KR102605365B1 - 포장용수량 추정 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서로 다른 깊이에 설치되는 토양함수율 센서를 이용하여 토양의 포장용수량을 추정하기 위한 포장용수량 추정 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

포장용수량 추정 시스템 및 방법{field capacity estimation system and method}

본 발명은 포장용수량 추정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 깊이에 설치되는 토양함수율 센서를 이용하여 토양의 포장용수량을 추정하기 위한 포장용수량 추정 시스템 및 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에서 사용되는 용어들을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 포장용수량(field capacity)은 중력수(중력에 의해 비모관 공극에서 흘러나가는 물)를 배제한 포화된 토양, 즉 토양의 소공극이 머금을 수 있는 물의 최대량을 뜻하고, 영구위조점(permanent wilting point)은 토양수가 감소해서 식물이 영구히 회복되지 못하게 되는 지점의 토양 수분 함량을 뜻하며, 유효수분량(available water)은 포장용수량과 영구위조점의 사이, 즉 식물이 토양의 물을 이용할 수 있는 함수율 구간을 뜻한다.

일반적으로 식물의 원활한 생장을 위해서는 포장용수량 이하로부터 유효수분량의 50% 이상의 함수율을 유지하는 것이 좋으므로, 포장용수량, 영구위조점 및 유효수분량은 관개 필요 여부 판단에 중요한 지표가 된다.

여기서, 포장용수량과 영구위조점은 토양의 타입(입도)에 의해 결정될 수 있다. 즉, 현장에서 포장용수량을 파악하면 토양의 타입을 추정할 수 있고 이에 따라 영구위조점을 추정하여 유효수분량을 산출함으로써 해당 토양의 적절한 함수율 구간을 파악할 수 있다.

이 때, 포장용수량은 배수가 양호하고 균일한 구조를 가진 토양에서 충분한 양의 강수나 관개가 있은 후 2~3일 후 과잉의 중력수가 배수되어 물의 하향이동이 현저하게 감소된 때의 함수율(함수량)로 정의되나, 중력수가 배수된 상태란 것은 상당히 측정하기 모호한 정의이기 때문에, 실제 농업현장에서 토양의 포장용수량을 정확하게 측정하기 어려운 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 토양에 서로 다른 깊이로 설치되는 2개의 토양함수율 센서로부터 측정한 토양함수율의 변화율을 이용하여 토양의 포장용수량을 추정할 수 있는 포장용수량 추정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 포장용수량 추정 시스템은, 토양 표층에 설치되어 토양 표층의 함수율을 측정하는 제1 토양함수율 센서와, 작물의 뿌리 깊이보다 아래에 설치되어 상기 토양 하층의 함수율을 측정하는 제2 토양함수율 센서 및 상기 제1 토양함수율 센서로부터 측정된 제1 토양함수율 및 상기 제2 토양함수율 센서로부터 측정된 제2 토양함수율을 이용하여 상기 토양의 포장용수량을 추정하는 포장용수량 추정부를 포함한다.

또한, 소정시간마다 상기 제1 토양함수율을 수신하여 제1 토양함수율 변화율을 계산하고, 상기 소정시간마다 상기 제2 토양함수율을 수신하여 제2 토양함수율 변화율을 계산하는 토양함수율 변화율 계산부;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 포장용수량 추정 방법은, 토양 표층에 설치되는 제1 토양함수율 센서로부터 토양 표층의 함수율을 측정하는 제1 토양함수율 측정단계와, 작물의 뿌리 깊이보다 아래에 설치되는 제2 토양함수율 센서로부터 상기 토양 하층의 함수율을 측정하는 제2 토양함수율 측정단계 및 상기 제1 토양함수율 센서로부터 측정된 제1 토양함수율 및 상기 제2 토양함수율 센서로부터 측정된 제2 토양함수율을 이용하여 상기 토양의 포장용수량을 추정하는 포장용수량 추정단계를 포함한다.

