KR102324230B1 - A method and system of measurement for agronomical survey using ASD-Fieldspec - Google Patents

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KR102324230B1
KR102324230B1 KR1020200126777A KR20200126777A KR102324230B1 KR 102324230 B1 KR102324230 B1 KR 102324230B1 KR 1020200126777 A KR1020200126777 A KR 1020200126777A KR 20200126777 A KR20200126777 A KR 20200126777A KR 102324230 B1 KR102324230 B1 KR 102324230B1
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Abstract

The purpose of the present invention is to simultaneously quantify isotope ratios of soil organic carbon(%), total nitrogen(%), stability carbon (δ^13C, ‰), and nitrogen (δ^15N, ‰) through spectral reflection information obtained by a hyperspectral sensor (ASD-Fieldspec) with respect to dried soil. According to the present invention, a difference from the conventional soil spectroscopy technique is that a spectral range used to struct a spectral library is wide (hyperspectral, 350-2500 nm) and absence of hyperspectral-based soil organic carbon-nitrogen estimation technology and the carbon-nitrogen stability isotope ratio can be quantified together.

Description

분광기반 토양성분 예측 방법 및 시스템, 이를 구현하는 프로그램매체{A method and system of measurement for agronomical survey using ASD-Fieldspec}Spectral-based soil composition prediction method and system, and a program medium implementing it {A method and system of measurement for agronomical survey using ASD-Fieldspec}

본 발명은 토양내 성분을 비화학적 방법인 분광센서기반으로 예측하는 기술에 대한 것이다.The present invention relates to a technology for predicting components in soil based on a non-chemical method, a spectral sensor.

미국의 환경전문 컨설팅 업체인 EBI(Environmental Business International)와 영국 정부 기관인 JEMU(Joint Environmental Markets Unit)에 따르면 전 세계 토양 복원시장은 2005년 300억 달러(약 33조 7350억원)에서 2015년 534억 달러(약 60조원)로 현재까지 증가하는 추세이다. According to Environmental Business International (EBI), an environmental consulting firm in the United States, and Joint Environmental Markets Unit (JEMU), a British government agency, the global soil restoration market is estimated to be $53.4 billion in 2015 from $30 billion in 2005. (about 60 trillion won), and it is on the increasing trend so far.

토양 건강성은 식량 생산뿐 아니라 누적피해로 지하수 및 식생 활력에 지대한 영향을 끼칠 수 있으며, 국내에서도 증가 추세인 생태복원사업의 효과적 목표 달성을 위해서는 체계적인 토양 모니터링 및 유지관리 기법이 요구되고 있다.Soil health can greatly affect groundwater and vegetation vitality due to cumulative damage as well as food production.

반면, 토양 내 유기탄소나 질소등의 성분을 분석하거나, 토양내 환경유해물질을 분석하는 경우에는, 대부분 환경 내에서 극미량으로 존재하기 때문에 분석과정에서 상당한 어려움을 수반한다.On the other hand, in the case of analyzing components such as organic carbon or nitrogen in the soil, or analyzing environmental harmful substances in the soil, it is accompanied by considerable difficulties in the analysis process because most are present in trace amounts in the environment.

토양 중의 같은 미량의 물질을 분석하기 위한 방법으로서, 유도결합 질량분석기(ICP-MS;Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) 또는 원자흡수분광광도법(AAS; Atomic Absorption Spectrometry)등의 화학적 분석방법을 사용하였다.As a method for analyzing the same trace amount of substances in soil, chemical analysis methods such as Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) or Atomic Absorption Spectrometry (AAS) were used.

상술한 방법들은 분석 대상 지역에 대한 대표성을 띄는 시료채취, 추출, 복잡한 정제과정을 거치며 많은 시간과 노력 및 고비용을 필요로 한다. 또한 고가의 분석기기와 숙련된 인력을 필요로 한다. 따라서 이런 단점을 극복하고 분석 정확도 및 신속한 분석속도를 보장하면서 간편하고 신속하게 토양내 성분 물질을 실시간 모니터링 할 수 있는 기술이 요구되고 있는 실정이다.The above-described methods require a lot of time, effort, and high cost through sampling, extraction, and complex purification processes representative of the analysis target region. It also requires expensive analytical instruments and skilled manpower. Therefore, there is a need for a technology that can easily and quickly monitor the component substances in the soil in real time while overcoming these shortcomings and ensuring analysis accuracy and rapid analysis speed.

특히, 토양분석의 방법 중, 기존 화학적 분석법을 통한 토양 인자 정량화는 정밀도, 시료의 수, 분석 항목에 따라 시간, 인력, 비용이 많이 소요되므로, 효율적 토양 인자 분석을 위한 대안으로 분광 반사 정보를 활용한 예측 기법이 주목되고 있다.In particular, among soil analysis methods, quantification of soil factors through existing chemical analysis methods requires a lot of time, manpower, and cost depending on precision, number of samples, and analysis items, so spectral reflection information is used as an alternative for efficient soil factor analysis. One predictive technique is attracting attention.

