 추동지역의 남조류 피코시아닌 농도 분포를 모니터링한 것을 예시적으로 나타낸 그림으로, 출력장치(30)를 통해 가시적으로 출력된 것이다. 출력된 그림의 대청호 전체에 걸쳐 농도 분포를 쉽게 구분할 수 있다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
10: 초분광 자료 측정장치 11: 저장장치 20: 남조류 정량 탐지 연산장치 21: 참조파장 조정모듈 22: 오차 최소화모듈 23: 파장 정규화모듈 24: 지수증가 산정모듈 25: 피코시아닌 인덱스 생성모듈 26: 회귀분석모듈 27: 농도분포 산출모듈 30: 출력장치

Claims (7)

  1. (a) 초분광 자료 측정장치로 정량 탐지 대상이 되는 현장의 내수를 측정하여 초분광 자료를 획득하는 단계;
    (b) 상기 획득된 초분광 자료를 남조류 정량 탐지 연산장치는 참조파장 조정모듈로 참조파장을 기준으로 전체 파장을 조정하는 단계;
    (c) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 오차 최소화 모듈로 분광 곡선의 반사율 변형에 대한 영향을 최소화하기 위하여 최저 피크 파장(A)과 반사 피크 파장(B)의 반사율비(B/A)를 산정하는 단계;
    (d) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 파장 정규화모듈로 파장의 위치정보로부터 피코시아닌 분석을 위하여 복수의 수체 분광자료로부터 반사 피크 파장(B)인근에서 반사 피크가 나타나는 최댓값과 최솟값을 이용하여 정규화값을 구하는 단계;
    (e) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 지수증가 산정모듈로 상기 정규화값이 피코시아닌 농도와 지수 증가하는 관계를 이용하여 지수증가가 반영된 값(C)을 산정하는 단계;
    (f) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 피코시아닌 인덱스 생성모듈로 상기 피크 파장의 반사율비(B/A)와 지수증가가 반영된 값(C)을 이용하여 피코시아닌 인덱스를 생성하는 단계;
    (g) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 회귀분석모듈로 상기 생성된 피코시아닌 인덱스와 현장에서 채취한 시료를 분석한 피코시아닌 농도를 이용하여 회귀분석하는 단계;
    (h) 상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 농도분포 산출모듈로 상기 회귀분석을 통해 결정된 회귀계수를 이용하여 분광정보만으로 피코시아닌 농도를 산출하는 단계를 포함하여 이루어진, 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 남조류 정량 탐지 연산장치는 수집된 초분광 자료를 연산하여 피코시아닌 농도분포를 출력장치로 출력하여 모니터링할 수 있도록 하는 단계를 더 포함하는, 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (d)에서,
    파장 정규화모듈은 다음의 수학식,
    Figure 112018114151231-pat00019

    (여기서,
    Figure 112018114151231-pat00020
    는 i번째 자료의 700nm 인근에서 피크가 나타나는 파장값이고,
    Figure 112018114151231-pat00021
    은 전체 자료 중에서 700nm 인근 피크가 가장 낮게 나타나는 파장값이며,
    Figure 112018114151231-pat00022
    는 전체 자료 중에서 700nm 인근 피크가 가장 높게 나타나는 파장값임)으로 정규화하고,
    상기 단계 (e)에서,
    지수증가 산정모듈은 다음의 수학식,
    Figure 112018114151231-pat00023
    으로 지수증가가 반영된 값을 산정하며,
    상기 단계 (f)에서,
    피코시아닌 인덱스 생성모듈은 다음의 수학식,
    Figure 112018114151231-pat00024
    (여기서, B/A 는 피크 파장의 반사율비임)으로 피코시아닌 인덱스를 생성하고,
    상기 단계 (g)에서,
    회귀분석모듈은 다음의 수학식,
    Figure 112018114151231-pat00025

    (여기서, α는 계수이고, β는 절편이다)으로 피코시아닌 농도를 산출하는, 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서, 상기 획득된 초분광 자료를 저장장치에 저장하는 단계를 더 포함하는, 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서, 조류 색소에 의하여 흡수가 발생되는 흡수파장대의 반사율이 최저치가 나오는 파장값을 기준으로 하는 참조파장의 반사율값을 전체 파장대의 반사율값으로부터 빼주어 반사율 오차를 최소화하는, 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서, 상기 참조파장 조정모듈은 피코시아닌 색소의 정량 탐지를 위하여 조류에 의하여 나타나는 600nm 이후의 분광을 이용하는, 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서, 상기 피크 파장의 반사율비(B/A)는 피코시아닌 색소를 정량화하는데 오차를 발생시키는 간섭물질의 영향을 최소화하기 위한 것으로, A는 조류 색소에 의해 흡수가 나타나는 최저 피크 파장(675nm)의 깊이를 나타내는 반사율값으로, 클로로필-a 농도가 높을수록 증가하고, B는 조류 색소에 의한 피크 파장(700nm)에서 반사 피크 파장의 반사율값으로, 클로로필-a와 피코시아닌의 조류 색소와 관련된, 초분광 자료를 이용한 내수 유해 남조류 정량 탐지 방법.
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