또한, 소정시간마다 상기 제1 토양함수율을 수신하여 제1 토양함수율 변화율을 계산하고, 상기 소정시간마다 상기 제2 토양함수율을 수신하여 제2 토양함수율 변화율을 계산하는 토양함수율 변화율 계산단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 포장용수량 추정 시스템 및 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.

첫째, 토양함수율 센서를 이용하여 토양의 포장용수량을 간단하게 추정할 수 있는 이점이 있다.

둘째, 토양의 서로 다른 깊이에 설치되는 2개의 토양함수율 센서의 토양함수율 변화율을 이용하여 포장용수량을 추정함으로써, 배수 시차에 의한 포장용수량 추정 오차를 감소시키고 정확도를 극대화할 수 있는 이점이 있다.

셋째, 토양의 포장용수량을 추정함으로써, 해당 토양에서 작물이 자라기 위한 최적의 함수율 구간을 파악할 수 있는 이점도 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에서 사용되는 용어들을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 포장용수량 추정 시스템의 블럭 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양함수율 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포장용수량 추정부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 포장용수량 추정 방법의 순서도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에 첨부된 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의성을 위하여 과장되게 도시될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기술의 기능 및 구성에 관한 상세한 설명은 생략될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 또는 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용되는 상단, 하단, 상면, 하면 또는 상부, 하부 등의 용어는 구성 요소들에 있어서 상대적인 위치를 구별하기 위해 사용되는 것이다. 예를 들어, 편의 상 도면상의 위쪽을 상부, 도면상의 아래쪽을 하부로 명명하는 경우 실제에 있어서는 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 상부는 하부로 명명될 수 있고, 하부는 상부로 명명될 수 있다.

본 명세서에서 기재한 ~제1~, ~제2~ 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 각 구성요소가 서로 다른 구성 요소들임을 구분하기 위해서 지칭한 것일 뿐, 제조된 순서에 구애받지 않는 것이며, 발명의 상세한 설명과 청구범위에서 그 명칭이 일치하지 않을 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

설명에 앞서, 본 명세서에서 사용되는 토양 함수율은 토양 내 포함된 수분의 함량을 나타내는 것으로, 중량기준 함수율(%, m/m)과 용적기준 함수율(%, v/v)로 표현될 수 있다. 중량기준 함수율은 중량을 기준으로 하는 것으로, 토양 중량에 대한 물의 중량으로 나타내고, 용적기준 함수율은 부피를 기준으로 하는 것으로, 토양의 부피에 대한 물의 부피를 나타낸다. 본 명세서에서 사용되는 토양 함수율은 상기 중량기준 함수율 또는 용적기준 함수율 둘 중 하나로 표현될 수 있으며, 어느 하나에 제한되지 않는다.

또한, 후술할 제1 토양함수율 센서 및 제2 토양함수율 센서는 토양에 센서의 탐침을 삽입하여 토양에 함유된 수분의 압력을 측정하거나 전극의 저항 변화를 이용하여 토양의 유전율을 측정함으로써 토양의 함수율을 측정하는 접촉식 방식을 사용하는 센서일 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예들에 의한 포장용수량 추정 시스템 및 방법을 설명하기 위하여 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 포장용수량 추정 시스템의 블럭 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 포장용수량 추정 시스템은 제1 토양함수율 센서(100), 제2 토양함수율 센서(200), 토양함수율 변화율 계산부(300) 및 포장용수량 추정부(400)를 포함할 수 있다.

제1 토양함수율 센서(100)는 토양 표층에 설치되어 토양 표층의 함수율을 측정할 수 있다.

제2 토양함수율 센서(200)는 작물의 뿌리 깊이보다 아래에 설치되어 상기 토양 하층의 함수율을 측정할 수 있다.

토양함수율 변화율 계산부(300)는 제1 토양함수율 센서(100)로부터 측정된 제1 토양함수율 및 제2 토양함수율 센서(200)로부터 측정된 제2 토양함수율을 소정시간마다 수신하여 제1 토양함수율 변화율 및 제2 토양함수율 변화율을 계산할 수 있다.