특히, 기존 토양 분광 반사 정보를 활용한 종래기술(한국등록특허 제10-1674395호 등)의 주된 목적은 토양 오염원인 중금속 혹은 토양 유기물 함량 추정의 목적이 대부분이며, 반면, 토양 유기 탄소 및 질소 함량은 토양 건강성을 대표하는 원소인 동시에 기후 변화와 관련하여 저장량 및 변화량에 대한 장기적인 관측이 요구되는 항목이다. 또한, 이들의 안정성 동위원소비는 토양 유기 탄소-질소의 기원과 인간 활동과 같은 인위적 교란을 갈음하는 척도가 되고 있으나, 이러한 성분 분석에 대한 기술은 구현되지 않고 있다.In particular, the main purpose of the prior art (Korean Patent No. 10-1674395, etc.) using the existing soil spectral reflection information is to estimate the content of heavy metals or soil organic matter, which is a soil contamination source, whereas the soil organic carbon and nitrogen content is an element representing soil health, and at the same time, it is an item that requires long-term observation of the amount of storage and change in relation to climate change. In addition, their stability isotope ratio has become a substitute for anthropogenic disturbances such as the origin of soil organic carbon-nitrogen and human activities, but the description of such component analysis has not been implemented.

한국등록특허 제10-1674395호Korean Patent No. 10-1674395 한국등록특허 제10-1305425호Korean Patent Registration No. 10-1305425

본 발명은 상술한 필요성을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 토양 유기 탄소-질소 함량과 이를 해석할 수 있는 동위원소비를 동시에 예측하는 분광 기반 환경 모니터링 기술을 제공하는 데 있다.The present invention has been devised to solve the above needs, and an object of the present invention is to provide a spectroscopic-based environmental monitoring technology that simultaneously predicts the soil organic carbon-nitrogen content and the isotope ratio that can interpret it.

구체적으로, 본 발명은 초분광 센서로 취득한 토양의 반사 정보(350-2500 nm)를 통해, 토양 건강성을 대표하는 유기 탄소(C) 및 질소(N) 함량(%)을 예측하는 동시에, 이들의 안정성 동위원소비(δ13C, δ15N)를 함께 예측하는 분광 기반 환경 모니터링 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다.Specifically, the present invention predicts the organic carbon (C) and nitrogen (N) content (%) representing soil health through the reflection information (350-2500 nm) of the soil acquired by the hyperspectral sensor, and at the same time, The purpose of this study is to provide a spectroscopic-based environmental monitoring technology that predicts the stability isotope ratios (δ 13 C, δ 15 N) together.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는, 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 분광센서를 통해 토양시료군에 대한 분광반사정보를 취득하는 1단계; 상기 분광반사정보에 대한 기계학습을 통해 토양성분예측모델을 형성하는 2단계; 상기 토양시료군에 대한 분광반사정보에 대해 교차검증을 수행하는 3단계; 상기 토양시료 내의 토양성분을 정량화하는 단계를 포함하는, 분광기반 토양성분 예측 방법을 제공할 수 있도록 한다.As a means for solving the above problems, in an embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 1 and 2 , a first step of acquiring spectral reflection information for a group of soil samples through a spectral sensor; a second step of forming a soil component prediction model through machine learning on the spectral reflection information; a third step of performing cross-validation on the spectral reflection information for the soil sample group; It is possible to provide a spectroscopic-based soil component prediction method, including the step of quantifying the soil component in the soil sample.

또한, 상술한 토양성분 예측방법을 구현할 수 있는 시스템으로, 상기 분광센서모듈(100)에서 측정되는 분광반사 데이터를 기준으로 기계학습을 통해 토양성분 예측모델을 산출하고, 검증하는 토양성분정량화모듈(200);을 포함하며, 상기 토양성분정량화모듈(200)은, 토양시료에 대한 분광반사정보를 바탕으로 부분최소제곱법(Partial least squares)을 적용하여 예측변수와 상관관계를 갖는 파장을 추출하여, 토양성분예측모델을 형성하는 토양성분예측모델산출부(220)를 구비하는, 분광기반 토양성분 예측시스템을 제공할 수 있도록 한다.In addition, as a system that can implement the above-described soil component prediction method, a soil component quantification module that calculates and verifies a soil component prediction model through machine learning based on the spectral reflection data measured by the spectral sensor module 100 ( 200); and, the soil composition quantification module 200 applies a partial least squares method based on the spectral reflection information on the soil sample to extract the wavelength having a correlation with the predictor variable, , to provide a spectral-based soil component prediction system having a soil component prediction model calculation unit 220 that forms a soil component prediction model.

나아가 본 발명의 실시예에서는, 또한, 상술한 토양성분 예측방법을 구현할 수 있는 프로그램매체를 제공할 수 있다.Furthermore, in an embodiment of the present invention, it is also possible to provide a program medium capable of implementing the above-described soil component prediction method.

본 발명의 실시예에 따르면, 토양시료에 대한 분광데이터를 기반으로 하는 토양성분예측모델을 제공하여, 분석과정에서 기존방식과는 달리 화합물사용이 없고, 토양시료의 소모가 존재하지 않으며, 시료에 대한 비파괴로 토양시료의 반복측정이 가능하여 안정적이고 신뢰성 있는 분석이 가능한 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, by providing a soil composition prediction model based on spectral data for a soil sample, there is no use of a compound in the analysis process, unlike the conventional method, there is no consumption of the soil sample, and there is no consumption of the soil sample. It has the effect of enabling stable and reliable analysis as it enables repeated measurement of soil samples with non-destructive properties.

또한, 축적된 초분광 데이터로 구축된 토양성분 예측모델을 기계학습을 통해 구현하여, 새로운 토양 시료를 분석할 때 비용이 발생하지 않으며, 실시간 분석으로 신속한 결과값 도출할 수 있는 장점이 구현된다.In addition, by implementing the soil composition prediction model built with the accumulated hyperspectral data through machine learning, there is no cost when analyzing a new soil sample, and the advantage of quickly deriving results through real-time analysis is realized.

나아가, 구축된 토양 초분광 정보는 본 발명에서 예측 모델을 구현한 4개의 항목 이외의 토양 인자를 예측하기 위한 트레이닝 데이터로 활용될 수 있으며, 초분광 기반 토양 유기 탄소, 질소, 안정성 동위원소 예측 모델은 환경복원 및 생태계 평가 대상지의 토양 건강성을 기존 대비 많은 토양 시료를 바탕으로 신속 정확하게 분석할 수 있게 하는 장점도 구현된다.Furthermore, the constructed soil hyperspectral information can be utilized as training data for predicting soil factors other than the four items implementing the prediction model in the present invention, and a hyperspectral-based soil organic carbon, nitrogen, and stability isotope prediction model also realizes the advantage of being able to quickly and accurately analyze the soil health of the target site for environmental restoration and ecosystem evaluation based on more soil samples than before.

본 발명의 평가 대상인 토양 탄소-질소 그리고 이들의 안정성 동위원소비는 토양 건강성뿐 아니라 인간 활동에 따른 인위적 교란 여부를 판별하는 대표 인자로, 산림 파편화 및 도시화로 훼손 후 복원되는 생태계 전반에 본 발명 기술은 기존 평가 방법 대비 넓은 대상지의 토양 정보를 신속하게 동시 분석할 수 있게 하는 장점도 구현된다.Soil carbon-nitrogen and their stability isotope ratio, which is the subject of evaluation of the present invention, are representative factors that determine not only soil health but also anthropogenic disturbance due to human activities. The technology also realizes the advantage of being able to quickly and simultaneously analyze soil information in a wide area compared to the existing evaluation method.

도 1은 본 발명에 따른 분광기반 토양성분 예측시스템 구성 블록도이다.
도 2는 도 1에 따른 시스템 작용상태 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 시스템을 적용한 실시예의 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a configuration block diagram of a spectral-based soil component prediction system according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart of a system operating state according to FIG. 1 .
3 is a graph showing the results of an embodiment to which the system according to the present invention is applied.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed subject matter may be thorough and complete, and that the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It is to be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

도 1은 본 발명에 따른 분광기반 토양성분 예측시스템(이하, '본 발명'이라 한다.) 구성 블록도이다. 도 2는 도 1에 따른 시스템 작용상태 순서도이다.1 is a block diagram of a spectral-based soil component prediction system (hereinafter, referred to as 'the present invention') according to the present invention. FIG. 2 is a flowchart of a system operating state according to FIG. 1 .

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은, 토양시료에 대한 분광반사도를 측정하는 분광센서모듈(100) 및 상기 분광센서모듈(100)에서 측정되는 분광반사 데이터를 기준으로 기계학습을 통해 토양성분 예측모델을 산출하고, 검증하는 토양성분정량화모듈(200)을 포함하여 구성될 수 있다.1 and 2, the present invention, the spectral sensor module 100 for measuring the spectral reflectivity to the soil sample and the spectral reflection data measured by the spectral sensor module 100 based on the soil through machine learning It may be configured to include a soil composition quantification module 200 for calculating and verifying a component prediction model.

상기 분광센서모듈(100)은 분광센서를 포함하는 디바이스를 통칭하는 개념으로, 특히 본 발명의 바람직한 실시예로, 초분광 센서(ASD-Fieldspec)를 적용할 수 있도록 한다. 나아가, 초분광 센서(ASD-Fieldspec)는 본 발명에 적용되는 토양시료는 건조된 토양시료에 대한 분광 반사도를 측정할 수 있도록 적용하는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명은 건조 토양을 대상으로 초분광 센서(ASD-Fieldspec)로 취득된 분광 반사 정보를 통해 토양 유기 탄소 (organic carbon, %), 총 질소 (total nitrogen, %), 안정성 탄소 (δ13C, ‰), 질소 (δ15N, ‰) 동위원소비의 동시 정량화를 구현할 수 있도록 하는 것을 요지로 한다.The spectral sensor module 100 is a concept that collectively refers to a device including a spectral sensor, and in particular, as a preferred embodiment of the present invention, a hyperspectral sensor (ASD-Fieldspec) can be applied. Furthermore, the hyperspectral sensor (ASD-Fieldspec) is preferably applied so that the soil sample applied to the present invention can measure the spectral reflectivity of the dried soil sample. That is, the present invention provides soil organic carbon (%), total nitrogen (%), stability carbon (δ 13 The gist is to enable simultaneous quantification of C, ‰) and nitrogen (δ 15 N, ‰) isotope ratios.