포장용수량 추정부(400)는 관수 또는 강우에 의해 제2 토양함수율이 최댓값을 가진 이후에 제1 토양함수율 변화율 및 제2 토양함수율 변화율이 최초로 일치할 때의 제1 토양함수율 값 또는 제2 토양함수율 값 또는 제1 토양함수율과 제2 토양함수율의 평균값을 토양의 포장용수량으로 추정할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양함수율 센서를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 제1 토양함수율 센서(100)는 토양 표면에서부터 수직거리 L₁만큼 아래에 설치될 수 있다. 이 때, 상기 수직거리 L₁은 30cm 이하인 것이 바람직하다.

제2 토양함수율 센서(200)는 토양 표면에서부터 수직거리 L2만큼 아래에 설치될 수 있다. 이 때, 제2 토양함수율 센서(200)는 토양에 심어진 작물의 최대 뿌리 깊이(Lr)보다 아래에 설치되는 것이 바람직하다.(즉, L2>Lr)

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포장용수량 추정부를 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 먼저 토양에 충분한 양의 강우 또는 강수가 이루어진 직후에 중력수가 토양 표층으로부터 토양 하방으로 흐르게 된다. 즉, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 먼저 토양 표층의 제1 토양함수율 값이 최대가 된 후에 제2 토양함수율 값이 최대가 된다. 이에 따라, 표층의 제1 토양함수율 최댓값 발생 시점과 토양 하층의 제2 토양함수율 최댓값 발생 시점에는 시차가 존재하게 된다.

그러나, 중력수가 대부분 배수된 시점에서는 토양 표층에서 하부로의 중력에 의한 상대적으로 빠른 이동이 제한되게 되며, 일정 시간 후에 제1 토양함수율 변화율과 제2 토양함수율 변화율이 같아지게 되며, 제1 토양함수율 값과 제2 토양함수율 값이 일치하거나 약간의 오차만이 존재하게 된다.

즉, 포장용수량 추정부(400)는 최대함수율 발생 시점부터 토양 표층과 토양 하층의 토양함수율 변화율이 같아지는 때의 토양함수율 값을 포장용수량으로 추정함으로써, 보다 정확하게 토양의 포장용수량을 추정할 수 있다.

여기서, 제1 토양함수율 변화율과 제2 토양함수율 변화율이 같아지는 시점에 제1 토양함수율 값과 제2 토양함수율 값은 거의 같아지기 때문에 제1 토양함수율 변화율과 제2 토양함수율 변화율이 같아지는 시점의 제1 토양함수율 값 또는 제2 토양함수율 값 중 하나를 포장용수량 추정값으로 산출해도 무리가 없으나, 본 발명의 일 실시예에 따르면 제1 토양함수율 변화율과 제2 토양함수율 변화율이 같아지는 시점의 제1 토양함수율 값과 제2 토양함수율 값의 평균값을 포장용수량 추정값으로 산출하는 것이 가장 바람직하다.

이 때, 상기 제1 토양함수율 변화율은 도 4a에 도시된 바와 같이 시간에 대한 제1 토양함수율 값 그래프에서 그래프의 기울기를 나타내며, 상기 제2 토양함수율 변화율도 마찬가지로 도 4b에 도시된 바와 같이 시간에 대한 제2 토양함수율 값 그래프에서 그래프의 기울기를 나타낼 수 있다. 이 때, 상기 기울기를 계산하기 위한 시간은 사용자에 의해 설정되거나 변경될 수 있으며, 특정 시간으로 제한되지 않는다. 기울기를 계산하기 위한 시간 간격은 작을수록 기울기 계산 정확도를 향상시킬 수 있다.

이하에서는 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 포장용수량 추정 방법에 대해 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 포장용수량 추정 방법의 순서도이다.

도 5에 도시된 방법은 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 포장용수량 추정 시스템에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 포장용수량 추정 시스템에 대한 자세한 설명은 도 2 내지 도 4를 참조하여 상술하였으므로 이하에서는 중복을 피하기 위해 생략될 수 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 포장용수량 추정 방법은 제1 토양함수율 측정단계(S100), 제2 토양함수율 측정단계(S200) 및 토양함수율 변화율 계산단계(S300) 및 포장용수량 추정단계(S400)를 포함할 수 있다.