또한, 상기 토양성분정량화모듈(200)은, 상기 분광센서모듈(100)에서 전송되는 분광반사도를 입력하는 분광반사데이터수집부(210)와, 토양시료에 대한 분광반사정보를 바탕으로 부분최소제곱법(Partial least squares)을 적용하여 예측변수와 상관관계를 갖는 파장을 추출하여, 토양성분예측모델을 형성하는 토양성분예측모델산출부(220), 그리고 상기 토양성분예측모델산출부(220)에서 산출하는 예측모델을 검증하는 예측모델검증부(230)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 축적된 예측모델 데이터를 기반으로, 신규한 토양시료에 대한 성분 예측을 수행하여 제시하는 토양성분정량화결정부(240)를 더 포함하여 구성될 수도 있다.In addition, the soil composition quantification module 200, the spectral reflection data collection unit 210 for inputting the spectral reflectivity transmitted from the spectral sensor module 100, and the partial least squares based on the spectral reflection information on the soil sample The method (Partial least squares) is applied to extract the wavelength having a correlation with the predictor, and the soil component prediction model calculation unit 220 to form a soil component prediction model, and the soil component prediction model calculation unit 220 It may be configured to include a prediction model verification unit 230 that verifies the calculated prediction model. In addition, based on the accumulated prediction model data, it may be configured to further include a soil composition quantification determination unit 240 to perform and present a composition prediction for a new soil sample.

특히, 상기 토양성분예측모델산출부(220)는 분광센서모듈(100)에서 전송되는 분광반사도를 입력하는 분광반사데이터수집부(210)에서 제공되는 샘플의 분광반사정보를 통해 토양 성분의 예측모델을 형성할 수 있도록 기계학습을 수행한다.In particular, the soil component prediction model calculation unit 220 uses the spectral reflection information of the sample provided from the spectral reflection data collection unit 210 for inputting the spectral reflectivity transmitted from the spectral sensor module 100, a prediction model of the soil component. Machine learning is performed to form

이러한 상기 토양성분예측모델산출부(220)의 기계학습은, 수분을 제거한 건조 토양의 토양 유기 탄소-질소 함량 및 이들의 안정성 동위원소비를 예측변수로 하는, 부분 최소제곱법(Partial least squares)을 적용하여 수행된다.The machine learning of the soil component prediction model calculation unit 220 uses the soil organic carbon-nitrogen content of the dry soil from which moisture is removed and the stability isotope ratio thereof as a predictor, a partial least squares method (Partial least squares) This is done by applying

구체적으로는, 토양성분예측모델산출부(220)에서 수행되는 기계학습의 경우, 예측 변수는 수분을 제거한 건조 토양의 토양 유기 탄소-질소 함량 및 이들의 안정성 동위원소비이며, 이를 정량화하기 위해 사용하는 분광 반사 데이터는 350-2500 nm 범위로 분광 변수가 매우 공선적(연속적)이며, 예측 변수의 수가 관측치의 수보다 압도적으로 많기에 부분 최소제곱법(Partial least squares)을 활용하여 예측 변수와 상관관계를 갖는 파장을 추출하는 과정을 수행하게 된다. Specifically, in the case of machine learning performed by the soil component prediction model calculation unit 220, the predictive variables are the soil organic carbon-nitrogen content of dry soil from which moisture is removed and their stability isotope ratio, and used to quantify it. In the spectral reflection data used for the spectral reflection data, the spectral variables are very collinear (continuous) in the range of 350-2500 nm, and since the number of predictors is overwhelmingly larger than the number of observations, the partial least squares method is used to correlate with the predictors. A process of extracting a wavelength having a relationship is performed.

이 경우, 부분 최소제곱법을 수행하는 과정에서 반복 부분 최소 제곱 알고리즘을 사용할 수 있다. 특히, '비선형 반복 부분 최소 제곱 알고리즘'은 예측 변수와 반응 변수 간의 최대 상관을 설명하는 일련의 성분을 추출하기 위해 예측 변수를 줄이는 차원 축소를 진행한다.In this case, an iterative partial least squares algorithm may be used in the process of performing the partial least squares method. In particular, the 'nonlinear iterative partial least squares algorithm' proceeds with dimensionality reduction that reduces predictors to extract a set of components that explain the maximum correlation between predictors and response variables.

본 실시예에 따른 토양성분예측모델산출부(220)에서는, 각각의 토양 인자를 예측하는 분광 영역의 추출을 위해, 350-2500 nm 범위 내 반사 데이터를 바탕으로 가장 높은 분산을 가지는 데이터의 축을 찾아 '차원 축소'를 수행할 수 있도록 한다. 구체적으로, 이러한 '차원 축소'를 수행하는 과정은, 우선 첫번째 단계로 고차원의 분광 자료를 보다 낮은 차원의 잠재변수로 요약한다. 이 과정에서 선택된 상기 낮은 차원의 잠재변수는 두번째 단계에서 회귀분석에 사용될 설명변수가 되어 결국 추정량을 예측하게 된다. 이후, 부분최소제곱법을 활용한 회귀 분석에서는 설명변수와 반응변수의 분산-공분산 행렬에서 잠재변수들을 추출한다. 즉, 부분최소제곱법은 반응변수를 고려하여 예측력을 높여주는 잠재변수들을 추출 하는 것이다. 고차원의 설명변수 중 각각의 토양 인자 예측을 위해 축소된 차원의 수는, 유기 탄소 (차원 수:5개), 총 질소 (차원 수:9개), 안정성 탄소 및 질소 동위원소 (차원 수:16개)이다. In the soil component prediction model calculation unit 220 according to this embodiment, in order to extract the spectral region for predicting each soil factor, based on the reflection data within the range of 350-2500 nm, the axis of the data having the highest dispersion is found. Enables 'dimension reduction' to be performed. Specifically, in the process of performing this 'dimensional reduction', the first step is to summarize high-dimensional spectral data into lower-dimensional latent variables. The low-dimensional latent variable selected in this process becomes an explanatory variable to be used in the regression analysis in the second step, and ultimately predicts the estimator. Then, in the regression analysis using the partial least squares method, latent variables are extracted from the variance-covariance matrix of the explanatory variable and the response variable. In other words, the partial least squares method extracts latent variables that increase predictive power in consideration of response variables. Among the high-dimensional explanatory variables, the number of dimensions reduced for each soil factor prediction are organic carbon (dimensions: 5), total nitrogen (dimensions: 9), stable carbon and nitrogen isotopes (dimensions: 16). dog).

이 경우, 부분 최소제곱법을 통한 회귀 분석은 변수의 차원축소 과정에서 독립변수 뿐 아니라 종속변수가 포함되므로 결과 예측에 더 안정적인 결과를 구현할 수 있게 된다.In this case, regression analysis using the partial least squares method can implement more stable results in predicting the results because dependent variables as well as independent variables are included in the dimensionality reduction process of variables.

또한, 본 발명의 상기 예측모델검증부(230)의 경우, 상기 토양성분예측모델산출부(220)의 기계학습을 통해 산출된 토양성분인자에 대한 인자별 모델의 정확도를 검증하고, 향상하기 위해 교차검증(Cross Validation)을 수행할 수 있도록 한다. In addition, in the case of the prediction model verification unit 230 of the present invention, in order to verify and improve the accuracy of the model for each factor with respect to the soil component factors calculated through the machine learning of the soil component prediction model calculation unit 220 , Allows cross validation to be performed.

이러한 본 발명의 교차검증법으로는 리브-원-아웃 교차 검증(Leave-One-Out Cross Validation;LOOCV)을 활용하였으며, 취득한 150개 이상의 토양 시료를 중 1개를 검증 대상으로 설정한 후 나머지 모든 시료의 분광 정보로 예측 모델링을 모든 경우의 수 만큼 반복 실행하였다. 총 4개의 토양 인자(유기 탄소, 질소, 탄소 동위원소, 질소 동위원소)를 대상으로 기존 화학적 분석법의 결과를 레퍼런스로 설정하여, 예측값과 상관관계 분석을 통해 완성도 평가를 수행할 수 있게 된다.Leave-One-Out Cross Validation (LOOCV) was utilized as the cross-validation method of the present invention. Predictive modeling with the spectral information of the sample was repeated as many times as the number of cases. By setting the results of existing chemical analysis methods as a reference for a total of four soil factors (organic carbon, nitrogen, carbon isotopes, nitrogen isotopes), completeness evaluation can be performed through predicted values and correlation analysis.

도 3은 본 발명의 기능 수행을 예시하기 위한 실시예의 결과를 도시한 것이다.3 shows the results of an embodiment for illustrating the performance of the function of the present invention.

{실시예}{Example}

본 발명에 따른 토양성분예측모델 구현을 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was performed to implement the soil composition prediction model according to the present invention.

(1) 우선, 총 150개의 건조 토양 샘플을 바탕으로, 2mm 표준체를 거친 샘플의 분광 반사 정보를 ASD-Fieldspec을 통해 취득하였다. 해당 분광반사정보를 바탕으로, 토양성분예측모델산출부의 프로그램을 통해, 토양성분 예측모델을 형성하였다.(1) First, based on a total of 150 dry soil samples, spectral reflection information of a sample that passed through a 2 mm standard sieve was acquired through ASD-Fieldspec. Based on the spectral reflection information, the soil component prediction model was formed through the program of the soil component prediction model calculation unit.