제1 토양함수율 측정단계(S100)에서는 토양 표층에 설치되는 제1 토양함수율 센서(100)로부터 토양 표층의 함수율을 측정할 수 있다.

제2 토양함수율 측정단계(S200)에서는 작물의 뿌리 깊이보다 아래에 설치되는 제2 토양함수율 센서(200)로부터 상기 토양 하층의 함수율을 측정할 수 있다.

토양함수율 변화율 계산단계(S300)에서는 소정시간마다 상기 제1 토양함수율을 수신하여 제1 토양함수율 변화율을 계산하고, 상기 소정시간마다 상기 제2 토양함수율을 수신하여 제2 토양함수율 변화율을 계산할 수 있다.

포장용수량 추정단계(S400)에서는 관수 또는 강우에 의해 상기 제2 토양함수율이 최댓값을 가진 이후에 상기 제1 토양함수율 변화율 및 제2 토양함수율 변화율이 최초로 일치할 때의 제1 토양함수율 값 또는 제2 토양함수율 값 또는 제1 토양함수율과 제2 토양함수율의 평균값을 상기 토양의 포장용수량으로 추정할 수 있다.

본 발명에 따른 포장용수량 추정 시스템 및 방법에 따르면, 토양 표층에 설치되는 제1 토양함수율 센서(100) 및 작물의 뿌리 깊이 보다 아래에 설치되는 제2 토양함수율 센서(200)로부터 소정시간마다 제1 토양함수율 및 제2 토양함수율을 수신하여 토양 표층 및 하층의 토양함수율의 변화율을 계산하여 제1 토양함수율 변화율 및 제2 토양함수율 변화율이 같아지는 시점의 토양함수율을 포장용수량으로 추정함으로써, 토양 표층과 하층의 중력수 배수 시차를 고려하여 토양의 중력수가 배수되어 물의 하향이동이 현저하게 감소된 때를 명확하게 판단할 수 있고, 배수 시차에 의한 포장용수량 추정 오차를 감소시켜 포장용수량 추정을 보다 정확하게 할 수 있는 이점이 있다.

또한, 포장용수량을 추정함으로써 토양의 타입을 추정할 수 있고, 이에 따라 영구위조점을 추정하여 유효수분량을 산출함으로써 해당 토양에서 작물이 자라기 위한 적절한 함수율 구간을 파악할 수 있는 이점이 있다.

상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

100: 제1 토양함수율 센서
200: 제2 토양함수율 센서
300: 토양함수율 변화율 계산부
400: 포장용수량 추정부

Claims (4)

1. 토양 표층에 설치되어 토양 표층의 함수율을 측정하는 제1 토양함수율 센서;
   작물의 뿌리 깊이보다 아래에 설치되어 토양 하층의 함수율을 측정하는 제2 토양함수율 센서; 및
   상기 제1 토양함수율 센서로부터 측정된 제1 토양함수율 및 상기 제2 토양함수율 센서로부터 측정된 제2 토양함수율을 이용하여 상기 토양의 포장용수량을 추정하는 포장용수량 추정부; 및
   소정시간마다 상기 제1 토양함수율을 수신하여 제1 토양함수율 변화율을 계산하고, 상기 소정시간마다 상기 제2 토양함수율을 수신하여 제2 토양함수율 변화율을 계산하는 토양함수율 변화율 계산부;를 포함하되,
   상기 포장용수량 추정부는,
   상기 제1 토양함수율 또는 상기 제2 토양함수율이 최대값을 가진 이후에 상기 제1 토양함수율 변화율 및 상기 제2 토양함수율 변화율이 최초로 일치할 때의 제1 토양함수율 값 또는 제2 토양함수율 값 또는 제1 토양함수율 값 및 제2 토양함수율 값의 평균값 중 어느 하나를 상기 토양의 포장용수량으로 추정하는 것을 특징으로 하는 포장용수량 추정 시스템.
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