(2) 기존 토양 유기 탄소 함량(%)을 측정하는 원소 분석기 (Flash EA 1112; Thermo Electron, Waltham, MA, USA)의 결과값을 레퍼런스로 설정 (measured SOC)하였다.(2) The result value of the element analyzer (Flash EA 1112; Thermo Electron, Waltham, MA, USA) for measuring the organic carbon content (%) of the existing soil was set as a reference (measured SOC).

(3) 도 3의 그래프는 레퍼런스 값(measured SOC)과 토양성분예측모델 산출부의 프로그램을 통해, 토양성분 예측모델을 통한 예측 값(predicted SOC)의 상관성을 분석한 결과를 도시한 것이다. (R2 = 0.83)(3) The graph of FIG. 3 shows the results of analyzing the correlation between the reference value (measured SOC) and the predicted value (predicted SOC) through the soil component prediction model through the program of the soil component prediction model calculation unit. (R 2 = 0.83)

도 3에 도시된 것과 같이, 350 - 2500nm 범위의 파장 범위에서 가시광선과 근적외선 영역이 토양 유기 탄소 예측에 중요한 영역임을 확인할 수 있다. (VIP, 0.8 이상) (VIP: Variable importance in projection)As shown in FIG. 3 , it can be confirmed that the visible and near-infrared regions in the wavelength range of 350 - 2500 nm are important regions for predicting soil organic carbon. (VIP, 0.8+) (VIP: Variable importance in projection)

아울러, 반사 범위 내 Coef 값을 통해 각각의 파장대(nm)에서 예측 함수식에 곱해지는 계수를 확인하였다. In addition, the coefficient multiplied by the prediction function in each wavelength band (nm) was confirmed through the Coef value within the reflection range.

또한, 분광 반사 데이터의 기계 학습법(부분최소제곱법, PLS)과 개발 모델의 정확도를 높이기 위한 교차검증(Leave-One-Out Cross Validation, LOOCV)이 실시하였으며, 기존 화학적 분석법의 결과 대비 본 발명에서 정량화한 토양인자 예측값의 정확도는 유기 탄소(R2=0.83), 총 질소 (R2=0.88), δ13C(R2=0.99), δ15N (R2=0.97)으로 평가되었다.In addition, the machine learning method (partial least squares method, PLS) of the spectral reflection data and the Leave-One-Out Cross Validation (LOOCV) were performed to increase the accuracy of the development model. The accuracy of the quantified soil factor prediction values was evaluated as organic carbon (R 2 =0.83), total nitrogen (R 2 =0.88), δ 13 C (R 2 =0.99), and δ 15 N (R 2 =0.97).

이상과 같이, 본 발명은 건조 토양을 대상으로 초분광 센서(ASD-Fieldspec)로 취득된 분광 반사 정보를 통해 토양 유기 탄소 (organic carbon, %), 총 질소 (total nitrogen, %), 안정성 탄소 (δ13C, ‰), 질소 (δ15N, ‰) 동위원소비의 동시 정량화를 구현할 수 있게 된다.As described above, the present invention provides soil organic carbon (%), total nitrogen (%), stability carbon ( Simultaneous quantification of δ 13 C, ‰) and nitrogen (δ 15 N, ‰) isotope ratios can be realized.

나아가, 기존 토양 분광 기술과의 차별적인 특징으로, 분광 라이브러리 구축에 이용된 분광 영역 범위가 넓으며 (초분광, 350-2500 nm), 초분광 기반 토양 유기 탄소-질소 추정 기술의 부재 및 탄소-질소 안정성 동위원소비를 함께 정량가 가능하게 된다. Furthermore, as a distinguishing feature from the existing soil spectroscopy technology, the spectral range used to construct the spectral library is wide (hyperspectral, 350-2500 nm), and the absence of hyperspectral-based soil organic carbon-nitrogen estimation technology and carbon- It is possible to quantify the nitrogen stability isotope ratio together.

또한, 본 발명에 따른, 상술한 분광반사자료 기반 토양성분 예측방법을 실행하는 시스템에 적용되는 기능 구성 및 수행동작은 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 하나 이상의 마이크로프로세서들의 제어 또는 다른 제어 장치들에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩업 테이블(look-up table) 등과 같은 직접 회로 구성들을 채용할 수 있다.In addition, the functional configuration and execution operation applied to the system for executing the above-described spectral reflection data-based soil component prediction method according to the present invention may be represented by functional block configurations and various processing steps. These functional blocks may be implemented in any number of hardware and/or software configurations that perform specific functions. For example, the present invention provides integrated circuit configurations, such as memory, processing, logic, look-up table, etc., capable of executing various functions by means of the control of one or more microprocessors or other control devices. can be hired

본 발명에의 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 본 발명은 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, 파이썬(Python), C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적인 측면들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. “~모듈”, “~부”, "매커니즘", "요소", "수단", "구성"과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.Similar to how the components of the present invention may be implemented as software programming or software elements, the present invention includes various algorithms implemented as data structures, processes, routines, or combinations of other programming constructs, including Python (Python). ), C, C++, Java, assembler, etc. may be implemented in a programming or scripting language. Functional aspects may be implemented in an algorithm running on one or more processors. Further, the present invention may employ prior art techniques for electronic configuration, signal processing, and/or data processing, and the like. Terms such as “module”, “part”, “mechanism”, “element”, “means”, and “configuration” may be used broadly and are not limited to mechanical and physical components. The term may include the meaning of a series of routines of software in association with a processor or the like.

이상에서와 같이 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 바람직한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아니다. 이처럼 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 본 발명의 실시예의 결합을 통해 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.As described above, the technical idea of the present invention has been specifically described in the preferred embodiment, but the preferred embodiment is for the purpose of explanation and not for limitation. As such, those skilled in the art will be able to understand that various embodiments are possible through the combination of the embodiments of the present invention within the scope of the technical spirit of the present invention.

본 발명이 활용될 대표적 사업군은 기존 산림생태계 복원사업 및 도시 훼손지 복원사업 전반에 적용이 가능하다. 기존 토양 환경평가 방식은 현장 인력이 채취한 최소 기준의 시료를 전처리 후, 화학 분석기를 보유한 전문기관에 결과 분석을 위탁하는 방식임. 기존 토양 평가 방식은 현장을 훼손할 우려가 있으며, 비용, 인력, 소요 시간 모두에서 효율이 낮다는 지적이 있었으며, 또한, 분석 결과의 원인을 해석하기 위해 높은 비용의 추가 분석 역시 요구되어 왔다. 본 발명에서 이용하는 분광 정보기반 토양 탄소-질소, 안정성 동위원소비 평가 방식은 화합물을 사용하지 않고, 대상지 토양 훼손을 최소화하는 동시에 취득한 토양 시료를 파괴하지 않는 장점을 갖춤 (반복 측정 가능). 또한, 분석 시간 역시 현저히 단축할 수 있으며, 기계학습법의 특징상 취득한 분광 라이브러리가 누적됨에 따라 예측 정확도가 증가하게 되며, 향후 별개의 토양 인자를 예측할 수 있는 기초 데이터로 활용될 수 있게 된다.The representative business group in which the present invention will be utilized can be applied to the existing forest ecosystem restoration project and the urban damaged area restoration project as a whole. The existing soil environmental evaluation method is a method of pre-processing samples of the minimum standard collected by field personnel, and then entrusting the analysis of the results to a specialized institution with a chemical analyzer. It has been pointed out that the existing soil evaluation method has a risk of damaging the site and has low efficiency in terms of cost, manpower, and time required. In addition, additional analysis of high cost has been required to interpret the cause of the analysis result. The spectral information-based soil carbon-nitrogen and stability isotope ratio evaluation method used in the present invention has the advantage of not using a compound, minimizing damage to the target site, and not destroying the acquired soil sample (repeat measurement is possible). In addition, the analysis time can also be significantly reduced, and due to the characteristics of the machine learning method, the prediction accuracy increases as the acquired spectral library is accumulated, and it can be used as basic data for predicting separate soil factors in the future.

100: 분광센서모듈
200: 토양성분정량화모듈
210: 분광반사데이터수집부
220: 토양성분 예측모델산출부
230: 에측모델검증부
240: 토양성분정량화결정부
100: spectral sensor module
200: Soil composition quantification module
210: spectral reflection data collection unit
220: soil composition prediction model calculation unit
230: prediction model verification unit
240: soil composition quantification determining unit

Claims (8)

초분광센서를 통해 건조된 토양시료를 표준체를 통해 필터링한 샘플에 대한 분광반사도 정보를 취득하는 1단계;
수분을 제거한 건조 토양시료에 대한 분광반사정보인 토양 유기 탄소-질소 함량 및 이들의 안정성 동위원소비를 예측변수로 하는 부분최소제곱법을 적용하여 예측변수와 상관관계를 갖는 파장을 추출하여, 토양성분예측모델을 형성하는 2단계;
상기 토양시료에 대한 토양성분예측모델에 대하여 교차검증을 수행하는 3단계;
상기 토양시료 내의 토양성분중, 토양 유기 탄소 (organic carbon, %), 총 질소 (total nitrogen, %), 안정성 탄소 (δ13C, ‰), 질소 (δ15N, ‰) 동위원소비의 동시 정량화 하는 단계;
를 포함하는,
분광기반 토양성분 예측 방법.
Step 1 of acquiring spectral reflectivity information for a sample filtered through a standard sieve of a soil sample dried through a hyperspectral sensor;
By applying the partial least squares method using the soil organic carbon-nitrogen content, which is spectral reflection information for the dry soil sample from which moisture has been removed, and their stability isotope ratio as a predictor variable, the wavelength having a correlation with the predictor variable is extracted, and the soil Step 2 of forming a component prediction model;
a third step of performing cross-validation on the soil component prediction model for the soil sample;
Among the soil components in the soil sample, soil organic carbon (%), total nitrogen (%), stability carbon (δ 13 C, ‰), nitrogen (δ 15 N, ‰) isotope ratios simultaneously quantification;
containing,
Spectral-based Soil Composition Prediction Method.
청구항 1에 있어서,
상기 1단계는,
상기 초분광센서(Hyperspectral Sensor)는 분광반사도 400-2200nm 범위의 분광반사정보를 적용하는,
분광기반 토양성분 예측 방법.
The method according to claim 1,
The first step is
The hyperspectral sensor (Hyperspectral Sensor) applies spectral reflectance information in the range of spectral reflectivity 400-2200nm,
Spectral-based Soil Composition Prediction Method.
삭제delete 청구항 2에 있어서,
상기 3단계는, 교차검증법으로 Leave-One-Out Cross Validation (LOOCV)를 적용하되,
a) n개의 토양시료군 중 검증대상이 되는 토양시료를 기준시료로 선정하는 단계
b) 상기 기준시료를 제외한 (n-1)개의 토양시료군의 분광정보로 예측모델링을 모든 경우의 수로 수행하는 단계;
c) 유기탄소, 질소, 탄소동위원소, 질소 동위원소를 대상으로, 레퍼런스결과값에 대해 예측값과 상관관계를 분석하는 단계;
를 포함하는, 분광기반 토양성분 예측 방법.
3. The method according to claim 2,
Step 3 above applies Leave-One-Out Cross Validation (LOOCV) as a cross-validation method,
a) Selecting a soil sample to be verified from among n soil sample groups as a reference sample
b) performing predictive modeling with the spectral information of (n-1) soil sample groups excluding the reference sample in all cases;
c) analyzing predicted values and correlations with respect to reference result values for organic carbon, nitrogen, carbon isotopes, and nitrogen isotopes;
Containing, spectroscopy-based soil component prediction method.
건조된 토양시료를 표준체를 통해 필터링한 샘플에 대한 분광반사도 정보를 취득하는 분광센서모듈(100); 및
상기 분광센서모듈(100)에서 측정되는 수분을 제거한 건조 토양시료에 대한 분광반사 데이터를 기준으로 토양 유기 탄소-질소 함량 및 이들의 안정성 동위원소비를 예측변수로 하는 부분최소제곱법을 적용하여 예측변수와 상관관계를 갖는 파장을 추출하여, 토양성분예측모델을 형성하고, 검증하는 토양성분정량화모듈(200);을 포함하며,
상기 토양성분정량화모듈(200)은,
토양시료에 대한 분광반사정보를 바탕으로 부분최소제곱법(Partial least squares)을 적용하여 예측변수와 상관관계를 갖는 파장을 추출하여, 토양성분예측모델을 형성하는 토양성분예측모델산출부(220); 상기 분광센서모듈(100)에서 전송되는 분광반사도를 입력하는 분광반사데이터수집부(210); 및 상기 토양성분예측모델산출부(220)에서 산출하는 예측모델을 검증하는 예측모델검증부(230);를 구비하고,
토양시료 내의 토양성분 중, 토양 유기 탄소 (organic carbon, %), 총 질소 (total nitrogen, %), 안정성 탄소 (δ13C, ‰), 질소 (δ15N, ‰) 동위원소비의 동시 정량화 하는,
분광기반 토양성분 예측시스템.
a spectral sensor module 100 for obtaining spectral reflectance information for a sample filtered through a standard sieve of a dried soil sample; and
Prediction by applying the partial least squares method using the soil organic carbon-nitrogen content and their stability isotope ratio as a predictor variable based on the spectral reflection data of the dry soil sample from which moisture has been removed measured by the spectral sensor module 100 It includes; a soil composition quantification module 200 that extracts a wavelength having a correlation with a variable, forms a soil composition prediction model, and verifies it;
The soil composition quantification module 200,
Based on the spectral reflection information on the soil sample, the partial least squares method is applied to extract the wavelength having a correlation with the predictor variable, and the soil component prediction model calculation unit 220 forms a soil component prediction model. ; a spectral reflection data collection unit 210 for inputting the spectral reflectivity transmitted from the spectral sensor module 100; and a prediction model verification unit 230 for verifying the prediction model calculated by the soil component prediction model calculation unit 220;
Simultaneous quantification of isotope ratios of soil organic carbon (%), total nitrogen (%), stability carbon (δ 13 C, ‰), nitrogen (δ 15 N, ‰) among soil components in soil samples doing,
Spectral-based soil composition prediction system.
삭제delete 청구항 5에 있어서,
상기 예측모델검증부(230)는,
리브-원-아웃 교차 검증(Leave-One-Out Cross Validation;LOOCV)를 적용하여,
유기탄소, 질소, 탄소동위원소, 질소 동위원소를 대상으로, 레퍼런스결과값에 대해 예측값과 상관관계를 분석하여 검증하는,
분광기반 토양성분 예측시스템.
6. The method of claim 5,
The predictive model verification unit 230,
By applying Leave-One-Out Cross Validation (LOOCV),
For organic carbon, nitrogen, carbon isotopes, and nitrogen isotopes, the reference result value is analyzed and verified with the predicted value and the correlation.
Spectral-based soil composition prediction system.
청구항 1에 따른 토양성분 예측방법을 수행하는 프로그램을 수록한 기록매체.A recording medium containing a program for performing the soil component prediction method according to claim 1.
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